Математика срещу плазмата: учени откриха нов път към евтината термоядрена енергия

Как едно виртуално слънце помогна за усъвършенстването на реален реактор.

Създаването на стабилни термоядрени реакции остава една от най-трудните задачи на съвременната физика, най-вече поради това, че на Земята трябва да се пресъздадат условия, подобни на тези, които съществуват в звездите. Екип от изследователи от Масачузетския технологичен институт разработи нов метод за изчисляване параметрите на термоядрените реактори, базиран на компютърен анализ.

Нейтън Хауърд, старши научен сътрудник в Центъра за плазмени науки и термоядрен синтез на Масачузетския технологичен институт, ръководи екипа на MFE-IM заедно с ръководителя Пабло Родригес-Фернандес. Учените създават компютърни симулации и прилагат алгоритми за машинно обучение, за да прогнозират как ще се държи плазмата – йонизиран газ, нагрят до свръхвисоки температури.

Изследователите се стремят предварително да оценят ефективността на различните конфигурации на инсталациите за термоядрен синтез, без да се налага да чакат реални експерименти. За да се гарантира надеждността на прогнозите, резултатите постоянно се проверяват спрямо данните от вече проведени тестове – това помага да се поддържа връзката между теоретичните изчисления и практиката.

Специално внимание се отделя на проверката на основния сценарий на ITER – най- големият експериментален реактор за термоядрен синтез в света, който се изгражда в южната част на Франция. Проектът стартира преди 40 години по инициатива на седем държави участнички, сред които и САЩ. Целта е амбициозна: да се създаде съоръжение, способно да произвежда 500 мегавата енергия, като разходите за нагряване на плазмата се надвишават десетократно.

При изчисленията си учените разчитат на програмния код CGYRO, разработен от General Atomics. Той решава сложните уравнения на физиката на плазмата за дадени условия на работа на реактора и дава възможност да се проследят процесите в различните точки на централата, включително образуването на турбулентни структури – завихряния, от които зависи стабилността на реакцията.

Данните от CGYRO се обработват с помощта на специализирания софтуер PORTALS, също разработен в MIT. Тази програма, използвайки алгоритми за машинно обучение, създава опростени версии на сложните физични изчисления – т.нар. сурогати, които могат бързо да пресъздадат резултатите от оригиналните изчисления.

Точността на сурогатите се проверява чрез сравнение с подробните изчисления на CGYRO. Ако резултатите не съвпадат, PORTALS извършва допълнително обучение до постигане на желаната точност. Веднъж настроени, сурогатите (заместителите) позволяват много по-бързо изследване на влиянието на различните параметри върху работата на реактора.

Екипът проведе 14 цикъла от изчисления с помощта на CGYRO, като потвърди възможността за десет пъти по-висока мощност при базовия сценарий на работа на ITER. Тези изчисления, базирани на най-пълната физична картина, налична днес, са признати за най-точни сред всички досега публикувани.

Анализирани са много параметри: конфигурацията на магнитното поле, задържащо плазмата, начинът на управление на нейната форма, методите на външно нагряване и други променливи.

Най-интересното е, че екипът откри допълнителен потенциален режим на работа на реактора. В продължение на три допълнителни цикъла на проектиране те успяха да намерят конфигурация на ITER, при която той произвежда по същество същото количество енергия при два пъти по-малка входяща мощност. Това значително ще увеличи икономическата възвръщаемост на термоядрените централи.

Изчисленията показаха, че температурата на плазменото ядро и интензивността на термоядрените реакции не са в пряка зависимост от стойността на входящата мощност. При определени условия високата температура на плазмата и активността на реакциите могат да се поддържат дори при намалено нагряване.

Новият изчислителен метод дава подробна представа за поведението на плазмата още преди началото на експериментите. Този проактивен подход помага предварително да се определят оптималните режими на работа на инсталацията и да се елиминират потенциално неефективните варианти. Надеждността на прогнозите се осигурява чрез постоянно сравняване с експерименталните данни от действащите инсталации за термоядрен синтез.

Резултатите подсказват съществуването на други, все още неоткрити начини за повишаване ефективността на ITER. Разработеният софтуерен ИИ инструментариум може да помогне за намирането на нови режими, които съчетават високата производителност с икономическата ефективност.