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科研进展

2021年12月02日
中国科大在新一代神威超级计算机上首次实现EAST和CFETR聚变堆全装置动理学等离子体演化模拟

当地时间11月16日下午,中国科大入围国际戈登•贝尔奖评选的超算应用成果 “Symplectic Structure-Preserving Particle-in-Cell Whole-Volume Simulation of Tokamak Plasmas to 111.3 Trillion Particles and 25.7 Billion Grids”,参加了在美国密苏里州圣路易斯召开的全球超级计算大会(SC21)的线上答辩,报告了中国科大在新一代神威超级计算机上首次实现EAST(先进实验超导托卡马克)和CFETR(中国聚变工程试验堆) “聚变堆全装置动理学等离子体演化模拟”,这是中国科大首次作为第一完成单位入围戈登•贝尔奖评选。戈登•贝尔奖是国际上高性能计算应用领域的最高学术奖项,被称为“超算领域的诺贝尔奖”,由ACM(美国计算机学会)每年评选和颁发,具有巨大的国际影响力。此前,在10月22日举办的CCF(中国计算机学会)高性能计算学术年会(HPC China 2021)上,该成果获得了2021年首届“年度中国高性能计算最佳应用奖”。此项成果由核科学技术学院肖建元副研究员课题组与计算机科学与技术学院安虹教授课题组联合攻关,在中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所、中国科学院数学与系统科学研究院、国家超级计算无锡中心、北京大学和郑州大学相关研究人员的紧密配合下完成。

入围ACM Gorden Bell奖

获得CCF 2021年首届“年度中国高性能计算最佳应用奖”

能源供应是21世纪人类面临的最大挑战! 随着世界化石能源(煤,石油,天然气等)日趋枯竭,人类渴望获得“取之不尽”的能源以实现可持续发展。为了应对当前的能源危机和环境问题,世界各国投入巨大的人力和物力开发风能、水能、太阳能等新能源,以降低化石能源在能源结构中所占的比重。而聚变能具有燃料丰富(地球上氘氚储量无限)、清洁(排放无污染)、安全性高(辐射危害极小)、能量密度大等突出优点,是解决未来能源问题最有希望的途径,被认为是人类的终极能源。

目前,在受控聚变领域最主流的磁约束Tokamak装置中,由于中心等离子体温度需要达到一亿度以上,而外部约束超导磁体则需要在接近绝对零度的环境中,超高的温度与压强梯度会驱动各种等离子体中的不稳定性从而破坏约束。如何更精确地模拟磁约束等离子体长时间演化以便设计更经济而约束性能更好的Tokamak装置一直是一个难点。

中国科学技术大学和合肥物质科学研究院是合肥综合性国家科学中心的核心建设单位,也是中国核聚变研究的重要基地。中国科学技术大学是国家磁约束聚变堆总体设计组的依托单位,成立了磁约束聚变堆设计研究中心,协同全国相关单位进行CFETR工程概念设计。中国科大与中科院数学与系统科学研究院合作,基于上世纪80年代由我国数学家冯康先生提出的保辛结构算法理论,发展了一套针对等离子体带电粒子-电磁场系统具有长期守恒性质的显式高阶非正则辛Particle-in-Cell格式;自主设计了SymPIC等离子体带电粒子-电磁场系统的大规模保结构动理学数值模拟软件;通过在算法、软件栈和自动向量化等方面进行一系列关键技术创新,在新一代神威超级计算机首次对EAST(由等离子体所自行设计研制的国际首个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置)和CFETR全装置等离子体演化实现了最大规模的长时间高保真模拟,已用于计算波在等离子体中的传播、电流驱动、随机加热等现象并获得了比传统算法更加可靠的非线性长期结果。相关应用研究成果“Structure-preserving particle-in-cell simulation of lower hybrid wave propagation and heating in the magnetic mirror”已发表在Nuclear Fusion上;“Structure-preserving electromagnetic–kinetic simulations of lower hybrid-wave injection and current drive”已发表在Plasma Physics and Controlled Fusion上。

对EAST和CFETR全装置等离子体演化模拟结果

与同类但传统的PIC模拟软件相比,SymPIC软件具有无可比拟的长期数值稳定性优势,克服了一直困扰传统PIC模拟软件中的数值自加热问题。由于辛算法相关的研究非常前沿,并且我们使用了自主研发的领域专用语言及软件栈优化技术,国际上尚无同类的商业软件,只有少数研究组有自己的程序,但效率、可扩展性均无法与我们的程序相比。该软件适用于研究等离子体动理学复杂演化,目前主要用于研究高温Tokamak等离子体的边界湍流、不稳定性、输运、非线性波加热等问题。未来随着超级计算机算力达到10E级,模拟的分辨率将进一步提升,我们可以把研究扩展到更强磁场的Tokamak等离子体,探索强磁场中的反常输运、不稳定性等重要问题,研究燃烧等离子体科学中以前无法解决的新问题,描述等离子体放电从启动到终止的整个演化过程。

发展聚变能是构建国家能源体系的重要途径,可为碳中和、碳达峰的实现做出重大贡献。随着美、日、欧等发达国家加快聚变堆从科学研究到商业化转变的步伐,尽早实现聚变堆全装置的模拟、建模与实验验证的一体化,对于我国在聚变能开发领域保持世界领先地位具重要而迫切的研究意义。

论文链接:

[1]https://doi.org/10.1145/3458817.3487398

[2]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/abc297/meta

[3]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac2d57/meta


(计算机科学与技术学院、核科学技术学院、科研部)

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