数字孪生正成为聚变研究的重要研发路径

近日，一篇新论文梳理了过去五年聚变研究领域数字孪生技术的发展进展，并指出该技术距离形成完整的聚变电站数字孪生模型仍有若干关键环节需要突破。

模拟钨在等离子体核心中的运动。版权所有：(F. Jenko 等人，2026 年，《核聚变》66 116014)

数字孪生是一类能够反映物理系统结构、环境和行为的虚拟模型，可用于预测系统未来状态，并为现实决策提供参考。在聚变研究中，随着等离子体物理、装置工程和材料相互作用等问题日益复杂，数字孪生被认为有望帮助研究人员把分散模型整合为更接近真实装置运行状态的系统性模拟工具。

马克斯·普朗克等离子体物理研究所所长、欧洲聚变组织聚变办公室数字解决方案负责人弗兰克·延科表示，目前研究人员已经能够以较高可靠性和预测能力模拟聚变等离子体的许多方面，下一步工作就是尽可能把这些模拟要素结合起来，这也是数字孪生技术进入聚变研究视野的原因。

DEMO主燃烧室内的钨侵蚀和沉积通量模拟。DEMO是一座示范核电站。(版权所有：F. Jenko等人，2026，《核聚变》66 116014) 

数字孪生概念自21世纪初已在工程领域使用，聚变研究界也已探索多年。2021年，欧洲聚变组织启动E-TASC项目，用于协调欧洲范围内的理论与高级仿真研究。此次论文总结称，过去五年，相关工作已从概念讨论逐步转向研发计划。

在托卡马克等离子体模拟方面，论文指出，研究人员在等离子体核心模拟上取得了明显进展，涉及湍流、可能破坏磁约束的不稳定性，以及聚变反应产生的快粒子行为等关键问题。延科表示，等离子体核心研究推进较为顺利，大量代码验证工作已经完成，这是近年来的重要进展之一。

与此同时，原本相对分散的研究正在逐步走向耦合模拟。论文提到，研究人员已经开始开展湍流与快粒子驱动波耦合模拟，并发展能够追踪不稳定性在非线性区域深处演化的代码，而不仅仅局限于初始阶段分析。

相比之下，等离子体边缘区域仍是建模难点。该区域更靠近反应堆壁，物理过程更加复杂，材料与等离子体之间的相互作用也更难准确描述。以钨壁材料为例，在未来电站多年运行过程中，部分钨不可避免会进入等离子体，如何模拟这些游离粒子对等离子体的影响，以及热量和粒子如何在湍流作用下到达壁面，仍是研究中的关键问题。

论文同时提到，边缘区研究也已有进展。例如，湍流代码已能够重现“分离”现象，即等离子体在到达壁面前快速冷却;研究人员还开展了反应堆尺度下的侵蚀和尘埃形成模拟。不过，相关模型距离完整、可靠地支撑聚变电站设计仍需进一步完善。

除托卡马克外，仿星器模拟也取得进展。德国Wendelstein 7-X装置的研究成果使仿星器路线获得更多关注，而模拟能力提升则使研究人员能够更有信心地设计和评估仿星器方案。延科表示，仿星器技术目前尚不够成熟，主要原因是理论和实验数据仍然有限，但研究团队希望推动仿星器模拟发展到能够支撑电站概念形成的水平。

对于托卡马克与仿星器两类路线，延科认为二者并非简单竞争关系，而是可以并行推进;数字孪生建模有助于两类聚变装置共同走向成熟。

展望下一阶段，论文认为，聚变数字孪生的重点将是把过去相对独立的模型组件整合起来。研究人员正在探索可汇聚不同信息的框架，例如用于未来聚变反应堆集成设计的Bluemira工具。该工具包含多个模块，部分模块依赖其他代码，可开展一系列概念性聚变反应堆设计活动。虽然Bluemira尚不是完整数字孪生模型，但被视为迈向聚变数字孪生的重要一步。

研究人员还指出，在将集成模拟用于ITER或未来聚变电站等尚未运行的装置之前，仍需依托现有装置对模拟结果进行验证。延科表示，完整聚变电站数字孪生模型尚未出现，但等离子体核心、边缘、壁面以及装置周边系统等基础模型，已经比以往更接近实际应用。“五年前，这还只是一个愿景。现在它已成为一项研发计划，而且进展迅速。”