Моделирование плазмы в пяти измерениях открывает путь к автоматическому управлению реакторами

20.03.2025 08:51:00 | iXBT.com

Международная команда учёных совершила прорыв в управляемом термоядерном синтезе, впервые добившись почти идеального соответствия между экспериментальными данными и компьютерными симуляциями турбулентности в плазме. Результаты решают одну из главных проблем термоядерной энергетики — контроль над хаотическими процессами, которые «крадут» энергию из реактора. Это открытие не только подтверждает точность современных моделей, но и приближает создание коммерческих термоядерных электростанций.

В основе исследования — работа с плазмой, разогретой до миллионов градусов и удерживаемой магнитным полем в реакторе типа токамак. Учёные десятилетиями пытались понять, как регулировать турбулентные вихри внутри неё: эти процессы, с одной стороны, помогают удалять продукты реакции и доставлять новое топливо, а с другой — приводят к потерям энергии. Для моделирования таких явлений физики использовали код GENE, разработанный в Институте физики плазмы Общества Макса Планка (Германия). Его алгоритмы рассчитывают поведение частиц в пяти измерениях, учитывая взаимодействие температуры, плотности и магнитных полей — задача, сравнимая по сложности с прогнозированием погоды в многомерном пространстве.

Иллюстрация: нейросеть Dall-e

Экспериментальную проверку провели на установке ASDEX Upgrade, где плазму анализировали с помощью микроволновых диагностических систем. Эти инструменты действуют по принципу радиолокаторов: излучение, отражённое от плазмы, раскрывает малейшие колебания электронной плотности и температуры. Параллельно суперкомпьютеры два месяца обрабатывали данные, чтобы смоделировать всего несколько миллисекунд реальных процессов.

Результат оказался точнее ожиданий: симуляции GENE совпали с экспериментами даже в неочевидных сценариях. Например, при увеличении температурного градиента колебания плотности снизились вопреки интуитивным прогнозам — и код это предсказал.

«Теперь мы можем доверять симуляциям как цифровой копии реальности», — подчёркивает доктор Клара Хёфлер из команды разработчиков. Это позволяет создавать «цифровых двойников» реакторов — виртуальные аналоги, где можно тестировать настройки плазмы без дорогостоящих экспериментов. Подобные технологии уже используют в авиации и энергосистемах, но в термоядерной отрасли они критически важны: каждый неудачный эксперимент здесь обходится в миллионы долларов и годы работы.

Источник: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56997-2

Оптимизация удержания энергии в плазме сократит сроки разработки промышленных реакторов. Например, ИТЭР — международный термоядерный проект — сможет использовать подобные модели для тонкой настройки параметров. Более того, интеграция GENE с системами реального времени позволит алгоритмам автоматически корректировать магнитные поля и подачу топлива, поддерживая баланс между стабильностью и эффективностью.

Уже в ближайшие годы такие симуляции могут стать основой для ИИ-платформ, способных управлять плазмой со скоростью, недоступной человеку. Это превратит термоядерный синтез из научной задачи в инженерный проект, где большая часть работы будет выполняться в цифровом пространстве. А значит, переход от экспериментальных установок к полноценным электростанциям станет вопросом не десятилетий, а лет. Теперь главное — научиться применять эти модели в масштабах, сравнимых с будущими энергоблоками.

Подробнее