В Техасском университете в Остине совместно с коллегами разработан новый метод расчёта движения высокоэнергетических частиц в стеллараторах. Этот метод 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.
Прежде для моделирования применялись два подхода: теория возмущений, дававшая неточную информацию 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 указывали, что для устранения «дыр» в магнитной конфигурации могли понадобиться тысячи итераций с незначительными изменениями параметров.
Новое исследование описывает метод, заменяющий часть вычислений алгоритмами машинного обучения. Это дало возможность обнаружить скрытую симметрию в движении частиц, которую не замечали обычные методы. «Прямое применение законов Ньютона слишком ресурсоемко, а теории возмущений допускают грубые ошибки», — сказал Джош Берби, доцент физики и главный автор работы. — Наш подход преодолевает эти ограничения, сохраняя точность».
Моделирование стало в десять раз быстрее по сравнению с ньютоновским анализом. Но алгоритм нуждается в повторных расчётах при малейших изменениях магнитного поля, что сейчас создаёт большую вычислительную нагрузку. Учёные рассчитывают разрешить проблему с помощью развития фундаментальных моделей ИИ и методов разреженного регрессионного анализа.
Технология «непертурбативной теории направляющего центра», первоначально разработанная для стеллараторов, может быть применима и к токамакам — реакторам тороидальной формы, которые сейчас используются в экспериментах. Несмотря на достижения, авторы отмечают: основная проблема термоядерной энергетики — получить больше энергии, чем затрачено на запуск реакции — сохраняется. Даже в успешных экспериментах общий баланс системы оставался отрицательным из-за расходов на поддержание плазмы и работу оборудования.
Хотя открытие существенно облегчает проектирование магнитных систем для удержания частиц, до коммерческого использования термоядерной энергии ещё долгий путь. Работа техасской команды — важный, но не последний шаг в решении этой масштабной научно-инженерной задачи.