Konsorcjum EUROfusion, wspierając postępy w badaniach nad energią z syntezy jądrowej, uruchomiło 15 nowych projektów badawczych, które angażują ekspertów z dziedziny data science z całej Europy. Projekty te wykorzystają największy i najbardziej zróżnicowany na świecie zestaw danych z eksperymentów nad syntezą termojądrową, aby opracować optymalne metody rozumienia i kontrolowania procesu fuzji izotopów wodoru, przyspieszając tym samym drogę do jego praktycznego zastosowania w energetyce.

Nowe technologie w polskich badaniach nad syntezą jądrową

Jeden z projektów został przyznany zespołowi badawczemu z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM), który zajmuje się rozwojem diagnostyki LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) w kontekście badań nad fuzją jądrową. Naukowcy, którzy wcześniej uczestniczyli w kluczowych eksperymentach LIBS jako zastosowanie zdalnie sterowanej głowicy diagnostycznej w tokamaku FTU we Włoszech, obecnie skupią się na wdrażaniu metod uczenia maszynowego do masowego przetwarzania danych spektroskopowych. Ich celem jest wykorzystanie modeli opartych na sieciach konwolucyjnych, które świetnie sprawdzają się w analizie obrazów, do nowych wyzwań w diagnostyce spektralnej. Choć dane spektroskopowe wymagają specyficznych metod wstępnej obróbki i architektury sieci, główny autor projektu dr inż. Paweł Gąsior z IFPiLM, podkreśla, że potencjał sztucznej inteligencji może przynieść podobne przełomowe rezultaty, jak te obserwowane w innych dziedzinach, takich jak rozpoznawanie obrazów. Oprócz zespołu z IFPiLM zaangażowani w badania są także naukowcy z CU (Słowacja) i FZJ (Niemcy). Pierwszy test nowatorskiego podejścia zostanie przeprowadzony na podstawie danych z trwającego eksperymentu LIBS for JET na tokamaku JET w Culham w Wielkiej Brytanii, co otwiera nowe perspektywy dla zastosowań technologii LIBS w badaniach fuzji jądrowej.

Energia z fuzji jądrowej obiecuje dostarczenie bezpiecznej, zrównoważonej i niskoemisyjnej energii, uzupełniając inne czyste źródła energii, takie jak słońce i wiatr. Aby to osiągnąć, konieczne jest pokonanie złożonych wyzwań fizyki i inżynierii, takich jak zrozumienie ruchu naładowanych cząstek w polu magnetycznym, łagodzenie zakłóceń, analiza erozji materiałów oraz przetwarzanie danych wystarczająco szybko do wykorzystania w pętlach sterowania. Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe oferują nowe możliwości pogłębienia naszej wiedzy na temat tych zjawisk. Są to narzędzia, które umożliwiają znaczny postęp we wszystkich tych pozornie całkowicie odmiennych obszarach badawczych.

Dr inż. Paweł Gąsior podkreśla, że zastosowanie sztucznej inteligencji może przynieść przełomowe rezultaty: „Uczenie maszynowe, szczególnie sieci konwolucyjne, wykazało niezwykłą zdolność do rozpoznawania wzorców w dużych zbiorach danych. Dzięki temu mogą one znacząco wspomóc przetwarzanie danych spektralnych, które mimo swojej wrażliwości na warunki eksperymentalne, zawierają informacje zakodowane w sposób zbyt złożony, by tradycyjne metody przetwarzania mogły je uchwycić”.

Sztuczna inteligencja przyspieszy postęp w badanach

„Dzięki nowym projektom badawczym w dziedzinie sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, EUROfusion dąży do przyspieszenia postępów w kierunku energii fuzyjnej i wspiera bieżące wysiłki w ramach swoich pakietów roboczych” – wyjaśnia Sara Moradi z Jednostki Zarządzania Programami EUROfusion. „Uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja są potężnymi narzędziami do wyciągania wniosków z danych, odkrywania wzorców i proponowania schematów sterowania, które są zbyt obliczeniowo wymagające, aby je zidentyfikować za pomocą tradycyjnych modeli komputerowych”.

Obszerny zestaw danych EUROfusion dotyczący eksperymentów fuzyjnych został zgromadzony przez dziesięciolecia badań, od najwcześniejszych maszyn fuzyjnych po najnowocześniejsze systemy obecnie działające. Ten niezrównany zasób pozwala EUROfusion na wyjątkowe prowadzenie aplikacji sztucznej inteligencji w badaniach fuzyjnych.

Fuzja jest doskonałym poligonem doświadczalnym dla sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, zgadza się José Vicente (Uniwersytet Lizboński), główny badacz jednego z piętnastu projektów. „Jako bardzo złożony system ma wiele otwartych pytań. Możemy już na nie odpowiadać dzięki dzisiejszym dużym ilościom danych eksperymentalnych i realistycznym symulacjom numerycznym kluczowych zjawisk fizycznych, ale nie na wszystkie - to jest luka, którą sztuczna inteligencja może pomóc wypełnić”.

Piętnaście projektów otrzyma łącznie 2 659 000 euro, z czego połowa pochodzi ze wspólnego finansowania współpracy instytutów macierzystych badaczy, a połowa z EUROfusion. Projekty badawcze będą realizowane przez okres dwóch lat.

Projekty wsparte przez EUROfusion, w tym ten realizowany przez zespół z IFPiLM, mają ogromny potencjał do rozwiązywania kluczowych wyzwań w badaniach nad syntezą jądrową. Dążenie do efektywniejszych i bardziej precyzyjnych strategii kontrolnych zbliża nas do realizacji energii fuzyjnej jako zrównoważonego źródła energii przyszłości.

Artystyczna wizja badań nad sztuczną inteligencją dla fuzji jądrowej. Credit: Pexels / GoogleDeepMind

Lista projektów:

David Zarzoso (CEA / CNRS, France)
Artificial Intelligence augmented Scrape Off Layer modelling for capturing impact of filaments on transport and PWI in mean field codes simulations.

Feda Almuhisen (CEA / Aix-Marseille Université, France)
Towards Tokamak operations Conversational Artificial Intelligence Interface Using Multimodal Large Language Models

Augusto Pereira (CIEMAT, Spain)
Testing cutting-edge Artificial Intelligence research to increase pattern recognition and image classification in nuclear fusion databases

Sven Wiesen (DIFFER, the Netherlands)
Machine learning accelerated Scrape Off Layer L simulations: SOLPS-NN

Gergő Pokol (EK-CER, Hungary)
Fast inference methods of advanced diagnostics for real-time control

Riccardo Rossi (ENEA / Università di Roma Tor Vergata, Italy)
Artificial Intelligence-assisted Causality Detection and Modelling of Plasma Instabilities for Tokamak Disruption Prediction and Control

Michela Gelfusa (ENEA / Università di Roma Tor Vergata, Italy)
Development of Physics Informed Neural Networks (PINNs) for Modelling and Prediction of Data in the Form of Time Series

Alessandro Pau (EPFL, Switzerland)
Artificial Intelligence-assisted Plasma State Monitoring for Control and Disruption-free Operations in Tokamaks

Paweł Gąsior (IPPLM, Poland)
Laser Induced Breakdown Spectrocopy data-processing with Deep Neural Networks and Convolutional Neural Networks for chemical composition quantification in the wall of the next step-fusion reactors

Jose Vicente (IST, Portugal)
Deep Learning for Spectrogram Analysis of Reflectometry Data

Geert Verdoolaege (LPP-ERM-KMS / Ghent University, Belgium)
Identification and confinement scaling of hybrid scenarios across multiple devices

Marcin Jakubowski (IPP, Germany)
Leveraging Generative Artificial Intelligence Models for Thermal Load Control in High-Performance Steady-State Operation of Fusion Devices

Daniel Böckenhoff (IPP, Germany)
Surrogate modelling of ray-tracing and radiation transport code for faster real-time plasma profile inference in a magnetic confinement device

Antti Snicker (VTT, Finland)
Applying Artificial Intelligence/Machine Learning for Neutral Beam Injection ionization and slowing-down simulations using ASCOT/BBNBI

Aaro Järvinen (VTT, Finland)
Machine learning accelerated pedestal Magneto Hydro Dynamics stability simulations

Źródło: EUROfusion

W ostatnim czasie dr hab. Agata Chomiczewska, prof. IFPiLM, oraz dr inż. Natalia Wendler wzięły udział w międzynarodowej konferencji Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices PSI-26 w Marsylii, podczas której zaprezentowały wyniki swoich badań z unikalnej kampanii deuterowo-trytowej na tokamaku JET. Tegoroczna edycja wspomnianej konferencji odbyła się w 50. rocznicę jej powstania. W ramach wydarzenia prelegenci mieli niezwykłą możliwość wizyty na budowie największego projektu naukowego na świecie, jakim jest tokamak ITER. Była to wyjątkowa okazja do bezpośredniej obserwacji postępów prac przy instalacji kluczowych komponentów przyszłego eksperymentalnego reaktora termojądrowego.

Dr hab. Agata Chomiczewska podzieliła się swoimi wrażeniami: „Wizyta w ITER budzi niezwykłe emocje. Możliwość zobaczenia na własne oczy budowy gigantycznego reaktora termojądrowego jest niesamowitym przeżyciem. Obserwując z bliska skomplikowaną infrastrukturę i zaawansowane technologie, łatwo poczuć się częścią projektu, który może zrewolucjonizować światową energetykę”.

Podobne odczucia wyraziła dr inż. Natalia Wendler: „Wrażenia z pierwszej wizyty w ITER są dla mnie niezapomniane. To miejsce, gdzie naukowcy z całego świata łączą siły, pracując nad technologią, która może odmienić przyszłość energetyki. Widok tak skomplikowanej instalacji budzi respekt i podziw, a jednocześnie motywuje do dalszej pracy oraz pokonywania wyzwań, jakie niesie ze sobą projekt o tak ogromnym potencjale”.

ITER, czyli droga po łacinie, to międzynarodowy projekt naukowy mający na celu zademonstrowanie możliwości kontrolowanej fuzji jądrowej jako praktycznego źródła energii. Tokamak to urządzenie, które wykorzystuje pole magnetyczne do ograniczania gorącej plazmy, niezbędnej do przeprowadzenia reakcji termojądrowej podobnej do tych zachodzących we wnętrzu Słońca. Sukces ITER może być przełomem w dążeniu do czystej i niemal nieograniczonej energii, co ma ogromne znaczenie dla przyszłości globalnej energetyki.

Zapraszamy do obejrzenia krótkiej relacji.

W dniach 9-10 czerwca 2024 roku w Auli Wielkiej Politechniki Warszawskiej odbył się 2. Kongres "Nauka dla Społeczeństwa" pod hasłem "Tak nauka w Polsce wpływa na życie każdego człowieka". Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) zaprezentował swoje osiągnięcia na specjalnym stoisku, gdzie goście mogli zapoznać się z tematyką syntezy jądrowej oraz działalnością naukową Instytutu.

Głównym obszarem badań IFPiLM jest wykorzystanie kontrolowanej fuzji jądrowej do produkcji energii elektrycznej w sposób bezpieczny i przyjazny dla środowiska. Instytut jest zaangażowany w prace diagnostyczne, modelowanie zjawisk plazmowych, badania zachowania zanieczyszczeń plazmy oraz oddziaływanie plazmy na powierzchnie konstrukcyjne.

Na stoisku IFPiLM zostały zaprezentowane modele 3D eksperymentalnego tokamaka ITER budowanego w Cadarache we Francji oraz model stellaratora. Oba te urządzenia wykorzystują pole magnetyczne do utrzymywania gorącej plazmy z dala od wewnętrznych ścian zbiornika, co pozwala na bezpieczne przeprowadzanie reakcji syntezy w temperaturze sięgającej 100-150 milionów stopni Celsjusza.

Specjaliści z Zakładu Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej przedstawili wyniki badań nad plazmą laserową, w kontekście produkcji energii z fuzji z inercyjnym utrzymaniem plazmy. Goście mogli także obejrzeć film prezentujący laboratoria IFPiLM oraz zaopatrzyć się w liczne materiały edukacyjne.

W trakcie Kongresu dr hab. Agata Chomiczewska z IFPiLM udzieliła wywiadu reporterowi TVP. Relację z wydarzenia oraz wypowiedź dr hab. Agaty Chomiczewskiej można obejrzeć na stronie internetowej TVP3 w programie "Dziennik Regionów" z 9 czerwca 2024 roku (początek relacji: 9:23).

Pierwszego dnia Kongresu gościem honorowym był minister nauki Dariusz Wieczorek, który w swoim wystąpieniu podkreślił znaczenie zwiększania nakładów na badania i rozwój oraz promowanie wyników pracy naukowców i instytucji badawczych. Na zakończenie spotkania minister Wieczorek wraz z przewodniczącym Rady Głównej Instytutów Badawczych, prof. Henrykiem Skarżyńskim, wręczyli uczestnikom okolicznościowe statuetki i dyplomy.

Zdjęcie: IFPiLM

Zakończyła się 17. edycja Letniej Szkoły Fizyki Plazmy Kudowa Summer School „Towards Fusion Energy”. W wydarzeniu zorganizowanym przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w dniach 3-7 czerwca 2024 roku w Kudowie-Zdroju uczestniczyło 61 osób z 11 krajów.

Ceremonię otwarcia poprowadził dyrektor Szkoły dr Jozef Ongena z Royal Military Academy w Brukseli. Na czele komitetów naukowego i organizacyjnego stanęły dr hab. Monika Kubkowska oraz dr Agnieszka Jardin z IFPiLM.

Program obejmował wykłady 25 wybitnych specjalistów z wiodących ośrodków naukowych, takich jak: Max Planck Institute for Plasma Physics (Niemcy), Kyoto University (Japonia), University of York (Wielka Brytania), UKAEA (Wielka Brytania), CEA IRFM (Francja), ENEA (Włochy), CELIA (Francja), ELI ERIC (Czechy) oraz ITER Organization.

Podczas sesji studenckich 19 uczestników zaprezentowało wyniki swoich badań. Najlepsze prezentacje zostały nagrodzone. Sebastian Thiede z Max Planck Institute for Plasma Physics zdobył pierwsze miejsce. Letizia Melaragni z University of Tuscia (Włochy) oraz Mateusz Majszyk z Wojskowej Akademii Technicznej zajęli ex aequo drugie miejsce. Trzecie miejsce przyznano Agnieszce Wojtusiak z Science and Technology Facilities Council (Wielka Brytania) oraz Janowi Novotnemu z Faculty of Electrical Engineering CTU in Prague (Czechy). Nagrodę specjalną otrzymał Yurii Martseniuk z National Science Center Kharkiv Institute of Physics and Technology (Ukraina).

Wyróżniono także uczestników ze stopniem naukowym doktora: Agnieszkę Jardin, Grzegorza Pełkę i Łukasza Syrockiego z IFPiLM.

Tematyka zajęć obejmowała różnorodne aspekty fizyki plazmy, w tym energetykę termojądrową, eksperymenty z wykorzystaniem plazmy, jej technologie oraz diagnostykę.

Współorganizatorem wydarzenia był Krajowy Punkt Kontaktowy Euratom-IFPiLM. Sponsorami byli: EKSPLA, IRtech Sp. z o.o., LTB Lasertechnik Berlin GmbH, Precoptic, Quantum Design.

Kolejna edycja Letniej Szkoły Fizyki Plazmy odbędzie się w 2026 roku. Już dziś zapraszamy do udziału w tym wyjątkowym wydarzeniu!

Uczestnicy 17. edycji Kudowa Summer School

Zdjęcie: IFPiLM

Dwa projekty zgłoszone przez pracowników IFPiLM, które znalazły się na rezerwowej liście w konkursach OPUS 25 i Preludium 22, otrzymały dofinansowanie.

Sfinansowanie dodatkowych projektów badawczych w konkursach było możliwe dzięki zwiększeniu w 2024 r. budżetu Narodowego Centrum Nauki przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Projekt, zgłoszony w ramach konkursu OPUS, pt. „Badania eksperymentalne reakcji syntezy proton-bor (p+B) w układzie Plasma-Focus” będzie realizowany wspólnie z Instytutem Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN. Jego celem jest pokazanie możliwości wywołania reakcji p–¹¹B w urządzeniu typu Plasma-Focus oraz zmierzenie produktów tej reakcji. Eksperymenty przeprowadzone w ramach projektu zweryfikują model teoretyczny i możliwość wykorzystania Plasma-Focus do syntezy proton-bor. Natomiast opracowany model teoretyczny pozwoli określić, czy możliwe jest uzyskanie częściowo samopodtrzymujących się reakcji w warunkach Plasma-Focus poprzez pułapkowanie protonów i cząstek alfa w silnym polu magnetycznym.

Projekt w ramach konkursu Preludium pt. „Anomalny transport elektronów w częściowo namagnetyzowanej plazmie wywołany azymutalnymi oscylacjami” otrzymał zespół pracowników z Laboratorium Plazmowych Napędów Satelitarnych IFPiLM. Wnioskodawcą projektu był mgr inż. Olgierd Cichorek.

Projekt dotyczy badań przepływów plazmy w rakietowych silnikach elektrycznych typu Halla. Zasada działania silników Halla wykorzystuje efekt zmniejszenia mobilności elektronów w polu magnetycznym. Jednak klasyczna, zderzeniowa teoria przewodnictwa elektronowego przewiduje znacząco niższe wartości przewodnictwa elektronowego od wartości obserwowanych w eksperymentach. Dokładne zjawiska fizyczne powodujące zwiększone wartości przewodnictwa obserwowane doświadczalnie nie są znane; nadmiarowe przewodnictwo przyjęto więc nazywać anomalnym przewodnictwem elektronowym. Obecnie podejrzewa się, że kluczową rolę w mechanizmach anomalnego przewodnictwa elektronowego odgrywają oscylacje plazmowe propagujące się w kierunku azymutalnym, prostopadłym do zasadniczej, radialnej składowej pola magnetycznego.

Projekt zakłada przebadanie przepływu plazmy w silniku Halla pod kątem znalezienia warunków generacji oscylacji azymutalnych. W tym celu zostanie przeprowadzony eksperyment z obrazowaniem plazmy za pomocą szybkiej kamery fotograficznej. Uzyskane wyniki zostaną porównane z obliczeniami numerycznymi. Głównym celem projektu jest ustalenie, czy w punktach pracy silnika wykazujących obecność oscylacji azymutalnych będą występować także zwiększone wartości przewodnictwa elektronowego.

Laboratorium Plazmowych Napędów Satelitarnych	Silnik Halla

Laureatom serdecznie gratulujemy i życzymy sukcesów w pracy naukowej!

Zdjęcia: IFPiLM