120 пъти по-бързо: нов код балансира физиката на плазмата с инженерните възможности

QUADCOIL опростява проектирането на магнитите, като по този начин ускорява разработването на стелараторите.

Физици разработиха новия компютърен код QUADCOIL, който значително опростява процеса на проектиране на магнитните намотки за стелараторите – съоръженията, предназначени да задържат плазмата в реакторите за термоядрен синтез. Този инструмент дава възможност за намиране на форми на плазмата, които осигуряват стабилност и задържат топлината, но не изискват прекалено сложни магнитни системи. В резултат на това проектирането на стелараторите става по-бързо и по-достъпно, което може да ускори развитието на термоядрената енергия.

Стелараторите са алтернативни термоядрени реактори, които за разлика от токамаците използват сложни външни магнити за задържане на плазмата. Предимството им е стабилната работа, тъй като не зависят от токовете в плазмата, но основният им недостатък е сложността на проектирането на магнитната система. За да се задържи плазмата в желаната конфигурация, са необходими специални магнити със сложна форма, които могат да бъдат трудни за изработване и инсталиране. Едно от основните предизвикателства при проектирането на такива реактори е необходимостта да се балансират физическите характеристики на плазмата с инженерните ограничения.

Досега проектирането на стеларатори се извършваше на два етапа: учените най-напред изчисляваха формата на плазмата, която би осигурила необходимите физични свойства, а след това се опитваха да създадат магнити, които да я задържат в тази форма. Този процес обаче не отчита сложността на проектирането на магнитите в ранните етапи. Резултатът може да бъде такъв, че след дълги изчисления учените да достигнат до физически идеалната форма на плазмата, но след това да установят, че магнитите, необходими за задържането ѝ, са твърде сложни и скъпи за производство.

QUADCOIL решава този проблем, като позволява на учените незабавно да вземат предвид сложността на магнитната система при избора на формата на плазмата. Той извършва приблизителните изчисления на формата на магнитите и дава възможност да се коригират параметрите на плазмата, ако магнитите са твърде сложни. Това позволява да се намери оптимален баланс между физическите и инженерните изисквания още в началото на процеса на проектиране.

Основното предимство на QUADCOIL е неговата бързина. Докато традиционните методи за изчисляване на магнитните системи отнемат от 20 минути до няколко часа, новият код извършва тези изчисления само за 10 секунди. Това позволява на учените много по-бързо да тестват различните конфигурации и да елиминират неуспешните варианти, което значително ускорява процеса на проектиране.

В допълнение към високата си скорост QUADCOIL е изключително гъвкав. Той допуска инженерни ограничения, като например различните видове магнитни материали, допустимите форми на намотките и механичните натоварвания. Това прави изчисленията по-реалистични и по-близки до реалните производствени условия. Освен това, за разлика от другите програмни решения, QUADCOIL може да прогнозира допълнителните свойства на магнитите, включително тяхната кривина и силата, с която те взаимодействат с плазмата.

Според Франк Фу, аспирант в Принстънския университет и водещ автор на статията, QUADCOIL помага да се избегнат ситуациите, в които учените проектират плазма с идеални физически характеристики, но след това се оказва невъзможно да се реализира подходящата магнитна система. Новият код позволява незабавно да се изключат твърде сложните варианти и да се работи само с тези, които могат да бъдат реализирани на практика.

Сега изследователите разработват подобрена версия на QUADCOIL, която не само оценява сложността на магнитите, но и предлага как да се промени формата на плазмата, за да се опрости проектът. Очаква се окончателната версия на програмата да изисква по-мощни графични процесори и да бъде интегрирана в цялостни софтуерни пакети за проектиране на стеларатори. В дългосрочен план това може да направи термоядрените инсталации по-достъпни за промишлени приложения.