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In collaboration with Luxinnovation, FEDIL showcases a series of inspiring articles highlighting promising AI use cases. Published on both organisations’ websites, these weekly features will let you discover an innovative AI project and the visionary company behind it!
EN
Next Step Fusion S.à r.l. founded in September 2023 and headquartered in Luxembourg, is a private company at the forefront of fusion energy innovation. With a team of over 20 experts in plasma physics, tokamak simulation, control systems, and artificial intelligence, the company offers advanced solutions for plasma simulation and control, tokamak design, and machine learning applications tailored to the fusion industry. Their experience spans major fusion projects such as ITER, DIII-D, COMPASS, T-10, T-15MD, KTM and ISTTOK. The team has a track record of collaboration with international research institutes, national laboratories and private-sector tokamak developers.
The Challenge: Controlling Plasma for Commercial Fusion
Fusion energy promises a clean, abundant, and sustainable solution to meet the world’s rising electricity demand – expected to grow by over 80% by 2050. Tokamaks, the most promising fusion devices, use magnetic fields to confine plasma at temperatures exceeding 100 million degrees Celsius. However, transitioning from experimental setups to commercial Fusion Power Plants (FPPs) presents a major hurdle: maintaining stable plasma confinement over long durations in harsh environments.
Current plasma control systems are scenario-based, slow to react, and heavily reliant on manual tuning. They struggle to predict and prevent instabilities in real time, especially under the demanding conditions of future FPPs, which will operate with limited diagnostics and high radiation exposure.
The Solution: AI-Driven Plasma Control System
Next Step Fusion’s innovation lies in its hybrid Plasma Control System (PCS), which integrates traditional control methods (like PID controllers) with cutting-edge machine learning techniques – particularly reinforcement learning (RL), Bayesian inference, and neural networks. This AI-powered system dynamically adapts to plasma behavior, predicts and avoids disruptions, and enables exploration of new plasma states without relying on full magnetic reconstructions.
The PCS is machine-agnostic and scalable, making it suitable for a wide range of fusion devices. It transforms plasma control from a rigid, scenario-based task into a flexible, real-time optimization challenge, paving the way for more stable and efficient fusion operations.
Real-World Validation and Impact
In 2024, Next Step Fusion successfully demonstrated its RL-based control module at the DIII-D National Fusion Facility in San Diego. The controller was integrated into the tokamak’s existing PCS and replaced the standard shape control loop in real time, operating at 4 kHz. The results showed strong stability and performance, with the plasma shape successfully controlled across a range of scenarios. This validation highlights the system’s potential to improve efficiency in high-temperature semiconductor coil devices and future FPPs.
The RL agent developed by Next Step Fusion learns control policies directly from sensor and actuator data, eliminating the need for intermediate magnetic flux reconstructions. This significantly accelerates training and enhances adaptability across different plasma shapes and operating conditions.
Unlike conventional systems that rely on predefined scenarios and linear models, Next Step Fusion’s AI-based approach offers:
- Real-time adaptive control that responds to actual plasma conditions.
- Generalization across scenarios, enabling robust operation under diverse conditions.
- Exploration of new regimes, allowing researchers to test previously unattainable configurations.
- Accelerated design cycles and cost reduction, minimizing manual tuning and trial-and-error experimentation.
These innovations position the PCS as a transformative technology for the fusion sector, capable of overcoming the limitations of traditional control systems and enabling commercial viability.
Next Step Fusion’s project is poised to contribute significantly to Luxembourg’s economy and technological leadership. The project stands out as a pioneering initiative with the potential to transform Luxembourg’s role in fusion energy research. The company plans to expand its team with additional ML researchers and software developers, creating high-tech jobs. Its scalable software solutions have strong export potential, particularly in Europe, the U.S., and Asia. Strategic collaborations with academic institutions and innovation clusters further enhance Luxembourg’s position in the global fusion race.
Now the company is moving from pilots to commercial projects, supporting its first clients with design and simulation services for next-generation tokamaks. Partnerships with researchers and private tokamak developers are laying the groundwork for future commercial deployments as the fusion industry transitions from research to prototype development.
AI as the Enabler for Fusion at Scale
Next Step Fusion’s AI-powered Plasma Control System represents a critical leap toward achieving net-positive fusion energy. By combining conventional engineering with advanced AI, the company addresses one of the most pressing challenges in fusion energy – plasma control. With proven results, strategic partnerships, and a strong interdisciplinary team, Next Step Fusion is well-positioned to lead the commercialization of fusion energy and contribute to a cleaner, more sustainable future.
FR
Contrôle du plasma alimenté par l’IA : la percée de Next Step Fusion vers l’énergie de fusion commerciale
Next Step Fusion, fondée en septembre 2023 et basée au Luxembourg, est une société privée à la pointe de l’innovation dans le domaine de l’énergie de fusion. Avec une équipe de plus de 20 experts en physique des plasmas, simulation de tokamaks, systèmes de contrôle et intelligence artificielle, la société propose des solutions avancées pour la simulation et le contrôle des plasmas, la conception de tokamaks et les applications d’apprentissage automatique adaptées à l’industrie de la fusion. Son expérience couvre des projets de fusion majeurs tels que ITER, DIII-D, COMPASS, T-10, T-15MD, KTM et ISTTOK. L’équipe a déjà collaboré avec des instituts de recherche internationaux, des laboratoires nationaux et des développeurs de tokamaks du secteur privé.
Le défi : contrôler le plasma pour la fusion commerciale
L’énergie de fusion promet une solution propre, abondante et durable pour répondre à la demande mondiale croissante en électricité, qui devrait augmenter de plus de 80 % d’ici 2050. Les tokamaks, les dispositifs de fusion les plus prometteurs, utilisent des champs magnétiques pour confiner le plasma à des températures dépassant 100 millions de degrés Celsius. Cependant, le passage des installations expérimentales aux centrales à fusion commerciales (FPP – Fusion Power Plants) présente un obstacle majeur : maintenir un confinement stable du plasma pendant de longues durées dans des environnements difficiles.
Les systèmes actuels de contrôle du plasma sont basés sur des scénarios, lents à réagir et fortement dépendants d’un réglage manuel. Ils ont du mal à prévoir et à prévenir les instabilités en temps réel, en particulier dans les conditions exigeantes des futures FPP, qui fonctionneront avec des diagnostics limités et une exposition élevée aux radiations.
La solution : un système de contrôle du plasma basé sur l’IA
L’innovation de Next Step Fusion réside dans son système hybride de contrôle du plasma (PCS – Plasma Control System), qui intègre des méthodes de contrôle traditionnelles (telles que les contrôleurs PID) à des techniques d’apprentissage automatique de pointe, en particulier l’apprentissage par renforcement (RL), l’inférence bayésienne et les réseaux neuronaux. Ce système alimenté par l’IA s’adapte dynamiquement au comportement du plasma, prédit et évite les perturbations, et permet d’explorer de nouveaux états du plasma sans dépendre de reconstructions magnétiques complètes.
Le PCS est indépendant de la machine et évolutif, ce qui le rend adapté à une large gamme de dispositifs de fusion. Il transforme le contrôle du plasma d’une tâche rigide, basée sur des scénarios, en un défi d’optimisation flexible et en temps réel, ouvrant la voie à des opérations de fusion plus stables et plus efficaces.
Validation et impact dans le monde réel
En 2024, Next Step Fusion a démontré avec succès son module de contrôle basé sur le RL à la DIII-D National Fusion Facility de San Diego. Le contrôleur a été intégré au PCS existant du tokamak et a remplacé la boucle de contrôle de forme standard en temps réel, fonctionnant à 4 kHz. Les résultats ont montré une grande stabilité et de bonnes performances, la forme du plasma ayant été contrôlée avec succès dans toute une série de scénarios. Cette validation met en évidence le potentiel du système pour améliorer l’efficacité des dispositifs à bobines semi-conductrices à haute température et des futures FPP.
L’agent RL développé par Next Step Fusion apprend les politiques de contrôle directement à partir des données des capteurs et des actionneurs, éliminant ainsi le besoin de reconstructions intermédiaires du flux magnétique. Cela accélère considérablement l’apprentissage et améliore l’adaptabilité à différentes formes de plasma et conditions de fonctionnement.
Contrairement aux systèmes conventionnels qui s’appuient sur des scénarios prédéfinis et des modèles linéaires, l’approche basée sur l’IA de Next Step Fusion offre :
- Un contrôle adaptatif en temps réel qui répond aux conditions réelles du plasma.
- Une généralisation à travers différents scénarios, permettant un fonctionnement robuste dans des conditions diverses.
- L’exploration de nouveaux régimes, permettant aux chercheurs de tester des configurations auparavant inaccessibles.
- Des cycles de conception accélérés et une réduction des coûts, minimisant les réglages manuels et les expérimentations par essais et erreurs.
Ces innovations positionnent le PCS comme une technologie transformatrice pour le secteur de la fusion, capable de surmonter les limites des systèmes de contrôle traditionnels et de permettre la viabilité commerciale.
Le projet de Next Step Fusion est appelé à contribuer de manière significative à l’économie et au leadership technologique du Luxembourg. Ce projet se distingue comme une initiative pionnière susceptible de transformer le rôle du Luxembourg dans la recherche sur l’énergie de fusion. L’entreprise prévoit d’agrandir son équipe avec des chercheurs supplémentaires en Machine Learning et des développeurs de logiciels, créant ainsi des emplois de haute technologie. Ses solutions logicielles évolutives présentent un fort potentiel d’exportation, en particulier en Europe, aux États-Unis et en Asie. Des collaborations stratégiques avec des institutions universitaires et des pôles d’innovation renforcent encore la position du Luxembourg dans la course mondiale à la fusion.
L’entreprise passe désormais des projets pilotes aux projets commerciaux, en accompagnant ses premiers clients avec des services de conception et de simulation pour les tokamaks de nouvelle génération. Les partenariats avec des chercheurs et des développeurs privés de tokamaks jettent les bases de futurs déploiements commerciaux, alors que l’industrie de la fusion passe de la recherche au développement de prototypes.
L’IA, catalyseur de la fusion à grande échelle
Le système de contrôle du plasma alimenté par l’IA de Next Step Fusion représente un bond en avant décisif vers la réalisation d’une énergie de fusion nette positive. En combinant l’ingénierie conventionnelle et l’IA avancée, l’entreprise s’attaque à l’un des défis les plus urgents de l’énergie de fusion : le contrôle du plasma. Avec des résultats éprouvés, des partenariats stratégiques et une solide équipe interdisciplinaire, Next Step Fusion est bien placée pour mener la commercialisation de l’énergie de fusion et contribuer à un avenir plus propre et plus durable.