來自德國加興的馬克斯·普朗克等離子體物理研究所和馬克斯·普朗克計(jì)算和數(shù)據(jù)設(shè)施的四名科學(xué)家團(tuán)隊(duì)2018年10月贏得了原子能機(jī)構(gòu)建造聚變反應(yīng)堆所用材料的可視化、分析和模擬眾包挑戰(zhàn)獎(jiǎng)。
核聚變是一種為太陽提供能量的原子反應(yīng)，終有一天，核聚變有可能利用從水和鋰中獲得的氫同位素，提供取之不盡用之不竭而又負(fù)擔(dān)得起的清潔無碳能源。然而，利用商業(yè)上可行的聚變能有著嚴(yán)苛的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如保護(hù)反應(yīng)堆容器壁和其他部件不受極高溫和高能粒子的影響。
來自10個(gè)國家的14個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提交了對(duì)反應(yīng)堆壁損傷模擬的創(chuàng)新性分析，這種損傷可能是由聚變反應(yīng)釋放的高能中子引起的。根據(jù)其科學(xué)效益、算法本身的新穎性或其在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及可視化的實(shí)用性和預(yù)期的影響等對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
英國原子能管理局材料項(xiàng)目經(jīng)理、挑戰(zhàn)發(fā)起人之一SergeiDudarev說：“所提交的一些材料非常特別；幾乎就像在組織的一場(chǎng)當(dāng)?shù)刈闱蛸愔?，卻有一支贏得世界杯的球隊(duì)來參賽。”
獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)成員——Udo von Toussaint、Javier Dominguez、Markus Rampp和Michele Compostella——首次應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)科學(xué)的現(xiàn)有技術(shù)來判別和類分被模擬的受損晶體中的缺陷結(jié)構(gòu)。
“這種解決方案為自動(dòng)類分缺陷結(jié)構(gòu)開辟了一種新的創(chuàng)造性途徑，從而能定量地推斷出材料之間的共同因素和差異?！?/p>
原子能機(jī)構(gòu)核數(shù)據(jù)科科長Arjan Koning解釋說?！皩?duì)于如ITER等核聚變反應(yīng)堆真空容器材料的研究來說，它提供了測(cè)量、類分和可視化聚變反應(yīng)堆釋放的高能中子對(duì)特定材料造成損害的有效手段。尋找適合制造反應(yīng)堆容器第一壁的材料是建設(shè)一座有望實(shí)現(xiàn)的核聚變電站至關(guān)重要的一步?！?/p>
與現(xiàn)有各種方法相比，該方法有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
- 可自動(dòng)判別和類分新的或意外的缺陷類型；
- ?它是基于數(shù)據(jù)科學(xué)中強(qiáng)大而清晰算法的組合；
- 它可以區(qū)分真正的缺陷和由原子熱運(yùn)動(dòng)引起的微小的臨時(shí)性形變；
- 在晶體的模擬損傷隨時(shí)間演變過程中，它的速度足夠快，以便更好地理解缺陷是如何形成、組合的，以及在某些情況下，是如何隨著原子返回其在晶格上的初始位置而最終消失的。
迄今為止，缺陷判別和分類都是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，因此通常只在分子模擬結(jié)束時(shí)進(jìn)行。這種新算法可以應(yīng)用于各個(gè)階段的晶體缺陷模擬，從而對(duì)某些類型的缺陷何時(shí)發(fā)生和消失提供新的見解。這就提供了該系統(tǒng)的更多相關(guān)信息，但到目前為止，這些信息幾乎無從獲得，以便將可能長期存在的缺陷類型與那些短期存在的缺陷進(jìn)行區(qū)分。
“我們希望我們的方法將極大地加速分子動(dòng)力學(xué)模擬的模擬分析。”von Toussaint說?！坝?jì)算能力不斷增強(qiáng)，而人工能力有限。任何能用計(jì)算機(jī)而不必人做的事情都能加速科學(xué)發(fā)展。”
他補(bǔ)充說，獲獎(jiǎng)?wù)邔⑾蛉魏卫嫦嚓P(guān)方提供他們的程序，而且是免費(fèi)的，源代碼是開放的。它可以被其他研究機(jī)構(gòu)和專家（主要是材料科學(xué)家）用來分析他們的模擬結(jié)果，特別是那些與固體輻射損傷有關(guān)的模擬結(jié)果。
Koning說，原子能機(jī)構(gòu)將再接再勵(lì)，計(jì)劃在這一挑戰(zhàn)成功的基礎(chǔ)上開發(fā)一個(gè)分布式計(jì)算應(yīng)用程序，用戶可以自愿下載該應(yīng)用程序，用于聚變材料的損傷模擬。這有可能大大加快探索核聚變反應(yīng)堆新候選材料的速度，并將進(jìn)一步提高科學(xué)家對(duì)這些材料在這種極端條件下的性能的理解。
