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」，并逃離機器設(shè)計用來控制等離子體的強大磁場。

近日，普林斯頓大學(xué)和普林斯頓等離子體物理實驗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)定性并實時阻止其發(fā)生。

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

該團隊在圣地亞哥的 DIII-D 國家聚變設(shè)施進行了實驗，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：「這些實驗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?！?/span>

普林斯頓大學(xué)機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了他們的信心，讓他們相信我們可以毫無問題地運行這些機器?！?/span>

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。

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)兩個通常相互排斥的原子被迫融合在一起時，就會實現(xiàn)這一點。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間的電力。這刷新了核聚變能源紀錄，使這種清潔、未來的能源離現(xiàn)實又近了一步。

但該實驗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團隊在 2022 年 12 月成功地通過稱為「點火」的過程產(chǎn)生了凈量的聚變能。此后他們已經(jīng)重復(fù)點火了三次。

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

AI 防撕裂系統(tǒng)

普林斯頓大學(xué)團隊開發(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。

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 基線條件等特定實驗條件下，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，該研究是使用強化學(xué)習(xí)避免撕裂的概念驗證研究，仍處于微調(diào)的早期階段。對于更有用的應(yīng)用，還需要進一步的實驗和微調(diào)。

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

這次演示是融合領(lǐng)域機器學(xué)習(xí)能力的成功擴展，為未來托卡馬克裝置中高性能運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一步的潛在應(yīng)用。