今年10月，美国DIII-D国家核聚变设施突破20万次等离子体脉冲，研究人员成功在DIII-D上实现两大关键性进展：一是通过“邻近控制”算法成功在超出Greenwald密度上限20%的条件下实现等离子体的高质量约束；二是在等离子体的边缘创造了能够耐更高密度和温度的“超级H模”聚变等离子体。这两项突破共同为聚变反应堆的未来设计和开发奠定了坚实的科学基础。
一、装置概览
DIII-D最早于1986年2月正式投入运行，目前是美国最大的磁约束聚变装置，也是世界上从事磁约束聚变和非圆截面等离子体物理研究中最先进的实验装置之一。在过去几十年里，DIII-D一直是世界聚变物理研究中一些前沿领域的主要贡献者，包括等离子体扰动、能量输运、边界层物理学、电子回旋加热和电流驱动等。DIII-D还配备了大量先进的高温等离子体的测量诊断装置，还具有等离子体成型和提供误差场反馈控制的独特性能。
General Atomics最早成立于1955年，总部位于加州圣地亚哥，是一家全球领先的国防和多元化科技公司。最初公司主要研究核能的和平应用，后通过DIII-D和美国能源部惯性约束计划（主要是提供了各种诊断仪器与系统）逐步成为美国私营部门聚变研究的主要参与者。General Atomics同时也是下一代核裂变和高温材料技术开发的领导者，甚至在军事国防领域也有广泛的应用，其电磁系统部门为美国海军生产电磁飞机发射和回收系统、卫星监视、电磁轨道炮、高功率激光器、超高速弹丸和功率转换系统等。
二、预期目标
作为美国能源部旗下聚变能科学领域唯二的用户设施之一（另一个是PPPL的NSTX-U），DIII-D对全球100多个国家的700多名研究人员开放，致力于解决核聚变研究的各类问题。其主要目标包括：
- 通过先进的稳定性技术（3D线圈和电子回旋加热）、等离子体淬灭缓解系统和创新的诊断测量技术来解决托卡马克等离子体的破裂问题。
- 通过先进的偏滤器和等离子体材料相互作用研究，为解决FNSF（Fusion Nuclear Science Facility）和未来示范发电厂（DEMO） 面临的偏滤器挑战提供有效的解决方案。
- 使用电子回旋加热在低注入扭矩下进行主导电子加热，探索燃烧等离子体状态的物理特性。
- 通过使用离轴中性束注入功能扩大电流分布，研究和了解稳态托卡马克操作所需的条件。
- 通过使用3D扰动线圈开发托卡马克概念的三维优化，以提高边缘稳定性、旋转和核心模式控制。
三、研究团队
DIII-D拥有一支国际化、跨学科的研究团队，主要被分成3个研究小组：
- 聚变中试厂研究小组
- 等离子体相互作用技术研究小组
- ITER研究小组
四、核心参数
DIII-D装置的核心参数为：等离子体大半径1.67m、小半径0.67m、环形磁场达到2.17T，最大等离子体电流2MA，加热功率达到26MW。
五、历史沿革
DIII-D是General Atomics自1950年代开始的聚变研究系列中的第四台机器。在此之前，先后经历了Doublet I、Doublet II/IIA、Doublet III。
Doublet I：该系列的首台机器最早于1957年开始建造，1968年建成。等离子体没有采用当时托卡马克装置中使用的圆形横截面，而是被约束在双峰形状中，预计这将通过维持更高的等离子体压力来产生高聚变性能。 正如预测的那样，Doublet I的性能提供了足够的科学证据来证明开发更大设备的合理性。
Doublet II：1971年建成的第二台设备。这种托卡马克继续产生数十毫秒的稳定等离子体，其等离子体压力指标（称为等离子体 β）高于当时其他当代托卡马克所达到的水平。 1974年，该设备的真空容器升级为使用磁线圈来确定等离子体形状，而不是依赖真空容器轮廓的被动整形。升级后的“Doublet IIA”的实验开创了通过外部线圈进行主动等离子体控制的先河，并有助于为当今使用的现代等离子体控制方法提供信息。
Doublet III：基于Doublet II/IIA的成功，General Atomics开始着手设计一种新的、更大的机器，作为Doublet概念的关键测试机器。Doublet III由美国能源部资助（后来得到日本原子能研究所的部分支持），于1978年开始运营，是当时世界上最大的磁约束聚变装置，并很快创造了达到2.2MA的最高等离子电流纪录。1979年与日本原子能研究所达成合作资助协议，对Doublet III电力设备进行升级，增加了额外的中性束加热源。
六、突出贡献
多年来，DIII-D为全球托卡马克研究做出了许多重大贡献。例如：
- 开发并推广了先进等离子体控制系统：1990年代初期，DIII-D开发了一个用于实时控制等离子体形状和位置的系统，此后通过不断升级展现出其强大的控制能力。如今这类等离子体控制系统（PCS）已广泛运用在各类聚变装置中，以满足各种研究需求。
- 最早利用RMP成功抑制ELM：DIII-D最早发现边缘共振磁扰动（RMP）可抑制ELMs，该技术后来被运用在全球其他托卡马克装置上。ITER的设计中也加入了RMP线圈来抑制ELM。
- 发现了静态H模（QH）：这是一种没有ELM的H模。这种模式提供了H模式操作的长约束时间，而不会产生干扰等离子体状态并对周围壁造成重大损害的周期性瞬态事件。
- 首创电阻壁模（RWM）的控制：首创了利用真空室非轴对称外部及内部的扰动线圈对RWM的主动反馈致稳，实验取得了成功。
- 实现高比压、高自举电流的先进稳态运行模式：基于ASDEX装置上发现的高约束模式（H模式），DIII-D在1990年代初期创造了“先进托卡马克”概念，此后逐渐成为聚变研究的一个主要领域。通过在较低电流下保持相同的性能，研究人员还发现这种方法可以实现稳态操作。
七、部分供应商
Kyoto Fusioneering：2023年11月，宣布与General Atomics达成协议，将向DIII-D装置提供两台先进的回旋管，预计将在2026年部署。这也是Kyoto Fusioneering的回旋管产品首次集成到美国的聚变研究基础设施上。
中科院等离子体物理研究所：2015年3月，中科院等离子体所承担设计研发的DIII-D装置3D线圈"超级电源"项目（额定容量7.2MW/450V/16kA）启动。2016年6月底全部交付，11月初进行了脉冲放电演示，取得圆满成功。
作为全球私营聚变研究的集大成者，General Atomics自身也参与了DIII-D装置的很多部件和系统的研发，尤其是在诊断技术领域。同时，General Atomics还与美国能源部旗下的多个国家实验室（包括PPPL、LLNL、ORNL等等）建立了合作关系，共同推动磁约束装置技术的研究。
参考链接：
- https://www.ga.com/magnetic-fusion/diii-d
- https://d3dfusion.org/research/
- https://d3dfusion.org/d3d-history/
- https://plasma.apam.columbia.edu/facilities/diii-d-national-fusion-facility