全球研究合作打造出全新独特聚变反应堆
就像原子聚在一起释放能量一样，世界各地的核聚变研究人员正在齐心协力解决世界能源危机。利用聚变等离子体的能量作为电网的可靠能源并非易事，需要全球共同努力。普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 正在领导这方面的多项工作，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。小长宽比托卡马克 (SMART) 极大地受益于 PPPL 计算机代码以及该实验室在磁学和传感器系统方面的专业知识。
“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。”
曼努埃尔·加西亚-穆诺兹 (Manuel Garcia-Munoz) 和埃莉诺拉·维泽 (Eleonora Viezzer) 都是塞维利亚大学原子、分子和核物理系的教授，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。
“它既需要是大学可以负担得起的，也需要能够在大学规模上为核聚变领域做出独特贡献的，”加西亚-穆诺兹说。“我们的想法是将已经成熟的技术结合起来：球形托卡马克和负三角，使 SMART 成为同类中的第一个。事实证明这是一个绝妙的想法。”
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。
加西亚-穆诺兹表示，负三角性应该能够提供增强的性能，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受损。
他说：“对于未来的紧凑型聚变反应堆来说，它具有极好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 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长期处于领先地位。塞维利亚大学聚变团队首先联系了 PPPL，希望在实验室开发和维护的模拟软件 TRANSP 中实现 SMART。数十家设施都在使用 TRANSP，其中包括英国托卡马克能源等私营企业。
“PPPL 在包括融合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 研究员马里奥·波德斯塔 (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 目前正在与 SMART 团队的 EUROfusion Bernard Bigot 研究员 Diego Jose Cruz-Zabala 合作，使用 TRANSP“确定在不同操作阶段实现正三角形和负三角形设计等离子体形状所需的整形线圈电流。”Kaye 表示，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。
另外，Berkery、前本科实习生 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（现已转投一家美国公司）还使用其他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》杂志上发表了一篇新论文，讨论了这项工作。
设计长期诊断方法
SMART 和 PPPL 之间的合作还延伸到了实验室的核心专业领域之一：诊断，即带有传感器的设备，用于评估等离子体。PPPL 研究人员正在设计几种这样的诊断方法。例如，PPPL 物理学家 Manjit Kaur 和 Ahmed Diallo 与 Viezzer 一起领导了 SMART 的汤姆森散射诊断的设计。
这项诊断技术将精确测量聚变反应过程中等离子体电子的温度和密度，详见《科学仪器评论》杂志发表的一篇新论文。这些测量将与离子温度、旋转和密度测量相辅相成，这些测量由塞维利亚大学研究生 Alfonso Rodriguez-Gonzalez、Cruz-Zabala 和 Viezzer 开发的电荷交换复合光谱套件诊断技术提供。
考尔说：“这些诊断可以运行数十年，因此我们在设计系统时会牢记这一点。”她说，在开发设计时，重要的是诊断能够处理 SMART 在未来几十年可能达到的温度范围，而不仅仅是最初的低值。
考尔从项目一开始就设计了汤姆森散射诊断仪，选择并采购了不同的部件，包括她认为最适合这项工作的激光器。当 Gonzalo Jimenez 和 Viezzer 从西班牙给她发来照片时，她很高兴看到激光测试进展顺利。测试包括将激光器安装在工作台上，并将其照射到一张特殊的羊皮纸上，研究人员称之为“烧纸”。如果激光器设计得恰到好处，烧痕将是圆形的，边缘相对光滑。
在黑纸上刻上灰白色圆圈，用于测试 SMART 汤姆森散射诊断的激光。图片来源：塞维利亚大学
“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，以便进行诊断。”
詹姆斯·克拉克 (James Clark) 是 PPPL 的一名研究工程师，其博士论文主要研究汤姆森散射系统，后来他被邀请与考尔一起工作。“我一直在设计激光路径和相关光学器件，”克拉克解释道。除了负责该项目的工程方面，克拉克还协助处理物流，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 与玛丽居里研究员 Joaquin Galdon-Quiroga 以及塞维利亚大学研究生 Jesus Salas-Barcenas 正在带头努力为 SMART 添加另外两种诊断技术：多能量软 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，但采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。汤姆森散射诊断和 ME-SXR 结合起来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，例如氧气、碳和氮气。“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。《科学仪器评论》上发表的另一篇新论文讨论了这种诊断的设计。
PPPL 研究物理学家 Stefano Munaretto 在塞维利亚大学研究生 Fernando Puentes del Pozo Fernando 的领导下，致力于 SMART 磁诊断系统的研究。
“诊断本身非常简单，”穆纳雷托说。“它只是一根绕在某物上的电线。大部分工作涉及优化传感器的几何形状，使其尺寸、形状和长度正确，选择其应放置的位置，以及之后涉及的所有信号调节和数据分析。”SMART 磁性元件的设计在一篇新论文中进行了详细介绍，该论文也发表在《科学仪器评论》上。
穆纳雷托表示，在 SMART 工作非常充实，磁诊断团队的大部分成员都是在该领域经验很少的年轻学生。“他们渴望学习，而且工作努力。我绝对看到他们的光明未来。”
德尔加多-阿帕里西奥表示同意。“我很享受与马努埃尔·加西亚-穆诺兹、埃莉诺拉·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，但我最喜欢的是与那里充满活力的学生一起工作，”他说。
“他们非常聪明，帮助我了解了我们面临的挑战，并知道如何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测试，结果显示用微波加热时氩气会发出粉红色光芒。这一过程有助于为托卡马克装置内壁做好准备，以应对更高压力下密度更高的等离子体。虽然从技术上讲，这种粉红色光芒来自等离子体，但压力如此之低，以至于研究人员并不认为这是他们真正的第一个托卡马克等离子体。加西亚-穆诺兹表示，这可能将在 2024 年秋季发生。
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