2024年2月，普林斯顿大学（Pricenton University）和普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）的研究人员宣布已研发出可用于实时预测聚变堆等离子体不稳定性的AI模型，并使用DIII-D国家聚变设施的实验数据来训练该模型。训练结果表明，该模型可以提前300毫秒（0.3秒）预测“撕裂模不稳定性”（Tearing Mode Instabilities），足以供人工智能控制器调整聚变堆运行参数，确保等离子体运行稳定性。相关成果刊登在2024年2月21日出版的《NATURE》上，论文题为《Avoiding fusion plasma tearing instability with deep reinforcement learning》。
一、实验室概况
PPPL成立于1951年，位于美国新泽西州普林斯顿市，是一家由美国能源部（Department Of Energy，DOE）委托普林斯顿大学运营管理的国家实验室，是全美物理科学基础研究的最大实验室之一。PPPL具有顶尖的研发团队，在磁约束实验、等离子体理论与计算、等离子体科学与计算等方面处于居于全球领先地位。
二、实验室使命
- 发展对核聚变的科学理解，以期为美国和世界提供能源；
- 将未来工业推进到纳米尺度制造科学；
- 加深对等离子体物理从纳米尺度到空间物理尺度的科学理解。
三、实验室发展历程
- 1951年3月，普林斯顿大学启动仿星器位形（8字形）可控核聚变相关研究，同年7月获得美国原子能委员会（Atomic Energy Congress，AEC）批准，该研究工作成为马特洪项目（Project Matterhorn）的一部分。
- 1953年，等离子体离子回旋共振加热（ICRH）的概念首次被提出。
- 1961年2月，马特洪计划解密，相关实验室更名为PPPL。
- 1962年3月，Model C 仿星器投入运行，标志着Lyman Spitzer提出的8字形仿星器正式退出舞台中心。
- 1964年，PPPL首次提出中性束注入加热等离子体（NBI）方案。
- 1969年7月，基于苏联T-3托卡马克装置取得丰富的研究成果，PPPL将Model C 仿星器改造为托卡马克，并更名为ST，标志着实验室研究重点从仿星器转向托卡马克。
- 1974年，美国国会正式批准了TFTR项目建设，其概念设计工作随即启动。
- 1978年7月，PLT（Pricenton Large Torus）使用中性束注入加热（NBI）创造了6千万摄氏度离子温度的世界记录，理论上达到聚变点火离子温度阈值。
- 1982年12月，TFTR首次产生等离子体。
- 1984年，PLT使用离子回旋加速器射频加热（ion-cyclotron radio-frequency heating）创造了6千万摄氏度的离子温度。
- 1986年，TFTR上的中性束加热实验产生了大约2亿摄氏度离子温度的世界记录，是太阳中心温度的十倍以上，并在TFTR上首次实现了托卡马克自举电流。
- 1990年，TFTR在氘等离子体中创造了4亿摄氏度的离子温度、6万瓦聚变功率这一新的世界纪录。
- 1993年12月，TFTR在世界上第一个使用50/50氘氚混合物的磁聚变实验中实现了创纪录的630万瓦聚变功率，并于次年5月、11月分别创下920万瓦、1070万瓦聚变功率的新世界记录。
- 1995年2月，TFTR产生5.1亿摄氏度的新的离子温度的世界记录；同年7月，国家球面环面实验（NSTX）的工程设计启动。
- 1997年4月，TFTR完成最后一次实验，并于2002年完成安全拆卸工作。
- 1999年2月，NSTX实现首次等离子体放电，次年产生了100万安培的全设计等离子体电流，并在2001年产生了140万安培。
- 2004年，NSTX实现创纪录的环向β值，达到40%，是传统托卡马克装置的三倍。
- 2008年，锂托卡马克实验（LTX）产生了第一个等离子体。
- 2015年，NSTX-U升级完成。
- 2018年，PPPL在实验室重联实验设施（Flare）上生产了第一个等离子体，这是一种用于研究磁重联的新设备。
- 2020年，PPPL和普林斯顿大学启动了普林斯顿合作低温等离子体研究设施（PCRF），以提供世界一流的诊断、计算工具和等离子体物理学专业知识，用于表征低温等离子体（LTP）。
- 2023年10月，DOE将Hydrogen Shot交由PPPL管理，用于研究使用等离子体生产氢气。
四、实验室主要聚变装置
Flare（the Facility for Laboratory Reconnection Experiments）：即实验室重联实验设施，由普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、马里兰大学、威斯康星大学麦迪逊分校以及两个DOE实验室（PPPL、LANL）联合建设和运行。项目旨在研究空间天体等离子体、聚变等离子体中普遍存在的磁重联现象，其实验数据全面支持美国NASA的MMS（Magnetospheric Multiscale Mission），共同开展地球空间磁场演变规律包括极光、太阳风暴等对卫星信号传输的影响。
TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor）：
即托卡马克聚变实验反应堆，是世界三大托卡马克装置之一，也是世界上第一个尝试用50/50氘氚混合物作为聚变燃料的托卡马克装置。装置设计参数为：大半径2.5m，小半径0.45-0.9m，最大环形磁场强度5.2T。项目于1982年建成并投入运行。在其15年的运行过程中，不断刷新了等离子体温度、聚变功率的世界记录。1997年，TFTR在完成最后一次实验后关闭。
NSTX-U（National Spherical Torus Experiment-Upgrade）：
即国家球形环面实验堆，该装置是PPPL历时三年，耗费9,400万美元在原NSTX装置基础上进行的升级版，2015年完成升级改造，磁场强度、等离子体电流较升级前翻了一番，是世界上最强大的实验核聚变设施。装置采用球形托卡马克聚变路线，目标在极端温度下生产球形等离子体，以研究这种等离子体的特性以及生产和维持它们所需的方法和材料。此外，NSTX-U的任务还延伸到电子能量传输、液态金属等离子体-材料界面以及ITER燃烧等离子体的高能粒子约束等方面。
LTX-β（The Lithium Tokamak Experiment β）：
即锂托卡马克实验β装置。相较于上一代的LTX，LTX-β在环形场、等离子体电流和加热等方面都得到了提高。
MUSE：
PPPL设计和制造的小型桌面设备，是第一台使用永磁体阵列构建的仿星器，将永磁体与简单的直磁体结合使用，作为具有极其复杂形状的磁体难以设计和建造的恒星器的替代品。
五、实验室历任领导者
Lyman Spitzer（1914-1997）：
1914年出生于美国俄亥俄州，1938年在普林斯顿大学获得博士学位，1947年担任普林斯顿大学天体物理科学系主任。1951年起，Spitzer教授开始担任PPPL的第一任主任。20世纪50年代，Spitzer首次提出8字形“仿星器”构想，通过将热的带电等离子体气体限制“8”字形装置中以产生聚变能，掀开了PPPL从事仿星器研究的先河。除了在核聚变领域取得突出成就外，Spitzer还是哈勃太空望远镜的最早的构想者。
Melvin B. Gottlieb（1917-2000）：
1917年出生于美国芝加哥，1954年加入PPPL。1961-1981年，Gottlieb教授担任PPPL的第二任主任。在任期间，通过三个“托卡马克”实验（ATC、PDX、PLT），推动PPPL在托卡马克磁约束领域实现了国际领先，并启动TFTR的设计和建设工作。Gottlieb教授还曾担任美国物理学会等离子体部创始人和第一任主席。
Harold P. Furth（1930-2002）：
1930年出生于奥地利维也纳，1960年获得哈佛大学物理学博士学位。1967年加入PPPL，并担任普林斯顿大学天体物理学教授。1981-1991年，担任PPPL的第三任主任。Furth教授对于磁约束聚变的研究做出了显著贡献，特别是在等离子体稳定性和平衡理论方面。1983年，他因在等离子体物理学领域的杰出贡献获得了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦奖（James Clerk Maxwell Prize for Plasma Physics）。
Ronald C. Davidson（1941-2016）：
1941年出生于加拿大蒙特利尔，曾任普林斯顿大学天体物理学教授。1991-1996年，Davidson教授担任PPPL的第四任主任。在任期间，TFTR装置多次刷新了等离子体温度和聚变功率的世界记录。他在PPPL工作期间，对等离子体的动力学和稳定性进行了深入研究，并发表了多篇科学论文。
Robert J. Goldston（1950-present）：
1950年出生，Goldston教授于1977年在普林斯顿大学获得天体物理学博士学位。1996-2008年，Goldston教授担任PPPL的第五任主任。他是等离子体物理和磁约束聚变领域的国际权威，主要研究实验等离子体物理、聚变等离子体加热和传输、边缘功率处理以及聚变反应堆和发电厂设计。Goldston带领实验室提前完成了国家球面环面实验堆 （NSTX）建设。2015年，Goldston教授在日本京都举行的国际原子能机构核聚变能源会议上获得核聚变奖。
Stewart Prager（未知）：
Prager教授是普林斯顿大学天体物理科学名誉教授，国际反场箍缩磁约束聚变领域专家。2008-2018年，他担任了PPPL的第六任主任，任内完成了NSTX装置的升级改造工作。在此之前，Prager教授曾担任美国威斯康星大学反场箍缩装置MST的负责人。
Steve Cowley（1959-Present）：
1959年出生于英国，1985年在普林斯顿大学获得天体物理学博士学位，曾在1987-1993年就职于PPPL。Cowley教授是一位理论物理学家，同时也是核聚变及天体等离子体权威学者。他也是英国皇家工程院院士和英国皇家学会院士。自2018年开始，他开始担任PPPL的第七任主任。在此之前，他曾担任英国原子能管理局（the United Kingdom Atomic Energy Authority，UKAEA）首席执行官和英国卡勒姆聚变能源中心（the Culham Centre for Fusion Energy in the United Kingdom，CCFE）主任。
六、实验室外部合作项目
PPPL作为全球顶尖核聚变领域的实验室，也参与了多个核聚变项目。
Wendelstein 7-X（W7-X）：
德国马克斯普朗克等离子体物理研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics，IPP）设计建造的世界最大、最先进的仿星器聚变装置。PPPL为其提供了用于检测原子核损失的传感器、粉末注射器和等离子体密度温度测量系统。
Large Helical Device（LHD）：
日本国家聚变科学研究所（National Institute of Fusion Science，NIFS）设计建造的是世界第二大超导仿星器。PPPL为该设施提供了X射线诊断，粉末注射器以及实时测量等离子体密度和温度的系统。
JT60-SA：
日本和欧洲共同建造和运营的中型托卡马克装置，是世界三大托卡马克装置之一。PPPL正在为JT-60SA开发X射线成像晶体光谱仪。
W Environment in Steady-state Tokamak（WEST）：
法国原子能委员会聚变所在建的全钨偏滤器托卡马克核聚变实验装置。该装置是专门用来测试ITER项目分流器组件，有助于管理聚变反应过程中产生的热量和灰烬，最大限度减少等离子体的污染并保护其内壁。PPPL研究人员为WEST开发了一种杂质粉末滴管，可以把高度精确的方式将粉末状元素（如硼）添加到容器中。
Madison Symmetric Torus（MST）：
美国威斯康星大学麦迪逊分校建设的一个反场箍缩装置，该装置主要用于聚变能研究和天体物理等离子体的研究。PPPL为其提供了多能软X射线相机。
七、实验室衍生公司
Thea Energy：前身为Princeton Stellarators，成立于2022年，总部位于普林斯顿，由PPPL的前物理学家David Gates创立。公司致力于利用高温超导平面线圈取代复杂的模块化线圈，实现仿星器磁约束技术商业化，加速聚变能源发展。Thea Energy已被纳入美国国家能源部的《Milestone-Based Fusion Development Program》。2024年2月8日，Thea Energy宣布完成2,000万美元A轮融资。
Princeton fusion Systems：
隶属于Princeton Satellite Systems公司，成立于2017年，总部位于普林斯顿，是一家专门从事小型场反位形（Field-Reversed Configuration，FRC）磁约束聚变反应堆研究的公司。
参考链接：
- https://www.nature.com/articles/s41586-024-07024-9
- https://www.pppl.gov/news/2024/using-artificial-intelligence-speed-and-improve-most-computationally-intensive-aspects
- https://nuclearprinceton.princeton.edu/people-2
- https://www.pppl.gov/about/history
- https://nuclearprinceton.princeton.edu/people/lyman-spitzer
- https://www.pppl.gov/advanced-projects
- https://mp.weixin.qq.com/s/6swqcGjhDMM0-4_z6ZjWNA