كود حاسوبي جديد طوره علماء الفيزياء في جامعة برينستون يمكن أن يسرع بشكل كبير الطريق نحو الطاقة الاندماجية العملية من خلال حل واحدة من أكثر التحديات المستمرة في هذا المجال: تحقيق التوازن بين الفيزياء المثالية وما يمكن للمهندسين بناؤه فعليًا.
الكود، الذي يحمل اسم “كوادكويل”، قادر على تقييم تصاميم المغناطيس المعقدة في غضون 10 ثوانٍ فقط - وهي مهمة تستغرق عادةً بين 20 دقيقة وساعات عدة باستخدام البرامج التقليدية. هذه الطفرة في الكفاءة قد تجعل أجهزة “الستيلارتر” – وهي نوع واعد ولكن معقد للغاية من أجهزة الاندماج – أكثر تكلفة للبناء بشكل ملحوظ.
قال فرانك فو، طالب دراسات عليا في برنامج برينستون لفيزياء البلازما بمختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) ومؤلف رئيسي للورقة التي تصف الكود: “يتنبأ كوادكويل بسرعة بتعقيد المغناطيسات، مما يساعد على تجنب أشكال البلازما التي تكون رائعة من الناحية الفيزيائية ولكنها ليست مفيدة لبناء منشأة اندماج”.
تأتي هذه التطورات في وقت حرج لأبحاث الاندماج، حيث يتسابق العلماء حول العالم لتطوير أنظمة طاقة اندماج عملية يمكن أن توفر يومًا ما طاقة وفيرة ونظيفة دون النفايات المشعة المرتبطة بالانشطار النووي التقليدي.
تحدي الستيلارتر
تمثل الستيلارترات واحدة من أكثر الطرق الواعدة للطاقة الاندماجية، لكن تصميماتها المعقدة والمشوهة للمجالات المغناطيسية جعلتها تاريخيًا مكلفة وصعبة البناء مقارنةً بأقاربها الأكثر تناظرًا، التوكاماك.
على عكس الأساليب التصميمية التقليدية التي تعالج الفيزياء البلازمية ومتطلبات الهندسة بشكل منفصل، يدمج كوادكويل اعتبارات الهندسة الأساسية منذ بداية عملية التصميم.
شرح فو المفهوم بمثال تشبيهي: ”تخيل فريقين يبنيان محرك سيارة: أحدهما يصمم المحرك والآخر يبنيه. كوادكويل، بمعنى ما، ينقل شخصًا واحدًا من فريق البناء إلى فريق التصميم لمراقبة كيف قد يؤثر التصميم على المنتج النهائي. ستكون التقديرات أقل دقة مما ستحصل عليه إذا قمت ببناء السيارة بالفعل وجمعت النفقات، لكن العملية أسرع وتؤدي إلى مواصفات معقولة”.
تجمع هذه الأبحاث بين خبرة PPPL في أكواد الكمبيوتر المتقدمة الخاصة بالبلازما وتاريخها الطويل في تطوير الستيلارترات – وهو مفهوم ابتكره المختبر قبل 70 عامًا.
ثلاث ابتكارات رئيسية
وفقًا لفريق البحث، يقدم كوادكويل ثلاث مزايا مميزة مقارنة بالطرق الحالية: السرعة والقدرات التنبؤية الإضافية والمرونة.
لا يقوم الكود بحساب تكوينات المغناطيس بسرعة أكبر بكثير فحسب بل يولد أيضًا بيانات حول خصائص لا تستطيع الأكواد الأخرى توفيرها مثل انحناء المغناطيس وكمية القوة المغناطيسية التي تتعرض لها.
قال فو: “باختصار ، يحتوي كوادكويل على ثلاث ابتكارات: يحسب بسرعة أكبر ، ويتنبأ بخصائص أكثر مما تستطيع الأكواد الأخرى القيام به وهو مرن”.
تمتد المرونة لتسمح للعلماء بإدخال مواصفات هندسية متنوعة ، مما ينتج أشكال مغناطيس أكثر صلة باحتياجاتهم الخاصة. يمكن أن تشمل هذه المواصفات معلومات عن مواد وأشكال المغناطيسات.
جعل الاندماج أقل تكلفة
يمكن أن تكون الآثار المالية كبيرة. من خلال تصفية التصاميم بسرعة والتي ستحتاج إلى مغناطيسات معقدة للغاية ، يمكن للباحثين تركيز جهودهم على تكوينات تحافظ على أداء بلازمي جيد بينما تكون قابلة للبناء عملياً.
قالت إليزابيث بول ، أستاذ مساعد في الفيزياء التطبيقية والرياضيات التطبيقية بجامعة كولومبيا وواحدة من مؤلفي الورقة: “واحدة من أكبر التحديات عند تصميم الستيلارترات هي أن المغناطيسات قد تحتوي على أشكال معقدة يصعب بناؤها”. “هذه المشكلة تخبرنا أننا بحاجة للتفكير بشأن تعقيد المغنطيسي منذ البداية. إذا استطعنا استخدام أكواد الكمبيوتر لإيجاد أشكال بلازمائية تتمتع بالخصائص الفيزيائية التي نريدها ويمكن تشكيلها باستخدام مغنطيسي بأشكال بسيطة ، فإننا نستطيع جعل الطاقة الاندماج أرخص”.
لكي تصبح الطاقة الاندماجيّة قابلة للتطبيق تجاريّاً ، فإن تقليل تكاليف البناء أثناء الحفاظ على الأداء أمر ضروري – وهذا هو بالضبط التوازن الذي تم تصميم كوادكوئل لتحقيقه.
النظر إلى المستقبل
يعمل فو وزملاؤه بالفعل على نسخة محسنة من كوادكوئل ستذهب أبعد بكثير عن مجرد تقييم التصاميم لتقديم اقتراحات نشطة لتحسين الأشكال البلازمائية.
بينما يعمل النموذج الأولي الحالي على جهاز كمبيوتر محمول قياسي ، يتوقع الفريق أن تتطلب النسخ المستقبلية أجهزة أقوى مزودة بوحدات معالجة رسومية متقدمة. كما يخطط فو لدمج كوادكوئل ضمن مجموعات برامج أكبر لتصميم الستيلارتر الشامل.
قال فو : “يتطلب تطوير ستيلارتر الكثير من الحساب”. “أنا أحاول جعل عملية التصميم سلسة قدر الإمكان”.
شارك العديد من المؤسسات البحث بما فيها آلان كبطان أوغلو بمعهد كورانت للعلوم الرياضية بجامعة نيويورك وأميتافا باتشارجي, الرئيس السابق لقسم النظرية بـ PPPL . وقد جاء الدعم المالي عبر برنامج اكتشاف العلوم الخاص بوزارة الطاقة الأمريكية ومن مؤسسة سيمونس .
مع استمرار السعي نحو طاقة اندمجا جادة, تمثل أدوات الحوسبة مثل كود كواديكل خطوات حاسمة نحو تحقيق ما كان يعتبر ذات يوم حلم بعيد المنال بصورة متزايدة ممكن الوصول إليه . عبر سد الف gap بين الفيزياء النظرية وقيود الهندسة العملية, قد تساعد مثل هذه الابتكار تسريع رحلة الانصهارمن فضول مختبري الى مصدر للطاقة التجارية .
