AIが核融合成功を予測、クリーンエネルギー研究を加速

人工知能は、核融合の探求を劇的に強化していますが、それは当初想像していた方法とは異なるかもしれません。サイエンス誌に発表された新しい研究では、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の科学者たちが、国家点火施設（NIF）における複雑な核融合実験の結果を正確に予測できる深層学習モデルを開発した経緯が詳述されています。この画期的なモデルは、2022年の特定の実験に対して74%の点火確率を割り当て、より広範なパラメータをより高い精度で評価することで、従来のスーパーコンピューティング手法を大幅に上回っています。

NIFの慣性閉じ込め核融合プログラムの認知シミュレーショングループを率い、この研究の共著者でもあるケリー・ハンバード氏は、このモデルの戦略的価値を強調しました。「このモデルについて私たちが興奮しているのは、将来の実験で成功確率を最大化するための選択を明示的に行う能力があることです」と彼女は説明しました。NIFは、その途方もない規模と洗練性にもかかわらず、毎年限られた数の「点火試行」（通常は数十回）しか実施できません。そのため、各実験はこの分野を進歩させる上で極めて重要です。

核融合研究のより広範な目標は、クリーンで事実上無限のエネルギー源を利用することです。ウランのような重い原子の分裂に依存する現在の原子力発電所とは異なり、核融合は軽い水素原子を結合させて莫大な量のエネルギーを放出します。このプロセスには大きな利点があります。はるかに多くのエネルギーを生成し、有害で長寿命の放射性副産物を発生させないため、持続可能なエネルギーの未来にとって理想的な候補となります。有望な進歩は遂げられていますが、商業規模の核融合は依然として遠い見通しであるというのが科学界のコンセンサスです。

NIFの核融合実験は、レーザー駆動アプローチを採用しています。強力なレーザーが、ホーラウムと呼ばれる小さな金色の円筒を加熱し、これにより強烈なX線が放出されます。これらのX線は、次に重水素と三重水素という2つの水素同位体を含む燃料ペレットを圧縮します。最終的な目標は、レーザーが最初に消費したエネルギーよりも多くのエネルギーをプロセスが生成するのに十分な核融合反応を引き起こすこと、この状態は点火として知られています。しかし、このプロセスの複雑な物理学を予測することは、非常に困難であることが証明されています。従来のコンピューターシミュレーションは、「計算上扱いやすい」（処理が管理しやすい）状態を保つために簡略化されることが多く、エラーを導入する可能性があり、それでも実行を完了するのに数日を要することがあります。

ハンバード氏は、核融合の追求を、高く、未知の山を登ることに例えています。既存のコンピューターシミュレーションは、研究者を導くかもしれない「不完全な地図」として機能しますが、研究設計に関わらず、この地図自体に欠陥が含まれている可能性があります。「ハイキング」（点火試行）の機会が限られており、それぞれが多大な予算支出を伴うため、研究者は実験のセットアップとツールについて迅速かつ情報に基づいた決定を下すという途方もないプレッシャーに直面しています。

これらのハードルを克服するために、ハンバード氏のチームは記念碑的な「地図作成の探求」に着手しました。彼らは、以前に収集されたNIFの実験データ、高忠実度物理シミュレーション、そして専門家からの貴重な洞察を統合することで、包括的なデータセットを細心の注意を払ってコンパイルしました。この膨大なデータセットは、最先端のスーパーコンピューターに入力され、3000万CPU時間以上（数百万時間の処理時間）を費やす統計分析が実行されました。この厳密な分析により、チームはNIFで「うまくいかないことの分布」を特定することができました。これには、わずかなレーザーの誤射から、ターゲット自体の微妙な欠陥まで、あらゆるものが含まれます。

結果として得られたAIモデルは、研究者が実験設計の有効性を事前に評価できるようにすることで、時間と費用の両方で大幅な節約をもたらします。ハンバード氏自身もこのモデルを使用して2022年の実験を評価し、その特定の実行結果を正確に予測しました。重要なことに、モデルの物理的理解に対するその後の改良により、その予測精度は50%から印象的な70%にさらに向上しました。ハンバード氏にとって、このモデルの強みは、実際の世界に固有の不完全さ（機器の欠陥、設計上の制約、または予測不可能な自然の気まぐれなど）を認識し、さらには再現する能力にあるとされています。

急速な進歩は爽快ですが、このモデルは、科学的な努力がしばしば忍耐を必要とし、必然的に挫折に遭遇することを思い出させます。「人々は何十年も核融合に取り組んできました…うまくいかないことがあっても、それほど落ち込むべきではありません」とハンバード氏は振り返りました。彼女は、すでに達成された目覚ましい進歩を強調し、1メガジュールの出力は理想的な2メガジュールには及ばないものの、それほど昔ではない10キロジュールから見れば、とてつもない飛躍であると述べました。この漸進的でありながら重要な進歩は、研究にとって大きな一歩であり、将来的にはクリーンエネルギーに向けた極めて重要な一歩となることが期待されます。