幾十年來(lái)，核聚變釋放能量的「精妙」過(guò)程一直吸引著科學(xué)家們的研究興趣。

現(xiàn)在，在普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）中 ，科學(xué)家正借助人工智能，來(lái)解決人類面臨的緊迫挑戰(zhàn)：通過(guò)聚變等離子體產(chǎn)生清潔、可靠的能源。

與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)代碼不同，機(jī)器學(xué)習(xí)不僅僅是指令列表，它可以分析數(shù)據(jù)、推斷特征之間的關(guān)系、從新知識(shí)中學(xué)習(xí)并適應(yīng)。

PPPL 研究人員相信，這種學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力可以通過(guò)多種方式改善他們對(duì)聚變反應(yīng)的控制。這包括完善超熱等離子體周圍容器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化加熱方法以及在越來(lái)越長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持反應(yīng)的穩(wěn)定控制。

近日，PPPL 的 AI 研究取得重大成果。PPPL 研究人員解釋了他們?nèi)绾问褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)避免磁擾動(dòng)破壞聚變等離子體的穩(wěn)定性。

圖示：上面顯示的兩個(gè)托卡馬克（DIII-D 和 KSTAR）裝置中部署了用于檢測(cè)和消除等離子體不穩(wěn)定性的機(jī)器學(xué)習(xí)代碼。（來(lái)源：通用原子公司和韓國(guó)聚變能源研究所）

該論文的主要作者、PPPL 研究物理學(xué)家 SangKyeun Kim 表示：「研究結(jié)果令人印象深刻，因?yàn)槲覀兡軌蚴褂孟嗤拇a在兩個(gè)不同的托卡馬克裝置上實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果。」

相關(guān)研究以《Highest fusion performance without harmful edge energy bursts in tokamak》為題，發(fā)布在《Nature Communications》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48415-w

抑制聚變中「邊緣爆發(fā)」

為了使聚變能在全球能源市場(chǎng)上具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，它必須在維持聚變的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)具有足夠等離子體密度（n）、溫度（T）和能量約束時(shí)間（τ）的高聚變?nèi)胤e（nτT）。

換句話說(shuō)，聚變等離子體需要足夠的品質(zhì)因數(shù)（G?∝?nτT）才能實(shí)現(xiàn)高聚變性能，并且隨著等離子體約束質(zhì)量 (H89：歸一化能量約束時(shí)間) 的增加而增加。

為了使托卡馬克設(shè)計(jì)成為聚變反應(yīng)堆的可行選擇，必須開(kāi)發(fā)可靠的方法來(lái)定期抑制邊緣爆發(fā)（edge burst）事件而不影響 G。

科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)各種方法來(lái)減輕邊緣爆發(fā)事件。一種有效的方法是利用外部 3D 場(chǎng)線圈的共振磁擾動(dòng) (RMP)，這已被證明是最有前途的邊緣爆發(fā)抑制方法之一。

圖示：托卡馬克中的 3D 場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)。（來(lái)源：論文）

然而，這種情況的代價(jià)高昂，導(dǎo)致 H89 和 G 與標(biāo)準(zhǔn)高約束等離子體體系相比顯著惡化，從而削弱了經(jīng)濟(jì)前景。此外，3D 場(chǎng)還增加了災(zāi)難性核心不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，稱為中斷，這甚至比邊緣爆裂更嚴(yán)重。因此，無(wú)邊緣爆發(fā)操作與高約束操作的安全可及性和兼容性亟待探索。

首次在兩個(gè)托卡馬克上實(shí)現(xiàn)

該研究首次在 KSTAR 和 DIII-D 兩個(gè)托卡馬克上進(jìn)行了創(chuàng)新和集成的 3D 場(chǎng)優(yōu)化，通過(guò)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)、自適應(yīng)和多機(jī)器功能，來(lái)自動(dòng)訪問(wèn)和實(shí)現(xiàn)幾乎幾乎完全無(wú)邊緣爆發(fā)狀態(tài)，同時(shí)從最初的爆發(fā)抑制狀態(tài)提高等離子體聚變性能，這是未來(lái)反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)無(wú)邊緣爆發(fā)運(yùn)行的一個(gè)重要里程碑。

這是通過(guò)實(shí)時(shí)利用無(wú)邊緣爆發(fā)起始和損耗之間的滯后來(lái)增強(qiáng)等離子體約束，同時(shí)擴(kuò)展 ML 在捕獲物理和優(yōu)化核聚變技術(shù)方面的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖示：DIII-D 和 KSTAR 托卡馬克中 ELM-free 放電的性能比較。（來(lái)源：論文）

這種集成有助于：

• 高度增強(qiáng)等離子體約束，在兩臺(tái)機(jī)器的無(wú)邊界局域模（Edge Localized Mode-free，ELM-free）場(chǎng)景中達(dá)到最高融合 G，G 增加高達(dá) 90%；
• 使用基于 ML 的 3D 場(chǎng)模擬器首次實(shí)現(xiàn)全自動(dòng) 3D 場(chǎng)優(yōu)化；
• 從等離子體操作一開(kāi)始就同時(shí)建立爆發(fā)抑制，實(shí)現(xiàn)接近 ITER 相關(guān)水平的幾乎完全的無(wú)邊緣爆發(fā)操作。這一成就為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）等未來(lái)設(shè)備邁出了至關(guān)重要的一步，在這些設(shè)備中，依賴經(jīng)驗(yàn) RMP 優(yōu)化不再是可行或可接受的方法。

「等離子體中存在不穩(wěn)定性，可能會(huì)導(dǎo)致聚變裝置嚴(yán)重?fù)p壞。我們不能在商業(yè)聚變?nèi)萜髦惺褂眠@些物質(zhì)。我們的工作推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展，并表明人工智能可以在管理聚變反應(yīng)方面發(fā)揮重要作用，避免不穩(wěn)定，同時(shí)允許等離子體產(chǎn)生盡可能多的聚變能。」通訊作者、PPPL 機(jī)械和航空航天工程系副教授 Egemen Kolemen 說(shuō)道。

基于 ML 的全自動(dòng) 3D 場(chǎng)優(yōu)化

在本實(shí)驗(yàn)中，使用一系列放電來(lái)尋找安全 ELM 抑制的優(yōu)化 3D 波形。

在此背景下，研究引入了 ML 技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化 3D 線圈優(yōu)化的新穎路徑，并首次演示了該概念。

圖示：基于機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí) RMP 優(yōu)化算法。（來(lái)源：論文）

研究人員開(kāi)發(fā)了 GPEC 代碼的代理模型 (ML-3D)，以實(shí)時(shí)利用基于物理的模型。該模型使用 ML 算法將計(jì)算時(shí)間加速到 ms 級(jí)，并集成到 KSTAR 中的自適應(yīng) RMP 優(yōu)化器中。

ML-3D 由一個(gè)完全連接的多層感知器（MLP）組成，由九個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)。為了訓(xùn)練該模型，利用 8490 KSTAR 平衡的 GPEC 模擬。

圖示：ML-3D 模型性能。（來(lái)源：論文）

該算法利用 ELM 狀態(tài)監(jiān)視器（Dα）信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整 IRMP，可以保持足夠的邊緣 3D 場(chǎng)來(lái)訪問(wèn)和維持 ELM 抑制。同時(shí)，3D 場(chǎng)優(yōu)化器使用 ML-3D 的輸出來(lái)調(diào)整 3D 線圈上的電流分布，從而保證安全的 3D 場(chǎng)以避免中斷。

圖示：具有集成 RMP 優(yōu)化功能的全自動(dòng) ELM 抑制放電 (#31873) 的等離子體參數(shù)。（來(lái)源：論文）

KSTAR 實(shí)驗(yàn)中，ML 集成的自適應(yīng) RMP 優(yōu)化器在 4.5 秒內(nèi)觸發(fā)，在 6.2 秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全的 ELM 抑制。

研究還表明 3D-ML 作為自動(dòng)化無(wú) ELM 訪問(wèn)的可行解決方案。ML-3D 基于物理模型，不需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使其可以直接擴(kuò)展到 ITER 和未來(lái)的聚變反應(yīng)堆。這種對(duì)未來(lái)設(shè)備的強(qiáng)大適用性凸顯了 ML 集成 3D 場(chǎng)優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)。此外，在未來(lái)的 3D 線圈電流限制更高的設(shè)備中，有望實(shí)現(xiàn)更好的場(chǎng)優(yōu)化和更高的聚變性能。

研究成功優(yōu)化了 KSTAR 和 DIII-D 裝置中的受控 ELM-free 狀態(tài)，并具有高度增強(qiáng)的聚變性能，涵蓋了與未來(lái)反應(yīng)堆相關(guān)的 low-n RMP 到 ITER 相關(guān)的 nRMP = 3 RMP，并在兩臺(tái)機(jī)器中實(shí)現(xiàn)了各種 ELM-free 場(chǎng)景中的最高水平。

圖示：性能高度增強(qiáng)的優(yōu)化 RMP 振幅 (#190738) 的等離子體參數(shù)。（來(lái)源：論文）

此外，ML 算法與 RMP 控制的創(chuàng)新集成首次實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng) 3D 場(chǎng)優(yōu)化和 ELM-free 操作，并在自適應(yīng)優(yōu)化流程的支持下，性能得到了顯著增強(qiáng)。這種自適應(yīng)方法展現(xiàn)了 RMP ELM 抑制和高限制之間的兼容性。

此外，它還提供了一種穩(wěn)健的策略，通過(guò)最大限度地減少限制和無(wú)感電流分?jǐn)?shù)的損失，在長(zhǎng)脈沖場(chǎng)景（持續(xù)超過(guò) 45 秒）中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 ELM 抑制。

值得注意的是，在 nRMP = 3 RMP 的 DIII-D 中觀察到顯著的性能 (G) 提升，顯示較初始標(biāo)準(zhǔn) ELM 抑制狀態(tài)提高了 90% 以上。這種增強(qiáng)不僅歸因于自適應(yīng) RMP 控制，還歸因于等離子體旋轉(zhuǎn)的自洽演化。該響應(yīng)能夠以非常低的 RMP 幅度進(jìn)行 ELM 抑制，從而增強(qiáng)基座。此功能是系統(tǒng)通過(guò)對(duì)自適應(yīng)調(diào)制的自組織響應(yīng)過(guò)渡到最佳狀態(tài)的一個(gè)很好的例子。

圖示：通過(guò)自適應(yīng) RMP 優(yōu)化提高放電性能。（來(lái)源：論文）

此外，自適應(yīng)方案與早期的 RMP-ramp 方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了 ITER 相關(guān)的 ELM-free 場(chǎng)景，幾乎完全 ELM-free 操作。這些結(jié)果證實(shí)，集成自適應(yīng) RMP 控制是一種非常有前途的優(yōu)化 ELM 抑制狀態(tài)的方法，有可能解決實(shí)現(xiàn)實(shí)用且經(jīng)濟(jì)可行的聚變能源的最艱巨的挑戰(zhàn)之一。