核聚变将迎来剧变？谷歌开发“验光师算法”，将加速“终极能源”时代的到来
谷歌一向不缺乏想象力！这一次，他们又将目光瞄准人类的终极能源——核聚变发电。近日，谷歌与全球领先的私营核聚变公司 Tri Alpha Energy 共同开发了一种名叫 “验光师算法”（Optometrist algorithm）的计算机算法。
据周二在《科学报告》杂志上发表的研究成果显示，这种算法将大规模的机器计算与人为判断结合在一起，使核聚变中等离子体的融合研究速度从之前的一个月变成了仅仅几小时，系统能量损失率也大幅降低了 50%，实验效率的显著提升将有助于核聚变发电早日变为现实。
正如我们所了解的，核聚变就是多个轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量的过程，太阳所产生的巨大能量就是源于聚变反应。如果一旦可以实现可控的核聚变，那么困扰人类已久的能源问题就将得到彻底的解决。
图丨核聚变被视作终极能源
而谈到核聚变就不能不提及它赖以运行的等离子体。以太阳为例，在其内部，由于高温高压，大量原子上的电子被剥离，也就是被电离成带电荷的离子；这些离子挤在一起形成一团不停碰撞、极为活跃的“热汤”——这就是被称为“第四物态”的等离子体。而聚变反应就是在这种等离子体中，氢离子相互碰撞结合的过程。
而从本质上讲是因为生成、控制等离子体非常困难，所以，实现可控核聚变的过程就显得异常复杂。地球上没有太阳内部的高温高压，所以把等离子体维持几十毫秒就需要大量的能量，这种能耗很难和瞬间聚变所产生的能量做到“收支平衡”。
更重要的是，我们还有精确地控制这团“热汤”，保证其不会倾泻；在等离子体中，就算是极小的变化也可能演化成差异极大的后果，这就是核聚变所涉及的非线性现象。于是，计算等离子体的非线性演化过程就成了极具挑战的难题之一。
图丨第四物态“等离子体”
考虑到这个问题，Tri Alpha Energy 舍弃了 40 多年来业界一直沿用的传统环形“托克马克”（Tokamak ）设计思路，而重新建造了被称为“场反向配置（field-reversed configuration，FRC）”的独特装置。相比之下，它不仅体积更小、设计更简单，价格更低，最重要的是，装置内的等离子体随能量的增加会变得更稳定，而非脱离控制。
为此，Tri Alpha Energy 还建造了一个名叫 C-2U 的等离子电离装置。C-2U 每 8 分钟就会“发射”一些等离子体，每一次发射都能够在 C-2U 的密封真空室中产生两个旋转的等离子球，然后以 60 万英里每小时（约 96.6 km/h）的速度让它们相撞，产生一个更大、更热，像橄榄球一样旋转的等离子体。
图丨C-2U装置的概念模型
之后，科学家用粒子束（其实是中性氢原子）不断轰击这个等离子球，让它保持旋转。在这之后，他们又会在这个旋转的等离子球上施加磁场，而等离子体的旋转时间最长为 10 毫秒。他们正是希望借此方法来验证“场反向配置”装置的可行性。到目前为止，C-2U 已经挑战了在短时间、有限空间内产生并约束等离子体所消耗的电力极限。
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C-2U内部演示视频
但这为何与谷歌有关系？原来，为了达成技术上的突破，Tri Alpha Energy 团队需要大量测试常规的实验模拟条件下性能指标不常见的设备和等离子体。极端情况下，科学家甚至要跟踪千亿级别的粒子个体，如此海量的计算会占用大量的计算机资源，用谷歌加速科学团队成员 Ted Baltz 的话来说，“即使搭上谷歌全部的计算能力，也无法解决这个问题。”
在这种发展遇到瓶颈的情况下，Tri Alpha Energy 和谷歌研究部门开展合作，另辟蹊径地设计出“验光师算法”（Optometrist algorithm），来帮助核聚变实验更快、更高效地产生所需要的等离子体。就像在配眼镜的时候验光一样，这个算法能够结合人类偏好和机器来对等离子体进行分析，最终得出结果，专家们就能直接运用自己的判断力，决定哪些现象是可行的，而哪些现象则对实验没什么帮助。
从中也可以看出，新算法提供了很好的人机合作模式。Baltz 对此解释道：“我们最后解决问题的途径就是 ‘让专业的等离子物理学家选择他们自己认为可行的等离子行为进行实验，同时不会对机器造成破坏’。这很好的说明了人类和计算机协同工作时，往往比各干各的要好得多。”
图丨C-2U 的整体展示
如今，C-2U 已经完成了它的历史使命，被一个更强大且更复杂的名叫 Norman 的新机器所取代（Norman这个名字来自于已逝世的联合创始人Norman Rostoker），它在等离子加速、中性粒子束等方面的性能都比 C-2U 更加强大，并且拥有一个更复杂的系统，能够将等离子体约束在某些设定区域内。
图丨Norman Rostoker 教授
正是因为 Norman 功能更加强大，所以仅仅是它的加压舱、粒子加速器、电容器组和供能设备就已经占满了一层楼的空间。根据了解，Norman 已经在七月初生成了第一批等离子体，如果后续实验进展顺利，Tri Alpha Energy 将开始建造第一台示范性核聚变发电机。
Tri Alpha Energy 总裁兼首席技术官 Michl Binderbauer 评价说：“如果没有先进的计算能力，要取得这样的成果可能还得要很多年。” 他也表示，公司计划在未来十年之内实现用核聚变发电的目标。可喜可贺的是，前美国能源部长 Ernest Moniz 现已加入 Tri Alpha Energy 公司的董事会为其助力。
图丨Tri Alpha Energy 总裁兼首席技术官 Michl Binderbauer
反观全球范围之内，在能源安全问题被反复讨论的当下，人们对于核聚变能源的需求也愈加强烈。在过去的几十年中，各个机构、政府、企业已经投入了巨资用于核聚变发电的研究。
例如，迄今为止规模最大的国际热核聚变实验反应堆（ITER）已经在法国南部建设了接近 10 年。 这项价值 180 亿欧元的项目囊括了美国、欧盟、中国、印度、韩国、俄罗斯和日本等主要国家，方案依旧是传统的托克马克装置。目标是在 2025 年创造第一个等离子体，然后于 2035 年达到最大功率输出。如果能成功，ITER 或能成为首个核聚变发电厂。
图丨国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目
除此以外，还有许多团队也在尝试设计不同样式的聚变反应堆，不仅要设计得更好，还得更小。 2016 年，德国开建了价值 10 亿欧元的反应堆，其中等离子体环采用了类莫比乌斯环设计，使其具有持续运行的能力，比起脉冲单位的托卡马克形状效率更高。
当然，现在的一个新的趋势就是有一系列的私营公司也在进入这个领域，他们的员工也都是经验丰富的核聚变研究人员。其中，General Fusion 公司使用熔融铅和锂的涡流来容纳等离子体，这个方法还得到了亚马逊老板 Jeff Bezos 的支持；洛克希德·马丁公司的臭鼬团队在 2014 年表示，他们将在十年内制造出卡车尺寸大小的核聚变厂（但因没有提供足够细节而受到质疑）；而英国的 Tokamak Energy 公司则利用粒子加速器技术和高温超导体；还有 Helion Energy 和 First Light Fusion 公司，等等。
图丨洛克希德·马丁公司的核聚变装置
Tokamak Energy 公司总裁 David Kingham 认为，Tri Alpha Energy 的进展令人十分兴奋，“虽然政府资助的实验室往往在基础研究方面表现优异，但私营公司能更快地实现创新，并且采用新的技术。”
在多种力量的共同努力下，核聚变发电领域的发展前景一片大好，但即便如此，若想实现真正商业化运行的核聚变发电，人类恐怕还要等上几十年的时间。
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参考：
https://research.googleblog.com/2017/07/so-there-i-was-firing-megawatt-plasma.html
https://www.theguardian.com/environment/2017/jul/25/google-enters-race-for-nuclear-fusion-technology
https://trialphaenergy.com/