球形托卡马克作为聚变能量下一步的模型

导读聚变能发展的最大谜题之一是磁性设施(或瓶子)的最佳形状，它将为聚变反应堆的发展提供下一步。领先的候选人包括球形托卡马克，形状像核心苹

聚变能发展的最大谜题之一是磁性设施(或“瓶子”)的最佳形状，它将为聚变反应堆的发展提供下一步。领先的候选人包括球形托卡马克，形状像核心苹果的紧凑型机器，与传统托卡马克的甜甜圈形状相比。球形设计产生高压等离子体 - 聚变反应的基本成分 - 具有相对低和成本效益的磁场。

可能的下一步是称为融合核科学设施(FNSF)的装置，其可以开发用于聚变反应堆的材料和部件。这样的装置可以在试验工厂之前，该工厂将证明产生净能量的能力。

“我们正在为未来的工厂开辟新的选择，”NSTX-U项目主任，该论文的第一作者Jonathan Menard说，该论文讨论了球形托卡马克作为可能模型的适用性。这项工作的支持来自美国能源部科学办公室。

这篇长达43页的论文考虑了组合式下一步瓶的球形设计：FNSF可以成为一个试验工厂，并作为商业聚变反应堆的先驱。这样的设施可以提供一条通往法国正在建设的国际托卡马克ITER的道路，以向商业聚变发电厂展示聚变能的可行性。

这个瓶子的一个关键问题是托卡马克中心的孔的大小，它保持和塑造等离子体。在球形托卡马克中，这个孔的尺寸可以是传统托卡马克孔的一半。这些差异反映在限制超热等离子体的磁场形状中，对等离子体的行为方式产生了深远的影响。

融合核科学设施的设计

首先是下一步设备将是FNSF。它将测试必须面对的材料并承受聚变反应产生的中子轰击，同时还产生足够量的自身聚变燃料。根据该论文，最近的研究首次确定了可以完成任务的集成设计。

这些集成功能包括：

能够繁殖氚的一种覆盖系统，一种罕见的同位素 - 或形式 - 氢与氘(原子的另一种同位素)融合，产生聚变反应。球形设计可以为反应中消耗的每种同位素培育大约一种氚同位素，从而产生氚的自给自足。

一种冗长的磁场结构，可以排出托卡马克的废热。这种称为“偏向器”的配置将减少撞击并可能损坏托卡马克内壁的热量。

垂直维护方案，其中中心磁体和繁殖氚的橡皮布结构可以独立于托卡马克进行安装，维护和修理。维护这些复杂的核设施是一项重大的设计挑战。一旦托卡马克使用聚变燃料运行，这种维护必须通过远程操作机器人完成; 新论文描述了如何实现这一目标。

对于试验工厂使用，在高温下运行的超导线圈将取代FNSF中的铜线圈以减少功率损耗。该工厂将在设施中产生少量净电力，该电力将尽可能紧凑并且可以更容易地扩展到商业聚变发电站。

高温超导体

高温超导体可能具有正面和负面影响。虽然它们可以减少功率损耗，但它们需要额外的屏蔽来保护磁铁免受加热和辐射损坏。这将使机器更大，更小。

高温超导体的最新进展可以帮助克服这个问题。这些进步使得磁场更高，使用比目前可实现的更薄的磁体，导致冷却磁体所需的制冷功率降低。这种超导磁体开启了所有基于球形托卡马克设计的FNSF和相关中试装置可以帮助最小化主要限制磁体的质量和成本的可能性。

目前，NSTX-U和即将完工的MAST设施的功率增加使它们更接近商业工厂的能力，这将创造安全，清洁和几乎无限的能源。“NSTX-U和MAST-U将推动物理学前沿，扩展我们对高温等离子体的认识，如果成功，将为基于更紧凑设计的融合发展路径奠定科学基础，”PPPL主任Stewart Prager说。

功率的两倍和脉冲长度的五倍

NSTX-U的功率是其前身的两倍，脉冲长度是其前身的五倍，并将探讨等离子体约束和维持受球形几何结构中较高等离子体压力的影响。MAST升级将具有相当的实力，并将探索一种新的，最先进的方法，用于在不损坏机器的情况下耗尽比太阳核心更热的等离子体。

“我们研究球形托卡马克的主要原因是找到一种比传统托卡马克需要更低成本的融合方式，”英国原子能管理局新任首席执行官兼英国磁约束聚变领导人伊恩查普曼说。 Culham科学中心的研究项目。

这些机器在其紧凑的几何形状内创造高等离子体性能的能力证明了它们作为下一步融合设施的可能模型的适用性。本研究中详述的各种考虑因素，计算和数据强烈支持基于球形设计的组合FNSF和试验工厂的概念。NSTX-U和MAST-U设备现在必须成功构建必要的高性能方案原型。