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用AI赋能“人造太阳”

来源:光明网-《光明日报》2026-06-25 09:31

  作者:杨宗谕 杨雨桐(中国聚变能源有限公司副研究员,助理研究员)

  当前,人类的能源技术和智能技术深度交汇。一方面,AI技术迅猛发展的背后,是日益庞大的算力中心对电力的需求,全社会对高密度、零碳清洁能源的需求变得空前迫切。另一方面,作为人类梦寐以求的理想能源,受控热核聚变反应—“人造太阳”仍面临燃烧等离子体长时间稳定控制、大科学装置迭代成本和复杂度过高等关键瓶颈。一个新的命题自然而然浮出水面——

  为什么要让AI接管“人造太阳”

  太阳发出的光和热是地球上绝大多数生命活动和能量的基础,这些光和热正是来自其内部的核聚变反应。在这个过程中,轻原子核结合形成重原子核并释放出能量。然而,要把这种宇宙中最基本的能量释放过程,在地球上复现并不容易。科学家为此提出了众多方案,其中主流的方式是采用托卡马克装置,它用强磁场编织出一个无形的“磁笼”,来约束住温度高达上亿摄氏度的聚变燃料(一种处于完全电离状态的等离子体)。

  聚变燃料可一点也不“温顺”,上亿度的等离子体非常活跃,其位置、形状、温度和密度分布等参数始终处于连续不断的变化中。外部用以约束它的“磁笼”,必须随之做出极其敏捷且精准的调整,否则就会导致聚变反应的中断。然而,等离子体变化的速度极快,要求控制系统必须在毫秒级的时间内做出决策;同时,聚变装置与等离子体的物理性质极其复杂,是一个典型的多场耦合、强非线性系统,难以被简单的控制逻辑妥善处理。

  破解复杂性难题,恰恰是AI的终极战场,它可以将原本割裂的感知、预测与决策链条成功整合在一起。智能化的数据分析手段,能在毫秒级的时间内感知等离子体的全局状态;高保真的智能模拟,以惊人的效率在数字世界里预演成千上万种控制方案,并分析潜在风险;最后,一个经过千锤百炼的智能控制器,综合所有全局信息,并在毫秒级的时间内做出精准的控制决策。

  AI的介入,正在将控制“人造太阳”从一门依赖经验和试错的手艺,提升为一门可计算、可预测、可自主优化的科学。

  AI如何“驯服”聚变等离子体

  当前,AI的身影已经活跃在从仿真模拟、实验设计、装置控制到新材料研发的“人造太阳”研发全链条中。在“驯服”聚变等离子体的过程中,AI扮演的角色可以拆解为三个环环相扣的层面,即观测、预测和控制。

  第一步,“感知”等离子体,从局部观测到全息建模。

  “感知”聚变燃料的状态,是一切控制的前提。“人造太阳”工作时,聚变燃料的温度达到上亿度,任何传感器都无法与其直接接触。科学家不得不借助各种间接的“眼睛”去探测,比如测量等离子体自身产生的磁场;捕捉其辐射出的光谱,它的原理与常见的红外测温枪类似,但复杂程度远超想象。

  间接测量所获取的原始数据,并不能直接反映等离子体的物理状态,需要经过一套复杂的分析和物理模型转换,才能变成驱动控制决策的有效参数。这一过程存在两个弊端,一是计算速度慢或高度依赖人工经验介入,无法在聚变装置毫秒级的控制周期内完成闭环;二是间接测量方法本身稳定性不足,极易在复杂的电磁环境中受到干扰,导致关键数据缺失,让控制器瞬间“失明”。

  AI可以在数据分析场景中起到关键的作用。一方面,诊断代理模型可以模仿和替代那些缓慢、经验化的分析过程。例如,在我国新一代人造太阳“中国环流三号”上部署的代理模型,就能实时分析等离子体的位形和温度分布,让控制器在毫秒周期内获得准确的全局状态感知能力。另一方面,生成式AI模型展现出修复残缺信息的强大潜力,核工业西南物理研究院自主研发的国际首个聚变垂域基座大模型“曦元”,已经实现了88道核心测量参数的缺失值自动补全,即使部分传感器在强干扰下短暂失效,“曦元”也能为控制系统“拼凑”出完整的燃料状态。AI帮助科研人员“看清”等离子体,成为精准驾驭它的关键。

  第二步,“预测”等离子体,从盲目试错到沙盘推演。

  聚变等离子体作为一个非线性多场耦合系统,任何控制干预都可能牵一发而动全身。因此,在行动之前准确地预测各类控制方案下等离子体的响应和演化趋势,是实现稳定约束的关键前提。

  传统的数值模拟手段虽然可以达到预演的效果,却始终因高昂的计算成本而束手束脚。一次高保真的第一性原理仿真,往往需要花费超级计算机数天的时间;而一些快速的简化模拟器,其结果又与真实的实验数据大相径庭。在计算成本与模拟精度之间,研究人员长期进退维谷。

  AI的引入,为打破这一僵局提供了全新的范式。一方面,可以让AI阅读过往实验产出的海量数据,自发总结等离子体的演化规律,构建数据驱动的模拟器;另一方面也可以用代理模型、神经算子、可微仿真等前沿技术来加速仿真过程。核西物院团队此前便利用数据驱动方法,成功构建了高保真的“中国环流三号”磁位形演化模拟器和大破裂风险预测算法。

  如今,在AI的帮助下,科学家可以在真实的物理实验前,从数字世界里快速筛选实验方案,并对各种风险事件进行前瞻性预警,从而将潜在的不稳定性消灭在萌芽状态。

  第三步,“赋能”等离子体,从手动驾驶到自动驾驶。

  “感知”和“预测”,最终是为了“控制”。在传统的控制范式下,这一任务大多由一些简单的反馈控制器,结合工程师在无数次实验中的试错优化来共同完成。整个过程不仅繁杂、效率低下,更难以应对瞬息万变的紧急突发状况。

  AI的赋能,正在为聚变装置构建“数字训练场”。一个控制智能体可以从零开始,与虚拟的聚变装置进行数以百万计的互动试错。它以极低的成本,在短时间内遍历各种复杂工况,最终锤炼出一个能够自主决策的控制智能体,这便是强化学习在核聚变控制中展示出的革命性力量。

  如今,“人造太阳”的“自动驾驶”,已经在“中国环流三号”上成为现实。该装置的平顶段磁位形控制和下降段破裂避免控制,均已成功演示了智能体的控制接管。AI控制器不仅能稳定维持等离子体平衡,更在某些异常工况下展现出超越传统方法的应急决策能力,标志着我们对聚变等离子体的控制能力迈入了新的纪元。

  迈向全方位智能化运行新时代

  经过科学家数十年的探索,以托卡马克为核心的磁约束聚变能技术路线,已得到科学原理上的验证。当前,全社会对“人造太阳”的关注和投入正不断增强,AI的深度介入,必将进一步加速聚变能源商业化的历史进程。

  聚变能源能否从实验室走向千家万户?关键在于工程能力的跨越和经济性的破局。而AI,正是撬动这两大支点的关键杠杆。它精准地切入过去技术烦琐、成本高昂、效率低下的核心环节,显著降低设计、建造和运维成本,最终将提升聚变能相较于其他能源形式的经济竞争力。

  未来,中国聚变能源有限公司将在上海建设“中国环流四号”,验证大型高温超导磁体运行的可靠性和智能控制等离子技术,其装置系统繁多,各系统相互耦合、工况复杂多变。若采用传统研发模式,依靠实物样机反复试验,不仅研发周期漫长、成本高昂,还易产生设计缺陷,制约技术迭代速度。

  为此,我们融合基于模型的系统工程(MBSE)与人工智能技术,打造设计数字样机与运维数字孪生样机。在设计阶段可完成系统级的设计仿真快速迭代、结构优化与风险预判,运维阶段能实时监测设备状态、提前排查故障,实现精准管控。这种数字化、智能化的全新研发运维模式,有望彻底打破传统实物试错的路径依赖,高效赋能聚变先导技术的快速验证与迭代,大幅提升聚变装置的研发效率、运行稳定性与运维精准度,为聚变技术从实验研究迈向工程化应用提速增效。

  展望未来,新的聚变装置将配备一个时刻进行海量数据交互与智能决策的“超级大脑”,它将拥有全域感知、深度思考与自主演化能力,实现从原料注入到能量输出全链条的自主运行,为人类点亮一盏前所未有的未来能源之灯。

  《光明日报》(2026年06月25日 16版)

[ 责编:王若昕 ]
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