2022年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)下屬的瑞士等離子體中心(SPC)與谷歌旗下DeepMind聯(lián)合，開發(fā)了一個用于核聚變研究的人工智能深度強化學習系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了對托卡馬克內(nèi)部核聚變等離子體的控制。2023年，雙方再次宣布取得新的突破：不僅通過實驗模擬將等離子體形狀的精度提高了65%，還使得訓練時間大幅度減少。
使用強化學習控制器生成的不同等離子體形狀，版權(quán)所有：DeepMind & SPC/EPFL
一、基本概況
SPC，全稱是Swiss Plasma Center，即瑞士等離子體中心。前身可追溯到1961年成立的等離子體物理實驗室。SPC是一家全球領先的聚變實驗室，隸屬于洛桑聯(lián)邦理工學院，它也是歐洲聚變能發(fā)展聯(lián)盟EUROfusion的成員。實驗室主要從事等離子體物理理論、基礎實驗等離子體物理、托卡馬克物理、聚變反應堆材料、超導體開發(fā)與測試、回旋管和等離子體處理等領域的研究。
洛桑聯(lián)邦理工學院，全稱是École Polytechnique Fédérale de Lausanne(法語)，簡稱EPFL。學校最早成立于1853年，后于1969年從洛桑大學獨立出來，是一所由瑞士聯(lián)邦政府直接管理的公立研究型理工類大學。EPFL在國際上享有很高的聲望，其科技、物理等學科都屬于全球頂尖級別，在2023年QS世界大學排名中位列第16位。學校下設七個學院，而SPC隸屬于其基礎科學學院(School of Basic Sciences)。
EPFL的七個學院分別是：
基礎科學學院：School of Basic Sciences
工程學院：School of Engineering
建筑、工程與環(huán)境學院：School of Architecture, Civil and Environmental Engineering
計算機與通信科學學院：School of Computer and Communication Sciences
生命科學學院：School of Life Sciences
技術(shù)管理學院：College of Management of Technology
人文學院：College of Humanities
二、研究領域
SPC作為瑞士核聚變研究中心，承擔著所有與本國聚變研究相關的所有工作。主要任務包括：一是等離子體物理學的教學和研究;二是在瑞士聯(lián)邦政府與EURATOM框架內(nèi)開展科學聚變研究活動;三是發(fā)展其在材料、等離子體理論領域的技術(shù)開發(fā)與轉(zhuǎn)讓。其研究領域包括：
TCV托卡馬克物理：TCV(Tokamak à Configuration Variable)是SPC最大的實驗設施。SPC致力于是利用自身高度專業(yè)化的能力(尤其是在等離子體位形控制、電子回旋加熱方面)來探索磁約束等離子體的物理邊界，以期為ITER項目提供直接支持，同時也為ITER之后可能需要的一些替代路徑進行探索，推動聚變研究朝向原型聚變反應堆方向發(fā)展。
理論模擬：基于等離子體是一種極其復雜的物質(zhì)狀態(tài)，其特征是在廣闊的時間和空間尺度上發(fā)生的現(xiàn)象。SPC旨在通過解析理論和計算機模擬來理解這些物理現(xiàn)象。
基礎等離子體物理：主要是利用已有的TORPEX裝置來推進對磁化等離子體中發(fā)生的基本現(xiàn)象的理解，這些現(xiàn)象可能對聚變能源研究產(chǎn)生影響。
推動國際合作：旨在推動SPC參與JET實驗活動、參與ITER的建設，準備ITER的科學利用，以及DEMO(示范聚變電廠)的設計等國際性活動。
超導性研究：依靠其擁有的非常強大的超導體測試裝置SULTAN，SPC在超導性研究主要有兩個方面：一是利用SULTAN裝置測試聚變裝置(如ITER)中使用的超導體;二是參與為未來裝置(如DEMO)設計超導線圈，并開發(fā)高溫超導體。
等離子體處理：幾十年來，熱等離子體和非熱等離子體在各種工業(yè)中找到了應用，幾乎所有工業(yè)化國家的研發(fā)活動都在持續(xù)進行。SPC正在推動其先進的等離子體技術(shù)在半導體制造、光伏電池生產(chǎn)、平板顯示器制造等工業(yè)領域上的應用。
三、發(fā)展歷程
1961年，等離子體物理實驗室(Plasma Physics Laboratory)成立，這是一個瑞士聯(lián)邦委員會(瑞士的最高行政機構(gòu))和瑞士國家科學基金會(SNSF)組成的“原子科學特別委員會”組織成立的科研實驗室。
1968年，PPL更名為CRPP，即等離子體物理研究中心，后者成為瑞士在等離子體物理和聚變領域研究的主要實驗室。
1973年，CRPP加入EPFL，正式成為洛桑聯(lián)邦理工學院的一部分。
1978年，瑞士聯(lián)邦政府和Euratom簽署了一份關于瑞士參與歐洲核聚變領域研究的合作協(xié)議。CRPP和瑞士國家教育、研究和創(chuàng)新秘書處將會代表瑞士加入 Euratom計劃的指導委員會。
1989年，成立了一個新的研究分支：Industrial Plasmas小組。
1992年，建造第二個托卡馬克，即實驗聚變反應裝置TCV(Tokamak à Configuration Variable)。其獨特特性：可測試各種形狀的等離子體。同年，還開發(fā)超導體測試設施SULTAN，此后廣泛用于各類測試中。
1995年，為核聚變研究開發(fā)了首個大規(guī)模并行高性能計算(HPC)技術(shù)。
2000年，在TCV托卡馬克上安裝了首個電子回旋加速器(EC)加熱系統(tǒng)。
2002年，CRPP成為EPFL基礎科學學院(School of Basic Sciences)下屬的一個研究中心。
2003年，基本型等離子體設備TORPEX投入運行。
2013年，EUROfusion指定SPC的托卡馬克作為歐洲三臺國家機器之一，參與國際實驗聚變反應堆ITER的設計，以及ITER的繼任者DEMO(商用反應堆原型)的開發(fā)工作中。
2014年，CRPP正式加入EUROfusion。
2015年，CRPP更名為SPC(即瑞士等離子體中心)，升級其設施并擴大其活動范圍。同年，首套中性束注入加熱系統(tǒng)在TCV托卡馬克上安裝。
四、聚變裝置
TCA： 全稱Tokamak Chauffage Alfvén，是EPFL設計和建造的首臺核聚變裝置，于1980-1992年運營，重點用來評估和增強Alfvén波的等離子體加熱。其核心參數(shù)為：等離子體大半徑為0.615m，小半徑為0.18m，最大等離子體電流為100KA，最大環(huán)形磁場1.1T。1994年，這臺裝置轉(zhuǎn)讓給巴西圣保羅大學(USP)，隨后更名為TCABR(Tokamak Chauffage Alfvén BRésilien)，1999年開始重新啟動運營，現(xiàn)如今已是南半球最大的托卡馬克裝置。
TCV： 全稱Tokamak à configuration variable。1992年11月，產(chǎn)生了第一臺等離子體，1993年6月開始全面運行。TCV首次證明了負三角形變可降低湍流進而顯著改善等離子體約束，進而被越來越多的研究。在General Atomics的DIII-D托卡馬克裝置上進行的實驗也表明，負三角形變等離子體在沒有邊界局域模(ELM)的情況下，標準的L模邊緣徑向剖面可以達到典型的H模的能量約束。隨后，DIII-D托卡馬克的實驗將負三角形變高約束L模等離子體擴展成了偏濾器位形，產(chǎn)生了負三角形變的等離子體放電，并且具有顯著的歸一化和高約束模式的約束特征。TCV裝置的核心參數(shù)為：等離子體大半徑0.88m，小半徑0.25m、最大等離子體電流1.2MA、環(huán)形磁場1.54T。
TORPEX： 該裝置是歐洲為數(shù)不多的可以為理解空間和天體物理等離子體以及磁聚變的基本等離子體物理學做出重大貢獻的專用設備，配置了一組靈活的磁線圈，包括28個環(huán)形線圈和4個垂直線圈。核心參數(shù)為：等離子體大半徑1m，小半徑0.2m。
EUROfusion的中型托卡馬克(MST)計劃囊括了歐洲的四大中型托卡馬克裝置。除了TCV以外，另外三個我們之前也都有過介紹，它們分別是德國ASDEX Upgrade、英國MAST Upgrade和法國WEST。SPC還參與了不少國際項目，例如：
ITER： SPC參與了ITER電子回旋加熱系統(tǒng)的設計以及ITER反應堆的超導磁體測試、高電壓電源設備的測試。2016年，由中科院等離子體物理研究所承擔的ITER PF6磁體的超導接頭認證件在ITER組織指定的瑞士SPC的SULTAN實驗室完成了電性能測試，結(jié)果優(yōu)于ITER規(guī)定的技術(shù)要求。
DEMO： SPC參與了DEMO項目的設計和研發(fā)，包括為DEMO設計NbTi極向場(PF)線圈的初步設計。SPC制造并測試了第一個全尺寸的DEMO環(huán)向場(TF)導體原型RW1，并在2015-2016年進行了測試，第二個改進的原型也在SPC進行測試。
CFETR： 2016年5月份，歷經(jīng)一個多月的性能測試，經(jīng)歷了2次冷熱循環(huán)和上萬次的電磁循環(huán)后，中國聚變工程實驗堆(CFETR)中心螺管模型線圈超導導體在SPC以優(yōu)異性能通過測試，這也標志著中科院等離子體物理研究所在中心螺管線圈上取得了關鍵技術(shù)的突破，為后續(xù)項目的順利進展奠定了基礎。
