Contrôler la fusion nucléaire avec de l'intelligence artificielle

La fusion nucléaire - ici le tokamak de l'EPFL - a l'ambition de reproduire ce qui se passe au coeur du soleil. Elle pourrait produire de l'électricité propre dans la deuxième moitié du 21e siècle.

Des scientifiques du Swiss Plasma Center de l’EPFL et de DeepMind ont mis au point une méthode d'intelligence artificielle pour mieux contrôler la fusion nucléaire. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature.

Le Swiss Plasma Center (SPC) de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) possède une expérience de plusieurs décennies en physique des plasmas. DeepMind, société acquise par Google en 2014, se situe à la pointe du développement de l'intelligence artificielle (IA).

Ensemble, ces deux entités ont développé une nouvelle méthode de contrôle magnétique des plasmas reposant sur l’apprentissage par renforcement profond. Ils l’ont appliquée à un plasma du monde réel pour la première fois dans le “tokamak” du SPC, a indiqué mercredi l'EPFL dans un communiqué.

Les tokamaks sont des installations en forme d’anneau destinées à la recherche en fusion nucléaire. Ces appareils utilisent un puissant champ magnétique pour confiner le plasma à des températures extrêmement élevées - des centaines de millions de degrés celsius, soit plus chaud que le noyau solaire - de sorte que la fusion nucléaire puisse se produire entre les atomes d’hydrogène.

L’énergie ainsi libérée pourrait être utilisée dans la production d’électricité. Le tokamak du SPC est unique car il permet diverses configurations de plasma, d’où son nom: tokamak à configuration variable (TCV). Une configuration de plasma est liée à sa forme et à sa position dans la chambre de recherche.

Fastidieux calculs

Les tokamaks forment et maintiennent les plasmas par un ensemble de bobines magnétiques dont les réglages, notamment la tension, doivent être soigneusement contrôlés. Sinon, le plasma pourrait entrer en collision avec les parois de la chambre et la détériorer.

Pour éviter cela, les chercheurs du SPC testent d’abord leurs systèmes de contrôle sur un simulateur avant de les utiliser dans le TCV. 'Notre simulateur est le fruit de plus de 20 années de recherches et est sans cesse amélioré', indique Federico Felici, scientifique au SPC et co-auteur de l’étude.

'Malgré cela, de fastidieux calculs sont encore nécessaires pour déterminer la valeur correcte de chaque variable du système de contrôle. C’est là qu’intervient notre projet de recherche commun avec DeepMind', ajoute le spécialiste.

Entraîné sur simulateur

DeepMind a mis au point un algorithme d'IA qui peut créer et maintenir des configurations de plasma spécifiques et l’a entraîné sur le simulateur du SPC. Sur la base de l’expérience acquise, l’algorithme a généré une stratégie de contrôle pour produire la configuration de plasma demandée. L’équipe a ensuite testé son système directement sur le tokamak en conditions réelles.

Une fois entraîné, l'algorithme était capable de créer et de maintenir un vaste ensemble de formes et de configurations de plasma. Notamment une dans laquelle deux plasmas distincts sont maintenus simultanément dans la chambre, chose que l'on n'était jamais parvenu à réaliser dans le tokamak lausannois, a précisé Federico Felici à Keystone-ATS.

La collaboration entre le SPC et DeepMind remonte à 2018. 'Elle nous encourage à améliorer nos algorithmes d’apprentissage par renforcement, et au final cela peut accélérer la recherche sur la fusion des plasmas', note Brendan Tracey, ingénieur principal de recherche chez DeepMind et co-auteur de l’étude.

Energie de demain

Il y a une semaine, des scientifiques au Royaume-Uni ont annoncé avoir produit grâce à la fusion nucléaire plus d'énergie que jamais auparavant, soit 59 mégajoules en cinq secondes, l'énergie nécessaire pour assurer les besoins, pendant cinq secondes, de 35'000 foyers. C'est le double du record précédent qui datait de 1997.

Potentielle alternative à la fission nucléaire utilisée dans les centrales actuelles, la fusion nucléaire a l'ambition de reproduire ce qui se passe au coeur du soleil. Elle est considérée par ses partisans comme l'énergie de demain, notamment parce qu'elle produit peu de déchets - et nettement moins radioactifs que dans une centrale classique - et pas de gaz à effet de serre.

A quantité égale, la fusion nucléaire permet de produire quatre millions de fois plus d'énergie que le charbon, le pétrole ou le gaz, tout en étant très sûre. Par ailleurs, contrairement à la fission, elle ne peut pas être utilisée comme une arme. Néanmoins, si des dizaines de réacteurs à fusion nucléaire ont été construits depuis les années 1950, ils consomment encore aujourd'hui trois fois plus d'énergie qu'ils ne permettent d'en créer.

Selon Federico Felici, la fusion nucléaire n'entre ainsi pas en ligne de compte dans l'immédiat pour réduire les émissions de CO2. En revanche, 'elle a le potentiel d'offrir un approvisionnement de base en électricité dans la deuxième moitié du 21e siècle'.