美能源部报告呼吁加强聚变诊断能力投资

由美国能源部赞助的一份新的国家报告建议增加对美国聚变诊断能力的投资，将其描述为关键技术，可以为联邦机构和国会提供加速商业聚变电站所需的信息。该报告源自美国能源部2024年基础研究需求研讨会：测量创新，该研讨会由科学办公室的聚变能源科学计划组织。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室先进项目负责人Luis Delgado-Aparicio主持了研讨会，罗切斯特大学激光能量学实验室科学家Sean Regan担任联合主席。会议汇集了来自大学、私营聚变公司和国家实验室（如PPPL）的专家，以确定维持美国在聚变能源和等离子体技术领域领导地位所需的测量工具。

该研讨会支持美国能源部聚变科学与技术路线图，该路线图制定了到2030年代中期的一系列行动和里程碑，为美国具有竞争力的聚变能源产业提供科学和技术基础。Delgado-Aparicio表示，测量创新已经推动并将继续推动等离子体科学和技术的突破，新报告在七个关键领域提供了详细的研究结果，这些领域将影响公共和私营聚变努力。Regan补充说，创新的诊断技术可以加快商业聚变能源的发展道路，同时增强美国在等离子体科学中的作用。

总计70名研究人员评估了由聚变能源科学资助的七个等离子体物理主题。他们的工作涵盖了低温等离子体、高能量密度等离子体、等离子体与周围材料的相互作用、磁约束聚变产生的燃烧等离子体、惯性约束聚变产生的燃烧等离子体、基于磁约束的聚变示范电站以及基于惯性约束的聚变电站。

报告概述了旨在改进美国科学家测量这些状态下等离子体的优先研究机会。一个优先事项是开发能够在未来聚变电站内预期的高辐射水平下存活并仍能提供准确数据的诊断技术。另一个是发明能够捕获惯性约束聚变实验中发生的超快过程的技术。

作者还强调了人工智能工具的潜力，这些工具可以加速诊断设计和优化。他们呼吁使用人工智能和机器学习，以及基于物理的建模和数字孪生，在部署到实验之前验证新的测量概念。

几项建议侧重于为诊断创新建立更强的国家结构。报告提议建立一个协调的测量创新网络，以LaserNetUS计划为模型，建议名称为CalibrationNetUS，以连接设施、用户和标准。它还敦促组建国家团队，能够有效地将新的诊断想法转化为聚变设施的工作仪器。

标准化校准实践是另一个核心主题。根据报告，更系统化的校准方法将显著提高不同聚变和等离子体平台测量的质量和可比性。这种一致性将帮助研究人员建立性能基准、完善模型并验证实验结果。

作者强调了将诊断技术和操作专业知识从公共资助实验室转移到私营部门聚变企业的重要性。他们认为，与私营设施共享工具和专业知识，将在公共研究计划和商业开发者之间创造互惠互利的反馈，因为双方都在追求实用的聚变能源。

长期劳动力战略也作为成功的关键要素出现在报告中。作者表示，实现聚变示范电站所需的测量创新将需要大规模且持续的努力来培训新的专家，从研究生到经验丰富的工程师，他们能够设计、建造和操作先进的诊断设备。

最后，报告指出了为未来聚变示范电站的远程操作和维护做准备的必要性。它建议未来举办专注于测量创新的研讨会，使科学家能够远程监测和维护聚变系统，这种方法预计在高辐射环境中至关重要。

Delgado-Aparicio和Regan感谢工作组和更广泛的社区在汇编报告过程中的贡献，强调了研究结果背后的协作努力。该文件是在美国能源部聚变能源科学的指导下制定的，在Oak Ridge科学与教育研究所团队的支持下组织，并在PPPL工作人员和合作伙伴的沟通和设计协助下完成。

研究报告：聚变能源科学测量创新基础研究需求研讨会

摘要