En octubre de 2018, un equipo formado por cuatro científicos del Instituto Max Planck de Física del Plasma y del Centro Max Planck de Computación y Datos en Garching (Alemania) fue elegido ganador de la convocatoria abierta del OIEA sobre visualización, análisis y simulación de materiales con que construir reactores de fusión.
La fusión nuclear —la reacción nuclear que alimenta al Sol— podría, con el tiempo, proporcionar una cantidad ilimitada de energía limpia y asequible sin emisiones de carbono utilizando isótopos del hidrógeno obtenidos a partir de agua y litio. No obstante, aprovechar la energía de fusión de una forma que sea comercialmente viable entraña importantes desafíos tecnológicos, como proteger las paredes y otros componentes de la vasija del reactor frente a temperaturas extremadamente elevadas y las partículas de alta energía.
En total, 14 equipos de investigadores de 10 países presentaron análisis innovadores de simulaciones del daño a las paredes del reactor, que puede ser ocasionado por los neutrones de alta energía emitidos por una reacción termonuclear. Los criterios para evaluar las simulaciones fueron el beneficio científico, la novedad del propio algoritmo o de su uso en la ciencia de los materiales y la utilidad de la visualización y su repercusión prevista.
“Algunos de los trabajos presentados eran ciertamente extraordinarios; fue casi como organizar un torneo de fútbol local y que al final se presentara una selección ganadora de la Copa del Mundo”, explica Sergei Dudarev, Director del Programa de Materiales de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido y uno de los artífices del concurso.
Los miembros del equipo ganador —Udo von Toussaint, Javier Domínguez, Markus Rampp y Michele Compostella— aplicaron por primera vez una técnica que ya existe en el aprendizaje automático y la ciencia de los datos con la finalidad de identificar y clasificar las estructuras de defectos en los cristales dañados de la simulación.
“Esta solución abre las puertas a una forma nueva y productiva de categorizar automáticamente las estructuras de defectos y, por consiguiente, deducir, de forma cuantitativa, los factores y diferencias comunes entre los materiales”, explica Arjan Koning, Jefe de la Sección de Datos Nucleares del OIEA. “En el contexto del estudio de materiales para la cámara de vacío de un reactor de fusión como el ITER, proporciona una forma efectiva de medir, clasificar y visualizar el daño que los neutrones de alta energía emitidos por un reactor de fusión ocasionan a un material determinado. La búsqueda de un material apropiado con el que construir la primera pared de la vasija del reactor es un paso crucial para establecer una central de fusión viable”.
El enfoque presenta varias ventajas respecto a los métodos actuales, entre las que cabe destacar las siguientes:
• permite identificar y clasificar automáticamente tipos de defectos nuevos o imprevistos;
• se basa en una combinación de algoritmos claros y potentes que proceden de la ciencia de datos;
• puede distinguir entre los defectos verdaderos y las pequeñas distorsiones temporales causadas por el movimiento térmico de los átomos, y
• es lo suficientemente rápido para ser aplicado durante la evolución del daño simulado que sufre el cristal a lo largo del tiempo a fin de entender mejor cómo se forman, se combinan y, en algunos casos, llegan a desaparecer los defectos a medida que los átomos recuperan sus posiciones iniciales en la red cristalina.
Hasta ahora, la identificación y la clasificación de los defectos eran tareas que exigían una gran cantidad de trabajo y de tiempo y, por tanto, solían realizarse únicamente al final de las simulaciones moleculares. Este nuevo algoritmo puede aplicarse durante la simulación del defecto del cristal en cada etapa, lo que puede arrojar luz sobre cuándo se producen y desaparecen determinados tipos de defectos. Esto da mucha más información sobre el sistema, apenas accesible hasta ahora, y permite distinguir entre los tipos de defecto que probablemente permanecerán durante largo tiempo y los que no.
“Esperamos que nuestro enfoque acelere considerablemente el análisis de las simulaciones de dinámica molecular”, declara el Sr. von Toussaint. “La potencia informática está aumentando y las capacidades manuales son limitadas. Toda tarea que se pueda asignar a una computadora en lugar de a una persona acelera el desarrollo científico”.
Según explicó el Sr. von Toussaint, los ganadores pondrán su programa a disposición de cualquier parte interesada de forma gratuita y en código abierto. Otras instituciones y expertos —principalmente, científicos de materiales— podrían utilizarlo para analizar los resultados de sus simulaciones, en particular las relacionadas con el daño por radiación en sólidos.
“El OIEA planea aprovechar el éxito de este concurso para desarrollar una aplicación de computación distribuida que puedan descargar voluntarios para llevar a cabo simulaciones del daño causado en los materiales destinados a actividades relacionadas con la fusión”, informa el Sr. Koning. Este proyecto podría aumentar considerablemente la velocidad a la que se pueden examinar los nuevos materiales candidatos para un reactor de fusión y mejorará aún más la comprensión que tienen los científicos del comportamiento de estos materiales en esas condiciones extremas.
