來自德國加興的馬克斯·普朗克等離子體物理研究所和馬克斯·普朗克計算和數據設施的四名科學家團隊2018年10月贏得了原子能機構建造聚變反應堆所用材料的可視化、分析和模擬眾包挑戰獎。
核聚變是一種為太陽提供能量的原子反應，終有一天，核聚變有可能利用從水和鋰中獲得的氫同位素，提供取之不盡用之不竭而又負擔得起的清潔無碳能源。然而，利用商業上可行的聚變能有著嚴苛的技術挑戰，例如保護反應堆容器壁和其他部件不受極高溫和高能粒子的影響。
來自10個國家的14個研究團隊提交了對反應堆壁損傷模擬的創新性分析，這種損傷可能是由聚變反應釋放的高能中子引起的。根據其科學效益、算法本身的新穎性或其在材料科學領域的應用，以及可視化的實用性和預期的影響等對模擬結果進行了評價。
英國原子能管理局材料項目經理、挑戰發起人之一SergeiDudarev說：“所提交的一些材料非常特別；幾乎就像在組織的一場當地足球賽中，卻有一支贏得世界杯的球隊來參賽。”
獲獎團隊成員——Udo von Toussaint、Javier Dominguez、Markus Rampp和Michele Compostella——首次應用了機器學習和數據科學的現有技術來判別和類分被模擬的受損晶體中的缺陷結構。
“這種解決方案為自動類分缺陷結構開辟了一種新的創造性途徑，從而能定量地推斷出材料之間的共同因素和差異。”
原子能機構核數據科科長Arjan Koning解釋說。“對于如ITER等核聚變反應堆真空容器材料的研究來說，它提供了測量、類分和可視化聚變反應堆釋放的高能中子對特定材料造成損害的有效手段。尋找適合制造反應堆容器第一壁的材料是建設一座有望實現的核聚變電站至關重要的一步。”
與現有各種方法相比，該方法有如下幾個優點：
- 可自動判別和類分新的或意外的缺陷類型；
- ?它是基于數據科學中強大而清晰算法的組合；
- 它可以區分真正的缺陷和由原子熱運動引起的微小的臨時性形變；
- 在晶體的模擬損傷隨時間演變過程中，它的速度足夠快，以便更好地理解缺陷是如何形成、組合的，以及在某些情況下，是如何隨著原子返回其在晶格上的初始位置而最終消失的。
迄今為止，缺陷判別和分類都是非常費時費力的工作，因此通常只在分子模擬結束時進行。這種新算法可以應用于各個階段的晶體缺陷模擬，從而對某些類型的缺陷何時發生和消失提供新的見解。這就提供了該系統的更多相關信息，但到目前為止，這些信息幾乎無從獲得，以便將可能長期存在的缺陷類型與那些短期存在的缺陷進行區分。
“我們希望我們的方法將極大地加速分子動力學模擬的模擬分析。”von Toussaint說。“計算能力不斷增強，而人工能力有限。任何能用計算機而不必人做的事情都能加速科學發展。”
他補充說，獲獎者將向任何利益相關方提供他們的程序，而且是免費的，源代碼是開放的。它可以被其他研究機構和專家（主要是材料科學家）用來分析他們的模擬結果，特別是那些與固體輻射損傷有關的模擬結果。
Koning說，原子能機構將再接再勵，計劃在這一挑戰成功的基礎上開發一個分布式計算應用程序，用戶可以自愿下載該應用程序，用于聚變材料的損傷模擬。這有可能大大加快探索核聚變反應堆新候選材料的速度，并將進一步提高科學家對這些材料在這種極端條件下的性能的理解。
