Google vstoupil do závodu o úspěšnou fúzní technologii

V článku se dočtete o zajímavém přístupu k plánování experimentů na fúzním zařízení. Ale to není zdaleka to nejdůležitější, co vám chceme sdělit: O výzkum termojaderné fúze se zajímá společnost Google! A to je skutečně bomba. Google na rozdíl od ITER zná každý, nebo… téměř každý! ITER je mezinárodní projekt za mnoho miliard kdesi na jihu Francie, jehož výsledkem má být reaktor simulující procesy v jádru Slunce ­–termojadernou fúzi. Google představovat nemusíme. Ač nedávno v ČR vyšla knížečka o soukromých firmách zabývajících se výzkumem fúze, a ačkoliv je v ní kapitola o soukromé společnosti Tri Alpha Energy, není v ani slovo o Google. Přitom Google pracuje s Tri Alpha Energy od roku 2014…

Pokud chcete provádět pokusy na větších fúzních zařízeních typu evropského tokamaku JET, musí nějaká komise uznat váš nápad za dobrý a plánovači odpovědní za program tokamaku ho pak zařadit do fronty o peníze. Vaše představa musí obsahovat cíl a způsob, jak ho dosáhnout – jaké parametry pokusu zvolit - a je na vás, zda se trefíte do úspěchu. U tokamaku JET je takových parametrů zhruba 15, což se zdá překvapivě málo. Možná právě proto je tokamak úspěšné zařízení.

Strýčku Google, pomoz!

Společnost Tri Alpha Energy (TAE) experimentuje se zařízením C-2U, kde je volitelných parametrů skutečně hodně. Kolem 150! Desetkrát více než u tokamaku. Není divu, že Tri Alpha Energy oslovila Google, zda by jim s volbou nepomohl. TAE určitě nechtěla po Google, aby ji nadiktoval intenzity magnetických polí, výkony každého ze šesti ohřevových svazků neutrálních částic, ani rozměry vakuové komory. Google měl pomoci v něčem, čemu dobře rozumí. Tím je vyhledávání ve velkých datových souborech. Byl to totiž právě Google, který přišel s revolučním nápadem vyhledávat na internetu ty nejlepší, nejrelevantnější internetové stránky prostřednictvím pravděpodobnostních algoritmů. To znamená procházet internet vlastně náhodně. Cédric Villani (matematik, držitel Fieldsovy medaile) k tomu řekl: „Může se vám to zdát jako šílená myšlenka, prozkoumávat věci náhodně! Náhodně, to je přesný opak toho, co by měl dělat nějaký inteligentní algoritmus - ale ono je to ve skutečnosti velmi inteligentní, a je to velmi efektivní.“

Algoritmus Optometrist

Mimochodem co mají veliké soubory dat biologických, atmosférických, strojírenských geologických, sociálních a… plazmatických společné? Co je na složitých systémech tak obecné, že Google může radit, aniž by byl odborníkem na konkrétní vědní oblast? Je to ona náročnost spočívající právě ve velkém množství proměnných a velkém množství dat. Dostatečně velké množství čehokoliv se řídí stochastickými zákony. Nezávisle, zda se jedná o hrušky či jablka. Google dodá výkonný počítač, zkušené programátory, o matematický aparát se podělí s TAE, v tomto případě o metodu Markov Chain Monte Carlo (MCMC), která se s velkým množstvím parametrů zařízení vypořádá, a samotné TAE dodá fyzikální prostředí, konkrétně prostředí termojaderné fúze. Google dodá stroj a TAE dodá lidskou sílu. A tak Google společně s TAE sestavila algoritmus Optometrist. Pochopení a optimalizace složitých systémů je obtížné díky časově závislým parametrům spojeným se šumem a chybami v měření. Průběh výzkumu v těchto oborech lze urychlit novými nástroji, které dokážou zkoumat efektivněji. Novým nástrojem by měl být právě algoritmus Optometrist.

Jak algoritmus Optometrist funguje

Vědci nakrmí počítač počátečními parametry referenčního nastavení a algoritmus se spustí. Vyjde z referenčního nastavení a náhodným způsobem metodou MCMC prohledává prostor tzv. meta-parametrů (meta-parametr sdružuje několik proměnných) až pro zařízení C-2U zadá nové nastavení, aby po výstřelu měla obsluha k dispozici odpovídající výsledky. Obsluha porovná výsledky odpovídající referenčnímu nastavení s výsledky patřícími nastavení, které navrhl počítač, a expert rozhodne, zda pokračovat zvoleným směrem nebo ne. Pokud ano, použijí nové nastavení jako referenční a postup se opakuje. Pokud obsluha usoudí, že výstřel „lepší“ (udržení plazmatu, celková energie v plazmatu…) nebyl, pak referenční nastavení zůstává.

Jaká jsou úskalí zajímavé metody

Při rozhodování o kvalitě výsledků, to je o zachování či změně referenčního nastavení, rozhoduje intuice a zkušenosti operátora. C-2U nemá definovaná striktní kritéria kvality plazmatu. Za druhé: metodě Monte Carlo se může přihodit, že najde nastavení, které unikátní experimentální zařízení může výstřelem poškodit. Lidský expert může odmítnout nastavení, při kterých má plazma vynikající výkon, ale současně existuje i vysoká pravděpodobnost poškození stroje. Algoritmu Optometrist se podařilo zajistit, aby optima objektivních metrik mohla ležet v blízkosti hranice možného bezpečného operačního prostoru.

Náhodné poruchy

Aby se zvýšila rychlost učení v rámci těchto hranic, vědci obou společností inovovali metodu stochastické perturbace (náhodných poruch), která se podobá metodám používaným ve velkoplošných populačních a atmosférických modelech, a to začleněním prvku lidské volby. Název algoritmu „Optometrist“, má připomenout princip výběru nových brýlí, kdy vás optik nechá rozhodnout mezi dvěma skly podle subjektivního vnímání ostrosti vašeho vidění. Algoritmus „Optometrist“ vyžaduje, aby vědci vybrali mezi nabízenými páry (referenčních a nových) nastavení, aby se zaměřili na ty, které produkují subjektivně lepší výsledky pro experimenty s fúzí.

Dobrý příklad složitého systému

Typické fúzní systémy mají mnoho ovládacích a vstupních parametrů, jako jsou napětí napájející cívky, elektrody, limitery atd. Dále, každý experiment může trvat dlouho, což s sebou nese nebezpečí nekontrolovatelného vývoje způsobeného vlastním provozem: například měnící se podmínky povrchů vnitřku vakuové nádoby či opotřebení elektrod mohou silně ovlivnit průběh experimentu. Optimalizace plazmatu vyžaduje optimalizaci v mnoha vysoce nelineárních a na sobě závislých často nestabilních parametrech. Tyto faktory zabraňují efektivnímu mapování velkorozměrového parametrického prostoru běžnými metodami s jednou proměnnou v čase. Algoritmus Optometrist je spojením pokusů s lidskou volbou s metodami optimalizace Monte Carlo (MC). Experimenty s lidskou volbou se obvykle používají ve složitých situacích, např. ve zdravotnictví.

Výsledky nejen pro fúzi

Aplikace algoritmu Optometrist na problém termojaderné fúze přinesla již společnosti TAE významné výsledky. Definovaným zkoumáním parametrického prostoru našli plazma s lepšími vlastnostmi, jako je množství obsažené energie a doba udržení. Podrobnější průzkum parametrického prostoru také pomohl intuici lidských operátorů. Rovněž dokazuje smysluplnost zvolené techniky jako velmi užitečného nástroje při zkoumání složitých, vícerozměrných systémů. Nemusí to být jen termojaderné plazma. Algoritmus Optometrist lze použít i v jiných vědeckých nebo technických oblastech.

To nejlepší ze stroje i z člověka

Strategie výběru člověka mezi strojově generovanými soubory nastavení je, podle TAE, široce použitelná a liší se od typických přístupů k optimalizačním problémům v komunitě strojového učení, kde se automaticky počítají přesná čísla přínosu. Algoritmus Optometrist zajišťuje efektivní optimalizaci v oblastech, kde výpočet těchto metrik není možný. Primární výhodou algoritmu Optometrist je kombinace toho nejlepšího z počítače a z člověka: člověk poskytuje fyzikální intuici, zatímco stroj prohledává velký prostor. Na druhé straně – stroj nemá intuici rozhodnout a člověk nemá sílu prohledat prostor příliš rozsáhlý.

Experimentální zařízení  C-2U

Experimentální fúzní zařízení Tri Alpha Energy znázorněné na obr. 1, vytváří, udržuje a ohřívá formu plazmatu zvanou Konfigurace s reverzním magnetickým polem (Field Reversed Configuration, FRC). Tento experiment kombinuje účinné využití magnetického pole s velkým Larmorovým poloměrem (poloměr kruhové dráhy je srovnatelný s poloměrem systému) a jednoduše napojený divertor (čerpací a čisticí komora) pro bezpečné odebírání energie s cílem později umožnit inženýrsky jednoduchou a kompaktní fúzní elektrárnu. Zařízení C-2U je na světě největší svého druhu (tzv. kompaktní toroid). Je 20 m dlouhé, poloměr má 1,4 m, dosahuje běžně vakua o jedné triliontině atmosférického tlaku a magnetického pole 3,5 T. Pulsní energetický systém dodává 1 MJ v mikrosekundě a urychluje plasma v toroidu na 600 000 mil za hodinu (téměř milion km/h). Zařízení C-2U umí vystřelit každých osm minut. Znamená to ohřátí plazmatu šesti svazky vodíkových atomů a udržení plazmatu roztočeného v magnetickém poli až 10 ms. Cílem je pozorovat, zda se plazma chová, jak předpovídá teorie a zda je tak slibnou cestou k fúznímu reaktoru, který bude generovat více energie, než spotřebovávat. Animované video vysvětlující, jak zařízení funguje, najdete zde: https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=ezluaNMzHjE.

Tri Alpha Energy za peníze spoluzakladatele Microsoftu Paula Allena, navýšila svůj majetek tak, že jeho hodnota přesáhla hranici 500 milionů dolarů.

Spolupráce se vyplatila

Spolupráce s Google umožnila při experimentování na zařízení C2-U v Tri Alpha Energy dosáhnout mnohem rychlejšího pokroku, takže činnost, která by trvala měsíc, byla hotova za několik hodin. Algoritmus objevil nečekané způsoby fungování plazmatu. Výsledky letos publikoval časopis Scientific Reports. Skupina dosáhla 50% snížení ztrát energie ze systému a navýšila tak celkovou energii v plazmatu a růst teploty iontů během pulzu, která ovšem musí pro zapálení fúze dosáhnout kritické hranice. Objevený režim (zatím nepojmenovaný) připomíná H-mód, režim vysokého udržení v tokamaku objevený prof. Friedrichem Wagnerem v roce 1982 na tokamaku Asdex. „Celá věc je na hranici či spíše za hranicemi zkušeností a znalostí práce s počítači dokonce i ve společnosti, jakou je Google,“ říká Ted Baltz, z Vědecké skupiny pro rozvoj Google (Google Accelerated Science Team). „Dali jsme si za cíl hledat chování plazmatu, které člověk - odborník na fyziku plazmatu - považuje za zajímavé, a přitom nezničit zařízení,“ popsal Blatz. „Je to klasický případ současné činnosti člověka a počítače, která je výhodnější, než kdyby každý pracoval zvlášť.“

Je fúze konečně připravena dodat energii?

Zařízení C-2U letos nahradilo výkonnější a sofistikovanější zařízení nazvané Norman podle spoluzakladatele společnosti Tri Alpha Energy Normana Rostokera. První plazma v Normanovi bylo zapáleno na počátku července, a pokud budou experimenty na Normanovi úspěšné, Tri Alpha Energy bude stavět demonstrační reaktor.

Vedle TAE zkouší uspět s fúzí několik dalších soukromých společností, ve kterých pracují zkušení fúzní badatelé, jako kanadská General Fusion podporovaná Jeffem Bezosem z Amazonu, která používá jako obal plazmatu vír roztavené slitiny olova a lithia. Další společnost – americká Skunk Works z Lockheed Martin, která prohlásila, že postaví fúzní elektrárnu transportovatelnou na nákladním autě během deseti let, sklidila kritiku kvůli nedostatku zveřejněných podrobností, jak toho hodlá dosáhnout. Společnost Tokamak Energy ze Spojeného království se zaměřila na technologii urychlovačů částic. David Kingham, šéf Tokamak Energy prohlásil, že Tri Alpha Energy zažívá úžasný pokrok „Zatímco laboratoře financované z veřejných peněz vynikají v základním výzkumu, privátní sektor může vylepšovat a přijímat nové technologie mnohokrát rychleji.“ V dubnu zapálil Tokamak Energy první plazma v novém reaktoru, už třetím během pěti let, a hodlá dosáhnout 100 miliónů stupňů potřebných pro fúzi v roce 2018.

Konkurence soukromé a vládní fúze je výhodná pro obě strany. Zatím vždy platilo, že každý nový směr obohatil thesaurus fúzních znalostí a můžeme jen doufat, že se trend nezmění. Budiž Algoritmus Optometrist společnosti Tri Alpha Energy dalším kamínkem úžasného lidského snažení zvaného zvládnutí termojaderná fúze.

Poznámka autora: Příběh vstupu Google do fúze uzavřu konstatováním, že Google Tech Talk zaznamenal 9. listopadu 2006 půldruhahodinovou přednášku Roberta Bussarda s názvem „Měl by být Google jaderný? Čistá, laciná, jaderná energie (ne, opravdu) (Should Google Go Nuclear? Clean, cheap, nuclearpower (no, really)). Najdete ji zde: https://www.youtube.com/watch?v=rk6z1vP4Eo8. Robert Bussard byl, kromě jiného, zakladatelem soukromé „fúzní“společnosti EMC2, to je Energy Matter Conversion Corporation.

Algoritmus Optometrist

• Definuj meta-parametry
• Zvol referenční nastavení parametrů
• Start experimentu
• Konstrukce návrhu (počítačem na zařízení nastavit nové parametry využitím stochastické metody vycházející z referenčního nastavení)
• Výstřel
• Člověk vyhodnotí dvojici výstřelů (výsledky podle referenčního a podle nového nastavení)
• Update nastavení parametrů (nyní je „referenčním“ nastavení bývalé „nové“ nastavení, pokud výsledky podle bývalého nového nastavení jsou podle operátora lepší)
• Konec