5月8日，Power Magazine 发布消息，美国DIII-D国家聚变设施已经完成了一系列升级工作。此举为研究人员控制和理解聚变等离子体的功能提供了几种新的工具。这些升级将加强DIII-D作为全球顶尖的磁约束聚变研究设施的地位，有助于弥合现有实验与首批聚变试验电厂（FPPs）以及未来聚变反应堆在关键物理问题上的差距。DIII-D的主任Richard Buttery说：“在过去的八个月里，DIII-D装置的升级为聚变能源研究带来了一系列的新功能，并对现有系统进行了重要改进。我们的科学家们将利用这些系统和诊断工具，解决商业化技术、材料和运营方面的关键问题。同时，这些升级也将支持ITER项目，推动基础科学认知的进步。”DIII-D 归属美国能源部 （DOE） 科学办公室，是世界一流的核聚变实验室，来自 100 多个国内和国际机构（包括美国国家实验室、学术机构和工业界）的 700 多名研究人员在这里探索从基础等离子体科学到聚变发电厂运营的广泛议题。
该设施的核心是DIII-D托卡马克，这是一个环形（甜甜圈形）真空室，周围环绕着强大的电磁铁，这些电磁铁将等离子体（一种具有大量电离粒子的物质状态）限制在超过太阳10倍的温度下。在这样的高温下，氢同位素融合在一起并释放能量。
自 2023 年 7 月以来，该设施一直处于离线状态，以便由工程师和技术人员组成的多机构团队致力于安装新功能。其中包括用于增强聚变等离子体控制的系统;一系列新的诊断仪器;增强加热等离子体和驱动支持聚变反应的电流的能力;以及改进分流器系统，以去除托卡马克的废热和杂质。在为期八个月的升级期间，DIII-D装置安装了多项新技术（见图1），这些技术对于建立核聚变作为可靠且几乎无限能源的科学基础至关重要。实验重启后，研究人员将运用这些先进的工具来提升聚变等离子体的性能，进一步推动实用聚变能源的实现。
强化等离子控制
DIII-D的等离子体控制系统（PCS）是研究人员在实验中塑造和控制聚变等离子体的关键工具。升级其计算和诊断功能，将使我们能够更迅速地开发和实施新的、更复杂的实时控制与分析技术，从而为DIII-D上的研究提供支持。这些升级包括添加到PCS实时计算系统中的32个新处理内核，来自诊断仪器的额外信号用于额外的数据输入，以及对实时信号过滤的改进。
新诊断仪器
诊断升级包括新仪器（图2）和新支持系统的组合，以提高现有仪器的性能。这些仪器将更准确地测量DIII-D等离子体的重要特性。
一种控制等离子体强烈能量排放的策略是在其排放路径上的壁面区域维持一层中性气体。为了深入探究等离子体排放与中性气体相互作用的机制，精确测量各类气体的压力至关重要。然而，在强磁场环境下，常规压力计难以发挥作用。为解决这一难题，DIII-D的科学家们创新性地发明了一种基于光发射的压力测量技术。他们研制了一种名为威斯康星彭宁真空计（Wisconsin Penning gauge）的设备，专门用于精确测量壁面附近积聚气体的压力。
由于极端恶劣的等离子体环境，未来聚变反应堆的主壁将由钨等坚固金属制成。然而，钨杂质（以及元素周期图上的其他元素）会导致等离子体显著冷却。为了更好地研究钨和类似元素的传输行为以及相关影响，现有系统被赋予了更大的紫外（UV）透明窗口和诊断平台，以便在观察区域实现更广阔的视野和更大的灵活性。
另一种仪器是径向干涉仪偏振仪（RIP），用于测量磁场的平衡和行为。RIP系统进行了升级，以提高其灵敏度和测量范围，同时也扩大了其对这些场的3D特性的灵敏度。
等离子体的辐射功率可以通过称为辐射热计的仪器来测量。然而，热稳定性和电磁干扰是传统辐射热计的常见问题。DIII-D科学家开发了一种新仪器，采用不使用电子的测量方法避免干扰。光纤辐射热计是一种光学设备，它使用干涉仪测量辐射功率，将辐射转换为温度变化，温度变化是通过反射光谱的变化来测量的。一种称为电荷交换复合（CER）光谱学的系统用于测量等离子体的温度、密度和行为。这个系统中的一个子集，称为MiCER，用于测量氢燃料的发射。已安装了一个新的MiCER系统，该系统允许测量靠近分流器的更高能量粒子。这个新系统将被用来提高对边界等离子体物理学的理解。
增强的加热和电流驱动
未来的聚变试验电厂（FPPs）和发电厂将需要更加强大的系统来创造并推动聚变反应。新增至DIII-D的高效系统将助力研究人员探索与先进FPP场景相匹配的等离子体状态，这些状态对于聚变反应的扩展至关重要。这些场景具有较高的“等离子体β值”，这是一个衡量标准，用于比较等离子体产生的能量与维持它所需的能量。在升级期间安装了新的低杂波电流驱动系统，现在进入调试阶段，以建立所有相关子系统的操作，为未来的实验做准备。该系统采用了首次使用的添加制造（AM）组件，称为波导，它们传输微波加热能量。使用添加制造（AM）技术，我们能够实现那些传统制造方法无法达成的设计创新。该系统还增加了八个新的微波发生单元，称为速调管，通过新的AM波导向DIII-D等离子体提供加热和电流。这是一个高场发射系统，这意味着微波从中心柱而不是外边缘传输到等离子体。模型预测，这种位置将带来更高的效率，因为它使微波能够在第一次通过等离子体时就被吸收，这也限制了逃逸和对托卡马克内部造成损害的可能性。低杂波电流驱动系统将首次演示这种高场发射方法。分流器升级在运行过程中，托卡马克必须能够持续去除等离子体中的多余热量、杂质和聚变副产物。一个被称为分流器的系统可以发挥这一作用，但还需要进行额外的研究，以确定聚变发电厂的最佳分流器设计和配置。核聚变界已将这一挑战确定为将当前托卡马克等离子体外推到FPP情景的关键问题之一。图3展示了一种新型的分流器配置，称为形状和体积提升（SVR）分流器。这是DIII-D在其近期研究计划中将要测试的一系列模块化分流器配置中的首个。其目标是在更接近未来聚变试验电厂（FPP）的条件下，开发出具有更高性能的实验场景。新设计的SVR分流器让我们能够研究一种新型的等离子体形态，这种形态有望大幅提升聚变能量的输出，这是之前的设计所无法做到的。SVR分流器的设计目的在于更有效地去除等离子体中的杂质，从而更精确地控制等离子体密度。这些改进将助力科研人员缩小现有实验与未来聚变反应堆之间的物理知识差距。
DIII-D是美国最大的磁聚变研究机构，为聚变能源科学的发展做出了许多开创性的贡献。作为美国能源部科学用户设施办公室，DIII-D研究的参与向所有感兴趣的各方开放。