（來源：MIT News）
要掌控核聚變能，必須揭開等離子體的執行奧秘。在探索清潔能源的道路上，計算機模擬技術正在成為關鍵突破口，不僅能保持研究方向的正確性，更能發現更高效的聚變能量獲取方式。
畢竟，在地球上重現類似恆星的核聚變反應環境堪稱是科學界的終極挑戰之一。在麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（PSFC）的首席研究科學家 Nathan Howard 看來，這是當代最具魅力的科學命題。
“核聚變不僅蘊含著基礎科學的深邃奧秘，更承載著清潔能源的無限可能。正是這種雙重魅力驅使我來到麻省理工學院攻讀研究生，並加入等離子體科學與聚變中心團隊。”他說道。
作為 PSFC 磁約束聚變實驗整合建模團隊的核心成員之一，Nathan Howard 與該團隊負責人 Pablo Rodriguez-Fernandez 共同構建了一套新的研究體系，運用超級計算機模擬與機器學習演算法，精準預測聚變裝置中等離子體的動態行為。
這種“數字替身”技術能在實際建造前評估不同技術方案的表現，為裝置設計提供科學決策依據。為確保模型可靠性，Nathan Howard 和團隊通過歷史實驗資料進行持續驗證，使虛擬模擬始終與現實世界保持同步。
目前，這項研究論文已經以“Prediction of Performance and Turbulence in ITER Burning Plasmas via Nonlinear Gyrokinetic Profile Prediction”（透過非線性陀螺動力學剖面預測 ITER 燃燒等離子體效能與湍流分析）為題發表在 Nuclear Fusion 上。
在新研究中，Nathan Howard 團隊透過構建等離子體中旋渦狀湍流結構的高精度模型，驗證了正在法國南部建造的全球最大的實驗性聚變裝置 —— 國際熱核聚變實驗堆（ITER）的預期效能，分析在投入使用時能否達到預期效果。
除此之外，研究團隊發現採用特定執行模式時，僅需較低能量輸入即可獲得相近的能量輸出。這項發現或將改寫未來聚變裝置的設計規範，為提升整體能效開闢新路徑。
規模最大的國際科研合作專案之一
早在 40 年前，美國與其他六個成員國共同參與建造國際熱核聚變實驗堆（ITER，拉丁語意為 “道路”）。
這個即將在法國南部落成的聚變裝置一旦投入執行，將產生 500 兆瓦的聚變能，而支撐這一宏偉藍圖的“ITER 基準執行方案”，堪稱人類能源史上最大膽的工程構想。
隨著聚變科學與等離子物理的跨越式發展，藉助越來越強大的模擬技術（比如 Nathan Howard 團隊構建的超級模擬體系），這一方案正在經歷持續最佳化與迭代驗證。
在驗證基準方案的過程中，Nathan Howard 使用了由美國通用原子能公司研發的 CGYRO 模擬系統。
這套尖端程式能將複雜的等離子物理模型注入預設的聚變執行引數，儘管該過程耗時較長也需要耗費大量算力，但 CGYRO 卻能精準呈現等離子體在裝置內部不同區域的動態全息圖景，詳細的模擬結果有助於研究人員瞭解等離子體在聚變裝置內不同位置的行為表現。
而真正的技術突破來自麻省理工學院自主研發的 PORTALS 智慧框架。該框架由 Pablo Rodriguez-Fernandez 領銜打造，開創性地將機器學習引入聚變研究。
“PORTALS 就如同一位數字鍊金術士。”他解釋道，“它能將 CGYRO 生成的高精度模型提煉成輕量化的‘數字替身’。這種替身模型不僅運算效率提升百倍，還能在等離子體尚未成形時就讓我們透視其核心奧秘。這種預測優先的方法是設計高效聚變裝置的重要突破，使我們能夠在像 ITER 這樣的裝置中創造出更高效的等離子體。”
首輪運算生成基礎模型後，團隊嚴格比對替身模型與原始 CGYRO 資料的契合度。若出現偏差，PORTALS 框架就會啟動自我進化程式，透過反覆迭代訓練使替身模型無限逼近真實。
隨著“數字進化”的完成，研究人員就能在虛擬世界中自由探索萬千種引數組合對 ITER 效能的影響，用它預測不同條件下的結果，從而大幅減少對完整複雜執行的需求。
值得一提的是，當替身模型與 CGYRO 聯合會迸發“1+1>2”的協同效應，前者快速確定最佳化方向，後者深入驗證關鍵細節。這種虛實結合的創新研究正規化，正在重新定義聚變工程的研發路徑。
用演算法揭示新機制
Nathan Howard 藉助 CGYRO、PORTALS 和替身模型，對 ITER 基準方案的特定執行條件組合進行了研究。
這些條件涵蓋所使用的磁場、控制等離子體形狀的方法、施加的外部加熱以及其他諸多變數。透過 CGYRO 的 14 次迭代運算，他證實了當前的基準方案配置能夠實現比輸入等離子體多 10 倍的功率輸出。
談及這一結果時 Nathan Howard 表示：“這可能是當前科學界最精確的聚變模擬成果，至少在已公開的研究中難覓敵手。”
用於確認等離子體效能的 CGYRO 的 14 次迭代過程，包括執行 PORTALS 構建輸入引數的替身模型，然後將代理項與 CGYRO 關聯，以提高運算效率。CGYRO 僅透過三次額外迭代就發現了顛覆性規律：將輸入能量減半，ITER 仍能保持幾乎相同的輸出功率。
這似乎揭示了一個反直覺的物理現象，等離子體核心的溫度以及聚變反應並未因較少的功率輸入而受到過大影響，更少的功率輸入意味著更高的執行效率。可見等離子體核心溫度對能量輸入的敏感度遠低於預期，這也意味著存在未被開發的能效提升空間。
“就像發現新大陸的航海家，我們現在知道地圖之外還有未知的寶藏。”Nathan Howard 如此評價這項突破。這個發現不僅為 ITER 執行開闢了新思路，更暗示著聚變裝置最佳化存在多重可能路徑，只是人類尚未完全解鎖。
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/unlocking-secrets-fusions-core-ai-enhanced-simulations-0218
