Учёные применяют искусственный интеллект для ускорения анализа ядерных материалов
Учёные используют искусственный интеллект и мощные вычислительные ресурсы, чтобы ускорить процесс получения важных сведений о ядерных событиях, таких как взрывы, аварии или промышленные выбросы.
Для выяснения подробностей о ядерном взрыве, включая отслеживание источника использованных материалов, требуется кропотливая лабораторная работа. При ядерном взрыве происходит шквал ядерных и химических реакций, в результате которых образуются сотни изотопов и химических соединений. Собрать все кусочки молекулярной головоломки, чтобы создать подтверждённое описание произошедшего, — долгий и утомительный процесс.
Теперь учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) использовали генеративный искусственный интеллект, машинное обучение и облачные вычислительные ресурсы Microsoft, чтобы показать, как можно ускорить анализ. Исследователи показали, что искусственный интеллект может помочь решить некоторые сложные химические вопросы, с которыми сталкиваются учёные при анализе смеси радиоактивных обломков ядерного взрыва.
Постоянной целью является ускорение процесса идентификации ключевой информации о ядерном взрыве и предоставление ответов ещё быстрее. Это исследование является важным шагом в этом направлении, поскольку оно уделяет приоритетное внимание и нацеливает химические шаги, необходимые для этого, что в конечном итоге сокращает время, необходимое в лаборатории.
Результаты моделирования были опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Исследователи PNNL также представили свою работу весной на конференции Methods and Applications of Radioanalytical Chemistry.
«Существует огромное количество радиохимии, которую необходимо провести, чтобы определить «отпечатки пальцев» ядерного взрыва», — сказал Ник Уннак, радиохимик PNNL, возглавлявший исследование. «Процесс должен быть выполнен быстро, но учёные сталкиваются с очень сложной химической средой, с высокими уровнями радиации и многими отдельными химическими процессами, происходящими одновременно. Вы имеете дело с очень сложной химией и множеством потенциальных лабораторных экспериментов и анализов».
Уннак сравнивает процесс анализа после детонации с определением источников и особенностей ингредиентов уже испечённого торта. С фермы привезли яйца, сколько их использовали? Была ли мука без глютена? В какой печи пекли торт? И так далее. Если можно задать столько вопросов о простом торте, можно представить, сколько вопросов нужно решить после ядерного взрыва.
PNNL является частью группы национальных лабораторий и правоохранительных органов, которые управляют возможностями США в области ядерной криминалистики. PNNL и другие предоставляют информацию, которая интерпретируется другими частями системы для принятия важных решений.
В этой работе команда PNNL предложила набор химических форм, которые, вероятно, будут присутствовать в обломках, и задала основные вопросы о последующей химии. Какие реакции наиболее вероятны? Какие лабораторные эксперименты необходимы для ответа на поставленные вопросы? Какие эксперименты следует проводить в первую очередь?
Остатки ядерного взрыва будут включать многие элементы, в том числе большую часть периодической таблицы, и несколько различных химических форм многих из них. Будут присутствовать уран, стронций, железо и церий. Анализ часто включает помещение материалов в водную ванну, например, в азотную кислоту, а затем проведение серии утомительных химических разделений, чтобы узнать больше о каждом компоненте.
В новом исследовании команда использовала высокопроизводительные вычисления с поддержкой искусственного интеллекта для моделирования сложной вычислительной химии и определения некоторых химических свойств. Среди них — расчёты констант устойчивости. Эти числа помогают учёным понять прочность связей между ионами или молекулами для образования молекулярных комплексов, вероятность того, что эти комплексы будут слипаться или распадаться, и то, как энергия течёт в такой сложной системе.
Команда показала, что модель искусственного интеллекта способна исследовать и вычислять свойства огромного числа возможных молекулярных комбинаций, гораздо большего, чем могла бы изучить любая научная группа в лаборатории.
«Генеративный искусственный интеллект вычисляет одновременно во многих измерениях, что сложно для человека», — сказал Хади Динпажух, вычислительный химик и автор статьи. «Модель позволяет нам значительно сократить сроки для изучения всех возможностей».
Учёные PNNL считают, что такое моделирование химического разделения с помощью искусственного интеллекта может быть полезно для решения других вопросов, связанных с ядерной наукой. Одним из примеров является производство медицинских изотопов, таких как молибден-99, который используется для диагностики рака и других заболеваний. Молибден-99 производится в процессе деления и требует химических разделений, подобных тем, которые изучает команда.
Для решения математических задач команда PNNL объединилась с Microsoft для использования облачных вычислительных ресурсов Azure Quantum Elements. Эта система использовала мощные компьютерные чипы от NVIDIA, включая 230 графических процессоров NVIDIA H100. В совокупности, вместе с другими вычислительными ресурсами, команда использовала 55 терабайт оперативной памяти для решения поставленных задач — анализа, который представлял собой лишь один шаг в длинной цепочке анализов, которые произошли бы после ядерного взрыва.
Техническое управление за коллаборацией PNNL и Microsoft осуществлял учёный-компьютерщик Пол Ригор, чей опыт позволил преодолеть разрыв между исследовательскими требованиями проекта и вычислительной инфраструктурой, предоставленной Microsoft.
«Эта первая статья в этом направлении — лишь небольшой шаг, но это важный шаг», — сказал Уннак. «Всё, что мы можем сделать для ускорения процесса анализа, — это победа».
Исследования ядерных устройств и обломков являются частью большой и ongoing программы по ядерной криминалистике в PNNL. Лаборатория является важнейшим компонентом национальных возможностей по анализу ядерных и радиоактивных материалов и событий, включая сложную науку, связанную с ядерными детонациями.
Предоставлено
Pacific Northwest National Laboratory