L’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica ha avviato un progetto di ricerca coordinato che intende impiegare l’intelligenza artificiale per accelerare la ricerca e lo sviluppo della fusione nucleare. Questo processo potrebbe cambiare in meglio il futuro della produzione energetica mondiale.

TAKEAWAY

• Sfruttare la fusione nucleare, ovvero l’energia delle stelle, è una delle linee prioritarie su cui si concentrano diversi team di ricerca internazionale, attratti dalle sue potenzialità. Per la sua progressione potrà essere utile l’impiego dell’AI.
• La fusione nucleare suscita un notevole interesse perché è capace di produrre un’enorme quantità di energia a emissioni zero. Su questo si basa la sperimentazione più importante, avviata in Francia con ITER, cui partecipano 35 Paesi (tra cui l’Italia).
• Come potrà essere utile l’intelligenza artificiale per la fusione nucleare lo ha illustrato AIEA, avviando un progetto di ricerca coordinato che durerà fino al 2027. Si intendono sfruttare le potenzialità dell’AI, ma anche superare gli ostacoli presenti.

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Usare le tecniche di intelligenza artificiale per la fusione nucleare, con l’obiettivo di accelerare la ricerca e lo sviluppo attorno al processo alla base dell’energia del sole e delle stelle, è tema di attento studio da parte della comunità scientifica internazionale perché capace di fornire una fonte energetica potenzialmente inesauribile e senza emissioni di CO2.

L’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica (AIEA) ha avviato da poche settimane un progetto di ricerca coordinato (CRP) dedicato a sviluppare conoscenza e modi di impiego dell’AI per lo sviluppo del processo di fusione.

Perché possa essere utile il suo impiego, lo ha spiegato Matteo Barbarino, nuclear plasma fusion specialist di AIEA, illustrando il progetto: una migliore modellazione della dinamica del plasma basata sull’intelligenza artificiale, partendo dai dati sperimentali e dalle simulazioni specifiche, consente di svolgere una modellazione predittiva per il monitoraggio in tempo reale del processo di fusione.

Ciò può fornire risultati rapidi «per esplorare progetti o per quantificare l’incertezza, oltre a migliorare l’analisi dei dati della strumentazione». L’applicazione su larga scala di questi metodi «ha il potenziale per fare progredire la ricerca e lo sviluppo della fusione».

Il CRP di durata quinquennale (2022-2027), avviato dall’Agenzia, vuole superare gli ostacoli oggi presenti nel campo. Lo sviluppo attuale di applicazioni di intelligenza artificiale per la fusione nucleare non è privo di complessità: una è legata ai dati, che differiscono tra i vari istituti. Ciò rende difficile convalidare modelli basati sui dati che coinvolgono sistemi complessi multi-scala e multifisici come quelli richiesti dalla ricerca sulla fusione.

«Un’altra questione critica riguarda l’esitazione a condividere i dati sperimentali o di simulazione a causa delle politiche istituzionali, delle questioni di sicurezza e di proprietà intellettuale», sottolinea ancora Barbarino.

Lo stesso esperto rileva come l’uso delle tecniche che fanno capo all’ambito di studi dell’AI richieda lavoro di squadra e competenze diversificate per progettare soluzioni integrate a sfide di crescente complessità e interdisciplinarità, all’interfaccia tra fisica del plasma, scienza dei materiali e ingegneria nucleare. Superare i problemi e lavorare in modo condiviso e coordinato, impiegando l’AI, permetterebbe di fare salti in avanti importanti a tutto beneficio del futuro dell’energia.

Fusione nucleare: cos’è e quali sono i motivi di interesse

Prima di approfondire come l’AIEA intende promuovere l’impiego dell’intelligenza artificiale per la fusione nucleare nel campo della ricerca e sviluppo, è bene spiegare che la fusione nucleare è il processo attraverso cui due nuclei atomici leggeri si combinano per formare un unico nucleo più pesante, liberando enormi quantità di energia.

Le reazioni di fusione avvengono in uno stato della materia chiamato plasma, un gas caldo e carico composto da ioni positivi ed elettroni in movimento libero con proprietà uniche, diverse da quelle di solidi, liquidi o gas.

Per fondersi nel nostro sole, i nuclei devono scontrarsi tra loro a temperature estremamente elevate: si parla di circa 15 milioni di °C nel centro del sole.

I ricercatori che lavorano alle applicazioni dell’energia di fusione sono particolarmente interessati a quella Deuterio-Trizio, il cui processo avviene a temperature relativamente più basse (quindi più accessibili) rispetto a quelle di altre reazioni di fusione.

Dove si svolge questa reazione? In una apposita centrale a fusione, come ad esempio il tokamak, un dispositivo di forma toroidale (ricorda una ciambella) al cui interno avviene il processo. Il più grande si trova in Francia: qui è stato avviato il più importante esperimento al mondo di energia da fusione, denominato ITER.

Trentacinque Paesi collaborano alla realizzazione e allo studio del dispositivo di fusione magnetica sperimentale, progettato per dimostrare la fattibilità scientifica della fusione come fonte di energia su larga scala e senza emissioni di carbonio.

ITER produrrà burning plasma, in cui più della metà dell’energia per riscaldare il plasma sarà prodotta dal processo di fusione stesso. In queste condizioni, ITER produrrà 500 MW di potenza di fusione fino a 500 secondi. Tuttavia, non verrà trasformata in energia elettrica. 

Il principio fondamentale della fusione si basa sulla collisione di atomi leggeri di idrogeno. Perché possano essere efficaci le reazioni di fusione tra questi atomi, servono tre condizioni fondamentali: temperatura, densità e tempo di confinamento energetico.

I fisici del plasma combinano questi tre parametri, moltiplicandoli insieme per formare il cosiddetto prodotto di fusione. A un certo valore del prodotto di fusione, la reazione diventa autosufficiente: il calore generato dalla reazione è sufficiente a mantenere il plasma caldo e quindi i sistemi di riscaldamento esterni possono essere spenti.

Per raggiungere questo stato esistono due linee di ricerca: la fusione a confinamento magnetico e la fusione a confinamento inerziale. Nella reazione più conveniente per produrre energia, un nucleo di Deuterio e uno di Trizio si fondono formando un nucleo di Elio, con il rilascio aggiuntivo di un neutrone.  Perché sia così interessante la fusione nucleare, lo spiega Francesco Pegoraro, docente di Fisica dell’Università di Pisa: 

«… a parità di massa, questo processo produce circa dieci milioni di volte più energia di quanta ne sia prodotta in un processo chimico di combustione».

Il ruolo dell’intelligenza artificiale per la fusione nucleare

Tutto questo processo, dalle implicazioni straordinarie a livello energetico, è assai complesso e richiede che tutte le condizioni e le parti in gioco siano perfettamente efficienti ed efficaci. Per poterlo essere, può contare anche sull’intelligenza artificiale.

Come entri in azione l’AI per la fusione nucleare, in questo progetto di ricerca coordinato di durata quinquennale, lo specifica la stessa IAEA, che intende accelerare la ricerca e sviluppo sulla fusione con l’artificial intelligence, attraverso una piattaforma e una rete intercomunitaria per l’innovazione e il partenariato.

Il CRP prevede quattro pacchetti di lavoro e altrettanti obiettivi: il primo intende prevedere, identificare e ottimizzare il comportamento del sistema di energia di fusione magnetica in tempo reale mediante metodi di intelligenza artificiale.

Nel secondo si vuole giungere alla comprensione della fisica dell’energia di fusione inerziale attraverso dati di simulazione, calcoli teorici e dati sperimentali, sfruttando sempre metodi di AI. Il terzo pacchetto contempla la fattibilità di una banca dati di immagini relative ai due principi di fusione, magnetica e inerziale.

Infine, si vuole coinvolgere la comunità, creando le condizioni adatte e fornendo l’accesso alle conoscenze e alle informazioni nell’area dei metodi AI applicati alla R&D sulla fusione.

I benefici dell’impiego dell’AI

Queste sono le indicazioni di impiego dell’intelligenza artificiale per la fusione nucleare affinché possa essere di aiuto alla ricerca. «Nella ricerca sulla scienza della fusione, i metodi basati sull’artificial intelligence si sono dimostrati molto efficaci. L’AI viene utilizzata per migliorare il controllo del plasma e quindi la performance della macchina sperimentale, per applicare modelli surrogati per accelerare gli strumenti di calcolo e per modelli ibridi che combinano modelli basati sulla fisica e modelli basati sui dati» spiega Matteo Barbarino a Tech4Future.

L’applicazione dei metodi AI «ha il potenziale per fare progredire entrambi gli approcci esistenti per sfruttare l’energia della fusione per la produzione di energia, attraverso la ricerca sulla fusione magnetica e inerziale».

Lo stesso nuclear plasma fusion specialist AIEA rileva che, nella ricerca relativa alla fusione magnetica, i metodi basati sull’intelligenza artificiale vengono impiegati per risolvere i limiti delle misure sperimentali, dei modelli fisici o delle soluzioni computazionali.

«La combinazione di simulazioni e dati sperimentali consente di migliorare la stabilità e il controllo del plasma». Nella ricerca sulla fusione inerziale, invece, i metodi di AI sono spesso utilizzati come strumenti di simulazione o come modelli per i codici.

«Essi possono fornire risultati rapidi per l’esplorazione di progetti sperimentali o, in combinazione con altri strumenti, per la quantificazione dell’incertezza dei dati. Per impiegare algoritmi di machine learning, è necessario integrare soluzioni informatiche all’avanguardia, come acceleratori hardware e risorse di calcolo ad alte prestazioni».

In generale, l’impiego dell’intelligenza artificiale nella fusione nucleare può essere accelerato fornendo un accesso più ampio ai dati di fusione curati e identificando i problemi chiave che possono essere affrontati con metodi basati sui dati, fornendo standard di dati pertinenti, ampliando la forza lavoro con competenze di AI e sostenendo l’applicazione del know-how tecnico alla fusione da parte di esperti di settore più ampi.

Le potenzialità future dell’intelligenza artificiale per la fusione nucleare

L’importanza dell’intelligenza artificiale nella fusione nucleare è destinata a crescere. Già oggi sta diventando una componente importante dei flussi di lavoro riguardanti la fusione magnetica per le prestazioni operative, il rilevamento di eventi e anomalie e il monitoraggio delle operazioni.

«I dispositivi di fusione di prossima generazione, per esempio, potranno sfruttare la modellazione predittiva guidata dall’AI e fornire un monitoraggio in tempo reale della stabilità del plasma», specifica Barbarino. «Inoltre, l’implementazione degli approcci dell’intelligenza artificiale potrebbe migliorare i regimi operativi per l’ottimizzazione delle prestazioni del plasma o la progettazione di dispositivi di controllo».

Gli strumenti di artificial intelligence stanno anche trasformando il modo in cui gli scienziati combinano e sintetizzano i dati. L’apprendimento delle rappresentazioni, compresi gli autoencoder (reti neurali utilizzate per apprendere codifiche efficienti di dati) o i metodi di apprendimento contrastivo, possono essere utilizzati per combinare immagini, dati spettrali e scalari per creare una rappresentazione distillata dei modelli fisici. In questo modo si riduce la quantità di dati necessari, pur mantenendo le correlazioni fisiche essenziali.

«Per guidare i flussi di lavoro dell’intelligenza artificiale è necessario sviluppare strumenti di guida complessi, essenziali per costruire serie di dati grandi e complicate, necessarie per addestrare i modelli di AI più informativi» rileva l’esperto AIEA, consapevole che la chiave per il futuro è la condivisione di risorse come dati, algoritmi, modelli predittivi, codici, strumenti di analisi e flussi di lavoro.

«Essa renderà disponibili tutti i componenti del processo di R&D e garantirà la trasparenza, la riproducibilità e la riutilizzabilità». Per questo c’è bisogno di aumentare il livello di conoscenza in tema di intelligenza artificiale.

«In molti casi, gli esperti in materia nucleare non hanno alcuna o poca esperienza nei metodi AI. Sono necessarie iniziative di educazione, formazione e coinvolgimento per colmare questo gap di conoscenze, in linea con l’approccio strategico e la road map del sistema ONU per sostenere lo sviluppo delle capacità in materia di intelligenza artificiale, ponendo grande attenzione agli aspetti etici dell’AI, come recentemente sottolineato dall’UNESCO».