Voor het eerst is kunstmatige intelligentie ingezet om het hete plasma in een kernfusiereactor onder controle te houden. Dat kan de stabiliteit en efficiëntie van zulke reactors verhogen.

Kernfusiereactors bieden goedkope en schone energie – als we ze aan de praat krijgen. Fusie-onderzoekers van het Zwitserse technologie-instituut EPFL hebben nu hun krachten gebundeld met het kunstmatige-intelligentiebedrijf DeepMind om een stap dichterbij een bruikbare fusiereactor te komen. Zij gebruikten kunstmatige intelligentie (KI) om het plasma in hun reactor, de zogeheten TCV-reactor, onder controle te houden.

Magnetische spoelen

Een fusiereactor gebruikt magneetvelden om het hete plasma in zijn binnenste weg te houden bij de wanden. Als het plasma de wanden van de reactor raakt, kan het namelijk afkoelen. Daarmee zou de kernfusiereactie tot stilstand kunnen komen, wat schadelijk is voor de reactor.

De stille kinderen van de Concorde
LEES OOK
De stille kinderen van de Concorde

De TCV-reactor gebruikt negentien magnetische spoelen om zijn plasma te bedwingen. Voorheen werd elke spoel aangedreven door een eigen algoritme dat de binnenkant van de reactor duizenden keren per seconde in de gaten houdt met sensors. DeepMind ontwierp een enkel neuraal netwerk dat alle spoelen tegelijkertijd in de gaten houdt. Het netwerk leert vanzelf welke voltages nodig zijn om het plasma binnenboord te houden.

Het team trainde de KI eerst in een digitale testsituatie voordat het overging op experimenten met de echte reactor. Uiteindelijk bleek het mogelijk om het plasma ongeveer twee seconden lang te kunnen beheersen. Dat komt in de buurt van wat volgens de theorie het hoogst haalbare is: de TCV-reactor kan maar drie seconden aan staan. Daarna moet de reactor vijftien minuten lang afkoelen.

Nieuwe vormen

De KI kon meer dan simpelweg het plasma binnenboord houden. Het kon het plasma ook door de reactor laten bewegen of van vorm laten veranderen. Het kon zelfs twee verschillende stukken plasma tegelijkertijd besturen.

Nieuwe plasmavormen kunnen efficiënter en stabieler zijn. Dat zou nuttig zijn in bijvoorbeeld de ITER, een reactor die onder constructie is in Frankrijk. Wanneer die af is in 2025, zal het de grootste kernfusiecentrale ter wereld zijn.

Onverwachte methode

Er zijn theoretisch gezien veel verschillende manieren denkbaar om plasma in een bepaalde vorm te duwen. Toch kiezen de meeste onderzoekers steeds dezelfde, reeds beproefde strategie, zegt Federico Felici. Hij werkte namens EPFL mee aan de studie. De kunstmatige intelligentie verraste het team door op een andere, nog onbekende manier tot dezelfde plasmavormen te komen.

‘Dit KI-algoritme koos ervoor om de TCV-spoelen op een totaal andere manier te gebruiken, wat min of meer hetzelfde magnetische veld oplevert’, zegt Felici. ‘Zoals verwacht maakte het hetzelfde plasma, maar het gebruikte de magneetkernen totaal verschillend. De onderzoekers die in de gaten hielden hoe de elektrische stroom door de spoelen ontwikkelde, waren behoorlijk verrast.’

Gianluca Sarri, hoogleraar plasmafysica aan de Queen’s-universiteit van Belfast, zegt dat kunstmatige intelligentie de toekomst is voor controlesystemen in fusiereactoren. Maar vooralsnog is het nooit gelukt om in een fusiereactie tot stand te brengen die meer energie oplevert dan het consumeert.

‘Zodra dat wel lukt, zal dat niet het einde van het verhaal zijn’, zegt Sarri. ‘Dan moet je nog een energiecentrale bouwen. En deze kunstmatige intelligentie is naar mijn mening de enige weg voorwaarts. Er zijn zoveel variabelen, terwijl een kleine verandering in één daarvan al een grote verandering in de uitkomst kan opleveren.’ Handmatig uitproberen wat de goede methode is, is daardoor bijna niet te doen. KI kan deze klus wel klaren.

Bètawaarde

Om van fusiereactoren efficiënte en bruikbare energiebronnen te maken, moeten natuurkundigen de ‘bètawaarde’ zien te vergroten, zegt natuurkundige Howard Wilson van de Universiteit van York, in Engeland. Dat betekent dat fysici de druk van het plasma ten opzichte van de kracht van het magnetisch veld moeten vergroten.

‘Het plasma wrikt en wringt en probeert de greep van magnetische velden te ontkomen’, zegt hij. ‘Naarmate het plasma de bètawaarde omhoog duwt, moet het magnetisch veld steeds harder werken om het plasma onder controle te houden. Hoe meer je het plasma onder druk zet, hoe groter de kans dat je de controle verliest.’

Volgens Wilson zijn deze kunstmatige-intelligentie-experimenten veelbelovend om plasma in ‘extreme vormen’ te kunnen beheersen. Dat maakt de weg vrij voor experimenten met verschillende plasmavormen die stabiliteit of efficiëntie zou kunnen vergroten. ‘Het maakt het grensgebied waarin het veilig is om te werken groter. Daarnaast openen we een nieuw speelveld dat we kunnen verkennen.’