Цифровые двойники становятся важным направлением исследований и разработок в области термоядерного синтеза

Недавно в новой статье был проведён обзор развития технологий цифровых двойников в области термоядерных исследований за последние пять лет, и указано, что до формирования полной цифровой модели термоядерной электростанции остаётся преодолеть ряд ключевых этапов.

Моделирование движения вольфрама в ядре плазмы. Авторские права: (F. Jenko и др., 2026, *Nuclear Fusion* 66 116014)

Цифровой двойник — это класс виртуальных моделей, способных отражать структуру, окружающую среду и поведение физической системы, которые могут использоваться для прогнозирования будущих состояний системы и предоставления справочной информации для принятия реальных решений. В термоядерных исследованиях, по мере усложнения таких проблем, как физика плазмы, инженерия установок и взаимодействие материалов, считается, что цифровые двойники могут помочь исследователям объединить разрозненные модели в системный инструмент моделирования, более точно отражающий реальное состояние работы установки.

Франк Йенко, директор Института физики плазмы имени Макса Планка и руководитель направления цифровых решений в Объединении по термоядерной энергии Европы (Еврофьюжн), отметил, что в настоящее время исследователи уже способны моделировать многие аспекты термоядерной плазмы с высокой надёжностью и прогностической способностью. Следующим шагом является максимально возможное объединение этих элементов моделирования, что и является причиной внедрения технологии цифровых двойников в термоядерные исследования.

Моделирование потоков эрозии и осаждения вольфрама в основной камере сгорания DEMO. DEMO — это демонстрационная атомная электростанция. (Авторские права: F. Jenko и др., 2026, *Nuclear Fusion* 66 116014) 

Концепция цифровых двойников используется в инженерной области с начала XXI века, и сообщество термоядерных исследований также изучает её в течение многих лет. В 2021 году Европейское объединение по термоядерной энергии запустило проект E-TASC для координации теоретических и передовых симуляционных исследований в Европе. В данной статье делается вывод, что за последние пять лет соответствующая работа постепенно перешла от концептуальных обсуждений к планам исследований и разработок.

В области моделирования плазмы в токамаках в статье отмечается, что исследователи достигли значительного прогресса в моделировании ядра плазмы, охватывающего такие ключевые вопросы, как турбулентность, неустойчивости, способные нарушить магнитное удержание, а также поведение быстрых частиц, образующихся в результате термоядерных реакций. Йенко отметил, что исследования ядра плазмы продвигаются достаточно успешно, и большой объём работ по верификации кодов уже завершён, что является одним из важных достижений последних лет.

В то же время ранее относительно разрозненные исследования постепенно переходят к связанному моделированию. В статье упоминается, что исследователи уже начали проводить связанное моделирование турбулентности и волн, возбуждаемых быстрыми частицами, а также разрабатывать коды, способные отслеживать эволюцию неустойчивостей в глубокой нелинейной области, а не ограничиваться анализом только начальной стадии.

Напротив, краевая область плазмы по-прежнему остаётся сложной задачей для моделирования. Эта область расположена ближе к стенке реактора, физические процессы в ней более сложны, а взаимодействие между материалами и плазмой описать точнее гораздо труднее. Взять, к примеру, вольфрамовый материал стенки: в ходе многолетней эксплуатации будущей электростанции часть вольфрама неизбежно попадёт в плазму. Как моделировать влияние этих свободных частиц на плазму, а также то, каким образом тепло и частицы достигают стенки под действием турбулентности, по-прежнему остаётся ключевой проблемой исследований.

В статье также упоминается, что в исследованиях краевой области также достигнут прогресс. Например, коды турбулентности теперь способны воспроизводить явление «дивертора» (отрыв плазмы), то есть быстрое охлаждение плазмы перед достижением стенки; исследователи также провели моделирование эрозии и образования пыли в масштабе реактора. Однако соответствующие модели всё ещё требуют дальнейшего совершенствования, прежде чем они смогут полностью и надёжно поддерживать проектирование термоядерных электростанций.

Помимо токамаков, прогресс достигнут и в моделировании стеллараторов. Результаты исследований на немецкой установке Wendelstein 7-X привлекли больше внимания к стеллараторному направлению, а повышение возможностей моделирования позволяет исследователям с большей уверенностью проектировать и оценивать стеллараторные концепции. Йенко отметил, что технология стеллараторов в настоящее время ещё недостаточно зрелая, главным образом из-за ограниченности теоретических и экспериментальных данных, однако исследовательская группа надеется довести моделирование стеллараторов до уровня, способного поддержать формирование концепции электростанции.

Что касается двух направлений — токамаков и стеллараторов, — Йенко считает, что они не находятся в простой конкурентной взаимосвязи, а могут развиваться параллельно; моделирование цифровых двойников способствует совместному созреванию обоих типов термоядерных установок.

Заглядывая вперёд, статья полагает, что основное внимание в области цифровых двойников для термоядерного синтеза будет уделено интеграции ранее относительно независимых модельных компонентов. Исследователи изучают структуры, способные объединять различную информацию, например, инструмент Bluemira для интегрированного проектирования будущих термоядерных реакторов. Этот инструмент содержит несколько модулей, некоторые из которых зависят от других кодов, и позволяет проводить ряд концептуальных проектных работ по термоядерным реакторам. Хотя Bluemira пока не является полной цифровой моделью-двойником, он рассматривается как важный шаг на пути к цифровому двойнику термоядерного синтеза.

Исследователи также отмечают, что прежде чем использовать интегрированное моделирование для таких ещё не эксплуатируемых установок, как ИТЭР или будущие термоядерные электростанции, необходимо по-прежнему проводить верификацию результатов моделирования на существующих установках. Йенко отметил, что полная цифровая модель термоядерной электростанции ещё не создана, но базовые модели ядра плазмы, краевой области, стенки и периферийных систем установки уже ближе к практическому применению, чем когда-либо прежде. «Пять лет назад это было всего лишь видением. Теперь это стало программой исследований и разработок, и она быстро прогрессирует».