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JET 托卡馬克裝置的內(nèi)部。（英國原子能管理局）

編輯 | 紫羅

核聚變被稱為人造太陽，其原理和為太陽以及其他恒星提供動力的過程相同，被廣泛視為清潔能源的圣杯。

但科學(xué)家們只實(shí)現(xiàn)并維持了幾秒鐘的核聚變能，還有許多障礙，包括高度復(fù)雜過程中的不穩(wěn)定性。

實(shí)現(xiàn)聚變能的方法有多種，但最常見的是使用氫變體作為輸入燃料，并在稱為托卡馬克的「甜甜圈形」形狀的機(jī)器中將溫度提高到極高水平，以產(chǎn)生等離子體，一種類似湯的物質(zhì)狀態(tài)。

但等離子體需要受到控制，而且極易「撕裂」，并逃離機(jī)器設(shè)計(jì)用來控制等離子體的強(qiáng)大磁場。

近日，普林斯頓大學(xué)和普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室研究核聚變能的科學(xué)家表示，他們已經(jīng)找到了一種使用 人工智能 的方法，預(yù)測這些潛在不穩(wěn)定性并實(shí)時(shí)阻止其發(fā)生。

研究人員利用此前開發(fā)的多模態(tài)動態(tài)模型作為強(qiáng)化學(xué)習(xí)人工智能的訓(xùn)練環(huán)境，促進(jìn)自動化的不穩(wěn)定預(yù)防。

該團(tuán)隊(duì)在圣地亞哥的 DIII-D 國家聚變設(shè)施進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)他們的人工智能控制器可以提前 300 毫秒預(yù)測潛在的等離子體撕裂。如果沒有這種干預(yù)，聚變反應(yīng)就會突然結(jié)束。

普林斯頓大學(xué)發(fā)言人表示：「這些實(shí)驗(yàn)為使用人工智能解決廣泛的等離子體不穩(wěn)定性問題奠定了基礎(chǔ)，這些不穩(wěn)定性長期以來阻礙了聚變能的發(fā)展。」

普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程教授、該研究的作者之一 Egemen Kolemen 表示，這些發(fā)現(xiàn)「絕對」是核聚變向前邁出的一步。

Kolemen 表示：「這是最大的障礙之一——中斷——你希望任何反應(yīng)堆都能全天候（24/7）運(yùn)行多年，不會出現(xiàn)任何問題。這些類型的中斷和不穩(wěn)定會帶來很大的問題，因此開發(fā)這樣的解決方案增強(qiáng)了他們的信心，讓他們相信我們可以毫無問題地運(yùn)行這些機(jī)器。」

相關(guān)研究以《Avoiding fusion plasma tearing instability with deep reinforcement learning》為題，于 2024 年 2 月 21 日發(fā)布在《Nature》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07024-9

聚變能：清潔能源的圣杯

聚變能是為太陽和其他恒星提供動力的過程，幾十年來專家們一直在努力在地球上掌握它。當(dāng)兩個(gè)通常相互排斥的原子被迫融合在一起時(shí)，就會實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。它與當(dāng)今廣泛使用的核裂變相反，核裂變依賴于原子分裂。

本月早些時(shí)候，英國牛津市附近的科學(xué)家和工程師創(chuàng)造了新的核聚變能量記錄，僅使用 0.2 毫克燃料即可維持 69 兆焦耳的聚變能量 5 秒。這足以為大約 1.2 萬戶家庭提供相同時(shí)間的電力。這刷新了核聚變能源紀(jì)錄，使這種清潔、未來的能源離現(xiàn)實(shí)又近了一步。

但該實(shí)驗(yàn)輸入的能量仍然多于產(chǎn)生的能量。然而，加利福尼亞州的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)在 2022 年 12 月成功地通過稱為「點(diǎn)火」的過程產(chǎn)生了凈量的聚變能。此后他們已經(jīng)重復(fù)點(diǎn)火了三次。

盡管取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但聚變能源距離商業(yè)化還有很長的路要走，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了為避免氣候危機(jī)惡化而需要深入、持續(xù)地減少地球變暖污染的時(shí)間。

AI 防撕裂系統(tǒng)

普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種人工智能控制器，可以根據(jù)觀察到的等離子體輪廓自適應(yīng)地控制執(zhí)行器，在保持低撕裂性的同時(shí)追求高等離子體壓力。該防撕裂系統(tǒng)的整體架構(gòu)如下圖所示。

圖 1：DIII-D 托卡馬克防撕裂系統(tǒng)的總體架構(gòu)。（來源：論文）
基于人工智能的撕裂避免系統(tǒng)主動控制光束功率和等離子體三角度，以將未來撕裂不穩(wěn)定發(fā)生的可能性保持在較低水平。這使得在 DIII-D 中的 low-q95 和低扭矩條件下將撕裂性保持在閾值以下。

此外，控制器不僅在 ITER 基線條件等特定實(shí)驗(yàn)條件下，而且在其他操作環(huán)境甚至意外情況下，都證明了能夠穩(wěn)健地避免撕裂不穩(wěn)定性。

研究人員表示，該研究是使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)避免撕裂的概念驗(yàn)證研究，仍處于微調(diào)的早期階段。對于更有用的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和微調(diào)。

盡管如此，該研究證明了強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于核心等離子體物理的實(shí)時(shí)控制。

這次演示是融合領(lǐng)域機(jī)器學(xué)習(xí)能力的成功擴(kuò)展，為未來托卡馬克裝置中高性能運(yùn)行場景的集成控制開發(fā)提供了見解和途徑，超越了單一的不穩(wěn)定性控制。

該研究開發(fā)的撕裂避免控制還有進(jìn)一步的潛在應(yīng)用。

參考內(nèi)容：https://edition.cnn.com/2024/02/21/climate/nuclear-fusion-ai-climate-solution/index.html
https://edition.cnn.com/2022/02/09/uk/nuclear-fusion-climate-energy-scn-intl/index.html