2023或将成为有记录以来
最热的一年
6、7月北方多地连续突破40℃
热到大伙怀疑人生
结合近两年频发的极端异常天气
我们不得不承认
「全球变暖」已经迫在眉睫
“能源圣杯”核聚变
气候变化是当今时代面临的最大挑战之一，为应对气候威胁，目前全球已有超过130个国家和地区明确提出“碳中和”或 “净零排放”的目标，而其中超过90%承诺在2050年之前完成。
在引起全球气候变化的一系列因素中，能源消耗是绝对主因。联合国数据显示，迄今为止，化石燃料(煤炭石油天然气等)占温室气体排放的75%以上，占所有二氧化碳排放的近90%。在此背景下，各国纷纷加速能源转型，寻求替代形式的绿色能源。
在所有的可再生能源中，核聚变能源以近乎无限和高度可持续且无排放的优点被誉为最终的替代能源。核聚变是将轻核粒子融合成更重的核粒子并释放巨大能量的过程，通常使用氢的同位素氘(重氢)和氚(超重氢)作为燃料，这些燃料在地球上丰富可取，并且不受地缘政治因素和资源限制的影响。
核聚变的发电能力比燃烧石油和煤炭产生的能量高出近400万倍，成本和稳定性优势碾压太阳能、风能、水能，而且与目前主要使用的核动力源核裂变相比，核聚变产生的能量远远多于前者，且不存在核废物管理和核安全的隐患。
尽管核聚变是理想的清洁能源选择，但目前实现可控核聚变仍面临许多技术和工程挑战，如维持等离子体的稳定性、能量损耗和材料耐受性等问题。
而要建一座能向电网输送能源、正常运转的聚变发电厂更是遥不可及，因为设计新型发电厂需要大量先进的工具和大量的建模和模拟，单个等离子体湍流仿真可能会输出数百PB的数据进行分析，同时要求聚变研究和技术不断进步。
好消息是，超级计算和数字孪生建模可以加速这一进程。
超级计算加速
聚变电厂开发
作为承诺2050年实现净零目标的主体之一，英国政府2019年宣布将投资两亿英镑建造全球首个商用核聚变发电厂，目标是到2040年代成功交付“球形托卡马克能源生产装置(STEP)” (Superconducting Tokamak for Energy Production)，从而将核聚变能源引入英国电网。
英国原子能管理局(UKAEA)代表英国政府开展聚变能源研究，监督该国的聚变计划。类似航空航天领域将风洞测试转移到计算流体动力学、汽车行业将碰撞测试过程转移到虚拟领域，UKAEA计划同样采用数字孪生的建模和仿真功能来设计聚变发电厂。
“我们面临的挑战是，没有足够的时间使用基于测试的设计来确定这个聚变发电厂应该是什么样子……在短期内，我们将能够使用数字版本，以大大减少对现实世界验证的需求。”UKAEA计算项目主任Rob Akers表示。
STEP 核聚变装置的剖面图(图源：UKAEA)
问题在于，聚变反应堆的建模过程比其他领域更复杂、更难实现——聚变反应堆是一个极其复杂、强耦合的系统，从结构力到发电厂的热负载再到电磁力和辐射，机器的整个负载组件涉及许多物理原理，子系统的一次更改可能会对整个工厂产生巨大的影响。对此必须考虑许多耦合机制，同时模拟所有地方的一切。
为了加快聚变能发电厂开发步伐，UKAEA与戴尔科技集团、英特尔和剑桥大学展开合作，构建用于STEP原型聚变的数字孪生发电厂，利用百亿亿次的超级计算机和人工智能技术，在高度沉浸和互联的虚拟环境(称为“工业元宇宙”)中对STEP的物理和工程问题进行建模。
该系统使用Dell PowerEdge服务器和英特尔技术(包括第四代英特尔至强可扩展处理器、分布式异步对象存储 (DAOS) 和oneAPI工具)来运行融合研究所需的大量建模和模拟。
全新一代PowerEdge服务器搭载第四代英特尔至强可扩展处理器，整体带来了更高的性能和计算效率，多种内置加速器将提升服务器系统在AI、分析、网络、科学计算等诸多领域的表现，为通用计算和特定场景以及超大规模数据中心用户带来更强的算力和能效比。
数字孪生将使STEP的科学家和工程师在虚拟环境中模拟复杂的设计，并随着新信息的出现和技术的开发而调整其设计，这本质上提高了生产力和效率，从而在实际建造工厂出现问题之前解决“数字孪生”中的问题，确保实际建造工厂时的生态就绪、物有所值。
“我相信可持续能源的未来将依赖于超级计算。”Rob Akers 表示，“世界迫切需要提供能源安全和应对气候变化。这是一段我们必须共同踏上的旅程，为所有将在交付商业聚变能源方面发挥重要作用的人提供机会和能力。”
戴尔科技集团英国公共销售主管Tariq Hussain表示：
“
该项目展示了超级计算在加速能源转型、推进脱碳和确保能源安全方面将发挥的关键作用。
”
这项合作有望到2040年代为英国电网提供清洁、丰富和可持续的能源，届时将标志着全球聚变能源发展的一个里程碑。作为全球领先的数字化解决方案供应商，戴尔科技集团致力于以科技创新推动人类进步，在能源转型这个对人类文明至关重要的领域，戴尔科技将持续以先进科技助力能源进步，使世界迈向更加绿色可持续的未来。
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