ИИ-система PACMAN управляет плазмой быстрее реакции человека

Исследователи Лаборатории физики плазмы Принстона (PPPL) и Принстонского университета испытали новую программную систему на основе искусственного интеллекта, которая управляет плазмой в токамаке за миллисекунды — значительно быстрее, чем успевает среагировать человек. В одном из экспериментов она предсказала опасную нестабильность примерно за 200 миллисекунд до её возникновения и успела изменить параметры плазмы, не допустив её развития. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Fusion.

Система получила название PACMAN (аббревиатура от Prediction And Control using MAchiNe learning). Это не прообраз термоядерной электростанции, а инструмент для управления исследовательской плазмой. Разработчики подчёркивают: человек по-прежнему определяет цели и задаёт ограничения безопасности — система лишь исполняет эти параметры значительно точнее и оперативнее.

Почему скорость настолько важна

Термоядерная плазма в токамаке — смесь газа, разогретого до температур, превышающих температуру ядра Солнца, — удерживается мощными магнитными полями. Малейшие возмущения, называемые нестабильностями, могут нарастать за тысячные доли секунды и нарушать реакцию.

«Сфокусированный оператор-человек реагирует примерно на уровне секунд. Весь цикл PACMAN обычно выполняется примерно за 20 миллисекунд — и не единожды: он повторяется снова и снова. Система замечает небольшие изменения в плазме и вносит коррективы так, как человек никогда не смог бы», — сказал Энди Ротштейн, аспирант кафедры машиностроения и авиакосмической техники Принстонского университета и сооавтор.

Традиционные компьютерные симуляции плазмы занимают дни или месяцы — они ценны для планирования будущих экспериментов, но совершенно не подходят для управления в реальном времени, когда сам эксперимент может длиться всего несколько минут.

«Для управления нам нужны модели, которые принимают решение прямо сейчас», — объяснил Иро Фарре Кага, аспирант Принстонской программы по физике плазмы и сооавтор работы.

Как устроен PACMAN

PACMAN функционирует как конвейер из четырёх звеньев: сбор и проверка данных с датчиков токамака, построение моделями ИИ текущего и прогнозируемого состояния плазмы, выработка управляющих команд контроллерами и, наконец, разрешение конфликтов между командами, применение аппаратных ограничений безопасности и отправка утверждённых команд на токамак.

Ключевое преимущество — модульность: поскольку отдельные модели и контроллеры работают независимо, учёные могут добавлять новые компоненты, не затрагивая остальную систему.

«Когда мы добавляли первую модель, это заняло месяцы работы. Затем мы стали устанавливать вторую — и это заняло пару дней. Если модель можно поставить за неделю, то за следующую неделю её можно переобучить и установить новую. Это позволяет итерировать так, как прежде было невозможно», — отметил Ротштейн.

Пять экспериментов на реальном токамаке

Работоспособность PACMAN подтверждена в пяти экспериментах на токамаке DIII-D Национального термоядерного объекта Министерства энергетики США в Сан-Диего. В ходе этих испытаний система:

• позволила модели с обучением с подкреплением полностью взять управление системами нагрева;
• прогнозировала резкие выбросы энергии с края плазмы;
• обнаруживала и подавляла волны в плазме, вызванные быстрыми частицами;
• поддерживала заданные исследователями значения плотности и вращения плазмы;
• предсказала нестабильность типа «разрывная мода» и предотвратила её.

Последнее — наиболее показательный результат: традиционные контроллеры не могут идентифицировать этот тип нестабильности, пока она уже не развилась, и тогда её приходится подавлять с существенной потерей производительности. В одном из экспериментов машинно-обучающаяся модель предсказала разрывную моду примерно за 200 миллисекунд, что позволило скорректировать плазму так, чтобы нестабильность не возникла вовсе.

PACMAN также одновременно координировал все шесть гиротронов DIII-D — устройств, нагревающих плазму мощными микроволнами. «Не существовало алгоритма для нахождения оптимального решения до этого. Когда разряд завершился и мы посмотрели данные — система делала именно то, на что мы надеялись: одновременно двигала все шесть гиротронов оптимальным образом для достижения цели», — рассказал Фарре Кага.

Инфраструктура для всего термоядерного сообщества

Разработчики считают, что PACMAN может быть адаптирован для токамаков с другими геометриями, размерами и диагностическим оборудованием, включая машины, которые ещё не спроектированы. «PACMAN использует гибкую структуру, в которой алгоритмы ИИ можно собирать как строительные блоки. Можно добавить новый, заменить один из существующих или запустить несколько одновременно, не трогая остальную систему. Эта модульность превращает ИИ-управление плазмой из серии разовых демонстраций в инфраструктуру, на которой может строить работу всё термоядерное сообщество», — подчеркнул Эгемен Колемен, доцент Принстонского университета, совместно назначенный в PPPL.

Читайте также по теме: инвестициях в разработку термоядерной энергетики.