צעד חשוב בדרך
להיתוך גרעיני יציב

חוקרים הצליחו לאמן בינה מלאכותית לשלוט במתקן של היתוך גרעיני באופן ששומר על יציבות הפלזמה הלוהטת ומאפשר לקיים את התהליך הגרעיני בצורה מבוקרת. במאמר חדש, שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature, הצליחו החוקרים להשתלט על התהליך המורכב וליצור את התנאים הדרושים לתפקודו של כור היתוך גרעיני פעיל, גם אם עדיין לא בקנה מידה שמאפשר הפקת חשמל מסחרית.

היתוך גרעיני הוא תהליך שבו כמה אטומים, או ליתר דיוק הגרעינים שלהם, מתנגשים ומתלכדים לאטום כבד יותר. בצורתו הנפוצה ביותר, ההיתוך כולל ארבעה אטומי מימן שמתלכדים בכמה שלבים לאטום הליום. זה גם התהליך שבו השמש שלנו מייצרת אנרגיה.

היתוך גרעיני הוא אחת התקוות הגדולות של האנושות לייצור אנרגיה זולה ונקייה. בניגוד לביקוע גרעיני, שהוא התהליך שבו אנו מפיקים  כיום אנרגיה בכורים גרעיניים, מפיצול אטום כבד – למשל אורניום – לגרעינים קלים יותר, היתוך גרעיני לא דורש מחצבים נדירים ואינו מייצר פסולת רדיואקטיבית מזהמת או מסכן את הסביבה במקרה של תקלה. במקום זה הדלק שלו מופק פשוט ממים. בנוסף, מכיוון שהטכנולוגיה לייצור אנרגיה מהיתוך גרעיני שונה מאוד מזו שמשמשת לייצור נשק גרעיני המבוסס על אותו תהליך, כלומר פצצות היתוך (פצצות מימן), אין סכנה שכורי היתוך ישמשו לצרכים צבאיים.

הצרה היא שקשה לשלוט בתהליך ההיתוך ולייצב אותו. בין הגרעינים של אטומי מימן סמוכים פועלת דחייה חשמלית עזה, שמתחזקת ככל שהם מתקרבים. בשמש שלנו ובליבות של כוכבים אחרים התהליך מתאפשר בזכות הכוח הכבידתי האדיר והטמפרטורה הגבוהה של המימן, שמגיעה למעל עשרה מיליון מעלות צלזיוס, ומאפשרים לגרעיני המימן להתחבר זה לזה למרות הדחייה. בטמפרטורות כאלה הגרעין נפרד מהאלקטרונים המקיפים אותו, מקבל מטען חשמלי ועובר למצב צבירה של גז מיונן, או פלזמה. כדי להגיע להיתוך בכבידה החלשה של כדור הארץ צריך טמפרטורה של יותר ממאה מיליון מעלות צלזיוס, פי שישה מהטמפרטורה של ליבת השמש. הבעיה היא שאין שום חומר שמסוגל לעמוד בטמפרטורות כאלה בלי להפוך לפלזמה בעצמו, ולכן אי אפשר לבנות מכל רגיל שיאחסן בתוכו פלזמה.

משתמש בשדות מגנטים כדי לכלוא פלזמה בצורה דמוית בייגל. הטוקמאק ASDEX Upgrade בגרמניה | מקור: Christian Lunig / Science Photo Library

מכל של שדות מגנטיים

כדי לעקוף את הבעיה הזאת ניסו במשך השנים חוקרים רבים למצוא מנגנון של היתוך קר – כלומר בטמפרטורת החדר, אך העלו חרס בידם. אחד הכלים המובילים שמאפשר בכל זאת להחזיק פלזמה בטמפרטורות גבוהות הוא הטוקמאק (Tokamak) – מנגנון שכולא בתוכו פלזמה באמצעות שדות מגנטיים. השדות מנצלים את המטען החשמלי של הפלזמה כדי ליצור בידוד תרמי בין הפלזמה לדפנות הכלי.

אחד האתגרים הגדולים ביישום הפתרון הזה הוא איך לייצב את הפלזמה בתוך הכלי. הפלזמה נעה במהירות גבוהה מאוד ובאופן לא אחיד, ומקיימת יחסי גומלין גם בין החלקיקים שבתוכה וגם עם ההתקנים שיוצרים  את השדות המגנטיים שכולאים אותה. כדי לשלוט בה יש לבצע אינספור תיקונים והתאמות בפעולתם של הרבה מאוד התקנים. כדי לבצע אותם נדרשים חישובים פיזיקליים מורכבים בזמן אמת, אלפי פעמים בשנייה, שדורשים יכולת חישוב עצומה. אפילו תוכנות מחשב משוכללות מתקשות מאוד להתמודד עם האתגר.

הפתרון: בינה מלאכותית לומדת

במחקר משותף של חברת DeepMind של אלפבית (גוגל), המתמחה בבינה מלאכותית, ושל מרכז הפלזמה השוויצרי EPFL, המתמחה בחקר היתוך גרעיני, הצליחו חוקרים לאמן מערכת של בינה מלאכותית לשלוט בהצלחה בהתקנים המחזיקים את הפלזמה במקומה. כדי לאמן את הבינה המלאכותית לשלוט בפלזמה השתמשו החוקרים בגישה שנקראת למידת חיזוק עמוקה (Deep Reinforcement Learning).

בגישה הזאת, שהיא סוג של למידת מכונה, נותנים לבינה המלאכותית את המידע ההתחלתי הדרוש לביצוע הפעולות הבסיסיות, וקריטריונים שיאפשרו לה לשפוט את התוצאות של פעולותיה. את כל השאר היא לומדת בתהליך של ניסוי וטעייה. אם נקביל את זה למשחק מחשב, אפשר לומר שזה שקול ללמידה של משחק חדש, כשכל מה שידוע לך מראש הוא מה עושים המקשים ובאילו מצבים מקבלים נקודות.

יהיה כור היתוך למחקר בלבד. בניית ITER בצרפת, 2015 | מקור: Christian Lunig / Science Photo Library

הבינה המלאכותית התאמנה על מכשיר הדמיה של הטוקמאק. כשהגיעה לביצועים משביעי רצון העבירו לה את השליטה על הטוקמאק האמיתי. התוצאה הייתה מרשימה. הבינה המלאכותית  הצליחה לייצב את הפלזמה בצורות המקובלות וגם בצורות מורכבות יותר. צורות פלזמה מורכבות עשויות להביא לידי ביטוי תכונות שיתאימו יותר לשימוש בכור היתוך גרעיני, כמו יציבות או יעילות, אך הרבה יותר מסובך לייצב אותן. "זוהי אחת הבעיות המעשיות המאתגרות ביותר שבהן יושמה למידת חיזוק עמוקה", כתבו החוקרים.

שליטה בפלזמה הכלואה היא נדבך חשוב בפיתוח כור היתוך גרעיני. השימוש בתוכנת בינה מלאכותית למטרה הזאת מאפשר לדברי החוקרים, "ביצועים גבוהים, עמידה בתנאי חוסר הוודאות של התפעול, הגדרת יעדים אינטואיטיבית וגמישות חסרת תקדים". שאיפתם הבאה היא היא לשלב את גישתם בפעילות כור המחקר ITER שנבנה בימים אלה בדרום צרפת.

בריאיון לכתב העת New Scientist אמר הפיזיקאי המתמחה בפלזמה ג'יאן-לוקה סארי (Sarri), "הבינה המלאכותית הזאת היא לדעתי הדרך היחידה להתקדם. כל כך הרבה משתנים מעורבים בשליטה בפלזמה, ושינוי קטן באחד מהם יכול להביא להבדל ניכר בתוצאה הסופית. בתכנות מסורתי מדובר בתהליך ארוך מאוד".

למרות ההצלחה הנוכחית, הדרך להגשמת חזון כור ההיתוך עדיין ארוכה. גם ITER יהיה עדיין כור מחקר בלבד. לפני שהטכנולוגיה הזאת תוכל לספק את צרכי האנרגיה של האנושות יצטרכו מדענים ומהנדסים למצוא דרכים לשלוט בתהליך באופן יעיל, לפרקי זמן ארוכים ובקנה מידה גדול.