• Coraz bliżej do realizacji ludzkiego marzenia o niekończącej się, czystej energii
• 35 krajów uczestniczy w budowie najbardziej skomplikowanej maszyny świata
• Polacy, członkowie konsorcjum, dostarczą inteligentnych rozwiązań do analizy i kontroli

W południowej Francji na 42-hektarach powstaje reaktor fuzyjny, jeden z największych zaawansowanych technologicznie projektów naukowych współczesnej historii. Sztuczna inteligencja odegra w nim ważną rolę. W przedsięwzięciu uczestniczy również Polska.

Celem inwestycji jest osiągnięcie kolejnego etapu ewolucji energii jądrowej.

Doczekamy się?

Budowa reaktora trwa od 6,5 roku i jest ukończona w 65 procentach. – Jesteśmy na dobrej drodze do oficjalnego uruchomienia reaktora pod koniec 2025 r. – zapowiedziała rzeczniczka ITER Sabina Griffith na ostatniej konferencji prasowej. Pełny rozruch instalacji potrwa około 10 lat.

Wtedy przekonamy się, czy jesteśmy w stanie poskromić olbrzymią energię i zrobić z niej dobry użytek. Znalezienie nowego źródła energii, produkowanego bezemisyjnie, pozwoliłoby wyeliminować problemy klimatyczne.

W budowę reaktora termojądrowego nazwanego ITER (International Test Reactor) zaangażowało się 35 krajów. Wśród nich są między innymi: Unia Europejska, Stany Zjednoczone, Japonia, Korea Płd., Chiny, Rosja i Indie oraz od niedawna Kazachstan i Australia.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?time_continue=111&v=cCkp2SEsfao

Dotychczas gigantyczna – jedna z najdroższych na świecie – inwestycja pochłonęła 18 miliardów euro. Ma gwarantować dodatni bilans energetyczny; w wyniku dostarczenia 50 MW będzie można uzyskać ok. 500 MW energii.

Czwarty stan materii

Paliwem wejściowym do tokamaka ITER, urządzenia pozwalającego na przeprowadzenie kontrolowanej reakcji termojądrowej, będą izotopy wodoru: deuter i tryt, z których powstanie cięższy hel oraz ogromne ilości energii. Synteza termojądrowa to połączenie jąder atomowych i wytworzenie nowych pierwiastków.

W tej reakcji energia uzyskiwana jest dzięki einsteinowskiemu równaniu: E = mc2, gdzie E jest energią, m – masą, a c – prędkością światła do kwadratu. Reakcje termojądrowe zasilają gwiazdy, np. Słońce. W każdej sekundzie Słońce wytwarza ilość energii podobną eksplozji bilionów bomb atomowych.

Jak to zrobić na Ziemi? Wystarczy rozgrzać gaz do ponad 150 milionów stopni Celsjusza – to dziesięć razy więcej, niż w środku Słońca. Powstaje wtedy plazma, czwarty stan skupienia. Tak, jak to dzieje się w środku Słońca czy innych gwiazd. Izotopy wodoru: wszechobecny w oceanach deuter i tryt ukryty w litowych skałach, zderzając się wytwarzają ogromną energię kinetyczną niesioną przez neutrony. Te uderzają w specjalny płaszcz reaktora, który odbierając ją wytwarza parę wodną napędzającą turbiny.

Instalacja ITER będzie ważyć 23 tysiące ton, tyle co trzy wieże Eiffla, a cały obiekt 400 tysięcy ton – więcej niż dwa Empire State Building

Do utrzymania plazmy w reaktorze potrzeba ultrasilnych nadprzewodzących magnesów. Wytwarzają one pole silniejsze tysiące razy od ziemskiego przyciągania. Są umieszczone w ciekłym helu, w temperaturze podobnej do tej panującej w przestrzeni kosmicznej – minus 269 stopni Celsjusza w tzw. kriostacie, który otacza hipergorąca plazma.

To niezwykle skomplikowana, ale i bardzo efektywna metoda wytwarzania energii: obliczono, że 250 kg „paliwa” termojądrowego daje jej tyle, co 3 miliony ton węgla. I to bez dymu, smogu, gazów cieplarnianych i odpadów radioaktywnych. Do tej pory zbudowano na świecie 200 tokamaków. Ten we Francji będzie najpotężniejszy.

Dane z innych tokamaków

Przed uszkodzeniem tokamaków ma chronić sztuczna inteligencja. Głębokie uczenie ma pozwolić na prognozowanie nagłych zakłóceń, które mogłyby zatrzymać reakcje fuzji i uszkodzić tokamak. Obliczenia wykonuje najszybszy komputer na świecie – amerykański Summit, modelując tokamak pracujący jak ITER.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=Rc7uUhpEtC0&feature=youtu.be

Dla uczenia głębokiego kluczowy jest dostęp do ogromnych baz danych. Dostarczyły ich tokamak z Narodowego Zakładu Fuzji DIII-D w Kalifornii i European Torus (JET) w Wielkiej Brytanii, zarządzany przez EUROfusion (Europejskie Konsorcjum Rozwoju Energii Termojądrowej).

Olbrzymie bazy danych pozwoliły amerykańskim naukowcom skutecznie prognozować zakłócenia na tokamakach innych niż te, na których system się szkolił. Dobrze to wróży przewidywaniu zakłóceń ITER.

Algorytm głębokiego uczenia się, nazwany FNN (Fusion Recurrent Neural Network), pokazał potencjalne ścieżki kontrolowania i przewidywania zakłóceń przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby fałszywych alarmów. System zbliża się obecnie do wymogu ITER, zakładającego minimum 95 procent poprawnych prognoz oraz mniej niż 3 proc. fałszywych alarmów.

Polskie oprogramowanie

Tokamak ITER będzie ponad 8 razy bardziej pojemny (830 metrów sześciennych) od największego obecnie europejskiego JET w Wielkiej Brytanii. Wyprodukowany przez Indie kriostat ma 16 tys. metrów sześciennych. Jego średnica i wysokość wynoszą prawie 30 metrów, waży 3 tys. 850 ton. Cała instalacja ITER będzie ważyć 23 tysiące ton, tyle co trzy wieże Eiffla, a cały obiekt 400 tysięcy ton – więcej niż dwa Empire State Building.

Systemy diagnostyczne tokamaka będą dostarczone przez różne kraje, również Polskę. Naukowcy z Politechniki Łódzkiej [PATRZ RAMKA] uczestniczą w projekcie już od 2010 r. Opracowują podsystemy oprzyrządowania i sterowania. Mają one zapewniać stabilne sterowanie tokamakiem, gwarantować bezpieczeństwo pracy, diagnostykę plazmy oraz pozwalać na przeprowadzanie badań fizycznych. Są również odpowiedzialni m.in. za dostarczenie kompletnych systemów elektronicznych i oprogramowania.

8 GB na sekundę

Najważniejszym dla oprzyrządowania i sterowania jest system akwizycji danych, zbierający sygnały z kilkudziesięciu tysięcy czujników, cyfrowych i analogowych. W ITER będzie mierzonych ok. 100 tys. analogowych wartości, takich jak: temperatura, prędkość przepływu czy gęstość elektronowa plazmy.

To ogromne wyzwanie i wymaga użycia najnowszych technologii przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, tj. układy FPGA (Field Programmable Gate Array), procesory GPU (Graphics Processing Unit) i CPU (Central Processing Unit). Potrzebna jest też platforma sprzętowa, pozwalająca na integrację układów diagnostyki i przetwarzania danych, a w efekcie sterowanie samą plazmą i utrzymanie jej w stabilnych warunkach.

Diagnozowanie plazmy wymusza konieczność użycia systemów wizyjnych, monitorujących promieniowanie podczerwone i promieniowanie gamma. Do tego potrzebne są ultraszybkie kamery, wykonujące nawet 200 tys. klatek na sekundę. Będą one dostarczać ogromne ilości danych. Z jednej kamery pochodzi ok. 8 GB danych na sekundę, a takich kamer w ITER będzie ok. 200. Więc są to potężne ilości danych, które trzeba przetworzyć w czasie rzeczywistym. Nad tym również pracują polscy inżynierowie. Ich systemy mają być zintegrowane z opracowaniami innych naukowców.

Niemiecka gwiazda i egzotyka

Bolączką tokamaków jest fakt, że muszą pracować impulsowo. Czyli wyładowania trwają obecnie do kilkudziesięciu sekund. Nad ciągłością wyładowań, co jest kolejnym wyzwaniem dla przyszłości energii, pracują inżynierowie z Instytutu Maxa Plancka w Niemczech, również współpracując z Polakami, m.in. z Instytutu Badań Jądrowych z Krakowa i Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrofuzji z Warszawy.

Projekt jest międzynarodowy, a polskie instytuty naukowe uczestniczą w nim od 2006 roku. Badania prowadzone tu z użyciem stellaratora, urządzenia działającego podobnie do tokamaka, mają służyć m.in. do budowy wysoce wydajnych reaktorów termojądrowych, w tym ITER.

250 kg „paliwa” termojądrowego daje jej tyle, co 3 miliony ton węgla. I to bez dymu, smogu, gazów cieplarnianych i odpadów radioaktywnych.

Oddany naukowcom do badań stellarator Wendelstein 7-X był budowany przez 10 lat od 2004 roku. Polacy współtworzyli system wstrzeliwania izotopów wodoru – deuteru lub trytu – do gorącej plazmy wodorowej, opracowali system zasilania cewek nadprzewodzących i zbudowali elementy systemu diagnostyki stellaratora. Pierwsze wyładowanie w Wendelstein 7-X w 2015 roku trwało raptem ułamek sekundy, ale w ub. roku wyładowania w podgrzanej do 20 milionów stopni Celsjusza plazmie podtrzymano przez 100 sekund. Już za kilka lat, dzięki przebudowie ścian stellaratora, wyładowania mają trwać do 30 minut.

„Jeśli cały projekt się powiedzie, dzisiejsze problemy z dostępnością energii będą egzotyką z przeszłości” – napisał dla portalu Energetyka24.pl Marcin Jakubowski, fizyk w Instytucie Fizyki Maxa Plancka, zajmujący się badaniami nad syntezą termojądrową.

ITER, SI i nobliści

O problemach klimatycznych, zrównoważonym rozwoju oraz sztucznej inteligencji rozmawiali niedawno nobliści podczas tegorocznej 69. edycji spotkania. W wydarzeniu wzięło udział trzydziestu dziewięciu laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Przedstawiciele ITER wystąpili w panelu dyskusyjnym pt. „Jak nauka może zmienić świat na lepsze?

Stwierdzili oni, że dzięki sztucznej inteligencji rozwój bezpiecznej, czystej i praktycznie nieograniczonej energii z syntezy jądrowej do wytwarzania energii elektrycznej przyspieszył. Ważne działania w tym kierunku są realizowane w Laboratorium Fizyki Plazmy Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i na Uniwersytecie Princeton.

„Sztuczna inteligencja jest obecnie najbardziej intrygującym obszarem rozwoju naukowego, a małżeństwo z nauką fuzji jest bardzo ekscytujące” – powiedział Bill Tang, główny fizyk badawczy, profesor w Wydziale Nauk Astrofizycznych Uniwersytetu Princeton, który nadzoruje projekt SI związany z fuzją atomową.

Wartość dodana

ITER to nie tylko wydatki. W latach 2008-2017 przyniósł w postaci kontraktów i dotacji prawie 4,8 mld euro wartości dodanej brutto na obszarze Unii Europejskiej. „Praca nad projektem generuje nową bazę wiedzy, oferuje nowe możliwości biznesowe oraz zwiększa konkurencyjność i wzrost gospodarczy, pomagając w tworzeniu dodatkowych miejsc pracy” – podsumowano debatę o ITER, zorganizowaną w Parlamencie Europejskim w styczniu br. 

Są też dobre „efekty uboczne”. To dzięki ITER powstał prototyp robota ROSE (Remotely Operated SErvice Robot), zapewniającego wsparcie w opiece domowej dla osób starszych i potrzebujących. Roboty te, po uruchomieniu reaktora będą zdalnie wykonywać jego konserwację.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=PwVeNwgZxyQ

Z kolei technologia nadprzewodnikowa, rozwijana przez lata w związku z ITER, doprowadziła do powstania szeregu udoskonaleń w sektorze zdrowia (to np. skanery rezonansu magnetycznego). Najnowszym ważnym produktem ubocznym prac w ramach projektu ITER jest nadprzewodzący kabel, który może być wykorzystywany do przesyłu energii na duże odległości w całej Europie.

• CeNTE
• deuter
• Euratom
• EuroFusion
• Francja
• fuzja jądrowa
• hel
• Instytut Maxa Plancka
• ITER
• JET
• nauka
• plazma
• Politechnika Łódzka
• Princeton
• tryt
• Wendelstein
• wodór