Математика срещу плазмата: учени откриха нов път към евтината термоядрена енергия
Как едно виртуално слънце оказа помощ за усъвършенстването на действителен реактор.
Създаването на постоянни термоядрени реакции остава една от най-трудните задания на актуалната физика, най-много заради това, че на Земята би трябвало да се пресъздадат условия, сходни на тези, които съществуват в звездите. Екип от откриватели от Масачузетския софтуерен институт създаде нов способ за пресмятане параметрите на термоядрените реактори, основан на компютърен разбор.
Нейтън Хауърд, старши теоретичен помощник в Центъра за плазмени науки и термоядрен синтез на Масачузетския софтуерен институт, управлява екипа на MFE-IM дружно с ръководителя Пабло Родригес-Фернандес. Учените основават компютърни симулации и ползват логаритми за машинно образование, с цел да предвиждат по какъв начин ще се държи плазмата – йонизиран газ, нагорещен до свръхвисоки температури.
Изследователите се стремят авансово да оценят успеваемостта на другите конфигурации на инсталациите за термоядрен синтез, без да се постанова да чакат действителни опити. За да се подсигурява надеждността на прогнозите, резултатите непрекъснато се ревизират по отношение на данните от към този момент извършени проби – това оказва помощ да се поддържа връзката сред теоретичните калкулации и практиката.
Специално внимание се отделя на инспекцията на главния сюжет на ITER – най- огромният пробен реактор за термоядрен синтез в света, който се построява в южната част на Франция. Проектът започва преди 40 години по самодейност на седем страни участнички, измежду които и Съединени американски щати. Целта е амбициозна: да се сътвори оборудване, способно да създава 500 мегавата сила, като разноските за нагряване на плазмата се надвишават десетократно.
При изчисленията си учените разчитат на програмния код CGYRO, създаден от General Atomics. Той взема решение комплицираните уравнения на физиката на плазмата за дадени условия на работа на реактора и дава опция да се проследят процесите в другите точки на централата, в това число образуването на турбулентни структури – завихряния, от които зависи стабилността на реакцията.
Данните от CGYRO се обработват благодарение на профилирания програмен продукт PORTALS, също създаден в MIT. Тази стратегия, употребявайки логаритми за машинно образование, основава опростени версии на комплицираните физични калкулации – така наречен сурогати, които могат бързо да пресъздадат резултатите от истинските калкулации.
Точността на сурогатите се ревизира посредством съпоставяне с подробните калкулации на CGYRO. Ако резултатите не съответстват, PORTALS прави в допълнение образование до реализиране на мечтаната акуратност. Веднъж настроени, сурогатите (заместителите) разрешават доста по-бързо проучване на въздействието на другите параметри върху работата на реактора.
Екипът организира 14 цикъла от калкулации благодарение на CGYRO, като удостовери опцията за 10 пъти по-висока мощ при базовия сюжет на работа на ITER. Тези калкулации, основани на най-пълната физична картина, налична през днешния ден, са приети за най-точни измежду всички до момента оповестени.
Анализирани са доста параметри: конфигурацията на магнитното поле, задържащо плазмата, методът на ръководство на нейната форма, методите на външно нагряване и други променливи.
Най-интересното е, че екипът откри спомагателен евентуален режим на работа на реактора. В продължение на три спомагателни цикъла на планиране те съумяха да намерят настройка на ITER, при която той създава всъщност същото количество сила при два пъти по-малка входяща мощ. Това доста ще усили икономическата възвръщаемост на термоядрените централи.
Изчисленията демонстрираха, че температурата на плазменото ядро и интензивността на термоядрените реакции не са в директна взаимозависимост от цената на входящата мощ. При избрани условия високата температура на плазмата и интензивността на реакциите могат да се поддържат даже при понижено нагряване.
Новият изчислителен способ дава подробна визия за държанието на плазмата още преди началото на опитите. Този самодеен метод оказва помощ авансово да се дефинират оптималните режими на работа на инсталацията и да се отстраняват евентуално неефективните разновидности. Надеждността на прогнозите се обезпечава посредством непрекъснато сравняване с пробните данни от настоящите съоръжения за термоядрен синтез.
Резултатите подсказват съществуването на други, към момента неоткрити способи за повишение успеваемостта на ITER. Разработеният софтуерен ИИ инструментариум може да помогне за намирането на нови режими, които съчетават високата продуктивност с икономическата успеваемост.
