Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y de la Universidad de Princeton, dependientes del Departamento de Energía de Estados Unidos, han desarrollado un marco de software de inteligencia artificial (IA) capaz de completar una predicción y control del plasma de fusión en aproximadamente 20 milisegundos, ajustando rápidamente su estado y, al mismo tiempo, sujeto a estrictas restricciones de seguridad de hardware. Los resultados correspondientes se publicaron en el nuevo número de la revista Nuclear Fusion.
Aplicación del marco de inteligencia artificial PACMAN en un sistema de fusión (concepto artístico). Fuente de la imagen: Laboratorio de Física del Plasma de Princeton del Departamento de Energía de Estados Unidos
Los científicos están explorando la fusión nuclear controlada mediante dispositivos como el tokamak. El tokamak confina el plasma de alta temperatura en su interior mediante campos magnéticos intensos. Para que la reacción de fusión se mantenga de forma continua, el plasma debe conservar altas temperaturas, alta densidad y un estado estable. Sin embargo, algunas inestabilidades en el plasma se desarrollan muy rápidamente y pueden intensificarse en pocos milisegundos, a menudo sin dar tiempo a que un operador humano reaccione.
Predecir lo que ocurrirá a continuación en el plasma es clave para controlar la reacción de fusión. Una simulación informática tradicional puede tardar días o incluso meses en completarse una sola vez, por lo que no puede satisfacer los requisitos del control en tiempo real. Los modelos de aprendizaje automático, en cambio, pueden utilizar datos experimentales para determinar rápidamente el estado del plasma y predecir sus cambios.
En esta ocasión, los investigadores desarrollaron un sistema denominado PACMAN, es decir, "predicción y control mediante aprendizaje automático". Puede invocar simultáneamente múltiples modelos de IA y ajustar parámetros relacionados, como los equipos de calentamiento y los campos magnéticos, según los resultados de la predicción. El sistema también verifica los planes de control propuestos por la IA y establece límites de seguridad de hardware para garantizar que el equipo no ejecute operaciones fuera del rango de seguridad.
Los resultados de cinco experimentos realizados en el tokamak de la Instalación Nacional de Fusión DIII-D del Departamento de Energía de Estados Unidos muestran que PACMAN puede utilizar la IA para controlar el sistema de calentamiento del plasma, predecir explosiones de energía en el borde del plasma, detectar y controlar ondas de plasma impulsadas por partículas de alta velocidad, y también ajustar la densidad y el estado de rotación del plasma según objetivos preestablecidos.
Los investigadores también utilizaron PACMAN para controlar simultáneamente los 6 girotrones del dispositivo DIII-D. Los girotrones suministran energía al plasma mediante potentes haces de microondas. En el experimento, la IA pudo ajustar al mismo tiempo la potencia y la posición de los espejos de los 6 girotrones, haciendo que estos dispositivos trabajaran de forma coordinada para alcanzar los objetivos establecidos por los investigadores.
Los investigadores subrayan que la IA no ha reemplazado el control humano sobre los experimentos de fusión. Los objetivos experimentales y los parámetros de control siguen siendo establecidos por los científicos, y el sistema siempre ejecuta las restricciones de seguridad de hardware.