《核聚变领域掀起人工智能应用热潮》

  • 来源专题:能源情报网监测服务平台
  • 编译者: 郭楷模
  • 发布时间:2025-05-06
  • 随着人工智能(AI)加速向各行各业渗透,其在核聚变领域也掀起新一波科研与应用的探索热潮。

    4月21日,一场“受控核聚变与人工智能技术”为主题的学术会议在河北廊坊举行。会议由中国核学会核聚变与等离子体物理分会主办,吸引学界和业界近200位头部尖端人才参加。

    在三天时间里,上百位专家以主旨报告、墙报张贴的方式分享各分支板块对聚变领域人工智能研究的最新成果与经验,涉及AI在核聚变装置运行控制中的应用、受控核聚变的智能模拟、聚变装置数字化与智能化平台等多个前沿课题。

    有专家在现场接受媒体采访时直言,在高温超导技术与人工智能的加持下,聚变研发正从“永远50年”进入“10—20年”窗口期,商业公司的高效运作可能进一步缩短时间。目前,业内开始倾向于形成一个新共识——最快在2035年,就有望看到聚变商业应用的曙光。

    AI赋能作用开始显现

    “近年来,AI在等离子体物理与可控核聚变研究领域展现出强大的赋能作用。深度学习、强化学习等前沿算法技术被引入,应用于等离体模型程序的加速计算、复杂物理现象的实时识别与预测,以及聚变装置智能化运行控制等场景,带来一系列令人鼓舞的技术突破。”核工业西南物理研究院(以下简称“西物院”)聚变科学所党委书记李永革在会上指出。

    那么,AI究竟能为可控聚变带来哪些助力?

    “等离子体的约束与控制是聚变的关键难题之一。”北京大学应用物理与技术研究中心特聘研究员康炜解释,在聚变研究中,等离子体需要控制的参数高达上百个,以前只能凭经验估计形成方案,难以支撑实时应用,但在引入AI后就能同时实现多参数的协调控制,并快速迭代优化设计,从而大大加速稳态控制实现的可能性。

    2022年12月,美国国家点火装置NIF在AI助力下成功实现能量输出大于激光能量输入(能量增益Q>1)的可控核聚变反应突破,在理论上验证了核聚变商业化的可能性。2023年,普林斯顿大学研究人员利用美国DIII-D国家核聚变设施的实验数据,训练出一种人工智能模型,能够提前300毫秒预测被称为“撕裂模不稳定性”的聚变堆等离子体不稳定性,有效避免了因等离子体不稳定导致的核聚变反应中断。

    在中国,研究人员发现,通过部署应用数据模拟器,可将聚变实验装置中生成一炮(核聚变实验的一次等离子体放电过程称为一炮——编者注)控制策略的耗时从数天压缩至0.5小时,这在中国环流三号上已得到验证。

    《中国能源报》记者从会上获悉,中国环流三号先后与之江实验室、浙江大学、南开大学、北京大学开展人工智能相关的联合实验提案,以破裂预测、EFIT-NN为代表的人工智能模块已实现实验常态化运行。此外,新奥集团(以下简称“新奥”)则以数智球形环装置为载体,着眼于聚变反应堆从设计、建造到运行全生命周期的安全管理需求加速聚变研发,目前在聚变数据平台、数字孪生系统、智能控制方面取得一系列进展。

    另外,AI还可以在聚变相关知识整理和积累方面发挥重要作用,让不同背景的人才能快速进入聚变领域。

    “人工智能将引发聚变的研发范式产生巨变,从而加速聚变研发进程。”新奥能源研究院院长刘敏胜接受《中国能源报》记者采访时表示,目前新奥已开发聚变领域的大模型数据库,结合大模型技术进行应用,显著提高科研人员的学习效率;2024年,新奥在“玄龙-50U”装置上实现利用人工智能技术对等离子位形的控制,并基于神经算子方法,开发装置的数字孪生系统,多物理场耦合仿真的速度相较传统商业软件提高了4个量级。

    可控核聚变按下加速键

    从2022年NIF实现净能量增益,到今年1月托卡马克装置(如EAST)实现千秒级高约束模运行,再至今年3月中国环流三号首次突破电子、离子温度“双亿”摄氏度,以及近日“玄龙-50U”氢硼等离子体实现百万安培电流,一系列阶段性突破均表明,聚变的科学可行性将得到全面验证。

    “NIF目前已实现约5倍的能量输出与激光能量输入比(Q=5)。”康炜表示,从这一点上看,可控核聚变已实现,下一步业界非常看好其商业化。

    值得注意的是,近年来,全球范围内“国家队”之外的私人资本在聚变领域日渐活跃。有数据显示,近五年,全球私人资本在聚变领域的投入已超50亿美元,远超政府项目。截至2024年底,全球核聚变行业已集聚45家民营公司,2024年投入私营聚变公司的公共资金增长了50%以上。

    多位专家一致认为,随着相关技术突破及资本涌入,可控核聚变商业化已按下加速键。

    比如,新奥计划在2035年建成商业示范堆,而美国Helion、中国星环聚能则计划在更早的2030年前实现这一目标,远早于此前业内普遍期待的“2050年之后”。

    在康炜看来,当下行业信心大增的原因有两个:一是在磁约束领域,近年来高温超导技术已开始逐渐大规模转向工业应用,极大降低磁体相关的设备制造成本,丰富了应用经验;二是人工智能的突然爆发,对聚变界形成极大推动。

    从当前行业发展态势看,中国聚变界对于人工智能的关注度丝毫不亚于国际,近两年与之相关的项目正呈现多点开花、全面爆发之势。

    “西物院在受控核聚变与人工智能的交叉领域已有15余项相关领域科研课题,在实验数据智能分析与预测,数据驱动的仿真建模,聚变装置智能化运行等方面形成了典型应用能力。”李永革说,“我们切实感受到人工智能技术为聚变领域注入的新活力。”

    “这两年,我们团队的科研项目经费每年都翻倍增长。”康炜亦坦言,“今后5—10年,聚变都将是一个非常火热的行业。在国际上没有技术代差的情况下,基于国内强大的产业链综合制造优势,相信最快实现聚变发电的装置一定在中国。”

    生态融合有待加码

    在聚变研究中,因为实验环境复杂,获取高质量、完整的数据面临诸多困难,这将对AI模型的训练效果和预测准确性产生极大影响。

    “虽然目前人工智能在聚变实验数据的处理、控制、破裂预测等各分支领域都有广泛应用,但应用深度只处于起步阶段。”哈尔滨工业大学教授王晓钢指出,通过60多年的探索,我国在聚变领域已积累大量数据,为下一步人工智能的深度探索奠定了良好基础。“但在各单位都有数据保密要求的情况下,现在面临的最大挑战是数据共享。”

    另一方面,AI和聚变都有各自的语言范式,若将AI应用于聚变研究,需要既懂AI又懂聚变的复合型人才,但目前这类人才全面缺乏,而且跨学科合作也面临诸多障碍。“在这种情况下,AI和聚变两方都必须以开放的心态去聆听、理解对方的语言,以此形成真正的交互。”新奥能源研究院聚变人工智能科学家赵寒月说。

    “实际上,目前聚变仍处于以深度学习、强化学习为主的‘小模型’时代。”赵寒月指出,外部大模型技术的飞速发展,给聚变行业带来新机遇。“大模型可以通过建立行业的知识平台,达到know—what的程度,但在聚变研究中更需要的是解决实际问题,这就需要至少到know—how的程度。聚变大模型目前朝着这个方向探索,未来有望对加速聚变研发发挥出关键作用。”

    赵寒月认为,聚变与人工智能两个尖端领域的交叉需要全行业共同参与。“在大模型领域,DeepSeek以开源方式战胜了闭源,获得爆发式增长。和大模型类似,聚变未来也应该是开放的,要把各种可能的能力、资源都融进来,以生态融合推动快速发展。聚变人工智能领域更应该这样,因为技术爆发太快,闭源就是固步自封。”

    据了解,新奥目前与北京大学、南开大学等多家高校开展战略合作,成立了聚变智能联合实验室,致力于开展聚变物理与人工智能学科交叉研究,为行业培养高端后备人才,加速聚变技术突破。

  • 原文来源:https://www.cnenergynews.cn/focus/2025/05/06/detail_20250506211665.html
相关报告
  • 《人工智能增强对聚变设备破坏的预测》

    • 来源专题:重大科技基础设施领域知识集成服务平台
    • 编译者:魏韧
    • 发布时间:2020-09-14
    • 美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员使用人工智能改善对聚变能装置破坏威胁的预测。普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家Michael Churchill将商业智能音箱和家庭助手的相关技术应用在研究中,使用直接从聚变实验获得的原始、高分辨率数据,利用深度学习技术对中断进行预测。主要优势在于这种技术不仅了利用未经修改的原始数据,而且还可以识别和存储长序列中的早期发展变化,这是当前技术难以做到的。 世界各地的科学家试图在地球上复制聚变,以提供安全、清洁和几乎取之不尽的电力。中断指等离子体突然丧失控制,导致聚变反应停止,并可能严重损坏容纳聚变反应的托卡马克或聚变装置内壁。因此,准确预测并避免中断对设备的影响至关重要。测试结果表明,该技术能够准确地在早期预测是否即将发生中断,可用于触发安全系统,并停止发电。 深度学习采用了神经网络算法,以过滤器相互连接的节点层形成预测的结果。当预测出错时,机器学习会通过“反向传播”调整。误差可以通过各层反馈,调整滤波器的权重,以实现更好的预测。该深度学习方法创新使用了“扩展卷积”,扩展了神经网络过滤器操作的数据输入,允许追踪远程、多尺度特性。 这些发现具有广泛的意义。例如可以用来预测其他学科收集的长期、多尺度的时间序列数据结果。了解将预测从一个托卡马克迁移到另一个托卡马克的方法,对于预测和避免国际热核聚变实验堆的中断至关重要。
  • 《美英两国签署《科技繁荣协议》,重点聚焦人工智能、量子等技术领域的合作》

    • 来源专题:计量基标准与精密测量
    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2025-09-19
    • 近日,英国和美国政府宣布了一项全面的技术合作伙伴关系,将在人工智能、量子计算和核能领域深化合作。根据英国政府发布的声明,该伙伴关系由数百亿英镑的私人投资和新的公共研究计划支持。 这项名为《科技繁荣协议》的合作是在美国总统对英国进行国事访问期间宣布的,旨在推动两国在快速发展的技术领域协调资源。英国政府表示,协议包括共同推进人工智能基础设施、下一代量子计算机等。官员们将此次合作定位为保障就业、加强安全并将两国置于新兴产业前沿的重要举措。 与此同时,美国科技公司承诺投资约310亿英镑。微软、谷歌、英伟达、OpenAI、CoreWeave等企业承诺为英国的数据中心、人工智能芯片和研究项目提供新资金。这些投资建立在英国政府所称近年来已投入440亿英镑发展人工智能和科技行业的基础上。 英国首相Keir Starmer表示:"这项《科技繁荣协议》标志着我们与美国关系的代际变革,它将塑造大西洋两岸数百万人的未来,为英国各地带来增长、安全和机遇。通过汇聚英美两国世界级企业的力量,我们正为共同成为未来科技领域全球领导者奠定基础,这将创造大量高技能工作岗位,增加民众收入,并确保合作伙伴关系惠及英国的每一个角落。" 科技大臣Liz Kendall指出:"这一合作伙伴关系将为英国人民带来优质就业岗位、拯救生命的治疗方案和更快速的医疗突破。我们世界领先的科技企业和科学家将携手改变英国人民的生活。这是对英国蓬勃发展中的人工智能产业投下的信任票——基于安谋(Arm)、Wayve和谷歌深度思维(Google Deepmind)等英国成功案例——它将推动经济增长并创造数万个技能型工作岗位。" 人工智能基础设施扩建计划 根据英国政府声明,微软将投资220亿英镑用于云计算和人工智能基础设施建设,其中包括建造英国最大的人工智能超级计算机。该系统将搭载超过2.3万个先进图形处理器,用于训练和运行人工智能模型。谷歌计划投资50亿英镑,包括在赫特福德郡新建数据中心并持续支持DeepMind的研究工作。CoreWeave公司将投入15亿英镑用于英国业务运营,与苏格兰企业DataVita合作建设由可再生能源驱动的大型人工智能数据中心。 英伟达的贡献尤为突出:该公司将在英国全境部署12万个先进GPU,这是其在欧洲最大规模的推广计划。这些基础设施将主要支持与OpenAI和微软联合开发的"英国星际之门"项目,该项目部分基地将设在东北部新成立的"人工智能增长区"。英国芯片设计公司安谋的半导体设计方案将为英伟达最新处理器提供技术支持,彰显了跨大西洋产业链的深度融合。 英国政府表示,这些基础设施投资预计将创造数千个就业岗位,同时确保英国企业获得在人工智能领域竞争所需的算力支持。 英伟达创始人兼首席执行官黄仁勋表示:"今天标志着美英技术合作的历史性篇章。我们正处于人工智能时代的'大爆炸'时刻——英国恰处于黄金交汇点,这里汇聚了世界级人才、科研力量与产业资源。通过建设尖端人工智能基础设施并投资英国初创企业,我们正为英国释放人工智能的潜力——推动突破性进展、创造就业机会并点燃下一次工业革命。" OpenAI首席执行官Sam Altman表示:"英国一直是人工智能领域的长期先驱,如今不仅是世界级研究人员的聚集地、拥有数百万ChatGPT用户,更拥有迅速认识到这项技术潜力的政府。'英国星际之门'项目将以此为基础,助力加速科学突破、提升生产力并推动经济增长。此次合作反映了我们共同的愿景:在适当的基础设施支持下,人工智能能够为英国各地的人们和企业拓展发展机遇。" 量子计算优先战略 虽然人工智能投资在金额上占据主导,但量子计算已被确立为并行发展的支柱领域。英国政府表示,此次合作将组建由两国顶尖研究人员组成的联合工作组,并依托行业交流加速量子技术在医疗保健、国防、金融和能源领域的应用。 官员们特别强调医疗保健是近期重点突破领域。传统药物发现依赖分子相互作用的近似模拟,这一过程耗时数年且成本高达数十亿。而能够直接模拟分子的量子计算机可显著加速该进程。根据政府声明,若量子药物发现方法实现规模化应用,数百万患者将能更快获得拯救生命的治疗方案。 英国重点介绍了现有合作成果:牛津量子电路公司与英伟达和Digital Realty合作,在纽约市部署了该市首台量子计算机;美国量子公司IonQ在与英国初创企业牛津离子技术公司合并后,已在牛津设立研发中心。英国政府将这些举措称为跨大西洋下一代技术合作的标杆范例。 此项协议不仅涵盖人工智能与量子计算的独立发展路径,更通过联合项目将两者深度融合。两国政府计划共同开发用于医学研究和聚变能源领域的人工智能模型。英国政府表示,通过结合人工智能的预测能力与量子计算机的模拟功能,研究人员可大幅缩短新疗法和新技术研发时间并降低成本。 美国国家航空航天局(NASA)与英国航天局也将利用该合作伙伴关系下开发的人工智能模型开展探索任务,包括未来月球和火星相关研究。谷歌深度思维公司预计将为两国政府提供科学家如何利用人工智能工具进行科学发现的建议,同时继续与英国原子能管理局就聚变研究展开合作。 除科技巨头外,多家企业也作出投资承诺。赛富时公司承诺到2030年前投入14亿英镑扩大英国研发规模,将其定位为欧洲人工智能枢纽。本土初创企业AI Pathfinder将投资10亿英镑提升算力容量,首批项目将在北安普敦郡启动。贝莱德集团宣布投入5亿英镑建设企业数据中心,甲骨文和亚马逊云科技则重申了各自数十亿英镑的投资计划。 英国政府特别指出,英伟达还将直接投资英国人工智能初创企业,为中小企业提供资本和基础设施支持。行业组织techUK将与英伟达、机器人公司Quanser以及培训供应商QA合作,共同资助培训项目并支持人工智能技术商业化初创企业。 微软董事长兼首席执行官Satya Nadella表示:"我们致力于为大西洋两岸的人民和企业创造新机遇,并确保美国始终是英国值得信赖的可靠技术合作伙伴。这正是我们加倍投资英国的原因——将在四年内投入超过300亿美元,包括建造英国最大的超级计算机。" 虽然人工智能和量子计算在协议中占据主导地位,核能同样具有显著地位。英国政府表示,该合作伙伴关系将缩短新反应堆的审批时间,使英国消费者更能免受化石燃料价格波动的影响。合作还延伸至聚变能源领域,英美两国的共同专业知识可加速其商业化进程。官员们将其视为确保清洁能源供应和减少进口依赖的更广泛使命的一部分。 英国政府强调,该合作伙伴关系已产生可见成果——从数十亿新投资到GPU和数据中心的部署。这些举措能否成功建立两国在人工智能和量子计算领域的可持续领导地位仍是未知数,但承诺的规模表明英美两国正着力引领发展步伐。 相关背景 人工智能领域 英美两国政府将建立历史性的研究合作机制,共同推进人工智能在药物发现及聚变能源等共同优先领域的应用。 两国将携手推动人工智能在精准医疗和慢性病等领域的医疗解决方案——通过运用尖端技术及现有安全可信的数据集(如英国生物银行)。双方还将合作共同设定突破性研究课题,有望催化重新定义医学与患者护理可能性的投资。 NASA与英国航天局将联合开发人工智能模型,为月球和火星等科学探索任务提供支持。 随着两国寻求扩大人工智能基础设施规模,此项协议还将为商业和投资创造新机遇。这将为英国基础设施相关企业注入动力——从开发驱动人工智能的下一代半导体芯片企业,到运营数据中心及其他计算资源的企业都将受益。 通过交流世界顶尖人才与专业知识,合作伙伴关系将深化两国政府在推进人工智能安全科学和促进安全创新方面的协作。通过与企业共同制定标准,我们能够促进消费者繁荣与公民安全,确保英美在理解和驾驭先进人工智能领域引领世界。 为支持美英科技合作伙伴关系,谷歌深度思维公司将与两国政府合作,就科学家如何利用最新人工智能工具提供建议,并继续与英国原子能管理局合作推进美英聚变能源研究。 量子技术领域 英美将合作开发革命性量子计算机,加速该技术在医疗保健、国防和金融等领域的部署。这将提升医疗水平、保护公民安全并创造高技能就业机会。 例如,得益于这项突破性协议,数百万患者能更快获得拯救生命的治疗方案。传统药物发现因需模拟无数分子相互作用而耗时数年、耗资数百万英镑。量子计算机能更精确快速地模拟分子,极大加速这一进程。 量子技术已在拯救生命——包括帮助研究和治疗癫痫症、痴呆症,或为脑部扫描提供更清晰的大脑洞察。此次英美合作有望实现更快速的突破,早日为患者带来改变生命的治疗方案,重塑医疗保健的未来。 根据协议,两国将组建由顶级研究人员组成的工作组,探索并加速量子技术突破。还将建立跨行业交流计划,促进量子技术在国防、健康、金融和能源领域的应用。 通过国家实验室的联合力量、英美科学家的智慧以及领先企业的敏捷性,我们将实现无与伦比的创新,确保两国安全、繁荣并保持领先地位。