聚变能源正在被开发为解决全球能源问题的方法。特别是超高温等离子体被磁场限制的磁约束法是最先进的，被认为是最有前途的聚变反应堆方法。通过这种方法，等离子体被磁场以高温、高密度的状态限制在反应堆中，等离子体中聚变反应释放的能量转化为电能。为了实现这种发电方法，必须预测和控制聚变等离子体的复杂行为。一种可能的控制方法是数字孪生控制，其中聚变等离子体基于在数值空间中再现的等离子体进行控制。然而，由于模型不仅要考虑复杂的等离子体流动，还要考虑许多其他因素，如加热、燃料供应、杂质和中性颗粒，因此很难使用仿真模型高精度地预测和分析等离子体行为。此外，未来的聚变反应堆将具有有限的测量能力，这迫使在高度不确定性和缺乏信息的条件下进行预测控制和等离子体状态估计。由日本京都大学研究生院工学研究科的助理教授森下裕哉、村上贞义教授、助理教授 Naoki Kenmochi、助理教授 Hisamichi Funaba、Masayuki Yokoyama 教授、日本国立自然科学研究所国立聚变科学研究所的大阪正树教授和统计数学研究所的 Genta Ueno 教授领导的研究小组， 日本和日本数据科学研究联合支持中心开发了一种新的控制系统，即使在这种高度不确定的条件下，也可以使用实时观测来优化预测模型，并根据改进的预测模型估计最佳控制。
一种称为数据同化的数学方法是一种使用观察到的信息来减少数值模拟与现实之间的差异的技术。数据同化用于提高大规模模拟模型的预测和分析性能。我们开发了ASTI作为聚变等离子体的数据同化系统。一般来说，数据同化是一种提高预测和分析准确性的技术。在这项研究中，我们在数据同化框架中增加了控制功能，并创建了一个可以对聚变等离子体进行数字孪生控制的系统。这种基于数据同化的控制方法使仿真模型实时适应聚变等离子体的实际行为，从而可以高精度地预测等离子体行为，并根据预测结果进一步控制。在ASTI中，大量不同状态的模拟被并行进行，以概率预测等离子体的未来状态。通过在这种预测的概率分布中反映观察和目标状态，进行对真实等离子体的适应和对照估计。
ASTI应用于世界上最先进的超导等离子体实验设施——大螺旋装置，该装置配备了许多控制旋钮，包括高功率电子回旋共振加热装置和先进的测量设备，包括实时汤姆逊散射测量系统。我们进行了一项实验，通过 ECH 控制实际等离子体的电子温度，同时根据实时观察到的电子密度和温度分布优化预测模型。结果，电子温度接近目标温度，同时提高了模型的预测精度，并成功实现了全球首次基于数据同化的数字孪生对聚变等离子体进行预测控制的演示。这种新的控制方法有望成为聚变反应堆控制的基础，因为它可以应用于重要但具有挑战性的控制问题，包括等离子体密度和温度曲线的控制以及无法直接测量的量的控制，例如热从等离子体内部逸出的难易程度。这些结果已发布在《自然》出版集团的期刊《科学报告》上。
本研究中开发的控制系统为聚变反应堆的控制奠定了基础，其中必须同时考虑各种组件。虽然该控制实验是聚变等离子体数字孪生控制的起点，但它是朝着实现聚变发电所必需的先进控制迈出的重要一步，例如等离子体轮廓控制和避免突然消失现象。未来，我们计划扩大控制系统，并在日本和国外的LHD和其他实验装置上进行更先进的控制问题的演示实验。
这种基于数据同化的控制方法为自适应预测控制提供了基础，在仅靠仿真难以高精度预测的情况下。因此，该方法不仅有望解决聚变等离子体的控制问题，还有望解决涉及许多不确定因素的其他社会问题，如道路交通控制和河流水位控制。
森下助理教授说：“我认为这项研究具有挑战性，但对于实现聚变发电很重要。对于擅长数值模型计算的我来说，这也是一次很好的机会，可以第一次体验聚变等离子体实验，并意识到现实与模拟的区别。将来，我想建立这个控制系统，作为聚变反应堆的控制基础。
