Новый подход в поиске «магнитных теней» в термоядерном реакторе
Благодаря партнёрству между Commonwealth Fusion Systems (CFS), Принстонской плазменной физической лабораторией (PPPL) Управления энергетики США (DOE) и Национальной лабораторией Ок-Риджа был разработан новый подход с использованием искусственного интеллекта (ИИ), который быстрее находит так называемые «магнитные тени» в термоядерном сосуде. Эти «тени» представляют собой защищённые от интенсивного тепла плазмы зоны.
Новый ИИ, известный как HEAT-ML, может заложить основу для программного обеспечения, которое значительно ускорит проектирование будущих термоядерных систем. Такое программное обеспечение может улучшить процесс принятия решений во время термоядерных операций, корректируя плазму и предотвращая потенциальные проблемы до их возникновения.
Майкл Чёрчилль, соавтор статьи в журнале «Fusion Engineering and Design» и руководитель отдела цифровой инженерии в PPPL, сказал: «Это исследование показывает, что можно взять существующий код и создать ИИ-заменитель, который ускорит получение полезных ответов, и открывает интересные возможности с точки зрения управления и планирования сценариев».
Термоядерный синтез и солнечные нейтрино
Термоядерный синтез, реакция, которая питает Солнце и звёзды, может обеспечить потенциально безграничное количество электроэнергии на Земле. Чтобы использовать его, исследователи должны преодолеть ключевые научные и инженерные задачи. Одной из таких задач является управление интенсивным теплом, исходящим от плазмы, которое достигает температур, превышающих ядро Солнца, при удержании с помощью магнитных полей в термоядерном сосуде, известном как токамак.
Ускорение расчётов, предсказывающих, где это тепло ударит и какие части токамака будут защищены в «тени» других частей, имеет ключевое значение для подключения термоядерной энергии к сети.
Доменика Корона Ривера, физик-исследователь в PPPL и первый автор статьи о HEAT-ML, сказала: «Компоненты токамака, обращённые к плазме, могут вступать в контакт с плазмой, которая очень горячая и может расплавить или повредить эти элементы. Худшее, что может произойти, — это остановка работы».
Эксперимент DUNE и солнечные нейтрино
Нейтрино — призрачные частицы, которые редко взаимодействуют с обычным веществом, — являются тайными посланниками Солнца. Эти частицы рождаются глубоко внутри Солнца, являясь побочным продуктом процесса ядерного синтеза, который питает все звёзды.
Нейтрино ускользают от Солнца и проходят через Землю в огромных количествах. Эти частицы несут информацию о внутренней работе Солнца.
Наша новая теоретическая статья, опубликованная в журнале «Physical Review Letters», показывает, что эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который в настоящее время находится в стадии строительства, поможет нам раскрыть глубочайшие тайны этих солнечных посланников.
Нейтрино — самые загадочные из известных фундаментальных частиц. Они были впервые предложены австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули в 1930 году, когда единственными известными субатомными частицами были электрон и протон.
Паули ввёл нейтрино, чтобы объяснить загадочные наблюдения ядерного бета-распада, при котором нестабильное ядро испускает электрон. Проблема заключалась в том, что высвобождалось меньше энергии, чем ожидалось, что, казалось, нарушало закон сохранения энергии. «Отчаянным средством» Паули для решения этой дилеммы было предложение о том, что испускается дополнительная частица — нейтрино.
Чтобы соответствовать наблюдениям, эта новая частица должна была быть очень лёгкой (менее 1% массы протона) и взаимодействовать чрезвычайно слабо с обычным веществом.
Обнаружение нейтрино
Прошло 26 лет, прежде чем нейтрино были обнаружены напрямую в 1956 году (приходя из ядерных реакторов), но даже к концу 1930-х годов стало понятно, что Солнце должно производить огромный поток нейтрино в результате ядерного синтеза.
Мы обнаружили очень большое количество нейтрино от Солнца и в других местах. Обнаружение нейтрино привело к присуждению четырёх Нобелевских премий (1988, 1995, 2002 и 2015 годы).
В 1938 году немецко-американский физик Ханс Бете правильно предположил, что основным источником солнечной энергии является ядерный синтез протонов, наконец, дав ответ на извечный вопрос: что заставляет Солнце светить?
В ядре Солнца ядра вынуждены соединяться под огромным давлением, иногда сливаясь вместе и высвобождая энергию и нейтрино. Точные детали процессов термоядерного синтеза на Солнце очень чувствительны к свойствам Солнца, которые мы не можем измерить с Земли, таким как температура солнечного ядра и точное содержание определённых элементов, таких как бор.
Чтобы подтвердить наше понимание того, как светит Солнце, физикам нужен был способ получить доступ к солнечной внутренней части. Солнечные нейтрино возникают глубоко внутри Солнца и из-за своей малой массы и призрачной природы быстро покидают его со скоростью, близкой к скорости света, неся информацию о реакциях, которые их породили.
Измеряя эти нейтрино, мы можем расшифровать сообщения, которые они несут из солнечной внутренней части. Однако, поскольку нейтрино не ведут себя как «обычное» вещество и взаимодействуют только через «слабое ядерное взаимодействие», их обнаружение чрезвычайно сложно.
Эксперимент Хоумстейк (или Дэвис), начатый американским химиком и физиком Рэем Дэвисом в конце 60-х годов, был расположен в золотой шахте на глубине 1480 метров под Чёрными холмами в Южной Дакоте. Это защищало детектор от «шума», такого как потенциально сбивающие с толку космические лучи.
Несмотря на колоссальный масштаб, эксперимент первоначально обнаруживал только около одного нейтрино каждые два дня. Этот результат резко расходился с теоретически предсказанной скоростью обнаружения нейтрино — казалось, что около двух третей нейтрино отсутствуют. Это было названо «проблемой солнечных нейтрино».
В настоящее время эксперимент DUNE находится на переднем крае исследований солнечных нейтрино. Хотя DUNE изначально не был предназначен для обнаружения солнечных нейтрино, мы показали, что DUNE сможет делать то же, что и SNO, но гораздо лучше.
DUNE — это массивный новый детектор нейтрино, который будет состоять примерно из 70 000 тонн жидкого аргона, расположенного в огромной, недавно вырытой камере в подземной исследовательской лаборатории Санфорда (SURF) стоимостью более 3 миллиардов долларов США. Это наибольшее количество жидкого аргона, которое когда-либо собиралось в одном месте.
Пока Паули беспокоился, что нейтрино никогда не будут обнаружены, мы вступаем в эпоху прецизионной нейтринной физики, ставшую возможной благодаря поистине огромным детекторам, которые будут обнаруживать многие сотни тысяч нейтрино — около сотни каждый день.
Наша новая статья показывает, что DUNE сможет измерить общий поток всех типов нейтрино, используя NC-взаимодействия с ядрами аргона. DUNE не ожидал такой возможности, но мы обнаружили, что эти взаимодействия более часты и их легче наблюдать, чем считалось ранее.
Более ранняя статья показала, что DUNE также сможет измерить поток нейтрино электронного типа, используя CC-взаимодействия с аргоном. Вместе эти новые возможности позволят DUNE сравнить скорости CC- и NC-взаимодействий для высокоточных измерений доли нейтрино, меняющих свой «вкус». Это позволит провести очень точные измерения тех квантовых свойств нейтрино, которые меняют их «вкус».
Это также предоставит массу информации о глубоких секретах в ядре нашего Солнца и, в конечном итоге, об основных законах Вселенной.