一些专家认为，美国聚变的未来可能在于紧凑、球形的聚变容器。更小的托卡马克被视为聚变能源更具经济效益的解决方案。其挑战在于在有限的空间内装入所有必要部件。最近的研究表明，移除一个用于加热等离子体的关键部件可以创造出所需的额外空间。

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、私人公司Tokamak Energy和日本九州大学的科学家们提出了一种紧凑型球形聚变试验工厂的设计方案，该工厂仅使用微波来加热等离子体。通常，球形托卡马克也会使用一种称为螺线管的巨大铜线圈，该线圈位于容器中心附近，用于加热等离子体。同时，也常采用中性束注入的方式，即将不带电粒子束施加到等离子体上。但是，正如厨房里的电器越少越容易设计一样，如果紧凑型托卡马克的加热系统越少，那么它的制造就会越简单、越经济。

这种新方法消除了欧姆加热，欧姆加热是烤面包机中发生的相同加热，也是托卡马克中的标准。普林斯顿等离子体物理实验室的首席研究物理学家、详细阐述这项新研究的论文第一作者Masayuki Ono表示：“紧凑的球形托卡马克等离子体看起来像一个带有相对较小的核心的苹果核，因此没有空间用于欧姆加热线圈。”“如果我们不必包含欧姆加热线圈，那么我们可能可以设计出更容易、更便宜的机器。”

确定理想的光束角度和加热模式

微波是一种电磁波辐射，可以使用回旋管产生。回旋管会安装在托卡马克装置的外侧——从比喻意义上来说，就是在苹果皮外面——并朝向托卡马克核心。当回旋管将强大的波束射入等离子体时，这些波束会移动称为电子的带负电粒子从而产生电流。这一过程称为电子回旋电流驱动（ECCD），它既可以驱动电流，又可以加热等离子体。然而，加热过程并非只是简单地打开一些回旋管那么简单。研究人员需要模拟不同的场景并确定各种细节，例如回旋管的最佳瞄准角度，以确保微波能够正确地穿透等离子体。

研究团队使用名为TORAY的计算机代码与名为TRANSP的代码相结合，扫描了瞄准角度，并观察了哪些角度效率最高。目标是尽可能少地使用电力来驱动必要的电流。“此外，你还必须尽量避免将任何输入等离子体的能量反射出来，”论文的合著者、国家球形环面实验升级项目（NSTX-U）研究副主任杰克·伯克利说。当微波从等离子体中反射出来，或者它们进入等离子体但并未改变等离子体的电流或温度就出来时，就会发生这种情况。“我们扫描了许多不同的参数，以找到最佳解决方案，”伯克利说。

研究团队还确定了哪种ECCD模式最适合加热过程的每个阶段。有两种模式：普通模式，称为O模式，和特殊模式，称为X模式。研究人员认为X模式最适合提高等离子体的温度和电流，而O模式则是在升温后的最佳选择，此时等离子体的温度和电流只需维持即可。

小野说：“O模式适用于高温高密度等离子体。但是我们发现，O模式的效率在低温下变得非常差，所以你需要其他东西来处理低温范围。”

考虑到杂质的影响

作者（包括博士后研究员卡贾尔·沙赫）还研究了电能如何辐射出等离子体。在商业聚变所需的如此巨大的等离子体中，这种辐射可能具有重大意义。论文的合著者、实验室高级项目部门负责人路易斯·德尔加多-阿帕里西奥指出，在元素周期表中，特别重要的是要尽量减少高原子序数（也称为Z数）的元素中的杂质数量。这些是具有许多带正电荷的粒子（称为质子）的元素。一个元素的质子越多，其Z数越高，越能造成热损失。例如，钨和钼具有Z数，因此在紧凑的球形托卡马克装置内部使用时，需要仔细考虑其用途，以降低杂质向等离子体的转移。

尽管强磁场在很大程度上限制了等离子体在托卡马克内部以特定的形状存在，但有时等离子体可以接近托卡马克的内壁。“当这种情况发生时，来自墙壁的原子会溅射并进入等离子体，从而冷却它，”德尔加多·阿帕里西奥说。“即使相对少量的高Z元素也能显著降低等离子体的温度。”因此，在温度还在上升的时候，尽可能地防止杂质进入等离子体是至关重要的。

公私合作：核聚变的未来

加热模拟是设计项目“球形托卡马克先进反应堆”(Spherical Tokamak Advanced Reactor，简称STAR)的一部分。该项目是制定试点发电厂计划的战略计划。伯克利表示，该项目为普林斯顿等离子体物理实验室(Princeton Plasma Physics Laboratory)的研究人员提供了在物理学、工程学以及与计算机代码进行聚变模拟方面的专业知识方面应用他们的技能的机会，同时与私营企业合作制定球形托卡马克设计的聚变发电厂计划。

论文的共同作者、托卡马克能源公司高级技术顾问弗拉基米尔·谢夫琴科表示，他计划于明年年底在该公司聚变装置ST40上开展实验，与论文中给出的模拟结果进行对比。“其他加热系统都存在非常严重的问题，”谢夫琴科表示。“我认为这是托卡马克加热系统的未来。”

谢夫琴科认为，该项目得益于普林斯顿大学等离子体物理实验室与托卡马克能源公司之间的公私合作，托卡马克能源公司是能源部基于里程碑的融合开发计划所选公司之一。“普林斯顿大学等离子体物理实验室在等离子体物理学和托卡马克技术相关的不同领域有很多经验丰富的专家。他们在建模和咨询方面的贡献对像托卡马克能源公司这样的私营企业来说非常宝贵，”他说。

参考文献：“ST聚变反应堆中的高效ECCD非感应等离子体电流启动、提升和维持”，由M. Ono、J.W. Berkery、N. Bertelli、S. Shiraiwa、L. Delgado-Aparicio、J.E. Menard、Á. Sánchez-Villar、K. Shah、V. Shevchenko、H. Idei和K. Hanada于2024年6月19日发表在《核聚变》上。DOI：10.1088/1741-4326/ad556f

该项目中的其他PPPL研究人员包括尼古拉·贝尔泰利（Nicola Bertelli）、时井信一（Syun’ichi Shiraiwa）、乔恩·梅纳德（Jon Menard）和阿尔瓦罗·桑切斯·比拉尔（Álvaro Sánchez Villar）。该研究是在能源部（DOE）的合同编号DE-AC02-09CH11466的资助下完成的。