Исследователи из Техасского университета в Остине совместно с коллегами разработали новый метод расчёта движения высокоэнергетических частиц в стеллараторах — одном из типов термоядерных реакторов. Решение позволит точнее предсказывать поведение альфа-частиц, образующихся при синтезе, и снизить энергопотери, связанные с их выходом за пределы магнитного поля. Это важный шаг к созданию устойчивой термоядерной реакции, но ключевая проблема отрасли — достижение положительного энергобаланса — остаётся нерешённой.
Ранее для моделирования использовались два подхода: теория возмущений, дававшая неточные результаты в сложных магнитных полях стеллараторов, и ресурсоёмкие симуляции на основе законов Ньютона. Последние требовали анализа полной орбиты каждой частицы через силу Лоренца, что делало оптимизацию конструкции реактора практически невозможной. Учёные отмечали, что для устранения «дыр» в магнитной конфигурации могли потребоваться тысячи итераций с незначительными изменениями параметров.
Иллюстрация: Lepnardo
Новый метод, описанный в исследовании, заменяет часть вычислений алгоритмами машинного обучения. Это позволило уловить скрытую симметрию в движении частиц, которую не учитывали традиционные методы. «Прямое применение законов Ньютона слишком затратно, а теории возмущений допускают грубые ошибки, — пояснил Джош Берби, доцент физики и ведущий автор работы. — Наш подход обходит эти ограничения, оставаясь точным».
Скорость моделирования увеличилась в десять раз по сравнению с ньютоновским анализом. Однако алгоритм требует повторных расчётов при малейшем изменении магнитного поля, что пока создаёт высокую вычислительную нагрузку. Учёные надеются решить проблему с развитием фундаментальных моделей ИИ и методов разреженного регрессионного анализа.
Технология, названная «непертурбативной теорией направляющего центра», изначально разрабатывалась для стеллараторов, но потенциально применима и к токамакам — реакторам тороидальной формы, доминирующим в современных экспериментах. Несмотря на прогресс, авторы подчёркивают: главный барьер термоядерной энергетики — получение больше энергии, чем затрачивается на запуск реакции — сохраняется. Даже в успешных экспериментах общий баланс системы оставался отрицательным из-за затрат на поддержание плазмы и работу оборудования.
Таким образом, хотя открытие значительно упрощает проектирование магнитных систем для удержания частиц, до коммерческого использования термоядерной энергии ещё далеко. Работа техасской команды — важный, но не окончательный элемент в решении этой грандиозной научно-инженерной задачи.
