فاز فريق من أربعة علماء من معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما ومرفق ماكس بلانك للحوسبة والبيانات في غارشينغ بألمانيا في تشرين الأول/أكتوبر ٢٠١٨ بمسابقة الوكالة للتوريد الجماعي لبرامجيات التصوير البياني والتحليل والمحاكاة الخاصة بالمواد اللازمة لبناء مفاعلات الاندماج.
والاندماج النووي هو التفاعل الذري الذي يمد الشمس بالطاقة، ولديه القدرة على أن يوفر في نهاية المطاف إمدادات غير محدودة من الطاقة النظيفة الخالية من الكربون والمتيسرة التكلفة باستخدام نظائر الهيدروجين التي يُحصل عليها من الماء والليثيوم. بيد أن تسخير قوى الاندماج المجدية تجارياً يشكل تحديات تكنولوجية جسيمة، مثل حماية جدار وعاء المفاعل وسائر مكوناته من درجات الحرارة العالية للغاية والجسيمات العالية الطاقة.
وقد قدم أربعة عشر فريق بحث من عشرة بلدان تحليلات مبتكرة لعمليات محاكاة لتلف جدار المفاعل، الذي يمكن أن تسببه النيوترونات العالية الطاقة التي يطلقها التفاعل الاندماجي. وتم تقييم عمليات المحاكاة بناءً على فائدتها العلمية، أو حداثة الخوارزمية نفسها، أو استخدامها في مجال علم المواد، ومدى فائدة التصوير البياني وتأثيره المتوقع.
يقول سيرجي دوداريف، مدير برنامج المواد في هيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة، وأحد الذين شاركوا في إطلاق هذه المسابقة: "كانت بعض المساهمات استثنائية للغاية؛ فقد كان الأمر أشبه بأن تنظم حدثاً محلياً لكرة القدم ثم يأتيك للمشاركة فيها فريق فاز بكأس العالم".
وقد قام أعضاء الفريق الفائز – وهم أودو فون توسان، وخافيير دومينيك، وماركوس رامب، وميشيل كومبوستيللا - بتطبيق تقنية موجودة بالفعل مستمدة من التعلُّم الآلي وعلم البيانات، لأول مرة، لتحديد وتصنيف بنيات العيوب الموجودة في البلورات التالفة المحاكاة.
ويوضح أرجان كونينغ، رئيس قسم البيانات النووية في الوكالة، قائلاً: "يتيح هذا الحل طريقة جديدة ومثمرة للتصنيف التلقائي لبنيات العيوب، وبذلك يتم استنتاج العوامل المشتركة والاختلافات بين المواد بطريقة كمية. ففي سياق دراسة المواد اللازمة للوعاء الفراغي لمفاعل الاندماج النووي، مثل المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي (ITER)، يوفر هذا الحل وسيلة فعالة للقياس والتصنيف والتصوير البياني للضرر الذي يصيب مادة معينة من جراء النيوترونات العالية الطاقة التي يطلقها مفاعل الاندماج. ويمثل البحث عن مادة مناسبة يمكن أن يُبنى بها الجدار الأول لوعاء المفاعل خطوة بالغة الأهمية نحو بناء محطة قوى اندماجية مجدية."
ويتسم هذا النهج بالعديد من المزايا مقارنة بالأساليب الحالية، بما في ذلك ما يلي:
- يمكن تحديد وتصنيف الأنواع الجديدة أو غير المتوقعة من العيوب تلقائياً؛
- يستند النهج إلى مجموعة من الخوارزميات القوية والواضحة المستمدة من علم البيانات؛
- يستطيع النهج أن يميز بين العيوب الحقيقية والتشوهات الصغيرة المؤقتة التي تسببها الحركة الحرارية للذرات؛
- النهج سريع بما يكفي لتطبيقه أثناء تطور تلف البلورة المحاكى بمرور الزمن للحصول على فهم أفضل لكيفية تشكُّل العيوب واندماجها، وفي بعض الحالات كيفية اختفائها في نهاية المطاف عند عودة الذرات إلى مواقعها الأولى على الشبكة البلورية.
وحتى الآن، كان تحديد وتصنيف العيوب مهمتين كثيفتي الاستخدام للعمالة للغاية وتستغرقان وقتًا طويلاً جداً، ولذلك لم تكونا تُجريان عادةً إلا في نهاية عمليات المحاكاة الجزيئية. أما هذه الخوارزمية الجديدة فيمكن تطبيقها أثناء محاكاة عيب البلُّورة في كل مرحلة من المراحل، الأمر الذي يمكن أن يقدم رؤى جديدة بشأن وقت حدوث واختفاء أنواع معينة من العيوب. ويوفر ذلك معلومات أكثر كثيراً عن النظام، كان من الصعب الحصول عليها حتى الآن، ويتيح تمييز أنواع العيوب التي يرجح أن تبقى لفترة طويلة عن تلك التي لا يرجح أن تبقى لفترة طويلة.
ويقول فون توسان: "نأمل أن يسرِّع نهجنا عمليات تحليل محاكاة الديناميات الجزيئية تسريعاً كبيراً. فقوة الحوسبة تتزايد، بينما القدرات اليدوية محدودة. وأي شيء يمكن أن يقوم به الكمبيوتر بدلاً من الناس يسرِّع التطور العلمي".
ويضيف فون توسان قائلاً إن الفائزين سيتيحون شفرتهم على أساس مصدر مفتوح ومجاني لأي طرف معني. ويمكن أن تستخدمها المؤسسات الأخرى والخبراء الآخرون – وأساساً علماء المواد - لتحليل نتائج عمليات المحاكاة التي يقومون بها، لا سيما تلك المتعلقة بالتلف الإشعاعي في المواد الصلبة.
ويقول كونينغ إن الوكالة تعتزم أن تقوم بالمزيد انطلاقاً من نجاح هذا التحدي باستحداث تطبيق حوسبة موزَّعة يمكن أن يقوم بتنزيله متطوعون لتشغيل عمليات محاكاة التلف في مواد الاندماج. ومن شأن ذلك أن يزيد كثيراً من السرعة التي يمكن بها استكشاف المواد المرشحة الجديدة لمفاعلات الاندماج، وسيزيد من تعزيز فهم العلماء لسلوك هذه المواد في هذه الظروف البالغة القسوة.
