神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與未來的 NSTX-U裝置結(jié)合,加速核聚變技術(shù)的研究

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域都從中獲取到了發(fā)展的巨大力量。除了自動(dòng)駕駛、人臉識(shí)別、理解語言外，機(jī)器學(xué)習(xí)還將幫助人類創(chuàng)造更加清潔的能源未來。

來自普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員們將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到等離子體的建模和預(yù)測中，使得快速調(diào)控產(chǎn)生熱核聚變的等離子體成為可能。

熾熱的等離子體

太陽和絕大多數(shù)恒星上都由等離子體進(jìn)行著不斷的聚變，照亮了白天閃耀著黑夜。等離子體是一種由自由電子和原子核/離子組成的物質(zhì)狀態(tài)是驅(qū)動(dòng)聚變的基礎(chǔ)。

在地球上，人們使用托卡馬克等磁約束設(shè)備將超高溫的等離子體約束起來，模擬太陽的聚變反應(yīng)，期待實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生幾乎無限能源的可控核聚變。

科學(xué)家必須加熱并控制等離子體的狀態(tài)才能穩(wěn)定有效地控制設(shè)備輸出能量。普林斯頓的研究人員利用機(jī)器學(xué)***提升了對(duì)于等離子體的控制效果。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的代表性方法——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了模型，并在先進(jìn)聚變?cè)O(shè)備NSTX-U產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上進(jìn)行了訓(xùn)練。

訓(xùn)練后的模型可以精確的預(yù)測中子束射流產(chǎn)生高能粒子的動(dòng)力學(xué)行為，而這些高能粒子真實(shí)用于生成和加熱聚變反應(yīng)的原料，它們將會(huì)把等離子體加熱到上百萬度以便開始熱核反應(yīng)。

在此之前研究人員通常使用復(fù)雜的程序來對(duì)粒子行為進(jìn)行預(yù)測，這種稱為NUBEAM的程序需要節(jié)約和中子束與等離子體的碰撞信息才能計(jì)算。理想情況下，如果要分析實(shí)驗(yàn)中等離子體的行為，這種復(fù)雜的計(jì)算需要事先每秒上百次的分析。

然而現(xiàn)實(shí)情況卻是每次這樣的復(fù)雜計(jì)算在現(xiàn)有技術(shù)水平下需要耗時(shí)幾分鐘，研究人員只能在每次只持續(xù)幾秒的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后慢慢進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

最新的機(jī)器學(xué)習(xí)模型則將這一預(yù)測時(shí)間減小到了150ms內(nèi)，使得分析計(jì)算得以在每次實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行。

這一模型最初的應(yīng)用在于估計(jì)等離子體行為中不易直接測量的特點(diǎn)。這一技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合后，就可以根據(jù)有限的測量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，能夠幫助系統(tǒng)更好的控制等離子體系統(tǒng)，并調(diào)整粒子注入方式以優(yōu)化和維持等離子體的穩(wěn)定性，這對(duì)于核聚變反應(yīng)至關(guān)重要。

快速評(píng)測

除了在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)分析，兩次實(shí)驗(yàn)之間的快速測評(píng)將幫助操作員更好的理解系統(tǒng)的狀態(tài)并調(diào)整下次實(shí)驗(yàn)。在15-20分鐘的實(shí)驗(yàn)間隔中，加速模型將給操作員提供豐富的信息來調(diào)整中子射流，以便改進(jìn)下一次實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)。

研究人員同時(shí)還構(gòu)建了包含各種狀況等離子體的NUBEAM計(jì)算數(shù)據(jù)集，可以利用它們訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)預(yù)測中子束與等離子體作用的效果，包括加熱過程和電流包絡(luò)等。在與軟件工程師的合作下，他們還開發(fā)出了評(píng)測軟件來在計(jì)算機(jī)上測試模型對(duì)于聚變反應(yīng)主動(dòng)控制的效果。

研究人員們?cè)诓粩嚅_發(fā)新的機(jī)型，為了盡量避免等離子的意外瓦解，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備造成的巨大損害。他們還充分利用了機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測等離子體瓦解的過程。

研究人員通過RNN來處理傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并在每ms更新系統(tǒng)的瓦解率，在達(dá)到報(bào)警閾值是發(fā)出信號(hào)來控制氣體注入減小等離子體瓦解產(chǎn)生的副作用。

研究人員表示未來將把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與未來的NSTX-U裝置結(jié)合起來，并應(yīng)用于其他的聚變裝置，并且將會(huì)把這種方法拓展到聚變中多種等離子體行為的研究中，加速核聚變技術(shù)的研究。