利用人工智能增强模拟揭开核聚变核心的秘密

摘要：创造和维持核聚变反应（本质上是在地球上重现类似恒星的条件）极其困难，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心 (PSFC) 首席研究科学家 Nathan Howard 博士（2012 届）认为这是我们这个时代最迷人的科学挑战之一。“核聚变作为清洁能源的科学和总体前景

创造和维持核聚变反应（本质上是在地球上重现类似恒星的条件）极其困难，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心 (PSFC) 首席研究科学家 Nathan Howard 博士（2012 届）认为这是我们这个时代最迷人的科学挑战之一。“核聚变作为清洁能源的科学和总体前景都非常有趣。这激励我来到麻省理工学院研究生院并在 PSFC 工作，”他说。

Howard 是 PSFC磁聚变实验集成建模(MFE-IM) 小组的成员。与 MFE-IM 小组组长 Pablo Rodriguez-Fernandez 一起，Howard 及其团队使用模拟和机器学习来预测等离子体在聚变装置中的行为。MFE-IM 和 Howard 的研究旨在预测给定技术或配置在实际聚变环境中试行之前的性能，从而做出更明智的设计选择。为了确保其准确性，这些模型会使用以前实验的数据不断进行验证，以确保其模拟结果基于现实。

在最近发表于《核聚变》杂志 1 月刊的一篇题为“通过非线性回旋动力学轮廓预测 ITER 燃烧等离子体的性能和湍流”的开放获取论文中，霍华德解释了他如何利用等离子体中存在的涡旋结构（称为湍流）的高分辨率模拟来确认目前在法国南部建造的世界上最大的实验性聚变装置在启动时将按预期运行。他还演示了不同的操作设置如何产生几乎相同的能量输出，但能量输入较少，这一发现可能会对整个聚变装置的效率产生积极影响。

从未建造过的最大、最好的东西

四十年前，美国和其他六个成员国共同建造了 ITER（拉丁语意为“道路”），这是一种核聚变装置，一旦投入运行，将产生 500 兆瓦的核聚变功率，其等离子体产生的能量是其从外部加热中吸收能量的 10 倍。为实现这些目标而设计的等离子体装置（所有核聚变实验中最雄心勃勃的）被称为 ITER 基线方案，随着核聚变科学和等离子体物理学的进步，实现这种等离子体的方法已经得到改进，使用越来越强大的模拟，例如霍华德使用的建模框架。

在验证基线方案的工作中，霍华德使用了 CGYRO，这是霍华德在通用原子公司的同事开发的计算机代码。CGYRO 将复杂的等离子体物理模型应用于一组定义的聚变操作条件。尽管这很耗时，但 CGYRO 可以对等离子体在聚变装置内不同位置的行为进行非常详细的模拟。

随后，全面的 CGYRO 模拟通过 PORTALS 框架运行，这是罗德里格斯-费尔南德斯最初在麻省理工学院开发的一套工具。“PORTALS 采用高保真 [CGYRO] 运行，并使用机器学习

来构建一个称为‘替代’的快速模型，该模型可以模拟更复杂运行的结果，但速度要快得多，”罗德里格斯-费尔南德斯解释说。“只有像 PORTALS 这样的高保真建模工具才能让我们在等离子体核心形成之前就看到它。这种预测优先的方法使我们能够在 ITER 这样的设备中创建更高效的等离子体。”

第一次运行后，将根据高保真运行检查替代模型的准确性，如果替代模型产生的结果与 CGYRO 的结果不一致，则再次运行 PORTALS 以改进替代模型，直到它更好地模仿 CGYRO 的结果。“好处是，一旦你建立了一个训练有素的 [替代] 模型，你可以用它来预测不同的条件，而对完整复杂运行的需求大大减少。”一旦它们经过充分训练，替代模型就会被用来探索不同的输入组合如何影响 ITER 的预测性能以及它如何实现基线情景。值得注意的是，替代运行只花费了一小部分时间，它们可以与 CGYRO 结合使用，以增强其性能并更快地产生详细结果。

“我只是来看看我的病情如何”

霍华德与 CGYRO、PORTALS 和替代物合作，研究了预计可实现基线情景的特定操作条件组合。这些条件包括使用的磁场、用于控制等离子体形状的方法、施加的外部加热以及许多其他变量。使用 14 次 CGYRO 迭代，霍华德能够确认当前基线情景配置可以实现比输入等离子体多 10 倍的功率输出。霍华德在谈到结果时说：“我们进行的建模可能是目前保真度最高的，而且几乎肯定是已发表的最高保真度。”

用于确认等离子体性能的 CGYRO 的 14 次迭代包括运行 PORTALS 来为输入参数构建替代模型，然后将替代模型与 CGYRO 绑定，以提高工作效率。CGYRO 仅用了三次额外的迭代就探索出了一种替代方案，该方案预测 ITER 可以用大约一半的输入功率产生几乎相同的能量。替代增强的 CGYRO 模型

显示，等离子体核心的温度（以及聚变反应）不会受到较少功率输入的过度影响；较少的功率输入等于更高效的运行。霍华德的结果也提醒我们，可能还有其他方法可以提高 ITER 的性能；只是还没有被发现。

霍华德表示：“我们能够利用这种建模的结果来影响 ITER 等实验的规划，这一事实令人兴奋。多年来，我一直在说这是我们研究的目标，现在我们真的做到了——这是一个令人惊叹的过程，而且真的很有成就感。”

作者：朱丽安娜·穆伦 (Julianna Mullen)

资料来源：麻省理工学院