機(jī)器學(xué)習(xí)使聚變能源成為可能

麻省理工學(xué)院的研究人員正在測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以更好地了解聚變能中的湍流等離子體現(xiàn)象。根據(jù)麻省理工學(xué)院新聞最近的一篇文章，在Physical Review E和Physics of Plasmas 上發(fā)表的兩篇論文中，開發(fā)了一種新的深度學(xué)習(xí)框架，該框架利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來表示減少的湍流理論。

所有核聚變研究人員的目標(biāo)是使該技術(shù)成為全球電網(wǎng)的可行能源。要做到這一點(diǎn)，需要理解和解決無數(shù)物理和工程問題，例如理解等離子體的湍流運(yùn)動(dòng)，即離子和電子在反應(yīng)器中移動(dòng)的集合。稱為托卡馬克的環(huán)形結(jié)構(gòu)的場(chǎng)線迫使等離子體粒子被限制足夠長(zhǎng)的時(shí)間以產(chǎn)生顯著的凈能量增益，當(dāng)您不僅有高溫而且還有小空間時(shí)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

科學(xué)家們正專注于等離子體湍流的數(shù)值模擬，以更好地了解未來聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的狀況。但這些計(jì)算很復(fù)雜。在保持預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)工作得更快的簡(jiǎn)化理論的發(fā)展可以加快進(jìn)展。

核聚變

等離子體是構(gòu)成可觀測(cè)宇宙 99.9% 以上的物質(zhì)，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)（其他已知狀態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）。在足夠高的能量下，氣體被電離，產(chǎn)生帶正電的粒子（原子核）和帶負(fù)電的粒子（電子）的混合物。雖然恒星中的等離子體受到巨大重力的限制，但地球上的情況并非如此。主要挑戰(zhàn)之一是開發(fā)能夠?qū)⒌入x子體加熱到所需溫度并將其限制在足夠長(zhǎng)的時(shí)間以進(jìn)行熱核反應(yīng)以釋放維持新聚變反應(yīng)的動(dòng)能的設(shè)備。一種被稱為磁約束的有前途的方法被用于稱為托卡馬克（“磁環(huán)室”的俄語縮寫）的設(shè)備中，

這些是非常復(fù)雜的機(jī)器，從高溫等離子體條件（超過 100,000,000 度）到操作超導(dǎo)磁體所需的低溫（低于-200 攝氏度）僅需幾米。

建造這些設(shè)備是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，尤其是因?yàn)榕c等離子體相關(guān)的不穩(wěn)定性，這會(huì)對(duì)反應(yīng)堆組件造成損壞的危險(xiǎn)。然而，這種限制具有安全優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殒準(zhǔn)椒磻?yīng)基本上永遠(yuǎn)不會(huì)失控地發(fā)展。

托卡馬克配置中的磁場(chǎng)必須是三種類型： 環(huán)形磁場(chǎng)，由環(huán)形線圈產(chǎn)生；環(huán)形場(chǎng)，由環(huán)形線圈產(chǎn)生；和由環(huán)形線圈產(chǎn)生的環(huán)形場(chǎng)。這些線圈的目的是沿機(jī)器的對(duì)稱軸產(chǎn)生磁場(chǎng)，推動(dòng)帶電等離子體粒子沿該方向流動(dòng)?？刂频入x子體位置的外部線圈提供垂直場(chǎng)。極向場(chǎng)由流過等離子體的電流產(chǎn)生并保持平衡。

等離子體湍流

磁約束聚變裝置在聚變發(fā)電廠的粒子和能量約束方面存在重大不確定性。由于機(jī)載等離子體的環(huán)境對(duì)各種工藝有很大影響，因此邊界區(qū)域?qū)τ谠u(píng)估聚變裝置的整體實(shí)用性至關(guān)重要，等離子體和整個(gè)結(jié)構(gòu)的建模仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

與邊界等離子體相關(guān)并廣泛應(yīng)用于分析邊緣湍流的一種特殊傳輸理論是減少漂移的 Braginskii 模型。幾十年來，托卡馬克物理學(xué)家經(jīng)常使用這種簡(jiǎn)化的“雙流體理論”來模擬實(shí)驗(yàn)中的邊界等離子體，盡管其精確度尚不確定。

通過這項(xiàng)工作，他們還展示了一種新的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以診斷與減少漂移的 Braginskii 理論直接一致的未知湍流場(chǎng)波動(dòng)。眾所周知，等離子體湍流難以模仿，比空氣或水湍流更難模仿。通過將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)嵌入到方程中，您可以從少量觀察中獲得大量信息。據(jù)麻省理工學(xué)院的研究人員稱，這些新穎的分析方法可以為評(píng)估混沌系統(tǒng)開辟新途徑，并擴(kuò)大關(guān)于聚變等離子體湍流的發(fā)現(xiàn)范圍。

審核編輯：湯梓紅