美国高校设立聚变能源种子基金支持四项跨学科研究

美国德克萨斯大学奥斯汀分校 (The University of Texas at Austin) 聚变研究所近日启动一项聚变能源种子基金，支持四个跨学科研究项目。相关项目将联合等离子体物理、工程和计算科学团队，围绕托卡马克等聚变装置面临的控制、材料、粒子约束和边缘等离子体模拟问题开展研究。

该基金由德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所 (Institute for Fusion Studies, IFS)、奥登计算科学与工程研究所 (Oden Institute for Computational Engineering and Sciences) 和科克雷尔工程学院 (Cockrell School of Engineering) 共同出资。每个项目由奥登研究所或科克雷尔工程学院的一名首席研究员与聚变研究所的一名共同首席研究员负责，并将支持一名研究生开展为期两年的研究。

近年来，聚变能源研发持续升温。美国能源部 (DOE) 通过聚变创新研究引擎 (Fusion Innovation Research Engine, FIRE) 等机制支持相关研究，德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所研究人员已参与其中两个合作项目。美国能源部还启动“创世纪”计划，支持高校、国家实验室和产业界利用人工智能加快聚变商业化进程。

此次获资助的四个项目中，有三个将重点探索人工智能代理模型，用训练数据替代部分耗时的大规模高保真计算，以在降低计算成本和时间消耗的同时保持结果精度。

在等离子体控制方向，研究团队计划基于间接稀疏测量建立托卡马克等离子体数字孪生模型，实时获取等离子体三维形状、位置和其他关键参数，并用于优化磁线圈控制。该项目由聚变研究所的迭戈·德尔-卡斯蒂略-内格雷特 (Diego del-Castillo-Negrete)、奥登研究所和科克雷尔工程学院的奥马尔·加塔斯 (Omar Ghattas) 等参与，目标是形成更快、更可靠的实时控制优化工具。研究人员希望未来可在瑞士洛桑可变配置托卡马克 (TCV) 或通用原子公司 (General Atomics) 的 DIII-D 托卡马克等装置上测试相关模型。

在面向等离子体部件材料方向，研究团队将利用大型计算机模拟筛选液态金属合金候选材料。聚变堆内部等离子体会产生强热流、辐射和高能粒子，可能损伤壁面及其他面向等离子体部件。单一液态金属难以同时满足全部性能要求，因此研究人员将评估锂、铟、镓、锡等液态金属与其他材料形成合金后的表现，并用模拟数据训练机器学习模型，以在更长时间尺度上预测材料行为。该项目由大卫·哈奇 (David Hatch)、纳拉亚纳·阿卢鲁 (Narayana Aluru)、刘元悦 (Yuanyue Liu) 等参与。

在α粒子约束方向，研究人员将开发用于追踪高能α粒子轨迹的人工智能代理模型。α粒子泄漏会影响等离子体维持聚变所需的温度和密度，传统粒子轨道模拟计算量大，难以在设计早期反复迭代。项目团队希望新模型将相关计算效率提高一个数量级以上，使α粒子约束评估更早纳入聚变装置设计优化流程。

第四个项目聚焦托卡马克等离子体边缘区域，即刮除层模拟。偏滤器承担排出多余热量和高能粒子的作用，其设计需要准确理解等离子体边缘行为。由于该区域物理过程复杂，现有高精度模拟往往计算成本较高。研究团队计划引入新的数值方法，开发更快速、经济的高精度模拟工具，为聚变堆边缘等离子体和偏滤器设计提供支撑。