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(guò)程。理論上，幾克反應(yīng)物就可產(chǎn)生一太（即一萬(wàn)億）焦耳的能量，這相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家一個(gè)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(huì)對(duì)大氣和環(huán)境造成污染，因此可控核聚變被公認(rèn)是解決能源及環(huán)境問(wèn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)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(rèn)為是最接近實(shí)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(duì)聚變靶丸進(jìn)行燒蝕，通過(guò)高溫、高壓壓縮引發(fā)聚變反應(yīng)。理想情況下，聚變過(guò)程放出的能量能使剩余燃料發(fā)生燃燒，即實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。2022年12月以來(lái)，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）在慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中先后四次實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量的凈能量增益（聚變?cè)鲆嫦禂?shù)Q值大于1），取得歷史性突破。

實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)磁約束聚變而言是加熱、約束（實(shí)現(xiàn)聚變）和維持（長(zhǎng)時(shí)間或平均長(zhǎng)時(shí)間的聚變反應(yīng)），對(duì)慣性約束聚變而言是壓縮、點(diǎn)火和高重復(fù)頻率點(diǎn)火（激光器、黑腔等裝置難以承受長(zhǎng)時(shí)間高溫高壓）。雖然美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置在壓縮、點(diǎn)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?yàn)椋瑧T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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法彌補(bǔ)“能量投入”。以美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置為例，有報(bào)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(shí)驗(yàn)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(gè)黑腔結(jié)構(gòu)內(nèi)）相距不遠(yuǎn)，聚變能量輸出過(guò)大會(huì)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(jià)值的幾億倍。為此，國(guó)家點(diǎn)火裝置為聚變能量輸出設(shè)定了上限。勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期以來(lái)，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(lái)，在機(jī)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(jìn)展。在機(jī)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(yùn)行。2022年以來(lái)，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(kāi)發(fā)了一個(gè)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(yàn)，成功控制磁線圈兩秒鐘，這是反應(yīng)堆過(guò)熱前的最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。2024年2月，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布其使用美國(guó)聚變?cè)O(shè)施的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練了一個(gè)可以預(yù)測(cè)等離子體不穩(wěn)定性的人工智能模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yùn)行、高溫超導(dǎo)技術(shù)、精密設(shè)計(jì)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(shí)間和組織復(fù)雜性，帶動(dòng)更多高校、研究機(jī)構(gòu)和私人資本入局。例如，人工智能可以對(duì)新型高溫超導(dǎo)材料（如REBCO磁體）進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，縮短工程研發(fā)和設(shè)計(jì)周期，也在激光系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(zhǎng)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(jī)）、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(jí)算力中心更是堪稱“吞電怪獸”。據(jù)測(cè)算，培養(yǎng)一個(gè)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(dòng)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(guó)《大眾科學(xué)》認(rèn)為，訓(xùn)練人工智能模型所需的大量數(shù)據(jù)會(huì)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_(kāi)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(duì)“能源危機(jī)”。為此，推動(dòng)更有利于氣候變化的能源，尤其是核聚變或更便宜的太陽(yáng)能、儲(chǔ)能，是人工智能優(yōu)先發(fā)展方向。

由中國(guó)自主設(shè)計(jì)研制的可控核聚變大科學(xué)裝置“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”，也被稱為“新一代人造太陽(yáng)”，2023年8月25日首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。

可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

在美國(guó)硅谷精英的推動(dòng)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(jiān)定擁護(hù)者，其參投的聯(lián)邦聚變公司（CFS）正建造全球最強(qiáng)大的高溫超導(dǎo)體線圈，希望在2025年完成裝置建設(shè)并實(shí)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(yáng)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(yáng)神能源”投資950萬(wàn)美元，2021年又以個(gè)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(huì)主席?！疤?yáng)神能源”正在建設(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(guò)核聚變發(fā)電的能力。2023年5月，微軟與“太陽(yáng)神能源”簽署購(gòu)電協(xié)議，計(jì)劃在2028年及之后從其購(gòu)買(mǎi)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(guó)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(gè)核聚變項(xiàng)目獲得風(fēng)險(xiǎn)投資。截至2023年末，全球核聚變市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)3000億美元，預(yù)計(jì)在2030年有望達(dá)到5000億美元。

近年來(lái)，美國(guó)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(dá)成一致意見(jiàn)。特朗普政府以來(lái)，兩黨相繼通過(guò)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(cái)務(wù)和技術(shù)障礙，將能源部的工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到示范先進(jìn)反應(yīng)堆上。拜登上臺(tái)后，《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》為美國(guó)民用核項(xiàng)目提供60億美元信貸資金；《通脹削減法案》對(duì)在運(yùn)和新建核電站實(shí)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(lì)升級(jí)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(guó)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(qiáng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2023年3月，美國(guó)能源部發(fā)布《先進(jìn)核能商業(yè)化路徑》報(bào)告，提出美國(guó)到2050年可能需要建成2億千瓦核電裝機(jī)容量，并在2030年啟動(dòng)先進(jìn)核能的商業(yè)化部署。在政府指引和資助支持下，美國(guó)核工業(yè)在“停滯”多年后，實(shí)現(xiàn)了一系列發(fā)展。2022年7月，美國(guó)核能管理委員會(huì)通過(guò)了第一個(gè)小型模塊化核反應(yīng)爐設(shè)計(jì)認(rèn)證申請(qǐng)。2022年10月，沃格特勒3號(hào)AP1000機(jī)組完成首次裝料，這是近30年來(lái)美國(guó)首個(gè)正式啟動(dòng)建設(shè)的核電項(xiàng)目。美國(guó)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(diǎn)，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(chǎng)景，最終產(chǎn)生顛覆性的戰(zhàn)略影響。

美國(guó)要與中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)

2023年12月，美國(guó)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(bào)告》，報(bào)告指出，全球核聚變能源賽道的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，中國(guó)在核聚變專利數(shù)量和專利競(jìng)爭(zhēng)力領(lǐng)域超過(guò)了美國(guó)。根據(jù)核聚變科學(xué)與技術(shù)路線圖，在2025年前，美國(guó)將通過(guò)支持政企合作、種子基金、分散投資、里程碑計(jì)劃、國(guó)際合作等方式，實(shí)現(xiàn)核聚變科技創(chuàng)新。同期，在第28屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP28）期間，美國(guó)發(fā)布了以推動(dòng)核聚變發(fā)電商業(yè)化的首份國(guó)際合作計(jì)劃。美國(guó)氣候變化特使克里表示，美國(guó)將與其他國(guó)家深化政企合作，加快核聚變的商業(yè)化進(jìn)程。

我國(guó)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(guó)超導(dǎo)托卡馬克在2021年創(chuàng)造了等離子體運(yùn)行101秒的記錄后，2023年實(shí)現(xiàn)等離子體運(yùn)行400秒以上。2023年8月，設(shè)計(jì)參數(shù)最高、規(guī)模最大的核聚變大科學(xué)裝置“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培（1兆安）等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新中國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄。我國(guó)也高度重視“人工智能+核聚變”的協(xié)同技術(shù)開(kāi)發(fā)。2024年3月，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)公布2024年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃草案，明確提出開(kāi)展“人工智能+”行動(dòng)，持續(xù)推進(jìn)核聚變等前沿技術(shù)開(kāi)發(fā)。國(guó)務(wù)院國(guó)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(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院工程師、中國(guó)現(xiàn)代國(guó)際關(guān)系研究院博士研究生，凌宵鵬為北京語(yǔ)言大學(xué)商學(xué)院學(xué)生）