美研究人员采用机器学习和人工智能，提高基于激光惯性约束聚变产生能量

近日，美国的研究人员正准备采用机器学习和人工智能（AI）技术，以提高基于激光惯性约束聚变（ICF）所产生的能量。在美国能源部（DOE）约300万美元的资助下，罗切斯特大学的科学家们与惠普企业公司（HPE）联手开展了这个为期三年的项目。

他们将使用由罗切斯特激光能效实验室（LLE）的工作生成的OMEGA实验数据库作为人工智能模型的训练数据以及模拟数据库。他们计划利用这些模型来更好地理解核聚变非线性物理的复杂性，并最终从内爆目标中输出更高的能量。

在罗切斯特网站上发表的一篇文章中，LLE首席科学家Riccardo Betti说：能源部的这笔资金是旨在利用人工智能和机器学习改善聚变成果的总计2900万美元的更广泛奖励的一部分，但在获得支持的七个项目中，这是唯一一个直接关注激光惯性约束聚变的项目。

LLE实验期间的OMEGA靶室内景。OMEGA激光设施用于激光驱动的惯性约束聚变研究

能源部的这笔资金是旨在利用人工智能和机器学习改善聚变成果的总计2900万美元的更广泛奖励的一部分，但在获得支持的七个项目中，这是唯一一个直接关注激光惯性约束聚变的项目。

Betti是这项名为“应用机器学习和数据科学来预测、设计和改进用于惯性聚变能的激光聚变内爆”研究的主要研究者，惠普实验室人工智能高级总监兼高级杰出技术专家Soumyendu Sarkar也是这项研究的主要研究者。

罗切斯特大学的计算机科学副教授Christopher Kanan和LLE科学家Varchas Gopalaswamy也参与了这项研究。能源部聚变能源科学副主任Jean Paul Allain在宣布这七个项目的新闻稿中说：人工智能和科学机器学习正在改变聚变和等离子体研究的方式。这些研究项目将推动整个聚变能源科学（FES）计划的广泛能力，为所有利益相关者提供必要的能力。“尽管进行了多年的激光驱动惯性约束聚变研究，但要获得惯性聚变能量所需的高能量增益，还没有一条明确的途径。不过，我们现在拥有丰富的实验数据，可以利用机器学习系统地修正模拟并指导实验做实时调整。”

当前，美国正在利用各种工具来实施一项积极的计划，以便在最短的时间内将核聚变能源带入电网。

21世纪的清洁能源

近期，日本向海洋排放核污染水引起了全球各国的关注，首当其冲的就是担心此举会引发对海洋生态系统的破坏，并且这种情况将持续下去。2011年的福岛核危机至今已经过去了12年，但在安全利用核能上，人类社会还没有十足的把握。

当前各国运行的和核发电站都是基于核裂变反应原理，也就是用中子轰击不稳定的重元素放射性同位素原子比如铀235，使之分裂成更小的原子并释放出更多的中子，释放的中子再跟铀235反应，从而形成链式反应。

但链式反应必须进行精密控制，一旦失控就容易停不下来，就会导致堆芯融化甚至锅炉爆炸，释放出大量放射性污染物质，就像福岛和切尔诺贝利发生的那样。因此，核裂变电站的安全取决于人，更准确地说是日常的规范操作和在紧急情况下的处置合理。

核聚变则完全不同，被称为是21世纪的清洁能源。简单来说，核聚变是一种原子核结合产生更重原子核的过程，同时释放出大量能量。这种过程遵循爱因斯坦的质能方程E=mc2，即质量和能量可以相互转化。与核裂变不同，核聚变过程中产生的是氦-3(He-3)等轻元素，而不是放射性物质，因此不会产生核废料和放射性污染。

自20世纪50年代以来，科学家们一直在努力研究如何实现核聚变反应。目前，有两种主要的核聚变反应途径：一种是磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion，MCF），另一种是惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）。

LLNL和NIF的科学家从核聚变反应中获得的能量超过了去年12月的纪录。报告的净能量增益标志着这一探索的最新里程碑，它将有助于推动核聚变走向商业化

磁约束聚变是指通过磁场将高温等离子体约束在空间内，使其达到足够高的温度和密度以实现核聚变反应。这种方法的主要优点是容易实现大规模商业化应用，因为它需要的能量相对较少。然而，磁约束聚变技术仍然面临许多挑战，包括如何提高等离子体的稳定性、如何降低磁场对材料的影响等。目前，世界上最大的磁约束聚变实验装置是美国劳伦斯伯克利国家实验室的“国际热核聚变实验堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。

惯性约束聚变是指通过激光或其他高能量粒子束将氢同位素直接撞击在一起，使其发生核聚变反应。这种方法的优点是可以产生更多的能量，但实现起来相对困难。此外，惯性约束聚变技术还需要解决如何防止材料过热和损坏等问题。尽管如此，许多国家和地区都在积极开展惯性约束聚变研究，以期在未来实现核聚变能源的商业化应用。

虽然核聚变技术面临着诸多挑战，但科学家们普遍认为，随着技术的不断发展和完善，核聚变将成为未来能源领域的重要发展方向。根据国际原子能机构（IAEA）的预测，到2060年左右，核聚变能源可能将取代化石燃料成为全球主要能源来源之一。

群雄逐鹿

近年来，各国加快了核聚变的研发力度以抢先实现可控商业化。今年5月，美国氦核能源公司与微软签署了历史上第一份核聚变能源商业合同，将于2028年为微软提供至少50兆瓦的电力。美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家，在今年7月成功重现了“核聚变点火”突破，第二次在可控核聚变实验中实现“净能量增益”。

去年12月，科研人员在该实验室“国家点燃实验设施”进行的可控核聚变实验首次实现核聚变反应净能量收益，聚变实验中产生的能量多于引发反应的能量。这一突破被认为是核聚变科学的重要里程碑。

今年8月，中核集团发布消息，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，标志着我国磁约束核聚变装置运行水平迈入国际前列，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑。

“中国环流三号”是我国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，它也被称为新一代“人造太阳”。“中国环流三号”团队突破了等离子体大电流高约束模式运行控制等一系列关键技术难题，首次实现了100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。磁约束核聚变中的高约束模式是一种先进的运行模式，比普通的运行模式更具经济性，因此被选为正在建造的国际热核聚变实验堆的标准运行模式。

今年4月，日本正式敲定了首个核聚变能源开发战略方案，提出要推进企业参与研发实验用的核聚变反应堆，并争取在2050年左右实现核聚变发电。而总部位于英国牛津郡的Pulsar Fusion公司已经开始了一段雄心勃勃的旅程，以利用核聚变的力量进行太空旅行。他们的目标是在太空中实现高达80万公里的迅猛速度，将彻底改变星际旅行方式。