API جامع
توکامک‌ها ماشین‌هایی هستند که برای مهار و استفاده از قدرت خورشید طراحی شده‌اند. این دستگاه‌های همجوشی از آهنرباهای قدرتمندی استفاده می‌کنند تا پلاسمایی داغ‌تر از هستهٔ خورشید را درون خود نگه دارند و اتم‌های آن را به هم جوش دهند و انرژی آزاد کنند. اگر توکامک‌ها بتوانند با ایمنی و بازده بالا کار کنند، روزی ممکن است منشأیی بی‌پایان و پاک برای تولید انرژی همجوشی شوند.
امروزه در سراسر جهان نمونه‌های آزمایشی زیادی از توکامک‌ها در حال کار هستند و پروژه‌های بیشتری نیز در دست اجرا قرار دارند. بیشتر این ماشین‌ها در مقیاسی کوچک ساخته شده‌اند تا امکان بررسی نحوه تولید پلاسمای پایدار و بهره‌برداری از آن فراهم شود. یکی از چالش‌های اساسی در توکامک‌ها، خاموش‌کردن ایمن و بدون آسیب جریان پلاسمایی است که با سرعت‌هایی تا ۱۰۰ کیلومتر بر ثانیه و در دمایی بالاتر از ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد در حال گردش است.
روندهای کاهش تدریجی جریان یا «رمپ‌داون» معمولاً زمانی اتفاق می‌افتند که وضعیت پلاسما ناپایدار شود. این فرآیند برای جلوگیری از اختلالات شدیدتر و احتمالاً آسیب فیزیکی به دیواره‌های داخلی دستگاه استفاده می‌شود. اما گاهی خود رمپ‌داون هم موجب ناپایداری بیشتر پلاسما شده و باعث خراش یا آسیب جزئی به داخل دستگاه می‌شود؛ آسیب‌هایی که برای ترمیم آن‌ها زمان و منابع زیادی نیاز است.
حال، پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به توسعه مدلی پیش‌بینی‌کننده شده‌اند که می‌تواند رفتار پلاسما را هنگام رمپ‌داون در توکامک پیش‌بینی کند. آن‌ها با ترکیب ابزارهای یادگیری ماشین و یک مدل مبتنی بر فیزیک، توانستند شبیه‌سازی دقیقی از رفتار پلاسما و ناپایداری‌های احتمالی هنگام خاموش‌شدن آن ایجاد کنند. این مدل با داده‌های پلاسما از یک توکامک آزمایشی در سوئیس آموزش و آزمایش شد و توانست با حجم نسبتاً کمی از داده‌ها، عملکرد دقیق و سریعی داشته باشد. این موضوع اهمیت بالایی دارد، چراکه اجرای آزمایش‌ها در توکامک‌ها بسیار پرهزینه و فراهم‌کردن داده باکیفیت در این حوزه محدود است.
این مدل جدید که در مقاله‌ای با دسترسی آزاد در نشریه Nature Communications منتشر شده، می‌تواند ایمنی و قابلیت اطمینان نیروگاه‌های همجوشی آینده را بهبود ببخشد. مشاهده مقاله در Nature Communications
آلن ونگ، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکترای هوافضا در MIT، می‌گوید: «برای اینکه همجوشی به منبعی کاربردی از انرژی تبدیل شود، باید قابل‌اطمینان باشد. و برای رسیدن به این هدف، باید در مدیریت پلاسماها توانمند شویم.»
توکامک، تعادل ظریف مواد داغ
توکامک‌ها برای نخستین بار در دهه ۱۹۵۰ در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شدند و نام آن‌ها به‌معنای «اتاق حلقه‌ای با سیم‌پیچ مغناطیسی» از واژه‌ای روسی گرفته شده است. این دستگاه‌ها به شکل دونات طراحی شده‌اند و با استفاده از میدان‌های مغناطیسی، گاز را به دمایی می‌رسانند که اتم‌های آن به حالت پلاسما درآمده و انرژی آزاد کنند.
در حال حاضر، اغلب آزمایش‌ها روی توکامک‌ها در مقیاسی کم‌انرژی انجام می‌شود و تنها تعداد کمی از این دستگاه‌ها به خروجی لازم برای تولید انرژی قابل استفاده نزدیک هستند. با این حال، وقتی توکامک‌ها به اندازه‌ای بزرگ شوند که بتوانند انرژی در شبکه برق تولید کنند، باید در تمام مراحل، به‌ویژه هنگام خنک کردن پلاسمای پرانرژی، کنترل دقیقی روی پلاسما اعمال شود.
ونگ می‌گوید: «خاموش کردن پلاسما، حتی در رمپ‌داون، اگر به‌درستی انجام نشود، می‌تواند حرارت بسیار شدیدی تولید کند که به دیواره‌های داخلی آسیب می‌زند. به‌ویژه در پلاسماهای پرکاربرد، رمپ‌داون می‌تواند آن را به مرز ناپایداری برساند. بنابراین حفظ تعادل، کاری حساس است. و مطالعات زیادی در مورد نحوه کنترل این مرحله حساس صورت نگرفته است.»
پیش‌بینی خاموشی پلاسما با هوش مصنوعی
تیم MIT مدلی توسعه داده‌اند که رفتار پلاسما را در طول رمپ‌داون به‌صورت دقیق پیش‌بینی می‌کند. آن‌ها در این مدل از شبکه عصبی استفاده نکردند، چراکه چنین الگوریتم‌هایی برای شناسایی نشانه‌های ناپایداری نیاز به داده زیادی دارند. به‌جای آن، آن‌ها شبکه عصبی را با مدلی فیزیکی از دینامیک پلاسما ترکیب کردند. این روش بسیار کاراتر بود و تنها با چندصد پالس در حالت‌های مختلف پلاسما، عملکرد دقیقی از مدل حاصل شد.
منبع داده‌های تجربه‌شده از دستگاه توکامک «TCV» بود که در مرکز پلاسما در سوئیس و توسط مؤسسه فناوری فدرال لوزان (EPFL) مدیریت می‌شود. ونگ و همکارانش از اطلاعاتی نظیر دمای پلاسما، انرژی و شرایط مختلف در طول فرآیند رمپ‌داون استفاده کردند. مدل سپس با این داده‌ها آموزش دید و با دقت بالایی روند تکامل پلاسما را پیش‌بینی کرد.
این تیم همچنین الگوریتمی توسعه دادند که مدل را به مجموعه دستورالعمل‌هایی قابل‌اجرا برای کنترل‌کننده توکامک ترجمه می‌کند؛ دستوراتی که می‌توانند برای مثال، میدان مغناطیسی یا دما را تنظیم کرده و از ناپایداری جلوگیری کنند. در چندین آزمایش روی TCV، این الگوریتم توانست پلاسما را سریع‌تر، ایمن‌تر و بدون هیچ اختلالی خاموش کند.
ونگ می‌گوید: «در نهایت، پلاسما باید خاموش شود اما اگر این کار هنگام انرژی بالا انجام شود، به آن ‘اختلال’ می‌گوییم. با مدل ما، توانستیم انرژی را به صفر برسانیم و این فرایند را چندین بار بدون مشکل اجرا کردیم. نتایج نشان داد که بهبودهای قابل توجهی را مشاهده کردیم.»
این پژوهش با حمایت شرکت Commonwealth Fusion Systems (CFS) انجام شده است؛ شرکتی منشعب از MIT که قصد دارد اولین نیروگاه همجوشی فشرده در ابعاد شبکه برق را بسازد. آن‌ها مشغول توسعه توکامکی به نام SPARC هستند که هدفش تولید خالص انرژی پلاسماست. تیم MIT با CFS همکاری دارد تا از مدل توسعه داده‌شده، برای پیش‌بینی بهتر رفتار پلاسما و جلوگیری از اختلالات پرهزینه در مسیر رسیدن به همجوشی ایمن و قابل اعتماد استفاده کنند.
به گفته ونگ: «ما تلاش می‌کنیم به سوال‌های علمی پاسخ دهیم تا همجوشی را کاربردی کنیم. کاری که آغاز کردیم، تنها ابتدای راه است، اما احساس می‌کنیم پیشرفت خوبی داشتیم.»
