Автор Мирьям Гесген
Исследователи из Принстона сообщают, что новая модель искусственного интеллекта преодолела одно из основных препятствий на пути к выработке термоядерной энергии.
На пути к ядерному синтезу, реакции в ядре Солнца, которая объединяет атомы для производства энергии, есть много камней преткновения: производство большего количества энергии, чем требуется для питания реакторов, разработка устойчивых к реакторам строительных материалов, сохранение реактора свободным от примеси и удержание этого топлива внутри него, и это лишь некоторые из них.
Теперь исследователи из Принстонского университета и его Принстонской лаборатории физики плазмы разработали модель искусственного интеллекта, которая может решить эту последнюю проблему. Эта модель предсказывает, а затем выясняет, как избежать нестабильности плазмы и выхода из сильных магнитных полей, которые удерживают ее внутри определенных реакторов в форме пончика. Свои выводы они опубликовали в среду в журнале Nature.
Реакторы токамака в форме пончика полагаются на магниты, которые сжимают частицы плазмы близко друг к другу и поддерживают их постоянное вращение вокруг кольца, создавая длительную реакцию термоядерного синтеза. Они являются одними из лидеров в разработке практичного термоядерного реактора. Но если происходит хоть одно небольшое нарушение линий магнитного поля, проходящих через плазму, хрупкий баланс, удерживающий все это, выходит из строя: плазма вырывается из лап магнитов, и реакция прекращается.
Чиджин Сяо, физик плазмы из Университета Саскачевана, не принимавший участия в исследовании, объяснил, что эти нестабильности могут привести к катастрофическим последствиям. «Когда плазма перестает работать, возникает несколько рисков: один из них заключается в том, что вся энергия, запасенная в плазме, будет высвобождена в виде тепловой энергии и может повредить стенки реактора», — сказала она. «Что еще более важно, внезапное изменение [магнитный] ток может оказать на реактор большую силу, которая действительно может разрушить устройство».
Сяо добавил, что один из крупнейших сегодня реакторов-токамаков, ИТЭР во Франции, рассчитан лишь на то, чтобы выдержать лишь несколько таких разрывов плазмы, прежде чем придется ремонтировать всю машину, а это огромные затраты. Цель состоит в том, чтобы уловить нестабильности, пока они малы, и вмешаться.
Модель Принстонской лаборатории может предсказывать так называемые разрывные нестабильности за 300 миллисекунд до того, как они произойдут. Их исследование показывает, что этого времени достаточно, чтобы взять плазму под контроль.
Исследователи протестировали алгоритм на реальном реакторе — Национальной термоядерной установке DIII-D в Сан-Диего. Они увидели, что их система на основе искусственного интеллекта может контролировать мощность, подаваемую в реактор, и форму плазмы, чтобы контролировать закрученные частицы.
Соавтор Азарахш Джалалванд заявил в своем заявлении, что успех модели ИИ обусловлен тем, что она обучалась на реальных данных предыдущих экспериментов по термоядерному синтезу, а не на моделях теоретической физики.
«Мы не обучаем модель обучения с подкреплением всей сложной физике термоядерной реакции», — сказал Джалалванд. «Мы говорим ему, какова цель — поддерживать мощную реакцию — чего следует избегать — нестабильности режима разрыва — и какие ручки он может повернуть для достижения этих результатов. Со временем он узнает оптимальный путь для достижения цели высокой мощности, избегая при этом наказания за нестабильность».
По словам соавтора Джемин Со, это исследование имеет важное значение, поскольку предыдущие исследования смогли подавить разрывную нестабильность только после того, как она возникла. «Наш подход позволяет нам предсказывать и избегать этих нестабильностей еще до того, как они появятся».
Но нестабильность способа разрыва — лишь один из способов, по которым плазма может выйти из строя. Есть десятки способов, которыми сгусток плазмы может раскачиваться, изгибаться или распадаться на части: как перегнутый садовый шланг, вентилятор или даже колбаса.
Тем не менее, разрывающая нестабильность является одной из самых больших проблем на пути к безграничной чистой термоядерной энергии. «Нестабильность способа разрыва является одной из основных причин разрушения плазмы, и она станет еще более заметной, когда мы попытаемся запустить термоядерные реакции на высоких мощностях, необходимых для производства достаточного количества энергии», — сказал Со. «Это важная задача, которую нам предстоит решить».
ИИ будет играть большую роль в контроле и поддержании термоядерных реакций, рассказал Live Science Федерико Феличи, физик из Швейцарского федерального технологического института, который не участвовал в исследовании. «Существует огромный потенциал для использования ИИ, чтобы улучшить контроль и выяснить, как более эффективно управлять такими устройствами». Феличи и его команда ранее создали модель искусственного интеллекта для формирования плазменного кольца внутри токамака переменной конфигурации.
Авторы последнего исследования описывают свою работу как доказательство концепции на данном этапе и пишут в своей статье, что она все еще находится на ранних стадиях доработки. Однако они надеются, что его можно будет доработать и в конечном итоге применить к другим реакторам, а также для оптимизации реакции или получения от нее энергии.
«В настоящее время есть экспериментальные данные для контроля над этими сценариями [разрушения плазмы], но эти сценарии настолько широки, что с учетом текущих знаний и данных все еще остается подождать и посмотреть», — сказал Сяо.