要在地球上演示為太陽和星星提供無限能量的聚變反應(yīng)，必須與極高的熱負(fù)荷密度相抗衡，這可能會破壞稱為托卡馬克的聚變設(shè)施，這是容納聚變反應(yīng)的最廣泛使用的實(shí)驗室設(shè)施。這些負(fù)載流向所謂的分流板的壁上，該分流板從托卡馬克中提取廢熱。

使用高性能計算機(jī)和人工智能（AI），美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實(shí)驗室（PPPL）的研究人員預(yù)測，ITER的全功率運(yùn)行將產(chǎn)生更大且破壞性更小的熱負(fù)荷寬度，法國正在建造的國際托卡馬克，比以前的估計要多。新公式產(chǎn)生的預(yù)測范圍比從目前的托卡馬克設(shè)施的簡單推斷所得出的預(yù)測范圍要大六倍，而ITER設(shè)施的目的是證明聚變能力的可行性。

PPPL物理學(xué)家CS Chang說：“如果從當(dāng)今的托卡馬克簡單地推斷出全功率ITER是正確的，在沒有任何預(yù)防措施的情況下，那么，沒有一種已知的材料可以承受折中極端的熱負(fù)荷。” PPPL物理學(xué)家CS Chang表示。等離子體物理發(fā)表為《編輯精選》的論文的第一作者Chang說：“一個精確的公式可以使科學(xué)家以更舒適，更具成本效益的方式操作ITER，以實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)生的聚變能量比輸入能量高10倍。”

聚變反應(yīng)將等離子形式的輕元素結(jié)合在一起，形成由大量電子組成的熾熱，帶電狀態(tài)，其中自由電子和原子核構(gòu)成可見宇宙的99％，產(chǎn)生大量能量。托卡馬克是使用最廣泛的聚變設(shè)備，將等離子體限制在磁場中，并將其加熱到百萬度的溫度以產(chǎn)生聚變反應(yīng)。世界各地的科學(xué)家都在尋求產(chǎn)生和控制這種反應(yīng)，以產(chǎn)生安全，清潔和幾乎取之不盡的發(fā)電用電。

該團(tuán)隊的預(yù)測可以追溯到研究人員在2017年在橡樹嶺國家實(shí)驗室的Oak Ridge領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施（OLCF）的Titan超級計算機(jī)上產(chǎn)生的結(jié)果。該團(tuán)隊使用PPPL開發(fā)的XGC高保真等離子體湍流代碼對據(jù)預(yù)測，在全功率ITER運(yùn)行中，熱負(fù)荷要比目前的托卡馬克所預(yù)測的簡單推斷高出六倍。

令人驚訝的發(fā)現(xiàn)極大地違反了危險的狹窄熱負(fù)荷預(yù)測，引起了人們的關(guān)注。那么，造成差異的原因是什么？以前的預(yù)測可能無法檢測到某些隱藏的等離子體參數(shù)或等離子體行為狀況嗎？

這些預(yù)測來自簡單外推法中的參數(shù)，這些參數(shù)將等離子體視為一種流體，而沒有考慮重要的動力學(xué)或粒子運(yùn)動效應(yīng)。相比之下，XGC代碼在極端規(guī)模的計算機(jī)上使用數(shù)萬億個粒子來生成動力學(xué)模擬，其六倍的預(yù)測表明，確實(shí)可能存在流體方法未考慮在內(nèi)的隱藏參數(shù)。

該團(tuán)隊在橡樹嶺國家實(shí)驗室的橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施（OLCF）的Summit超級計算機(jī)上對全功率ITER等離子體進(jìn)行了更精細(xì)的仿真，以確保他們在2017年關(guān)于Titan的發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。

該團(tuán)隊還對當(dāng)前的托卡馬克進(jìn)行了新的XGC模擬，以將結(jié)果與更廣泛的Summit和Titan的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行比較。一種模擬是對英國聯(lián)合歐洲圓環(huán)（JET）上磁場強(qiáng)度最高的等離子體之一進(jìn)行的，該等離子體達(dá)到了ITER全功率磁場強(qiáng)度的73％。另一個模擬是在麻省理工學(xué)院（MIT）現(xiàn)已退役的C-Mod托卡馬克中使用的最高磁場等離子體之一，該等離子體達(dá)到了ITER全功率磁場的100％。

兩種情況下的結(jié)果均與簡單推算得出的窄熱負(fù)荷寬度預(yù)測相符。這些發(fā)現(xiàn)加劇了人們對確實(shí)存在隱藏參數(shù)的懷疑。

有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)

然后，團(tuán)隊轉(zhuǎn)向一種稱為監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)的AI方法，以發(fā)現(xiàn)可能未被注意的參數(shù)。AI代碼使用來自未來ITER等離子體的動力學(xué)XGC模擬數(shù)據(jù)，識別出了隱藏參數(shù)，該參數(shù)與托卡馬克磁場線周圍的等離子體粒子的軌道有關(guān)，這種軌道稱為陀螺運(yùn)動。

AI程序提出了一個新的公式，該公式預(yù)測的全功率ITER的熱負(fù)荷寬度比目前根據(jù)托卡馬克所預(yù)測的實(shí)驗結(jié)果得出的以前的XGC公式要寬得多，危險程度要小得多。此外，由AI生產(chǎn)的公式可以恢復(fù)以前為托卡馬克實(shí)驗所建立的公式的狹窄發(fā)現(xiàn)。

該實(shí)驗不僅產(chǎn)生高保真度的理解和預(yù)測，而且通過改進(jìn)分析公式以使其更加準(zhǔn)確和可預(yù)測性，從而說明了高性能計算的必要性。與顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑相比，ITER邊緣等離子體的尺寸較大，因此與目前的托卡馬克相比，全功率ITER邊緣等離子體的湍流類型有所不同。

然后，研究人員通過在OLCF的超級計算機(jī)峰會上和在Argonne國家實(shí)驗室的Argonne領(lǐng)導(dǎo)能力計算設(shè)施（ALCF）上的Theta上進(jìn)行了三輪未來ITER等離子體的模擬，從而驗證了AI產(chǎn)生的公式。Chang說：“如果通過實(shí)驗驗證該公式，這對于聚變界以及確保ITER的分流器可以容納等離子體產(chǎn)生的熱量。”

該團(tuán)隊接下來將希望看到有關(guān)當(dāng)前托卡馬克的實(shí)驗，可以用來測試AI產(chǎn)生的外推公式。如果得到驗證，該公式可用于簡化ITER的操作，并用于設(shè)計更經(jīng)濟(jì)的聚變反應(yīng)堆。
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