PPPL携手国际合作，打造独特的新型聚变反应堆

普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)是美国能源部(DOE)资助的一家国家实验室，它在这方面领导着多项工作。“SMART项目是我们大家齐心协力解决核聚变带来的挑战并将我们已经学到的知识传授给下一代的一个很好的例子，”PPPL国家球形环面实验升级(NSTX-U)研究副主任兼PPPL与SMART合作的首席研究员Jack Berkery说。“我们必须齐心协力，否则就无法实现。”

塞维利亚大学原子、分子和核物理系的教授Manuel Garcia-Munoz和Eleonora Viezzer，也是等离子体科学和聚变技术实验室和SMART托卡马克项目的联合负责人，他们表示，PPPL似乎是他们首次托卡马克实验的理想合作伙伴。下一步是决定他们应该建造什么样的托卡马克。“它需要是大学可以负担得起的，但也需要在大学规模上为聚变领域做出独特贡献，”Garcia-Munoz说。“我们的想法是将已经建立的技术结合在一起：球形托卡马克和负三角性，使SMART成为同类中的第一个。事实证明这是一个绝妙的想法。”

图：SMART

SMART应提供易于管理的聚变等离子体

三角性是指等离子体相对于托卡马克的形状。托卡马克中等离子体的横截面通常呈大写字母D的形状。当D的直线部分朝向托卡马克中心时，就称其具有正三角性。当等离子体的弯曲部分朝向中心时，等离子体具有负三角性。

图：将灰白色的圆圈烧在黑纸上，以测试激光对 SMART 的汤姆逊散射诊断。

Garcia-Munoz表示，负三角效应应该能够提高性能，因为它可以抑制从等离子体中排出粒子和能量的不稳定性，从而防止托卡马克装置受损。他说：“对于未来的紧凑型聚变反应堆来说，它具有有吸引力的聚变性能和功率处理能力，可能会改变游戏规则。负三角效应在等离子体内部的波动程度较低，但它也有更大的偏滤器面积来分散热量。”

SMART的球形形状应该比甜甜圈形状更能限制等离子体。形状对等离子体限制非常重要。这就是为什么PPPL的主要聚变实验NSTX-U不像其他托卡马克那样矮小：更圆的形状更容易限制等离子体。SMART将成为第一个充分探索特定等离子体形状(称为负三角性)潜力的球形托卡马克。

PPPL的计算机代码专长对SMART项目至关重要

PPPL在球形托卡马克研究领域的领先地位得到了国际认可。塞维利亚大学的聚变研究团队选择与PPPL合作，将其开发的TRANSP模拟软件应用于SMART的设计中。TRANSP软件在全球多家研究机构和企业中得到广泛应用，包括英国的Tokamak Energy。

“PPPL在包括聚变模拟在内的许多领域都处于世界领先地位;TRANSP就是他们成功的一个很好的例子。”Garcia-Munoz说。

前PPPL研究员Mario Podesta在帮助塞维利亚大学确定用于加热等离子体的中性光束配置方面发挥了重要作用。这项工作最终在《等离子体物理与受控聚变》杂志上发表了一篇论文。

NSTX-U研究主任Stanley Kaye正与SMART项目团队的EUROfusion研究员Diego Jose Cruz-Zabala合作，运用TRANSP模拟软件来确定在不同操作阶段实现特定等离子体形状(包括正三角形和负三角形)所需的整形线圈电流。Kaye指出，项目的第一阶目标是创建一个“非常基础的”等离子体，而第二阶段则会采用中性束来加热等离子体。

此外，Berkery以及他的团队，包括John Labbate(现为哥伦比亚大学研究生)和前塞维利亚大学研究生Jesús Domínguez-Palacios(目前在美国一家公司工作)，正在使用不同的计算机代码来评估未来SMART等离子体的稳定性。Domínguez-Palacios在《核聚变》杂志上发表了一篇论文，详细介绍了他们的研究成果。

设计长期诊断方法

SMART项目与PPPL之间的合作扩展到了诊断学领域，这是实验室的核心专业之一。诊断学涉及使用带有传感器的设备来评估等离子体的状态。PPPL的研究人员正在设计多种诊断工具，其中包括物理学家Manjit Kaur和Ahmed Diallo与Viezzer合作开发的SMART汤姆森散射诊断系统。这一系统能够精确测量聚变反应中电子的温度和密度，其研究成果已发表在《科学仪器评论》杂志上。

这些诊断工具将补充由塞维利亚大学的Alfonso Rodriguez-Gonzalez、Cruz-Zabala和Viezzer开发的电荷交换复合光谱套件所提供的离子温度、旋转和密度测量数据。

Manjit Kaur表示，这些诊断系统的设计考虑了长期运行的需求，必须能够应对SMART在未来几十年内可能遇到的不同温度范围，而不仅仅是目前的低值。她从项目初期就开始设计汤姆森散射诊断系统，包括选择合适的激光器和其他部件。初步的激光测试结果令人满意，团队正在期待后续部件的到来，以便完成诊断系统的搭建。

PPPL的研究工程师James Clark，专注于汤姆森散射系统的研究，也加入了Kaur的团队。他的工作重点是设计激光路径和相关光学器件，并协助处理项目的物流事宜。

此外，PPPL的高级项目负责人Luis Delgado-Aparicio正与Joaquin Galdon-Quiroga和Jesus Salas-Barcenas合作，为SMART引入多能量软X射线(ME-SXR)诊断和光谱仪。这些工具将采用与汤姆森散射不同的方法来测量等离子体的电子温度和密度。

光谱仪通过分析托卡马克内部不同频率的光，能够提供等离子体中杂质(如氧、碳和氮)的信息。这些诊断工具的设计和实现，将为SMART的运行提供关键的数据支持。

PPPL的研究物理学家Stefano Munaretto在Fernando Puentes del Pozo Fernando的协助下，开发了SMART的磁诊断系统。该系统虽然结构简单，但优化传感器的几何形状和放置位置，以及后续的信号调节和数据分析，都是技术挑战。

Munaretto对与年轻学生一起工作感到非常充实，他认为这些学生渴望学习、工作努力，预示着他们光明的未来。Luis Delgado-Aparicio也享受与塞维利亚大学的团队合作，并对学生们的聪明才智和贡献表示赞赏。

塞维利亚大学的研究人员已经对托卡马克装置进行了初步测试，使用微波加热氩气产生了粉红色光芒，这标志着向实现更高密度等离子体的约束迈出了一步。尽管这还不是真正的首次等离子体实验，但这一成果预示着未来可能的成功。Garcia-Munoz预计，真正的首次等离子体实验将在2024年秋季进行。