Tokamak adalah mesin yang dimaksudkan untuk menampung dan memanfaatkan kekuatan matahari. Mesin fusi ini menggunakan magnet yang kuat untuk menampung plasma yang lebih panas dari inti matahari dan mendorong atom plasma untuk melebur dan melepaskan energi. Jika tokamaks dapat beroperasi dengan aman dan efisien, suatu hari nanti mesin tersebut dapat menyediakan energi fusi yang bersih dan tidak terbatas.
Saat ini, terdapat sejumlah tokamak eksperimental yang beroperasi di seluruh dunia, dan masih banyak lagi yang sedang dikembangkan. Sebagian besar merupakan mesin penelitian skala kecil yang dibuat untuk menyelidiki bagaimana perangkat tersebut dapat memutar plasma dan memanfaatkan energinya. Salah satu tantangan yang dihadapi tokamaks adalah bagaimana mematikan arus plasma yang bersirkulasi dengan kecepatan hingga 100 kilometer per detik dengan aman dan andal, pada suhu lebih dari 100 juta derajat Celcius.
“Penurunan” seperti itu diperlukan ketika plasma menjadi tidak stabil. Untuk mencegah plasma mengganggu lebih lanjut dan berpotensi merusak bagian dalam perangkat, operator mengurangi arus plasma. Namun terkadang penurunan itu sendiri dapat mengganggu kestabilan plasma. Pada beberapa mesin, rampdown telah menyebabkan goresan dan bekas luka pada bagian dalam tokamak — kerusakan kecil yang masih memerlukan banyak waktu dan sumber daya untuk memperbaikinya.
Kini, para ilmuwan di MIT telah mengembangkan metode untuk memprediksi bagaimana plasma dalam tokamak akan berperilaku selama penurunan produksi. Tim tersebut menggabungkan alat pembelajaran mesin dengan model dinamika plasma berbasis fisika untuk mensimulasikan perilaku plasma dan segala ketidakstabilan yang mungkin timbul saat plasma diturunkan dan dimatikan. Para peneliti melatih dan menguji model baru pada data plasma dari tokamak eksperimental di Swiss. Mereka menemukan bahwa metode ini dengan cepat mempelajari bagaimana plasma akan berevolusi ketika disetel dengan cara yang berbeda. Terlebih lagi, metode ini mencapai tingkat akurasi yang tinggi dengan menggunakan jumlah data yang relatif kecil. Efisiensi pelatihan ini cukup menjanjikan, mengingat setiap percobaan tokamak membutuhkan biaya yang mahal dan kualitas data yang terbatas.
Model baru, yang disoroti tim minggu ini dalam sebuah akses terbuka Komunikasi Alam kertasdapat meningkatkan keamanan dan keandalan pembangkit listrik fusi di masa depan.
“Agar fusi menjadi sumber energi yang berguna, fusi harus dapat diandalkan,” kata penulis utama Allen Wang, seorang mahasiswa pascasarjana di bidang aeronautika dan astronotika serta anggota dari Grup Gangguan di Pusat Sains dan Fusi Plasma (PSFC) MIT. “Agar dapat diandalkan, kita harus pandai mengelola plasma kita.”
Rekan penulis studi di MIT ini termasuk Ilmuwan Riset Utama PSFC dan pemimpin Grup Disrupsi Cristina Rea, dan anggota Laboratorium Sistem Informasi dan Keputusan (LIDS) Oswin So, Charles Dawson, dan Profesor Chuchu Fan, serta Mark (Dan) Boyer dari Commonwealth Fusion Systems dan kolaborator dari Swiss Plasma Center di Swiss.
“Keseimbangan yang halus”
Tokamaks adalah perangkat fusi eksperimental yang pertama kali dibuat di Uni Soviet pada tahun 1950-an. Perangkat ini mendapatkan namanya dari akronim Rusia yang diterjemahkan menjadi “ruang toroidal dengan kumparan magnet.” Seperti namanya, tokamak berbentuk toroidal, atau berbentuk donat, dan menggunakan magnet yang kuat untuk menampung dan memutar gas hingga suhu dan energi yang cukup tinggi sehingga atom dalam plasma yang dihasilkan dapat berfusi dan melepaskan energi.
Saat ini, eksperimen tokamak mempunyai skala energi yang relatif rendah, dengan hanya sedikit yang mendekati ukuran dan keluaran yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi yang aman, andal, dan dapat digunakan. Gangguan pada tokamak eksperimental berenergi rendah umumnya tidak menjadi masalah. Namun seiring dengan peningkatan skala mesin fusi ke dimensi skala jaringan, pengendalian plasma berenergi lebih tinggi di semua fase akan menjadi hal yang sangat penting untuk menjaga pengoperasian mesin yang aman dan efisien.
“Penghentian plasma yang tidak terkendali, bahkan selama penurunan produksi, dapat menghasilkan fluks panas yang hebat dan merusak dinding bagian dalam,” catat Wang. “Seringkali, terutama pada plasma berperforma tinggi, penurunan produksi sebenarnya dapat mendorong plasma mendekati batas ketidakstabilan. Jadi, ini adalah keseimbangan yang rumit. Dan saat ini banyak fokus pada bagaimana mengelola ketidakstabilan sehingga kita dapat secara rutin dan andal menggunakan plasma ini dan mematikannya dengan aman. Dan hanya ada sedikit penelitian yang dilakukan tentang bagaimana melakukan hal tersebut dengan baik.”
Menurunkan denyut nadi
Wang dan rekan-rekannya mengembangkan model untuk memprediksi bagaimana perilaku plasma selama penurunan tokamak. Meskipun mereka bisa saja menerapkan alat pembelajaran mesin seperti jaringan saraf untuk mempelajari tanda-tanda ketidakstabilan dalam data plasma, “Anda memerlukan data dalam jumlah yang sangat besar” agar alat tersebut dapat membedakan perubahan yang sangat halus dan singkat dalam plasma bersuhu sangat tinggi dan berenergi tinggi, kata Wang.
Sebaliknya, para peneliti memasangkan jaringan saraf dengan model yang ada yang mensimulasikan dinamika plasma sesuai dengan aturan dasar fisika. Dengan kombinasi pembelajaran mesin dan simulasi plasma berbasis fisika, tim menemukan bahwa hanya beberapa ratus pulsa dengan performa rendah, dan segelintir pulsa dengan performa tinggi, sudah cukup untuk melatih dan memvalidasi model baru.
Data yang mereka gunakan untuk studi baru ini berasal dari TCV, “tokamak konfigurasi variabel” Swiss yang dioperasikan oleh Pusat Plasma Swiss di EPFL (Institut Teknologi Federal Swiss Lausanne). TCV adalah perangkat eksperimental fusi eksperimental kecil yang digunakan untuk tujuan penelitian, sering kali sebagai uji coba untuk solusi perangkat generasi berikutnya. Wang menggunakan data dari beberapa ratus pulsa plasma TCV yang mencakup sifat-sifat plasma seperti suhu dan energinya selama setiap peningkatan, pengoperasian, dan penurunan pulsa. Dia melatih model baru berdasarkan data ini, kemudian mengujinya dan menemukan bahwa model tersebut mampu memprediksi evolusi plasma secara akurat berdasarkan kondisi awal pengoperasian tokamak tertentu.
Para peneliti juga mengembangkan algoritma untuk menerjemahkan prediksi model ke dalam “lintasan” praktis, atau instruksi pengelolaan plasma yang dapat dilakukan secara otomatis oleh pengontrol tokamak, misalnya untuk menyesuaikan magnet atau suhu menjaga stabilitas plasma. Mereka menerapkan algoritma tersebut pada beberapa proses TCV dan menemukan bahwa algoritma tersebut menghasilkan lintasan yang secara aman meningkatkan pulsa plasma, dalam beberapa kasus lebih cepat dan tanpa gangguan dibandingkan dengan proses tanpa metode baru.
“Pada titik tertentu, plasma akan selalu hilang, namun kami menyebutnya gangguan ketika plasma hilang dengan energi tinggi. Di sini, kami meningkatkan energi hingga tidak ada apa-apanya,” catat Wang. “Kami melakukannya beberapa kali. Dan kami melakukan banyak hal dengan lebih baik secara keseluruhan. Jadi, kami memiliki keyakinan statistik bahwa kami membuat segalanya lebih baik.”
Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Commonwealth Fusion Systems (CFS), sebuah spin-out MIT yang bermaksud membangun pembangkit listrik fusi skala jaringan kompak pertama di dunia. Perusahaan sedang mengembangkan demo tokamak, SPARC, yang dirancang untuk memproduksi plasma energi bersih, artinya plasma tersebut harus menghasilkan lebih banyak energi daripada yang diperlukan untuk memanaskan plasma. Wang dan rekan-rekannya bekerja sama dengan CFS untuk mencari cara agar model prediksi baru dan alat serupa dapat memprediksi perilaku plasma dengan lebih baik dan mencegah gangguan yang merugikan guna memungkinkan tenaga fusi yang aman dan andal.
“Kami mencoba menjawab pertanyaan sains agar fusi bermanfaat secara rutin,” kata Wang. “Apa yang kami lakukan di sini adalah awal dari perjalanan yang masih panjang. Namun menurut saya kami telah mencapai beberapa kemajuan yang bagus.”
Dukungan tambahan untuk penelitian ini datang dari kerangka Konsorsium EUROfusion, melalui Program Penelitian dan Pelatihan Euratom dan didanai oleh Sekretariat Negara Swiss untuk Pendidikan, Penelitian, dan Inovasi.
