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去年底,全球的核聚變出現多次的突破,其中英國牛津郡「歐洲聯合環狀反應爐」(Joint European Torus,JET)實驗室公佈,去年12月以核融合產生59百萬焦耳(MJ)能量並持續5秒,打破1997年創下的紀錄。
JET利用托卡馬克(Tokamak)發電,中國位於中國安徽省合肥市西郊的托卡馬克核聚變實驗裝置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak ),去年底亦創下1056秒長脈衝高參數等離子體運行。EAST只是實驗裝置,並非發電設置,只證明托卡馬克可控制聚變。
不少科學家估計,2040年之前核聚變不可能產生任何能源。
可控核聚變困難重重
但是,美國和日本相繼不少核聚變項目登場,部分加入人工智能(AI)和嶄新設計,日本京都大學初創Kyoto Fusioneering(KF)已定於2025年建設核融合反應爐。
Googles母公司Alphabet旗下人工智能企業DeepMind,在《Nature》期刊發表了論文,DeepMind與位於瑞士埃居布朗市(Ecublens)的「瑞士等離子中心」合作,以AI深度加強學習,開發了演算法,可改善托卡馬克裝置控制核聚變的磁約束(Magnetic control)功能。
氫原子高溫下互撞,可產生出比太陽表面還要熱的等離子體,人類很早掌握核聚變的原理,數十年來核聚變也被公認為是最有潛力的綠色能源,卻始終可望不可即;各項可控核聚變工程選項,以前蘇聯科學家所發明的托卡馬克裝置,透過磁約束去控制核聚變為研究主流。
Google投資核聚變
Google一直投資在核聚變,數年前夥拍美國初創Tri Alpha Energy(TAE)Technologies以AI開發,試圖以氫和氘燃料達到同樣效果,以機器學習優化核融合模型,取代托卡馬克裝置。Google也投資另一家核聚變初創Commonwealth Fusion Systems籌建核聚變反應堆。
美國及歐洲也開發激光核聚變技術,但托卡馬克仍公認具有潛力,而所有已知核聚變反應,以氫同位素「氘和氚」,產生的聚變相對容易實現,而高溫下氫原子核融合可釋放大量能量,加壓後極高溫的等離子體,則以超導磁場來約束;原因是等離子體太熱,任何材料都無法容納,等離子體須處懸浮狀態,通過磁場並固定於托卡馬克裝置內部;核聚變反應熱量產生蒸汽,推動渦輪機組發電。
DeepMind開發AI人工智能深度學習,有助控制托卡馬克內部的磁場,控制等離子體形態,既可產生更高的能量;高溫又不致破壞托卡馬克裝置。
AI預測挑戰極限
參與研究瑞士等離子體中心科學家Ambrogio Fasoli說:「AI人工智能可讓科學家敢於嘗試,以往不願採用的技術路線,減低失敗風險,更快推動研究發展。」
以往科學家不敢過於進取,貿然去改變磁場,等離子體形態以過於接近裝置,破壞了裝置結構,摸索托卡馬克磁場設計和等離子體形態,有如摸石頭過河。
DeepMind深度學習則可讓科學家,大膽嘗試以往從未想像過的等離子體形態,發電性能可推向接近系統極限,等離子體又不至於損壞系統,如果沒有AI人工智能的預測,科學家不敢承擔試驗風險後果,後果可能得不償失。
DeepMind再創突破
較早前,DeepMind亦曾以驚人的凖確度,開發預測蛋白質折疊(Protein folding)的演算法,改寫生命科學研究和新藥發現,而DeepMind以深度學習應用於預測磁約束,亦有異曲同工之處。
DeepMind公佈算法之後,全球相繼出現預測蛋白質折疊AI模型。研究蛋白質折疊是困擾生物科學研究超過了50年的難題,一下子被DeepMind攻破;DeepMind破解托卡馬克磁約束設計,可能令核聚變加速商用化,影響更大。
為了達到能源自主,中國是投資托卡馬克裝置最積極國家,而有「人造太陽」之稱的EAST早於1998年就立項興建,投資數以十億計,去年EAST創下運行1056秒紀錄後,托卡馬克發電可行性已獲確定,而多國籌建開發核聚變,位於法國南部「國際熱核聚變實驗堆」(ITER),亦是以托卡馬克設計,中國佔9%投資額,預計2025年開始等離子體實驗。
中國也以AI作研究發展重點,以求靠AI在科研上作跳躍式發展,AI如果可應用在核聚變,國內肯定大舉投入,加快核聚變商業化。
不過,瑞士等離子體中心的托卡馬克規模極小,最多只能持續2秒運行,同樣原理能否應用在EAST或者ITER等大型裝置上,仍未能確定。不過如果DeepMind算法成功鎮,全球能源格局將一夜之間再一次改變。