Термоядерная энергия, которую часто называют «святым Граалем» чистой энергетики, остается одной из самых сложных технологических задач. Однако исследователи из голландского института DIFFER считают, что ключ к ее решению лежит не только в глубоком понимании физики, но и в инженерном подходе к созданию саморегулирующихся систем.
В конце 2023 года на британской научной площадке Culham Science Campus развернулась настоящая гонка за термоядерной энергией. Реактор Joint European Torus (JET), служивший флагманом европейских исследований на протяжении сорока лет, готовился к выводу из эксплуатации. В рамках последней экспериментальной кампании ученые стремились извлечь максимум данных из установки в форме гигантского пончика. Команде JET даже удалось установить новый мировой рекорд по количеству высвобожденной энергии за один запуск, но главная цель заключалась не в рекордах.
Центральное место в последних экспериментах заняли три десятисекундных «выстрела» плазмой, разогретой до 100 миллионов градусов Цельсия. Их целью была не максимальная мощность, а отработка системы управления отводом тепла — одной из ключевых проблем будущих термоядерных электростанций.
Управление этими запусками доверили команде голландских исследователей, среди которых был аспирант Томас Босман. Инженер по системам управления получил контроль над газовым клапаном в нижней части реактора JET. Его задача была критически важной: подать достаточно газа, чтобы охладить и рассеять горячий выхлоп у внутренней стенки, но не настолько много, чтобы затушить ядро плазмы, где и происходят термоядерные реакции. Босман поясняет, что в JET плазма существует недолго, а прочные материалы стенок, такие как вольфрам, справляются с нагревом. Однако будущие электростанции будут на порядок мощнее, и условия в них станут гораздо суровее. Без точного контроля отвода тепла стенки реактора могут быть повреждены за считанные секунды.
Физики называют режим, при котором тепло рассеивается до соприкосновения со стенкой, «отрывом плазмы». Они потратили годы на изучение сложнейших взаимодействий между краем плазмы, ее ядром и стенками реактора. Босман и его коллеги пошли другим путем и всего за три коротких эксперимента смогли настроить алгоритм управления, который гарантирует этот «отрыв», даже не зная всех тонкостей физических процессов. Это стало настоящим триумфом инженерного подхода.
Босман рассказывает, что в основе его работы лежит понимание: хотя физика термоядерного выхлопа сложна, реакцию всей системы на впрыск холодного газа можно описать базовой моделью. Во время экспериментов на JET команда изучала, как выхлоп реагирует на медленные и быстрые изменения в подаче охлаждающего газа. Этой информации оказалось достаточно, чтобы задать правила для контроллера.
Этот успех не был случайностью. Ему предшествовали годы физических исследований. После первых удачных шагов на небольшом швейцарском эксперименте TCV в 2021 году команду пригласили применить свою методику на более крупной немецкой установке ASDEX-Upgrade. Только после этого научное сообщество обрело достаточно уверенности в новой технологии, чтобы дать зеленый свет экспериментам на JET, где время работы является крайне дефицитным ресурсом.
Несмотря на успех, Босман считает, что проблема «отрыва» плазмы остается сложной. Он отмечает, что оптимальная производительность термоядерной реакции достигается вблизи предела, за которым подача газа начинает негативно влиять на ядро плазмы. Однако, как только система включается, контроллер способен поддерживать выхлоп в точно заданном состоянии.
Управление отводом тепла — лишь одна из задач. В термоядерном синтезе есть и более сложные вызовы, например, прогнозирование и подавление внезапных вспышек энергии на краю плазмы. Здесь на помощь приходят компьютерное моделирование и искусственный интеллект. Физик Свен Визен объясняет, что для таких проектов, как строящийся гигантский реактор ITER, необходимо учитывать все взаимосвязанные процессы. Компьютерные модели, такие как SOLPS, способны это сделать, но расчет одного сценария на суперкомпьютере занимал месяцы.
Решением становятся так называемые суррогатные модели, обученные с помощью машинного обучения. Они находят закономерности в данных от сложных симуляций и могут воспроизводить такое же поведение за минуты вместо месяцев. Визен делится, что новые методы ИИ позволяют предсказывать будущее поведение плазмы быстрее, чем она сама эволюционирует.
Суррогатные модели уже вызывают интерес у частных и государственных проектов, таких как американский SPARC и британский STEP. Даже команда ITER заинтересована в технологии. Чтобы получить разрешение на первые запуски, им необходимо заранее доказать безопасность операций, и быстрые модели могут обеспечить необходимую уверенность в подходе.
Исследователь Лизан Кивитс предлагает пойти еще дальше. Она утверждает, что, используя теорию сетей, можно определять динамические взаимодействия внутри реактора исключительно на основе экспериментальных данных, без единой физической формулы. Этот подход может произвести революцию в понимании сложных систем.
И инженеры, и физики сегодня согласны, что их области могут многое предложить друг другу. Томас Босман заключает, что термоядерный синтез может стать одной из немногих областей, где передовые алгоритмы управления действительно необходимы. В свою очередь, именно такие контроллеры предлагают уникальный способ приблизить эру термоядерной энергии.
+ There are no comments
Add yours