Aplicación de técnicas metaheurísticas basadas en la computación grid para la optimización de reactores de fusión

Resumen

La optimización de problemas complejos presenta, a día de hoy, numerosos problemas que deben ser resueltos para poder satisfacer las necesidades de un sistema de optimización automatizado. Se pueden encontrar numerosos problemas de este tipo en campos científicos muy diversos como, por ejemplo, la fusión nuclear. Para llevar a cabo estas optimizaciones se necesita de grandes recursos computacionales. La fusión nuclear es el proceso según el cual múltiples núcleos ligeros se fusionan para formar un núcleo más pesado. El objetivo a largo plazo de las herramientas de simulación de la fusión es conseguir un dispositivo de fusión numérico, lo cual implica tener un gran conocimiento de todos los fenómenos físicos relevantes que pueden ocurrir en estos dispositivos, así como disponer de las herramientas y capacidades computacionales necesarias para llevar a cabo esta aproximación numérica. Las aplicaciones existentes permiten simular diferentes aspectos de los dispositivos de fusión. Estas simulaciones tienen un elevado coste computacional y pueden tener la característica de ofrecer diferentes tiempos de ejecución en función de la configuración que se simula, pudiendo ser esta variación muy elevada entre dos simulaciones diferentes. En este escenario la computación grid ofrece una solución óptima ya que, usando los recursos disponibles en este paradigma computacional distribuido, numerosos experimentos pueden ser llevados a cabo. Usando la computación grid junto a diferentes herramientas de simulación, los científicos pueden predecir el comportamiento de los dispositivos de confinamiento magnético del plasma y pueden buscar las configuraciones óptimas para estos dispositivos teniendo en cuenta el objetivo de mejora sus propiedades de confinamiento. El espacio de soluciones para este tipo de problemas suele ser grande. En el caso de la optimización de dispositivos de fusión este espacio está definido por todas las posibles configuraciones del dispositivo que satisfacen los requisitos de equilibrio del plasma confinado. Para explorar este espacio de soluciones la computación grid se muestra como un paradigma computacional muy apropiado gracias a su elevado número de recursos computacionales disponibles. Debido al tamaño del espacio de soluciones, usar técnicas de fuerza bruta para encontrar soluciones óptimas a este tipo de problemas resulta una tarea prácticamente imposible de ser realizada, aun usando todos los recursos computacionales disponibles en un entorno de computación distribuido como la grid. Debido a ello, en esta Tesis se han desarrollado diferentes algoritmos de optimización basados en metaheurísticas que hacen uso de la computación grid para obtener soluciones optimizadas para problemas complejos, con especial atención al caso del confinamiento magnético del plasma en los dispositivos de fusión. Los algoritmos de optimización diseñados e implementados han mostrado ser una alternativa acertada para llevar a cabo estos procesos de optimización de problemas complejos con un alto coste computacional. Los resultados obtenidos muestran claras mejoras en comparación a las configuraciones existentes de los diferentes dispositivos de fusión.