Simulările de fuziune nucleară devin de un miliard de ori mai rapide datorită unui cercetător român8 min read

Modelarea pe computer a ceea ce se întâmplă în timpul funcționării unui reactor nuclear are sute de milioane de necunoscute, iar fiecare simulare poate dura câteva ore chiar și pe un supercalculator. Un cercetător român din Texas a găsit o metodă să simplifice aceste calcule și să le facă mult mai rapide.

Ionuț Farcaș, un cercetător de origine română de la Universitatea Texas din Austin, SUA, a rezolvat o problemă esențială a simulărilor complexe pe computer ale unor situații din viața reală, care conțin numeroase necunoscute. Datorită acestui rezultat, simulări ale funcționării rachetelor de motoare, ale condițiilor meteo sau ale reactoarelor de fuziune pot deveni de un miliard de ori mai rapide și mult mai ieftine. 

Practic,Scientists Make It One Billion Times Faster to Simulate Fusion Reactors, oden.utexas.edu folosind metoda dezvoltată de Farcaș, calculatoarele pot face predicții în doar câteva milisecunde și nu în 10 până la 14 ore, ca până acum.

CITEȘTE ȘI: Moment istoric pentru fuziunea nucleară: primul experiment cu câștig net de energie 

Ionuț Farcaș într-un laborator de simulări vizuale al Universității din Texas, Austin, SUA. Foto: arhiva personală

Laboratorul meu este un calculator

Cercetările lui Ionuț Farcaș folosesc modele informatice ca să prezică ceea ce se va întâmpla în realitate. „Laboratorul meu este un calculator, iar experimentul este o simulare numerică a unui proces din lumea reală”, explică Dr. Farcaș, care este absolvent al Universității Tehnice din Cluj și, actualmente, postdoctorand la Institutul Oden de Inginerie Computațională și Științe de la University of Texas at Austin.

Un exemplu la îndemână este prognoza meteo, deoarece meteorologii fac o serie de calcule matematice avansate pentru a prezice vremea. Cu cât simularea este mai performantă, cu atât rezultatul este mai de încredere. „Dacă prognoza de azi spune că mâine vor fi 10 de grade la ora 14 și 30% șanse de ploaie, e important să putem avea încredere asta”, spune cercetătorul.

Simulările pe calculator precum cele pentru prognoza meteo trebuie să ia în considerare milioane sau chiar miliarde de factori necunoscuți. De aceea, ele pot avea nevoie de resurse considerabile de calcul, precum cele oferite de un supercalculator. Munca lui Ionuț Farcaș are în vedere exact acești factori greu de prezis – cuantificarea incertitudinii înseamnă înțelegerea necunoscutului din simulările numerice. „Algoritmul dezvoltat de mine, odată antrenat, poate să ofere un răspuns în materie de milisecunde folosind un calculator standard, ceea ce, desigur, poate să facă o diferență majoră pentru cercetătorii din domeniul fuziunii nucleare.”

De la ore la milisecunde

În studiul publicat recent în revista Communications Engineering Nature,„A general framework for quantifying uncertainty at scale”, nature.com, Dr. Ionuț Farcaș, în colaborare cu îndrumătorii săi – Prof. Karen Willcox, directorul institutului unde este postdoctorand și Prof. Frank Jenko, directorul Institutului Max Planck de Fizica Plasmei din Garching, Germania –, propune o soluție pentru simplificarea acestor experimente, printr-o metodă denumită analiză de sensibilitate. Concret, în simulările unor problemele din lumea reală există adesea mulți factori necunoscuți, dar doar mică parte dintre ei contează, de obicei, în rezultatul final.

Analiza de sensibilitate determină care dintre acești factori din experimente pot fi considerați responsabili pentru incertitudinea din rezultatul unei simulări. Astfel, simulările numerice complexe pot rămâne la fel de precise, dar pot fi făcute mult mai repede

Pentru a-și demonstra conceptul, Ionuț Farcaș a studiat nu prognoza meteo, ci ceea ce se întâmplă într-un reactor în timpul fuziunii nucleare, o problemă cu 264 de milioane de grade de libertate, adică elemente necunoscute. 

Ionuț Farcaș a construit un surogat al acestor experimente pe computer și a făcut o serie de calcule tradiționale pentru a determina turbulența din reactor. 

 „O singură simulare, în cazul meu, a necesitat între 4 și 14 ore de calcul pe un supercalculator”, spune cercetătorul. Dar atunci când a folosit analiza de sensibilitate pentru a utiliza doar elementele relevante, simularea a avut nevoie de 9,4 milisecunde pentru a rula pe un laptop obișnuit. 

Metodă folositoare în numeroase domenii

Algoritmul dezvoltat poate fi folosit și în alte domenii de cercetare, de exemplu, în astrofizică, mecanică, geofizică sau simularea pe calculator a modului în care circulă sângele uman prin corp. Ionuț Farcaș vizează să folosească metoda într-un alt domeniu: „dinamica cutremurelor și tsunamiurilor. Printre altele, domeniul țintește să prezică timpuriu producerea unor astfel de evenimente cu potențial devastator.” 

În acest moment, astfel de simulari sunt foarte mari consumatoare de timp, dar cu ajutorul acestei cercetări ar putea fi realizate mult mai rapid.