Это ключевой эксперимент по будущей энергетике человечества, лобовая атака на основную проблему ядерного синтеза.
Немецкие физики совместно с научно-исследовательскими институтами Европы и Соединенных Штатов завершили историческую проверку. Они использовали GENE, современный код моделирования турбулентности, чтобы успешно воспроизвести турбулентность плазмы в лаборатории. Дело не только в «сопоставлении компьютерных и экспериментальных данных», но впервые научное сообщество согласовало семь ключевых параметров турбулентности, что намного больше, чем когда-либо прежде.
Эксперимент был основан на устройстве ASDEX Upgrade Института физики плазмы Макса Планка в Германии. Это устройство, по сути, представляет собой токамак – тороидальное магнитное удерживающее устройство, в котором плазма при температуре в один миллион градусов Цельсия подвешивается магнитным полем, чтобы избежать прямого контакта со стенками вакуумной камеры. Эти экспериментальные данные являются краеугольными камнями для физиков, чтобы понять и, в конечном итоге, укротить турбулентность плазмы.
Что такое турбулентность плазмы? Его можно просто представить себе как молоко в кофе. Когда вы помешиваете кофе, молоко быстро растекается, образуя сложную структуру завихрения. В токамаке турбулентность плазмы и есть этот процесс «перемешивания», за исключением того, что вместо однородного вкуса он приводит к катастрофическим потерям энергии.Если турбулентность слишком сильная, тепло плазмы будет быстро уходить, и продолжительность термоядерной реакции сократится.
Это загадка, которая преследовала исследования термоядерного синтеза в течение почти полувека.
Все схемы термоядерного синтеза с магнитным удержанием должны сталкиваться с проблемой увеличения «времени удержания энергии», то есть минимизации потерь энергии, вызванных турбулентностью.Эксперимент ASDEX Upgrade стал важным шагом для ученых в понимании проблемы, не только путем точного измерения турбулентности внутри плазмы, но и с помощью кода GENE для выполнения высокоточного численного моделирования. Это означает, что у физиков наконец-то появилась линейка, которая может предсказывать турбулентность.
В этом эксперименте использовались два ключевых диагностических инструмента.
Первый — это доплеровский рефлектометр, который использует микроволновое отражение эха для анализа турбулентных вихрей в разных масштабах плазмы. Второй — это радиометр CECE (Correlation Electron Cyclotron Emission), предоставленный Массачусетским технологическим институтом, который используется для измерения электронных колебаний температуры. Эти данные обеспечивают ключевые параметры, необходимые для эксперимента, и в конечном итоге используются для проверки точности моделирования GENE.
GENE — это пятимерный код моделирования турбулентности в фазовом пространстве, разработанный Институтом физики плазмы Макса Планка. Пятимерный, то есть рассчитывает не только турбулентное распределение в пространстве, но и распределение скоростей частиц плазмы. Проще говоря, это невероятно вычислительно. Чтобы смоделировать поведение плазмы в течение нескольких миллисекунд, исследовательская группа использовала суперкомпьютер для его расчета в течение двух полных месяцев.
Еще более удивительно, что GENE не только успешно предсказал турбулентное поведение плазмы, но и точно воспроизвел неожиданное экспериментальное явление.
Исследовательская группа установила два разных температурных профиля в эксперименте. Согласно здравому смыслу, чем круче градиент температуры, тем интенсивнее турбулентность. Этому закону подчиняются и результаты эксперимента: температурные колебания в первом случае действительно больше, чем во втором. Однако турбулентное поведение электронной плотности совершенно противоположно — при меньших температурных градиентах флуктуации плотности больше. Первоначально команда была озадачена этим явлением, но когда они посмотрели на результаты моделирования GENE, они обнаружили, что компьютер имеет хороший показатель прогнозирования.
Это показывает, что GENE — это не просто «инструмент моделирования», а машина, которая может заранее предсказывать экспериментальные явления. Такого рода прецизионная модель впервые делает концепцию «цифрового двойника» конкретной и осуществимой.
Так называемый «цифровой двойник» заключается в том, чтобы построить в компьютере модель плазменного реактора, которая точно такая же, как реальность. Если GENE может так точно предсказывать экспериментальные явления, то будущие термоядерные устройства могут быть оптимизированы в первую очередь в виртуальном мире, а не полагаться на метод проб и ошибок.
Если ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) является крупнейшим аппаратным проектом для ученых всего мира в направлении ядерного синтеза, то успешная верификация GENE является серьезным прорывом на программном уровне.Эксперимент показывает, что физики уже обладают способностью точно контролировать турбулентность термоядерной плазмы.
В настоящее время глобальные исследования в области термоядерного синтеза находятся на критическом этапе. Программа ИТЭР рассчитывает на то, что первое зажигание будет достигнуто через 2035 лет, но эта цель возможна только в том случае, если плазма сможет работать стабильно, а не быстро охлаждаться под действием турбулентности.
Одной из самых больших проблем в исследованиях термоядерного синтеза за последние несколько десятилетий был разрыв между теоретическими моделями и экспериментальными данными. Бесчисленное количество раз ученые пытались предсказать поведение плазмы с помощью компьютеров, но обнаруживали, что эксперименты всегда дают разные результаты. Но на этот раз GENE идеально воспроизвел турбулентность плазмы в лаборатории, не только проверив ее надежность, но и выявив неожиданные механизмы турбулентности.
Это был настоящий сплав теории и эксперимента.
Но проблема не решена, GENE может предсказывать турбулентность, но не может устранить турбулентность. Следующим шагом для ученых является поиск способов подавления турбулентности на основе этого прорыва. Кандидаты включают в себя изменение топологии магнитного поля, оптимизацию метода нагрева плазмы и даже попытку контролировать интенсивность турбулентности с помощью внешнего привода.
В то же время научно-исследовательские институты термоядерного синтеза по всему миру готовятся к будущим коммерческим термоядерным реакторам. Великобритания планирует построить первый в мире коммерческий токамак через 60 лет, японский JT-0SA проводит предварительные испытания для ITER, а китайское «искусственное солнце» Oriental Superring также быстро продвигает накопление технологий. Независимо от того, какая страна сделает решающий шаг первой, теоретические инструменты, такие как GENE, являются неотъемлемой частью будущих термоядерных устройств.