Des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton du Département de l'énergie des États-Unis et de l'Université de Princeton ont développé un cadre logiciel d'intelligence artificielle (IA) capable de réaliser une prédiction et un contrôle du plasma de fusion en environ 20 millisecondes, ajustant rapidement son état, tout en respectant de strictes contraintes de sécurité matérielle. Les résultats concernés ont été publiés dans le nouveau numéro de la revue « Nuclear Fusion ».
Application du cadre d'IA PACMAN dans un système de fusion (illustration conceptuelle). Source de l'image : Laboratoire de physique des plasmas de Princeton du Département de l'énergie des États-Unis
Les scientifiques explorent la fusion nucléaire contrôlée à l'aide de dispositifs tels que les tokamaks. Le tokamak confine en son sein un plasma à haute température au moyen de puissants champs magnétiques. Pour que la réaction de fusion se poursuive, le plasma doit rester à haute température, à haute densité et dans un état stable. Cependant, certains phénomènes d'instabilité dans le plasma se développent très rapidement et peuvent s'intensifier en quelques millisecondes, sans que les opérateurs humains aient le temps de réagir.
Prédire ce qui va se produire ensuite dans le plasma est essentiel pour contrôler la réaction de fusion. Une simulation informatique traditionnelle peut prendre des jours, voire des mois, ce qui ne permet pas de satisfaire aux exigences du contrôle en temps réel. Les modèles d'apprentissage automatique, quant à eux, peuvent utiliser les données expérimentales pour déterminer rapidement l'état du plasma et prédire son évolution.
Cette fois, les chercheurs ont développé un système nommé PACMAN, c'est-à-dire « prédiction et contrôle par apprentissage automatique ». Il peut appeler simultanément plusieurs modèles d'IA et ajuster les paramètres des équipements de chauffage, des champs magnétiques et autres, en fonction des résultats de prédiction. Le système vérifie également les schémas de contrôle proposés par l'IA et définit des limites de sécurité matérielle, afin de garantir que l'équipement n'exécute pas d'opérations dépassant la plage de sécurité.
Les résultats de 5 expériences menées sur le tokamak de l'installation nationale de fusion DIII-D du Département de l'énergie des États-Unis montrent que PACMAN est capable d'utiliser l'IA pour contrôler le système de chauffage du plasma, prédire les explosions d'énergie en bordure du plasma, détecter et contrôler les ondes de plasma entraînées par des particules à grande vitesse, et ajuster la densité et l'état de rotation du plasma selon des objectifs prédéfinis.
Les chercheurs ont également utilisé PACMAN pour contrôler simultanément les 6 gyrotrons du dispositif DIII-D. Les gyrotrons fournissent de l'énergie au plasma au moyen de puissants faisceaux de micro-ondes. Dans l'expérience, l'IA a pu ajuster simultanément la puissance et la position des miroirs des 6 gyrotrons, permettant à ces équipements de travailler en coordination pour atteindre les objectifs fixés par les chercheurs.
Les chercheurs soulignent que l'IA n'a pas remplacé le contrôle humain sur les expériences de fusion. Les objectifs expérimentaux et les paramètres de contrôle sont toujours définis par les scientifiques, et le système applique toujours les limites de sécurité matérielle.