Коллективом ученых из Принстонского университета, Лаборатории физики плазмы Принстонского университета (PPPL), Университета Чунган, Колумбийского университета и Национального университета Сеула в рамках международного сотрудничества разработан новый инструмент искусственного интеллекта для мониторинга и управления состоянием плазмы в системах с ядерным топливом. Данный программный комплекс, названный исследователями Diag2Diag, представлен в статье «Multimodal super-resolution: discovering hidden physics and its application to fusion plasmas», опубликованной в журнале Nature Communications.

Система Diag2Diag включает в себя диагностические методики анализа плазмы. Датчики термоядерной системы регистрируют плотность, температуру и другие параметры плазмы с интервалом в доли секунды. Томсоновское рассеяние представляет пример диагностической методики, используемой в токамаках. Однако частота подобных измерений может оказаться недостаточной для обнаружения резких изменений в быстро изменяющихся состояниях плазмы, что способно привести к дестабилизации плазмы и нарушению стабильности энерговыделения. Разработанный Принстонской группой искусственный интеллект позволяет восполнить недостающие данные.

Азарахш Джалалванд, ведущий автор публикации и научный сотрудник Принстонского университета, поясняет: «Нами разработан метод, позволяющий на основе данных от ряда сенсоров системы синтезировать данные для датчиков другого типа в этой же системе». Согласно заключению исследователей, синтезированные данные обладают большей детализацией по сравнению с показаниями физических датчиков, одновременно сохраняя соответствие реальным измерениям, что повышает надежность мониторинга и управления плазмой. Данная диагностическая методика также способна снизить сложность и стоимость термоядерных систем. По словам Джалалванда, алгоритм Diag2Diag повышает детализацию данных и обеспечивает восстановление показаний при отказах или деградации сенсоров, гарантируя надежность работы системы.

Получение максимально полных данных о непрерывно изменяющихся параметрах плазмы является важным условием для обеспечения надежного функционирования перспективных термоядерных реакторов в качестве источников электроэнергии. Как отмечает Джалалванд: «Современные термоядерные установки представляют собой экспериментальное лабораторное оборудование, поэтому при выходе из строя датчика максимальным последствием становится потеря времени до перезапуска эксперимента. Однако если рассматривать термоядерный синтез в качестве энергетического источника, требуется его круглосуточная бесперебойная работа».

По словам Эгемена Колемена, руководителя исследования и профессора, совмещающего работу в PPPL и Принстонском университете, алгоритм Diag2Diag позволяет «повысить эффективность диагностики без инвестиций в аппаратное обеспечение». Критически важным, но сложным для мониторинга участком плазмы является её периферийная область, где мощные энергетические выбросы, называемые краевыми локализованными модами, создают риски для внутренних стенок реактора. Точный мониторинг этой области с помощью Diag2Diag, по мнению исследователей, позволит оптимизировать параметры плазмы для достижения максимальной энергоэффективности термоядерной реакции. Разработчики отмечают, что ведут работы по расширению функциональности алгоритма. Потенциал Diag2Diag не ограничивается диагностикой плазмы и может быть реализован в других областях, где присутствуют неполные или ограниченные диагностические данные, включая космические аппараты и роботизированную хирургию.