人工智能与光学诊断技术融合，为核聚变装置长脉冲稳态运行开辟新路径
2026年2月13日，中国科学院等离子体物理研究所EAST电磁测量团队在等离子体位形识别及控制领域取得重要进展。研究团队发展了基于可见光等离子体边界的实时位形识别方法，并首次在EAST托卡马克装置上实现了利用光学边界进行多控制点的等离子体形状控制，为未来核聚变反应堆的长脉冲稳态运行提供了全新的技术方案。
传统磁测量面临长脉冲挑战
托卡马克是目前实现受控核聚变最有希望的装置类型，而精确的等离子体位形控制是托卡马克稳态运行的关键。长期以来，等离子体位形重建主要依赖磁探针测量结合EFIT平衡重建代码。然而，这种方法在面临未来核聚变装置的长脉冲运行需求时，暴露出局限性。在EAST超过1000秒的长脉冲实验中，积分器会出现明显的信号漂移，导致位形重建误差累积。此外，磁探针还易受局部涡流、热电动势、辐射感应电动势等干扰。这一问题在ITER等未来聚变装置中将更加突出。因此，寻找一种不受积分漂移影响、能够在长脉冲条件下稳定工作的位形测量方法，成为国际聚变界共同面临的迫切需求。
光学边界：直接”看见”等离子体形状
研究团队另辟蹊径，将目光投向了等离子体自身发出的可见光。在托卡马克装置中，等离子体电子密度和温度在最外层闭合磁面（LCFS）内外存在显著梯度，导致工作气体和杂质在LCFS附近发生辐射发光。这条明亮的发光带被称为”光学等离子体边界”，其形状与LCFS高度对应。光学诊断是一种直接测量方法，它不受真空室内部电磁环境影响，不存在积分漂移问题，也不会因真空室金属结构而产生相位延迟。更重要的是，光学诊断系统作为端口诊断，具有比安装在真空室内的磁探针更高的可维护性。
图 1 基于光学边界的等离子体位形控制
人工智能助力光学位形识别
研究团队构建了面向等离子体控制的智能光学位形识别体系。针对复杂辐射背景与遮挡干扰问题，创新提出YOLO-GRAY两阶段检测框架：首先基于改进的YOLOv8n-seg-CBAM模型实现发光区域的动态自适应定位，将传统固定ROI升级为智能动态ROI；随后在预测区域内结合灰度特征方法精确提取边界，实现“粗定位+精提取”的融合策略，兼顾深度学习的鲁棒性与几何精度。同时，研发基于特征点匹配的在线相机标定与OFIT坐标映射方法，完成像素坐标到托卡马克三维坐标系的高精度转换，平均重投影误差仅0.65像素，为控制系统提供可靠位形参数。
图 2 光学边界识别
光学边界的多控制点位形控制
研究团队验证了该方法在不同放电参数和长脉冲放电中的效果。在长脉冲中磁边界发生1.5cm的累计漂移误差，而光学边界无明显累计漂移误差。此外，该方法在L模、H模、不同加热功率下都取得准确的光学边界识别。最终，研究团队在EAST实验中成功实现了基于光学边界的等离子体位形控制。
从2.8秒开始由LCFS计算的控制点位置切换至光学重建等离子体边界计算的5个光学控制点（低场侧seg1、seg3和高场侧seg4、seg6、seg8），稳定完成了等离子体位形控制。这是EAST装置上、甚至是托卡马克装置上，首次实现基于光学边界的多控制点等离子体位形控制，标志着光学位形控制从概念验证走向实际应用。
图 3 光学边界的单控制点/多控制点的位形控制
【参考文献】
- Chen M. et al. 2025. Real-time plasma boundary shape reconstruction using visible camera on EAST tokamak. Nuclear Fusion 65 016027. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad933e
- Chen M. et al. 2025. Development and demonstration of real-time high-speed visible image diagnostic on EAST tokamak. IEEE Transactions on Plasma Science. https://doi.org/10.1109/TPS.2025.3555694
- Zhang Q. et al. 2025. Optical plasma boundary detection using improved YOLOv8 segmentation network on EAST tokamak. Nuclear Engineering and Technology 57 103411. https://doi.org/10.1016/j.net.2024.103411
- Zhang Q. et al. 2026. Deep-learning based real-time optical plasma boundary detection for plasma shape control on EAST tokamak. Nuclear Fusion 66 036048. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ae45bb
