核融合洁净能源指日可待？普林斯顿AI模型带来希望

普林斯顿大学（Princeton University）研究人员于周三在《自然》期刊上发表研究成果，他们开发出全新 AI 模型，克服了如何将燃料强制在反应器之中的难题，进而扫除了迈向核融合之路的一大障碍。

核融合（Nuclear fusion）是太阳核心内的一种反应，它将原子结合起来产生能量。但在实现永续能源的核融合之路上充满了许多阻碍，包括必须产生比驱动反应器（reactor）所需能量还要更多的能量、开发确保反应器耐受性的建筑材料、确保反应器无杂质，并将燃料强制其中等等难题。

如今普林斯顿大学及其普林斯顿等离子物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL ）研究人员已开发出新 AI 模型，可以解决上述最后一个难题。进一步而言，该模型能够预测并计算出如何避免等离子变得不稳定，并防止等离子逃脱强磁场将其强制在甜甜圈状反应堆内的控制。

外型像甜甜圈的环状托马克反应器（tokamak reactor）依赖磁铁将等离子粒子挤压在一起，并使它们绕着圆环不断旋转，进而产生持久的核融合反应。托马克反应器因此成为实用核融合反应器设计的引领者之一。

（图片来源：ITER）

“撕裂模不稳定性”成为实现无穷洁净核融合能源的最大挑战之一

然而，一旦穿过等离子体的磁场线受到些微的干扰，那么保持等离子稳定的微妙平衡就会被打破，换言之这会使等离子脱离磁场的掌控，核融合反应也随之结束。引发等离子不稳定的方式有很多种，其中“撕裂模不稳定性”（tearing mode instabilities）是等离子破坏的主要原因之一，更是实现无穷洁净核融合能源的最大挑战之一。新发表论文的共同作者 Jaemin Seo 表示，随着我们尝试在产生足够能量所需的高功率下运行核融合反应后，这个问题会变得更加突出。

加拿大萨斯喀彻温大学（ University of Saskatchewan）等离子物理学家萧持进（Chijin Xiao）阐述道，这些不稳定性可能导致灾难性后果。等离子一旦停止工作，有可能使得所有储存在等离子中的能量以热能的形式释放而造成反应器槽壁的损坏。更重要的是，磁/电流的突然变化会带给反应器巨大的应力，如此一来真的有可能摧毁设备。

如今位于法国的 ITER 国际热核融合实验反应器是世界上最大的托马克反应器之一，其设计只能承受几次等离子不稳定性的破坏，然后整个机器就必须进行所费不赀的修复。

新 AI 模型可以在“撕裂模不稳定性”发生前 300 毫秒进行预测和抑止

所以当前的解决重点是在不稳定性发生前精准预测并进行干预。普林斯顿实验室的 AI 模型可以在“撕裂模不稳定性”发生前 300 毫秒进行预测，300 毫秒看起来似乎很短，但研究人员表示，这样就足以控制等离子。

研究人员在美国圣地亚哥 DIII-D 国家核融合设施上测试了该演算法。他们发现他们基于 AI 的系统能够控制输入到反应器的功率以及等离子体的形状，以保持旋转的粒子受到控制。

研究论文共同作者 Azarakhsh Jalalvand 表示，这个 AI 模型的成功来自于它使用先前核融合实验的实际数据进行训练，而不是理论物理模型。另一位共同作者 Jaemin Seo 表示，这项研究深具重大意义，因为先前的研究只能在撕裂不稳定性发生后进行抑制。新方法能够在不稳定出现之前预测并制止。

该最新研究的作者群表示，当前研究工作仍处概念验证阶段，亦即微调的早期阶段。他们会继续进行微调，希望最终应用至其他反应器，并优化核融合反应，进而获取无穷无尽的洁净核融合能量。