就像原子聚集在一起释放能量一样，世界各地的核聚变研究人员正在联合起来解决世界能源危机。利用聚变等离子体的能量作为电网的可靠能源并非易事，需要全球的贡献。

　　普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)在这方面做了几项努力，包括与西班牙塞维利亚大学合作设计和开发一种新的聚变装置。小宽高比托卡马克(SMART)从PPPL计算机代码以及实验室在磁学和传感器系统方面的专业知识中受益匪浅。

　　PPPL国家球面环面实验升级(NSTX-U)研究副主任、PPPL与SMART合作的首席研究员Jack Berkery说:“SMART项目是我们所有人共同努力解决核聚变带来的挑战并向下一代传授我们已经学到的东西的一个很好的例子。”“我们必须一起做这件事，否则就不会发生。”

　　Manuel Garcia-Munoz和Eleonora Viezzer都是塞维利亚大学原子、分子和核物理学系的教授，也是等离子体科学与聚变技术实验室和SMART托卡马克项目的共同负责人，他们说PPPL似乎是他们第一个托卡马克实验的理想合作伙伴。下一步是决定他们应该建造什么样的托卡马克。

　　加西亚-穆尼奥斯说:“它需要是一个大学能够负担得起的，但也可以为大学规模的融合景观做出独特贡献的项目。”“我们的想法是把已经建立的技术结合在一起:球形托卡马克和负三角形，使SMART成为同类中的第一个。事实证明，这是个很棒的主意。”

　　三角性是指等离子体相对于托卡马克的形状。托卡马克中等离子体的横截面通常呈大写字母D的形状。当D的直线部分面向托卡马克的中心时，它被称为正三角形。当等离子体的弯曲部分朝向中心时，等离子体呈负三角形。

　　加西亚-穆尼奥斯说，负三角形应该提供更高的性能，因为它可以抑制从等离子体中驱逐粒子和能量的不稳定性，防止对托卡马克壁的破坏。

　　他说:“这是一个潜在的游戏规则改变者，具有吸引人的聚变性能和未来紧凑型聚变反应堆的功率处理。”“负三角形在等离子体内部的波动水平较低，但它也有更大的分流面积来分配热量排出。”

　　与甜甜圈形状相比，SMART的球形应该能更好地限制等离子体。形状对等离子体约束有重要影响。这就是为什么NSTX-U, PPPL的主要聚变实验，不像其他托卡马克那样矮胖的原因:更圆的形状更容易限制等离子体。SMART将是第一个充分探索一种被称为负三角形的特殊等离子体形状潜力的球形托卡马克。

　　PPPL在球形托卡马克研究方面有着悠久的领导历史。塞维利亚大学的融合团队首先与PPPL联系，在TRANSP中实施SMART, TRANSP是由该实验室开发和维护的仿真软件。数十个设施使用TRANSP，包括私人企业，如英国的托卡马克能源公司。

　　“PPPL在许多领域都处于世界领先地位，包括聚变模拟;交通运输是他们成功的一个很好的例子，”加西亚-穆尼奥斯说。

　　马里奥·波德斯塔(Mario Podesta)曾在PPPL工作，他在帮助塞维利亚大学确定用于加热等离子体的中性光束的结构方面发挥了重要作用。这项工作最终在《等离子体物理与受控聚变》杂志上发表了一篇论文。

　　NSTX-U的研究主任Stanley Kaye现在正在与SMART团队的EUROfusion Bernard Bigot研究员Diego Jose Cruz-Zabala合作，使用TRANSP“确定在不同操作阶段实现其设计的正三角形和负三角形等离子体形状所需的整形线圈电流。”凯伊说，第一阶段将涉及一个“非常基本的”等离子体。第二阶段将用中性光束加热等离子体。

　　另外，Berkery、前本科生实习生John Labbate(现在是哥伦比亚大学的研究生)和前塞维利亚大学的研究生Jesús Domínguez-Palacios(现在已转到一家美国公司)使用了其他计算机代码来评估未来SMART等离子体的稳定性。Domínguez-Palacios在核聚变上发表的一篇新论文讨论了这项工作。

　　SMART和PPPL之间的合作还扩展到实验室的核心专业领域之一:诊断，这是一种带有传感器的设备，用于评估血浆。PPPL的研究人员正在设计几种这样的诊断方法。例如，PPPL物理学家Manjit Kaur和Ahmed Diallo与Viezzer一起领导SMART的汤姆森散射诊断系统的设计。

　　《科学仪器评论》杂志上发表的一篇新论文详细介绍了这种诊断方法将精确测量聚变反应过程中的等离子体电子温度和密度。这些测量将与离子温度、旋转和密度测量相辅相成，这些测量由被称为电荷交换重组光谱套件的诊断提供，该套件由塞维利亚、克鲁兹-扎巴拉和维泽大学的研究生Alfonso Rodriguez-Gonzalez开发。

　　“这些诊断可以运行几十年，所以当我们设计系统时，我们会考虑到这一点，”Kaur说。她说，在开发设计时，重要的是诊断可以处理SMART在未来几十年可能达到的温度范围，而不仅仅是最初的低值。

　　考尔从项目一开始就设计了汤姆森散射诊断，选择和采购了不同的子部件，包括她认为最适合这项工作的激光器。当Gonzalo Jimenez和Viezzer从西班牙给她发来照片时，看到激光测试的效果非常好，她非常激动。该测试包括在长凳上安装激光，并将其射向一块特殊的羊皮纸，研究人员称之为“烧纸”。如果激光设计得恰到好处，烧伤痕迹将是圆形的，边缘相对光滑。

　　“最初的激光测试结果非常好，”她说。“现在，我们急切地等待接收其他部件，以使诊断启动并运行。”

　　詹姆斯·克拉克(James Clark)是PPPL的研究工程师，他的博士论文主要研究汤姆逊散射系统，后来被邀请与考尔一起工作。“我一直在设计激光路径和相关的光学器件，”克拉克解释说。除了在项目的工程方面工作，Clark还帮助后勤，决定如何以及何时交付，安装和校准。

　　PPPL高级项目负责人Luis Delgado-Aparicio与Marie Sk?odowska-Curie研究员Joaquin galton - quiroga和塞维利亚大学研究生Jesus Salas-Barcenas一起，正在努力为SMART增加另外两种诊断方法:多能软x射线(ME-SXR)诊断和光谱仪。

　　ME-SXR也将测量等离子体的电子温度和密度，但使用与汤姆森散射系统不同的方法。ME-SXR将使用一组称为二极管的小型电子元件来测量x射线。汤姆逊散射诊断和ME-SXR相结合，将全面分析等离子体的电子温度和密度。

　　通过观察托卡马克内部不同频率的光，光谱仪可以提供等离子体中杂质的信息，比如氧、碳和氮。德尔加多-阿帕里西奥说:“我们正在使用现成的光谱仪，并设计一些工具将它们放入机器中，并结合一些光纤。”发表在《科学仪器评论》上的另一篇新论文讨论了这种诊断的设计。

　　PPPL研究物理学家Stefano Munaretto与塞维利亚大学研究生Fernando Puentes del Pozo Fernando领导的实地工作一起研究SMART的磁诊断系统。

　　“诊断本身很简单，”Munaretto说。“这只是一根绕在什么东西上的电线。大部分工作包括优化传感器的几何形状，使其尺寸、形状和长度正确，选择传感器的位置，然后进行所有信号调节和数据分析。”SMART的磁性设计在《科学仪器评论》上发表的一篇新论文中有详细介绍。

　　Munaretto说，SMART的工作非常有成就感，大部分从事磁诊断的团队都是由年轻的学生组成的，他们之前在该领域没有什么经验。“他们渴望学习，他们努力工作。我肯定看到了他们光明的未来。”

　　Delgado-Aparicio同意了。他说:“我很喜欢和塞维利亚大学的曼努埃尔·加西亚·穆尼奥斯、埃莱奥诺拉·维泽尔以及其他经验丰富的科学家和教授一起工作，但我最喜欢的是和他们那里充满活力的学生一起工作。”

　　“他们很聪明，在理解我们面临的挑战以及如何朝着获得第一个等离子体前进方面帮助了我很多。”

　　塞维利亚大学(University of Seville)的研究人员已经在托卡马克上进行了一项测试，用微波加热时显示出氩气的粉红色辉光。这一过程有助于托卡马克的内壁为更高压力下密度更大的等离子体做准备。虽然从技术上讲，粉红色的光来自等离子体，但它的压力如此之低，以至于研究人员不认为它是真正的第一个托卡马克等离子体。加西亚-穆尼奥斯说，这可能会在2024年秋天发生。