Sztuczna inteligencja a fuzja termojądrowa

Reklama

Dlaczego doskonała fuzja jąder komórkowych w reakcji termonuklearnej będzie zależeć od sztucznej inteligencji?

Obietnica czystej, zielonej syntezy jądrowej jest propagowana od dziesięcioleci, ale wzrost sztucznej inteligencji oznacza, że ​​wyzwaniu można w końcu podołać.

Wielkim żartem na temat zrównoważonej syntezy jądrowej jest to, że zawsze minęło 30 lat. Jak każdy żart, zawiera jądro prawdy. Sen o wykorzystaniu reakcji, która napędza słońce, był wielką wiadomością w latach 50. XX wieku, tuż za rogiem w latach 80. i najgorętszym zakładem ostatniej dekady.

Ale czas się kończy . Nasze zapotrzebowanie na energię spala planetę, wyczerpuje jej zasoby i grozi zniszczeniem Ziemi nie do naprawienia . Wiatr, energia słoneczna i pływowa zapewniają pewną ulgę, ale są ograniczone i nieprzewidywalne.

Rozszczepienie jądrowe wiąże się z niebezpieczeństwem rozpadu reaktora i odpadów radioaktywnych, podczas gdy energia wodna może mieć negatywny wpływ na środowisko.

Z drugiej strony synteza mogłaby zapewnić niemal nieograniczoną energię bez uwalniania dwutlenku węgla lub wytwarzania odpadów radioaktywnych. Jest to źródło mocy marzeń. Odwieczne pytanie brzmi: czy możemy to urzeczywistnić?

Być może teraz wreszcie możemy. Nie dzieje się tak tylko dlatego, że niezliczone firmy rozpoczynające syntezę jądrową coraz bardziej wyczuwają lukratywną okazję rynkową tuż za rogiem i rzucają wyzwanie prymatowi tradycyjnych projektów wielkich bestii. Lub tylko z powodu innowacyjnych podejść, materiałów i technologii, które podsycają optymizm, który możemy w końcu opanować diabelskie złożoności.

Jest to również ze względu na wejście nowego gracza, jeden, który mógłby zmienić reguły gry: sztucznej inteligencji . W odpowiednich rękach może minąć następne 30 lat.

Fuzja jądrowa jest najbardziej rozpowszechnionym źródłem energii we wszechświecie i jednym z najbardziej wydajnych: zaledwie kilka gramów paliwa uwalnia tę samą energię, co kilka ton węgla. Te ogromne ilości energii mają swoje źródło w czymś znikomo małym: jądrze atomu.

Składający się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych neutronów krążących wokół ujemnie naładowanych elektronów, jądro stanowi masę masy atomu.

Kiedy stykają się dwa lub więcej małych jąder atomowych, mogą one w pewnych okolicznościach łączyć się, tworząc większe jądra, uwalniając w ten sposób ogromne ilości energii. Na gigantyczną skalę dzieje się to w jądrze gwiazd takich jak nasze słońce , dając im moc, której potrzebują, aby świecić przez miliardy lat.

Niezwykły potencjał Fusion kusi naukowców od dziesięcioleci, ale nadal jest trudny do zrealizowania na Ziemi. Wymaga stworzenia „plazmy” nagich jąder atomowych w ogromnych temperaturach i gęstościach – co jest zarówno trudne do osiągnięcia, jak i trudne do kontrolowania (patrz „Dlaczego fuzja jest tak trudna”).

Sztuczna inteligencja a fuzja termojądrowa we wszechświecie
NASA, ESA i E. Sabbi (ESA / STSCI)

Obecnie najbardziej popularnym podejściem jest stosowanie tak zwanego urządzenia do fuzji magnetycznej. We wczesnych latach fuzji w latach 50. ulubionym projektem był zagięty kształt pączka znany jako stellarator .

Maszyny te wytwarzały złożone pola magnetyczne, które teoretycznie mogłyby utrzymywać stałą plazmę naładowaną, ale ich skręcony kształt utrudniał ich budowę.

W latach siedemdziesiątych zainteresowanie zmieniło się na prostsze konstrukcje: ogromne puste pierścienie zwane tokamakami, w których uwięziona plazma jest podgrzewana do setek milionów stopni.

Siły potrzebne do utrzymania takiej plazmy na miejscu mogą być wytwarzane tylko przez silne magnesy nadprzewodzące schłodzone do bliskiego zera absolutnego, tworząc najostrzejsze gradienty temperatury w znanym wszechświecie.

„Reaktory termojądrowe mają największe gradienty temperatur w znanym wszechświecie”

Te magnetyczne urządzenia ograniczające odniosły kilka sukcesów na przestrzeni lat. W 1997 r. Joint European Torus (JET) w pobliżu Oksfordu w Wielkiej Brytanii ustanowił światowy rekord ilości energii wytworzonej w reakcji syntezy jądrowej, wytwarzając 16 megawatów energii syntezy jądrowej przy poborze 24 megawatów.

Jest to najbliższy moment, w którym ktokolwiek może osiągnąć próg rentowności – wydobyć tyle energii, ile napompowano – ale reakcja trwała zaledwie kilka setnych sekundy.

Wtedy wydawało się, że próg rentowności jest tuż za rogiem, ale w plazmie JET pojawiły się dziwne niestabilności, które działały w celu ochłodzenia jego centrum i utrudniły plany.

Teraz, po latach ulepszeń, zmian konstrukcyjnych i materiałowych, reaktor powrócił. W listopadzie 2020 r. JET ma wzmocnić swoją pierwszą reakcję syntezy jądrowej od ponad 20 lat, starając się pobić swój poprzedni rekord energetyczny i utrzymać reakcję na dłużej.

Tymczasem inni gracze biorą udział w akcji. W 2018 r. Eksperymentalny zaawansowany nadprzewodzący tokamak (EAST) w Chinach utrzymywał plazmę w temperaturze 15 milionów ° C przez 100 sekund, co jest najdłuższym jak dotąd czasem zamknięcia.

EAST planuje rozpocząć działalność ponownie w 2020 r., Ale jest to stosunkowo niewielki narybek. Mocno wspieranym faworytem wyścigu jest ogromny Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny ( ITER) .

Założona w 1985 r. Jako współpraca 31 krajów, w tym Chin, USA, Rosji i Unii Europejskiej, początkowo oczekiwano, że ITER rozpocznie eksperymenty w 2016 r., Ale wyzwania projektowe oznaczają, że prawdopodobnie będzie w budowie we Francji do 2025 r. „ITER jest pierwszy w swoim rodzaju obiekt ”- mówi Howard Wilson z University of York, UK. „Zajmie 10 lat, aby nauczyć się, jak osiągnąć pełną wydajność.”

ITER zamierza obecnie rozpocząć reakcje syntezy jądrowej w 2035 r. I ma wielkie cele: przekraczanie progu rentowności w celu wytworzenia 10-krotnie większej mocy niż jest w stanie.

Mimo opóźnień istnieje pewność, że ITER to osiągnie. „Pytanie brzmi: czy dysponujemy technologią, aby stworzyć opłacalną elektrownie?” pyta Simon Pinches, kierownik działu fizyki plazmy w ITER.

Nawet jeśli ITER osiągnie swoje cele, jego podróż jeszcze się nie skończy. Reaktor nie jest skonfigurowany do przechwytywania energii, którą wytwarza jako elektryczność.

Zamiast tego chodzi o to, że utoruje drogę elektrowniom demonstracyjnym wzdłuż linii. Jednym z nich jest China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR), kontynuujący tokamak na EAST trzykrotnie większy, który ma powstać pod koniec lat 2020.

Jednak w obliczu narastających zmian klimatu potrzeba znalezienia alternatywy dla paliw kopalnych stała się pilniejsza. Zbiegło się to z falą innowacji w branży syntezy jądrowej, której celem jest sprawienie, aby tanie, zrównoważone reaktory stały się rzeczywistością w ciągu lat, a nie dekad.

Najważniejsze było odkrycie nadprzewodników pracujących w wyższych temperaturach, które mogą generować silne pola magnetyczne przy mniej dramatycznym chłodzeniu. Takie nadprzewodniki pozwoliły na zmniejszenie magnesów, a tokamaki na zwartość.

Wachlarz innowacji ma na celu uczynienie syntezy jądrowej tanią i zrównoważoną w ciągu lat

Inne niedawne przełomy technologiczne, od ulepszonych technik konstrukcyjnych po systemy robotyczne, które mogą kontrolować i konserwować części reaktora, sprawiły, że taniej jest dostać się do branży syntezy jądrowej.

Nie jest to działalność czysto akademicka, którą mogą finansować tylko finansowane przez rząd laboratoria badawcze, z czegoś, w co osoby prywatne są gotowe inwestować”, mówi Pinches.

Sztuczna inteligencja a fuzja termojądrowa
Międzynarodowa współpraca ITER ma nadzieję na rozpoczęcie reakcji syntezy jądrowej w 2035 r ITER

Wywołało to wyścig między prywatnymi firmami, które jako pierwsze osiągnęły zrównoważoną syntezę jądrową. Jednym z czołowych konkurentów zamierzających wykorzystać te same tokamakowe koncepcje jak JET, ITER i EAST jest Commonwealth Fusion Systems.

Podział z Massachusetts Institute of Technology, jest częściowo finansowany przez miliarderów, w tym Billa Gatesa, Jeffa Bezosa, Jacka Ma i Richarda Bransona, i zamierza wyprodukować reaktor w ciągu najbliższych 10 lat.

Niektórzy obawiają się obietnic złożonych przez prywatne firmy. „Nawet w przypadku firm, które istnieją już od dłuższego czasu, nadal jest to obietnica reaktora za 10 lat”, mówi Tony Donné, kierownik programu dla EURO fusion, konsorcjum odpowiedzialnego za JET.

Częściowo te terminy podano w celu zadowolenia inwestorów. „Jestem sceptyczny, że dostarczą reaktor termojądrowy znacznie szybciej niż my”, mówi Donné. „Gdyby społeczność pomyślała, że ​​istnieje łatwiejszy sposób, zrobiliby to” – mówi Pinches.

Zarówno publiczne, jak i prywatne, każdy projektujący tokamaki ma takie same problemy. Najważniejsze z nich to sposób radzenia sobie z niestabilnością w plazmie. Gdy gorąca plazma jest zawarta w polach magnetycznych tokamaka, zachowuje się dziwnie.

Czasami małe zmarszczki pojawiają się jak na powierzchni jeziora, podczas gdy w innych ogromne fale pływowe wysyłają plazmę w stronę ścian reaktora. Wystarczy, że niektórzy ludzie szukają alternatyw dla techniki ograniczania magnetycznego, która zależy od tego, czy plazma pozostaje stabilna przez długi czas (patrz „Robią to za pomocą laserów”).

Począwszy od lat 80. niektórzy badacze szukający takich alternatyw zanurkowali w przeszłość, odkurzając dawno porzucone gwiezdne gwiazdy. Ich bardziej złożona konstrukcja generuje wzorce pola magnetycznego zdolne do stabilizacji plazmy, mówi Amitava Bhattacharjee z Uniwersytetu Princeton.

Co więcej, wzrost mocy obliczeniowej oznaczał, że możliwe stało się modelowanie zachowania plazmy w ich bardziej złożonych konfiguracjach, a tym samym potencjalne tworzenie bardziej efektywnych projektów.

Spowodowało to renesans w badaniach gwiazdorskich” – mówi Bhattacharjee. Jednocześnie nowe materiały i metody konstrukcyjne oznaczają, że budowa gwiezdnego gwintu nigdy nie była łatwiejsza.

Zwiększona moc obliczeniowa doprowadziła do renesansu w badaniach nad syntezą jądrową

I choć gwiezdni obserwatorzy wciąż pozostają w tyle za tokamakami, zaczynają nadrabiać zaległości. W 2015 roku Wendelstein 7-X, największy stellarator na świecie, został włączony w Instytucie Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Greifswaldzie w Niemczech i przygotowuje się do utrzymania plazmy przez 30 minut, a tego kamienia milowego spodziewany jest w 2021 r. Następnie celem będzie rozpoczęcie fuzji.

Jednak wciąż jest to niezwykle złożona, czasochłonna firma, która próbuje wypracować najlepszy sposób budowy reaktora termojądrowego. „Znalezienie optymalnej konstrukcji gwiezdnych gwiazd zazwyczaj wymaga zabawy z około 50 parametrami, aż do uzyskania najlepszego projektu”, mówi Bhattacharjee.

Niestabilność plazmy może nękać każdy projekt reaktora, a zrozumienie złożonego zachowania wymaga dużo danych i czasu. „W pełni zintegrowana symulacja predykcyjna dla ITER może obecnie trwać wiele tygodni”, mówi Pinches.

Właśnie dlatego w ciągu ostatnich kilku lat fizycy plazmy zwracali się do nowego partnera, aby pomóc przeciągnąć zrównoważony projekt reaktora ponad linię mety: umysły maszynowe. „Sztuczna inteligencja może dać nam znacznie większą prędkość i znacznie głębsze badanie zakresu możliwości”, mówi Bhattacharjee.

Sztuczna inteligencja a fuzja termojądrowa
Zagięta konstrukcja reaktora termicznego „stellarator” może pozwolić mu na bardziej stabilną pracę RGB Ventures / SuperStock / Alam

TAE Technologies, kalifornijska firma zajmująca się badaniami nad syntezą jądrową, współpracuje z firmą Google DeepMind AI od 2014 roku, podczas gdy kanadyjski General Fusion współpracuje z Microsoftem.

Już pojawiają się ulepszenia, mówi David Ewing z TAE, szczególnie w odniesieniu do modelowania reakcji plazmy na różne konfiguracje temperatury, gęstości i pola magnetycznego.

Wcześniejsze postępy w uczeniu maszynowym optymalizacja wydajności dla konkretnego zestawu eksperymentów może zająć znacznie ponad miesiąc”, mówi Ewing. „Można to teraz osiągnąć w ciągu kilku godzin.

Obliczenia, które kiedyś zajmowały miesiąc, można teraz wykonać w ciągu kilku godzin

Kluczem do tego przyspieszenia jest zdolność AI do rozpoznawania wzorców i przewidywania przyszłych zachowań. Nie można umieścić termometru w tokamaku, aby zrozumieć jego działanie, więc temperaturę należy wywnioskować na podstawie innych właściwości, takich jak ilość wychodzącego światła.

To może być trudne zadanie dla badacza człowieka, ale sztuczna inteligencja wyszkolona na górskich zestawach danych może radykalnie skrócić czas potrzebny – a także zwiększyć wydajność. W 2019 roku zespół z Princeton połączył najszybszy superkomputer w USA z siecią neuronową, aby przewidywać zakłócenia plazmy z niespotykaną 95-procentową dokładnością.

Sztuczna inteligencja może również być rakietą dla ITER. W przypadku niektórych zadań, takich jak modelowanie skutków małych zmarszczek w plazmie, sztuczna inteligencja przyspieszyła już 10 milionów razy, mówi Pinches.

Teraz kluczem jest zwiększenie szybkości całej symulacji, umożliwiając badaczom przewidywanie problemów i unikanie ich bez konieczności przeprowadzania eksperymentu.

Takie innowacje i tempo, w jakim się obecnie dzieją, przynosi nowy optymizm, że czas syntezy jądrowej może w końcu być bliski. „W ostatniej dekadzie obserwowaliśmy wykładniczy postęp naukowy” – mówi Ewing.

To, w połączeniu z pojawieniem się technologii krytycznego wsparcia, takich jak AI, stworzyło teraz odpowiednią skrzynkę narzędziową, która doprowadzi nas do przełomu.” Stary żart o fuzji nie datował się, ale tym razem jego zwolennicy mogą się śmiać ostatni raz.

Dlaczego fuzja jest tak trudna?

W zwykłych okolicznościach jądra atomowe nie łączą się łatwo: dodatnio naładowane protony w dwóch jądrach odpychają się elektrostatycznie. Potrzebują wystarczającej ilości energii, aby pokonać tę przeszkodę i wpuścić kolejną siłę.

Ta inna siła jest znana jako silna siła nuklearna, chociaż w rzeczywistości jest słaba na duże odległości. Ale kiedy dwa protony są w odległości mniejszej niż trylion milimetra od siebie, to zasługuje na swoją nazwę, tworząc siłę przyciągającą, która przytłacza odpychanie elektrostatyczne, pozwalając protonom się stopić.

Rozpoczęcie tego procesu – i, co ważniejsze, jego kontynuacja w reakcji łańcucha syntezy jądrowej – wymaga ogromnych temperatur i gęstości.

Na przykład w jądrze słońca temperatura wynosi 15 milionów ° C, a gęstość pozwala na utrzymanie pół litra wody w łyżeczce do herbaty.

W tych warunkach elektrony mają wystarczająco dużo energii, aby oddzielić się od atomów, pozostawiając po sobie gorący rój dodatnio naładowanych jąder i elektronów zwany plazmą.

Wszelkiego rodzaju reakcje zachodzą w gwiezdnej plazmie, ale ta, która generuje największy huk dla swojej złotówki, widzi dwa jądra izotopów wodoru – deuter, który ma jeden proton i jeden neutron oraz tryt, który zawiera jeden proton i dwa neutrony – łącząc się w jądro helu i jeden neutron o wysokiej energii.

Kiedy wodór się wyczerpie, następuje zwrot helu i innych cięższych pierwiastków. Kiedy one również się wyczerpią, fuzja jądrowa zatrzyma się i gwiazda zgaśnie.

Gwiazdy potrzebują miliona lat, aby rozpocząć pierwszą reakcję. Jeśli chcemy powielić go na Ziemi, musimy przyspieszyć ten proces. Oznacza to wytwarzanie plazmy 10 razy gorętszej niż środek słońca – co jest jednym z głównych powodów, dla których fuzja jest tak trudna (patrz główna historia).

Robią to za pomocą laserów

Reaktory fuzji magnetycznej (MCF) są przedmiotem zainteresowania większości fuzji jądrowej (patrz główna historia), ale nie są jedynym sposobem na rozpoczęcie fuzji. Zamiast używać pól magnetycznych do utrzymania stabilnej plazmy termojądrowej o stosunkowo niskiej gęstości, możesz użyć laserów do sprasowania niewielkiej ilości paliwa w krótkim, ostrym uderzeniu.

„Ludzie myśleli, że potrzebujemy jakiegoś sposobu na obniżenie zużycia paliwa, na przykład warunki w środku słońca”, mówi Melanie Windridge z Tokamak Energy, firmy zajmującej się badaniami nad syntezą jądrową w Wielkiej Brytanii.

Aby to zrobić, potężne lasery są wystrzeliwane w sferyczną grudkę topliwych jąder o średnicy kilku milimetrów, w technice znanej jako inercyjne zamknięcie więzliwe lub ICF.

Laser pali zewnętrzną część peletu, powodując wybuch, który wysyła fale uderzeniowe w kierunku jego środka. To ściska paliwo do skrajnych gęstości, osiągając temperaturę 100 milionów ° C w ciągu kilku trylionów sekundy, rozpoczynając fuzję.

Światowym liderem w tych badaniach jest National Ignition Facility w Livermore w Kalifornii. „W tej chwili jest to jedyny program w mieście” – mówi Kate Lancaster, fizyk plazmy z University of York w Wielkiej Brytanii.

„To jedyny istniejący laser, który jest w stanie osiągnąć zapłon, wydostając więcej energii niż do wewnątrz.” Jak dotąd jednak złożoność leżącej u podstaw fizyki oznacza, że ​​zdolność pozostaje teoretyczna.

Przez dziesięciolecia MCF i ICF były jedynymi grami w mieście. „Historycznie ci dwaj mieli znacznie więcej funduszy”, mówi Windridge. „Problem z tymi utworami polega na tym, że stały się naprawdę duże, a to oznaczało, że stały się naprawdę drogie”, mówi.

Mniejsze firmy rozpoczynające syntezę jądrową również zaczynają się interesować metodą bezwładnościowego zamknięcia. Jednym z nich jest First Light Fusion w Oksfordzie w Wielkiej Brytanii, którego celem jest osiągnięcie progu energetycznego dzięki czwartej maszynie do 2024 r.

Ale czy odpowiedź może polegać na połączeniu obu technik? Kanadyjski General Fusion, finansowany przez miliardera Amazona, Jeffa Bezosa, stosuje technikę zwaną magnetyczną fuzją celu (MTF).

Plazma MTF jest ograniczona przez pola magnetyczne, takie jak MCF, i sprasowana w impulsach, takich jak ICF”, mówi Christofer Mowry, CEO firmy. Oznacza to, że paliwo nie musi być tak gęste, jak w przypadku bezwładności. Zamiast laserów tłoki napędzane gazem pod wysokim ciśnieniem mogą sprężać paliwo, zmniejszając koszty reaktora.

Rozpoczęliśmy proces projektowania i budowy maszyny demonstracyjnej syntezy jądrowej na skalę zbliżoną do elektrowni, która ma zostać ukończona w ciągu najbliższych pięciu lat”, mówi Mowry. Mimo to firma uważa, że ​​minie trochę czasu, zanim wydobędzie więcej energii niż zostanie włożona.

Leave a Comment