托卡马克是一种旨在容纳并利用太阳能量的装置。这些聚变机器使用强大的磁体来约束比太阳核心更热的等离子体，并推动等离子体中的原子发生聚变释放能量。如果托卡马克能够安全高效地运行，这些机器有朝一日或许能提供清洁、无限的聚变能源。
如今，世界各地运行着许多实验性托卡马克，还有更多正在建设中。其中多数是小规模的研究装置，旨在探索设备如何启动等离子体并利用其能量。托卡马克面临的挑战之一是如何安全可靠地关停以高达每秒100公里速度、温度超过1亿摄氏度循环流动的等离子体电流。
当等离子体变得不稳定时，这种“停机”是必要的。为了防止等离子体进一步破裂并可能损坏装置内部，操作人员会降低等离子体电流。但偶尔，停机过程本身也会使等离子体失稳。在一些装置中，停机已导致托卡马克内壁出现刮痕和损伤——这些轻微损坏仍需要大量时间和资源来修复。
现在，麻省理工学院的科学家们开发了一种方法来预测托卡马克中的等离子体在停机期间的行为。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，以模拟等离子体的行为以及等离子体被降低功率并关闭时可能出现的任何不稳定性。
研究人员使用来自瑞士某实验托卡马克的等离子体数据训练并测试了这一新模型。他们发现，该方法能快速学习等离子体以不同方式被调节时的演化过程。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。考虑到托卡马克每次实验运行都成本高昂，因此高质量数据有限，这种训练效率是很有前景的。
该团队本周在一篇开放获取的《自然-通讯》论文中重点介绍了这一新模型，它可能会提高未来聚变电站的安全性和可靠性。
“对于聚变成为一种有用的能源，它必须具有可靠性，”主要作者、麻省理工学院航空航天专业研究生、麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）破裂研究组成员 Allen Wang 表示。“要实现可靠性，我们需要擅长管理我们的等离子体。”
该研究的麻省理工学院合著者包括 PSFC 首席研究科学家兼破裂研究组负责人 Cristina Rea，以及实验室信息与决策系统（LIDS）成员 Oswin So、Charles Dawson 和 Chuchu Fan 教授，此外还有来自某机构的 Mark (Dan) Boyer，以及来自瑞士等离子体中心的研究人员。
“微妙的平衡”
托卡马克是实验性聚变装置，最早于20世纪50年代在苏联建成。该装置的名称源于一个俄语缩写，意为“带磁线圈的环形室”。正如其名，托卡马克呈环形或甜甜圈形，使用强大的磁体来约束并加热气体，使其达到足够高的温度和能量，从而使产生的等离子体中的原子能够聚变释放能量。
如今，托卡马克实验的规模相对较小，能量较低，极少有装置接近产生安全、可靠、可用能源所需的规模和输出功率。在实验性、低能量托卡马克中，破裂通常不是问题。但是，随着聚变装置向电网规模维度扩展，在所有阶段控制能量高得多的等离子体对于维持装置安全高效运行至关重要。
Wang指出：“不受控制的等离子体终止，即使在停机期间，也会产生强烈的热通量，损坏内壁。特别是对于高性能等离子体，停机实际上可能将等离子体推向一些不稳定性极限。因此，这是一个微妙的平衡。现在人们非常关注如何管理不稳定性，以便我们能够常规且可靠地处理这些等离子体并安全地将其关闭。但关于如何做好这件事的研究相对较少。”
实现停机
Wang及其同事开发了一个模型来预测等离子体在托卡马克停机期间的行为。虽然他们本可以简单地应用神经网络等机器学习工具来学习等离子体数据中的不稳定性迹象，但 Wang 表示，要让这类工具在极高温度、高能量的等离子体中识别出非常细微且短暂的变化，“需要的数据量将是极其庞大的”。
相反，研究人员将神经网络与一个现有模型相结合，该模型根据物理学基本规则模拟等离子体动力学。通过这种机器学习与基于物理的等离子体模拟的结合，团队发现仅需几百个低性能的脉冲，以及少量高性能的脉冲，就足以训练和验证新模型。
他们用于这项新研究的数据来自TCV——由瑞士联邦理工学院洛桑分校（EPFL）瑞士等离子体中心运行的瑞士“可变配置托卡马克”。TCV是一个小型实验聚变装置，用于研究目的，常作为下一代装置解决方案的试验平台。Wang使用了来自TCV数百个等离子体脉冲的数据，其中包括每个脉冲启动、运行和停机期间等离子体的温度、能量等属性。他利用这些数据训练了新模型，然后进行了测试，发现该模型在给定特定托卡马克运行的初始条件下，能够准确预测等离子体的演化。
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”，即托卡马克控制器可以自动执行的等离子体管理指令，例如调整磁体或温度以维持等离子体的稳定性。他们在几个TCV运行中实施了该算法，发现其产生的轨迹能够安全地降低等离子体脉冲，在某些情况下，与新方法之前的运行相比，停机速度更快且没有破裂。
“在某个时刻，等离子体总会消失，但当等离子体在高能量下消失时，我们称之为破裂。在这里，我们将能量降为零，”Wang指出。“我们做了很多次。而且在各个方面我们都做得更好。所以，我们有统计信心证明我们改善了情况。”
这项工作得到了某机构的部分支持，该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演示托卡马克 SPARC，旨在产生净能量等离子体，这意味着它应该产生的能量多于加热等离子体所消耗的能量。Wang及其同事正在与该机构合作，研究这种新预测模型及其类似工具如何更好地预测等离子体行为，并防止代价高昂的破裂，从而实现安全可靠的聚变能源。
“我们正试图解决科学问题，使聚变成为常规有用的能源，”Wang说。“我们在这里所做的工作，仅仅是一段漫长旅程的开始。但我认为我们已经取得了一些不错的进展。”
该研究的额外支持来自 EUROfusion 联盟框架，通过欧洲原子能共同体研究与培训计划，并由瑞士国家教育、研究与创新秘书处资助。
