普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)是美國能源部(DOE)資助的一家國家實驗室，它在這方面領導著多項工作。“SMART項目是我們大家齊心協力解決核聚變帶來的挑戰并將我們已經學到的知識傳授給下一代的一個很好的例子，”PPPL國家球形環面實驗升級(NSTX-U)研究副主任兼PPPL與SMART合作的首席研究員Jack Berkery說。“我們必須齊心協力，否則就無法實現。”

塞維利亞大學原子、分子和核物理系的教授Manuel Garcia-Munoz和Eleonora Viezzer，也是等離子體科學和聚變技術實驗室和SMART托卡馬克項目的聯合負責人，他們表示，PPPL似乎是他們首次托卡馬克實驗的理想合作伙伴。下一步是決定他們應該建造什么樣的托卡馬克。“它需要是大學可以負擔得起的，但也需要在大學規模上為聚變領域做出獨特貢獻，”Garcia-Munoz說。“我們的想法是將已經建立的技術結合在一起：球形托卡馬克和負三角性，使SMART成為同類中的第一個。事實證明這是一個絕妙的想法。”

圖：SMART

SMART應提供易于管理的聚變等離子體

三角性是指等離子體相對于托卡馬克的形狀。托卡馬克中等離子體的橫截面通常呈大寫字母D的形狀。當D的直線部分朝向托卡馬克中心時，就稱其具有正三角性。當等離子體的彎曲部分朝向中心時，等離子體具有負三角性。

圖：將灰白色的圓圈燒在黑紙上，以測試激光對 SMART 的湯姆遜散射診斷。

Garcia-Munoz表示，負三角效應應該能夠提高性能，因為它可以抑制從等離子體中排出粒子和能量的不穩定性，從而防止托卡馬克裝置受損。他說：“對于未來的緊湊型聚變反應堆來說，它具有有吸引力的聚變性能和功率處理能力，可能會改變游戲規則。負三角效應在等離子體內部的波動程度較低，但它也有更大的偏濾器面積來分散熱量。”

SMART的球形形狀應該比甜甜圈形狀更能限制等離子體。形狀對等離子體限制非常重要。這就是為什么PPPL的主要聚變實驗NSTX-U不像其他托卡馬克那樣矮小：更圓的形狀更容易限制等離子體。SMART將成為第一個充分探索特定等離子體形狀(稱為負三角性)潛力的球形托卡馬克。

PPPL的計算機代碼專長對SMART項目至關重要

PPPL在球形托卡馬克研究領域的領先地位得到了國際認可。塞維利亞大學的聚變研究團隊選擇與PPPL合作，將其開發的TRANSP模擬軟件應用于SMART的設計中。TRANSP軟件在全球多家研究機構和企業中得到廣泛應用，包括英國的Tokamak Energy。

“PPPL在包括聚變模擬在內的許多領域都處于世界領先地位;TRANSP就是他們成功的一個很好的例子。”Garcia-Munoz說。

前PPPL研究員Mario Podesta在幫助塞維利亞大學確定用于加熱等離子體的中性光束配置方面發揮了重要作用。這項工作最終在《等離子體物理與受控聚變》雜志上發表了一篇論文。

NSTX-U研究主任Stanley Kaye正與SMART項目團隊的EUROfusion研究員Diego Jose Cruz-Zabala合作，運用TRANSP模擬軟件來確定在不同操作階段實現特定等離子體形狀(包括正三角形和負三角形)所需的整形線圈電流。Kaye指出，項目的第一階目標是創建一個“非常基礎的”等離子體，而第二階段則會采用中性束來加熱等離子體。

此外，Berkery以及他的團隊，包括John Labbate(現為哥倫比亞大學研究生)和前塞維利亞大學研究生Jesús Domínguez-Palacios(目前在美國一家公司工作)，正在使用不同的計算機代碼來評估未來SMART等離子體的穩定性。Domínguez-Palacios在《核聚變》雜志上發表了一篇論文，詳細介紹了他們的研究成果。

設計長期診斷方法

SMART項目與PPPL之間的合作擴展到了診斷學領域，這是實驗室的核心專業之一。診斷學涉及使用帶有傳感器的設備來評估等離子體的狀態。PPPL的研究人員正在設計多種診斷工具，其中包括物理學家Manjit Kaur和Ahmed Diallo與Viezzer合作開發的SMART湯姆森散射診斷系統。這一系統能夠精確測量聚變反應中電子的溫度和密度，其研究成果已發表在《科學儀器評論》雜志上。

這些診斷工具將補充由塞維利亞大學的Alfonso Rodriguez-Gonzalez、Cruz-Zabala和Viezzer開發的電荷交換復合光譜套件所提供的離子溫度、旋轉和密度測量數據。

Manjit Kaur表示，這些診斷系統的設計考慮了長期運行的需求，必須能夠應對SMART在未來幾十年內可能遇到的不同溫度范圍，而不僅僅是目前的低值。她從項目初期就開始設計湯姆森散射診斷系統，包括選擇合適的激光器和其他部件。初步的激光測試結果令人滿意，團隊正在期待后續部件的到來，以便完成診斷系統的搭建。

PPPL的研究工程師James Clark，專注于湯姆森散射系統的研究，也加入了Kaur的團隊。他的工作重點是設計激光路徑和相關光學器件，并協助處理項目的物流事宜。

此外，PPPL的高級項目負責人Luis Delgado-Aparicio正與Joaquin Galdon-Quiroga和Jesus Salas-Barcenas合作，為SMART引入多能量軟X射線(ME-SXR)診斷和光譜儀。這些工具將采用與湯姆森散射不同的方法來測量等離子體的電子溫度和密度。

光譜儀通過分析托卡馬克內部不同頻率的光，能夠提供等離子體中雜質(如氧、碳和氮)的信息。這些診斷工具的設計和實現，將為SMART的運行提供關鍵的數據支持。

PPPL的研究物理學家Stefano Munaretto在Fernando Puentes del Pozo Fernando的協助下，開發了SMART的磁診斷系統。該系統雖然結構簡單，但優化傳感器的幾何形狀和放置位置，以及后續的信號調節和數據分析，都是技術挑戰。

Munaretto對與年輕學生一起工作感到非常充實，他認為這些學生渴望學習、工作努力，預示著他們光明的未來。Luis Delgado-Aparicio也享受與塞維利亞大學的團隊合作，并對學生們的聰明才智和貢獻表示贊賞。

塞維利亞大學的研究人員已經對托卡馬克裝置進行了初步測試，使用微波加熱氬氣產生了粉紅色光芒，這標志著向實現更高密度等離子體的約束邁出了一步。盡管這還不是真正的首次等離子體實驗，但這一成果預示著未來可能的成功。Garcia-Munoz預計，真正的首次等離子體實驗將在2024年秋季進行。