A energia de fusão está sendo desenvolvida como uma solução para problemas energéticos globais. Em particular, o método de confinamento magnético, no qual o plasma de temperatura ultra-alta é confinado por um campo magnético, é o mais avançado e considerado o método mais promissor para reatores de fusão.



Por este método, o plasma é confinado no reactor num estado de alta temperatura e alta densidade por um campo magnético, e a energia libertada pela reacção de fusão no plasma é convertida em electricidade.

Para concretizar este método de geração de energia, é essencial prever e controlar o comportamento complexo do plasma de fusão. Um método de controle possível é o controle digital duplo, no qual o plasma de fusão é controlado com base no plasma reproduzido no espaço numérico.

No entanto, é difícil prever e analisar o comportamento do plasma com alta precisão usando modelos de simulação porque o modelo deve considerar não apenas o fluxo complexo do plasma, mas também muitos outros fatores, como aquecimento, fornecimento de combustível, impurezas e partículas neutras.

Além disso, os futuros reactores de fusão terão capacidades de medição limitadas, o que obriga ao controlo preditivo e à estimativa do estado do plasma sob condições de grande incerteza e falta de informação.

Um grupo de pesquisa desenvolveu um novo sistema de controle que pode otimizar o modelo preditivo usando observações em tempo real e estimar o controle ideal com base no modelo preditivo aprimorado, mesmo sob condições altamente incertas.

O trabalho está publicado em Relatórios Científicos .

Um método matemático denominado assimilação de dados é uma técnica que utiliza informações observadas para reduzir as diferenças entre simulações numéricas e a realidade. A assimilação de dados é usada para melhorar o desempenho de previsão e análise de modelos de simulação em grande escala (por exemplo, previsão do tempo).

O grupo de pesquisa desenvolveu o ASTI (Sistema de Assimilação para Simulação Integrada de Plasma Toroidal) como um sistema de assimilação de dados para plasmas de fusão. Em geral, a assimilação de dados é uma técnica para melhorar a precisão da previsão e análise.

Nesta pesquisa, eles adicionaram funções de controle à estrutura de assimilação de dados e criaram um sistema que pode realizar controle duplo digital de plasmas de fusão. Este método de controle baseado na assimilação de dados adapta o modelo de simulação ao comportamento real do plasma de fusão em tempo real, permitindo que o comportamento do plasma seja previsto com alta precisão e ainda mais controlado, com base nas previsões.

Dentro do ASTI, um grande número de simulações com diferentes estados são realizadas em paralelo para prever probabilisticamente o estado futuro do plasma. Ao refletir (assimilar) observações e estados alvo nesta distribuição de probabilidade prevista, são realizadas a adaptação ao plasma real e a estimativa de controle.

ASTI foi aplicado ao Large Helical Device (LHD), a instalação experimental de plasma supercondutor mais avançada do mundo, que é equipada com muitos botões de controle, incluindo um dispositivo de aquecimento por ressonância cíclotron (ECH) de elétrons de alta potência e equipamentos de medição avançados, incluindo Thomson em tempo real. sistema de medição de espalhamento.

Os pesquisadores conduziram um experimento para controlar a temperatura dos elétrons do plasma real por ECH, enquanto otimizavam o modelo preditivo com base na densidade eletrônica e nos perfis de temperatura observados em tempo real.

Como resultado, a temperatura do elétron foi aproximada da temperatura alvo, melhorando ao mesmo tempo a precisão da previsão do modelo, e a primeira demonstração mundial de controle preditivo de um plasma de fusão por um gêmeo digital, com base na assimilação de dados, foi alcançada com sucesso.

Espera-se que esta nova abordagem de controle se torne fundamental para o controle de reatores de fusão porque pode ser aplicada a problemas de controle importantes, mas desafiadores, incluindo o controle da densidade do plasma e dos perfis de temperatura e o controle de quantidades que não são medidas diretamente, como a facilidade de escape de calor do interior do plasma.

O sistema de controle desenvolvido neste estudo estabelece as bases para o controle de reatores de fusão, onde vários componentes devem ser considerados simultaneamente. Embora este experimento de controle seja um ponto de partida para o controle de gêmeos digitais de plasmas de fusão, é um passo significativo em direção aos controles avançados que são essenciais para a realização da geração de energia de fusão, como o controle do perfil do plasma e a prevenção de fenômenos de desaparecimento repentino.

No futuro, a equipe planeja expandir o sistema de controle e realizar experimentos de demonstração para problemas de controle mais avançados no LHD e em outros dispositivos experimentais no Japão e no exterior.

Esta abordagem de controle baseada na assimilação de dados fornece a base para o controle preditivo adaptativo em situações onde é difícil prever com alta precisão apenas por simulação. Portanto, espera-se que esta abordagem resolva não apenas problemas de controlo do plasma de fusão, mas também outras questões sociais que envolvem muitos factores incertos, tais como o controlo do tráfego rodoviário e o controlo do nível das águas dos rios.

O grupo de pesquisa foi liderado pelo Professor Assistente Yuya Morishita, Professor Sadayoshi Murakami da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Kyoto, Japão, Professor Assistente Naoki Kenmochi, Professor Assistente Hisamichi Funaba, Professor Masayuki Yokoyama, Professor Masaki Osakabe do Instituto Nacional de Ciência da Fusão (NIFS), Institutos Nacionais de Ciências Naturais (NINS), Japão, e Professor Genta Ueno do Instituto de Matemática Estatística (ISM), Japão, e do Centro Conjunto de Apoio para Pesquisa em Ciência de Dados (RIOS-DS), Japão.

O professor assistente Morishita disse:"Acredito que esta pesquisa é desafiadora, mas importante na realização da geração de energia de fusão. Também foi uma boa oportunidade para mim, que me especializei em cálculos de modelos numéricos, experimentar experimentos de plasma de fusão pela primeira vez e para perceber a diferença entre realidade e simulação No futuro, gostaria de estabelecer este sistema de controle como uma base de controle para reatores de fusão."

Mais informações: Yuya Morishita et al, Primeira aplicação de controle baseado em assimilação de dados ao plasma de fusão, Relatórios Científicos (2024). DOI:10.1038/s41598-023-49432-3
Informações do diário: Relatórios Científicos

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