可控核聚變研發(fā)將因人工智能而提速

安雨康?凌宵鵬

核聚變是將兩種氫同位素——通常是氘（音“刀”）和氚（音“川”）——加熱到極高溫度，使原子核熔合，釋放出氦和以中子形式存在的大量能量的過程。理論上，幾克反應(yīng)物就可產(chǎn)生一太（即一萬億）焦耳的能量，這相當(dāng)于發(fā)達國家一個人在60年內(nèi)所需的能量總和。氘氚聚變不同于鈾钚裂變，主要產(chǎn)物為惰性氣體氦，不產(chǎn)生溫室氣體以及其他污染物質(zhì)，完全不生成放射性產(chǎn)物，不會對大氣和環(huán)境造成污染，因此可控核聚變被公認是解決能源及環(huán)境問題的終極路徑之一。

何為可控核聚變

聚變反應(yīng)發(fā)生在等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中，等離子體是由正離子和自由移動的電子組成的熱帶電氣體，其性質(zhì)極其不穩(wěn)定。為在高溫、高壓下實現(xiàn)對等離子體的“可控約束”，核聚變發(fā)展出了磁約束和慣性約束兩種主要路徑：前者主要依靠環(huán)形磁場維持等離子體的穩(wěn)定，如托卡馬克（EAST）、仿星器等構(gòu)型，被公認為是最接近實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的技術(shù)路線；后者依靠激光等高能射線，對聚變靶丸進行燒蝕，通過高溫、高壓壓縮引發(fā)聚變反應(yīng)。理想情況下，聚變過程放出的能量能使剩余燃料發(fā)生燃燒，即實現(xiàn)“點火”。2022年12月以來，美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室的國家點火裝置（NIF）在慣性約束聚變實驗中先后四次實現(xiàn)輸出能量大于輸入能量的凈能量增益（聚變增益系數(shù)Q值大于1），取得歷史性突破。

實現(xiàn)聚變反應(yīng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，對磁約束聚變而言是加熱、約束（實現(xiàn)聚變）和維持（長時間或平均長時間的聚變反應(yīng)），對慣性約束聚變而言是壓縮、點火和高重復(fù)頻率點火（激光器、黑腔等裝置難以承受長時間高溫高壓）。雖然美國國家點火裝置在壓縮、點火、凈能力增益等領(lǐng)域取得歷史性突破，但“激光聚變”本身并不是合適的商業(yè)化路徑。因為，慣性約束聚變需要激光具有極高的能量，但激光系統(tǒng)本身的能量效率極低，99%以上的能量在到達聚變靶丸之前就損失殆盡，這使聚變反應(yīng)的“能量產(chǎn)出”遠遠無法彌補“能量投入”。以美國國家點火裝置為例，有報道稱其激光器的能量轉(zhuǎn)換效率為0.5%，這意味著在2022年12月的實驗中，可能使用了400兆焦的電能產(chǎn)生2.05兆焦的激光，再產(chǎn)生3.15兆焦的聚變能量。除了激光器本身的能量轉(zhuǎn)換效率有限外，最麻煩的是，激光器與聚變靶丸（在一個黑腔結(jié)構(gòu)內(nèi)）相距不遠，聚變能量輸出過大會損害激光系統(tǒng)，激光器的成本可能是聚變所產(chǎn)生電力價值的幾億倍。為此，國家點火裝置為聚變能量輸出設(shè)定了上限。勞倫斯·利弗莫爾實驗室已明確表示不考慮核聚變的商業(yè)化轉(zhuǎn)型，將繼續(xù)專注于原理研究。

插上人工智能的翅膀

長期以來，磁約束核聚變的發(fā)展，受制于高功率等離子體難以控制、高溫超導(dǎo)材料等工程和技術(shù)難題。近年來，在機器學(xué)習(xí)和人工智能助力下，磁約束核聚變技術(shù)不斷取得新進展。在機器學(xué)習(xí)的幫助下，研究人員在高維數(shù)據(jù)中尋求最優(yōu)解的能力不斷提升，甚至借助人工智能提前干預(yù)極端復(fù)雜的等離子體運行。2022年以來，谷歌公司旗下的DeepMind與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等離子體中心聯(lián)合，開發(fā)了一個人工智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在瑞士的托克馬克裝置上多次試驗，成功控制磁線圈兩秒鐘，這是反應(yīng)堆過熱前的最長運行時間。2024年2月，普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布其使用美國聚變設(shè)施的實驗數(shù)據(jù)，訓(xùn)練了一個可以預(yù)測等離子體不穩(wěn)定性的人工智能模型，實現(xiàn)了對等離子體的超前干預(yù)。隨著人工智能在等離子體穩(wěn)定運行、高溫超導(dǎo)技術(shù)、精密設(shè)計和加工制造等領(lǐng)域的應(yīng)用，在更小裝置中穩(wěn)定約束等離子體成為可能，從而降低了核聚變裝置的成本、時間和組織復(fù)雜性，帶動更多高校、研究機構(gòu)和私人資本入局。例如，人工智能可以對新型高溫超導(dǎo)材料（如REBCO磁體）進行重新設(shè)計，縮短工程研發(fā)和設(shè)計周期，也在激光系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、光束控制以及特性表征等方面都取得良好效果。

人工智能的長期發(fā)展與可控核聚變等能源突破密切相關(guān)。人工智能是高耗能產(chǎn)業(yè)，高端芯片制造（如光刻機）、大模型訓(xùn)練等都需要消耗大量電力并產(chǎn)生大量碳排放，數(shù)據(jù)中心、超級算力中心更是堪稱“吞電怪獸”。據(jù)測算，培養(yǎng)一個像ChatGPT這樣的大模型需要至少300噸二氧化碳。由人工智能驅(qū)動的搜索所消耗的能源是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搜索的四到五倍。美國《大眾科學(xué)》認為，訓(xùn)練人工智能模型所需的大量數(shù)據(jù)會將大幅增加全球數(shù)據(jù)服務(wù)器碳排放，目前該行業(yè)已占全球溫室氣體排放量的2%～3%?！伴_放人工智能”（OpenAI）首席執(zhí)行官薩姆·奧爾特曼表示，人工智能行業(yè)終將面對“能源危機”。為此，推動更有利于氣候變化的能源，尤其是核聚變或更便宜的太陽能、儲能，是人工智能優(yōu)先發(fā)展方向。

由中國自主設(shè)計研制的可控核聚變大科學(xué)裝置“中國環(huán)流三號”，也被稱為“新一代人造太陽”，2023年8月25日首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。

可控核聚變實驗裝置示意圖。

在美國硅谷精英的推動下，“人工智能+可控核聚變”正出現(xiàn)協(xié)同發(fā)展效應(yīng)。OpenAI的重要投資者比爾·蓋茨就是可控核聚變的堅定擁護者，其參投的聯(lián)邦聚變公司（CFS）正建造全球最強大的高溫超導(dǎo)體線圈，希望在2025年完成裝置建設(shè)并實現(xiàn)正向增益。奧爾特曼在出任OpenAI首席執(zhí)行官前，曾擔(dān)任著名投資孵化器“創(chuàng)造函數(shù)”（YC）總裁，而核聚變領(lǐng)域的初創(chuàng)公司“太陽神能源”（Helion）是奧爾特曼關(guān)注并投資的首批硬科技公司之一。奧爾特曼曾在2015年向“太陽神能源”投資950萬美元，2021年又以個人名義提供3.75億美元，從而成為該公司最大投資人和董事會主席?！疤柹衲茉础闭诮ㄔO(shè)名為“北極星”的原型反應(yīng)堆，宣稱將在2024年年內(nèi)展示通過核聚變發(fā)電的能力。2023年5月，微軟與“太陽神能源”簽署購電協(xié)議，計劃在2028年及之后從其購買50兆瓦電力，這是核聚變領(lǐng)域首次簽署售電協(xié)議。此外，各國科技巨頭，如谷歌、亞馬遜、騰訊等都在核聚變領(lǐng)域有所投資布局。2023年，全球有30多個核聚變項目獲得風(fēng)險投資。截至2023年末，全球核聚變市場規(guī)模超過3000億美元，預(yù)計在2030年有望達到5000億美元。

近年來，美國兩黨圍繞能源政策相互攻訐、極化嚴(yán)重，但在核能領(lǐng)域基本能達成一致意見。特朗普政府以來，兩黨相繼通過了《核能創(chuàng)新能力法案》《核能領(lǐng)導(dǎo)法案》等，消除核能的一些財務(wù)和技術(shù)障礙，將能源部的工作重點轉(zhuǎn)移到示范先進反應(yīng)堆上。拜登上臺后，《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》為美國民用核項目提供60億美元信貸資金；《通脹削減法案》對在運和新建核電站實行稅收抵免；向能源部提供2500億美元貸款和擔(dān)保，用于鼓勵升級和重啟包括核電站在內(nèi)的清潔能源設(shè)施；提供7億美元幫助完善其高豐度低濃鈾的國內(nèi)供應(yīng)鏈；由能源部核能辦公室撥款1.5億美元用于加強國家實驗室的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2023年3月，美國能源部發(fā)布《先進核能商業(yè)化路徑》報告，提出美國到2050年可能需要建成2億千瓦核電裝機容量，并在2030年啟動先進核能的商業(yè)化部署。在政府指引和資助支持下，美國核工業(yè)在“停滯”多年后，實現(xiàn)了一系列發(fā)展。2022年7月，美國核能管理委員會通過了第一個小型模塊化核反應(yīng)爐設(shè)計認證申請。2022年10月，沃格特勒3號AP1000機組完成首次裝料，這是近30年來美國首個正式啟動建設(shè)的核電項目。美國期待在人工智能助力下，盡早占據(jù)可控核聚變的戰(zhàn)略制高點，形成“人工智能+可控核聚變”的復(fù)合創(chuàng)新模式，推廣模塊化小型推等應(yīng)用場景，最終產(chǎn)生顛覆性的戰(zhàn)略影響。

美國要與中國競爭

2023年12月，美國能源部的核聚變能源辦公室（FES）發(fā)布《構(gòu)建橋梁：核聚變辦公室愿景報告》，報告指出，全球核聚變能源賽道的競爭日趨激烈，中國在核聚變專利數(shù)量和專利競爭力領(lǐng)域超過了美國。根據(jù)核聚變科學(xué)與技術(shù)路線圖，在2025年前，美國將通過支持政企合作、種子基金、分散投資、里程碑計劃、國際合作等方式，實現(xiàn)核聚變科技創(chuàng)新。同期，在第28屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP28）期間，美國發(fā)布了以推動核聚變發(fā)電商業(yè)化的首份國際合作計劃。美國氣候變化特使克里表示，美國將與其他國家深化政企合作，加快核聚變的商業(yè)化進程。

我國將核聚變視為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，在核聚變科研領(lǐng)域已經(jīng)處于全球領(lǐng)先地位。中國超導(dǎo)托卡馬克在2021年創(chuàng)造了等離子體運行101秒的記錄后，2023年實現(xiàn)等離子體運行400秒以上。2023年8月，設(shè)計參數(shù)最高、規(guī)模最大的核聚變大科學(xué)裝置“中國環(huán)流三號”首次實現(xiàn)100萬安培（1兆安）等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀(jì)錄。我國也高度重視“人工智能+核聚變”的協(xié)同技術(shù)開發(fā)。2024年3月，國家發(fā)展與改革委員會公布2024年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃草案，明確提出開展“人工智能+”行動，持續(xù)推進核聚變等前沿技術(shù)開發(fā)。國務(wù)院國資委立足中央企業(yè)培養(yǎng)新質(zhì)生產(chǎn)力，加快中央企業(yè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)布局，提前布局可控核聚變。

（安雨康為中國石油集團經(jīng)濟技術(shù)研究院工程師、中國現(xiàn)代國際關(guān)系研究院博士研究生，凌宵鵬為北京語言大學(xué)商學(xué)院學(xué)生）