普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)是美國(guó)能源部(DOE)資助的一家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，它在這方面領(lǐng)導(dǎo)著多項(xiàng)工作。“SMART項(xiàng)目是我們大家齊心協(xié)力解決核聚變帶來(lái)的挑戰(zhàn)并將我們已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)傳授給下一代的一個(gè)很好的例子，”PPPL國(guó)家球形環(huán)面實(shí)驗(yàn)升級(jí)(NSTX-U)研究副主任兼PPPL與SMART合作的首席研究員Jack Berkery說(shuō)。“我們必須齊心協(xié)力，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。”

塞維利亞大學(xué)原子、分子和核物理系的教授Manuel Garcia-Munoz和Eleonora Viezzer，也是等離子體科學(xué)和聚變技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和SMART托卡馬克項(xiàng)目的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，他們表示，PPPL似乎是他們首次托卡馬克實(shí)驗(yàn)的理想合作伙伴。下一步是決定他們應(yīng)該建造什么樣的托卡馬克。“它需要是大學(xué)可以負(fù)擔(dān)得起的，但也需要在大學(xué)規(guī)模上為聚變領(lǐng)域做出獨(dú)特貢獻(xiàn)，”Garcia-Munoz說(shuō)。“我們的想法是將已經(jīng)建立的技術(shù)結(jié)合在一起：球形托卡馬克和負(fù)三角性，使SMART成為同類中的第一個(gè)。事實(shí)證明這是一個(gè)絕妙的想法。”

圖：SMART

SMART應(yīng)提供易于管理的聚變等離子體

三角性是指等離子體相對(duì)于托卡馬克的形狀。托卡馬克中等離子體的橫截面通常呈大寫(xiě)字母D的形狀。當(dāng)D的直線部分朝向托卡馬克中心時(shí)，就稱其具有正三角性。當(dāng)?shù)入x子體的彎曲部分朝向中心時(shí)，等離子體具有負(fù)三角性。

圖：將灰白色的圓圈燒在黑紙上，以測(cè)試激光對(duì) SMART 的湯姆遜散射診斷。

Garcia-Munoz表示，負(fù)三角效應(yīng)應(yīng)該能夠提高性能，因?yàn)樗梢砸种茝牡入x子體中排出粒子和能量的不穩(wěn)定性，從而防止托卡馬克裝置受損。他說(shuō)：“對(duì)于未來(lái)的緊湊型聚變反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，它具有有吸引力的聚變性能和功率處理能力，可能會(huì)改變游戲規(guī)則。負(fù)三角效應(yīng)在等離子體內(nèi)部的波動(dòng)程度較低，但它也有更大的偏濾器面積來(lái)分散熱量。”

SMART的球形形狀應(yīng)該比甜甜圈形狀更能限制等離子體。形狀對(duì)等離子體限制非常重要。這就是為什么PPPL的主要聚變實(shí)驗(yàn)NSTX-U不像其他托卡馬克那樣矮小：更圓的形狀更容易限制等離子體。SMART將成為第一個(gè)充分探索特定等離子體形狀(稱為負(fù)三角性)潛力的球形托卡馬克。

PPPL的計(jì)算機(jī)代碼專長(zhǎng)對(duì)SMART項(xiàng)目至關(guān)重要

PPPL在球形托卡馬克研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位得到了國(guó)際認(rèn)可。塞維利亞大學(xué)的聚變研究團(tuán)隊(duì)選擇與PPPL合作，將其開(kāi)發(fā)的TRANSP模擬軟件應(yīng)用于SMART的設(shè)計(jì)中。TRANSP軟件在全球多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，包括英國(guó)的Tokamak Energy。

“PPPL在包括聚變模擬在內(nèi)的許多領(lǐng)域都處于世界領(lǐng)先地位;TRANSP就是他們成功的一個(gè)很好的例子。”Garcia-Munoz說(shuō)。

前PPPL研究員Mario Podesta在幫助塞維利亞大學(xué)確定用于加熱等離子體的中性光束配置方面發(fā)揮了重要作用。這項(xiàng)工作最終在《等離子體物理與受控聚變》雜志上發(fā)表了一篇論文。

NSTX-U研究主任Stanley Kaye正與SMART項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的EUROfusion研究員Diego Jose Cruz-Zabala合作，運(yùn)用TRANSP模擬軟件來(lái)確定在不同操作階段實(shí)現(xiàn)特定等離子體形狀(包括正三角形和負(fù)三角形)所需的整形線圈電流。Kaye指出，項(xiàng)目的第一階目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)“非常基礎(chǔ)的”等離子體，而第二階段則會(huì)采用中性束來(lái)加熱等離子體。

此外，Berkery以及他的團(tuán)隊(duì)，包括John Labbate(現(xiàn)為哥倫比亞大學(xué)研究生)和前塞維利亞大學(xué)研究生Jesús Domínguez-Palacios(目前在美國(guó)一家公司工作)，正在使用不同的計(jì)算機(jī)代碼來(lái)評(píng)估未來(lái)SMART等離子體的穩(wěn)定性。Domínguez-Palacios在《核聚變》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了他們的研究成果。

設(shè)計(jì)長(zhǎng)期診斷方法

SMART項(xiàng)目與PPPL之間的合作擴(kuò)展到了診斷學(xué)領(lǐng)域，這是實(shí)驗(yàn)室的核心專業(yè)之一。診斷學(xué)涉及使用帶有傳感器的設(shè)備來(lái)評(píng)估等離子體的狀態(tài)。PPPL的研究人員正在設(shè)計(jì)多種診斷工具，其中包括物理學(xué)家Manjit Kaur和Ahmed Diallo與Viezzer合作開(kāi)發(fā)的SMART湯姆森散射診斷系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠精確測(cè)量聚變反應(yīng)中電子的溫度和密度，其研究成果已發(fā)表在《科學(xué)儀器評(píng)論》雜志上。

這些診斷工具將補(bǔ)充由塞維利亞大學(xué)的Alfonso Rodriguez-Gonzalez、Cruz-Zabala和Viezzer開(kāi)發(fā)的電荷交換復(fù)合光譜套件所提供的離子溫度、旋轉(zhuǎn)和密度測(cè)量數(shù)據(jù)。

Manjit Kaur表示，這些診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了長(zhǎng)期運(yùn)行的需求，必須能夠應(yīng)對(duì)SMART在未來(lái)幾十年內(nèi)可能遇到的不同溫度范圍，而不僅僅是目前的低值。她從項(xiàng)目初期就開(kāi)始設(shè)計(jì)湯姆森散射診斷系統(tǒng)，包括選擇合適的激光器和其他部件。初步的激光測(cè)試結(jié)果令人滿意，團(tuán)隊(duì)正在期待后續(xù)部件的到來(lái)，以便完成診斷系統(tǒng)的搭建。

PPPL的研究工程師James Clark，專注于湯姆森散射系統(tǒng)的研究，也加入了Kaur的團(tuán)隊(duì)。他的工作重點(diǎn)是設(shè)計(jì)激光路徑和相關(guān)光學(xué)器件，并協(xié)助處理項(xiàng)目的物流事宜。

此外，PPPL的高級(jí)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Luis Delgado-Aparicio正與Joaquin Galdon-Quiroga和Jesus Salas-Barcenas合作，為SMART引入多能量軟X射線(ME-SXR)診斷和光譜儀。這些工具將采用與湯姆森散射不同的方法來(lái)測(cè)量等離子體的電子溫度和密度。

光譜儀通過(guò)分析托卡馬克內(nèi)部不同頻率的光，能夠提供等離子體中雜質(zhì)(如氧、碳和氮)的信息。這些診斷工具的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，將為SMART的運(yùn)行提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。

PPPL的研究物理學(xué)家Stefano Munaretto在Fernando Puentes del Pozo Fernando的協(xié)助下，開(kāi)發(fā)了SMART的磁診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但優(yōu)化傳感器的幾何形狀和放置位置，以及后續(xù)的信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)分析，都是技術(shù)挑戰(zhàn)。

Munaretto對(duì)與年輕學(xué)生一起工作感到非常充實(shí)，他認(rèn)為這些學(xué)生渴望學(xué)習(xí)、工作努力，預(yù)示著他們光明的未來(lái)。Luis Delgado-Aparicio也享受與塞維利亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，并對(duì)學(xué)生們的聰明才智和貢獻(xiàn)表示贊賞。

塞維利亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)對(duì)托卡馬克裝置進(jìn)行了初步測(cè)試，使用微波加熱氬氣產(chǎn)生了粉紅色光芒，這標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)更高密度等離子體的約束邁出了一步。盡管這還不是真正的首次等離子體實(shí)驗(yàn)，但這一成果預(yù)示著未來(lái)可能的成功。Garcia-Munoz預(yù)計(jì)，真正的首次等離子體實(shí)驗(yàn)將在2024年秋季進(jìn)行。