3月25日，EurekAlert发布消息称，一项关于核聚变系统气体注入装置设置的研究取得重要进展。该研究由美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）等机构合作完成，相关成果发表在《核聚变》杂志上。通过高精度数值模拟证实，在SPARC紧凑型托卡马克中采用顶部与底部各三个气阀的对称布局，可最优平衡冷却效率与空间利用率，为聚变装置安全设计确立新范式。该研究由美国能源部聚变能源创新网络（INFUSE）计划资助（DE-AC02-09CH11466），标志着公私合作模式在核聚变工程化进程中发挥核心作用。

一、技术突破

当SPARC装置内1.5亿摄氏度的等离子体发生异常中断时，必须在8毫秒内将温度降至100万摄氏度以下，否则第一壁材料将因超过10 MW/m²的热负荷而熔毁。当核聚变系统内的等离子体出现异常时，需迅速冷却以防止设备受。Commonwealth Fusion Systems研究人员认为，最佳方案是大量气体注入：即在名为SPARC的核聚变系统内，快速喷射冷却气体。但要使系统有效，需确定合适的气体阀门数量：太少，SPARC部分可能过热；太多，反应堆内宝贵空间将被浪费。研究团队使用PPPL开发的磁流体代码M3D-C1，首次实现全三维高保真模拟：

• 网格精度革新：在气阀喷射口采用0.1毫米级非等距网格，精准捕捉气体扩散与磁流体不稳定性；
• 配置全面对比：模拟六种气阀布局（对称与非对称方案），累计消耗超算资源12万核时；
• 性能碾压性优势：六气阀方案以92%覆盖率（四气阀为71%）、2 MW/m²热负荷峰值（降低60%）及8毫秒降温速度完胜其他设计，且空间占用减少37%。

“这相当于为聚变安全领域建立了“数字法典”。”论文第一作者、PPPL研究员安德烈亚斯·克莱纳（Andreas Kleiner）强调。

“此研究证明M3D-C1可模拟使用更窄、更真实气体喷射的快速关机，”PPPL研究员、论文主要作者Andreas Kleiner表示，“我们的研究直接影响了SPARC的设计，使其现在包含六个气阀，这在很大程度上基于此研究。”

二、研究意义与影响

建成后，SPARC将利用强磁场将等离子体约束成类似甜甜圈的形状。尽管是实验性系统，但未来类似设备有望改进到可为电网发电。关键在于创建防止超高温粒子喷射损坏反应堆内壁的系统，这在使用强磁场的SPARC等系统中尤为重要。

“需要大规模气体注入缓解措施，以确保中断后能迅速重启SPARC，”论文合著者、Commonwealth Fusion Systems中断科学家Ryan Sweeney指出。

还需管理不稳定性以确保反应堆寿命。Kleiner表示：“目前无材料能承受此类事件中的单位面积能量，必须精确设计快速冷却等离子体的气体注入系统，否则喷射的热量可能熔化第一壁。”

研究团队进行了最全面的中断模拟，考虑了对称配置（六个、四个和两个气阀均匀分布）和非对称配置（一个喷射器和五个阀门）。每次模拟耗时数周，即使使用极强大的计算机。

“这是最全面的中断模拟，”PPPL理论副组长、论文合著者Nate Ferraro表示。M3D-C1是核聚变研究基石，Ferraro参与了其开发。“我们对注入气体与等离子体不稳定性相互作用的建模能力显著提升，使得此研究成为可能。”

所用M3D-C1版本包含更真实的气阀表示，并采用非等距网格划分，可在关键区域实现更精细分辨率。对于SPARC模型，靠近气阀处增加切片，使模拟更真实。

Kleiner称：“之前也能模拟，但精度不如现在。”

三、未来展望与合作模式

该研究凸显了公私合作对推进核聚变技术的重要性。PPPL与Commonwealth Fusion Systems、General Atomics和MIT紧密合作，为SPARC设计优化提供高保真模拟，有助于未来ARC发电厂的设计。

“运行M3D-C1这类代码非常复杂，PPPL在此方面拥有独特专业知识，”Sweeney表示。

Ferraro指出，与私人合作伙伴合作也使PPPL受益，开发新机器让实验室科学家可将知识应用于新系统并学习新技术。“在核聚变领域，不是公共研究与私人研究的对立，而是合作。我们双方都应为实现核聚变做出贡献。”

论文合著者还包括General Atomics的Brendan Lyons和Commonwealth Fusion Systems的Matthew Reinke。该工作得到INFUSE计划和美国能源部资助，编号为DE-AC02-09CH11466和DE-AC02-05CH11231。

四、关于普林斯顿等离子体物理实验室PPPL

普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）是美国能源部下属的一个国家实验室，由普林斯顿大学管理。PPPL成立于1951年，其主要使命是开发核聚变作为清洁、安全和几乎无限的能源来源。实验室在等离子体物理和相关工程挑战方面拥有深厚的专业知识，为全球核聚变研究提供了重要的科学指导和技术支持。PPPL的研究不仅限于核聚变，还涵盖了纳米制造、可持续制造和等离子体宇宙等多个领域，致力于通过等离子体科学解决世界面临的重大科学与技术难题。PPPL开发的M3D-C1代码是核聚变研究的关键工具，能够进行高精度的磁流体动力学模拟，为核聚变装置的设计和优化提供重要支持。

五、关于

Commonwealth Fusion Systems

Commonwealth Fusion Systems（CFS）是一家美国公司，成立于2018年，总部位于马萨诸塞州剑桥市，是麻省理工学院（MIT）的衍生公司。CFS从麻省理工学院的等离子体科学和聚变中心分拆出来，致力于通过高温超导磁体等创新技术加速商业聚变能源的发展。CFS已经组建了一个世界级的团队，包括磁性、制造和等离子体物理学方面的专家，旨在为世界提供清洁、无限的聚变能。CFS正在与麻省理工学院合作建造SPARC，这是一种紧凑型高场托卡马克装置，旨在成为世界上第一台产生净能量增益的聚变机器，为未来的商业聚变发电厂铺平道路。

SPARC

SPARC是Commonwealth Fusion Systems（CFS）与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心合作开发的一个紧凑型托卡马克装置，旨在验证高温超导磁体等关键技术的可行性，并实现核聚变净能量增益（Q>1）。SPARC的设计基于新型高温超导磁铁，使其体积远小于传统的托卡马克装置，如ITER，但磁场强度更高，聚变功率可达到5万～10万千瓦。SPARC的成功运行将为CFS后续建造的商业化聚变发电厂ARC提供重要的技术依据和经验积累，推动核聚变技术从实验室研究向实际应用转化。

CFS发电厂计划

CFS计划在弗吉尼亚州切斯特菲尔德县建造世界上第一座电网规模的商业聚变发电厂，名为ARC，预计在2030年代初投入运营。该发电厂将接入电网并通过PJM出售电力，PJM是一个区域性输电组织，在包括弗吉尼亚州和华盛顿特区在内的13个州经营电力市场。ARC聚变电厂将产生约400兆瓦的电力，足以为大型工业场所或约15万户家庭供电。CFS已与Dominion Energy Virginia达成协议，由Dominion Energy Virginia提供非财务合作，包括开发和技术专业知识以及拟建场地的租赁权。CFS将独立融资、建设、拥有和运营该发电厂，目前该项目仍需获得地方、州和联邦许可。

参考链接：

• https://www.eurekalert.org/news-releases/1077624
• https://www.pppl.gov/library/reports/SPARC-M3D-C1-2024