Robert Granetz ha sido científico investigador en el Plasma Science and Fusion Center del MIT durante más de 40 años. Recientemente, dio una charla organizada por MIT Energy Initiative (MITEI) sobre el uso del aprendizaje automático para desarrollar un sistema de alerta en tiempo real para inminentes interrupciones en los reactores de fusión. Especialista en inestabilidades y perturbaciones magnetohidrodinámicas, Granetz discutió cómo la investigación en esta área nos está acercando un paso más a la creación de un dispositivo de fusión que produce energía neta.

P:¿Qué diferencia al plasma de otros estados de la materia? ¿Cuáles son los desafíos de trabajar con plasma como fuente de energía?

R:En un gas a temperaturas normales, los electrones cargados negativamente y los núcleos cargados positivamente están estrechamente unidos en átomos o moléculas, que son eléctricamente neutrales. Por lo tanto, no se ejercen fuerzas entre las partículas a menos que realmente choquen. (La fuerza gravitacional actúa entre todas las masas, pero la gravedad es demasiado débil para ser relevante).

Cuando las partículas de gas chocan, las colisiones solo involucran un par de partículas a la vez, y la cinemática de la colisión es muy simple, al igual que las colisiones de bolas de billar. Entonces podemos calcular fácilmente el comportamiento de los gases. Sin embargo, a las altas temperaturas que necesitamos para la fusión, la energía térmica de cada átomo o molécula es mucha, mucho mayor que la energía de enlace que mantiene unidos los electrones y los núcleos, por lo que las partículas neutras se descomponen en sus constituyentes, es decir, electrones y núcleos, lo que llamamos el "estado de plasma".

Por lo tanto, en un plasma, todas las partículas están cargadas, y hay fuerzas eléctricas y magnéticas de largo alcance que actúan entre las partículas. Un solo electrón o ión influye en el movimiento de aproximadamente mil millones de otros electrones e iones simultáneamente, y todos esos mil millones de otras partículas están influyendo simultáneamente en todas las demás partículas individuales. Además, los electrones y núcleos tienen masas extremadamente diferentes, por lo que sus velocidades son muy diferentes. También, ya que todas las partículas están cargadas, pueden interactuar fuertemente con la radiación electromagnética. Todas estas propiedades complicadas significan que, en la práctica, no podemos calcular con precisión el comportamiento detallado de los plasmas a partir de las ecuaciones básicas de la física.

P:En el contexto de los reactores de fusión, ¿Qué es una interrupción?

R:Hasta la fecha, el concepto tokamak para un reactor de fusión de estado estacionario supera a todos los demás conceptos en términos de confinamiento de energía. El tokamak se basa en conducir una gran corriente (del orden de millones de amperios) a través del plasma para producir la estructura del campo magnético necesaria para obtener un buen confinamiento de energía. Sin embargo, esta gran corriente de plasma es algo inestable, y está sujeto a terminación repentina, generalmente con muy poca advertencia. Cuando ocurre una interrupción, la considerable energía térmica y magnética contenida en el plasma se libera repentinamente muy rápidamente, lo que puede provocar cargas térmicas y electromagnéticas dañinas en la estructura del reactor.

Todo el objetivo de la energía de fusión es desarrollar grandes centrales eléctricas para generar energía eléctrica en la red, y reemplazar las plantas de energía de servicios públicos que funcionan con combustibles fósiles, e incluso reemplazar las centrales nucleares de fisión. Pero si una planta de energía de fusión está sujeta a interrupciones, su producción de electricidad se apagaría repentinamente. Incluso si se pueden evitar las consecuencias más dañinas, Pueden pasar horas o días antes de que la planta se recupere y vuelva a estar en línea. solo para estar sujeto a otra interrupción en algún momento posterior. Ninguna empresa de servicios públicos querría utilizar energía de fusión si ese fuera el caso. Si vamos a confiar en el concepto tokamak para reactores de fusión, necesitamos evitar o mitigar las interrupciones.

P:¿Cómo puede el aprendizaje automático abordar este problema?

R:Las señales de que una interrupción es inminente suelen ser bastante sutiles. Los investigadores de Fusion miden continuamente una serie de parámetros característicos del plasma durante una descarga de plasma, y tenemos motivos para creer, tanto de la evidencia experimental empírica como de la comprensión teórica, que algunos de estos parámetros plasmáticos medidos pueden proporcionar indicaciones de que está a punto de producirse una alteración. Pero esta información no es fácil de interpretar, no solo con respecto a la ocurrencia de una interrupción inminente, pero también con respecto al momento de una interrupción inminente.

En un intento por resolver este problema, mi equipo, que consiste en mí, postdoctorado Cristina Rea, los estudiantes graduados Kevin Montes y Alex Tinguely, y una docena de científicos en otros laboratorios de EE. UU. e internacionales:ha creado grandes bases de datos de parámetros medidos que creemos que son relevantes para las interrupciones, a partir de varios años de experimentos en varios tokamaks diferentes en todo el mundo. Ahora estamos aplicando técnicas de aprendizaje automático a estos datos para ver si podemos discernir algún patrón que pueda predecir con precisión si ocurrirá o no una interrupción en un momento específico en el futuro cercano. Cuando se trata de grandes conjuntos de datos complicados, El aprendizaje automático puede ser una forma poderosa de encontrar patrones sutiles en los datos que eluden los esfuerzos humanos.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.