Despre fuziunea nucleară controlată v-am mai vorbit 2022, în articolul ”Viitorul fuziunii nucleare controlate”. Atunci mă refeream la inițiativele private care par extrem de promițătoare pentru viitorul apropiat. De curând am aflat că o contribuție importantă o va avea inteligența artificială, pentru obținerea fuziunii nucleare controlate în reactoarele de tip tokamak, dezvoltate mai ales în cadrul unor programe guvernamentale, cum ar fi ITER, care este în curs de construcție în Franța, la Cadarache. Subiectul îmi pare interesant, așa că am crezut că ar fi bine să îl prezint și cititorilor revistei noastre.
ITER este un program internațional, care este finanțat de Uniunea Europeană, China, India, Japonia, Coreea de Sud, Rusia și SUA. Uniunea Europeană asigură 45,6 % din sumele necesare finanţării proiectului. Tratatul pentru programul ITER a fost semnat pe 21 noiembrie 2006 la palatul Élysée, Paris, de către comisarul pemtru energie al UE și miniștri din celelalte șase țări participante la program, în prezența Președintelui francez Jacques Chirac și a Președintelui Comisiei europene, José Manuel Durao Barroso. Intrarea în funcțiune a reactorului de fuziune nucleară de la Cadarache s-a tot amânat. Ultimele date pe care le am arată că primele teste vor începe în 2025 iar funcționarea la valoare nominală este prevăzută pentru 2035.
Cum funcționează un reactor tokamak?
Reactorul tokamak a fost propus de savanții ruși în anii 1950. Propunerea de utilizare a fuziunii termonucleare controlate în scopuri industriale și o schemă specifică care utilizează izolarea termică a plasmei de înaltă temperatură printr-un câmp electric au fost formulate pentru prima dată de fizicianul sovietic Oleg Lavrentiev într-o lucrare de la mijlocul anului 1950. În 1951, Andrei Saharov și Igor Tamm au propus modificarea schemei propunând un model teoretic pentru un reactor termonuclear, în care plasma să aibă forma unui tor și să fie confinată cu ajutorul unui câmp magnetic.
Inima reactorului tokamak este reprezentată de o cameră vidată de formă toroidală. În interiorul ei, sub acțiunea presiuni și temperaturii extreme, hidrogenul gazos se transformă în plasmă, un amestec neutru de ioni pozitivi și electroni. La fel ca și în stele, în plasma din reactorul tokamak, plasma devine un mediu favorabil pentru a fuziona și genera energie. Energia este generată prin convertirea materiei în energie conform faimoasei formule a lui Einstein, care ne spune că energia este egală cu masa înmulțită cu viteza luminii la pătrat. În cazul reacțiilor de fuziune două nuclee de hidrogen (mai precis un nucleu de deuteriu și unul de tritiu) fuzionează rezultând produce un nucleu de heliu. Dacă măsurăm maselor nucleelor care intră în reacție vom constata că este ceva mai mare decât cea a nucleului care iese din reacția de fuziune. Diferența, numită și ”defect de masă”, este transformată în energie.
Pentru a se produce fuziunea nucleară plasma din interiorul torului reactorului tokamak trebuie ținută departe de pereți, confinată, cu ajutorul unor câmpuri magnetice uriașe, produse de către bobine aflate în jurul incintei. De altfel cuvântul tokamak este acronimul rusesc pentru ”cameră toroidală cu bobine magnetice (тороидальная камера с магнитными катушками) Pentru a demara procesul de fuziune, în camera toroidală a reactorului tokamak trebuie realizat un vid înaintat. Apoi se vor activa sistemele magnetice, care asigură confinarea plasmei, după care este introdus combustibilul gazos. Apoi un curent electric străbate gazul și, cu ajutorul lui, electronii sunt smulși de pe orbita nucleelor, rezultând plasmă.
Electronii și ionii din plasmă, excitați de curentul electric, se ciocnesc și temperatura plasmei crește. Există mai multe tehnici de încălzire complementare care vor fi apoi utilizate pentru a aduce plasma ITER la temperatura la care reacțiile de fuziune devin posibile (între 150 și 300 milioane °C). Nucleele „accelerate” în acest fel traversează bariera pe care forțele electrostatice și fuzionează, rezultând cantități considerabile de energie.
În ceea ce privește sistemul de confinare magnetică a plasmei, în interiorul reactorului ITER, trebuie spus că este de-a dreptul impresionant. Electromagneții lui sunt fabricați din 10.000 de tone de material supraconductor. Acest material este un aliaj niobiu-titan (Nb-Ti), care devine supraconductor la temperaturi foarte scăzute. (Temperatura de funcționare pentru scopul ITER este de -269 °C, adică 4K) În timpul funcționării, electromagneții ITER produc o energie magnetică totală de 51 Gigajuli.
Avem nevoi de materiale supraconductoare pentru că ele sunt singurele care pot genera câmpuri magnetice extrem de intense, deoarece supraconductorii pot fi traversați de curenți de foarte mare intensitate electrică. Electromagneți similari vom găsi și la LHC-ul de lângă Geneva.
În ciuda performanțelor extrem de ridicate ale electromagneților supraconductori este foarte dificil de a menține pe termen lung confinarea plasmei în interiorul torului tokamak. Recordul mondial este deținut de reactorul experimental EAST (Experimental Advanced Superconducting tokamak) din China și este de 403 secunde. Avem nevoie de un timp de confinare a plasmei mult mai mare, pentru ca fuziunea nucleară controlată să devină cu adevărat o sursă industrială, nepoluantă, de energie electrică.
Confinarea magnetică și inteligența artificială
O soluție promițătoare pentru confinarea magnetică a plasmei în reactoarele pentru fuziunea nucleară controlată de tip tokamak pare să vină de la o echipă de cercetători de la Universitatea Princeton, departamentul pentru fizica plasmei (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL). În ediția din 21 februarie a revistei Nature ei publicau articolul intitulat Avoiding fusion plasma tearing instability with deep reinforcement learning, în care prezentau rezultatele obținute în evitarea instabilităţii la rupere a plasmei (tearing mode).
Problema principală cu care s-au confruntat cercetătorii era legată de nevoia de a prelucra un volum uriaș de date, în intervale de timp extrem de scurte pentru a putea preveni apariția instabilității plasmei. Depășirea acestei dificultăți s-a putut realiza, așa cum v-ați dat seama, cu ajutorul inteligenței artificiale.
Vreau să subliniez că nu este vorba despre o lucrare teoretică, ci despre ceva care a fost pus în practică la DIII-D National Fusion Facility din San Diego, acolo unde există un reactor pentru fuziunea nucleară controlată, de tip tokamak. Pe scurt, în urma a numeroase experimente cercetătorii au demonstrat că modelul lor, antrenat doar pe date experimentale anterioare, poate prognoza instabilități ale plasmei, cunoscute sub numele de instabilitate a modului de rupere, cu până la 300 de milisecunde mai înainte ca ele să apară. Astfel, dispozitivul de control al plasmei are la dispoziție un timp mai mult decât suficient pentru a modifica structura câmpului magnetic folosit pentru confinarea plasmei în torul tokamak, astfel încât să evite instabilitatea plasmei.
Conducătorul echipei de cercetători, Egemen Kolemen. , profesor asociat de inginerie mecanică și aerospațială la Centrul Andlinger pentru Energie și Mediu și cercetător la PPPL explica: „Inteligența artificială a învățat din experimentele anterioare, mai degrabă decât să se bazeze pe modelări fizice. Ea va putea fi folosită în viitor pentru stabilizarea plasmei în reactoare reale. Jaemin Seo , profesor asistent de fizică la Universitatea Chung-Ang din Coreea de Sud și coautor al lucrării publicate în Nature a făcut o precizare, cred eu, semnificativă: ”Studiile anterioare s-au concentrat, în general, fie pe suprimarea, fie pe diminuarea efectelor acestor instabilități după ce apar în plasmă. Abordarea noastră ne permite să anticipăm și să evităm aceste instabilități înainte ca acestea să se producă.”
Pentru a își atinge obiectivul echipa de la Universitatea Princeton a folosit datele experimentale mai vechi de la reactorul tokamak, DIII-D, pentru a ”instrui” algoritmul de inteligență artificială. Ca și în cazul unui elev pilot aflat într-un simulator de zbor, algoritmul creat de cercetări a ”învățat”, prin încercări, care dintre strategii funcționează într-un mediu simulat.
Azarakhsh Jalalvand, cercetător în echipa lui Kolemen și coautor al studiului explica: „Noi nu predăm algoritmului complicata fizică a reacțiilor de fuziune. Îi spunem doar care este scopul: să menținină stabilă reacția de fuziune, ce să evite: instabilitatea plasmei și care sunt comenzile pe care se pot folosi pentru a atinge aceste două obiective. De-a lungul timpului algoritmul a descoperit care este calea optimă pentru a îndeplini cerințele impuse.”
SangKyeun Kim, cercetător în echipa lui Kolemen și coautor al studiului publicat în Nature a adăugat că: ”În fundal am putut observa intențiile modelului. Unele dintre impun schimbări prea rapide, așa că lucrăm pentru a-l calma. Noi, oamenii arbitrăm între ceea ce vrea să facă inteligența artificială și ce poate face tokamak-ul.”
De îndată ce cercetătorii au constat că inteligența artificială a învățat, prin simulări, să controleze plasma au trecut la următoarea etapă. Ca și în cazul piloților de avioane, care ies la zbor, inteligența artificială a fost folosită în timpul unui experiment real al rectorului tokamak D-III D. Ea a reușit să prevină instalarea instabilităților. Kim: ”(Inteligența artificială) fiind capabilă să prevadă din timp apariția instabilității poate lua măsuri din timp pentru a le evita. Nu mai este necesar să așteptăm ca să apară instabilitățile pentru a lua măsurile de corecție.”
Viitorul
Rezultatele obținute de către echipa de la Universitatea Princeton par să fie extrem de promițătoare. Așa și sunt. Dar, așa cum se arată și în lucrarea publicată în revista Nature, ele reprezintă doar un prim pas. Mai trebuie făcuți și mulți alții până când algoritmul pus la punct cu ajutorul inteligenței artificiale să poată fi folosit pentru reactoare de fuziune nucleară de tip tokamak.
Primii pași vor fi destinați obținerii mai multe informații despre felul în care inteligența artificială controlează plasma din tokamak-ul DIII-D pentru ca mai apoi să se verifice dacă ea poate fi folosită la alte reactoare tokamak.
Alți pași vor trebui să fie parcurși pentru a extinde algoritmul astfel încât să devină capabil pentru a trata simultan probleme diferite de control ale stabilității plasmei. Vă reamintesc că în lucrarea lor, cercetătorii s-au oprit numai la instabilitatea la rupere a plasmei din reactorul tokamak. Apoi se va reveni la pașii pe care tocmai vi i-am prezentat mai devreme.
Și mai este ceva important de remarcat: dezvoltând algoritmi bazați pe inteligența artificială și văzând cum evoluează aceștia în timp cercetătorii vor putea înțelege mai bine mecanismele fuziunii nucleare. Studiind deciziile luate de către inteligența artificială pentru a controla stabilitatea plasmei cercetătorii vor înțelege mai bine modul în care se menține confinarea, astfel că ea, inteligența artificială, ar putea deveni un foarte bun profesor pentru inteligența umană…
Încheiere
Aștept de prea multe decenii ca fuziunea nucleară controlată să devină o sursă de energie, practic, inepuizabilă pentru civilizația umană. Am avut foarte multe promisiuni care spuneau că ea ne așteaptă după următorul colț. Nu a fost să fie așa. Încă mai așteptăm. Dar, de câțiva ani încoace, încep să fiu sigur că nu peste multe decenii, energia produsă prin fuziunea nucleară va deveni ceva banal, pentru că iată, este implicată inteligența. Este drept, una artificială…
