thumbnail - Dùng AI hỗ trợ điều khiển các lò phản ứng hạt nhân
Thu Hà
Hà Nội

Dùng AI hỗ trợ điều khiển các lò phản ứng hạt nhân

Nhờ sử dụng hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) tiên tiến đầu tiên, đã định hình thành công các plasmas hydro siêu nhiệt bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Nhờ đó, tiến gần hơn đến cuộc cách mạng năng lượng xanh bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Những thử nghiệm thành công bước đầu

Thử nghiệm thành công bước đầu cho thấy, việc sử dụng AI có thể sẽ tạo ra bước đột phá quan trọng trong quá trình tìm kiếm nguồn điện năng tạo ra từ phản ứng tổng hợp hạt nhân, nhằm thay thế nhiên liệu hóa thạch và phân hạch hạt nhân trên các lưới điện hiện đại. Federico Felici, nhà vật lý tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ, nói: "Tôi nghĩ AI sẽ đóng vai trò rất lớn trong việc kiểm soát tương lai các tokama và trong khoa học nhiệt hạch nói chung. Có một tiềm năng rất lớn để giải phóng AI nhằm kiểm soát tốt hơn, tìm ra cách vận hành các thiết bị như vậy theo cách hiệu quả hơn."

Felici cũng cho biết các thí nghiệm trong tương lai tại Variable Configuration Tokamak (TCV) ở Lausanne sẽ tìm kiếm các phương án tiếp theo để tích hợp AI điều khiển các lò phản ứng nhiệt hạch. "Những gì chúng tôi đã làm được thực sự là một bằng chứng về một nguyên tắc quan trọng và chúng tôi rất hạnh phúc với bước đầu tiên này." Felici và các đồng nghiệp của ông tại Trung tâm Plasma Thụy Sĩ (SPC) của EPFL đã hợp tác với các nhà khoa học và kỹ sư tại công ty DeepMind của Anh - một công ty con của chủ sở hữu Google là Alphabet - để thử nghiệm hệ thống trí tuệ nhân tạo trên TCV.

Một lò phản ứng nhiệt hạch hình chiếc bánh là loại lò mang đến nhiều hứa hẹn nhất để điều khiển các phản ứng về tổng hợp hạt nhân, một thiết kế tokamak ("con đường" trong tiếng Latinh) đang được sử dụng cho dự án ITER quốc tế lớn đang được xây dựng ở Pháp và một số người cho rằng họ cũng sẽ có một "tokamak" đi vào hoạt động thương mại sớm nhất là vào năm 2030.

Dùng AI hỗ trợ điều khiển các lò phản ứng hạt nhân 

Buồng nhiệt hạch của TCV chứa các plasma hydro qua nhiệt triong từ trường mạnh

AI hoạt động điều khiển lò phản ứng hạt nhân như thế nào?

Felici giải thích "Tokamak về cơ bản được điều khiển bởi 19 cuộn dây từ tính, có thể được sử dụng để định hình và định vị plasma hydro bên trong buồng nhiệt hạch, đồng thời hướng dòng điện chạy qua nó." Các cuộn dây thường được điều chỉnh bởi một tập hợp các bộ điều khiển máy tính độc lập. Bộ điều khiển cho từng phần của plasma có tính năng trong thử nghiệm. Chúng được lập trình dựa trên các tính toán kỹ thuật điều khiển phức tạp, tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể đang được thử nghiệm. Tuy nhiên, một hệ thống AI mới có thể điều khiển plasma chỉ với một bộ điều khiển duy nhất.

Một hệ thống AI "học tăng cường sâu" (RL) do DeepMind phát triển - lần đầu tiên được đào tạo dựa trên mô phỏng của tokamak - được coi là một giải pháp thay thế rẻ hơn, an toàn hơn nhiều so với thực tế. Nhưng việc mô phỏng máy tính diễn ra khá chậm, phải mất đến vài giờ để mô phỏng vài giây hoạt động của tokamak trong thời gian thực. Ngoài ra, điều kiện thử nghiệm tại TCV có thể thay đổi hằng ngày, do vậy các nhà phát triển AI cần phải tính đến những thay đổi đó trong mô phỏng của mình. May mắn là cuối cùng, khi quá trình đào tạo mô phỏng hoàn thành, AI đã được kết hợp với tokamak thực tế. 

Trên thực tế TCV thường duy trì plasma hydro siêu nóng, thường ở hơn 216 triệu độ F (120 triệu độ C), trong tối đa 3 giây. Sau đó sẽ cần khoảng 15 phút để hạ nhiệt và thiết lập lại, tần suất 30 đến 35 lần "bắn" như vậy thường được thực hiện mỗi ngày. Khoảng 100 bức ảnh đã được thực hiện với TCV dưới sự kiểm soát của AI trong vài ngày. "Chúng tôi muốn một số loại có hình dạng plasma khác nhau mà chúng tôi có thể nhận được và để thử nó trong các điều kiện khác nhau." Mặc dù TCV đã không sử dụng các plasmas của hydro nặng neutron sẽ tạo ra mức độ phản ứng tổng hợp hạt nhân cao, tuy nhiên các thử nghiệm với AI đã đặt ra những thách thức mới để định hình các plasmas bên trong tokamak, điều này sẽ giúp kiểm soát toàn bộ quá trình phản ứng nhiệt hạch tốt hơn nhiều.

Dùng AI hỗ trợ điều khiển các lò phản ứng hạt nhân 
Có tổng cộng 19 cuộn dây điện từ mạnh mẽ bao quanh tokamak để giữ các plasmas hydro ở đúng vị trí trong buồng nhiệt hạch và quyết định đến hình dạng của chúng.

Tạo hình plasma

Hệ thống AI tỏ ra khá thành thạo trong việc định vị và định hình plasma trong buồng nhiệt hạch của tokamak theo các cấu hình phổ biến nhất, bao gồm một hình dạng  bông tuyết được cho là cấu hình hiệu quả nhất cho phản ứng tổng hợp. Ngoài ra, nó còn có thể định hình plasma thành "giọt" - các vòng plasma trên và dưới riêng biệt trong buồng.

Felici cho biết việc tạo ra hình dạng giọt nước "rất dễ thực hiện với máy học". Chúng tôi chỉ có thể yêu cầu bộ điều khiển tạo ra plasma như vậy và AI đã tìm ra cách làm điều đó." Các nhà nghiên cứu cũng nhận ra rằng AI đang tận dụng các cuộn dây từ tính để điểu khiển các plasmas bên trong buồng theo một cách khác với kết quả từ hệ thống điều khiển tiêu chuẩn. "Bây giờ chúng ta có thể thử áp dụng những khái niệm tương tự cho những vấn đề phức tạp hơn nhiều. Bởi vì chúng ta đang có nhiều mô hình tốt hơn về cách thức hoạt động của tokamak, có thể áp dụng những loại công cụ này cho các vấn đề nâng cao hơn."

Các thí nghiệm plasma tại TCV sẽ hỗ trợ dự án ITER, một tokamak khổng lồ, được dự đoán sẽ đạt được phản ứng tổng hợp quy mô hoàn toàn vào khoảng năm 2035. Những người ủng hộ cũng hy vọng, ITER sẽ đi tiên phong trong cách sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra điện mà không phát thải carbon, lại chỉ với mức thấp của phóng xạ.

Ngoài ra, các thí nghiệm của TCV cũng sẽ cung cấp thông tin về thiết kế cho các lò phản ứng nhiệt hạch Demo dưới sự hỗ trợ AI, được coi là kế thừa của ITER sẽ cung cấp điện cho lưới điện. Đây là điều mà ITER không được thiết kế để làm. Hiện cũng đã có một số quốc gia đang nghiên cứu thiết kế các lò phản ứng Demo này. Một trong những lò phản ứng tiên tiến nhất của châu Âu - EUROfusion - dự kiến bắt đầu chạy vào năm 2051.

Nguồn livescience

Chủ đề liên quan

Chủ đề khác