Сотрудники Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) создали модель, позволяющую с высокой степенью точности прогнозировать итоги термоядерных экспериментов, проводимых на национальном комплексе NIF.
Созданная модель показала свою результативность в прогнозировании исходов эксперимента по термоядерному синтезу, выполненного в 2022 году на NIF. С вероятностью 74% модель указала на достижение зажигания в данном эксперименте, что является улучшением по сравнению с обычными методами суперкомпьютерного моделирования, поскольку она учитывает большее число факторов и обладает большей точностью. Келлли Хамбирд, возглавляющая группу когнитивного моделирования в программе инерциального термоядерного синтеза NIF, подчеркнула, что возможность прогнозирования результатов экспериментов позволяет оптимизировать будущие исследования и увеличивать шансы на успех. Число попыток достижения зажигания на NIF ограничено несколькими десятками в год, поэтому эффективное планирование экспериментов имеет решающее значение.
На текущем этапе атомные электростанции функционируют, используя принцип ядерного деления – расщепления тяжёлых атомов, например урана, что сопровождается высвобождением энергии. Научные работники ведут поиск альтернативного решения, основанного на ядерном синтезе – процессе объединения лёгких атомов водорода с выделением колоссального количества энергии. Ядерный синтез обладает более высокой энергоэффективностью и не приводит к образованию опасных радиоактивных отходов, что делает его многообещающим источником энергии для достижения устойчивого развития. Тем не менее, несмотря на достигнутые результаты, внедрение этой технологии в коммерческую эксплуатацию пока не представляется возможным.
Исследования, проводимые на установке NIF, используют лазерный нагрев. Лазеры нагревают цилиндр, генерирующий интенсивный поток рентгеновского излучения. Возникающие при этом экстремальные температуры приводят к сжатию топливных гранул, содержащих дейтерий и тритий – изотопы водорода, применяемые в экспериментах по термоядерному синтезу. В конечном итоге, это должно инициировать достаточное число реакций синтеза дейтерия-трития для выработки энергии, превышающей затраты лазеров.
Несмотря на использование компьютерного моделирования, надёжное прогнозирование всех физических процессов в этом сложном взаимодействии невозможно. Для ускорения вычислений код нередко упрощается, что может приводить к неточностям в моделировании. Даже при соблюдении всех необходимых предосторожностей, выполнение расчётов требует нескольких дней.
Предложенная модель использует имеющиеся данные NIF, точные физические расчеты и опыт специалистов для формирования исчерпывающего набора данных. Кроме того, модель учитывает различные факторы, которые могут повлиять на результаты эксперимента, в том числе неточности в работе лазерного оборудования и дефекты в мишенях. Для обработки этих данных на суперкомпьютерах потребовалось более 30 миллионов процессорных часов. Модель дает возможность исследователям предсказывать эффективность экспериментальной установки, что позволяет экономить время и ресурсы.
Хамбирд применила модель для анализа собственного экспериментального проекта 2022 года, и результаты моделирования оказались в полном соответствии с фактическими данными. Усовершенствование модели позволило увеличить точность прогнозов с 50% до 70%. Модель обладает способностью учитывать факторы, влияющие на реальные условия, что критически важно для повышения результативности исследований в сфере термоядерной энергетики. Авторы исследования отмечают, что достигнутый прогресс является существенным, и работы по созданию чистой энергии будущего продолжаются.