دستاورد جدید هوش مصنوعی می‌تواند فناوری همجوشی هسته ای را دگرگون کند

تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای به لطف هوش مصنوعی به واقعیت نزدیک‌تر شده است. انقلاب انرژی سبز در آستانه‌ی آغاز است. برای اولین بار و پس از بهره‌گیری موفقیت‌آمیز از هوش مصنوعی در کنترل فرایند همجوشی هسته‌ای به‌صورت شکل‌دهی به پلاسمای هیدروژنی مافوق‌‌ گرم، می‌توان گفت انقلاب انرژی سبز که با تولید انرژی از فناوری همجوشی هسته‌ای وعده داده شده بود، بیش از پیش به واقعیت نزدیک‌ شده است.

این آزمایش موفقیت‌آمیز نشان می‌دهد که استفاده از هوش مصنوعی می‌تواند به جستجوها برای یافتن روش‌های قابل‌اطمینانی برای تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای خاتمه دهد. با معرفی رآکتورهای هسته‌ای با فناوری همجوشی با اطمینان می‌توان گفت یک جایگزین مطمئن برای سوخت‌های فسیلی و فناوری شکافت هسته‌ای پیدا شده است. فدریکو فلیسی، فیزیک‌دان مؤسسه فناوری فدرال سوئیس و یکی از رهبران تیم تحقیقاتی در لوزان سوئیس می‌گوید:

من فکر می‌کنم هوش مصنوعی در آینده نقش پررنگی در کنترل تجهیزات پایدارسازی پلاسما و به‌طور کلی فناوری همجوشی هسته‌ای ایفا خواهد کرد. سیستم‌های هوش مصنوعی توانایی بالقوه‌ بالایی در کنترل بهتر و بهره‌برداری کارآمدتر از چنین تجهیزاتی دارند.

فلیسی یکی از نویسندگان مقاله‌ای است که در آن به توصیف عملکرد و نتایج آزمایش استفاده از سیستم‌های هوش مصنوعی در تولید انرژی هسته‌ای پرداخته شده است. این مقاله در ژورنال علمی نیچر به چاپ رسیده است. فلیسی می‌گوید در مطالعات بعدی که در تأسیسات توکاماک با پیکربندی متغیر انجام خواهد شد، روش‌های بیشتری برای دخالت دادن سیستم‌های هوش مصنوعی در کنترل رآکتور همجوشی هسته‌ای آزمایش خواهد شد. توکاماک با قابلیت پیکر‌بندی متغیر در واقع یک رآکتور همجوشی هسته‌ای تحقیقاتی متعلق به دانشگاه پلی‌تکنیک لوزان است. فلیسی اضافه می‌کند:

کاری که ما انجام داده‌ایم اثبات درستی فرضیه‌مان بوده است. از قدم اولی که برداشته‌ایم راضی هستیم و می‌خواهیم همین راه را ادامه دهیم.

فلیسی و همکاران او در مرکز پلاسمای سوئیس در دانشگاه پلی‌تکنیک لوزان برای آزمایش ادغام سیستم‌های هوش مصنوعی با رآکتورهای همجوشی هسته‌ای با دانشمندان و مهندسان شرکت انگلیسی دیپ‌مایند همکاری کرده‌اند. گفتنی است دیپ‌مایند یکی از شرکت‌های زیرمجموعه‌ شرکت مادر آلفابت است؛ همان شرکتی که گوگل نیز یکی دیگر از شرکت‌های زیرمجموعه‌ آن است.

به نظر می‌رسد رآکتور همجوشی هسته‌ای به شکل دونات بهترین شکل از این رآکتورها به‌منظور مهار انرژی تولیدشده توسط همجوشی هسته‌ای باشد. به‌همین‌دلیل، رآکتور همجوشی هسته‌‌ای تحقیقاتی لوزان سوئیس نیز به شکل دونات است. همچنین دانشمندان در طراحی بزرگ‌ترین رآکتور همجوشی هسته‌ای تحقیقاتی دنیا به نام ایتر، که در فرانسه و با مشارکت بیش از هفت عضو از جمله اتحادیه‌ اروپا، آمریکا، روسیه، چین و ژاپن در حال ساخت است، از طراحی دونات‌شکل برای سیستم محصورسازی میدان مغناطیسی استفاده کرده‌اند. برخی از محققان معتقدند این پروژه در سال ۲۰۳۰ وارد مرحله‌ عملیاتی خواهد شد.

محفظه‌ی همجوشی دونات شکل TCV حاوی پلاسمای هیدروژنی فوق گرم در میدان‌های مغناطیسی قدرتمند است تا از آسیب دیدن دیواره‌ها جلوگیری کند.

توکاماک در اصل یک سازه‌ به شکل دونات است که با ۱۹ کویل مغناطیسی کنترل می‌شود. فلیسی توضیح می‌دهد که توکاماک برای شکل‌دهی و قراردهی پلاسمای هیدروژن در یک موقعیت خاص در درون محفظه‌ رآکتور همجوشی استفاده می‌شود، درحالی‌که هم‌زمان از درون آن جریان الکتریکی عبور داده می‌شود.

کنترل عملکرد هر یک از کویل‌ها برعهده‌ یک سری از کنترل‌کننده‌ها‌ی مستقل کامپیوتری است. هر یک از کنترل‌کننده‌ها روی یک بعد یا ویژگی از پلاسمای تولیدشده در رآکتور تأثیر می‌گذارد. این کنترل‌کننده‌ها بسته به شرایط ویژه‌ آزمایش براساس محاسبات پیچیده‌ مهندسی کنترل، برنامه‌ریزی شده‌اند. اما فلیسی می‌گوید با استفاده از هوش مصنوعی می‌توان تنها از یک کنترل‌کننده برای دستکاری پلاسما استفاده کرد. در اینجا منظور از دستکاری در دو امر خلاصه می‌شود: تغییر شکل و تغییر موقعیت بسته به نیاز.

سیستم هوش مصنوعی استفاده شده در این آزمایش از نوع هوش مصنوعی تقویت‌شده است و پیش از شروع آزمایش‌ها توسط مهندسان شرکت دیپ‌مایند با داده‌های به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی کامپیوتری عملکرد توکاماک، آموزش داده شده‌ است.

اما مسئله این است که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بسیار کند هستند. یک برنامه‌ کامپیوتری برای شبیه‌سازی تنها چند ثانیه از عملکرد توکاماک، به چندین ساعت زمان نیاز دارد. علاوه بر این شرایط آزمایش رآکتور هسته‌ای به‌صورت روزانه دستخوش تغییر می‌شود، بنابراین برنامه‌نویسان باید این تغییرات را در برنامه‌ شبیه‌سازی اعمال کنند که آن‌هم کاری زمان‌بر است.

پس از اتمام فرایند آموزش با داده‌های شبیه‌سازی، زمان همکاری سیستم هوش مصنوعی با توکاماک واقعی فرا رسید. توکاماک می‌تواند پلاسمای هیدروژن مافوق‌ گرم تولیدشده در فرایند همجوشی را معمولاً در دمای ۱۰ میلیون درجه سلسیوس به مدت حداکثر ۳ ثانیه حفظ کند. بعد از آن دستگاه به ۱۵ دقیقه زمان برای خنک شدن و تنظیم مجدد نیاز دارد. فلیسی می‌گوید در هر روز بین ۳۰ تا ۳۵ بار می‌توان از این دستگاه استفاده کرد.

فلیسی در مورد تحقیق اخیر می‌گوید به‌طور کلی در طول مدت چند روز ۱۰۰ مورد آزمایش تولید و حفظ پلاسما با اتکا به سیستم هوش مصنوعی انجام شد. او اضافه می‌کند:

ما به شکل‌های متفاوتی از پلاسمای تولیدشده نیاز داشتیم و سعی کردیم آزمایش‌ها را در شرایط متفاوت انجام دهیم.

با این که دستگاه توکاماک با پیکربندی متغیر که توسط فلیسی و همکارانش استفاده شد از پلاسما با نوترون سنگین استفاده نمی‌کرد، اما آزمایش آن‌ها درمورد استفاده از سیستم‌های هوش مصنوعی در کنترل فرایند همجوشی هسته‌ای منجر به تولید شکل‌های متفاوتی از پلاسما شد؛ دستاوردی که می‌تواند به توسعه‌ روش‌های کارآمدتری برای مهار انرژی حاصل از همجوشی هسته‌ای کمک کند.

در مجموع ۱۹ سیم‌پیچ الکترومغناطیسی قدرتمند توکاماک را احاطه کرده‌اند تا بتوانند پلاسماهای هیدروژن را در محفظه‌ همجوشی ثابت نگه داشته و درصورت نیاز بر شکل آن‌ها تأثیر بگذارند.

هوش مصنوعی در شکل‌دهی و موقعیت‌دهی به پلاسما در داخل محفظه‌ رآکتور همجوشی به شکل متداول‌ترین پیکربندی‌ها موفق عمل کرد. یکی از متداول‌ترین شکل‌های پلاسما، دانه‌ برف است. فلیسی می‌گوید دانه‌ برف کارآمدترین شکل از انرژی همجوشی است.

علاوه بر دانه‌ برف، سیستم هوش مصنوعی توانست پلاسما را به شکل قطره نیز درآورد. در واقع پلاسمای قطر‌ه‌ای شکل به نوعی از پلاسما گفته می‌شود که از حلقه‌های بالایی و پایینی جدا از هم تشکیل شده است. با این که تشکیل پلاسمای قطره‌ای شکل توسط روش‌های مهندسی کنترل استاندارد نیز ممکن است، اما استفاده از هوش مصنوعی می‌تواند این فرایند را سریع‌تر و راحت‌تر سازد. فلیسی در این مورد می‌گوید:

کافی بود از کنترل‌کننده بخواهیم پلاسما را به یک شکل خاص درآورد و هوش مصنوعی راهی برای انجام آن پیدا می‌کرد.

محققان همچنین دریافتند که هوش مصنوعی از کویل‌های تعبیه‌شده در داخل محفظه‌ رآکتور به شکل متفاوتی از سیستم‌های کنترل استاندارد برای شکل‌دهی و دستکاری پلاسما استفاده می‌کند. فلیسی در این‌ مورد توضیح می‌دهد:

اکنون می‌توانیم از این ایده برای حل مسائل پیچیده‌تر استفاده کنیم. ازآنجاکه ما به مدل‌های بهتری از نحوه‌ عملکرد توکاماک دست پیدا کرده‌ایم، می‌توانیم از این ابزارها برای بررسی مسائل پیشرفته‌تر استفاده کنیم.

آزمایش‌های انجام‌شده توسط فلیسی و نتایج گزارش‌شده توسط او و همکارانش در دانشگاه پلی‌تکنیک لوزان می‌تواند به پیشبرد پروژه‌ ایتر نیز کمک کند. گفته می‌شود توکاماکِ عظیمِ ساخته‌شده در قالب پروژه‌ ایتر در سال ۲۰۳۵ به‌طور کامل شروع به‌کار خواهد کرد. محققان امیدوار هستند پروژه‌ ایتر، راه را برای پیدا کردن روش‌های موثری برای تولید الکتریسیته‌ی قابل‌استفاده توسط فناوری همجوشی هسته‌ای هموار کند؛ روش‌هایی که به توقف انتشار گازهای گلخانه‌ای در جریان تولید برق و انتشار سطوح پایین‌تری از امواج رادیواکتیو منجر خواهند شد.