Пробив в термоядрения синтез: AI подобрява 10 пъти изчисленията на стелараторите

Изследователи от Тексаския университет в Остин, съвместно със своите колеги, са разработили нов метод за изчисляване движението на високоенергийните частици в стелараторите – вид реактори за термоядрен синтез. Решението ще позволи по-точно да се предвиди поведението на алфа частиците, генерирани по време на термоядрения синтез, и да се намалят загубите на енергия, свързани с излизането им извън магнитното поле. Това е важна стъпка към постигането на устойчива реакция на термоядрен синтез, но ключовото предизвикателство за индустрията – постигането на положителен енергиен баланс – остава нерешено.

Преди това за моделиране се използваха два подхода: теория на смущенията, която даваше неточни резултати в сложните магнитни полета на стелараторите, и ресурсоемки симулации, основани на законите на Нютон. Последният изискваше анализ на пълната орбита на всяка частица чрез силата на Лоренц, което правеше оптимизирането на дизайна на реактора практически невъзможно. Учените отбелязаха, че може да са необходими хиляди итерации с незначителни промени в параметрите, за да се премахнат „дупките“ в магнитната конфигурация.

Новият метод, описан в изследването, замества част от изчисленията с алгоритми с машинно обучение. Това е дало възможност да се уловят скритите симетрии в движението на частиците, които традиционните методи не отчитат.

„Директното прилагане на законите на Нютон е твърде скъпо, а теориите на смущенията допускат груби грешки“, обяснява Джош Бърби, доцент по физика и водещ автор на статията. – Нашият подход заобикаля тези ограничения, като същевременно остава точен.“

Скоростта на симулацията се е увеличила десетократно в сравнение с Нютоновия анализ. Алгоритъмът обаче изисква повторни изчисления при най-малката промяна в магнитното поле, което засега създава голяма изчислителна тежест. Учените се надяват да решат проблема с разработването на фундаментални модели на изкуствения интелект и методи за рядък регресионен анализ.

Техниката, наречена „непертурбативна теория на управляемите центрове“, първоначално е разработена за стеларатори, но е потенциално приложима и за токамаци – реакторите с тороидална форма, които доминират в настоящите експерименти. Въпреки напредъка авторите подчертават, че основната пречка пред термоядрената енергия – получаването на повече енергия, отколкото е необходима за стартирането на реакцията – остава. Дори и при успешни експерименти общият баланс на системата остава отрицателен поради разходите за поддържане на плазмата и за експлоатация на оборудването.

Така че, въпреки че откритието значително опростява проектирането на магнитните системи за удържане на частиците, търговското използване на енергията от термоядрения синтез все още е далеч. Работата на екипа от Тексас е важен, но не и окончателен елемент в решаването на това голямо научно и инженерно предизвикателство. Но учените постепенно се приближават до създаването на комерсиален термоядрен реактор.