星環(huán)聚能即將開建負三角球形托卡馬克NTST，有望解決聚變堆建設(shè)工程難題

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在初步工程驗證裝置SUNIST-2順利建成運行并達到主要設(shè)計指標后，星環(huán)聚能即將開始建設(shè)負三角球形托卡馬克NTST（Negative Triangularity Spherical Tokamak），該裝置有望成為全球首個負三角球形托卡馬克，甚至全球首個負三角托卡馬克。

NTST的運行將為下一代聚變級裝置建設(shè)做好準備

NTST的磁體制作工藝、真空室結(jié)構(gòu)、低溫冷卻形式都與下一代聚變級球形托卡馬克CTRFR-1非常接近，通過快速建設(shè)和運行NTST，星環(huán)聚能將驗證聚變堆相關(guān)磁體、真空、低溫、電源、控制和排熱等技術(shù)，為建設(shè)CTRFR-1做準備。NTST將應(yīng)用星環(huán)聚能諸多創(chuàng)新設(shè)計，確保在降低成本、便于維護的前提下達到設(shè)計指標，朝著快速經(jīng)濟地實現(xiàn)聚變能的目標繼續(xù)迭代推進。

NTST的所有磁體都將采用星環(huán)聚能自主研發(fā)的第二代標準化模塊式電源供電，通過串并聯(lián)組合來滿足不同磁體所需的電流電壓（與SpaceX使用同一種發(fā)動機為所有火箭提供推力類似）。
NTST的操作系統(tǒng)也將在星環(huán)聚能已有托卡馬克操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重構(gòu)，形成一套架構(gòu)更加合理、移植更加方便、擴展更加靈活、人機交互更加自然的標準化托卡馬克操作系統(tǒng)。
NTST將在星環(huán)聚能現(xiàn)有等離子體控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入端到端框架，嘗試全新的托卡馬克“自動駕駛”方法。

星環(huán)聚能負三角球形托卡馬克（NTST）

研究發(fā)現(xiàn)：負三角等離子體與聚變反應(yīng)堆更加契合

為獲得更好的性能，托卡馬克環(huán)形等離子體的截面并非圓形，通常都有一定的三角形變。如果等離子體截面的頂點靠近環(huán)的對稱軸，稱為正三角形變，反之則稱為負三角形變。

早期人們對托卡馬克等離子體的控制能力有限，自身穩(wěn)定性較好的正三角等離子體被廣泛采用，取得了顯著成就。包括JET獲得69 MJ聚變能的等離子體在內(nèi)，都是正三角等離子體。

但正三角等離子體也存在一定問題，例如必須進入高約束模才能獲得好的約束性能，很難避免熱沖擊可達1 GW每平方米的邊界局域模等，給運行和第一壁材料造成了很大的挑戰(zhàn)。

近幾年，隨著控制能力的提升，瑞士的TCV、美國的DIII-D、歐洲的JET和德國的ASDEX-U等原本按照正三角等離子體設(shè)計的托卡馬克，通過大幅調(diào)節(jié)線圈電流開展了負三角等離子體的研究（星環(huán)聚能近期也具備了負三角等離子體運行的能力），結(jié)果發(fā)現(xiàn)負三角等離子體普遍具有第一壁熱負荷降低、邊界局域模消失、約束改善、密度更高等優(yōu)勢，與聚變反應(yīng)堆的需求非常契合。這些結(jié)果都還是在這些托卡馬克并未針對負三角優(yōu)化的條件下得到的，如果是原生負三角設(shè)計的托卡馬克，性能有望更好。

負三角球形托卡馬克有望解決聚變堆建設(shè)工程難題

相比于托卡馬克，球形托卡馬克通過壓縮等離子體環(huán)中心空間，讓等離子體盡可能處于好約束區(qū)，顯著地改善了約束。但環(huán)中心空間的壓縮使得該區(qū)域磁場強、電流密度高、引出電纜和接頭非常集中，給球形托卡馬克帶來了一系列工程上的難題。

為了在保持球形托卡馬克約束性能的基礎(chǔ)上，減少工程建設(shè)困難。星環(huán)聚能創(chuàng)新性的提出將球形托卡馬克與負三角等離子體結(jié)合作為解決方案。

優(yōu)勢1：增加中心柱空間

負三角球形托卡馬克中心區(qū)可以從瘦長的直圓柱形擴張為沙漏形，空間大大增加，電流密度顯著降低，各類引出電纜和接頭也將非常容易布置，工程上制約球形托卡馬克最主要的弊端幾乎可以完全消除。下圖對比了正三角（左）和負三角（右）球形托卡馬克中心區(qū)。

球形托卡馬克中心區(qū)：正三角（左）和負三角（右）

優(yōu)勢2：提高氚增值率，減輕第一壁負擔

對于聚變堆來說，沙漏形中心區(qū)還可以安裝氚增殖包層，提高氚增殖率，提升經(jīng)濟性。負三角等離子體偏濾器的打擊面積也將大大增加，等離子體排熱對第一壁的負擔也將大幅度減輕。

優(yōu)勢3：減少電源負擔

為了讓磁通鏈接整個正三角等離子體，直圓柱形螺線管需要將磁力線硬箍成豎直形狀，造成相當多的磁場儲能。而沙漏形螺線管與磁力線的天然形狀更為契合，無需過度緊箍即可實現(xiàn)磁通鏈接整個負三角等離子體，從而顯著減輕電源負擔。

如下圖所示，鏈接幾乎相同的磁通，正三角等離子體的直圓柱螺線管儲能818 kJ，而負三角等離子體的沙漏形螺線管儲能僅有263 kJ。

當然，負三角球形托卡馬克等離子體將遠離一部分強場區(qū)域，對等離子體不穩(wěn)定性的控制要求更高，這些將是NTST需要探索的問題。

NTST的建設(shè)不僅是星環(huán)聚能聚變研發(fā)的里程碑式進展，更是對未來實現(xiàn)聚變商業(yè)化的深遠布局。通過NTST，星環(huán)聚能將驗證聚變核心技術(shù)，加速技術(shù)迭代，有望大幅降低建設(shè)與運營成本。對負三角等離子體的研究，將為建設(shè)球形托卡馬克的工程難題提供解決思路，為構(gòu)建更高效、更經(jīng)濟的聚變反應(yīng)堆奠定堅實基礎(chǔ)，為未來聚變能的經(jīng)濟性和競爭力提供有力支撐。

※星環(huán)聚能將在確認裝置場地，獲得環(huán)評認證等相關(guān)資質(zhì)后開始建設(shè)NTST裝置。

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