Interpretable machine learning applied to fusion plasmas
Doktorsavhandling, 2026

Magnetic confinement fusion is a field of research that strives to develop an environmental friendly energy source to assist in powering our society. By confining a plasma with magnetic fields, conditions that enable nuclear fusion can be achieved. However, gaining a high efficiency has proven to be a challenging task, which is why fusion research is still at the experimental stage. On another scientific front, machine learning (ML) and artificial intelligence (AI) are advancing with tremendous momentum, and are rapidly being integrated into fusion research. However, the black-box aspect of many popular ML architectures inhibits our ability to interpret what the models have learned during training. Ideally, we would like to understand ML models deployed in fusion research to gain knowledge that may prove useful for advancing the field.

This thesis focuses on exploring interpretable ML methods in fusion research. As a consequence, an interpretable framework called NeuralBranch has been developed, which has been applied to two different use cases in fusion. The main application in this thesis relates to the so-called pedestal, which has significance for the energy confinement in fusion experiments. The other, more secondary application in this thesis, relates to the growth rate of plasma instabilities that contribute to heat and particle transport. In summary, the interpretability of the machine learning models deployed reveals intricate parameter relationships in both these applications, beyond what previous traditional data-fitting approaches have been able to reveal.

Pedestal

Tokamak

Machine learning

Artificial intelligence

Magnetic confinement fusion

Interpretability

Sal EA, EDIT-huset, Hörsalsvägen 11
Opponent: Dr. Udo Von Toussaint, Max Planck Institute for Plasma Physics, Germany.

Författare

Andreas Gillgren

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Astronomi och plasmafysik

Investigating pedestal dependencies at JET using an interpretable neural network architecture

Nuclear Fusion,;Vol. 65(2025)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Data-driven models in fusion exhaust: AI methods and perspectives

Nuclear Fusion,;Vol. 64(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

High temporal resolution of pedestal dynamics via machine learning on density diagnostics

Plasma Physics and Controlled Fusion,;Vol. 66(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

A fast neural network surrogate model for the eigenvalues of QuaLiKiz

Physics of Plasmas,;Vol. 30(2023)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Enabling adaptive pedestals in predictive transport simulations using neural networks

Nuclear Fusion,;Vol. 62(2022)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Towards understanding reactor relevant tokamak pedestals

Nuclear Fusion,;Vol. 61(2021)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Gillgren, A. Yadykin, D. Strand, P. Interpretability guided transfer learning approaches for tritium pedestal predictions

Energi är en av de absolut viktigaste frågorna i samhället. Det är vår förmåga att omvandla och utvinna den som håller oss varma, får oss att snabbt kunna resa till våra kära, samt möjliggör all teknologisk utveckling. Däremot finns det många problem med de tillvägagångsätt som finns idag. Fusionskraft representerar ett hållbart alternativ där energi utvinns genom att slå samman lätta atomkärnor. Att få en tillräckligt hög verkningsgrad har dock visat sig vara en formidabel utmaning, där den primära orsaken har att göra med svårigheter att innesluta de höga temperaturer och partikeltätheter som krävs för fusion.

Under senaste åren har den otroliga framfarten av artificiell intelligens (AI) fått fotfäste även inom fusion, där det används för att hitta mönster i data som kan hjälpa forskningen framåt. Dock är ett problem att många vanliga AI-modeller är svarta lådor, vilket gör det svårt för oss människor att lita på modellerna samt förstå vilka mönster de identifierat.

Denna avhandling handlar om att adressera just detta. Syftet är att utforska och utveckla metoder som gör att vi kan förstå de AI-modeller som används inom fusion. I och med detta har en ny metod som kallas NeuralBranch utvecklats, som demonstrerats för två olika problem inom fusion. I båda dessa fall har metoden avslöjat förhållanden mellan variabler som inte kunnat identifierats med tidigare metoder.

Styrkeområden

Energi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Fusion, plasma och rymdfysik

DOI

10.63959/chalmers.dt/5881

ISBN

978-91-8103-424-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5881

Utgivare

Chalmers

Sal EA, EDIT-huset, Hörsalsvägen 11

Opponent: Dr. Udo Von Toussaint, Max Planck Institute for Plasma Physics, Germany.

Mer information

Senast uppdaterat

2026-05-28