Исследователи из UC Davis и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли добились значительного прогресса в проектировании термоядерных реакторов благодаря новому направлению, известному как materials-driven fusion (управляемый материалами синтез). Этот подход основан на конструировании самих материалов, из которых состоят реакторы, с целью максимизации эффективности реакции и снижения температур, при которых синтез может надёжно протекать, — что представляет собой принципиально иную стратегию по сравнению с доминирующими подходами магнитного удержания в токамаках и стеллараторах или инерциального удержания с помощью высокоэнергетических лазеров, которые направлены на доведение условий плазмы до экстремальных значений, а не на изменение среды реакции на уровне материалов.

«Вместо того чтобы разрабатывать материалы просто для выживания в суровых условиях синтеза, исследователи, возможно, смогут создавать материалы, которые усиливают реакцию при определённых условиях, подобно тому, как катализаторы ускоряют химические процессы», — поясняется в пресс-релизе лаборатории Беркли.

В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Nature Communications, команда описывает, как металлические фольги из титана и палладия могут способствовать реакциям дейтерий-дейтериевого ядерного синтеза со значительно большей частотой и при более низких температурах, чем это обычно достижимо. Это открытие имеет существенное значение: экстремальные уровни тепла, требуемые в современных экспериментах по синтезу, предполагают колоссальные затраты энергии, в результате чего большинство реакций синтеза оказываются отрицательными по чистому энергобалансу. Эти же температуры оказывают разрушительное воздействие на материалы внутри реактора. Вместе эти препятствия относятся к числу самых серьёзных барьеров на пути коммерциализации термоядерной энергии — цели, которая привлекла миллиарды долларов государственных и частных инвестиций по всему миру, включая программу термоядерных энергетических наук Министерства энергетики США и венчурные компании, разрабатывающие компактные конструкции реакторов.

«Это даёт вам новую ручку настройки, которой раньше не было», — сказал Арун Персад (Arun Persaud), возглавляющий группу Fusion Science & Ion Beam Technology в подразделении Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) лаборатории Беркли. «Если мы лучше поймём этот эффект, это откроет дверь к конструированию новых материалов, влияющих на скорость синтеза при определённых условиях. В будущем такой прогресс может привести к созданию более компактных и эффективных нейтронных генераторов, которые найдут самые разнообразные применения — от досмотра грузов до планетологии, медицинской терапии и визуализации».

Помимо самого открытия, ожидается, что исследование даст импульс дальнейшим изысканиям в области materials-driven fusion. Работа также появилась на фоне растущего внимания к роли палладия в ядерной науке: способность палладия поглощать дейтерий изучается на протяжении десятилетий, и хотя ранние заявления о низкоэнергетических ядерных реакциях вызвали острые дискуссии, результаты Berkeley–UC Davis представляют собой рецензируемое, инструментально измеренное подтверждение повышенных скоростей синтеза с использованием палладиевых металлических фольг в контролируемых лабораторных условиях.

Искусственный интеллект играет всё более заметную роль в ускорении подобных исследований. Большие языковые модели всё чаще применяются для быстрого скрининга и моделирования кандидатных материалов — задача, которая иначе была бы подобна поиску иголки в стоге сена.

В Национальной лаборатории Эймса (Ames, штат Айова) учёные разрабатывают ИИ-инструмент под названием DuctGPT специально для этих целей. Система объединяет большие языковые модели с физическим моделированием для выявления материалов, способных выдержать экстремальные условия внутри термоядерного реактора. Результаты, аналогичные полученным в лаборатории Беркли, могут напрямую интегрироваться в систему Эймса: каждый новый набор данных и модель будет помогать совершенствовать инструмент и делать последующие исследования более эффективными.

Пересечение ИИ и исследований термоядерного синтеза несёт более широкие последствия: искусственный интеллект потенциально может помочь решить тот самый энергетический кризис, который он же и усугубляет. Хотя точная траектория роста энергопотребления ИИ остаётся неопределённой, текущие уровни потребления уже представляют реальную угрозу глобальной энергетической безопасности. Удовлетворение энергопотреблений масштабного развития ИИ без ущерба для климатических целей и других конкурирующих энергетических приоритетов потребует серьёзных технологических рывков — как в способах производства энергии, так и в том, как ИИ-системы её потребляют.

«Без прорыва этого не достичь», — сказал Сэм Альтман (Sam Altman), генеральный директор OpenAI, во время ежегодного собрания Всемирного экономического форума в Давосе в 2024 году. «Это мотивирует нас инвестировать больше в термоядерный синтез».

Всё чаще эти инвестиции направляются на ИИ-инструменты для решения энергетических проблем эпохи ИИ. Такие системы, как DuctGPT, могут оказаться одним из самых перспективных направлений для выхода из нарастающей энергетической дилеммы.

Автор: Хейли Заремба (Haley Zaremba) для Oilprice.com