Физики разработали новый компьютерный код QUADCOIL, который значительно упрощает процесс проектирования магнитных катушек для стеллараторов – установок, предназначенных для удержания плазмы в термоядерных реакторах. Этот инструмент позволяет находить формы плазмы, которые обеспечивают стабильность и сохраняют тепло, но при этом не требуют чрезмерно сложных магнитных систем. В результате проектирование стеллараторов становится более быстрым и доступным, что может ускорить развитие термоядерной энергетики.
Стеллараторы – это альтернативные термоядерные реакторы, которые, в отличие от токамаков, используют сложные внешние магниты для удержания плазмы. Они обладают преимуществом в стабильности работы, поскольку не зависят от токов внутри плазмы, но их главный недостаток – сложность проектирования магнитной системы. Чтобы удерживать плазму в нужной конфигурации, требуются специальные магниты сложной формы, которые могут быть трудны в изготовлении и установке. Одной из ключевых проблем при проектировании таких реакторов является необходимость балансировать между физическими характеристиками плазмы и инженерными ограничениями.
Ранее проектирование стеллараторов происходило в два этапа: сначала учёные рассчитывали форму плазмы, обеспечивающую необходимые физические свойства, а затем пытались создать магниты, которые могли бы удерживать её в таком виде. Однако этот процесс не учитывал сложности конструкции магнитов на ранних стадиях. В результате могло получиться так, что после долгих вычислений учёные приходили к идеальной с физической точки зрения форме плазмы, но затем выясняли, что магниты, необходимые для её удержания, слишком сложны и дороги в производстве.
QUADCOIL решает эту проблему, позволяя учёным сразу учитывать сложность магнитной системы при выборе формы плазмы. Он выполняет приблизительные расчёты формы магнитов и даёт возможность корректировать параметры плазмы, если магниты получаются слишком сложными. Это позволяет найти оптимальный баланс между физическими и инженерными требованиями на ранних этапах проектирования.
Основным преимуществом QUADCOIL является его скорость. Если традиционные методы расчёта магнитных систем требуют от 20 минут до нескольких часов, то новый код выполняет эти вычисления всего за 10 секунд. Это позволяет учёным быстрее проверять различные конфигурации и исключать неудачные варианты, что значительно ускоряет процесс проектирования.
Кроме высокой скорости работы, QUADCOIL обладает высокой гибкостью. Он позволяет вводить инженерные ограничения, такие как типы материалов магнитов, допустимая форма катушек и механические нагрузки. Это делает расчёты более реалистичными и приближенными к реальным условиям производства. Кроме того, в отличие от других программных кодов, QUADCOIL может прогнозировать дополнительные свойства магнитов, включая их кривизну и силу, с которой они взаимодействуют с плазмой.
По словам Франка Фу, аспиранта Принстонского университета и ведущего автора работы, QUADCOIL помогает избежать ситуаций, когда учёные разрабатывают плазму с идеальными физическими характеристиками, но затем сталкиваются с невозможностью реализовать соответствующую магнитную систему. Новый код позволяет сразу исключать слишком сложные варианты и работать только с теми, которые можно реализовать на практике.
Сейчас исследователи разрабатывают улучшенную версию QUADCOIL, которая не только оценивает сложность магнитов, но и предлагает, как изменить форму плазмы, чтобы сделать конструкцию проще. Ожидается, что окончательная версия программы потребует более мощных графических процессоров и будет интегрирована в комплексные программные пакеты для проектирования стеллараторов. В перспективе это может сделать термоядерные установки более доступными для промышленного применения.