Tokamaks adalah mesin yang dimaksudkan untuk menahan dan memanfaatkan kekuatan matahari. Mesin fusi ini menggunakan magnet yang kuat untuk mengandung plasma yang lebih panas dari inti matahari dan mendorong atom plasma untuk menyatu dan melepaskan energi. Jika tokamaks dapat beroperasi dengan aman dan efisien, suatu hari nanti dapat menyediakan energi fusi yang bersih dan tanpa batas.
Saat ini, ada sejumlah tokamak eksperimental yang beroperasi di seluruh dunia, dengan lebih banyak yang sedang berlangsung. Sebagian besar adalah mesin penelitian skala kecil yang dibangun untuk menyelidiki bagaimana perangkat dapat memutar plasma dan memanfaatkan energinya. Salah satu tantangan yang dihadapi tokamak adalah bagaimana cara mematikan arus plasma dengan aman dan andal yang beredar dengan kecepatan hingga 100 kilometer per detik, pada suhu lebih dari 100 juta derajat Celcius.
“Rampdown” seperti itu diperlukan ketika suatu plasma menjadi tidak stabil. Untuk mencegah plasma lebih mengganggu dan berpotensi merusak interior perangkat, operator menurunkan arus plasma. Tetapi kadang -kadang rampdown itu sendiri dapat mengacaukan plasma. Dalam beberapa mesin, rampdown telah menyebabkan goresan dan jaringan parut ke interior tokamak – kerusakan kecil yang masih membutuhkan waktu dan sumber daya yang cukup besar untuk diperbaiki.
Sekarang, para ilmuwan di MIT telah mengembangkan metode untuk memprediksi bagaimana plasma dalam tokamak akan berperilaku selama rampdown. Tim menggabungkan alat belajar mesin dengan model dinamika plasma berbasis fisika untuk mensimulasikan perilaku plasma dan ketidakstabilan apa pun yang mungkin muncul ketika plasma ditandai dan dimatikan. Para peneliti melatih dan menguji model baru tentang data plasma dari tokamak eksperimental di Swiss. Mereka menemukan metode ini dengan cepat belajar bagaimana plasma akan berkembang saat disesuaikan dengan cara yang berbeda. Terlebih lagi, metode ini mencapai tingkat akurasi yang tinggi menggunakan data yang relatif kecil. Efisiensi pelatihan ini menjanjikan, mengingat bahwa setiap run eksperimental tokamak mahal dan data berkualitas terbatas.
Model baru, yang disorot tim minggu ini dalam akses terbuka Komunikasi AlamKertas, dapat meningkatkan keamanan dan keandalan pembangkit listrik fusi di masa depan.
“Agar fusi menjadi sumber energi yang berguna, itu harus dapat diandalkan,” kata penulis utama Allen Wang, seorang mahasiswa pascasarjana di Aeronautics and Astronautics dan anggota kelompok gangguan di MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC). “Agar dapat diandalkan, kita perlu pandai mengelola plasma kita.”
Rekan penulis MIT penelitian ini meliputi ilmuwan riset utama PSFC dan pemimpin kelompok gangguan Cristina Rea, dan anggota Laboratorium untuk Informasi dan Sistem Keputusan (LIDS) Oswin So, Charles Dawson, dan Profesor Chuchu Fan, bersama dengan Boyer (Dan) Boyer dari Sistem Fusi Persemakmuran dan kolaborator dari Swiss Plasma Center di Swisma di Swisma.
“Keseimbangan yang halus”
Tokamaks adalah perangkat fusi eksperimental yang pertama kali dibangun di Uni Soviet pada 1950 -an. Perangkat ini mendapatkan namanya dari akronim Rusia yang diterjemahkan menjadi “ruang toroidal dengan kumparan magnetik.” Seperti yang dijelaskan namanya, sebuah tokamak bersifat toroidal, atau berbentuk donat, dan menggunakan magnet yang kuat untuk mengandung dan memutar gas ke suhu dan energi yang cukup tinggi sehingga atom-atom dalam plasma yang dihasilkan dapat menggabungkan dan melepaskan energi.
Saat ini, eksperimen tokamak adalah skala energi yang relatif rendah, dengan sedikit mendekati ukuran dan output yang diperlukan untuk menghasilkan energi yang aman, andal, dan dapat digunakan. Gangguan pada tokamak eksperimental, berenergi rendah umumnya bukan masalah. Tetapi ketika mesin fusi berskala hingga dimensi skala grid, mengendalikan plasma energi yang jauh lebih tinggi di semua fase akan menjadi yang terpenting untuk mempertahankan operasi mesin yang aman dan efisien.
“Pengakhiran plasma yang tidak terkendali, bahkan selama rampdown, dapat menghasilkan fluks panas yang intens yang merusak dinding internal,” catat Wang. “Cukup sering, terutama dengan plasma berkinerja tinggi, rampdowns sebenarnya dapat mendorong plasma lebih dekat ke beberapa batas ketidakstabilan. Jadi, ini adalah keseimbangan yang halus. Dan ada banyak fokus sekarang tentang bagaimana mengelola ketidakstabilan sehingga kita dapat secara rutin dan andal mengambil hal ini dengan baik.
Menjatuhkan denyut nadi
Wang dan rekan -rekannya mengembangkan model untuk memprediksi bagaimana suatu plasma akan berperilaku selama Tokamak Rampdown. Meskipun mereka dapat dengan mudah menerapkan alat belajar mesin seperti jaringan saraf untuk mempelajari tanda-tanda ketidakstabilan dalam data plasma, “Anda akan membutuhkan jumlah data yang tidak saleh” untuk alat-alat semacam itu untuk melihat perubahan yang sangat halus dan sesaat dalam plasma berenergi tinggi, kata Wang.
Sebaliknya, para peneliti memasangkan jaringan saraf dengan model yang ada yang mensimulasikan dinamika plasma sesuai dengan aturan fisika mendasar. Dengan kombinasi pembelajaran mesin dan simulasi plasma berbasis fisika ini, tim menemukan bahwa hanya beberapa ratus pulsa dengan kinerja rendah, dan segelintir pulsa pada kinerja tinggi, cukup untuk melatih dan memvalidasi model baru.
Data yang mereka gunakan untuk studi baru berasal dari TCV, Swiss “Variable Configuration Tokamak” yang dioperasikan oleh Pusat Plasma Swiss di EPFL (Institut Teknologi Federal Swiss Lausanne). TCV adalah perangkat eksperimental fusi eksperimental kecil yang digunakan untuk keperluan penelitian, seringkali sebagai uji dasar untuk solusi perangkat generasi berikutnya. Wang menggunakan data dari beberapa ratus pulsa plasma TCV yang mencakup sifat plasma seperti suhu dan energinya selama setiap nadi, lari, dan ramp-down. Dia melatih model baru pada data ini, kemudian mengujinya dan menemukan itu dapat secara akurat memprediksi evolusi plasma mengingat kondisi awal dari menjalankan tokamak tertentu.
Para peneliti juga mengembangkan algoritma untuk menerjemahkan prediksi model menjadi “lintasan” praktis, atau instruksi pengelolaan plasma yang dapat dilakukan oleh pengontrol tokamak secara otomatis untuk menyesuaikan magnet atau suhu mempertahankan stabilitas plasma. Mereka menerapkan algoritma pada beberapa run TCV dan menemukan bahwa itu menghasilkan lintasan yang dengan aman menurunkan pulsa plasma, dalam beberapa kasus lebih cepat dan tanpa gangguan dibandingkan dengan berjalan tanpa metode baru.
“Pada titik tertentu plasma akan selalu hilang, tetapi kami menyebutnya gangguan ketika plasma hilang dengan energi tinggi. Di sini, kami meningkatkan energi menjadi apa -apa,” kata Wang. “Kami melakukannya beberapa kali. Dan kami melakukan hal -hal yang jauh lebih baik di seluruh papan. Jadi, kami memiliki keyakinan statistik bahwa kami membuat segalanya lebih baik.”
Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Commonwealth Fusion Systems (CFS), sebuah pemintalan MIT yang bermaksud untuk membangun pembangkit listrik fusi skala grid pertama di dunia. Perusahaan sedang mengembangkan Demo Tokamak, SPARC, yang dirancang untuk menghasilkan plasma energi-bersih, yang berarti bahwa ia harus menghasilkan lebih banyak energi daripada yang diperlukan untuk memanaskan plasma. Wang dan rekan -rekannya bekerja dengan CFS tentang cara -cara yang model prediksi dan alat -alat baru seperti itu dapat memprediksi perilaku plasma dan mencegah gangguan yang mahal untuk memungkinkan kekuatan fusi yang aman dan andal.
“Kami mencoba menangani pertanyaan sains untuk membuat fusi bermanfaat secara rutin,” kata Wang. “Apa yang telah kami lakukan di sini adalah awal dari apa yang masih merupakan perjalanan yang panjang. Tapi saya pikir kami telah membuat beberapa kemajuan yang bagus.”
Dukungan tambahan untuk penelitian ini berasal dari kerangka Konsorsium Eurofusion, melalui Program Penelitian dan Pelatihan Euratom dan didanai oleh Sekretariat Negara Swiss untuk Pendidikan, Penelitian, dan Inovasi.
