NA PUTU do fuzije koja bi trebala postati najveći izvor čiste energije postoje brojne zapreke.
Treba postići da se u reaktoru stvara više energije nego što je potrebno za njegov rad, treba razviti materijale otporne na ekstremne uvjete nužne za odvijanje nuklearnih reakcija kakve se odvijaju u Suncu, treba postići da se u reaktoru ne nakupljaju nečistoće te da se gorivo stabilno održava na određenim pozicijama na distanci od stijenki reaktora kako ih supervruća plazma ne bi uništila.
AI rješava jedan od ključnih problema
U novom radu predstavljenom u časopisu Nature znanstvenici sa Sveučilišta Princeton i njegovog Laboratorija za fiziku plazme u srijedu su objavili da su razvili model umjetne inteligencije koji rješava posljednji navedeni problem. Taj model predviđa, a zatim smišlja kako izbjeći događaje u kojima plazma postaje nestabilna i bježi snažnim magnetskim poljima koja je u reaktoru drže u obliku američke krafne s rupom, odnosno torusa.
Ekstremni uvjeti u reaktoru
Da bi se u vodiku pokrenula fuzijska reakcija, njegovi atomi moraju se pomoću velikog tlaka zbiti vrlo blizu, da bi se potom pod utjecajem velike temperature koja im daje velike brzine dovoljno snažno sudarali kako bi se nadvladalo međusobno odbijanje atomskih jezgara uzrokovano istovjetnim električnim nabojem.
Drugim riječima, potrebno je postići uvjete koji su slični onima koji vladaju na Suncu. Pritom temperatura plazme u tokamaku mora biti viša nego što je na Suncu kako bi se nadoknadio manji tlak, odnosno gustoća nego što je na Suncu. Lakše je postići visoku temperaturu nego golem tlak i golemu gustoću. Primjerice, u najvećem oglednom fuzijskom reaktoru ITER-u koji se gradi u Francuskoj tlak će biti do 50 puta veći od atmosferskog, dok će se temperature kretati do 150 milijuna °C, što je deset puta više nego u središtu Sunca.
Gubitak osjetljive ravnoteže
Fuzijski reaktori koji se nazivaju tokamak pomoću magnetskih polja zbijaju čestice plazme i održavaju ih u prstenu u obliku torusa. Čestice plazme u tom se prstenu neprekidno vrte, sudaraju i stupaju u fuziju u kojoj iz vodika nastaje helij, pri čemu se oslobađa golema energija.
Tokamaci su jedan od predvodnika u dizajnu praktičnog fuzijskog reaktora. No ako u njima dođe do malog poremećaja u linijama silnica magnetskog polja koje prolaze kroz plazmu, gubi se osjetljiva ravnoteža koja sve održava na okupu pa plazma bježi iz utjecaja magnetnog polja. Tu fuzijska reakcija završava, a pobjegla plazma može uzrokovati ozbiljna oštećenja na stijenkama tokamaka.
Nestabilnost plazme može uzrokovati vrlo skupe štete
Naime, kada se plazma destabilizira, nastaje nekoliko rizika. Jedan je da će se sva energija pohranjena u plazmi osloboditi kao toplinska energija i oštetiti stijenku reaktora. Drugi, još važniji je da se nagla magnetska promjena može manifestirati kao velika sila koja će djelovati na reaktor i uništiti uređaje.
Jedan od najvećih tokamaka na svijetu, ITER u Francuskoj, dizajniran je tako da može podnijeti tek nekoliko disrupcija u plazmi prije nego što se cijeli stroj mora zaustaviti i popraviti, što predstavlja golemi trošak. Cilj je stoga da se nestabilnosti isprave još dok su malene, prije nego što naprave štetu.
Kako nastaju nestabilnosti i kako se sprječavaju?
Hrvatski stručnjak za fuziju Tonči Tadić s Instituta Ruđer Bošković kaže da su u fuzijskoj plazmi u tokamacima uvijek prisutne turbulencije koje, među ostalim mogu uzrokovati vanjske sile.
"Primjerice, gravitacija može djelovati na čestice i razdvojiti pozitivne od negativnih nakon čega će jedne pojuriti prema drugima zbog razlike u naboju", kaže Tadić.
"Najveći problem za rad tokamaka su turbulencije koje se zbivaju na samom rubu prstena plazme, tzv. edge localised modes (ELM). U fuzijskoj plazmi ELM je isto što i baklja na Suncu, a mi u tokamaku de facto imamo komad Sunca. Cilj je uz pomoć kontrolnih zavojnica, kojih će u ITER-u biti više desetaka, postići da se magnetsko polje fino regulira kako bi se suzbile takve baklje, odnosno ELM-ovi. Kako to provesti i kojom brzinom reagirati kako ne bi došlo do oštećenja, jedan je od najvećih izazova u razvoju tokamaka", tumači Tadić.
Nestabilnosti se mogu kontrolirati kuglicama smrznutog vodika
ELM-ovi se također mogu suzbijati ubacivanjem kuglica smrznutog vodika. To je testirano na europskom JET-u u Velikoj Britaniji i na njemačkom tokamaku ASDEX.
"Međutim, na ITER-u će volumen plazme biti 10 puta veći. Mi ne možemo pretpostaviti da će nestabilnosti u plazmi linearno rasti, možda će biti mnogo veće. Nama je cilj dosadna elektrana koja može raditi stabilno, bez izboja, mjesecima. U njoj bi AI trebao sam prepoznati početak nestabilnosti u plazmi i preventivno korigirati magnetska polja velikom brzinom. Tu finu regulaciju magnetskih polja i precizno ubacivanje smrznutih kuglica u točno određenom području, u točno određenoj količini, na točno određenom mjestu može odraditi samo AI", istaknuo je naš stručnjak za fuziju.
AI testiran u stvarnim reaktorima
Model koji je razvio Princetonov laboratorij može predvidjeti tzv. kidanje plazme 300 milisekundi prije nego što se dogodi. To ne zvuči kao puno vremena za korekcije, međutim, studija je u praksi pokazala da je dovoljno da se plazma stavi pod kontrolu.
Naime, znanstvenici su algoritam testirali na stvarnom reaktoru, DIII-D National Fusion Facility u San Diegu. U eksperimentu se pokazalo da njihov AI model može kontrolirati snagu koja se pumpa u reaktor, kao i oblik plazme kako bi se kovitlajuće čestice držale pod kontrolom.
AI treniran na stvarnim reakcijama, a ne na teoriji
Koautor rada Azarakhsh Jalalvand rekao je da uspjeh modela umjetne inteligencije proizlazi iz činjenice da je obučavan na stvarnim podacima iz prethodnih eksperimenata fuzije, a ne na modelima teorijske fizike.
"Ne podučavamo model svoj kompleksnoj fizici fuzijske reakcije", rekao je Jalalvand.
"Mi mu kažemo koji je cilj - da održava reakciju visoke moći, što treba izbjegavati - nestabilnost kidanja - i koje sve gumbe može okretati da postigne te rezultate. S vremenom on uči optimalan put koji omogućuje postizanje cilja održavanja velike moći, uz istovremeno izbjegavanje problema nestabilnosti", pojasnio je Jalalvand.
Veliki korak na putu do beskonačne energije
Koautor rada Jaemin Seo rekao je da je novo istraživanje značajno jer su prethodna uspjela suzbiti nestabilnosti kidanja plazme tek nakon što su se dogodila.
"Naš pristup omogućuje nam predviđanje i izbjegavanje tih nestabilnosti prije nego što se pojave", istaknuo je.
Autori istraživanja ipak ističu da su nestabilnosti načina kidanja samo jedan od načina na koji plazma može postati nestabilna; postoje još deseci drugih. No nestabilnosti kidanja su jedan od najvećih izazova na putu do beskonačne čiste fuzijske energije.
"Nestabilnosti kidanja plazme jedan su od glavnih uzroka poremećaja plazme, a postat će još izraženije kako budemo pokušavali pokrenuti fuzijske reakcije pri velikim snagama potrebnim za proizvodnju dovoljno energije", rekao je Seo.
"Oni su važan izazov koji moramo riješiti", dodao je.
***
Novu knjigu Indexovog znanstvenog novinara Nenada Jarića Dauenhauera, koja tematizira najkontroverznije i najzanimljivije teme u znanosti poput klimatskih promjena, pseudoznanosti, pandemije, GMO-a i nuklearki, možete nabaviti ovdje.
Knjiga se sastoji od tekstova našeg novinara objavljenih kroz više godina rada na Indexu.
Objavljuje Index Vijesti u Subota, 5. studenoga 2022.