能源是社会、经济与科学技术发展不可或缺的资源。聚变能具有燃料丰富、安全性高、清洁环保等诸多优点，是当前科学发展水平下人类能够掌握的终极能源形式。核聚变（nuclear fusion）是指两个或多个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核（如氘和氚聚合成氦）的过程，这一过程会释放出大量的能量，并且几乎没有直接的放射性产物，与传统化石能源和裂变能相比更加清洁环保和安全。可控聚变能技术在彻底解决人类能源问题方面被寄予厚望，利用聚变发电的装置被形象地称作“人造太阳”。

核聚变过程示意图

聚变能技术的发展已历经几代科学家的研究积累，自上世纪60年代以来，世界各国就对聚变能研究进行了长期投入。其中，托卡马克装置凭借杰出的性能脱颖而出，成为磁约束聚变能研究的主流技术路线。已经建成和正在建设的聚变实验装置大部分是托卡马克装置，比较知名的包括国际合作项目ITER、美国的DIII-D、日本的JT-60SA、英国的JET、中国的东方超环（EAST）和环流器2M（HL-2M）、韩国的KSTAR，以及正在建设的SPARC等。

“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，其目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。该计划由中国、欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和印度七个成员方共30多个国家参与，2001年估算的投入预算约50亿欧元。目前ITER正处于装配阶段，计划2025年底实现首次放电，2035年开始氘氚运行。中国于2006年正式加入ITER计划，是我国以平等、全权伙伴身份参加的迄今为止规模最大的国际科技合作项目。

聚变装置内部构造    图源| PHYS

中国在聚变能研究上取得了许多重要进展，例如中国自主研发的东方超环托卡马克装置（EAST），是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，在该装置上开展的研究已经取得了一系列具有国际影响力的突破性成果，先后实现了1兆安、1.6亿度、1056秒的等离子体运行，通过开放共享的建制化管理模式，全面实现了EAST设计参数指标，在稳态等离子体运行的工程和物理上继续保持国际引领地位；核工业西南物理研究院先后成功建造了中国环流器一号（HL-1）以及中国环流器新一号（HL-1M）、中国环流器二号A（HL-2A）、新一代中国环流器二号M（HL-2M）等多个磁约束聚变装置。

全超导托卡马克EAST实验装置    图源| 新华社

新华社对于EAST长脉冲高参数等离子体运行的报道 图源|新华社

近年来，社会资本也不断涌入聚变能领域、加速聚变能源商业化的实现。投资金额从此前的几百、上千万美元直接上升到数亿、数十亿美元的量级，包括微软创始人比尔·盖茨、亚马逊创始人杰夫·贝佐斯等个人投资者，以及谷歌、微软、腾讯等国内外互联网行业巨头纷纷投资于此。据Fusion Industry Association（FAI）统计，在2021年可控聚变能领域共吸引近19亿美元的私⼈资金、8500万美元的政府资金以及其他渠道的资金。

随着等离子体物理、高温超导技术、先进诊断技术、人工智能和高性能计算等多领域的深入交叉与发展突破，超算为聚变能研究中大规模数值模拟、数据挖掘和机器学习等方向提供了强有力的支持，并成为支撑聚变能发展的主力军之一。应用高性能计算平台解决聚变物理和工程中的难题成为国际聚变领域的热门研究方向，特别是在托卡马克的建设和运行中，越来越多的工作需要基于超级计算平台完成，与超算平台相适应的先进算法、大规模并行模拟软件、科学大数据平台与人工智能框架也得到迅速发展。

以辛算法、洛伦兹协变算法为代表的等离子体几何算法在近十年来蓬勃发展，以几何算法为核心的先进等离子体软件开发项目GAPS（Geo-Algorithmic Plasma Simulator）已孕育出多个具有优秀性质的大规模模拟程序。2015年中科院最佳超算应用奖因“充分利用世界顶尖超级计算机系统，研究托卡马克多尺度、非线性射频波物理过程，在算法构造、大规模模拟及物理上均具有创新性和重要价值”颁发给了“辛PIC算法在射频波大规模并行模拟中的应用”。2016年，中国科学技术大学刘健课题组利用自主开发的APT（Accurate Particle Tracer）软件在当时世界排名Top1的神威·太湖之光超级计算机上对逃逸电子物理进行了千万采样点、超千亿时间步的大规模粒子长期模拟研究,发现无碰撞投掷角散射、磁波纹场对逃逸电流约束等一系列新物理现象。浙江大学马志为团队自主研发的磁流体程序CLT（-K）可以实现大规模CPU和GPU并行计算，在托卡马克等离子体旋转和各类不稳定模式、高能量粒子耦合等方向取得了一系列成果。2021，中国科学技术大学与合作单位在新一代神威超级计算机上首次实现EAST和CFETR 聚变堆全装置动理学等离子体演化模拟，并入围戈登•贝尔奖Final List。

2020年日本国家核聚变科学研究建立了专门用于聚变能模拟的超级计算机系统——等离子模拟器雷神。2021年，英国原子能管理局（UKAEA）宣布与英国科学与技术设施理事会（STFC）开展合作，启动针对聚变研究的超大规模计算卓越中心，以加速英国聚变能项目研究。该卓越中心计划利用最新的计算系统以及世界领先的超算技术与数据科学专业知识攻克聚变领域的挑战，包括：深入理解等离子体并对其建模、积累未来聚变电厂数字孪生系统所必须的创新性技术、开发高性能计算与人工智能相融合的技术等。最终使这些在超级计算机上运行的复杂模型可以帮助研究人员建设虚拟聚变堆并实施虚拟实验，从而避免在现实中建设成本高昂、周期漫长的原型设施。2022年初，谷歌旗下人工智能团队Deepmind和瑞士洛桑联邦理工学院合作，利用深度学习实现了对托卡马克装置运行的自动控制。Deepmind通过强化学习训练AI模型，自动控制19个托卡马克线圈，通过磁场精确操控等离子实验运行，其获得的等离子体形状已大大超过了此前人工运行的参数范围。作为美国国家战略计算倡议中“百亿亿次计算项目”的一部分，美国能源部下属的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）正在牵头开发在下一代超级计算机上运行的聚变能研究的程序。该项目的目标是实现首个超高温等离子体聚变反应的完整模拟，使科学家能够精心设计反应堆来“把恒星放进罐子里”，生产安全、清洁、丰富的能源用于发电。

图源|nature论文“Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning（通过深度强化学习实现托卡马克等离子体的磁场控制）”

国家超级计算济南中心在先进能源方向上率先布局，将聚变能研究作为重点研发方向之一。近年来，多位毕业于国内外顶尖高校的优秀人才加入国家超算济南中心，组建先进能源研究方向的专业队伍，依托神威E级原型机、山河超级计算平台等国家级超算平台，在聚变模拟算法、聚变能软件开发、大规模聚变物理模拟和聚变能AI研究等方面展开探索研究。2021年，国家超算济南中心成立先进算法联合实验室，进一步同各大高校和科研院所在聚变能方向展开更加广泛而深入的合作。国家超算济南中心将发挥自身在超算能力、研发和技术方面的优势，为聚变能源研究和国家能源战略的发展作出贡献。

国家超级计算济南中心先进算法联合实验室简介：

先进算法联合实验室（以下简称实验室）成立于2021年，实验室依托国家超级计算济南中心国家级平台优势，联合中国科学技术大学、中国科学院数学与系统科学研究院、复旦大学、清华大学等国内顶尖科研院所专家学者共同建立。基于实验室成员在先进算法、高性能计算及各应用领域的专业和经验优势，实验室致力于开展具有战略性、原创性、前瞻性的理论创新和关键技术攻关。着力推进高性能计算研究与高水平应用的结合，聚集优秀人才，研发、实施并推广先进算法在聚变能源、核物理与核工程、大气科学、空间物理等国家重大科技方向的研究和应用。坚持“四个面向”，力争在各科研方向解决关键问题、取得重要突破，为不断攻克前沿科技创新难题和探索跨学科的科学体系做出重要贡献。