深度强化学习赋能核聚变，AI 辅助等离子体控制参数优化的探索之路
在人类追求清洁能源的征程中，核聚变一直被视为终极梦想，它以氘、氚等轻核为燃料，通过原子核的聚变反应释放巨大能量，原料储量丰富且几乎无污染排放，一旦实现可控商用，将彻底改写全球能源格局，要驯服核聚变这头“猛兽”，精准控制高温高压等离子体是核心难题，而其中等离子体控制参数的优化更是关键中的关键，近年来，随着人工智能技术的飞速发展，尤其是深度强化学习（DRL）的崛起，为核聚变中等离子体控制参数优化带来了前所未有的机遇与希望。
核聚变与等离子体控制的复杂挑战
核聚变反应需在极端条件下进行，即超高温（上亿摄氏度）与超高真空环境，使原子完全电离形成等离子体，在托卡马克装置这类主流核聚变实验平台中，利用强磁场将高温等离子体束缚在特定区域，维持其稳定性并持续发生聚变反应，但等离子体行为极其复杂多变，受到多种因素相互耦合影响，如磁场强度、电流分布、粒子密度、温度梯度等。
微小的参数扰动都可能引发等离子体的不稳定，导致崩溃或失控，中断聚变反应，磁场强度稍有偏差，可能破坏对等离子体的磁约束，使其脱离预定轨道；粒子密度波动过大，会影响聚变反应速率与能量输出效率，传统基于理论模型与实验试错相结合的控制方法，难以全面、实时地应对这些复杂情况，参数调整往往滞后且不够精准，限制了核聚变装置性能提升与稳定运行。
深度强化学习：开启智能优化新范式
深度强化学习融合了深度学习感知能力与强化学习决策能力，为等离子体控制参数优化提供了创新思路，其原理类似一个智能试错系统，智能体（Agent）在核聚变环境这个“竞技场”中，通过与环境不断交互，采取不同动作（调整等离子体控制参数），观察环境反馈回报（如等离子体稳定性指标、聚变反应效率等），利用深度神经网络学习策略，逐步找到最优控制策略组合。
在算法架构上，常采用深度 Q 网络（DQN）及其变体，DQN 利用深度神经网络逼近 Q 函数，评估在不同状态下采取各动作的价值，智能体依据 Q 值选择最优动作，每次经历存入经验回放池用于后续训练，避免重复犯错并提升学习效率，还有近端策略优化（PPO）等算法，在策略更新时兼顾新策略稳定性与探索性，减少因参数大幅变动引发等离子体失控风险，更适合复杂核聚变场景连续控制需求。
深度强化学习优化等离子体控制参数的实践路径
状态表征与信息提取
精准构建等离子体状态表征体系至关重要，借助先进诊断技术，如汤姆逊散射测量电子温度、电子密度，磁探针监测磁场拓扑结构变化等，收集海量实时数据，这些数据经预处理后，作为深度强化学习智能体输入，反映等离子体当下状态特征。
利用卷积神经网络（CNN）等深度学习架构自动提取数据深层特征，识别等离子体形状、边界位置、内部扰动模式等关键信息，将高维复杂数据转化为紧凑、具代表性的状态向量，为后续决策提供精准依据，让智能体“看清”等离子体态势。
动作定义与策略探索
明确智能体可执行动作，即等离子体控制参数调整范围与步长，涵盖磁场线圈电流调节、中性束注入功率改变、燃料喷射速率控制等，动作空间维度高且部分参数调整具连续性，要求智能体精细探索策略。
采用基于概率的探索策略，初期以较高概率随机尝试不同动作组合，拓宽对等离子体响应认知；随学习深入，依历史经验增加对高回报动作选取概率，平衡探索与利用，如在遇到等离子体轻微不稳定初期，智能体试探性微调磁场强度，观察稳定性恢复效果，积累经验后更精准把控调整幅度与时机。
奖励机制设计与优化目标导向
设计合理奖励函数是引导智能体学习关键，奖励综合考虑等离子体稳定性指标（如偏离平衡位置程度、磁流体不稳定性增长率）、聚变反应效率（能量增益因子 Q 值提升）、装置运行安全性（避免过热、过流损坏设备）等因素。
若智能体调整参数使等离子体稳定运行时间延长、Q 值提高且无设备故障风险，给予正向高额奖励；反之，等离子体失控或接近安全阈值则施以负向惩罚，智能体在反复试错中明晰优劣动作差异，朝优化等离子体综合性能方向进化策略，实现控制参数精准寻优。
实验成果与应用潜力展望
在国际上，多个知名核聚变研究机构已开启 AI 辅助核聚变探索，例如欧洲联合环（JET）项目团队引入深度强化学习优化等离子体偏滤器控制，经大量模拟与少量实地试验结合，成功提升等离子体能量约束时间，减少杂质产生，验证智能算法有效性，美国国家点火装置（NIF）科研小组运用类似技术微调激光聚焦与靶丸内爆对称性相关参数，显著提高惯性约束核聚变靶丸压缩均匀性，为点火成功创造更好条件。
展望未来，随着计算资源升级、算法改进与核聚变实验数据积累，深度强化学习有望深度融入核聚变工程各环节，不仅在新装置设计阶段辅助确定最佳参数初值，缩短调试周期；还能在长期运行中实时动态优化，适应等离子体状态渐变与突发扰动，提升装置可靠性与能效，从实验室走向商业电站路上，AI 辅助等离子体控制参数优化将成强大助推器，让核聚变能源梦照进现实，为地球可持续发展注入澎湃动力，开启人类清洁能源新时代篇章。
