近日，来自美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（MIT-PSFC）的科学家通过高保真非线性回旋动理学模拟（nonlinear gyrokinetic simulations），结合机器学习加速的代理模型，系统预测了ITER基准燃烧等离子体场景（IBS）的性能、湍流特性及氢同位素效应，揭示了ITER实现任务目标的关键物理机制，并探索了优化运行的可能性。相关研究成果已发布在权威期刊《Nuclear fusion》上，论文题目为《 Prediction of performance and turbulence in ITER burning plasmas via nonlinear gyrokinetic profile prediction》。
一、研究目的
ITER作为下一代托卡马克核聚变反应堆，第一阶段主要目标是验证燃烧等离子体（Q≥10，聚变功率达到500MW）的可行性，从而为清洁能源发展提供关键依据。为了实现ITER的使命目标，需要对等离子体的性能、输运和湍流、以及氢同位素（H、D、D-T 混合燃料）影响情况进行精确预测。由于等离子体湍流很大程度上限制了托卡马克的约束性能，因此实现高保真度的建模能力对于预测聚变装置中的等离子体湍流至关重要，而回旋动理学模型是目前最全面的物理模型之一。
所谓的等离子体湍流，是指由带电粒子（离子、电子）组成的电离气体（等离子体）中出现的复杂、非线性的随机流动状态。这种现象普遍存在于核聚变装置、空间等离子体（如太阳风、磁层）以及实验室等离子体中，其核心特征是微观不稳定性驱动的能量级联过程和异常输运。等离子体湍流包括离子温度梯度模ITG、捕获电子模TEM、微观撕裂模MTM等等。
二、研究方法
研究人员利用高保真的非线性回旋动理学代码CGYRO进行模拟，结合代理建模技术加速计算过程。该项模拟在r/a=0.9范围内进行，包括α加热、辅助功率（中性束注入+电子回旋加热）、碰撞能量交换和辐射损失等效应。
在模拟参数方面，模拟中包含5个径向位置，每个位置进行约450个回旋周期的模拟，最后300个周期用于平均热通量和粒子通量。
三、研究成果
1.ITER基准场景（IBS）预测结果
- 能量约束与性能：预测ITER基准场景将产生约498MW的聚变功率，总输入功率为53MW，等离子体增益Q=9.43，接近目标值Q=10。
- 温度和密度分布：核心电子温度约为23keV，离子温度约为19keV，核心密度为约1.2×10^-20 m^-3。
- 湍流特性：预测显示ITER基准场景下的核心湍流主要由离子温度梯度（ITG）模式驱动，表现出强ITG传输特性。
2.优化场景预测
- 降低辅助功率：将辅助加热功率降低至29MW，仍能保持较高的聚变功率（489MW），等离子体增益Q提高至约17。
- 共振磁扰动（RMP）效应：模拟RMP应用导致的基座密度降低（约75%），结果显示即使在这种情况下，ITER仍能维持燃烧等离子体条件，Q约为5.98。
3.氢同位素效应研究
- 同位素变化：模拟了纯氢、纯氘和50/50氘-氚混合等离子体的性能，预测在ITER基准场景下，核心湍流中的同位素效应微弱或可忽略。
- 性能对比：氘和氘-氚混合等离子体的能量约束时间相同，约为2.22秒，而氢等离子体的电子温度较低，但离子温度变化不大。
四、研究结论
1.ITER性能展望
基线情景满足Q≈10目标，优化后实现Q>17是极大可能的，表明ITER有可能实现燃烧等离子体条件。通过优化操作条件，还有潜力达到更高的增益。
2.同位素效应
在ITER基准场景下，氢同位素对核心约束的影响不显著，这一发现对未来操作策略的制定具有重要参考价值。
3.研究方法有效性
非线性回旋动理学模拟结合代理建模的方法为预测和优化未来聚变装置的核心等离子体性能提供了有效途径。
五、局限性
本研究仍然存在一定的局限性，比如在物理模型方面作了简化处理，没有对快粒子与湍流之间的相互作用进行研究。另外，受限于计算成本，研究仅模拟了低K湍流，未涵盖多尺度的相互作用。
六、未来展望
本研究首次实现ITER全核心剖面的非线性回旋动理学预测，为燃烧等离子体物理与运行优化提供了高置信度理论支撑，同时展示了机器学习加速在高约束聚变装置设计中的变革性潜力。未来，需要更多的实验数据验证这些预测结果，同时也需要对回旋动理学模型和代理建模技术作进一步改进，以提高预测的准确性和效率。
参考链接：
- https://www.psfc.mit.edu/resources/news/unlocking-the-secrets-of-fusions-core-with-ai-enhanced-simulations/
- https://wonderfulengineering.com/u-s-scientists-crack-nuclear-fusion-code-to-hit-more-energy/
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ad8804