Есть такой интересный факт, что для моделирования всего одной секунды работы термоядерного реактора при температуре 100 миллионов градусов стандартному компьютеру потребовались бы тысячи лет. Но в чём тут сложность?
Казалось бы, что плазма - это просто ещё одно агрегатное состояние вещества, которое подчиняется заведомо известной модели. Но не всё так просто, как хотелось бы.
Сама по себе модель плазмы близка к хаосу. А вы наверняка помните, что это такое, если постоянно читаете мой канал. Идея в том, что математическая модель-то вроде и есть, но она чрезвычайно сложная и держится на случайностях и вероятностях. Это легко осознать, если вы посмотрите на модель поведения самого обычного газа, где его частицы постоянно перемешиваются и хаотично движутся. Вот в плазме всё ещё сложнее. Сказывается температура и многие сопутствующие эффекты.
Но это ещё не весь айсберг проблемы. Это лишь его верхушка.
Когда мы рассматриваем вопрос в контексте удержать вещество такой высокой температуры - это все равно что пытаться удержать извивающийся, электрически заряженный торнадо внутри магнитной клетки, что делает метод проб и ошибок невероятно дорогостоящим.
Поскольку экспериментальные реакторы стоят миллиарды долларов и на их строительство уходят десятилетия, физики должны точно предсказать, как будет вести себя плазма, прежде чем запускать установку. Метод проб и ошибок тут не подходит, хотя это помогло бы расставить граничные условия.
Потому (и не только по этой причине) для моделирования требуются вычислительные мощности, которые находятся на пределе возможностей современного оборудования.
Ещё раз проговорим, что моделирование термоядерной плазмы чрезвычайно сложно, поскольку плазма ведет себя не как стандартная жидкость или газ. Вместо этого оно требует отслеживания невероятно хаотичных, нелинейных физических процессов в экстремальных масштабах. Отсюда и подход к построению модели.
Плазму необходимо моделировать с помощью магнитогидродинамики. Это жидкость из заряженных частиц, то есть она проводит электричество и реагирует на магнитные поля. По мере вращения плазмы она генерирует собственные магнитные поля, которые постоянно борются и искажают внешние магнитные поля, пытающиеся её удержать.
Точное моделирование должно учитывать как микроскопические, так и макроскопические параметры. Модели должны отслеживать быстрые, тесные орбиты микроскопических электронов (происходящие в пикосекундах), одновременно моделируя масштабную турбулентность всего плазменного облака в масштабе метра в течение нескольких секунд.
Наиболее точные модели, известные как кинетические модели, не могут опираться только на трехмерное пространство. Поскольку частицы в плазме могут двигаться с совершенно разными скоростями, даже находясь в непосредственной близости друг от друга, суперкомпьютеры должны рассчитывать их поведение в шестимерном фазовом пространстве — отслеживая трехмерное положение и трехмерную скорость миллиардов взаимодействующих частиц одновременно.
Для расчета траектории, энергетического состояния и электромагнитного воздействия этих частиц требуется решение триллионов связанных дифференциальных уравнений в частных производных для каждой мельчайшей доли секунды моделируемого времени.
Только самые мощные суперкомпьютеры, использующие сотни тысяч параллельных процессоров, обладают пропускной способностью памяти и скоростью обработки, необходимыми для учета этого хаоса и оказания помощи физикам в проектировании стабильных, функционирующих реакторов.
Так, казалось бы, простая задача, переходит в разряд почти нерешаемых стандартными методами.
⚠️ Пишу большой научпоп курс про загадки материи - добро пожаловать сюда.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте!