人類(lèi)駕馭可持續(xù)核聚變的夢(mèng)想持續(xù)了30年。

　　這個(gè)夢(mèng)想何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)，我們無(wú)法預(yù)期，但留給我們的時(shí)間真的不多了。人類(lèi)對(duì)能源的需求正在耗盡地球資源，并有可能對(duì)地球造成無(wú)法修復(fù)的破壞。風(fēng)能、太陽(yáng)能和潮汐能雖然可以帶來(lái)一些緩解，但這些能源都是有限且不可預(yù)測(cè)的。水力發(fā)電也可能對(duì)自然生態(tài)造成破壞，而核裂變會(huì)伴隨反應(yīng)堆熔毀、放射性廢物危害等巨大風(fēng)險(xiǎn)。

　　但核聚變不同，它可以為我們提供幾乎無(wú)限的能量，不會(huì)釋放二氧化碳溫室氣體，也不會(huì)產(chǎn)生放射性廢物。這正是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的理想能量源。但長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：我們能將核聚變之夢(mèng)變成現(xiàn)實(shí)嗎？

　　經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，已經(jīng)有無(wú)數(shù)初創(chuàng)企業(yè)逐步參與到這個(gè)有望給他們帶來(lái)巨大利潤(rùn)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)中，各種創(chuàng)新方法、材料和技術(shù)也在不斷激發(fā)人們的樂(lè)觀情緒。如今，一個(gè)“新玩家”的加入，可能會(huì)改變現(xiàn)在的游戲規(guī)則，使我們對(duì)最終能夠掌握曾經(jīng)難以逾越的復(fù)雜核聚變技術(shù)充滿信心。

　　或許，我們終于可以說(shuō)，夢(mèng)想即將成真——那就是人工智能。它將在未來(lái)30年里讓科學(xué)技術(shù)邁入一個(gè)飛越發(fā)展的時(shí)期。

　　等離子體的“約束之戰(zhàn)”

　　實(shí)現(xiàn)可控核聚變征途漫漫

　　核聚變是宇宙中分布最廣泛的能源，也是最有效率的能源之一：只需幾克燃料，經(jīng)過(guò)核聚變反應(yīng)后所釋放出的能量，就相當(dāng)于好幾噸煤燃燒所生產(chǎn)的能量。如此巨大的能量來(lái)源于小到完全可以忽略不計(jì)的存在——一個(gè)原子的原子核。

　　幾十年來(lái)，核聚變超乎尋常的巨大潛力，讓科學(xué)家們對(duì)開(kāi)發(fā)核聚變技術(shù)保持著強(qiáng)烈興趣。然而，在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變困難無(wú)比，因?yàn)槿藗冃枰峁┏鲆粋€(gè)極端高溫和高壓的條件，從而創(chuàng)建一個(gè)由裸原子核組成的“等離子體”。這既難以實(shí)現(xiàn)，也難以控制。

　　目前，最流行的方法是使用磁約束聚變裝置。20世紀(jì)50年代早期的核聚變技術(shù)研究中，最受歡迎的設(shè)計(jì)是一種被稱為“仿星器”的裝置。這種呈甜甜圈扭曲狀的仿星器裝置可產(chǎn)生復(fù)雜的磁場(chǎng)，理論上可使帶電荷的等離子體保持穩(wěn)定。不過(guò)，那種扭曲形狀太奇特，這導(dǎo)致仿星器裝置實(shí)際上很難被制造出來(lái)。

　　到了20世紀(jì)70年代，核聚變研究者的興趣轉(zhuǎn)向了更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)：一種被稱為“托卡馬克”的巨大空心環(huán)。在這個(gè)環(huán)中，被捕獲的等離子體被加熱到數(shù)億度，而用來(lái)束縛住這種等離子體所需要的力，只能由冷卻到接近絕對(duì)零度的強(qiáng)大超導(dǎo)磁體產(chǎn)生。于是，在這一裝置中，形成了宇宙中已知的最為懸殊的冷熱溫度梯度。

　　磁約束裝置多年來(lái)取得了一些成功進(jìn)展。1997年，坐落于英國(guó)牛津附近的歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器（JET）創(chuàng)造了核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生能量的世界紀(jì)錄：從24兆瓦的輸入中，產(chǎn)生了16兆瓦的聚變能量。這是迄今為止最接近于“收支平衡”的一次核聚變實(shí)驗(yàn)，注入的能量接近于輸出的能量，但遺憾的是，反應(yīng)時(shí)間只持續(xù)了幾百分之一秒。

　　有了這一次的成功，達(dá)到真正的“收支平衡”似乎已經(jīng)在望。但JET的等離子體中出現(xiàn)了奇怪的不穩(wěn)定性，這阻礙了計(jì)劃的進(jìn)一步進(jìn)行。

　　現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)多年來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)和材料的改進(jìn)，JET的核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆又回來(lái)了。據(jù)《自然》雜志報(bào)道，2020年12月，JET已開(kāi)展關(guān)鍵聚變實(shí)驗(yàn)。今年6月，JET將再次嘗試提高核聚變反應(yīng)的產(chǎn)出功率。其目標(biāo)一是打破其以往產(chǎn)生能量的記錄，二是讓核聚變反應(yīng)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

　　與此同時(shí)，其他國(guó)家也在紛紛迎頭趕上。2018年，中國(guó)的實(shí)驗(yàn)性先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）在1500萬(wàn)℃的溫度下，維持等離子體穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)100秒，創(chuàng)下了迄今為止最長(zhǎng)的等離子體約束時(shí)間紀(jì)錄。而中國(guó)的聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）是繼EAST之后的又一個(gè)托卡馬克裝置，其規(guī)模是EAST的三倍，預(yù)計(jì)將于本世紀(jì)20年代后期建成。

　　▲中國(guó)實(shí)驗(yàn)性先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）（新華社發(fā)）

　　在這場(chǎng)核聚變技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中，最具實(shí)力的是全球核聚變旗艦項(xiàng)目——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。ITER于1985年由包括中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和歐盟在內(nèi)的31個(gè)國(guó)家和地區(qū)合作發(fā)起建造，原本預(yù)計(jì)于2016年開(kāi)始試驗(yàn)，但之后遇到一系列挑戰(zhàn)，可能建設(shè)要持續(xù)到2025年?！癐TER是個(gè)一流的設(shè)施，要完全運(yùn)行起來(lái)還需要至少10年時(shí)間?！庇?guó)約克大學(xué)的霍華德·威爾遜說(shuō)。

　　ITER近期目標(biāo)是在2035年開(kāi)始核聚變反應(yīng)，但它更宏大的目標(biāo)是：超越“收支平衡”，達(dá)到10倍效率。科學(xué)家們有信心達(dá)成這一目標(biāo)。

　　不過(guò)，ITER等離子體物理學(xué)分部負(fù)責(zé)人西蒙·平奇斯認(rèn)為，目前的問(wèn)題是“我們是否擁有建立商業(yè)化可行的核聚變發(fā)電廠技術(shù)”。因?yàn)榧词笽TER能達(dá)成其目標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)核聚變的旅程還很漫長(zhǎng)。核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)不是用來(lái)捕獲以電的形式所產(chǎn)生的能量，而是為未來(lái)建立核聚變發(fā)電廠鋪平道路。

　　仿星器研究復(fù)興

　　核聚變行業(yè)創(chuàng)新帶來(lái)新曙光

　　不過(guò)，留給人類(lèi)的時(shí)間真的不多了。隨著氣候變化形勢(shì)嚴(yán)峻，尋找替代化石燃料新能源的任務(wù)日益緊迫。

　　可喜的是，整個(gè)核聚變行業(yè)正在出現(xiàn)一系列創(chuàng)新，這將使廉價(jià)、可持續(xù)反應(yīng)堆成為現(xiàn)實(shí)的時(shí)間從幾十年提前到幾年。最重要的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能在更高溫度下工作的超導(dǎo)體，那么核聚變裝置就可以在不太極端的超冷條件下產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。利用新的超導(dǎo)材料可讓磁鐵體積更小，從而使托卡馬克裝置的設(shè)計(jì)更為緊湊。

　　最近，從施工技術(shù)到可以檢查和維護(hù)反應(yīng)堆部件的機(jī)器人系統(tǒng)等一系列技術(shù)突破，也使得核聚變產(chǎn)業(yè)成本進(jìn)一步降低?！昂司圩冄芯恳呀?jīng)從政府資助研究的純學(xué)術(shù)活動(dòng)，變成了私營(yíng)部門(mén)也可以投資加入的活動(dòng)?！逼狡嫠拐f(shuō)。

　　這引發(fā)了私營(yíng)企業(yè)之間爭(zhēng)先實(shí)現(xiàn)可持續(xù)核聚變的角逐。美國(guó)聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)公司就是其中一名表現(xiàn)突出的選手。它是美國(guó)麻省理工學(xué)院旗下的一家分公司，其部分資金來(lái)自比爾·蓋茨、杰夫·貝佐斯和理查德·布蘭森等億萬(wàn)富翁。它使用了與JET、ITER和EAST相同的托卡馬克技術(shù)，目標(biāo)是在未來(lái)10年內(nèi)建成一座核聚變反應(yīng)堆。其他核聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)者，如溫德里奇托卡馬克能源公司，也在爭(zhēng)取到2030年能為電網(wǎng)供電。

　　不過(guò)，也有不少人對(duì)私營(yíng)企業(yè)的承諾持謹(jǐn)慎態(tài)度。負(fù)責(zé)JET計(jì)劃的Euroflusion財(cái)團(tuán)的項(xiàng)目經(jīng)理托尼·多恩表示，即便是那些已經(jīng)建立較長(zhǎng)一段時(shí)間的公司，也需要10年時(shí)間才有望建成一座反應(yīng)堆。

　　那些設(shè)計(jì)托卡馬克裝置的公司或機(jī)構(gòu)都面臨同樣的問(wèn)題，其中最主要的是如何處理等離子體的不穩(wěn)定性。

　　托卡馬克磁場(chǎng)的等離子體在高溫下容易出現(xiàn)行為異常——這些行為有時(shí)像湖面上的小漣漪，有時(shí)則像陣陣洶涌的潮汐，將等離子體一波波射向反應(yīng)堆壁。等離子體的這種不穩(wěn)定性是困擾反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)難題，而理解核聚變的復(fù)雜反應(yīng)需要大量數(shù)據(jù)和時(shí)間?！澳壳敖⒁环N完整的預(yù)測(cè)模型可能需要數(shù)周時(shí)間?！逼狡嫠拐f(shuō)。因此，科學(xué)家們正在尋找目前磁約束的替代技術(shù)。

　　上世紀(jì)80年代開(kāi)始，研究人員對(duì)早已被放棄的等離子仿星器重新產(chǎn)生了興趣。美國(guó)普林斯頓大學(xué)的阿米塔瓦·巴塔查吉說(shuō)，計(jì)算能力的提高，意味著在更復(fù)雜結(jié)構(gòu)中對(duì)等離子體行為進(jìn)行建模已成為可能。與此同時(shí)，新材料和新的建造方法意味著建造一個(gè)仿星器也比以前要容易得多。“這是仿星器研究的復(fù)興?！卑退榧嘎叮麄兓诜滦瞧鏖_(kāi)發(fā)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，將可產(chǎn)生能夠穩(wěn)定等離子體的磁場(chǎng)模式。

　　雖然仿星器技術(shù)曾經(jīng)比托卡馬卡裝置落后了幾十年，但如今正在迎頭趕上。2015年，世界上最大的仿星器裝置文德斯坦7-X在德國(guó)馬克斯普朗克等離子體物理研究所啟動(dòng)，準(zhǔn)備維持等離子體30分鐘，這一里程碑式的進(jìn)展預(yù)計(jì)將于今年實(shí)現(xiàn)。之后，它的目標(biāo)是開(kāi)始核聚變運(yùn)行。

　　然而，建造理想的核聚變反應(yīng)堆仍是一項(xiàng)極其復(fù)雜、耗時(shí)的工作。巴塔察吉介紹，要實(shí)現(xiàn)仿星器的最佳設(shè)計(jì)通常需要反復(fù)研究大約50個(gè)參數(shù)，直到找到最佳設(shè)計(jì)方案。

　　核聚變實(shí)驗(yàn)仿真呼之欲出

　　人工智能為最終突破助力

　　過(guò)去幾年里，一個(gè)新的合作伙伴正在為等離子體物理學(xué)家們提供越來(lái)越多的助力，幫助將一個(gè)可持續(xù)運(yùn)行的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)推向終點(diǎn)，這個(gè)新的合作伙伴就是人工智能?！叭斯ぶ悄芸梢愿斓乃俣葘?duì)各種可能性進(jìn)行更深入的探索?！卑退旒f(shuō)。

　　例如，總部位于美國(guó)加州的核聚變研究公司TAE Eechnologies自2014年起就與谷歌的人工智能DeepMind AI建立了合作關(guān)系。加拿大的通用核聚變公司也在與微軟開(kāi)展合作。TAE的戴維·尤因指出，他們的研究已經(jīng)有了一些進(jìn)展，特別是在模擬等離子體的行為反應(yīng)，以及溫度、密度和磁場(chǎng)的不同配置方面，“在使用機(jī)器學(xué)習(xí)之前，優(yōu)化特定實(shí)驗(yàn)裝置的性能可能需要一個(gè)多月，而現(xiàn)在只要數(shù)小時(shí)就能完成”。

　　建模時(shí)間大幅減少的關(guān)鍵，在于人工智能強(qiáng)大的模式識(shí)別能力，以及對(duì)未來(lái)行為的預(yù)測(cè)能力。我們不能將溫度計(jì)放在托卡馬克裝置內(nèi)部去檢測(cè)溫度變化情況，只能通過(guò)其他屬性來(lái)推斷溫度，比如聚變反應(yīng)過(guò)程中釋放的光。對(duì)于人類(lèi)研究人員來(lái)說(shuō)，這可能是一項(xiàng)極為困難的任務(wù)，但經(jīng)過(guò)海量數(shù)據(jù)集培訓(xùn)之后，人工智能可極大地縮短完成這項(xiàng)任務(wù)的時(shí)間。2019年，普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究小組將美國(guó)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體行為的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)到了前所未有的95%。

　　人工智能也在為ITER的研究提供助力。平奇斯指出，對(duì)于某些任務(wù)，例如模擬等離子體較小波紋所導(dǎo)致的后果，人工智能可使模擬結(jié)果的速度快1000萬(wàn)倍。現(xiàn)在的關(guān)鍵是提高整個(gè)預(yù)測(cè)模型的速度，這樣，研究人員就能夠預(yù)測(cè)出所有的問(wèn)題并避免它們，而無(wú)需實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

　　這些迅速崛起的創(chuàng)新成果帶來(lái)了新的樂(lè)觀前景，實(shí)現(xiàn)核聚變夢(mèng)想的時(shí)間正在不斷縮短。“過(guò)去十年里，我們看到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)步，再加上諸如人工智能等關(guān)鍵支持技術(shù)的出現(xiàn)，為我們帶來(lái)了最強(qiáng)大的助力，取得最后突破的時(shí)機(jī)已經(jīng)到來(lái)。”尤因說(shuō)。

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　　核聚變?yōu)楹稳绱酥y？

　　一般情況下，原子核的融合反應(yīng)并不那么容易實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)原子核中帶正電的質(zhì)子靜電相斥，要讓兩者融合，必須要有足夠的能量來(lái)克服這個(gè)障礙，讓另一種力可以介入。這種力被稱為強(qiáng)核力。如果兩個(gè)原子核相隔較遠(yuǎn)，強(qiáng)核力是很弱的，但當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子相距不到萬(wàn)億分之一毫米時(shí)，這種強(qiáng)核力產(chǎn)生的拉力會(huì)壓倒靜電斥力，讓質(zhì)子融合。

　　啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程，或者說(shuō)更重要的是，讓這個(gè)過(guò)程在聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中持續(xù)發(fā)生，需要極高的溫度和極大的密度。例如，在太陽(yáng)的核心，溫度高達(dá)1500萬(wàn)℃，而密度則相當(dāng)于可將500毫升水壓縮到放在一個(gè)茶匙里。在這樣的條件下，電子有足夠的能量與它們的原子分離，留下一大群帶正電的原子核以及被稱為等離子體的電子。

　　恒星需要一百萬(wàn)年時(shí)間才能啟動(dòng)最初的反應(yīng)。如果我們想在地球上復(fù)制核聚變反應(yīng)，就需要加速這個(gè)過(guò)程，這意味著產(chǎn)生等離子體的溫度要達(dá)到太陽(yáng)中心溫度的10倍，即1.5億℃。這也是實(shí)現(xiàn)核聚變?nèi)绱死щy的重要原因之一。