QUADCOIL: Ο κώδικας που θα επιτρέψει την κατασκευή πιο απλών και φθηνών stellarators για πυρηνική σύντηξη

Όπως οι μηχανικοί που σχεδιάζουν αγωνιστικά αυτοκίνητα υψηλής απόδοσης της Formula 1, έτσι και οι επιστήμονες θέλουν να δημιουργήσουν πλάσμα υψηλής απόδοσης σε δαιδαλώδη συστήματα σύντηξης, γνωστά ως stellarators. Η επίτευξη αυτών των επιδόσεων σημαίνει ότι το πλάσμα πρέπει να διατηρεί μεγάλο μέρος της θερμότητάς του και να παραμένει εντός των περιοριστικών μαγνητικών πεδίων του.

Για να διευκολυνθεί η δημιουργία αυτού του πλάσματος, οι Φυσικοί δημιούργησαν έναν νέο κώδικα υπολογιστή που θα μπορούσε να επιταχύνει τον σχεδιασμό των περίπλοκων μαγνητών που διαμορφώνουν το πλάσμα, καθιστώντας τα stellarators απλούστερα και πιο προσιτά στην κατασκευή τους.

Γνωστός ως QUADCOIL, ο κώδικας βοηθά τους επιστήμονες να αποκλείσουν σχήματα πλάσματος που είναι σταθερά αλλά απαιτούν μαγνήτες με υπερβολικά περίπλοκα σχήματα. Με αυτές τις πληροφορίες, οι επιστήμονες μπορούν αντ' αυτού να αφιερώσουν τις προσπάθειές τους στον σχεδιασμό stellarators που μπορούν να κατασκευαστούν οικονομικά.

«Το QUADCOIL προβλέπει γρήγορα την πολυπλοκότητα των μαγνητών, βοηθώντας να αποφευχθούν τα σχήματα πλάσματος που είναι σπουδαία από άποψη Φυσικής, αλλά δεν είναι χρήσιμα για την πραγματική κατασκευή μιας εγκατάστασης σύντηξης», δήλωσε ο Frank Fu, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Princeton Program in Plasma Physics, που εδρεύει στο Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), και επικεφαλής συγγραφέας μιας εργασίας που περιγράφει τον κώδικα. Η έρευνα αυτή συνδυάζει την τεχνογνωσία του PPPL σε εξελιγμένους υπολογιστικούς κώδικες πλάσματος με την εκτεταμένη ιστορία του στην ανάπτυξη stellarators, μια ιδέα που ξεκίνησε το Εργαστήριο πριν από 70 χρόνια.

Μόλις οι επιστήμονες επιλέξουν ένα σχήμα πλάσματος με ένα συγκεκριμένο σύνολο ιδιοτήτων που μπορούν να ευνοήσουν τις αντιδράσεις σύντηξης, το QUADCOIL εκτελεί αποτελεσματικά πρόχειρους υπολογισμούς για τον προσδιορισμό των σχημάτων μαγνητών που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα πλάσμα με αυτές τις ιδιότητες. Εάν τα σχήματα είναι πολύ περίπλοκα, ο κώδικας επιτρέπει στους επιστήμονες να επανασχεδιάσουν το σχήμα του πλάσματος. Αυτή η διαδικασία οδηγεί σε μια ισορροπία μεταξύ Φυσικής και Μηχανικής που θα χρειαζόταν πολύ περισσότερο χρόνο χρησιμοποιώντας άλλους κώδικες. Στην πραγματικότητα, ενώ τα παραδοσιακά προγράμματα σχεδιασμού μαγνητών μπορούν να αξιολογήσουν τα σχήματα μαγνητών σε 20 λεπτά έως αρκετές ώρες, το QUADCOIL μπορεί να ολοκληρώσει την εργασία σε 10 δευτερόλεπτα.

Τα παραδοσιακά προγράμματα έχουν συνήθως δύο στάδια: ένα πρόγραμμα υπολογιστή καθορίζει ένα σχήμα πλάσματος με τις απαιτούμενες ιδιότητες και ένα άλλο καθορίζει σχήματα μαγνήτη που μπορούν να παράγουν αυτές τις ιδιότητες, με μικρή επικοινωνία μεταξύ των δύο. Ένας νεότερος τύπος προγράμματος κάνει και τους δύο υπολογισμούς ταυτόχρονα, αλλά επειδή η εργασία είναι δυσκολότερη, το πρόγραμμα χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να εκτελεστεί και μπορεί να οδηγήσει σε σχέδια μαγνητών που είναι πολύ περίπλοκα για να κατασκευαστούν ή να δημιουργήσουν ένα πλάσμα που δεν αποδίδει όπως προβλέπεται.

Σκεφτείτε δύο ομάδες που κατασκευάζουν έναν κινητήρα αυτοκινήτου: μία που σχεδιάζει τον κινητήρα και μία άλλη που τον κατασκευάζει. Το QUADCOIL, κατά μία έννοια, μετακινεί ένα άτομο από την ομάδα κατασκευής στην ομάδα σχεδιασμού για να παρακολουθεί πώς ο σχεδιασμός μπορεί να επηρεάσει το τελικό προϊόν. Η εκτίμηση θα είναι πιο χονδροειδής από αυτή που θα παίρνατε αν κατασκευάζατε πραγματικά το αυτοκίνητο και αθροίζατε τα έξοδα, αλλά η διαδικασία είναι ταχύτερη και οδηγεί σε προδιαγραφές που είναι λογικές.

Το QUADCOIL επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να προσθέτουν μια σειρά από μηχανολογικές προδιαγραφές στις εισροές, δημιουργώντας σχήματα μαγνητών που ανταποκρίνονται περισσότερο στις ανάγκες των επιστημόνων. Αυτές οι προδιαγραφές μπορούν να περιλαμβάνουν πληροφορίες σχετικά με τα υλικά και τα σχήματα των μαγνητών ή τις τοπολογίες. Επιπλέον, το QUADCOIL μπορεί να παράγει δεδομένα σχετικά με ιδιότητες που άλλοι κώδικες δεν μπορούν, συμπεριλαμβανομένης της καμπυλότητας των μαγνητών και της μαγνητικής δύναμης που δέχονται. «Εν ολίγοις, το QUADCOIL έχει τρεις καινοτομίες: υπολογίζει πιο γρήγορα, προβλέπει περισσότερες ιδιότητες από ό,τι μπορούν να προβλέψουν άλλοι κώδικες και είναι ευέλικτο», δήλωσε ο Fu.

Η έρευνα αυτή δείχνει πόσο κρίσιμα είναι τα εξελιγμένα προγράμματα υπολογιστών για την ανάπτυξη εγκαταστάσεων σύντηξης stellarator. «Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στο σχεδιασμό των stellarators είναι ότι οι μαγνήτες μπορεί να έχουν πολύπλοκα σχήματα που είναι δύσκολο να κατασκευαστούν», δήλωσε η Elizabeth Paul, επίκουρη καθηγήτρια εφαρμοσμένης φυσικής και εφαρμοσμένων μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια και μία από τους συν-συγγραφείς του άρθρου. «Αυτό το πρόβλημα μας λέει ότι πρέπει να σκεφτόμαστε την πολυπλοκότητα των μαγνητών από την αρχή. Αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κώδικες υπολογιστών για να βρούμε σχήματα πλάσματος που αφενός έχουν τις φυσικές ιδιότητες που θέλουμε και αφετέρου μπορούν να σχηματιστούν χρησιμοποιώντας μαγνήτες με απλά σχήματα, μπορούμε να φτιάξουμε την ενέργεια σύντηξης πιο φθηνά».

Ο Fu και άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας αναπτύσσουν τώρα μια έκδοση του QUADCOIL που όχι μόνο καθορίζει πόσο εύκολο είναι να κατασκευαστεί ένα συγκεκριμένο σετ μαγνητών, αλλά και λέει στον ερευνητή πώς να βελτιώσει το σχήμα του πλάσματος. Παρόλο που ο σημερινός πρωτότυπος κώδικας μπορεί να τρέξει σε ένα laptop, η τελική έκδοση πιθανότατα θα απαιτεί έναν υπολογιστή με πιο ισχυρές μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Ο Fu σχεδιάζει επίσης να ενσωματώσει μια μελλοντική έκδοση του QUADCOIL σε μεγαλύτερες σουίτες λογισμικού για το σχεδιασμό stellarator. «Η ανάπτυξη ενός stellarator απαιτεί πολλούς υπολογισμούς. Προσπαθώ να κάνω τη διαδικασία σχεδιασμού όσο το δυνατόν πιο ομαλή».

[via]