Для обеспечения безопасной и стабильной работы термоядерных энергетических систем необходимо тщательно контролировать параметры перегретого плазменного топлива. Ключевые характеристики, такие как температура и плотность, оказывают прямое влияние на возможность поддержания термоядерных реакций. Для измерения этих экстремальных условий применяются современные диагностические системы, которые выполняют функцию наблюдения и контроля внутри термоядерных установок.

Усиление национальных диагностических возможностей

В новом докладе, подготовленном при поддержке Министерства энергетики США (DOE), подчеркивается необходимость увеличения инвестиций в развитие национальных диагностических технологий для термоядерной энергетики. Совершенствование этих инструментов рассматривается как важный шаг для предоставления DOE и Конгрессу данных, необходимых для ускорения разработки коммерческих термоядерных электростанций.

Документ был составлен по итогам семинара DOE 2024 года по инновациям в измерениях, организованного в рамках программы Fusion Energy Sciences (FES) Управления науки. В работе приняли участие специалисты из университетов, частных компаний и национальных лабораторий, включая Принстонскую лабораторию физики плазмы (PPPL). Основной задачей было определить, какие диагностические и измерительные технологии наиболее важны для поддержания лидерства США в области термоядерной энергетики и физики плазмы. Семинар также способствовал реализации целей Дорожной карты науки и технологий термоядерной энергетики DOE, определяющей действия и этапы до середины 2030-х годов для формирования конкурентоспособной термоядерной отрасли в стране.

Семь приоритетных направлений в физике плазмы

В подготовке доклада участвовали 70 исследователей, которые рассмотрели семь ключевых тем, финансируемых программой FES DOE:

• Плазма низких температур
• Плазма высокой плотности энергии
• Взаимодействие плазмы с материалами
• Горящая плазма с магнитным удержанием (MCF)
• Горящая плазма с инерционным удержанием (ICF)
• Экспериментальные термоядерные установки на основе MCF
• Термоядерные электростанции на основе ICF

Эти направления охватывают как фундаментальные исследования плазмы, так и проектирование будущих термоядерных электростанций.

Развитие технологий: датчики, быстрые измерения и искусственный интеллект

Эксперты выделили несколько способов повышения эффективности измерения параметров плазмы. Среди приоритетов — разработка диагностических систем, способных работать в условиях интенсивного излучения, характерного для будущих термоядерных электростанций. Также отмечается необходимость создания методов, позволяющих фиксировать чрезвычайно быстрые процессы, происходящие во время экспериментов по инерционному удержанию плазмы.

В докладе подчеркивается роль искусственного интеллекта для оптимизации проектирования современных измерительных систем. Кроме того, отмечается важность формирования кадрового резерва для привлечения и обучения новых специалистов по диагностике. Эти меры поддерживают не только развитие термоядерной энергетики, но и расширяют экосистему плазменных технологий, способствуя экономической конкурентоспособности страны.

Основные рекомендации для ускорения инноваций

Доклад содержит следующие ключевые рекомендации:

• Ускорить развитие измерительных технологий с помощью валидации расчетных кодов, инструментов искусственного интеллекта, машинного обучения и цифровых двойников.
• Организовать национальную сеть по инновациям в измерениях, аналогичную LaserNetUS, возможно под названием CalibrationNetUS.
• Сформировать национальные команды для эффективного внедрения новых измерительных концепций в рабочие диагностические системы.
• Внедрить системный подход к калибровке диагностических инструментов.
• Передавать знания и опыт государственных учреждений частным термоядерным компаниям.
• Расширять программы подготовки кадров для удовлетворения потребностей экспериментальных термоядерных установок.
• Планировать вопросы, связанные с дистанционным управлением и обслуживанием диагностических инструментов для будущих термоядерных объектов.

Полный текст доклада и его краткое изложение доступны онлайн.