Fusión termonuclear: Inteligencia artificial desde las fronteras de la ciencia hasta la segmentación de tus clientes

Energía barata, infinita, segura y limpia

La Inteligencia Artificial desde la investigación de la Fusión Termonuclear a la generación de ventas o el control del riesgo

Actualmente la energía y el medioambiente son dos de las mayores preocupaciones de los estados y de las personas. Prescindiendo de las consideraciones medioambientales, los precios de las energías han alcanzado niveles nunca vistos antes, provocando grandes problemas económicos y geoestratégicos.

En este contexto hablar de la fusión termonuclear: una energía infinita, barata, segura y limpia, podría parecer oportunista. Para los que piensen así que repasen, por ejemplo, la película Aliens: El regreso de 1986, donde la atmósfera del planeta donde estaba la colonia (y los aliens) había sido hecha respirable usando grandes infraestructuras industriales y gracias a la energía de un reactor de fusión. Imaginaos si en esos años ya había llegado al cine ¿desde cuándo se estaba investigando estos procesos?

Si me permitís veamos por orden varios temas: ¿qué es la fusión?, ¿cómo puede ayudar la inteligencia artificial (IA) a llegar a obtener esta nueva fuente de energía? Y nuestra experiencia llevando desarrollos desde el campo de la fusión termonuclear al conocimiento del cliente y a la predicción y gestión de riesgos.

El recorrido anterior no parece lo más lógico: partir de uno de los campos más apasionantes de la física en la actualidad (la física del magma generado en un experimento de fusión termonuclear en un dispositivo tipo tokamak), hasta el conocimiento de mis clientes, de su desarrollo comercial y de la gestión de riesgos. Éste recorrido tiene un hilo conductor común: el uso de las capacidades de la inteligencia artificial y la enorme flexibilidad que nos permite atacar diferentes problemas, en diferentes sectores, obteniendo resultados y retornos realmente importantes.

¿Qué es la fusión termonuclear?

Empecemos con la primera cuestión: ¿qué es la fusión? Y para ello recurramos a los expertos, según el Consejo de Seguridad Nacional “La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, generalmente liberando partículas en el proceso”.

Si la masa del núcleo es más ligera que las masas originales, se genera energía. Esta energía liberada viene dada por la famosísima ecuación de E=mc² de Albert Einstein. La fusión no es lo mismo que la fisión nuclear, en esta última se rompe el átomo generándose una reacción en cadena y liberándose energía. La fisión es la base de nuestras actuales centrales nucleares.

Y después de éste párrafo alguien se preguntará, esto para qué sirve:

• Para que exista la vida, la fusión es el proceso que ocurre en el sol; en el que se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio.
• Si fuéramos capaces de industrializar la generación de energía mediante fusión tendríamos una energía limpia, muy eficiente y prácticamente inagotable. 

Una reacción de fusión puede liberar aproximadamente diez millones de veces la energía liberada por un proceso químico como la quema de petróleo.

Uno de los isótopos del hidrógeno usado en la fusión es el deuterio, pues bien, el contenido energético en un litro de agua de mar es el equivalente al contenido energético proporcionado por 250 litros de petróleo.

Ya podemos empezar a vislumbrar las dificultades que tenemos para conseguir generar de manera industrial energía a partir del proceso de fusión: unir dos átomos venciendo las enormes fuerzas electromagnéticas requiere decenas de millones de grados centígrados. A esas temperaturas la materia forma lo que se llama magma, que es un estado diferente a los tres que nos enseñaron en el colegio: sólido, líquido y gaseoso. Así se puede entender lo que dijo el premio Nobel de Física Pierre Gilles de Gennes: “Decimos que pondremos el sol en una caja. La idea es atractiva, pero el problema está en que no sabemos cómo ni de qué hacer la caja ”. 

Una de las formas de hacer esa “caja” es en forma de toroide (como un donut hueco) donde se confina el magma, sin tocar las paredes, usando grandes campos magnéticos. Este dispositivo es el denominado Tokamak y es la base del diseño del dispositivo ITER, que quizás sea el proyecto energético más ambicioso a nivel mundial.

Otro dispositivo Tokamak es el JET, con el cual hemos trabajado y nos va a servir para concretar como la IA puede ayudar a los físicos a comprender las leyes de la fusión y a nosotros crear algoritmos y tecnologías que nos permitan avanzar dando servicios a clientes en otros sectores, como, por ejemplo: seguridad, gestión de riesgos y hasta desarrollo comercial de canales en gran consumo. De estos ejemplos se hablará brevemente al final.

Cómo la inteligencia artificial puede ayudar a los físicos para obtener energía mediante fusión termonuclear

Definamos en el contexto del problema:

• No se conocen las leyes fundamentales de la física del plasma que se genera y se confina en un dispositivo como el JET.
• Se dispone de una cantidad ingente de datos, provenientes de las lecturas de los sensores del dispositivo, en cada descarga (experimento donde se consigue una reacción de fusión) y que éstos datos suelen presentar muchos ruidos (o lo que es igual: mala calidad del dato).

Por ejemplo, la base de datos del JET era de más de 100 TB hace 5 años, y se duplicaba anualmente. El ITER, recogerá entre 500.000 y 1.000.000 de señales por cada descarga; por lo que la tasa esperada de datos es de Pbytes/año.

• El proceso es extremadamente complejo, donde se necesitaría optimizar tres parámetros muy difíciles de llevarlos al mismo tiempo los valores necesarios para producir energía a nivel industrial:
  • Densidad del plasma.
  • Mayor temperatura posible. En el JET se han conseguido las mayores temperaturas del sistema solar, 10 veces mayores que en el centro del Sol.
  • Mayor tiempo de confinamiento posible.

Visto el contexto anterior es fácil entender que las capacidades de modelado y de análisis de grandes cantidades de datos que provee la IA, pueden ser muy útiles para ayudar a entender los procesos de fusión, a prever fenómenos no deseados y en definitiva a controlar los dispositivos de fusión termonuclear para conseguir producir energía de manera industrial y muy rentable. En definitiva conseguir el llamado “Breakeaven Fusion”, producir mucha más energía que la necesaria para empezar y mantener el proceso de fusión.

Los trabajos en el campo de la fusión puede pensarse que es algo a lo que se destinan muchos recursos pero con poco impacto en el día a día de las personas. Esto no es así, algunos ejemplos de desarrollos que han sido posibles gracias a esta investigación:

• Medicina: Imanes superconductores, que se emplean en la obtención de imágenes por resonancia magnética.
• Medio ambiente: Membranas de una aleación de paladio, diseñadas para desechos de la fusión, son eficaces para tratar residuos de las industrias químicas y de la industria del automóvil.
• Control remoto: Técnicas de control remoto que son empleadas en el Tokamak JET de EUROfusion, están siendo aplicadas en física de altas energías, ciencias del espacio, en el desmantelamiento de material nuclear, y en prácticas actuales de cirugía.

También en GAMCO hemos trabajado ayudando a crear modelos que segmenten las grandes cantidades de datos disponibles, identificando las variables más relevantes, de entre las miles disponibles, para explicar ciertos fenómenos. 

Éstos desarrollos no se han suscrito solo al ámbito de la física sino a otros más del día a día:

• Segmentación automática: aplicada a la obtención de segmentos con características comunes de clientes en el desarrollo de canales comerciales. Ésta segmentación de clientes está implementada en nuestra solución SAIL (Sales Artificial Intelligence Launch).
• Identificación de las variables más relevantes: estos desarrollos nos han permitido implementar la explicabilidad de las salidas de nuestros modelos predictivos. Por ejemplo, en la gestión avanzada del riesgo (ARM – Advanced Risk Management), pudiendo definir por qué se activan alertas de impagos en clientes que hasta ahora han pagado sus obligaciones crediticias.