Odemčení tajemství jádra fúze pomocí simulací vylepšených umělou inteligencí

Vytvoření a udržení fúzních reakcí – v podstatě znovuvytvoření hvězdných podmínek na Zemi – je nesmírně obtížné, a Nathan Howard PhD '12, hlavní vědecký pracovník v MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC), si myslí, že je to jedna z nej fascinujících vědeckých výzev naší doby. „Jak samotná věda, tak i celkový slib fúze jako čistého zdroje energie jsou skutečně zajímavé. To mě motivovalo k tomu, abych přišel na postgraduální studium [na MIT] a pracoval na PSFC,“ říká.

Howard je členem skupiny Magnetic Fusion Experiments Integrated Modeling (MFE-IM) na PSFC. Spolu s vedoucím skupiny MFE-IM, Pablem Rodriguezem-Fernandezem, Howard a jeho tým používají simulace a strojové učení k předpovědi chování plazmatu ve fúzním zařízení. Výzkum MFE-IM a Howarda si klade za cíl předvídat výkon dané technologie nebo konfigurace ještě před jejím otestováním ve skutečném fúzním prostředí, což umožňuje chytřejší volbu designu. Aby se zajistila jejich přesnost, tyto modely jsou průběžně ověřovány pomocí dat z předchozích experimentů, čímž se jejich simulace zakládají na realitě.

V nedávno publikovaném článku s otevřeným přístupem s názvem „Prediction of Performance and Turbulence in ITER Burning Plasmas via Nonlinear Gyrokinetic Profile Prediction“, publikovaném v lednovém čísle časopisu Nuclear Fusion, Howard vysvětluje, jak použil vysoce rozlišovací simulace vířivých struktur přítomných v plazmatu, nazývaných turbulence, k potvrzení, že největší experimentální fúzní zařízení na světě, které je v současné době ve výstavbě v jižní Francii, bude fungovat podle očekávání po zapnutí. Také ukazuje, jak by jiná provozní konfigurace mohla produkovat téměř stejné množství energie, ale s menším energetickým vstupem, což je objev, který by mohl pozitivně ovlivnit účinnost fúzních zařízení obecně.

Největší a nejlepší z toho, co nikdy nebylo postaveno

Před čtyřiceti lety se Spojené státy a šest dalších členských států spojily, aby postavily ITER (latinsky „cesta“), fúzní zařízení, které by po uvedení do provozu produkovalo 500 megawattů fúze energie a plazma schopné generovat 10krát více energie, než absorbuje z externího ohřevu. Konfigurace plazmatu navržená k dosažení těchto cílů – nejambicióznější ze všech fúzních experimentů – se nazývá základní scénář ITER a jak fúze věda a fyzika plazmatu postupovaly, způsoby dosažení tohoto plazmatu byly zdokonaleny pomocí stále výkonnějších simulací, jako je modelovací rámec, který Howard použil.

Ve své práci na ověření základního scénáře použil Howard CGYRO, počítačový kód vyvinutý Howarovými spolupracovníky v General Atomics. CGYRO aplikuje komplexní model fyziky plazmatu na sadu definovaných fúzních provozních podmínek. Ačkoliv je časově náročný, CGYRO generuje velmi detailní simulace toho, jak se plazma chová v různých místech ve fúzním zařízení.

Komplexní simulace CGYRO byly poté spuštěny v rámci PORTALS, souboru nástrojů původně vyvinutých na MIT Rodriguezem-Fernandezem. „PORTALS bere vysoce věrné [CGYRO] běhy a používá strojové učení k vytvoření rychlého modelu zvaného ‘surrogát’, který může napodobovat výsledky komplexnějších běhů, ale mnohem rychleji,“ vysvětluje Rodriguez-Fernandez. „Pouze vysoce věrné modelovací nástroje, jako je PORTALS, nám dávají náhled do jádra plazmatu ještě před jeho vznikem. Tento přístup, kdy se předpovídá dříve, nám umožňuje vytvářet efektivnější plazmata v zařízení, jako je ITER.“

Po prvním průchodu byla přesnost surrogátů zkontrolována proti vysoce věrným běhům, a pokud surrogát nevytvářel výsledky v souladu s výsledky CGYRO, PORTALS byl spuštěn znovu, aby se surrogát vylepšil, dokud lépe nenapodoboval výsledky CGYRO. „Dobrá věc je, že jakmile máte vytvořený dobře vycvičený [surrogátní] model, můžete jej použít k předpovědi různých podmínek s velmi sníženou potřebou plných komplexních běhů.“ Jakmile byly plně vycvičeny, surrogáty byly použity k prozkoumání toho, jak různé kombinace vstupů mohou ovlivnit předpokládaný výkon ITER a jak dosáhl základního scénáře. Zejména surrogátní běhy trvaly zlomek času a mohly být použity ve spojení s CGYRO, aby mu pomohly a produkovaly detailní výsledky rychleji.

„Jen jsem se zastavil, abych zjistil, v jakém stavu je můj stav“

Howardova práce s CGYRO, PORTALS a surrogáty zkoumala specifickou kombinaci provozních podmínek, u nichž se předpokládalo, že dosáhnou základního scénáře. Tyto podmínky zahrnovaly použité magnetické pole, metody používané k řízení tvaru plazmatu, aplikovaný externí ohřev a mnoho dalších proměnných. Pomocí 14 iterací CGYRO se Howardu podařilo potvrdit, že současná konfigurace základního scénáře může dosáhnout 10krát většího výkonu, než je vstup do plazmatu. Howard o výsledcích říká: „Modelování, které jsme provedli, je v současné době možná nejvyšší možná věrnost a téměř jistě nejvyšší publikovaná věrnost.“

14 iterací CGYRO použitých k potvrzení výkonu plazmatu zahrnovalo spuštění PORTALS k vytvoření surrogátních modelů pro vstupní parametry a poté propojení surrogátů s CGYRO pro efektivnější práci. K prozkoumání alternativního scénáře, který předpovídal, že ITER by mohl produkovat téměř stejné množství energie s přibližně polovičním energetickým vstupem, stačily pouhé tři další iterace CGYRO. Surrogátem vylepšený model CGYRO ukázal, že teplota jádra plazmatu – a tedy i fúzních reakcí – nebyla příliš ovlivněna menším energetickým vstupem; menší energetický vstup se rovná efektivnějšímu provozu. Howardova zjištění jsou také připomínkou, že existují další způsoby, jak zlepšit výkon ITER; prostě ještě nebyly objeveny.

Howard dodává: „Skutečnost, že můžeme výsledky tohoto modelování použít k ovlivnění plánování experimentů, jako je ITER, je vzrušující. Po léta jsem říkal, že to byl cíl našeho výzkumu, a teď, když to skutečně děláme – je to úžasný oblouk a skutečně uspokojující.“