Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory des US-Energieministeriums und der Princeton University haben ein KI-Softwareframework entwickelt, das in etwa 20 Millisekunden eine Vorhersage und Steuerung eines Fusionsplasmas abschließen und dessen Zustand schnell anpassen kann, während gleichzeitig strenge Hardware-Sicherheitsbeschränkungen eingehalten werden. Die Ergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Nuclear Fusion" veröffentlicht.
Anwendung des PACMAN-KI-Frameworks in einem Fusionssystem (künstlerische Konzeptdarstellung). Bildquelle: Princeton Plasma Physics Laboratory des US-Energieministeriums
Wissenschaftler erforschen die kontrollierte Kernfusion mit Anlagen wie Tokamaks. Ein Tokamak schließt heißes Plasma durch starke Magnetfelder in seinem Inneren ein. Damit eine Fusionsreaktion kontinuierlich ablaufen kann, muss das Plasma heiß, dicht und stabil bleiben. Einige Instabilitäten im Plasma entwickeln sich jedoch sehr schnell und können sich innerhalb weniger Millisekunden stark verstärken, sodass menschliche Bediener oft nicht rechtzeitig reagieren können.
Die Vorhersage, was als Nächstes im Plasma geschehen wird, ist der Schlüssel zur Steuerung der Fusionsreaktion. Herkömmliche Computersimulationen können für einen Durchlauf Tage oder sogar Monate benötigen und erfüllen daher nicht die Anforderungen der Echtzeitsteuerung. Maschinelle Lernmodelle hingegen können experimentelle Daten nutzen, um den Plasmazustand schnell zu beurteilen und seine Veränderungen vorherzusagen.
Das von den Forschern entwickelte System trägt den Namen PACMAN, was für „Predict and Control using Machine learning" steht. Es kann mehrere KI-Modelle gleichzeitig aufrufen und auf Grundlage der Vorhersageergebnisse Parameter wie Heizgeräte und Magnetfelder anpassen. Das System überprüft zudem die von der KI vorgeschlagenen Steuerungslösungen und setzt Hardware-Sicherheitsgrenzen, um sicherzustellen, dass die Anlage keine Operationen ausführt, die den sicheren Bereich überschreiten.
Die Ergebnisse von fünf Experimenten am Tokamak der DIII-D National Fusion Facility des US-Energieministeriums zeigten, dass PACMAN mithilfe von KI das Plasmaheizsystem steuern, Energieausbrüche am Plasmarand vorhersagen, durch schnelle Teilchen angetriebene Plasmawellen erkennen und steuern sowie die Plasmadichte und den Rotationszustand entsprechend vorgegebener Ziele anpassen kann.
Die Forscher nutzten PACMAN außerdem, um gleichzeitig sechs Gyrotrons der DIII-D-Anlage zu steuern. Gyrotrons führen dem Plasma Energie über starke Mikrowellenstrahlen zu. Im Experiment konnte die KI gleichzeitig die Leistung und die Spiegelpositionen von sechs Gyrotrons anpassen, damit diese Geräte zusammenwirken, um die von den Forschern festgelegten Ziele zu erreichen.
Die Forscher betonten, dass die KI nicht die menschliche Kontrolle über Fusionsexperimente ersetzt. Die Experimentziele und Steuerungsparameter werden weiterhin von Wissenschaftlern festgelegt, und das System befolgt stets die Hardware-Sicherheitsgrenzen.