Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, die natürliche Kernfusion der Sonne zu reproduzieren. Die Fusion auf der Erde war jedoch bisher eine unlösbare Herausforderung. Forscher glauben, dass KI das Problem der Kernfusion lösen und die Geheimnisse nachhaltiger Fusionsreaktoren lüften kann.
Forschern des Princeton Plasma Physics Laboratory ist es als Ersten gelungen, zu demonstrieren, wie künstliche Intelligenz (KI) potenziell katastrophale Instabilitäten in Fusionsanlagen vorhersagen und somit vermeiden kann. Ihre Arbeit zeigt, dass KI Plasma steuern und damit einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung der Fusionsenergie erzielen kann – und das trotz einer großen Herausforderung.
Highlights: KI stabilisiert Fusionsenergie
- Maschinelles Lernen kann Daten schnell analysieren, Muster erkennen und sich anpassen, um die Kontrolle über Fusionsreaktionen in Stellaratoren und Tokamaks zu verbessern.
- KI hat erfolgreich vermiedene magnetische Störungen die das Fusionsplasma in zwei im Hocheinschlussmodus betriebenen Tokamak-Reaktoren destabilisieren.
- Forscher nutzen KI, um das Stellarator-Design zu optimieren, komplexe physikalische Codes zu beschleunigen und die Wärmeflussmodellierung für Tokamaks der nächsten Generation zu rationalisieren.
- Erfolgreiche Echtzeit-Steuerung wurde am Tokamak-Fusionsreaktor DIII-D demonstriert.
- Mithilfe von Modellen des maschinellen Lernens, die mit experimentellen Daten integriert werden, sollen optimale Plasmaeinschlussmethoden für Fusionsreaktoren im kommerziellen Maßstab ermittelt werden.
„ Es gibt Instabilitäten im Plasma, die zu schweren Schäden an der Fusionsanlage führen können. Solche Instabilitäten können wir in einem kommerziellen Fusionsreaktor nicht zulassen “, fügte Egemen Kolemen hinzu . „ Unsere Arbeit bringt das Gebiet voran und zeigt, dass künstliche Intelligenz künftig eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Fusionsreaktionen spielen könnte, indem sie Instabilitäten vermeidet und gleichzeitig die maximale Fusionsenergieerzeugung des Plasmas ermöglicht. “
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Die KI-Lösung: Vorhersage und Prävention
Die Forscher trainierten ein KI-System mit Daten aus früheren Experimenten an der DIII-D National Fusion Facility in San Diego. Die KI konnte dann potenzielle Instabilitäten im Abreißmodus und Störungen der Magnetfeldlinien, die das Entweichen des Plasmas ermöglichen, bis zu 300 Millisekunden im Voraus während laufender Fusionsexperimente vorhersagen.
Mit dieser Frühwarnung passte der KI-Controller wichtige Betriebsparameter wie die Plasmaform und die Eingangserwärmung an, um die Bildung von Instabilitäten und die Störung des Plasmas zu verhindern.
„ Indem die KI aus vergangenen Experimenten lernt, anstatt Informationen aus physikalisch basierten Modellen einzubeziehen, könnte sie eine endgültige Steuerungsstrategie entwickeln, die ein stabiles, leistungsstarkes Plasmaregime in Echtzeit an einem realen Reaktor unterstützt “, sagte Forschungsleiter Egemen Kolemen, außerordentlicher Professor an der Princeton University.
Komplexität überwinden mit KI
Selbst mit den leistungsstärksten Supercomputern der Welt ist die präzise Modellierung der turbulenten, multiskaligen Dynamik von Fusionsplasma komplex. Die Forscher erkennen Herausforderungen bei der Skalierung und Generalisierung des KI-Controllers an.
- Starke Magnetfelder haben Mühe, überhitztes Plasma von über 100 Millionen Grad Celsius in donutförmigen Tokamak-Anlagen einzudämmen
- Instabilitäten verursachen Störungen in den Magnetfeldern und das Entweichen des Plasmas zu ermöglichen. Dies war ein großes Hindernis für die Erzielung einer anhaltenden Fusionsbrennung.
- Die Simulation realer Bedingungen erfordert extrem komplexe Rechencodes die selbst auf fortschrittlichen Supercomputern langsam laufen.
- Abwägen des Kompromisses zwischen Präzision und Geschwindigkeit bei der Optimierung von Codes mithilfe von Modellen des maschinellen Lernens.
- Integration mehrerer hochpräziser Physikcodes und umfangreicher experimenteller Datensätze zur Erstellung präziser Simulationen.
- Überwindung von Instabilitäten wie randlokalisierte Modi die Reaktorkomponenten in größeren, heißeren kommerziellen Reaktoren beschädigen können.
Das Potenzial der KI-gestützten Fusion freisetzen
Trotz der bevorstehenden Herausforderungen sind die Forscher optimistisch, was die Rolle der KI in kommerziell rentablen Fusionskraftwerken zur Erzeugung von reichlich sauberer Energie angeht.
„ Letztendlich könnte es sich um mehr als nur eine einseitige Interaktion zwischen Wissenschaftlern handeln, die diese KI-Modelle entwickeln und einsetzen “, sagte Kolemen. „ Durch eine detailliertere Untersuchung könnten sie uns möglicherweise auch bestimmte Erkenntnisse über die zugrunde liegende Physik vermitteln. “
Da KI eine immer wichtigere Rolle spielt, glauben Forscher, dass sie Probleme der Kernfusion lösen kann. Ihr Ziel ist es, die enorme Fusionskraft auf der Erde endlich stärker zu nutzen.
Quelle : Ingenieure nutzen KI, um Fusionsenergie für das Stromnetz zu gewinnen.
