Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton do Departamento de Energia dos Estados Unidos e da Universidade de Princeton desenvolveram uma estrutura de software de inteligência artificial (IA) capaz de realizar uma previsão e controle do plasma de fusão em aproximadamente 20 milissegundos, ajustando rapidamente seu estado, ao mesmo tempo em que está sujeita a rigorosas restrições de segurança de hardware. Os resultados relacionados foram publicados na edição mais recente da revista Nuclear Fusion.

Aplicação da estrutura de IA PACMAN em sistemas de fusão (conceito artístico). Fonte da imagem: Laboratório de Física de Plasma de Princeton do Departamento de Energia dos Estados Unidos

Os cientistas estão explorando a fusão nuclear controlada utilizando dispositivos como o tokamak. O tokamak confina o plasma de alta temperatura em seu interior por meio de fortes campos magnéticos. Para que a reação de fusão continue de forma sustentada, o plasma precisa manter alta temperatura, alta densidade e um estado estável. No entanto, algumas instabilidades no plasma se desenvolvem muito rapidamente e podem se intensificar em poucos milissegundos, muitas vezes rápido demais para que operadores humanos reajam.

Prever o que acontecerá a seguir com o plasma é a chave para controlar a reação de fusão. Simulações computacionais tradicionais podem levar dias ou até meses para serem concluídas, o que não atende aos requisitos de controle em tempo real. Modelos de aprendizado de máquina, por sua vez, podem usar dados experimentais para determinar rapidamente o estado do plasma e prever suas mudanças.

Nesta ocasião, os pesquisadores desenvolveram um sistema chamado PACMAN, ou seja, "Previsão e Controle por Meio de Aprendizado de Máquina". Ele pode chamar simultaneamente vários modelos de IA e ajustar parâmetros relacionados, como equipamentos de aquecimento e campos magnéticos, com base nos resultados das previsões. O sistema também verifica as soluções de controle fornecidas pela IA e estabelece limites de segurança de hardware, garantindo que o equipamento não execute operações fora da faixa de segurança.

Os resultados de 5 experimentos realizados no tokamak da Instalação Nacional de Fusão DIII-D do Departamento de Energia dos Estados Unidos mostraram que o PACMAN é capaz de usar IA para controlar o sistema de aquecimento do plasma, prever explosões de energia na borda do plasma, detectar e controlar ondas de plasma impulsionadas por partículas de alta velocidade, e ainda ajustar a densidade e o estado de rotação do plasma de acordo com metas predefinidas.

Os pesquisadores também usaram o PACMAN para controlar simultaneamente 6 girotrons do dispositivo DIII-D. Os girotrons fornecem energia ao plasma por meio de feixes potentes de micro-ondas. No experimento, a IA foi capaz de ajustar simultaneamente a potência e a posição dos espelhos dos 6 girotrons, fazendo com que esses equipamentos trabalhassem de forma coordenada para atingir as metas estabelecidas pelos pesquisadores.

Os pesquisadores enfatizam que a IA não substituiu o controle humano sobre os experimentos de fusão. As metas experimentais e os parâmetros de controle ainda são definidos pelos cientistas, e o sistema sempre executa as restrições de segurança de hardware.