مهار پلاسمای همجوشی با هوش مصنوعی؛ گامی به سوی انرژی بی‌پایان

خورشید در چنگال آهنرباها؛ چالش تاریخی کنترل آشوب در دمای ۱۰۰ میلیون درجه

رؤیای مهار انرژی همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion)—همان فرآیندی که در دل خورشید و ستارگان رخ می‌دهد—همواره بزرگ‌ترین هدف مهندسی و فیزیک مدرن برای پایان دادن به بحران انرژی زمین بوده است. برای در هم آمیختن ایزوتوپ‌های دوتریوم و تریتیوم، گاز هیدروژن باید تا دماهایی فراتر از ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد گرم شود تا به حالت چهارم ماده، یعنی «پلاسما»، تبدیل گردد. در چنین دمای فرازمینی، هیچ ماده فیزیکی شناخته‌شده‌ای توانایی مهار پلاسما را ندارد و تنها نیروهای لورنتس در میدان‌های مغناطیسی بسیار قدرتمند می‌توانند این گاز باردار را در هوا معلق نگه دارند.

با این حال، پلاسما رفتاری به شدت آشوبناک، غیرخطی و شبیه به یک مایع گردابی مواج با هدایت الکتریکی فوق‌العاده بالا از خود نشان می‌دهد. پدیده‌هایی چون ناپایداری‌های مگنتوهیدرودینامیکی (Magnetohydrodynamic - MHD)، حالت‌های لبه‌ای موضعی (ELMs) و اشک‌افتادگی‌های ناگهانی توردیس (Tearing Modes) می‌توانند در کمتر از چند میلی‌ثانیه، قفس مغناطیسی را در هم شکسته و باعث برخورد پلاسما با دیواره داخلی راکتور و خاموشی ناگهانی واکنش شوند.

کنترلرهای تناسبی-انتگرالی-مشتق‌گیر سنتی (PID Controllers) به دلیل خطی‌سازی معادلات پیچیده فیزیکی، همواره چندین میلی‌ثانیه از پویایی پلاسما عقب‌تر بودند. اما امروزه تلفیق فیزیک ماده چگال با مدل‌های جهان و شبیه‌سازهای مولد فیزیک پایه راهکاری انقلابی برای پیش‌بینی و مهار این آشوب فراهم ساخته است.

یادگیری تقویتی عمیق با فرکانس ۱۰ کیلوهرتز؛ بازی شطرنج مغناطیسی در کسری از میلی‌ثانیه

پیشرفت چشمگیر دوران کنونی در راکتورهای همجوشی، جایگزینی الگوریتم‌های سنتی با کنترلرهای عصبی آموزش‌دیده از طریق یادگیری تقویتی عمیق (Deep Reinforcement Learning - Deep RL) است. این شبکه‌ها ابتدا در شبیه‌سازهای فوق‌سریع فیزیکی مبتنی بر GPU با صدها هزار سناریوی فروپاشی پلاسما روبرو شده و یاد گرفته‌اند که چگونه پالس‌های جریان الکتریکی در ۱۹ سیم‌پیچ مغناطیسی پیرامونی را به صورت همزمان تنظیم نمایند.

در فاز عملیاتی، مدل عصبی با نمونه‌برداری از حسگرهای مغناطیسی و تداخل‌سنج‌های لیزری در نرخ فوق‌العاده ۱۰ کیلوهرتز (یک تصمیم‌گیری در هر ۱۰۰ میکروثانیه)، شکل هندسی پلاسما، کشیدگی (Elongation) و موقعیت عمودی آن را اندازه‌گیری می‌کند. پیش از آنکه یک موج ناپایداری بتواند رشد کرده و به دیواره اصابت کند، شبکه عصبی ولتاژ سیم‌پیچ‌ها را به شکلی تغییر می‌دهد که یک نیروی پاد-مغناطیسی موضعی تشکیل شده و اغتشاش در نطفه خفه شود.

این فرآیند دقیقاً همانند پیشرفت‌های حاصل‌شده در پیشرفت‌های تجربی در ابررسانایی هیدریدی و مواد پرفشار است؛ جایی که هوش مصنوعی نه به عنوان یک ابزار توصیفی، بلکه به عنوان یک سیستم فعال در قلب فرایندهای فیزیکی کوانتومی و ماکروسکوپیک نقش‌آفرینی می‌کند.

پیکربندی توکامک کروی و سیم‌پیچ‌های ابررسانای HTS؛ کوچک‌تر، ارزان‌تر و با بازدهی بالاتر

توکامک‌های کلاسیک بزرگ مانند پروژه بین‌المللی ITER نیازمند ابعاد هندسی عظیم برای دستیابی به محصوریت مغناطیسی پایدار بودند که هزینه‌های ساخت آن‌ها را به ده‌ها میلیارد دلار رساند. امروزه تمرکز جامعه علمی به سمت «توکامک‌های کروی» (Spherical Tokamaks) تغییر یافته است؛ راکتورهایی با شکل هندسی شبیه به یک سیب گاززده که نسبت ابعادی بسیار پایینی دارند.

توکامک‌های کروی به طور طبیعی پایداری بهتری در فشارهای بالای پلاسما (شاخص بتای بالاتر) ارائه می‌دهند، اما به دلیل فضای محدود در ستون مرکزی، نیاز به سیم‌پیچ‌های به مراتب قوی‌تری دارند. استفاده از نوارهای ابررسانای دمابالای مبتنی بر اکسید باریم مس خاک‌های کمیاب (REBCO) امروزه این امکان را فراهم آورده که میدان‌های مغناطیسی فراتر از ۲۰ تسلا در محفظه‌ای با قطر کمتر از ۵ متر ایجاد شود.

همان‌گونه که در بررسی ساعت‌های شبکه نوری استرانسیوم و اندازه‌گیری‌های بنیادین مشاهده کردیم، دقت بالای ابزارهای حسگری مترولوژی در آزمایشگاه‌های فیزیک نوین، امکان رصد نوسانات میدان مغناطیسی در مقیاس میکروتسلا را برای حلقه‌های بازخورد هوش مصنوعی فراهم ساخته و پایداری پلاسمای متراکم را تضمین نموده است.

شاخص‌های عملکردی و پروژه‌های پیشتاز جهان امروزه

امروزه سه پروژه پیشرو مرزهای همجوشی پایدار را جابجا کرده‌اند:

۱. راکتور Tokamak Energy ST-80: راکتور کروی پیشرفته در بریتانیا مجهز به سیم‌پیچ‌های HTS و کنترلر عصبی Deep RL که توانسته پلاسمای ۱۲۰ میلیون درجه‌ای را برای بیش از ۲۰ دقیقه در شرایط شبه‌پایدار بدون خاموشی حفظ کند.

۲. پروژه SPARC شرکت Commonwealth Fusion Systems (CFS): تأسیسات همجوشی متراکم در ماساچوست با هدف دستیابی به توان خروجی مثبت Q > 2 که در تست‌های مقدماتی دوران کنونی به پایداری مداوم ۱۰ برابری نسبت به کنترلرهای خطی سنتی دست یافته است.

۳. سیستم مشترک DeepMind و مرکز همجوشی سوئیس (SPC TCV): آزمایشگاه مرجع توسعه فریم‌ورک‌های کنترل یادگیری تقویتی که امکان ایجاد پیکربندی‌های پلاسمای دوتکه (Negative Triangularity) را برای نخستین بار بدون آسیب به دیواره‌های تنگستنی به اثبات رسانده است.

نتیجه‌گیری و افق انرژی پاک؛ طلوع عصر انرژی بی‌پایان برای بشریت

مهار هوشمندانه پلاسمای همجوشی هسته‌ای امروزه نشان‌دهنده پیروزی درخشان همگرایی فیزیک نظری، متالورژی ابررسانایی و الگوریتم‌های هوش مصنوعی فوق‌سریع است. انرژی همجوشی با سوختی مشتق از آب دریا و بدون تولید هیچ‌گونه زباله رادیواکتیو با عمر طولانی یا گازهای گلخانه‌ای، یگانه منبع پایدار برای تأمین تقاضای رو به رشد الکتریسیته تمدن صنعتی، خوشه‌های سرور هوش مصنوعی و شهرهای فردا است.

ماگ بیت باور دارد که با ورود نخستین نیروگاه‌های پایلوت همجوشی متصل به شبکه تا پیش از پایان این دهه، تاریخ بشر به دو دوران پیش و پس از همجوشی تقسیم خواهد شد؛ عصری که در آن محدودیت‌های ژئوپلیتیک انرژی برای همیشه رنگ خواهند باخت.