在我們的太陽核心，極端的溫度和巨大引力所產(chǎn)生的巨大壓力為核聚變創(chuàng)造了理想的條件。

然而，在沒有恒星的極端引力的情況下，通過核聚變反應(yīng)堆在地球上重現(xiàn)這種情況，會帶來許多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)是將加熱的聚變等離子體（由離子和在其中發(fā)生反應(yīng)的自由電子組成的帶電氣體）保持在1億攝氏度以上，將其粒子約束在一個磁場中，并保持足夠長的時間，以便發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生能量。

了解和驗(yàn)證目前關(guān)于這種熱核聚變等離子體的行為方式的假設(shè)，是聚變科學(xué)家和工程師為最終從核聚變產(chǎn)生電力而必須解決的關(guān)鍵問題之一。

溫度比太陽更高的超級燃料

聚變的燃料選擇是有限的。地球上性能潛力最大的燃料是由氘和氚離子的混合物制成的，氘和氚離子是氫的兩種較重同位素。當(dāng)在極端溫度下碰撞時，氘和氚融合產(chǎn)生帶有兩個質(zhì)子和兩個中子的帶電粒子，稱為α粒子，以及自由中子。雖然中子逃離磁場，并且不與等離子體發(fā)生作用，但α粒子被磁場約束，并進(jìn)一步加熱周圍的等離子體。澳大利亞國立大學(xué)Matthew Hole教授說：“控制這種加熱對利用核聚變發(fā)電至關(guān)重要?！?/p>

安全和可持續(xù)的聚變動力依賴這些帶電α粒子及其能量來維持等離子體的恒定溫度，從而使反應(yīng)能夠自持。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)對于運(yùn)行聚變反應(yīng)堆至關(guān)重要。

20世紀(jì)90年代，聚變實(shí)驗(yàn)堆在不到一秒內(nèi)產(chǎn)生了16兆瓦的能量。在這些實(shí)驗(yàn)中，α粒子只提供了外部供熱的10%。將通過ITER——正在法國建造的國際實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆——之類的計(jì)劃，探索了解α粒子提供更多熱量時發(fā)生的情況。

“ITER將為我們提供研究‘燃燒等離子體’的機(jī)會，燃燒等離子體中至少66%的總加熱量將來自聚變α粒子。在這些條件下，ITER將產(chǎn)生500兆瓦的聚變能量，持續(xù)時間長達(dá)500秒?！盜TER組織科學(xué)司司長Alberto Loarte說。他說，ITER組織的實(shí)驗(yàn)將為燃燒等離子體物理學(xué)中的關(guān)鍵問題提供急需的答案，例如如何創(chuàng)造通過其α粒子的內(nèi)部加熱而自持的等離子體，以及如何為高聚變性能找到與反應(yīng)堆壁的功率處理能力相適應(yīng)的最佳運(yùn)行條件。

如何使等離子體自持

聚變反應(yīng)堆性能的一個重要指標(biāo)是它的“聚變功率增益”。它由等離子體的溫度、密度和能量約束時間決定，是衡量磁場隨著時間的推移如何有效地維持等離子體能量的一個量度。創(chuàng)造自持反應(yīng)需要三個條件：大約1億攝氏度的溫度；比空氣小一百萬倍的密度；只有幾秒鐘的能量約束時間。

雖然所需的條件已被充分理解，但如何同時達(dá)到這些條件卻遠(yuǎn)非顯而易見。例如，增加等離子體密度在原則上是有利的，因?yàn)樗黾恿税l(fā)生聚變反應(yīng)的可能性。然而，美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)聚變的副主任Richard Hawryluk認(rèn)為，當(dāng)密度接近其最大值時，許多實(shí)驗(yàn)表明，等離子體約束的退化程度超過了預(yù)期。

為使ITER實(shí)驗(yàn)成功，需要找到解決這些問題的方案，而為此進(jìn)行的許多研究需要國際合作。國際原子能機(jī)構(gòu)通過其關(guān)于高能粒子物理、等離子體控制和聚變數(shù)據(jù)獲取、驗(yàn)證和分析的一系列技術(shù)會議，為交流科學(xué)和技術(shù)成果提供了一個平臺，并正在幫助開發(fā)可用于預(yù)測ITER和未來聚變動力堆中聚變等離子體行為的建模工具。

找到“最佳點(diǎn)”

最大的挑戰(zhàn)之一是找到具有最大聚變功率和等離子體控制的最佳工作條件，以便在長時間內(nèi)不打破運(yùn)行邊界的情況下實(shí)現(xiàn)高性能。打破運(yùn)行邊界會產(chǎn)生問題，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致不穩(wěn)定，從而終止等離子體，這種現(xiàn)象被稱為等離子體破裂。

“在像ITER這樣的環(huán)形托卡馬克型反應(yīng)堆中，破裂可能會在幾毫秒內(nèi)迅速終止等離子體，并對反應(yīng)堆部件產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力?！盜TER組織穩(wěn)定與控制處科學(xué)協(xié)調(diào)員Michael Lehnen說，“國際原子能機(jī)構(gòu)正在通過促進(jìn)這一領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)、理論和建模工作的信息交流，幫助避免這種情況，同時特別強(qiáng)調(diào)將在今后幾年為設(shè)計(jì)ITER破裂緩解系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

最近納入基于人工智能方法的實(shí)驗(yàn)和建模工作正在明確有效等離子體控制的要求，這有助于為未來聚變電廠的安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行鋪平道路?！甭槭±砉W(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心研究科學(xué)家Cristina Rea說：“應(yīng)用于破裂研究的強(qiáng)大的高級統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以幫助識別重要的模式，并揭示多年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中隱藏的信息?！?/p>

控制物理學(xué)家、建模師、場景開發(fā)人員和數(shù)據(jù)工程師之間正在形成富有成效的協(xié)同作用，他們正在設(shè)計(jì)新的解決方案，以避免這些破壞性的界限。Rea說，雖然評價這些數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在ITER等項(xiàng)目中的適用性還需要開展更多的工作，但迄今的結(jié)果是令人鼓舞的。