Fusione nucleare, la svolta dell’IA: un nuovo sistema protegge i reattori dal calore estremo

Gli scienziati statunitensi hanno introdotto un nuovo approccio basato sull’intelligenza artificiale (IA) in grado di proteggere i reattori a fusione dal calore estremo generato dal plasma.

Il nuovo metodo, denominato HEAT-ML, è stato sviluppato dai ricercatori della Commonwealth Fusion Systems (CFS), del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell’Oak Ridge National Laboratory.

Secondo quanto riferito, è in grado di identificare rapidamente le ombre magnetiche, aree critiche protette dal calore intenso del plasma, contribuendo così a prevenire potenziali problemi prima che si verifichino.

Individuare queste regioni in modo rapido e accurato è fondamentale per garantire il funzionamento a lungo termine dei sistemi di fusione, dove le temperature del plasma possono superare quelle del nucleo del Sole.

I ricercatori ritengono che la nuova IA potrebbe gettare le basi per un software in grado di accelerare significativamente la progettazione dei futuri sistemi di fusione e supportare un processo decisionale informato durante le operazioni regolando il plasma.

ITER tokamak in costruzione .- da ITER

Un approccio nuovo

La fusione, la reazione che alimenta il sole e le stelle, potrebbe fornire alla Terra energia illimitata e priva di emissioni di carbonio. Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori devono prima superare importanti sfide scientifiche e ingegneristiche.

Una delle più grandi è la gestione del calore del plasma, che supera la temperatura del nucleo del sole quando è confinato in un tokamak, un reattore a forma di ciambella che utilizza potenti campi magnetici per contenere il plasma.

Ecco perché accelerare i calcoli che prevedono dove colpirà questo calore e quali parti del tokamak rimarranno nell’ombra protettiva di altri componenti è essenziale per portare l’energia da fusione nella rete elettrica.

“I componenti del tokamak esposti al plasma potrebbero entrare in contatto con il plasma, che è molto caldo e può fondere o danneggiare questi elementi”, ha affermato Doménica Corona Rivera, ricercatrice associata presso il PPPL e prima autrice dell’articolo.

Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno sviluppato HEAT-ML, un aggiornamento basato sull’intelligenza artificiale del toolkit open source Heat flux Engineering Analysis Toolkit (HEAT). Il software genera delle “maschere ombra”. Si tratta di mappe 3D che mostrano quali parti delle pareti interne di un tokamak sono protette dal contatto diretto con il plasma.

L’IA è stata progettata specificamente per SPARC, il tokamak in costruzione presso il CFS nel Massachusetts, che mira a dimostrare un guadagno netto di energia entro il 2027. Per i test iniziali, i ricercatori si sono concentrati su 15 piastrelle vicino alla parte inferiore del sistema di scarico di SPARC, l’area che dovrebbe sopportare il calore più estremo.

Simulazione delle prestazioni del sistema di fusione

Tradizionalmente, HEAT traccia le linee del campo magnetico dalla superficie di un componente per determinare se intersecano altre strutture interne e contrassegna quelle regioni come “ombreggiate”. Sebbene accurato, il processo è lento, con una singola simulazione che richiede fino a mezz’ora. Per geometrie complesse può richiedere anche più tempo.

Il nuovo HEAT-ML supera questo ostacolo con una rete neurale profonda addestrata su circa 1.000 simulazioni SPARC generate da HEAT. Una volta addestrata, l’IA è in grado di produrre maschere ombra in pochi millisecondi, riducendo i tempi di calcolo di diversi ordini di grandezza.

“Questa ricerca dimostra che è possibile prendere un codice esistente e creare un surrogato AI che velocizzerà la capacità di ottenere risposte utili, aprendo interessanti prospettive in termini di controllo e pianificazione degli scenari”, ha dichiarato Michael Churchill, responsabile dell’ingegneria digitale presso PPPL e coautore dello studio, in un comunicato stampa. Un modello che prevede le aree con temperature più elevate permetterà di costruire Tokamak o Stellator in grado di raggiungere temperature e pressioni più elevate e soprattutto, più a lungo. Una porta in più verso la fusione commerciale.