2025年1月21日，《Physics World》报道了西班牙塞维利亚大学等离子体科学与聚变技术实验室（PSFT）开发的SMART球形托卡马克装置（SMall Aspect Ratio Tokamak）成功首次产生了等离子体。这一成就标志着SMART装置正式进入运行阶段，为未来紧凑型聚变反应堆的设计和开发奠定了重要基础。SMART装置采用了一种开创性的方法来获取聚变能，其独特的设计和运行模式使国际聚变界更接近通过受控聚变反应获取可持续、清洁且几乎无限的能源。
一、SMART装置介绍
SMART托卡马克是由塞维利亚大学等离子体科学与聚变技术实验室设计、建造和运行的最先进的实验性聚变装置，也是全球首个采用“负三角形度”等离子体形状的紧凑型球形托卡马克。其灵活的等离子体整形能力使其在设计上独具一格，能够有效抑制等离子体不稳定性，减少粒子和能量的损失，同时防止对托卡马克壁的损坏。SMART的设计目标是展示负三角形等离子体的独特物理和工程特性，为基于球形托卡马克的紧凑型聚变发电厂提供科学依据。
SMART装置的首席研究员Manuel García Muñoz教授表示：“这是我们整个团队取得的重要成就，因为我们现在正式进入SMART的运行阶段。SMART可能改变游戏规则，它不仅具有卓越的聚变性能，还具备未来紧凑型聚变反应堆所需的功率处理能力。我们迎来了一个激动人心的时刻！”项目的联合PI Eleonora Viezzer教授补充道：“我们很高兴看到产生第一个磁约束等离子体，并期待与国际科学界一起探索SMART设备的功能。SMART已经在全世界引起了极大的兴趣。”
二、负三角形等离子体的创新
在托卡马克装置中，等离子体的形状通常用“三角形度”来描述。传统的托卡马克大多采用正三角形等离子体，其形状类似于“D”，这种设计在过去取得了显著成就，例如JET装置曾通过正三角等离子体实现69 MJ的聚变能输出。然而，正三角等离子体也存在一些挑战，比如需要进入高约束模才能获得较好的约束性能，且难以避免边界局域模（ELM）带来的热冲击，这对第一壁材料和装置运行提出了严峻挑战。
近年来，随着控制能力的提升，负三角形等离子体逐渐受到关注。与正三角形相比，负三角形等离子体的顶点远离环的对称轴，形状类似于镜像的“D”。研究表明，负三角形等离子体具有以下显著优势：
1. 增强的聚变性能
负三角形等离子体能够有效抑制不稳定性，减少粒子和能量的排出，从而降低对托卡马克壁的损坏风。这种设计不仅提高了等离子体的稳定性，还显著提升了聚变性能。例如，瑞士的TCV、美国的DIII-D、欧洲的JET和德国的ASDEX-U等原本按照正三角等离子体设计的托卡马克，通过调节线圈电流开展负三角等离子体研究，均发现其具有更低的第一壁热负荷、消失的边界局域模（ELM）、改善的约束性能和更高的密度。
2. 优化的功率处理
负三角形等离子体覆盖了更大的偏滤器面积，能够更有效地分配热量排放。这一特性不仅减轻了第一壁的热负荷，还为未来紧凑型聚变发电厂的工程设计提供了更优的解决方案。例如，星环聚能的负三角球形托卡马克NTST通过采用负三角设计，显著增加了中心柱空间，降低了电流密度，使得工程上制约球形托卡马克的难题几乎完全消除。
3. 工程设计优势
负三角形等离子体不仅在物理性能上表现出色，还在工程设计上具有显著优势：
- 增加中心柱空间：负三角球形托卡马克的中心区可以从传统的直圆柱形扩张为沙漏形，增加了空间，降低了电流密度，便于布置各类引出电缆和接头。
- 提高氚增值率，减轻第一壁负担：沙漏形中心区还可以安装氚增殖包层，提高氚增殖率，提升经济性。同时，负三角等离子体偏滤器的打击面积增加，等离子体排热对第一壁的负担大幅减轻。
- 减少电源负担：负三角设计的螺线管与磁力线的天然形状更契合，显著减轻了电源负担。
4. 更高的灵活性和适应性
SMART装置通过其独特的负三角形设计，展示了更高的灵活性和适应性。这种设计不仅提升了等离子体的稳定性和性能，还为未来的聚变发电厂提供了更经济、更高效的解决方案。SMART的成功运行证明了负三角形等离子体在聚变研究中的巨大潜力，为全球聚变研究开辟了新的方向。
值得一提的是，我们曾介绍过星环聚能即将开建的负三角球形托卡马克NTST（Negative Triangularity Spherical Tokamak）。该装置的建设不仅是星环聚能聚变研发的里程碑式进展，更是对未来实现聚变商业化的深远布局。通过NTST，星环聚能将验证聚变核心技术，加速技术迭代，有望大幅降低建设与运营成本。对负三角等离子体的研究，将为建设球形托卡马克的工程难题提供解决思路，为构建更高效、更经济的聚变反应堆奠定坚实基础。
三、与PPPL合作
西班牙的SMART球形托卡马克装置（SMall Aspect Ratio Tokamak）并非由塞维利亚大学独立设计和建造，而是与美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）合作完成的。PPPL在球形托卡马克研究领域具有丰富的经验和领先的技术，尤其是在计算机模拟、磁学和传感器系统方面，PPPL的具体贡献如下：
- TRANSP模拟软件：PPPL开发的TRANSP软件被用于SMART装置的设计和等离子体行为的模拟。该软件在全球多家研究机构中广泛应用。
- 中性束加热技术：PPPL的前研究员Mario Podesta协助塞维利亚大学确定了用于加热等离子体的中性束配置。
- 诊断工具设计：PPPL的研究人员参与了SMART装置的诊断系统设计，包括Thomson scattering diagnostic（用于测量等离子体电子温度和密度）和多能量软X射线（ME-SXR）诊断工具。
SMART装置的成功运行不仅是塞维利亚大学等离子体科学与聚变技术实验室的重要里程碑，更是全球聚变研究领域的一大进步。它不仅展示了负三角形等离子体的独特优势，还为未来紧凑型聚变发电厂的设计和开发提供了宝贵的经验和数据支持。我们有理由相信，人类距离实现清洁、可持续的聚变能源又近了一步。
参考链接：
- https://physicsworld.com/a/smart-spherical-tokamak-produces-its-first-plasma/https://www.eurekalert.org/news-releases/1070993