Nächster Schritt Fusion: KI-gestützte Plasmakontrolle

Die Herausforderung: Steuerung von Plasma für kommerzielle Fusion

Fusionsenergie verspricht eine saubere, reichhaltige und nachhaltige Lösung zur Deckung des weltweit steigenden Strombedarfs – die bis 2050 voraussichtlich um über 80 % wachsen wird. Tokamaks, die vielversprechendsten Fusionsgeräte, nutzen Magnetfelder, um Plasma bei Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius einzuschließen. 

Der Übergang von experimentellen Einrichtungen zu kommerziellen Fusionskraftwerken (FPPs) stellt jedoch eine große Hürde dar: die Aufrechterhaltung stabiler Plasmaeinschließung über lange Zeiträume in rauen Umgebungen.

Aktuelle Plasmakontrollsysteme sind szenariobasiert, reagieren langsam und sind stark auf manuelle Abstimmung angewiesen. Sie haben Schwierigkeiten, Instabilitäten in Echtzeit vorherzusagen und zu verhindern, insbesondere unter den anspruchsvollen Bedingungen zukünftiger FPPs, die mit begrenzter Diagnostik und hoher Strahlenbelastung arbeiten werden.

KI-gesteuertes Plasmakontrollsystem

Die Innovation von Next Step Fusion liegt im hybriden Plasmasteuerungssystem (PCS), das traditionelle Steuerungsmethoden (wie PID-Regler) mit modernsten maschinellen Lerntechniken integriert – insbesondere Reinforcement Learning (RL), Bayesscher Inferenz und neuronale Netze. 

Dieses KI-gesteuerte System passt sich dynamisch an das Plasmaverhalten an, sagt Störungen voraus und vermeidet sie und ermöglicht die Erforschung neuer Plasmazustände, ohne auf vollständige magnetische Rekonstruktionen angewiesen zu sein.

Das PCS ist maschinenunabhängig und skalierbar, was es für eine Vielzahl von Fusionsgeräten geeignet macht. Sie verwandelt die Plasmasteuerung von einer starren, szenariobasierten Aufgabe in eine flexible, Echtzeit-Optimierungsherausforderung und ebnet den Weg für stabilere und effizientere Fusionsoperationen.

Validierung und Wirkung in der realen Welt

Im Jahr 2024 demonstrierte Next Step Fusion erfolgreich sein RL-basiertes Steuermodul an der DIII-D National Fusion Facility in San Diego. Der Controller wurde in das bestehende PCS des Tokamaks integriert und ersetzte die Standard-Formsteuerungsschleife in Echtzeit, wobei er mit 4 kHz arbeitete. Die Ergebnisse zeigten eine starke Stabilität und Leistung, wobei die Plasmaform in verschiedenen Szenarien erfolgreich kontrolliert wurde.  

Diese Validierung unterstreicht das Potenzial des Systems, die Effizienz in Hochtemperatur-Halbleiterspulenbauelementen und zukünftigen FPPs zu verbessern.

Der von Next Step Fusion entwickelte RL-Agent erlernt Steuerungsrichtlinien direkt aus Sensor- und Aktuatordaten, wodurch Zwischenrekonstruktionen des magnetischen Flusses überflüssig werden. Dies beschleunigt das Training erheblich und verbessert die Anpassungsfähigkeit über verschiedene Plasmaformen und Betriebsbedingungen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die auf vordefinierten Szenarien und linearen Modellen basieren, bietet der KI-basierte Ansatz von Next Step Fusion:

• Echtzeit-adaptive Steuerung , die auf tatsächliche Plasmabedingungen reagiert.
• Verallgemeinerung über verschiedene Szenarien hinweg und ermöglicht einen robusten Betrieb unter unterschiedlichen Bedingungen.
• Erforschung neuer Regime, die es Forschern ermöglicht, zuvor unerreichbare Konfigurationen zu testen.
• Beschleunigte Designzyklen und Kostensenkung, was manuelles Abstimmen und Versuch-und-Irrtum-Experimente minimiert.

Diese Innovationen positionieren das PCS als transformative Technologie für den Fusionssektor, die in der Lage ist, die Einschränkungen traditioneller Regelungssysteme zu überwinden und die kommerzielle Rentabilität zu ermöglichen.

Das Projekt von Next Step Fusion ist bereit, einen bedeutenden Beitrag zur luxemburgischen Wirtschaft und technologischen Führungskraft zu leisten. Das Projekt zeichnet sich als bahnbrechende Initiative mit dem Potenzial hervor, Luxemburgs Rolle in der Fusionsenergieforschung zu verändern. 

Das Unternehmen plant, sein Team um weitere ML-Forscher und Softwareentwickler zu erweitern und so Hightech-Arbeitsplätze zu schaffen. Seine skalierbaren Softwarelösungen haben ein starkes Exportpotenzial, insbesondere in Europa, den USA und Asien. Strategische Kooperationen mit akademischen Institutionen und Innovationsclustern stärken Luxemburgs Position im globalen Fusionsrennen weiter.

Nun bewegt sich das Unternehmen von Pilotprojekten zu kommerziellen Projekten und unterstützt seine ersten Kunden mit Design- und Simulationsdiensten für die nächste Generation von Tokamaks. Partnerschaften mit Forschern und privaten Tokamak-Entwicklern legen die Grundlage für zukünftige kommerzielle Einsätze, während die Fusionsindustrie von der Forschung zur Prototypenentwicklung übergeht.

KI als Ermöglicher für Fusionen im großen Maßstab

Das KI-gestützte Plasma-Kontrollsystem von Next Step Fusion stellt einen entscheidenden Sprung zur Erreichung von netto-positiver Fusionsenergie dar. Durch die Kombination konventioneller Technik mit fortschrittlicher KI adressiert das Unternehmen eine der dringendsten Herausforderungen in der Fusionsenergie – die Plasmakontrolle. Mit nachgewiesenen Ergebnissen, strategischen Partnerschaften und einem starken interdisziplinären Team ist Next Step Fusion gut positioniert, um die Kommerzialisierung von Fusionsenergie anzuführen und zu einer saubereren, nachhaltigeren Zukunft beizutragen.