Les tokamaks sont des machines qui sont censées tenir et exploiter la puissance du soleil. Ces machines de fusion utilisent des aimants puissants pour contenir un plasma plus chaud que le noyau du soleil et pousser les atomes du plasma pour fusionner et libérer de l'énergie. Si les tokamaks peuvent fonctionner en toute sécurité et efficacement, les machines pourraient un jour fournir une énergie de fusion propre et illimitée.
Aujourd'hui, il y a un certain nombre de tokamaks expérimentaux en opération dans le monde, avec plus de cours. La plupart sont des machines de recherche à petite échelle conçues pour étudier comment les appareils peuvent faire tourner le plasma et exploiter son énergie.
L'un des défis auxquels Tokamaks est confronté est de savoir comment désactiver en toute sécurité et de manière fiable un courant de plasma qui circule à des vitesses allant jusqu'à 100 kilomètres par seconde, à des températures de plus de 100 millions de degrés Celsius.
De telles « Rampdowns » sont nécessaires lorsqu'un plasma devient instable. Pour empêcher le plasma de perturber et potentiellement dommage à l'intérieur de l'appareil, les opérateurs descendent le courant du plasma. Mais occasionnellement, la montée en puissance elle-même peut déstabiliser le plasma.
Dans certaines machines, les rampes ont provoqué des éraflures et des cicatrices à l'intérieur de Tokamak – des dégâts de mines qui nécessitent encore un temps et des ressources considérables pour se réparer.
Maintenant, les scientifiques du MIT ont développé une méthode pour prédire comment le plasma dans un tokamak se comportera lors d'une montée en puissance. L'équipe a combiné des outils d'apprentissage automatique avec un modèle de dynamique du plasma basé sur la physique pour simuler le comportement d'un plasma et toutes les instabilités qui peuvent survenir à mesure que le plasma est progressé et désactivé.
Les chercheurs ont formé et testé le nouveau modèle sur les données du plasma d'un tokamak expérimental en Suisse. Ils ont trouvé que la méthode a rapidement appris comment le plasma évoluerait car il était réglé de différentes manières. De plus, la méthode a atteint un niveau élevé de précision en utilisant une quantité relativement faible de données. Cette efficacité de formation est prometteuse, étant donné que chaque séquence expérimentale d'un tokamak est coûteuse et que des données de qualité sont limitées en conséquence.
Le nouveau modèle, que l'équipe met en évidence dans un Communications de la nature Le papier pourrait améliorer la sécurité et la fiabilité des futures centrales de fusion.
« Pour que la fusion soit une source d'énergie utile, il devra être fiable », explique l'auteur principal Allen Wang, étudiant diplômé en aéronautique et astronautique et membre du groupe de perturbation du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC).
« Pour être fiable, nous devons devenir bons pour gérer nos plasmas. »
Les co-auteurs du MIT de l'étude comprennent Cristina Rea, scientifique principal de la PSFC, et les membres du laboratoire pour l'information et les systèmes de décision (LIDS) Oswin So, Charles Dawson et le professeur Chuchu Fan, ainsi que Mark (Dan) Boyer des systèmes de fusion Commonwealth et des collaborateurs du Swiss Plasma Center à Switzerland.
'Un équilibre délicat'
Les tokamaks sont des dispositifs de fusion expérimentaux qui ont été construits pour la première fois dans l'Union soviétique dans les années 1950. L'appareil tire son nom d'un acronyme russe qui se traduit par une «chambre toroïdale avec des bobines magnétiques».
Tout comme son nom le décrit, un tokamak est toroïdal ou en forme de beignet, et utilise des aimants puissants pour contenir et tourner un gaz aux températures et aux énergies suffisamment élevés pour que les atomes du plasma résultant puissent fusionner et libérer de l'énergie.
Aujourd'hui, les expériences de Tokamak sont de l'échelle de l'énergie relativement basse, avec peu d'approche de la taille et de la sortie nécessaires pour générer une énergie sûre, fiable et utilisable. Les perturbations des tokamaks expérimentaux à faible énergie ne sont généralement pas un problème. Mais à mesure que les machines de fusion évoluent jusqu'à des dimensions à l'échelle de la grille, le contrôle des plasmas beaucoup plus énergique à toutes les phases sera primordial pour maintenir un fonctionnement sûr et efficace d'une machine.
« Les terminaisons de plasma non contrôlées, même pendant la montée en puissance, peuvent générer des flux de chaleur intenses endommageant les murs internes », note Wang.
« Très souvent, en particulier avec les plasmas hautes performances, les montées peuvent en fait rapprocher le plasma de certaines limites d'instabilité. Donc, c'est un équilibre délicat. Et il y a beaucoup de concentration maintenant sur la façon de gérer les instabilités afin que nous puissions régulièrement et fiable ces plasmas et les alimenter en toute sécurité. Et il y a relativement peu d'études sur la façon de faire de manière fiable. »
Faire tomber le pouls
Wang et ses collègues ont développé un modèle pour prédire comment un plasma se comportera lors de la montée en puissance de Tokamak. Bien qu'ils auraient pu simplement appliquer des outils d'apprentissage automatique tels qu'un réseau de neurones pour apprendre des signes d'instabilités dans les données du plasma, « vous auriez besoin d'une quantité de données impie » pour de tels outils pour discerner les changements très subtils et éphémères dans des plasmas à haute température extrêmement à haute température, dit Wang.
Au lieu de cela, les chercheurs ont associé un réseau neuronal à un modèle existant qui simule la dynamique du plasma selon les règles fondamentales de la physique.
Avec cette combinaison d'apprentissage automatique et d'une simulation de plasma basée sur la physique, l'équipe a constaté que seulement quelques centaines d'impulsions à faible performance et une petite poignée d'impulsions à haute performance étaient suffisantes pour former et valider le nouveau modèle.
Les données qu'ils ont utilisées pour la nouvelle étude provenaient du TCV, la « configuration variable Tokamak » suisse exploitée par le Swiss Plasma Center de l'EPFL (le Federal Institute of Technology Lausanne).
Le TCV est un petit dispositif expérimental expérimental expérimental qui est utilisé à des fins de recherche, souvent comme lit d'essai pour les solutions de dispositifs de prochaine génération. Wang a utilisé les données de plusieurs centaines d'impulsions de plasma TCV qui comprenaient des propriétés du plasma telles que sa température et ses énergies pendant la montée en puissance, la course et la montée en puissance de chaque impulsion.
Il a formé le nouveau modèle sur ces données, puis l'a testé et a constaté qu'il était en mesure de prédire avec précision l'évolution du plasma étant donné les conditions initiales d'une course de tokamak particulière.
Les chercheurs ont également développé un algorithme pour traduire les prédictions du modèle en «trajectoires» pratiques ou des instructions de gestion du plasma que un contrôleur Tokamak peut automatiquement effectuer, par exemple, ajuster les aimants ou la température pour maintenir la stabilité du plasma.
Ils ont mis en œuvre l'algorithme sur plusieurs exécutions TCV et ont constaté qu'il produisait des trajectoires qui ont progressé en toute sécurité une impulsion de plasma, dans certains cas plus rapidement et sans perturbations par rapport aux exécutions sans la nouvelle méthode.
« À un moment donné, le plasma disparaîtra toujours, mais nous appelons cela une perturbation lorsque le plasma disparaît à haute énergie. Ici, nous avons ramené l'énergie à rien », note Wang. « Nous l'avons fait plusieurs fois. Et nous avons fait les choses beaucoup mieux dans tous les domaines. Nous avions donc une confiance statistique que nous avons amélioré les choses. »
Commonwealth Fusion Systems (CFS), un spin-out du MIT, a l'intention de construire la première centrale de fusion compacte au monde. La société développe un Tokamak de démo, SPARC, conçu pour produire du plasma d'énergie nette, ce qui signifie qu'elle devrait générer plus d'énergie qu'il ne faut pour chauffer le plasma. Wang et ses collègues travaillent avec CFS sur les moyens que le nouveau modèle de prédiction et les outils comme il peuvent mieux prédire le comportement du plasma et empêcher des perturbations coûteuses pour permettre une puissance de fusion sûre et fiable.
« Nous essayons de répondre aux questions scientifiques pour rendre la fusion systématiquement utile », explique Wang. « Ce que nous avons fait ici, c'est le début de ce qui est encore un long voyage. Mais je pense que nous avons fait de beaux progrès. »
