Когато плазмата се подчинява на кода: програмата GENE прогнозира всеки плазмен изблик

Защо разбирането на хаоса в плазмата е от решаващо значение за бъдещите реактори.

Международен екип от учени постигна важен пробив в изучаването на турбулентността в плазмата на реакторите за термоядрен синтез. За първи път изчисленията от една от водещите програми за моделиране на турбулентността бяха потвърдени с безпрецедентна точност. Откритието, публикувано в Nature Communications, поставя важна основа за прогнозиране работата на бъдещите термоядрени електроцентрали.

Термоядрената енергия се гради върху сливането на леки атомни ядра при екстремни температури. Най-съвременният подход е магнитното задържане, при което нагрятата до милиони градуси плазма се задържа в тороидална камера чрез мощни магнитни полета, без да влиза в контакт със стените. Енергията, освободена по време на реакцията, трябва не само да произвежда електричество, но и да поддържа необходимата температура на плазмата. Колкото по-дълго плазмата задържа своята енергия, толкова по-ефективен е реакторът.

Едно от основните предизвикателства в този процес е турбулентността. От една страна, тя спомага за отстраняване на продуктите на реакцията и за подаване на свежо гориво към центъра на плазмата. От друга страна, прекомерната турбулентност води до изтичане на енергия, което намалява времето за задържане на плазмата. Това може да се сравни с капка мляко в чаша кафе: ако се разбърка с лъжица, течностите ще се смесят много по-бързо. По същия начин вихрите в плазмата ускоряват загубата на енергия, което затруднява работата на реактора.

Изследователите от Института по физика на плазмата Макс Планк (IPP) в Германия, заедно с колеги от пет изследователски центъра от Европа и САЩ, за първи път успяха да постигнат пълно съвпадение между компютърните изчисления и експерименталните данни. Те са анализирали едновременно седем ключови параметъра на плазмената турбулентност, което е значително повече в сравнение с предишните изследвания. При експеримента е използвано съоръжението ASDEX Upgrade в IPP, което е оборудвано с уникални диагностични системи за точно измерване параметрите на плазмата.

Един от ключовите инструменти са микровълните. Както термометърът може да измери температурата на водата, така и излъчването от самата плазма дава информация за температурата и електронната плътност. Използвайки комбинация от доплерови рефлектометри и метода на корелационната радиометрия CECE, разработен в MIT, учените получиха точни данни за турбулентните колебания в температурата и плътността на плазмата.

Експерименталните резултати бяха сравнени с изчисленията, извършени с помощта на програмата GENE, която е призната за световен стандарт за моделиране на плазмените процеси. Самият факт, че данните съвпадат, обаче е само част от задачата. Работата е в това, че не е достатъчно просто да се възпроизведе турбулентността в модела – необходимо е да се вземат предвид особеностите на самия процес на измерване, което изискваше многогодишни усилия от страна на изследователите. В резултат на това учените успяха да постигнат максимално съответствие между теоретичните изчисления и реалните експерименти.

Когато изследователите за първи път сравниха получените данни, точността на съвпаденията беше поразителна. Дори неочаквани резултати, които първоначално изглеждаха необясними, бяха прогнозирани от програмата GENE. Така например в един от режимите на реактора температурата на плазмата се е променяла по по-стръмен градиент, което логично е довело до увеличаване на температурните колебания. Въпреки това, противно на очакванията, електронната плътност в този случай се е колебаела по-слабо, отколкото при по-плавен градиент. Въпреки това симулацията възпроизвежда точно този ефект, което потвърждава нейната надеждност.

Този резултат открива нови възможности за разработването на реактори за термоядрен синтез. Вече е възможно не само да се наблюдава плазмата, но и да се прогнозира нейното поведение с висока точност. Това ускорява създаването на цифрови близнаци на реакторите, което ще позволи да се оптимизират техните параметри и да се повиши ефективността им. Тези технологии са важна стъпка към комерсиализацията на термоядрената енергия, която може да се превърне в източник на чиста и практически неизчерпаема енергия за човечеството.