Tokamaks, güneşin gücünü tutmayı ve kullanmayı amaçlayan makinelerdir. Bu füzyon makineleri, güneşin çekirdeğinden daha sıcak bir plazma içermek için güçlü mıknatıslar kullanır ve plazmanın atomlarını enerjiyi kaynaştırmaya ve serbest bırakmaya iter. Tokamaks güvenli ve verimli bir şekilde çalışabilirse, makineler bir gün temiz ve sınırsız füzyon enerjisi sağlayabilir.
Bugün, dünyanın dört bir yanında operasyonda bir dizi deneysel Tokamaks var, daha devam ediyor. Çoğu, cihazların plazmayı nasıl döndürebileceğini ve enerjisini nasıl kullanabileceğini araştırmak için inşa edilmiş küçük ölçekli araştırma makineleridir.
Tokamaks’ın karşılaştığı zorluklardan biri, 100 milyon santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıklarda saniyede 100 kilometreye kadar hızlarda dolaşan bir plazma akımını nasıl güvenli ve güvenilir bir şekilde kapatılacağıdır.
Bir plazma kararsız hale geldiğinde bu tür “rampalar” gereklidir. Plazmanın cihazın iç kısmını daha fazla bozmasını ve potansiyel olarak zarar vermesini önlemek için operatörler plazma akımını azaltır. Ancak bazen, rampanın kendisi plazmayı istikrarsızlaştırabilir.
Bazı makinelerde, rampalar Tokamak’ın iç kısmına sıyrıklara ve yara izlerine neden olmuştur – hala onarılması için önemli zaman ve kaynaklar gerektiren hasar hasarına sahiptir.
Şimdi, MIT’deki bilim adamları, bir Tokamak’ta plazmanın bir rampa sırasında nasıl davranacağını tahmin etmek için bir yöntem geliştirdiler. Ekip, bir plazmanın davranışını ve plazma rampa ve kapatıldıkça ortaya çıkabilecek kararsızlıkları simüle etmek için makine öğrenme araçlarını fizik tabanlı bir plazma dinamiği modeliyle birleştirdi.
Araştırmacılar, İsviçre’deki deneysel bir Tokamak’ın plazma verileri üzerine yeni modeli eğitti ve test ettiler. Yöntemin, plazmanın farklı şekillerde ayarlandıkça nasıl gelişeceğini hızlı bir şekilde öğrendiler. Dahası, yöntem nispeten az miktarda veri kullanarak yüksek düzeyde bir doğruluk elde etti. Bir Tokamak’ın her deneysel çalışmasının pahalı olduğu ve sonuç olarak kaliteli verilerin sınırlı olduğu göz önüne alındığında, bu eğitim verimliliği umut vericidir.
Ekibin bir Doğa İletişimi kağıt, gelecekteki füzyon santrallerinin güvenliğini ve güvenilirliğini artırabilir.
Havacılık ve astronotik lisansüstü öğrencisi ve MIT Plazma Bilim ve Füzyon Merkezi’nde (PSFC) bozulma grubunun bir üyesi olan baş yazar Allen Wang, “Füzyonun yararlı bir enerji kaynağı olması için güvenilir olması gerekecek” diyor.
“Güvenilir olmak için plazmalarımızı yönetmede iyi olmalıyız.”
Çalışmanın MIT ortak yazarları, PSFC Baş Araştırma Bilimcisi ve Kesintiler Grup Lideri Cristina Rea ve İsviçre Merkezi’nden Commonwealth Fusion Systems and Consorators’ın Mark (DAN) Boyer ile birlikte Bilgi ve Karar Sistemleri (Lids) Oswin So Laboratuvarı üyeleri yer alıyor.
‘Hassas bir denge’
Tokamaks, ilk olarak 1950’lerde Sovyetler Birliği’nde inşa edilen deneysel füzyon cihazlarıdır. Cihaz, adını “manyetik bobinli bir toroidal odaya” dönüşen bir Rus kısaltmasından alıyor.
Tıpkı isminin açıkladığı gibi, bir Tokamak toroidal veya çörek şekillidir ve sonuçta ortaya çıkan plazmadaki atomların enerjiyi kaynaştırabileceği ve serbest bırakabileceği sıcaklıklara ve enerjilere bir gaz içermek ve döndürmek için güçlü mıknatıslar kullanır.
Bugün, Tokamak deneyleri nispeten düşük enerjilidir, az azı güvenli, güvenilir, kullanılabilir enerji üretmek için gereken boyut ve çıktıya yaklaşmaktadır. Deneysel, düşük enerjili tokamaklardaki aksamalar genellikle bir sorun değildir. Ancak füzyon makineleri ızgara ölçekli boyutlara kadar ölçeklendikçe, tüm aşamalarda çok daha yüksek enerjili plazmaları kontrol etmek, bir makinenin güvenli ve verimli çalışmasını sürdürmek için çok önemli olacaktır.
Wang, “Kontrolsüz plazma sonlandırmaları, rampa sırasında bile, iç duvarlara zarar veren yoğun ısı akıları üretebilir.”
“Oldukça sık, özellikle yüksek performanslı plazmalarla, rampalar aslında plazmayı bazı istikrarsızlık sınırlarına yaklaştırabilir. Yani, bu hassas bir denge. Ve şimdi bu plazmaları rutin ve güvenilir bir şekilde nasıl yönetebileceğimiz ve onları nasıl yönetebileceğimiz için çok fazla odaklanma var.
Nabzı indirmek
Wang ve meslektaşları, Tokamak rampası sırasında bir plazmanın nasıl davranacağını tahmin etmek için bir model geliştirdiler. Wang, plazma verilerinde istikrarsızlık belirtileri öğrenmek için bir sinir ağı gibi basit ve yüksek enerjili plazmalardaki çok ince ve geçici değişiklikleri ayırt etmek için “ungodly miktarda bir veriye ihtiyacınız olacak” diye basitçe uygulayabilirler.
Bunun yerine, araştırmacılar bir sinir ağını, fiziğin temel kurallarına göre plazma dinamiklerini simüle eden mevcut bir modelle eşleştirdiler.
Bu makine öğrenimi ve fizik tabanlı bir plazma simülasyonu kombinasyonu ile ekip, düşük performansda sadece birkaç yüz darbenin ve yüksek performansta küçük bir avuç darbenin yeni modeli eğitmek ve doğrulamak için yeterli olduğunu buldu.
Yeni çalışma için kullandıkları veriler, EPFL’de (İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lausanne) İsviçre Plazma Merkezi tarafından işletilen İsviçre “değişken konfigürasyon Tokamak” TCV’den geldi.
TCV, genellikle yeni nesil cihaz çözümleri için bir test yatağı olarak araştırma amaçlı kullanılan küçük bir deneysel füzyon deney cihazıdır. Wang, plazmanın sıcaklığı ve her nabzın rampası, çalışması ve rampası sırasında enerjileri gibi özelliklerini içeren birkaç yüz TCV plazma darbesinden gelen verileri kullandı.
Yeni modeli bu veriler hakkında eğitti, sonra test etti ve belirli bir Tokamak çalışmasının başlangıç koşulları göz önüne alındığında plazmanın evrimini doğru bir şekilde tahmin edebildiğini buldu.
Araştırmacılar ayrıca, modelin tahminlerini pratik “yörüngelere” veya bir Tokamak kontrolörünün plazmanın stabilitesini korumak için mıknatısları veya sıcaklığı otomatik olarak ayarlayabileceği plazma yöneten talimatlara dönüştürmek için bir algoritma geliştirdiler.
Algoritmayı birkaç TCV çalışmasında uyguladılar ve bazı durumlarda yeni yöntem olmadan koşulara kıyasla, bazı durumlarda daha hızlı ve kesintiler olmadan bir plazma nabzını güvenli bir şekilde azaltan yörüngeler ürettiğini buldular.
Wang, “Bir noktada, plazma her zaman ortadan kalkacak, ancak plazma yüksek enerjiye gittiğinde buna bir bozulma diyoruz. Burada enerjiyi hiçbir şeye indiremedik.” “Bunu birkaç kez yaptık. Ve tahtada işleri daha iyi yaptık. Bu yüzden, işleri daha iyi yaptığımız için istatistiksel güvenimiz vardı.”
Bir MIT spinout olan Commonwealth Fusion Systems (CFS), dünyanın ilk kompakt, ızgara ölçekli füzyon enerjisi santralini inşa etmeyi amaçlıyor. Şirket, net enerji plazması üretmek için tasarlanmış bir demo Tokamak, SPARC geliştiriyor, yani plazmayı ısıtmak için gerekenden daha fazla enerji üretmesi gerektiği anlamına geliyor. Wang ve meslektaşları, yeni tahmin modelinin ve bunun gibi araçların plazma davranışını daha iyi tahmin edebileceği ve güvenli ve güvenilir füzyon gücünü sağlamak için maliyetli aksamaları önleyebileceği yollar üzerinde CFS ile çalışıyorlar.
Wang, “Fusion’ı rutin hale getirmek için bilim sorularıyla başa çıkmaya çalışıyoruz” diyor. “Burada yaptığımız şey, hala uzun bir yolculuğun başlangıcı. Ama bence güzel bir ilerleme kaydettik.”
