Математика против плазмы: ученые нашли путь к дешевой термоядерной энергии

Создание устойчивых термоядерных реакций остается одной из сложнейших задач современной физики - ведь для этого нужно воссоздать на Земле условия, сходные с теми, что существуют внутри звезд. Группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала новый метод расчета параметров термоядерных реакторов, основанный на компьютерном анализе.

Натан Говард, ведущий научный сотрудник Центра плазменных наук и термоядерного синтеза MIT, вместе с руководителем Пабло Родригесом-Фернандесом возглавляет группу MFE-IM. Ученые создают компьютерные симуляции и применяют алгоритмы машинного обучения, чтобы предугадать, как будет вести себя плазма - ионизированный газ, разогретый до сверхвысоких температур.

Исследователи стремятся заранее оценить эффективность различных конфигураций термоядерных установок, не дожидаясь реальных экспериментов. Для надежности прогнозов результаты постоянно сверяются с данными уже проведенных испытаний - это помогает сохранить связь теоретических расчетов с практикой.

Особое внимание уделяется проверке базового сценария работы ITER - крупнейшего в мире экспериментального термоядерного реактора, который строится на юге Франции. Проект стартовал 40 лет назад по инициативе семи стран-участниц, включая США. Цель амбициозна: создать установку, способную вырабатывать 500 мегаватт энергии, превышая затраты на нагрев плазмы в десять раз.

В своих расчетах ученые опираются на программный код CGYRO, разработанный специалистами General Atomics. Он решает сложные уравнения физики плазмы для заданных условий работы реактора и позволяет отследить процессы в разных точках установки, включая образование турбулентных структур - завихрений, от которых зависит стабильность реакции.

Данные CGYRO обрабатываются с помощью программного комплекса PORTALS, также созданного в MIT. Эта система, используя алгоритмы машинного обучения, создает упрощенные версии сложных физических расчетов - так называемые суррогаты, способные быстро воспроизводить результаты оригинальных вычислений.

Точность суррогатов проверяется сравнением с детальными расчетами CGYRO. При несовпадении результатов PORTALS проводит дополнительное обучение до нужной точности. После настройки суррогаты позволяют гораздо быстрее исследовать влияние различных параметров на работу реактора.

Команда провела 14 циклов расчетов через CGYRO, подтверждая возможность десятикратного превышения выходной мощности в базовом сценарии работы ITER. Эти вычисления, основанные на наиболее полной физической картине из доступных сегодня, признаны самыми точными среди опубликованных.

Проанализировано было множество параметров: конфигурацию магнитного поля, удерживающего плазму, способы управления ее формой, методы внешнего нагрева и другие переменные.

Самое интересное: команда открыла дополнительный потенциальный режим работы реактора. За три дополнительных расчетных цикла удалось найти такую конфигурацию ITER, при которой он производит практически то же количество энергии при вдвое меньших затратах мощности. Это сильно повысит экономическую отдачу термоядерных установок.

Расчеты показали, что температура плазменного ядра и интенсивность термоядерных реакций не находятся в прямой зависимости от величины входной мощности. При определенных условиях высокую температуру плазмы и активность реакций удается поддерживать даже при сниженном нагреве.

Новый метод вычислений дает подробное представление о поведении плазмы еще до запуска экспериментов. Такой опережающий подход помогает заранее определить оптимальные режимы работы установки и отсеять потенциально неэффективные варианты. Надежность прогнозов обеспечивается постоянным сопоставлением с данными экспериментов на действующих термоядерных установках.

Полученные результаты намекают на существование других, пока не открытых способов сделать ITER эффективнее. Разработанный инструментарий может помочь найти новые режимы, сочетающие высокую производительность с экономичностью.