托卡马克（Tokamak）是一种旨在捕获和利用太阳能量的装置。这些聚变设备利用强大的磁场约束比太阳核心温度更高的等离子体，推动等离子体中的原子聚变并释放能量。如果托卡马克能够安全高效地运行，这些机器有一天可能提供清洁且无限的聚变能源。
目前，全球有多个实验性托卡马克在运行，更多正在建设中。大多数是小型研究机器，旨在研究这些设备如何启动等离子体并利用其能量。托速度达每秒100公里、温度超过1亿摄氏度的等离子体电流，是托卡马克面临的主要挑战之一。
当等离子体不稳定时，这样的"衰减过程"是必要的。为了防止等离子体进一步破坏并可能损坏设备内部，操作人员会降低等离子体电流。但偶尔，衰减过程本身会使等离子体不稳定。在某些机器中，衰减过程已导致托卡马克内部出现划痕和疤痕——虽然损伤轻微，但仍需要大量时间和资源进行修复。
创新方法：物理与机器学习的完美结合
现在，麻省理工学院的科学家开发了一种方法，可以预测托卡马克中的等离子体在衰减过程中的行为。该团队将机器学习工具与基于物理的等离子体动力学模型相结合，模拟等离子体在衰减和关闭过程中的行为以及可能出现的任何不稳定性。研究人员使用瑞士实验性托卡马克的等离子体数据对新模型进行了训练和测试。他们发现，该方法能够快速学习等离子体在不同调谐方式下的演变过程。更重要的是，该方法使用相对少量的数据就实现了高水平的准确性。考虑到每次托卡马克实验运行都很昂贵，因此高质量数据有限，这种训练效率非常有前景。
该团队在本周发表在《自然·通讯》上的开放获取论文中重点介绍了这一新模型，该模型可以提高未来聚变电站的安全性和可靠性。
"为了使聚变成为一种有用的能源来源，它必须可靠，"主要作者、航空航天学研究生和麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）中断研究小组成员Allen Wang说。"为了可靠，我们需要善于管理我们的等离子体。"
研究团队与合作伙伴
该研究的麻省理工学院合著者包括PSFC首席研究员和中断研究小组负责人Cristina Rea，以及信息与决策系统实验室（LIDS）的Oswin So、Charles Dawson和教授Chuchu Fan，还有Commonwealth Fusion Systems的Mark（Dan）Boyer以及瑞士等离子中心的合作者。
"微妙的平衡"
托卡马克是20世纪50年代首先在苏联建造的实验性聚变装置。该装置的名字来源于一个俄语缩写，意为"带磁线圈的环形室"。正如其名称所描述的，托卡马克是环形的，或甜甜圈形的，并使用强大的磁场约束和加速气体，使其达到足够高的温度和能量，从而使 resulting 等离子体中的原子能够聚变并释放能量。
如今，托卡马克实验的规模相对较低能量，很少有接近产生安全、可靠、可用能量所需的大小和输出。在实验性、低能量托卡马克中，中断通常不是问题。但是，随着聚变设备扩展到电网规模，在所有阶段控制更高能量的等离子体对于保持机器的安全高效运行至关重要。
"不受控制的等离子体终止，即使在衰减过程中，也会产生强烈的热通量，损坏内壁，"Wang指出。"通常情况下，特别是对于高性能等离子体，衰减过程实际上可能会使等离子体更接近某些不稳定性极限。所以，这是一种微妙的平衡。现在有很多关注点是如何管理不稳定性，以便我们能够常规且可靠地将这些等离子体安全关闭。关于如何做好这一点的研究相对较少。"
降低脉冲：新模型的工作原理
Wang和他的同事开发了一个模型来预测等离子体在托卡马克衰减过程中的行为。虽然他们可以简单地应用机器学习工具（如神经网络）来学习等离子体数据中的不稳定性迹象，但Wang说，"你需要大量的数据"，这些工具才能辨别出在极高温度、高能等离子体中非常微妙和短暂的变化。
相反，研究人员将神经网络与一个根据物理基本规则模拟等离子体动力学的现有模型配对。通过这种机器学习和基于物理的等离子体模拟的结合，团队发现只需要几百次低性能脉冲和少量高性能脉冲，就足以训练和验证新模型。
该研究使用的数据来自TCV，即瑞士等离子中心在洛桑联邦理工学院（EPFL）运营的瑞士"可变配置托卡马克"。TCV是一个小型实验性聚变实验装置，用于研究目的，通常作为下一代设备解决方案的试验台。Wang使用了数百次TCV等离子体脉冲的数据，包括每个脉冲在上升、运行和衰减过程中等离子体的温度和能量等特性。他使用这些数据训练了新模型，然后进行了测试，发现它能够根据特定托卡马克运行的初始条件准确预测等离子体的演变。
从预测到实践：算法与实施
研究人员还开发了一种算法，将模型的预测转化为实际的"轨迹"，即等离子体管理指令，托卡马克控制器可以自动执行这些指令来调整磁场或温度以保持等离子体的稳定性。他们在几次TCV运行中实现了该算法，发现它产生的轨迹能够安全地降低等离子体脉冲，在某些情况下，比没有新方法的运行更快且没有中断。
"等离子体最终会消失，但当等离子体在高能量状态下消失时，我们称之为中断，"Wang指出。"在这里，我们将能量降低到零。我们做了很多次。我们在各方面都做得更好。因此，我们有统计信心，我们确实有所改进。"
产业合作与未来展望
这项工作得到了Commonwealth Fusion Systems（CFS）的部分支持，这是一家麻省理工学院的衍生公司，旨在建造世界上第一个紧凑型、电网规模的聚变电站。该公司正在开发一个名为SPARC的演示托卡马克，设计用于产生净能量等离子体，意味着它应该产生的能量多于加热等离子体所需的能量。Wang和他的同事正在与CFS合作，研究新的预测模型和类似工具如何更好地预测等离子体行为，防止代价高昂的中断，以实现安全可靠的聚变能源。
"我们正在努力解决科学问题，使聚变常规有用，"Wang说。"我们在这里所做的是漫长旅程的开始。但我认为我们已经取得了一些不错的进展。"
研究支持与资金来源
该研究的额外支持来自EUROfusion联盟框架，通过Euratom研究培训计划，并由瑞士教育、研究和创新州秘书处提供资金。
这一创新研究为聚变能源的发展开辟了新途径，通过物理原理与人工智能技术的结合，解决了托卡马克运行中的一个关键挑战。随着全球对清洁能源需求的不断增长，这类突破性研究将为实现可持续能源未来提供重要支撑。
