2023或將成為有記錄以來
最熱的一年
6、7月北方多地連續突破40℃
熱到大伙懷疑人生
結合近兩年頻發的極端異常天氣
我們不得不承認
「全球變暖」已經迫在眉睫
“能源圣杯”核聚變
氣候變化是當今時代面臨的最大挑戰之一，為應對氣候威脅，目前全球已有超過130個國家和地區明確提出“碳中和”或 “凈零排放”的目標，而其中超過90%承諾在2050年之前完成。
在引起全球氣候變化的一系列因素中，能源消耗是絕對主因。聯合國數據顯示，迄今為止，化石燃料(煤炭石油天然氣等)占溫室氣體排放的75%以上，占所有二氧化碳排放的近90%。在此背景下，各國紛紛加速能源轉型，尋求替代形式的綠色能源。
在所有的可再生能源中，核聚變能源以近乎無限和高度可持續且無排放的優點被譽為最終的替代能源。核聚變是將輕核粒子融合成更重的核粒子并釋放巨大能量的過程，通常使用氫的同位素氘(重氫)和氚(超重氫)作為燃料，這些燃料在地球上豐富可取，并且不受地緣政治因素和資源限制的影響。
核聚變的發電能力比燃燒石油和煤炭產生的能量高出近400萬倍，成本和穩定性優勢碾壓太陽能、風能、水能，而且與目前主要使用的核動力源核裂變相比，核聚變產生的能量遠遠多于前者，且不存在核廢物管理和核安全的隱患。
盡管核聚變是理想的清潔能源選擇，但目前實現可控核聚變仍面臨許多技術和工程挑戰，如維持等離子體的穩定性、能量損耗和材料耐受性等問題。
而要建一座能向電網輸送能源、正常運轉的聚變發電廠更是遙不可及，因為設計新型發電廠需要大量先進的工具和大量的建模和模擬，單個等離子體湍流仿真可能會輸出數百PB的數據進行分析，同時要求聚變研究和技術不斷進步。
好消息是，超級計算和數字孿生建模可以加速這一進程。
超級計算加速
聚變電廠開發
作為承諾2050年實現凈零目標的主體之一，英國政府2019年宣布將投資兩億英鎊建造全球首個商用核聚變發電廠，目標是到2040年代成功交付“球形托卡馬克能源生產裝置(STEP)” (Superconducting Tokamak for Energy Production)，從而將核聚變能源引入英國電網。
英國原子能管理局(UKAEA)代表英國政府開展聚變能源研究，監督該國的聚變計劃。類似航空航天領域將風洞測試轉移到計算流體動力學、汽車行業將碰撞測試過程轉移到虛擬領域，UKAEA計劃同樣采用數字孿生的建模和仿真功能來設計聚變發電廠。
“我們面臨的挑戰是，沒有足夠的時間使用基于測試的設計來確定這個聚變發電廠應該是什么樣子……在短期內，我們將能夠使用數字版本，以大大減少對現實世界驗證的需求。”UKAEA計算項目主任Rob Akers表示。
STEP 核聚變裝置的剖面圖(圖源：UKAEA)
問題在于，聚變反應堆的建模過程比其他領域更復雜、更難實現——聚變反應堆是一個極其復雜、強耦合的系統，從結構力到發電廠的熱負載再到電磁力和輻射，機器的整個負載組件涉及許多物理原理，子系統的一次更改可能會對整個工廠產生巨大的影響。對此必須考慮許多耦合機制，同時模擬所有地方的一切。
為了加快聚變能發電廠開發步伐，UKAEA與戴爾科技集團、英特爾和劍橋大學展開合作，構建用于STEP原型聚變的數字孿生發電廠，利用百億億次的超級計算機和人工智能技術，在高度沉浸和互聯的虛擬環境(稱為“工業元宇宙”)中對STEP的物理和工程問題進行建模。
該系統使用Dell PowerEdge服務器和英特爾技術(包括第四代英特爾至強可擴展處理器、分布式異步對象存儲 (DAOS) 和oneAPI工具)來運行融合研究所需的大量建模和模擬。
全新一代PowerEdge服務器搭載第四代英特爾至強可擴展處理器，整體帶來了更高的性能和計算效率，多種內置加速器將提升服務器系統在AI、分析、網絡、科學計算等諸多領域的表現，為通用計算和特定場景以及超大規模數據中心用戶帶來更強的算力和能效比。
數字孿生將使STEP的科學家和工程師在虛擬環境中模擬復雜的設計，并隨著新信息的出現和技術的開發而調整其設計，這本質上提高了生產力和效率，從而在實際建造工廠出現問題之前解決“數字孿生”中的問題，確保實際建造工廠時的生態就緒、物有所值。
“我相信可持續能源的未來將依賴于超級計算。”Rob Akers 表示，“世界迫切需要提供能源安全和應對氣候變化。這是一段我們必須共同踏上的旅程，為所有將在交付商業聚變能源方面發揮重要作用的人提供機會和能力。”
戴爾科技集團英國公共銷售主管Tariq Hussain表示：
“
該項目展示了超級計算在加速能源轉型、推進脫碳和確保能源安全方面將發揮的關鍵作用。
”
這項合作有望到2040年代為英國電網提供清潔、豐富和可持續的能源，屆時將標志著全球聚變能源發展的一個里程碑。作為全球領先的數字化解決方案供應商，戴爾科技集團致力于以科技創新推動人類進步，在能源轉型這個對人類文明至關重要的領域，戴爾科技將持續以先進科技助力能源進步，使世界邁向更加綠色可持續的未來。
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