一種新機器學(xué)習(xí)模式的出現(xiàn)，使設(shè)計非常復(fù)雜的熔鹽堆變得簡單。阿貢國家實驗室的科學(xué)家介紹了他們的AI熔鹽堆開發(fā)解決方案。

1、熔鹽堆設(shè)計挑戰(zhàn)

阿貢國家實驗室(圖源：網(wǎng)絡(luò))

盡管熔鹽堆的設(shè)計優(yōu)勢為四代堆技術(shù)吸引了相當(dāng)多的關(guān)注，但該技術(shù)也面臨著挑戰(zhàn)。

用于在反應(yīng)堆周圍運輸燃料和提供傳熱的鹽，必須具有特定的特性。反應(yīng)堆設(shè)計者正在尋找合適溫度、密度和粘度的鹽組合，這些都與液態(tài)鹽如何循環(huán)和用于從反應(yīng)中獲取熱量有關(guān)。

熔鹽堆區(qū)域仍有許多未知因素，例如不同成分鹽的不同屬性。

事實上，有成千上萬種不同的混合物和鹽的組合，可以以不同的比例混合并用于反應(yīng)堆設(shè)計。

這使得選擇理想鹽組合任務(wù)變得極其復(fù)雜。

現(xiàn)在，為了幫助確定正確的熔鹽類型，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室的研究人員正在部署內(nèi)部開發(fā)的人工智能(AI)技術(shù)，探索熔鹽組合的特征，從而確定最有希望進行進一步研究的熔鹽。

阿貢國家實驗室化學(xué)和燃料循環(huán)技術(shù)部的化學(xué)工程師郭繼成(音譯)解釋說：“我們嘗試不同的鹽成分，將其混合的原因是它們具有不同的屬性。另一個考慮因素是，在反應(yīng)堆環(huán)境中，當(dāng)我們引入鈾燃料時，這是一個影響鈾濃度的動態(tài)過程，因為會促進衰變。

隨著時間的推移，鈾濃度會發(fā)生變化，這也會影響鹽的屬性。改變成分，比如密度、粘度、熱容這些因素，屬性就會改變，這些對核反應(yīng)堆的運行都非常重要。”

由于難以進行高溫衍射實驗和解釋結(jié)果，解開多組分熔鹽的液體結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。

“以前，如果我們進行實驗來探索這些特征，我們必須準(zhǔn)備很多不同的成分，并在高能X射線下觀察每一種成分的結(jié)構(gòu)，這很耗時，”郭說，“此外，處理含有放射性元素的高溫熔鹽非常具有挑戰(zhàn)性，成本也非常高，因為我們必須有專業(yè)人員來操作這些儀器。”

然而，另一種方法是使用不同的技術(shù)對鹽進行計算機建模。

2、反應(yīng)堆計算機建模

這建模主要為分子動力學(xué)模擬，有兩種類型。

一種是基于經(jīng)驗力場的經(jīng)典分子動力學(xué)(MD)，其中對包含一千到一萬個原子的非常大的單元進行建模。

郭說：“我們可以大致了解這個單位的屬性，但由于它使用了一些近似值，所以不太準(zhǔn)確。”

另一種方法是第一性原理分子動力學(xué)(ab initio MD)，使用密度函數(shù)理論(DFT)對一個可能有一百個原子的非常小的單位進行建模。

“這樣做的優(yōu)勢是非常準(zhǔn)確，但它只能預(yù)測一個非常小的單位行為，所以我們不知道在更長的范圍內(nèi)會發(fā)生什么。”郭指出。

為了解決與這兩種方法相關(guān)的問題，阿貢的研究人員開發(fā)了一種基于機器學(xué)習(xí)的高斯近似勢(GAP)，能夠直接從DFT中學(xué)習(xí)許多體相互作用。

它結(jié)合了這兩種計算機模擬的優(yōu)點，模擬了一個含有數(shù)萬個原子的非常大的單位，但仍然可以保持第一性原理計算的準(zhǔn)確性。

“與這兩種技術(shù)相比，這是一個巨大的優(yōu)勢。”郭說。

他們的研究旨在確定，由機器學(xué)習(xí)驅(qū)動的計算機模擬是否可以指導(dǎo)和完善現(xiàn)實世界的實驗，這些實驗隨后在DOE科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施高級光子源(APS)進行。

盡管最初是為特定的熔融氯化鋰-氯化鉀(LiCl-KCl)鹽組合建模的，但AI工具的關(guān)鍵是成分可轉(zhuǎn)移高斯近似勢(GAP)，正如郭所說：“我認(rèn)為這項研究的獨特之處在于具有成分可轉(zhuǎn)移勢的能力，這意味著我們可以預(yù)測我們在訓(xùn)練集中沒有引入的成分。”

3、數(shù)據(jù)集外工作

機器學(xué)習(xí)通常包括訓(xùn)練計算機根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析各種情況。

阿貢數(shù)據(jù)科學(xué)與學(xué)習(xí)部助理，計算科學(xué)家加內(nèi)什·西瓦拉曼(Ganesh Sivaraman)說：“機器學(xué)習(xí)研究的一個主要問題是，不能在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集之外工作。這是許多普通機器學(xué)習(xí)研究人員正在努力解決的問題。你如何確保這些機器學(xué)習(xí)工具在訓(xùn)練數(shù)據(jù)之外的區(qū)域工作?”

他補充道：“這里的問題是，在沒有訓(xùn)練模型的情況下，如何合并所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)。”

在之前建模工作的基礎(chǔ)上，研究人員利用主動學(xué)習(xí)創(chuàng)建了一個可轉(zhuǎn)移的模型來分析熔鹽。

準(zhǔn)確的GAP是從10種獨特的混合物成分中提取大約1100種訓(xùn)練配置中主動學(xué)習(xí)的。這些數(shù)據(jù)被元動力學(xué)豐富了。

“機器學(xué)習(xí)所能做的是學(xué)習(xí)潛在的非線性，即原子如何在鄰域內(nèi)相互作用。這是從來自最準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)的。我們可以求解薛定諤方程，直到所選DFT近似的物理極限，本質(zhì)上我們對一小群原子這樣做，然后用它來訓(xùn)練這些機器學(xué)習(xí)模型。” 西瓦拉曼解釋道。

“機器學(xué)習(xí)模型可以用于運行這些現(xiàn)代求解模擬所需的相同長度尺度，但精度與第一性原理分子動力學(xué)計算方法相同。”

“我們使用部分訓(xùn)練的機器學(xué)習(xí)模型和固定數(shù)量的成分，迫使其到一個沒有使用元動力學(xué)的區(qū)域。我們多次打破潛力，以確保它捕捉到所有這些不同的區(qū)域，這些區(qū)域沒有明確包括在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中，我們將其納入重新訓(xùn)練過程。通過這樣的采樣，它可以從那里得到無限數(shù)量的組合。”

西瓦拉曼說：“我們沒有改變成分，而是模擬與成分變化相對應(yīng)的所有場景，然后迭代地將其納入機器學(xué)習(xí)模型。”

這種方法意味著，可轉(zhuǎn)移模型可以應(yīng)用于多種混合物，而不是適用于一種或兩種特定的熔鹽混合物成分。

該模型能夠基于這些原理，而不是基于知識的數(shù)據(jù)集進行預(yù)測。

在開發(fā)了該模型后，使用阿貢領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施(ALCF)的高性能計算資源進行了機器學(xué)習(xí)模擬。

4、相互驗證

正如西瓦拉曼所說：“我們沒有用那個最佳點(即共晶)成分的例子來訓(xùn)練模型，在那里可以得到正確的熔點。不過，我們的模型成功地預(yù)測了那個最佳點，即使沒有相應(yīng)的訓(xùn)練輸入。”

對于熔融鹽，雖然可以將它們以不同的比例混合，并具有幾乎無限的混合物組合，但可以使用該模型來探索有前景的新鹽成分。

西瓦拉曼指出：“以上所述表明，你確實可以用機器學(xué)習(xí)模型來做到這一點，然后用物理實驗來驗證這些數(shù)據(jù)，這使科學(xué)變得更加嚴(yán)格。這意味著你可以發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用程序最相關(guān)的鹽成分，因為即使你沒有用實際數(shù)據(jù)明確訓(xùn)練過，模型也可以在所有這些成分中計算工作。”

研究人員使用APS的強大X射線來仔細觀察特定鹽混合物的結(jié)構(gòu)，并使用高能X射線衍射來驗證該模型。

APS是這些類型測量的獨特工具，該設(shè)施的6-ID-D光束線用于驗證AI分析。

“模擬通常很難與儀器的讀數(shù)相匹配，尤其是對于高溫模型，但當(dāng)我們將模擬結(jié)果與高能衍射的儀器讀數(shù)進行比較時，它非常匹配，”郭指出。

他補充道：“我們使用實驗結(jié)果來驗證我們的模擬。同時，模擬結(jié)果為我們提供了更多關(guān)于哪些鹽需要進一步研究的細節(jié)。它們相互作用。這使我們能夠同時研究多種成分。”

5、AI應(yīng)對更復(fù)雜的要求

AI可以針對可能的鹽組合進行進一步研究，以支持熔鹽反應(yīng)堆開發(fā)。

由于反應(yīng)堆熔鹽的可能成分組成如此巨大，試圖為每種可能的組成產(chǎn)生實驗數(shù)據(jù)昂貴和耗時，幾乎是不可能的。

鑒于時間和金錢成本，人們希望縮小成分計算范圍，因此，科學(xué)家們轉(zhuǎn)而使用AI，因為最新的機器學(xué)習(xí)模型可以理解他們沒有看過的東西，并可以推斷出有價值的數(shù)據(jù)。

西瓦拉曼說：“我們已經(jīng)驗證了六種從未訓(xùn)練過的不同成分，結(jié)果有效，我們甚至對共晶進行了實驗驗證，這是機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的第一個重要結(jié)果。”

“目前的研究重點是驗證已經(jīng)設(shè)計的模型。然后進行部署，以確定反應(yīng)堆中使用的理想鹽混合物。”

事實上，如今的研究人員已經(jīng)認(rèn)可了這種方法的可行性，下一步是處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)更能反映運行中的熔鹽反應(yīng)堆的實際環(huán)境。

“熔鹽反應(yīng)堆是一個非常動態(tài)的環(huán)境。隨著時間的推移，條件會發(fā)生變化，有時雜質(zhì)會進入鹽中，”郭說，“我們想引入少量這些雜質(zhì)，看看該模型能否預(yù)測其對熔鹽整體結(jié)構(gòu)及其他方面的影響。”

此外，當(dāng)雜質(zhì)進入鹽中時，它會開始腐蝕那些高溫合金，例如為熔鹽反應(yīng)堆開發(fā)的特殊合金，稱為哈氏合金-N。這些物質(zhì)也可以進入鹽中。

此外，該模型還必須考慮反應(yīng)堆運行時的衰變產(chǎn)物，以及鈾變成不同密度的不同材料。

一旦科學(xué)家們完全驗證了該模型，目標(biāo)是輸入一系列理想的特性，如密度或熱容和熔點，模型將得出正確的組成。

“在下一步，我們將展示我們可以從元素周期表中隨機選擇熔融鹽，將它們混合在一起創(chuàng)建模型。從元素周期圖中選擇兩到三種不同的鹽，然后創(chuàng)建模型。不用做物理實驗就能弄清楚其中特性。我們現(xiàn)在有了這種能力。” 西瓦拉曼總結(jié)道。

這個項目的關(guān)鍵不僅是找到一種具有理想密度和熔點特性的鹽組合，還在于確定它在反應(yīng)堆系統(tǒng)中的實際操作方式。