In einem Fusionsreaktor entscheiden Millisekunden. Wird das Plasma instabil, bricht die Reaktion ab, bevor ein Mensch überhaupt reagieren kann. Ein an der Princeton University entwickeltes System hat die Kontrolle deshalb erstmals in fünf echten Versuchen übernommen. In einem davon sagte es eine gefürchtete Störung rund 200 Millisekunden im Voraus, sodass sie gar nicht erst entstand.
Kernfusion soll Energie so erzeugen, wie es die Sonne tut: durch das Verschmelzen leichter Atomkerne. Damit das gelingt, muss ein Gas aus Wasserstoffisotopen auf Temperaturen gebracht werden, die jene im Sonnenkern übersteigen. Bei diesen Bedingungen liegt die Materie als Plasma vor, ein elektrisch geladener Zustand, den kein Behälter aus Material einschließen könnte. In einer Anlage vom Typ Tokamak halten deshalb starke Magnetfelder das Plasma in einer ringförmigen Kammer in der Schwebe. Damit die Reaktion läuft, muss dieses Plasma heiß, dicht und stabil bleiben, was ständige Eingriffe an Heizsystemen, Magneten und Gaseinlässen erfordert. Kleine Störungen können dabei innerhalb weniger Millisekunden anwachsen und die gesamte Entladung beenden.
Genau diese Zeitskala ist das Problem. Selbst ein hochkonzentrierter Mensch reagiert im Bereich von Sekunden, und die aufwendigen Computersimulationen, mit denen sich Plasmaverhalten physikalisch berechnen lässt, benötigen Tage bis Monate Rechenzeit. Für die Vorbereitung des nächsten Experiments ist das nützlich, für die Steuerung während eines Versuchs, der oft nur Minuten dauert, jedoch wertlos. Ein Team des Princeton Plasma Physics Laboratory und der Princeton University hat deshalb ein Software-Rahmenwerk entwickelt, das die Entscheidungen im Millisekundenbereich an Modelle des maschinellen Lernens abgibt, während Menschen weiterhin die Ziele vorgeben. Der Name der Entwicklung lautet PACMAN, gebildet aus den englischen Begriffen für Vorhersage und Steuerung mittels maschinellen Lernens.
Das System arbeitet in einer fortlaufenden Schleife. Es sammelt Echtzeitdaten zu Temperatur, Plasmadichte und magnetischen Signalen, lässt Modelle bewerten, was das Plasma gerade tut und in den nächsten Momenten tun wird, und sendet daraufhin Befehle an die verschiedenen Systeme der Anlage. Ein vollständiger Durchlauf dauert nach Angaben der Forscher rund 20 Millisekunden und wiederholt sich über die gesamte Entladung hinweg. Erprobt wurde das Verfahren an der Fusionsanlage DIII-D in San Diego in fünf verschiedenen Experimenten, wie das Princeton Plasma Physics Laboratory berichtet. In einem der Versuche übernahm ein durch bestärkendes Lernen trainiertes Modell die vollständige Kontrolle über die Heizsysteme.
Der eindrucksvollste Befund betrifft eine Instabilität, die Fachleute als Tearing-Mode bezeichnen und bei der die Magnetfeldstruktur im Plasma aufreißt. Herkömmliche Regler können eine solche Störung erst erkennen, wenn sie bereits begonnen hat, und ihre Unterdrückung geht dann meist mit erheblichen Leistungseinbußen einher. Im Experiment sagte ein Modell diese Störung etwa 200 Millisekunden im Voraus vorher, sodass das Plasma rechtzeitig umgeformt werden konnte und die Instabilität erst gar nicht entstand. Zusätzlich steuerte das System alle sechs Mikrowellenheizungen der Anlage gleichzeitig, richtete deren Spiegel neu aus und passte ihre Leistung laufend an. Für diese Aufgabe existierte zuvor kein Verfahren, das eine optimale Lösung finden konnte.
Bemerkenswert an der Konstruktion ist die klare Aufgabenteilung. Die Modelle entscheiden, wie ein Ziel erreicht wird, aber nicht, welches Ziel gilt, und das Rahmenwerk zwingt die Anlage in ihre technischen Grenzen, unabhängig davon, was ein Modell vorschlägt. Dieser Aufbau ist kein Zugeständnis an Bedenkenträger, sondern eine Voraussetzung für den Betrieb, denn Fusionsanlagen sind teure Einzelstücke, deren Beschädigung Monate an Ausfall bedeutet. Damit unterscheidet sich der Ansatz von rein datengetriebenen Systemen und rückt ihn in die Nähe des Regelungsdenkens, das in der Fusionsforschung ohnehin dominiert, wie sich auch an den Fortschritten zeigt, bei denen Japans Kernfusion das Plasma fast eine Stunde stabil hielt.
Die Ergebnisse betreffen ein Forschungsexperiment, nicht ein Kraftwerk. DIII-D erzeugt keinen Strom, die Entladungen dauern Sekunden bis Minuten, und in einer künftigen Anlage kämen Belastungen durch Neutronenstrahlung und Dauerbetrieb hinzu, die heutige Steuerungen nicht kennen. Offen ist zudem, wie gut sich trainierte Modelle auf andere Maschinen übertragen lassen, denn jedes Plasma verhält sich in seiner jeweiligen Geometrie anders. Die Forscher sehen ihr Rahmenwerk deshalb als Baukasten, in dem sich mehrere Modelle austauschen und kombinieren lassen. Angesichts der Summen, die derzeit in die Technologie fließen, unter anderem 411 Millionen Euro für Deutschlands Kernfusion, dürfte die Frage der automatischen Steuerung schnell an Gewicht gewinnen. Denn ein Kraftwerk, das nur mit menschlicher Reaktionszeit auskäme, wäre nach heutigem Stand nicht betreibbar.