Fusión nuclear: cumplir la promesa de una energía libre de carbono con la ayuda de la IA
SAINT-PAUL-LEZ-DURANCE, Francia – Ubicada en un bosque de pinos, robles y matorrales aromáticos en la Provenza, la planta de fusión nuclear más grande del mundo está en construcción.
Aquí, 2.000 científicos, físicos y trabajadores de más de 30 países construyen una planta de energía alimentada por la misma energía que hace brillar el sol. La fusión tiene el potencial de ser una nueva fuente de energía asequible y libre de carbono.
ITER, como se llama, es un proyecto bastante complejo, que implica el aprovechamiento de plasma que es incluso más caliente que nuestro sol. Debido a que nunca se había hecho nada a esta escala, cada día ofrece desafíos sin precedentes. Cuando se encienda, y el objetivo para eso es 2033, tendrá toda la atención del mundo.
Alain Becoulet, director general adjunto del ITER, sonrió con nostalgia al contemplar el trabajo a realizar antes de llegar a ese momento. «Conduciremos un Ferrari y todo lo que tenemos para entrenar en este momento son bicicletas», dijo.
La colaboración con Microsoft es una de las formas en que ITER se prepara para el momento en que llegue el momento de girar el interruptor de encendido. ITER utiliza una serie de herramientas de Microsoft, desde Microsoft 365 Copilot a Azure OpenAI Service, hasta Visual Studio y GitHub, para acelerar la consecución de sus objetivos.
«Ensamblamos un poco más de 1 millón de piezas, y el desafío no es solo fabricar estas cosas, el desafío también es ensamblarlas y hacer que todo funcione a la vez».
Alain Becoulet, físico y director general adjunto del ITER, afirma que la necesidad de precisión con componentes complejos hace que la construcción de una planta de fusión sea el reto de su vida. «Es como un reloj suizo nuclear», dice. Foto de Chris Welsch para Microsoft.
El desarrollo de un chatbot en el servicio Azure OpenAI ha mejorado de manera significativa la forma en que el personal de ITER busca en su base de datos de más de 1 millón de documentos, que van desde la investigación hasta el inventario y la regulación, dijo Becoulet. Una colaboración con GitHub Copilot ayuda a que el desarrollo de software sea accesible incluso para los no desarrolladores, además de permitir simulaciones sofisticadas para mejorar la seguridad y las operaciones.
Y ahora ITER y Microsoft Research han firmado un memorándum de entendimiento con respecto a una posible colaboración de investigación, en particular en temas relacionados con el modelado de futuros experimentos en ITER, dijo Becoulet.
«El objetivo es fortalecer el modelado integrado de plasmas del ITER, tanto en términos de diseño experimental y control en tiempo real, como en el análisis y procesamiento de cantidades gigantescas de datos», dijo, y agregó que «la cooperación también podría conducir a un gran salto adelante en la capacidad del ITER para optimizar su régimen operativo basado en los cálculos más fundamentales. a través de simulaciones que recurren a las más altas capacidades de cómputo disponibles actualmente, así como a sólidas capacidades de minería de datos».
«Es un aparato en extremo sofisticado», dijo Becoulet sobre la planta de fusión. «Ensamblamos un poco más de 1 millón de piezas, y el desafío no es solo fabricar estas cosas, el desafío también es ensamblarlas y hacer que todo funcione a la vez».
Garantizar la precisión
La idea detrás de ITER es diseñar y crear un dispositivo de fusión que pueda demostrar la viabilidad de la fusión como una fuente de energía a gran escala y libre de carbono, así como allanar el camino para el uso comercial de la fusión. La planta generaría alrededor de 500 MW de energía al año, pero esa energía no iría a la red; el propósito es aprender a operar una planta de fusión con éxito y compartir ese conocimiento de manera amplia.
En un cambio de metáfora, Becoulet dijo que «solía llamarlo un reloj suizo nuclear; es en extremo preciso, pero también del tamaño de una planta nuclear».
La inteligencia artificial, a la que Becoulet dijo que prefiere llamar «inteligencia aumentada porque son todavía los humanos los que toman las decisiones», es ahora una parte fundamental para unir a todas las partes y a las personas.
María Ortiz De Zúñiga es una de las ingenieras que ha participado en la fabricación del recipiente de vacío ITER, el contenedor en forma de rosquilla que se construye para albergar el plasma en extremo caliente del dispositivo de fusión, que se conoce como «tokamak». (La palabra «tokamak» proviene de un acrónimo ruso de «cámara toroidal con bobinas magnéticas»).
«La IA es un multiplicador de fuerzas» (…) «Para la IA esta es una tarea simple, después de entrenar un modelo. Puede realizar la misma tarea sin pasar por alto defectos de soldadura y con la precisión que requiere un componente nuclear».
María Ortiz de Zúñiga es una de las ingenieras que ha contribuido a la fabricación del recipiente de vacío ITER, un contenedor en forma de rosquilla para albergar el plasma supercaliente del dispositivo de fusión más grande. ©F4E
Ella es la jefa de la unidad de Ingeniería de Proyectos, Diseño Asistido por Ordenador (CAD, por sus siglas en inglés) y Gestión de Datos Técnicos en Fusion for Energy, la organización de la Unión Europea que forma parte del proyecto ITER (cada gobierno implicado tiene su propia agencia similar).
Cuando se unió a Fusion for Energy, sus colegas le dijeron: «Espero que te guste la fusión porque vas a trabajar en ella por el resto de tu vida», dijo con una sonrisa. Para ella ha sido un trabajo de ensueño, alineado a la perfección con su investigación de doctorado sobre IA en técnicas avanzadas de fabricación en reactores de fusión.
Durante la última década, Ortiz De Zúñiga trabajó en varios aspectos de la contribución de Europa al recipiente de vacío. Varias otras organizaciones estuvieron involucradas.
El recipiente de vacío está formado por nueve sectores, de los cuales Europa se encarga de cinco. Corea del Sur fabrica los otros cuatro. Rusia e India producen otras piezas. Cuando esté terminado, el buque pesará unas 5.200 toneladas.
El recipiente está hecho de un tipo especial de acero inoxidable que debe mecanizarse y soldarse varias veces y luego probarse con sofisticados escaneos de ultrasonido para garantizar que las soldaduras no tengan defectos. Cuando todo el dispositivo esté en funcionamiento, la nave contendrá plasma que alcanzará temperaturas de 150.000.000 Celsius, 10 veces más caliente que el núcleo de nuestro sol. La precisión es esencial.
Uno de los segmentos del recipiente de vacío que se limpia después de la construcción. El recipiente de vacío es el corazón del tokamak ITER, que es la planta motriz del proyecto de fusión. Derechos de autor: F4E en colaboración con Ansaldo, Westinghouse, consorcio Walter Tosto (AMW), Monfalcone, agosto de 2024. ©F4E
Una de las herramientas que ella y su equipo utilizan para desarrollar modelos de IA es Microsoft Visual Studio Code. Visual Studio es un «entorno de desarrollo integrado (IDE, por sus siglas en inglés)», en el que se pueden utilizar muchos lenguajes de codificación y hay varias herramientas para desarrollar aplicaciones, como las que utilizó para comprobar la calidad de las soldaduras mediante múltiples ecografías.
La cantidad de datos, y el detalle involucrado, significa que el uso de IA para analizar los datos ahorra muchas horas en la verificación de la calidad y precisión de las soldaduras. También se utiliza para ayudar a analizar los materiales que revestirán el recipiente de vacío.
«La IA es un multiplicador de fuerzas», dijo. «Para la IA esta es una tarea simple, después de entrenar un modelo. Puede realizar la misma tarea sin pasar por alto defectos de soldadura y con la precisión que requiere un componente nuclear».
La IA también desempeña un papel clave en las tareas administrativas y de investigación que son esenciales para el proyecto ITER.
Optimización de la eficiencia con Copilot
Jean-Daniel Delaplagne es el jefe de la sección de TI de ITER. Lleva 15 años en la organización.
ITER ha sido un cliente de Microsoft desde hace mucho tiempo, dijo, con Office 365, servidores Windows y otras herramientas de Microsoft en uso en toda la organización. Pero en el último año, ese uso se ha expandido en nuevas direcciones.
«Uno de nuestros objetivos era conectarnos con nuestra base de conocimientos aquí de una mejor manera», dijo Delaplagne. «Tenemos 20 años de conocimiento, más de 1 millón de documentos».
Su equipo afinó un chatbot de Azure OpenAI Service diseñado para facilitar la minería de esa base de datos. ITER ha trabajado con un socio de Microsoft, Witivio, para establecer el vínculo entre esa plataforma de conocimiento y Microsoft 365 Copilot a través de características agénticas. Un ejemplo de «elemento agente» es una herramienta diseñada en específico para traducir los cientos de acrónimos que utiliza ITER.
Delaplagne dijo que el chatbot ha sido muy útil en una variedad de formas.
«Al final, hemos obtenido respuestas de muy buena calidad sobre un conocimiento muy técnico del ITER», dijo. «No solo es bueno para encontrar documentos, es bueno para encontrar información dentro de los documentos y el significado de diferentes aspectos de la ingeniería y la construcción».
Después de una fase de uso inicial de Microsoft 365 Copilot con 50 probadores beta, ITER se ha comenzado a expandir a más de 300 licencias de Copilot con planes de agregar más, dijo Delaplagne. Copilot también se utiliza para tareas administrativas como evaluaciones iniciales de CV, así como para compras e inventario.
Azure OpenAI Service también se utiliza para hacer un historial de todos los tickets de TI en los archivos que se pueden buscar. Dijo que ITER suele recibir 40 mil solicitudes de ayuda informática cada año. Hacer que el historial de todas esas solicitudes de ayuda y soluciones se pueda buscar podría acelerar la resolución de problemas comunes; dijo que el sistema ha sido bien recibido hasta ahora. También dijo que los oficiales de salud y seguridad han utilizado Copilot para redactar metodologías de inspección y listas de verificación, incluida la generación de preguntas abiertas.
De la teoría a la práctica
En el corazón del ITER se encuentran las cuestiones de física; los científicos han investigado la cuestión de cómo las estrellas se alimentan a sí mismas desde la década de 1920.
Alberto Loarte ha dedicado su carrera a abordar estas cuestiones y a ponerlas en práctica en la construcción del tokamak en el ITER. Dice que la IA tiene el potencial de acelerar el desarrollo de la fusión como fuente de energía comercial.
«Algunas de las aplicaciones iniciales de la inteligencia artificial como Copilot son mejorar el software y desarrollar nuevas rutinas, porque estas cosas son en realidad bastante eficientes», dijo. «Se puede hacer programación directo con ella, y se puede llegar a un estándar y mejorar la eficiencia».
Loarte dijo que la IA jugará un papel cada vez más importante en la mejora de la calidad de las simulaciones predictivas. La fusión nuclear se ha logrado antes, pero nunca a la escala del ITER.
Más allá de la IA, se necesita potencia computacional para prepararse para la puesta en marcha del tokamak ITER.
Como lo describe Loarte, cuando se produce la reacción de fusión, el plasma se comporta de forma similar al Sol, con sus erupciones solares periódicas. Los físicos esperan que los nuevos cálculos muestren que la integración entre los requisitos para crear fusión y las presiones que ejercen sobre el recipiente de vacío sería más fácil de lo que se prevé ahora.
La fusión es diferente de la fisión: no crea residuos radiactivos de alta activación y es una forma mucho más segura de generación de energía, pero el comportamiento del plasma debe controlarse con precisión para crear energía confiable.
Es por eso que los cálculos predictivos de lo que podría suceder en diversas condiciones son tan críticos. Con el tiempo, sería necesario el uso de la computación de alto rendimiento, o HPC.
También dijo que la IA se puede utilizar para interpretar los resultados de estos pesados cálculos; Loarte y otros científicos ya han hecho esto a un nivel pequeño.
Para María Ortiz De Zúñiga, la idea de contribuir a una nueva fuente de energía limpia le da sentido a su trabajo.
«Eso es lo que nos impulsa», dijo. «La fabricación es emocionante para un ingeniero. Pero cuando llegas a producir un componente que formará parte de ITER, te das cuenta de cómo tu trabajo es parte del panorama general para resolver la crisis energética».