Badacze z UC Davis i Lawrence Berkeley National Laboratory osiągnęli znaczący postęp w projektowaniu reaktorów fuzji jądrowej dzięki nowej dyscyplinie znanej jako fuzja napędzana materiałami. Podejście to koncentruje się na inżynierii samych materiałów budujących reaktory, mając na celu maksymalizację wydajności reakcji i obniżenie temperatur, przy których fuzja może zachodzić w sposób niezawodny — co stanowi odrębną strategię od dominujących podejść opartych na confinementie magnetycznym w tokamakach i stellaratorach lub confinementie inercyjnym z użyciem laserów wysokoenergetycznych, z których oba dążą do doprowadzenia warunków plazmy do ekstremów, a nie do zmiany środowiska reakcji na poziomie materiałowym.

„Zamiast projektować materiały wyłącznie po to, aby przetrwały surowe warunki fuzji, badacze mogą być w stanie zaprojektować materiały, które wspomagają reakcję w określonych warunkach, podobnie jak katalizatory przyspieszają procesy chemiczne" — wyjaśnia komunikat prasowy Berkeley Lab.

W artykule opublikowanym w tym miesiącu w czasopiśmie Nature Communications zespół opisuje, w jaki sposób folie metaliczne złożone z tytanu i palladu mogą ułatwiać reakcje fuzji jądrowej deuter–deuter przy znacznie większych częstotliwościach i niższych temperaturach, niż jest to konwencjonalnie osiągalne. Odkrycie to ma istotne znaczenie: ekstremalne poziomy ciepła wymagane w obecnych eksperymentach fuzji pociągają za sobą ogromne nakłady energetyczne, przez co większość reakcji fuzji jest ujemna pod względem bilansu energetycznego. Te same temperatury narzucają również dotkliwe naprężenia na materiały wewnątrz reaktora. Razem te przeszkody należą do najbardziej zaporowych barier w komercjalizacji energii z fuzji — celu, który przyciągnął miliardy dolarów inwestycji publicznych i prywatnych na całym świecie, w tym ze strony programu nauk o energii fuzji Departamentu Energii USA oraz firm finansowanych przez kapitał wysokiego ryzyka, rozwijających kompaktowe projekty reaktorów.

„To daje ci nową gałkę do regulacji, której wcześniej nie miałeś" — powiedział Arun Persaud, który kieruje grupą Fusion Science & Ion Beam Technology w ramach działu Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Berkeley Lab. „Jeśli lepiej zrozumiemy ten efekt, otworzy to drzwi do inżynierii nowych materiałów, które wpływałyby na wskaźnik fuzji w określonych warunkach. Kiedyś dalszy postęp może umożliwić bardziej kompaktowe i wydajne generatory neutronów, które mają wszelkiego rodzaju zastosowania, na przykład w skanowaniu ładunków, naukach planetarnych oraz terapii i obrazowaniu medycznym."

Poza samym odkryciem oczekuje się, że badania te staną się katalizatorem dalszych prac w całej dziedzinie fuzji napędzanej materiałami. Praca ta pojawia się również w medio rosnącego zainteresowania rolą palladu w nukleonice: zdolność palladu do pochłaniania deuteru jest badana od dziesięcioleci, a choć wcześniejsze twierdzenia o reakcjach jądrowych niskich energii były wysoce kontrowersyjne, wyniki Berkeley–UC Davis stanowią poddany recenzji, instrumentalnie zmierzony dowód na zwiększone wskaźniki fuzji przy użyciu folii metalicznych na bazie palladu w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.

Sztuczna inteligencja odgrywa coraz wyraźniejszą rolę w przyspieszaniu tego typu badań. Wielkie modele językowe są obecnie wykorzystywane do szybkiego selekcjonowania i modelowania materiałów kandydujących — zadania, które w innym przypadku przypominałoby szukanie igły w stogu siana.

W Ames National Laboratory w Ames w stanie Iowa naukowcy opracowują narzędzie AI o nazwie DuctGPT specjalnie w tym celu. System łączy wielkie modele językowe z modelowaniem opartym na fizyce w celu identyfikacji materiałów zdolnych wytrzymać ekstremalne warunki wewnątrz reaktora fuzji. Odkrycia takie jak te z Berkeley Lab mogą być bezpośrednio wprowadzane do systemu Ames, a każdy nowy zbiór danych i model pomaga udoskonalić narzędzie i uczynić kolejne badania bardziej efektywnymi.

To przecięcie AI i badań nad fuzją niesie ze sobą szerszą implikację: sztuczna inteligencja mogłaby potencjalnie pomóc rozwiązać ten sam kryzys energetyczny, który sama intensyfikuje. Choć dokładna trajektoria zapotrzebowania energetycznego związanego z AI pozostaje niepewna, obecne poziomy zużycia stwarzają już wiarygodne zagrożenie dla globalnego bezpieczeństwa energetycznego. Zaspokojenie potrzeb energetycznych ekspansji AI bez podważania celów klimatycznych ani innych konkurujących priorytetów energetycznych będzie wymagało ogromnych skoków technologicznych — zarówno w sposobie wytwarzania energii, jak i w sposobie, w jaki systemy AI ją zużywają.

„Nie da się tam dotrzeć bez przełomu" — powiedział Sam Altman, CEO OpenAI, podczas dorocznego spotkania World Economic Forum w Davos w 2024 roku. „To motywuje nas do inwestowania więcej w fuzję."

Coraz częściej te inwestycje kierują się ku narzędziom opartym na AI w celu stawienia czoła wyzwaniom energetycznym ery sztucznej inteligencji. Systemy takie jak DuctGPT mogą stanowić jedną z najbardziej obiecujących dróg do innowacyjnego wyjścia z narastającego dylematu energetycznego.

Autor: Haley Zaremba dla Oilprice.com