Научная группа под руководством профессоров Чимина Ли и Йисуна Юна из Отдела ядерной инженерии Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) разработала метод на основе глубокого обучения, ускоряющий вычисления нелинейного оператора столкновений Фоккера–Планка–Ландау (FPL) для моделирования плазмы в термоядерных реакторах.

Термоядерные реакторы требуют поддержания высокотемпературной плазмы. В этом состоянии вещество состоит из отрицательно заряженных электронов и положительных ионов. Точное прогнозирование столкновений между частицами важно для стабильности реакций синтеза.

Математическое описание динамики плазмы включает уравнение FPL, которое моделирует кулоновские столкновения заряженных частиц. Традиционные методы решения этого уравнения опирались на итерационные алгоритмы, требующие значительных вычислительных ресурсов и времени. Новая модель FPL-net, созданная учёными, решает уравнение FPL за один шаг, сокращая время вычислений в 1000 раз при погрешности всего 0,001%.

Ключевой особенностью оператора FPL является сохранение физических величин — плотности, импульса и энергии. Для повышения точности исследователи интегрировали в архитектуру нейросети функции, гарантирующие соблюдение этих законов сохранения в процессе обучения.

Эффективность FPL-net подтверждена симуляциями теплового равновесия. Эксперименты показали, что накопление ошибок при длительных расчётах нарушает достижение равновесного состояния, что подчёркивает важность точности метода.

«Использование глубокого обучения на GPU позволило сократить время вычислений в тысячу раз по сравнению с традиционными CPU-решениями», — заявили авторы работы. Они также отметили, что разработка закладывает основу для цифровых двойников термоядерных реакторов, включая анализ турбулентности и виртуальное моделирование токамаков — установок для удержания плазмы.

Хотя текущее исследование сфокусировано на электронной плазме, учёные подчеркнули необходимость дальнейших работ для адаптации модели к сложным средам с примесями. Это станет ключевым шагом для практического применения технологии в проектах управляемого термоядерного синтеза, таких как ITER. 

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) — крупнейший международный проект по созданию экспериментального термоядерного реактора типа «токамак». Цель проекта — доказать, что управляемый термоядерный синтез может стать практически неиссякаемым источником энергии.

Прорыв команды UNIST открывает новые возможности для оптимизации расчётов в физике плазмы, сокращая временные и энергетические затраты при проектировании реакторов следующего поколения.