SMART 托卡马克装置迈向核聚变新阶段

近日，由西班牙塞维利亚大学等离子体科学与聚变技术实验室（PSFT）主导，美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）协助参与的Fusion2Grid国际合作项目取得了重大技术突破。该项目的核心研发装置——小纵横比（SMART）托卡马克成功实现首次托卡马克等离子体放电。作为核聚变研究的里程碑式进展，这一成果标志着人类向实现可控核聚变能源又迈出了关键一步。

一、研究背景：创新设计与目标

SMART 装置是一种新型球形托卡马克，旨在结合紧凑设计与负三角形等离子体技术的创新优势。传统托卡马克装置通常采用正三角形（大写字母“D”形）等离子体截面，其直线部分靠近装置中心，这种设计称为正三角形。而 SMART 创新性地采用了负三角形设计，使等离子体的弯曲部分朝向装置中心。

研究显示，负三角形设计不仅可以达到正三角形 H 模等离子体的高性能，还能显著减少边缘局域模（ELMs）的形成，从而延长装置寿命。这为下一代紧凑型聚变反应堆提供了强有力的技术验证。

二、关键技术与实验阶段

SMART 的开发和实验分为三个主要阶段：

阶段一：通过欧姆加热（Ohmic Heating）研究基本性能，验证设备运行的稳定性；

阶段二：引入中性束注入（NBI）技术，提升等离子体的温度与密度；

阶段三：进一步提升辅助加热能力，同时提高等离子体电流和脉冲持续时间，测试复杂的湍流模型及装置极限性能。

在首次实验中，SMART 成功实现了等离子体的产生，为下一阶段的高温聚变实验奠定了基础。研究团队计划通过中性束注入技术，将等离子体加热至更高温度，并开展更复杂的磁约束实验，进一步优化聚变反应堆核心技术。

为确保实验的成功，研究团队使用 TRANSP 模拟软件对等离子体的加热机制和湍流模型进行了全面优化。实验结果显示，负三角形等离子体在核心区域展现出更低的湍流水平和更高的热约束能力，与正三角形设计相比具有显著优势。

PPPL 在此过程中也发挥了关键作用，其开发和维护的 TRANSP 软件为 SMART 的中性束参数优化和等离子体动力学模拟提供了强大支持。

三、突破意义与全球影响

1、推动紧凑型聚变装置的商业化

SMART 的实验成功验证了负三角形等离子体设计的理论可行性，为未来更高效的紧凑型聚变装置铺平了道路。结合低纵横比设计，SMART 装置不仅降低了聚变反应堆的整体体积，还具备实现更高标准化和经济性的潜力。

2、验证先进湍流模型

通过模拟和实验对比，SMART 为不同湍流模型（如 MMM 模型）在低纵横比装置中的适用性提供了重要数据。尤其是对电子温度梯度湍流（ETG）和微撕裂模（MTM）等机制的分析，明确了核心区域和边界条件对能量传输的影响，为未来大规模核聚变装置的设计提供了宝贵的理论支持。

3、推动国际合作与科研共享

SMART 的研发不仅得益于 PSFT 和 PPPL 的合作，也融入了欧洲聚变研究组织 EUROfusion 的支持。此类国际合作模式有效整合了各国资源与技术，为核聚变领域的全球化发展树立了典范。

参考资料：

SMART: One step closer to nuclear fusion with its first plasma. 20250121. https://phys.org/news/2025-01-smart-closer-nuclear-fusion-plasma.html