Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США и Принстонского университета разработали программную среду на основе искусственного интеллекта (ИИ), которая позволяет примерно за 20 миллисекунд выполнить одно предсказание и управление термоядерной плазмой, быстро корректируя её состояние, при этом соблюдаются строгие ограничения по аппаратной безопасности. Соответствующие результаты опубликованы в новом выпуске журнала «Nuclear Fusion».
Применение ИИ-фреймворка PACMAN в термоядерной системе (художественная концепция). Источник изображения: Принстонская лаборатория физики плазмы Министерства энергетики США
Учёные исследуют управляемый термоядерный синтез с помощью установок типа токамак. Токамак удерживает высокотемпературную плазму внутри себя с помощью сильных магнитных полей. Чтобы термоядерная реакция продолжалась, плазма должна оставаться горячей, плотной и стабильной. Однако некоторые неустойчивости в плазме развиваются очень быстро и могут стремительно усиливаться за несколько миллисекунд, так что оператор-человек зачастую не успевает отреагировать.
Предсказание того, что произойдёт с плазмой дальше, является ключом к управлению термоядерной реакцией. Традиционное компьютерное моделирование одного такого процесса может занимать дни или даже месяцы, что не отвечает требованиям управления в реальном времени. Модели машинного обучения, напротив, способны быстро определять состояние плазмы по экспериментальным данным и предсказывать её изменения.
В данном случае исследователи разработали систему под названием PACMAN, что означает «прогнозирование и управление с помощью машинного обучения». Она может одновременно задействовать несколько ИИ-моделей и корректировать параметры нагревательного оборудования, магнитных полей и других систем на основе результатов прогнозирования. Система также проверяет предложенные ИИ схемы управления и устанавливает аппаратные ограничения безопасности, чтобы оборудование не выполняло операции за пределами безопасного диапазона.
Результаты пяти экспериментов, проведённых на токамаке Национальной термоядерной установки DIII-D Министерства энергетики США, показали, что PACMAN способна с помощью ИИ управлять системой нагрева плазмы, предсказывать всплески энергии на краю плазмы, обнаруживать и контролировать плазменные волны, вызванные высокоскоростными частицами, а также регулировать плотность и вращение плазмы в соответствии с заданными целями.
Кроме того, исследователи использовали PACMAN для одновременного управления шестью гиротронами установки DIII-D. Гиротроны передают энергию плазме с помощью мощных микроволновых пучков. В эксперименте ИИ мог одновременно регулировать мощность и положение зеркал шести гиротронов, заставляя эти устройства работать согласованно для достижения целей, поставленных исследователями.
Исследователи подчёркивают, что ИИ не заменил человеческий контроль над термоядерными экспериментами. Цели экспериментов и параметры управления по-прежнему задаются учёными, а система всегда соблюдает аппаратные ограничения безопасности.