Fizik ve Makine Öğrenimi Birleşti: Nükleer Füzyonda Plazma Davranışları Artık Tahmin Edilebiliyor

MIT’deki bir araştırma ekibi, geniş ölçekli nükleer füzyona ulaşmanın önündeki en büyük engellerden birini aşmış olabileceğini düşünüyor. Araştırmacılar, yıldızların enerji ürettiği süreçleri kullanarak temiz, güvenli ve neredeyse sınırsız bir enerji kaynağına ulaşmanın mümkün olabileceğine inanıyor.

Füzyon enerjisini kontrol altına almak için yıllardır çeşitli reaktörler tasarlandı. Bunlar arasında en çok incelenen tür, tokamak adı verilen ve güçlü manyetik alanlar yardımıyla plazmayı hapseden halka biçiminde bir reaktör. Tokamak tasarımı umut verici görünse de, füzyon enerjisini güvenli biçimde yönetebilmek için araştırmacıların çözmesi gereken önemli sorunlar var ve sorunlardan biri, füzyon tepkimesi başladıktan sonra onu güvenli şekilde yavaşlatabilmek.

Yeni araştırma tam da bu noktada devreye giriyor. Fizik ile makine öğrenimini birleştiren ekip, bir tokamak reaktöründeki plazmanın belirli başlangıç koşullarında nasıl davranacağını tahmin edebilen bir model geliştirdi. Nature Communications dergisinde yayımlanan çalışma, füzyonun kontrol edilebilirliği konusunda önemli bir ilerleme olarak değerlendiriliyor.

Büyük Gücün Büyük Riskleri

Tam kapasiteyle çalışan bir tokamak reaktöründe plazma akımı saniyede yaklaşık 62 mil (100 kilometre) hızla dolaşabiliyor ve sıcaklığı 180 milyon Fahrenheit (100 milyon Santigrat derece) seviyesine ulaşabiliyor; yani Güneş’in çekirdeğinden bile sıcak.

Reaktör herhangi bir nedenle kapatılmak zorunda kalırsa, operatörler plazma akımını, kabaca “aşamalı olarak kapatma” olarak adlandırılabilecek bir süreçle yavaş yavaş azaltıyor ancak işlem son derece hassas. Araştırmacıların açıklamasına göre, plazma duvarlara sürtünerek tokamak’ın iç yüzeyinde küçük çizikler ve yanıklar oluşturabiliyor; bu tür hasarlar küçük olsa da onarımı zaman ve kaynak gerektiriyor.

Wang, “Kontrolsüz plazma sonlanmaları, hatta yavaşlatma sırasında bile, reaktör duvarlarına zarar verebilecek yoğun ısı akışları oluşturabiliyor.” diyerek sürecin zorluklarını anlattı. “Çoğu zaman, özellikle yüksek performanslı plazmalarda, yavaşlatma işlemi plazmayı kararsızlık sınırlarına yaklaştırabiliyor. Bu nedenle oldukça hassas bir denge gerekiyor.”

Füzyon reaktörlerinin çalıştırılması oldukça maliyetli olduğu için, araştırmacılar genellikle yılda yalnızca birkaç kez test yapabiliyor. Dolayısıyla, plazma davranışını doğrudan gözlemlemek neredeyse imkânsız hale geliyor.

Fiziğin Bilgeliğine Dönüş

Veri toplama sınırlamasını aşmak için ekip yaratıcı bir çözüm geliştirdi. Plazma dinamiklerini tanımlayan fizik temelli bir modelle sinir ağını birleştirdiler ve modeli İsviçre’deki TCV (Tokamak à Configuration Variable) adlı küçük deneysel füzyon cihazından elde edilen verilerle eğittiler.

Veri seti, plazmanın başlangıç sıcaklığı ve enerji seviyelerindeki değişimlerin yanı sıra deney boyunca ve sonunda kaydedilen ölçümleri içeriyordu. Ekip, verileri kullanarak reaktör operatörlerine plazmanın reaksiyon ilerledikçe nasıl davranacağını gösteren “yörüngeler” (trajectories) üreten bir algoritma geliştirdi.

Model gerçek TCV çalıştırmalarında test edildiğinde, algoritmanın öngördüğü yörüngeleri izlemek operatörlerin reaktörü güvenli şekilde yavaşlatmasını sağladı.

Wang sonuçları şöyle özetledi: “Bunu birçok kez denedik. Her seferinde çok daha iyi sonuçlar elde ettik. İstatistiksel olarak da gelişme sağladığımıza emin olduk.”

Ekip, çalışmalarının füzyon enerjisini güvenilir hale getirmeye yönelik uzun bir sürecin yalnızca ilk adımı olduğunu vurguluyor. Wang sözlerini şöyle tamamladı: “Füzyonu düzenli şekilde kullanılabilir hale getirmek için bilimsel soruları çözmeye çalışıyoruz. Burada yaptığımız şey, hâlâ uzun bir yolculuğun başlangıcı ama kayda değer bir ilerleme kaydettiğimizi düşünüyorum.”

‍

‍

‍

‍

‍

Kaynak: 

https://gizmodo.com/scientists-just-took-a-giant-step-toward-scaling-up-nuclear-fusion-2000670389