Инновационный подход к ускорению вычислений FPL для термоядерной плазмы
Исследовательская группа под руководством профессоров Джимина Ли и Эйсунга Юна с кафедры ядерной инженерии UNIST представила инновационный подход, основанный на глубоком обучении, который значительно ускоряет вычисления нелинейного оператора столкновений Фоккера–Планка–Ландау (FPL) для термоядерной плазмы. Результаты их работы опубликованы в журнале Computational Physics.
Термоядерные реакторы, часто называемые искусственным солнцем, требуют поддержания высокотемпературной плазменной среды, аналогичной солнечной. В таком состоянии материя состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов. Точное предсказание столкновений между этими частицами играет ключевую роль для обеспечения стабильной реакции термоядерного синтеза.
Уравнение FPL используется для моделирования состояния плазмы и предсказания кулоновских столкновений между заряженными частицами. Традиционные методы решения этого уравнения, основанные на итерационных подходах, требовали значительных вычислительных ресурсов и времени. Новый подход, предложенный исследователями, использует нейронную сеть FPL, которая способна решить уравнение за один шаг, достигая результатов в 1000 раз быстрее, чем предыдущие методы, с погрешностью всего в одну стотысячную.
Важной особенностью оператора столкновений FPL является сохранение ключевых физических величин, таких как плотность, импульс и энергия. Исследователи повысили точность модели, включив в процесс обучения функции, которые обеспечивают сохранение этих величин.
Эффективность сети FPL была подтверждена с помощью моделирования теплового равновесия, которое показало, что точное тепловое равновесие невозможно достичь, если в ходе непрерывного моделирования накапливаются ошибки.
Исследовательская группа отметила, что использование глубокого обучения на графических процессорах позволило сократить время вычислений в тысячу раз по сравнению с традиционными методами, основанными на центральных процессорах. Это достижение представляет собой важный шаг в развитии технологий цифровых двойников, позволяя проводить турбулентный анализ целых термоядерных реакторов или воспроизводить реальные токамаки в виртуальной вычислительной среде.
Хотя текущее исследование сосредоточено на электронной плазме, авторы подчеркнули необходимость дальнейших исследований для расширения применения этой модели на более сложные плазменные среды, содержащие различные примеси.