全球研究合作打造出新型独特的聚变反应堆

就像原子聚集在一起释放能量一样，世界各地的聚变研究人员正在联手解决世界能源危机。利用聚变等离子体的力量作为电网的可靠能源并非易事，需要全球的贡献。

普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 正在这方面开展多项工作，包括与西班牙塞维利亚大学合作设计和开发新型聚变装置。小长径比托卡马克 (SMART) 极大地受益于 PPPL 计算机代码以及实验室在磁学和传感器系统方面的专业知识。

PPPL 国家球形环面实验升级研究副主任杰克·伯克里 (Jack Berkery) 表示：“SMART 项目是我们共同努力解决核聚变带来的挑战并向下一代传授我们已经学到的知识的一个很好的例子。” NSTX-U）和 PPPL 与 SMART 合作的首席研究员。 “我们必须共同努力，否则这一切都不会发生。”

Manuel Garcia-Munoz 和 Eleonora Viezzer 都是塞维利亚大学原子、分子和核物理系教授，也是等离子体科学与聚变技术实验室和 SMART 托卡马克项目的联合负责人，他们表示 PPPL 似乎是他们的第一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。

加西亚-穆尼奥斯说：“它需要是一所大学能够负担得起的，而且能够为大学规模的融合景观做出独特贡献的。” “这个想法是将已经成熟的技术结合在一起：球形托卡马克和负三角形，使 SMART 成为同类技术中的第一个。事实证明，这是一个奇妙的想法。”

SMART 应提供易于管理的融合等离子体

三角形是指形状相对于托卡马克。托卡马克中等离子体的横截面通常形状像大写字母D。当D的直线部分面向托卡马克的中心时，据说具有正三角形。当等离子体的弯曲部分面向中心时，等离子体具有负三角形性。

加西亚-穆尼奥斯表示，负三角形应该可以提供增强的性能，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，从而防止托卡马克壁损坏。

他说：“它是一个潜在的游戏规则改变者，具有有吸引力的聚变性能和未来紧凑型聚变反应堆的功率处理能力。” “负三角度在等离子体内部的波动程度较低，但它也有较大的偏滤器面积来分配热量。”

SMART 的球形形状应该比环形形状更能限制等离子体。就等离子体限制而言，形状非常重要。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胖：更圆的形状更容易限制等离子体。 SMART 将成为第一个球形托卡马克，充分探索称为负三角形的特定等离子体形状的潜力。

事实证明，PPPL 在计算机代码方面的专业知识至关重要

PPPL 在球形托卡马克研究领域具有悠久的领导地位。塞维利亚大学融合团队首先联系PPPL，在实验室开发和维护的仿真软件TRANSP中实施SMART。数十家设施使用 TRANSP，其中包括英国托卡马克能源公司等私营企业。

“PPPL 在很多很多领域都处于世界领先地位，包括聚变模拟；TRANSP 是他们成功的一个很好的例子，”Garcia-Munoz 说。

马里奥·波德斯塔 (Mario Podesta) 曾是 PPPL 的一员，他在帮助塞维利亚大学确定用于加热等离子体的中性束的配置方面发挥了重要作用。这项工作最终以纸发表在期刊上等离子体物理与受控聚变。

NSTX-U 研究总监 Stanley Kaye 目前正与来自 SMART 团队的 EUROfusion Bernard Bigot 研究员 Diego Jose Cruz-Zabala 合作，使用 TRANSP“确定获得其设计的正等离子体形状所需的整形线圈电流”。不同运行阶段的三角度和负三角度。"凯说，第一阶段将涉及“非常基本的”等离子体。第二阶段将使用中性束加热等离子体。

Berkery、前本科生实习生 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（现为哥伦比亚大学研究生）分别使用其他计算机代码来评估未来 SMART 等离子体的稳定性。搬到了一家美国公司。一个新纸在核聚变多明格斯-帕拉西奥斯 (Domínguez-Palacios) 讨论了这项工作。

设计长期诊断

SMART 和 PPPL 之间的合作还扩展到了实验室的核心专业领域之一：诊断，这是一种带有传感器的设备，用于评估血浆。 PPPL 研究人员正在设计几种此类诊断方法。例如，PPPL 物理学家 Manjit Kaur 和 Ahmed Diallo 以及 Viezzer 正在领导 SMART 汤姆森散射诊断的设计。

该诊断将精确测量聚变反应期间的等离子体电子温度和密度，详见一篇新论文发表在期刊上科学仪器审查。这些测量将与由塞维利亚大学、Cruz-Zabala 和 Viezzer 大学的研究生 Alfonso Rodriguez-Gonzalez 开发的电荷交换复合光谱诊断套件提供的离子温度、旋转和密度测量相补充。

“这些诊断可以运行数十年，因此当我们设计系统时，我们会牢记这一点，”考尔说。她说，在开发设计时，重要的是诊断能够处理 SMART 在未来几十年内可能达到的温度范围，而不仅仅是初始的低值。

Kaur 从项目一开始就设计了汤姆森散射诊断仪，选择并采购其不同的子部件，包括她认为最适合这项工作的激光器。当贡萨洛·希门尼斯和维泽尔从西班牙给她发送照片时，她很高兴看到激光测试的进展顺利。该测试包括将激光安装在长凳上，然后将其射向一张研究人员称之为“烧纸”的特殊羊皮纸。如果激光器设计得恰到好处，烧伤痕迹将是圆形的，边缘相对光滑。

“最初的激光测试结果非常棒，”她说。 “现在，我们热切地等待收到其他部件以启动并运行诊断程序。”

PPPL 研究工程师詹姆斯·克拉克（James Clark）后来被邀请与考尔一起工作，他的博士论文主要关注汤姆逊散射系统。 “我一直在设计激光路径和相关光学器件，”克拉克解释道。除了从事该项目的工程方面的工作外，克拉克还帮助物流，决定如何以及何时交付、安装和校准物品。

PPPL 高级项目负责人 Luis Delgado-Aparicio 与 Marie Skłodowska-Curie 研究员 Joaquin Galdon-Quiroga 和塞维利亚大学研究生 Jesus Salas-Barcenas 一起，正在努力在 SMART 中添加另外两种诊断方法：多能、软 X 射线 (ME-SXR) 诊断和光谱仪。

ME-SXR 还将测量等离子体的电子温度和密度，但使用的方法与汤姆森散射系统不同。 ME-SXR 将使用一组称为二极管的小型电子元件来测量 X 射线。汤姆逊散射诊断仪和 ME-SXR 相结合，将全面分析等离子体的电子温度和密度。

通过观察托卡马克内部不同频率的光，光谱仪可以提供有关等离子体中杂质的信息，例如氧、碳和氮。 “我们正在使用现成的光谱仪并设计一些工具将它们放入机器中，并结合一些光纤，”德尔加多-阿帕里西奥说。其他新纸发表于科学仪器审查讨论了该诊断的设计。

PPPL 研究物理学家 Stefano Munaretto 与塞维利亚大学研究生 Fernando Puentes del Pozo Fernando 领导的现场工作一起研究 SMART 的磁诊断系统。

“诊断本身非常简单，”穆纳雷托说。 “它只是一根缠绕在某物上的电线。大部分工作包括通过正确确定传感器的尺寸、形状和长度来优化传感器的几何形状，选择传感器的位置以及之后涉及的所有信号调节和数据分析。” SMART的磁学设计详解在一篇新论文中还发表于科学仪器审查。

Munaretto 表示，SMART 的工作非常有成就感，从事磁诊断工作的团队大部分成员都是由在该领域几乎没有经验的年轻学生组成。 “他们渴望学习，而且工作很多。我绝对看到他们的光明未来。”

德尔加多-阿帕里西奥同意了。 “我很喜欢与曼努埃尔·加西亚-穆尼奥斯、埃莱奥诺拉·维泽尔以及塞维利亚大学所有其他经验丰富的科学家和教授一起工作，但我最喜欢的是与他们那里充满活力的学生一起工作，”他说。

“他们非常出色，帮助我了解了我们面临的挑战以及如何继续获得第一批等离子体。”

塞维利亚大学的研究人员已经在托卡马克装置中进行了一项测试，当用微波加热时，氩气会发出粉红色的光芒。这个过程有助于托卡马克的内壁准备好在更高压力下容纳更密集的等离子体。虽然从技术上讲，粉红色的光芒来自等离子体，但它的压力如此之低，以至于研究人员并不认为它是真正的第一个托卡马克等离子体。加西亚-穆尼奥斯表示，这可能会在 2024 年秋季发生。