_ Prima demonstrație a controlului predictiv al plasma de fuziune prin geamăn digital

Energia de fuziune este dezvoltată ca o soluție la problemele energetice globale. În special, metoda de confinare magnetică, în care plasma la temperatură ultra-înaltă este limitată de un câmp magnetic, este cea mai avansată și este considerată cea mai promițătoare metodă pentru reactoarele de fuziune.

Prin această metodă, plasma este închisă în reactor într-o stare de temperatură ridicată, de densitate ridicată printr-un câmp magnetic, iar energia eliberată de reacția de fuziune în plasmă este convertită în electricitate.

Pentru a realiza această generare de energie. metoda, este esențial să se prezică și să controleze comportamentul complex al plasmei de fuziune. O metodă de control posibilă este controlul digital dublu, în care plasma de fuziune este controlată pe baza plasmei reproduse în spațiu numeric.

Cu toate acestea, este dificil să se prezică și să analizeze comportamentul plasmei cu mare precizie folosind modele de simulare. deoarece modelul trebuie să ia în considerare nu numai fluxul de plasmă complex, ci și mulți alți factori, cum ar fi încălzirea, alimentarea cu combustibil, impuritățile și particulele neutre.

În plus, viitoarele reactoare de fuziune vor avea capacități de măsurare limitate, ceea ce forțează control predictiv și estimare a stării plasmei în condiții de mare incertitudine și lipsă de informații.

Un grup de cercetare a dezvoltat un nou sistem de control care poate optimiza modelul predictiv folosind observații în timp real și poate estima controlul optim bazat pe pe modelul predictiv îmbunătățit chiar și în condiții atât de incerte.

Lucrarea este publicată în Scientific Reports.

O metodă matematică numită asimilare de date este o tehnică care folosește informațiile observate pentru a reduce diferențe dintre simulările numerice și realitate. Asimilarea datelor este utilizată pentru a îmbunătăți performanța de predicție și analiză a modelelor de simulare la scară largă (de exemplu, prognoza meteo).

Grupul de cercetare a dezvoltat ASTI (Sistem de asimilare pentru simularea integrată a plasmei toroidale) ca asimilare de date. sistem pentru plasme de fuziune. În general, asimilarea datelor este o tehnică de îmbunătățire a acurateței predicției și analizei.

În această cercetare, au adăugat funcții de control cadrului de asimilare a datelor și au creat un sistem care poate efectua controlul digital geamăn al fuziunii. plasme. Această metodă de control bazată pe asimilarea datelor adaptează modelul de simulare la comportamentul real al plasmei de fuziune în timp real, permițând ca comportamentul plasmei să fie prezis cu mare precizie și controlat în continuare, pe baza predicțiilor.

În cadrul. ASTI, un număr mare de simulări cu stări diferite sunt efectuate în paralel pentru a prezice probabil starea viitoare a plasmei. Prin reflectarea (asimilarea) observațiilor și stărilor țintă în această distribuție de probabilitate prezisă, se efectuează adaptarea la plasma reală și estimarea de control.

ASTI a fost aplicat la Large Helical Device (LHD), cel mai mare dispozitiv din lume. instalație experimentală avansată cu plasmă supraconductoare, care este echipată cu multe butoane de control, inclusiv un dispozitiv de încălzire prin rezonanță cu electroni ciclotron (ECH) de mare putere și echipamente avansate de măsurare, inclusiv un sistem de măsurare a împrăștierii Thomson în timp real.

Cercetătorii au efectuat un studiu experiment de control al temperaturii electronilor a plasmei reale prin ECH, optimizând în același timp modelul predictiv bazat pe densitatea electronilor și profilele de temperatură observate în timp real.

Ca urmare, temperatura electronilor a fost adusă aproape de temperatura țintă, îmbunătățind în același timp precizia de predicție a modelului, și prima demonstrație din lume a controlului predictiv al unei plasme de fuziune de către un geamăn digital, bazată pe asimilarea datelor, a fost realizată cu succes.

Această nouă abordare de control este de așteptat să devină fundamentală pentru controlul reactorului de fuziune, deoarece poate fi aplicată la probleme de control importante, dar provocatoare, inclusiv controlul densității plasmei și profilurilor de temperatură și controlul cantităților care nu sunt direct măsurate, cum ar fi ușurința scăpării căldurii din interiorul plasmei.

Sistemul de control dezvoltat în acest studiu pune bazele controlului reactoarelor de fuziune, unde diferite componente trebuie luate în considerare simultan. Deși acest experiment de control este un punct de plecare pentru controlul digital dublu al plasmelor de fuziune, este un pas semnificativ către controalele avansate care sunt esențiale pentru realizarea generării de energie de fuziune, cum ar fi controlul profilului plasmei și evitarea fenomenelor de dispariție bruscă.

În viitor, echipa intenționează să extindă sistemul de control și să efectueze experimente demonstrative pentru probleme de control mai avansate la LHD și alte dispozitive experimentale din Japonia și din străinătate.

Acest lucru bazat pe asimilarea datelor. abordarea controlului oferă baza pentru controlul predictiv adaptiv în situațiile în care este dificil de prezis cu precizie ridicată doar prin simulare. Prin urmare, se așteaptă ca această abordare să rezolve nu numai problemele de control ale plasmei de fuziune, ci și alte probleme societale care implică mulți factori incerti, cum ar fi controlul traficului rutier și controlul nivelului apei râului.

Grupul de cercetare a fost condus de Profesor asistent Yuya Morishita, profesor Sadayoshi Murakami de la Școala Absolventă de Inginerie, Universitatea din Kyoto, Japonia, profesor asistent Naoki Kenmochi, profesor asistent Hisamichi Funaba, profesor Masayuki Yokoyama, profesor Masaki Osakabe de la Institutul Național pentru Știința Fuziunii (NIFS), institute naționale de Științe Naturale (NINS), Japonia și profesorul Genta Ueno de la Institutul de Matematică Statistică (ISM), Japonia și Centrul Comun de Suport pentru Cercetarea în Știința Datelor (RIOS-DS), Japonia.

Profesorul asistent Morishita a spus: „Cred că această cercetare este provocatoare, dar importantă în realizarea generării de energie prin fuziune. A fost, de asemenea, o oportunitate bună pentru mine, care sunt specializată în calcule modele numerice, să experimentez pentru prima dată experimente cu plasmă de fuziune și să realizați diferența dintre realitate și simulare. În viitor, aș dori să stabilesc acest sistem de control ca bază de control pentru reactoarele de fuziune.”

(Fluierul)