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編輯：元宇

【新智元導(dǎo)讀】Google DeepMind宣布與全球聚變能源領(lǐng)軍企業(yè)CFS展開(kāi)合作，共同利用AI加速「人造太陽(yáng)」SPARC裝置的研發(fā)。這標(biāo)志著AI正式進(jìn)入核聚變科研核心階段，推動(dòng)人類(lèi)邁向清潔、可持續(xù)的未來(lái)能源時(shí)代。

剛剛，Google DeepMind官宣與全球商業(yè)聚變能源公司巨頭CFS合作，共同利用AI加速核聚變能源的開(kāi)發(fā)。

諾獎(jiǎng)得主、Google DeepMind聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Demis Hassabis在X平臺(tái)激動(dòng)表示，與CFS的合作將加速核聚變發(fā)展，推動(dòng)人類(lèi)邁向可持續(xù)的未來(lái)，擁有無(wú)限清潔能源。

Google DeepMind的AI與CFS的尖端硬件相結(jié)合，將帶來(lái)核聚變研發(fā)領(lǐng)域的加速發(fā)展。

CFS正在研發(fā)其旗艦項(xiàng)目SPARC裝置，這是一個(gè)旨在產(chǎn)生凈能量的核聚變機(jī)器

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手

跨越聚變的「能量收支平衡點(diǎn)」

聚變反應(yīng)（Fusion）是太陽(yáng)的能量來(lái)源，它能夠提供清潔、充足的能源，而不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期存在的放射性廢料。

CFS是全球聚變能源領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，正通過(guò)其強(qiáng)大的托卡馬克（Tokamak）裝置SPARC（聚變實(shí)驗(yàn)裝置），利用高溫超導(dǎo)磁體（High-Temperature Superconducting Magnets）實(shí)現(xiàn)受控核聚變。

這一過(guò)程也被稱(chēng)為「人造太陽(yáng)」，因?yàn)樗７铝颂?yáng)內(nèi)部的能量產(chǎn)生機(jī)制。

CFS的目標(biāo)是成為歷史上首個(gè)實(shí)現(xiàn)凈聚變能量輸出（net fusion energy）的磁約束聚變裝置——即聚變產(chǎn)生的能量超過(guò)維持聚變所需的能量。

這標(biāo)志著向可行聚變能源邁出里程碑式的一步。

挑戰(zhàn)在于為了優(yōu)化托卡馬克裝置的性能，需要模擬熱量、電流和物質(zhì)在等離子體核心中的流動(dòng)，以及它們與周?chē)到y(tǒng)的相互作用，同時(shí)還要控制在聚變裝置的安全范圍內(nèi)。

這是一道既要又要還要的極其復(fù)雜的物理難題，這時(shí)就需要借助TORAX的力量了。

TORAX是由Google DeepMind開(kāi)發(fā)并開(kāi)源的等離子體模擬器，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，它可以幫助CFS運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)次虛擬實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試其托卡馬克裝置SPARC的各類(lèi)方案。

雙方還將共同研究把AI智能體訓(xùn)練成專(zhuān)業(yè)「駕駛員」，探索實(shí)時(shí)控制等離子體的新方法，使其在安全運(yùn)行范圍內(nèi)承受極端高溫并實(shí)現(xiàn)能量產(chǎn)出最大化。

此次與CFS的合作，正是建立在Google DeepMind此前利用AI成功控制等離子體的突破性研究基礎(chǔ)之上。

Google DeepMind與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）旗下的瑞士等離子體中心（Swiss Plasma Center）曾有過(guò)一項(xiàng)合作，證明了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以控制托卡馬克磁體，以穩(wěn)定復(fù)雜的等離子體形態(tài)。

為了將這項(xiàng)研究成果推向更廣泛的物理情景，Google DeepMind開(kāi)發(fā)了TORAX，這是一個(gè)使用JAX編寫(xiě)的等離子體模擬器。

TORAX正是這次幫助CFS攻克「能量收支平衡點(diǎn)」的AI利器，目前雙方主要在三個(gè)關(guān)鍵方向展開(kāi)合作：

• 構(gòu)建快速、精準(zhǔn)、可微分的聚變等離子體模擬系統(tǒng)；

• 尋找最大化聚變能量輸出的高效且穩(wěn)健路徑；

• 運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)探索創(chuàng)新的實(shí)時(shí)控制策略。

TORAX能夠在CPU與GPU上靈活運(yùn)行，并可無(wú)縫集成AI驅(qū)動(dòng)的模型（包括Google DeepMind的自研模型），以實(shí)現(xiàn)更高性能。

TORAX目前已成為CFS日常研究的重要工具，能夠幫助CFS團(tuán)隊(duì)在SPARC啟動(dòng)之前就能通過(guò)數(shù)百萬(wàn)次虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試并優(yōu)化運(yùn)行方案，幫助他們深入理解等離子體在不同條件下的行為，從而節(jié)省寶貴的時(shí)間和資源。

CFS物理運(yùn)行高級(jí)經(jīng)理Devon Battaglia表示，TORAX幫助他們?cè)诖罱ㄅc運(yùn)行SPARC模擬環(huán)境時(shí)節(jié)省了許多工時(shí)。

通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)

識(shí)別輸出最高能量的最快路徑

托卡馬克的運(yùn)行涉及多種參數(shù)調(diào)節(jié)，如磁線圈電流、燃料注入、加熱功率等。

傳統(tǒng)方式需要手動(dòng)尋找在安全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大能量輸出的最佳組合，既復(fù)雜又低效。

通過(guò)將TORAX與強(qiáng)化學(xué)習(xí)或AlphaEvolve等優(yōu)化方法結(jié)合，AI Agent可以在模擬環(huán)境中探索海量潛在的運(yùn)行場(chǎng)景，快速識(shí)別出最高效、最穩(wěn)健的能量生成方案。

由此，CFS團(tuán)隊(duì)得以聚焦于最具潛力的策略，從項(xiàng)目初期就提高成功率，即使在SPARC尚未全面運(yùn)行前也可以做到這一點(diǎn)。

目前，Google DeepMind已經(jīng)搭建起用于研究不同SPARC場(chǎng)景的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在不同約束條件下最大化聚變功率，或在了解裝置特性后進(jìn)一步優(yōu)化穩(wěn)健性。

左圖為SPARC的橫截面，顯示洋紅色等離子體；中圖為T(mén)ORAX模擬的等離子體壓力變化；右圖展示了不同控制參數(shù)對(duì)等離子體性能的影響，產(chǎn)生不同的脈沖形態(tài)。

上圖展示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SPARC等離子體脈沖在TORAX中的模擬，該系統(tǒng)可以評(píng)估大量不同的脈沖實(shí)驗(yàn)，找到預(yù)期性能最優(yōu)的設(shè)置。

Google DeepMind通過(guò)不斷擴(kuò)展的聚變科研合作網(wǎng)絡(luò)，能夠基于歷史托卡馬克數(shù)據(jù)和高保真模擬驗(yàn)證與校準(zhǔn)TORAX，從而增強(qiáng)模擬的可信度，并在SPARC啟動(dòng)后快速調(diào)整控制策略。

在早期研究中，Google DeepMind已經(jīng)證明強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以控制托卡馬克的磁場(chǎng)配置。

現(xiàn)在他們正在研究如何進(jìn)一步提升復(fù)雜性，增加多目標(biāo)優(yōu)化——例如在最大化聚變功率的同時(shí)，管理SPARC的熱負(fù)載，使其在更高性能下安全運(yùn)行。

當(dāng)SPARC以滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)，巨大的熱量會(huì)集中在很小的區(qū)域，必須精確管理以保護(hù)靠近等離子體的固體材料。

一種可行策略是通過(guò)磁場(chǎng)將廢熱沿壁面周期性「掃動(dòng)」，如下所示。

左圖：SPARC內(nèi)部的等離子體接觸材料位置；右圖：三維動(dòng)畫(huà)展示能量沉積率隨等離子體配置變化而改變的過(guò)程，非真實(shí)脈沖數(shù)據(jù)。

Google DeepMind表示，在合作的初始階段，雙方正在探索強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體如何學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)調(diào)控等離子體，以高效分配熱負(fù)載。

未來(lái)，AI有望學(xué)會(huì)比工程師手動(dòng)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的自適應(yīng)控制策略，特別是在需要平衡多重約束與目標(biāo)的情況下。

此外，還可以利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)為特定脈沖快速調(diào)優(yōu)傳統(tǒng)控制算法。通過(guò)將脈沖優(yōu)化與最優(yōu)控制相結(jié)合，SPARC有望更快實(shí)現(xiàn)其歷史性目標(biāo)。

除了科研上合作之外，Google還投資了CFS，以支持CFS在科學(xué)研究與工程應(yīng)用上的突破，并推動(dòng)聚變能源技術(shù)的商業(yè)化落地。

這場(chǎng)由Google DeepMind與CFS攜手展開(kāi)的合作，不僅象征著人工智能首次深度介入人類(lèi)最復(fù)雜的能源工程之一，也預(yù)示著科研范式的根本轉(zhuǎn)變。

當(dāng)深度學(xué)習(xí)的計(jì)算能力與聚變科學(xué)相遇，科研與創(chuàng)新的速度將再次被重新定義。

參考資料：

https://deepmind.google/discover/blog/bringing-ai-to-the-next-generation-of-fusion-energy/

https://x.com/GoogleDeepMind/status/1978808994811588666