Новый код связывает атомные модели с макроскопическими процессами в термоядерных исследованиях

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса объединили атомные симуляции (справа) с кодом гидродинамики, описывающим макроскопический мир (в центре). Результат можно использовать для изучения термоядерных мишеней в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (слева). Автор: Дэн Херчек / LLNL

В инерциальном термоядерном синтезе капсула с топливом изначально имеет температуру, близкую к абсолютному нулю, и давление, приближающееся к вакууму. Когда лазеры сжимают это топливо для запуска реакции синтеза, материал нагревается до миллионов градусов и достигает давлений, сравнимых с давлением в ядре Солнца. Этот процесс происходит в ничтожно малом пространстве и за крошечный промежуток времени.

Чтобы понять этот процесс, учёным необходимо знать крупномасштабные условия, такие как температура и давление, во всей камере-мишени. Но им также нужна детальная информация о материале и атомах внутри. До сих пор компьютерные модели с трудом преодолевали этот разрыв в широком диапазоне условий, встречающихся в таких экспериментах.

Новая структура моделирования преодолевает разрыв

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review E, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) и Калифорнийского университета в Дэвисе создали новую структуру, которая связывает крошечные атомарные симуляции с кодом, описывающим макроскопический мир, — всё в рамках одной модели.

«Мы говорим об атомах порядка нанометров, а с другой стороны — о крупных полях течения порядка метров, — сказал Тим Линке, кандидат наук из UC Davis, проводящий свои исследования в LLNL. — Связь между ними заключается в материале».

Чтобы создать эту связь, команда объединила код гидродинамики из LLNL с кодом молекулярной динамики из Национальных лабораторий Сандия. Первый описывает общие условия и то, как они меняются со временем в определённых местах. Эта информация передаётся во второй код, который вычисляет, как отдельные атомы в материале реагируют на эти условия. Работа даёт ключевое преимущество: обе симуляции выполняются одновременно. Атомистические расчёты проводятся «на лету» параллельно с крупномасштабным кодом.

Вычислительные сложности и более широкое применение

Запуск такой структуры требует огромной вычислительной мощности. Столкнувшись с непреодолимыми узкими местами в других системах, авторы специально адаптировали свой код для работы с архитектурой ускоренного процессорного блока суперкомпьютера Tuolumne в LLNL, которая аналогична архитектуре его экзафлопсного «собрата» El Capitan.

Метод может иметь целый ряд применений — от изучения термоядерного синтеза до планетологии и астрофизических явлений, таких как столкновения астероидов.

«Эта статья носит очень общий характер, и мы намеренно оставили её такой, потому что мы можем углубиться в фазовые переходы, дефекты или химические реакции, или действительно во все виды вещей, которые требуют, чтобы это микроскопическое понимание было связано с макроскопическим миром», — сказал Линке.

Потенциал для будущих исследований

Новый подход может быть особенно полезен для систем, которые в ходе моделирования эволюционируют к другому химическому составу.

«Это случай мишеней из смоченной пены, используемых в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций. Мишени начинаются как микроскопически смешанная система, состоящая из пены и дейтерия, но в конечном итоге, когда система сжимается и нагревается, химические связи разрываются, — сказал учёный LLNL и автор работы Себастьен Хамель. — Система становится более атомарно смешанной, более однородной».

Код открывает путь к лучшему пониманию материальных свойств в таких сценариях.

«Это открывает дверь для новых приложений, где неравновесное поведение материала, включая фазовые переходы (например, жидкость-твёрдое тело) и химические реакции, может моделироваться одновременно с гидродинамикой с использованием атомистических данных, что является следующим этапом этого исследования», — сказал учёный LLNL и автор работы Дейн Стербенц.

Источник: Lawrence Livermore National Laboratory