研究人员已确定，六个气阀为SPARC提供了最佳的等离子体扰动保护，这是一个下一代实验性聚变系统。通过优化聚变容器的大规模气体注入系统的设置，研究人员确保了扰动——会损坏聚变容器内壁的突发等离子体喷射——能够有效控制，为更安全、更强大的聚变电厂铺平道路。
当聚变系统内部的等离子体开始出现异常行为时，必须迅速降温以防止对设备造成损害。共同体聚变系统的研究人员认为，最佳的解决方法是大规模气体注入：本质上是在他们的聚变系统SPARC内部及时快速地喷射冷却气体。但是，快速驯服比太阳还热的等离子体需要多少个气阀呢？团队必须找到完美的平衡：如果气阀太少，SPARC的某些部分可能会过热；如果气阀太多，聚变容器内部的宝贵空间将被浪费。
为了回答这个问题，研究人员转向了一种名为M3D-C1的计算代码，该代码由美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家开发和维护。该代码被用于模拟不同的阀配置，结果显示，在聚变容器周围均匀布置六个气阀，其中顶部三个，底部三个，提供了最佳保护。
这项研究由PPPL、麻省理工学院（MIT）、通用原子公司和共同体聚变系统的团队进行，结果发表在《核聚变》期刊上。该项目部分由聚变能源创新网络（INFUSE）计划资助，该计划旨在加速国家实验室、大学和私人聚变公司之间的合作。通过推进扰动缓解策略，研究团队正在帮助将聚变能源更进一步地变为现实。
“这项工作还表明，M3D-C1能够通过与以前模拟相比使用狭窄、更现实的气体喷射实现快速关闭，”PPPL的研究科学家、该研究的主要作者安德烈亚斯·克莱纳说。“我们的研究对SPARC的设计也产生了直接影响，”他说，并指出SPARC的设计计划现在在很大程度上基于这项研究纳入了六个气阀。
完成后，SPARC将使用强大的磁场将等离子体保持在类似甜甜圈的形状。虽然SPARC将是一个实验性聚变系统，但希望有一天类似的设备能够经过改进，为电网发电。这个改进的关键部分是创建一个系统，以防止超热粒子喷射损坏聚变容器的内壁。这个问题在像SPARC这样的聚变系统中被放大，因为它们使用特别强的磁场来保持等离子体。
“大规模气体注入缓解是确保我们能够在扰动后迅速重新启动SPARC所需的，”论文的共同作者、共同体聚变系统的扰动科学家瑞安·斯威尼表示。
不稳定性也需要得到管理，以确保聚变容器的长寿命。
“我们目前没有任何材料能够承受在这种事件中可能释放的面积功率，”克莱纳说。因此，对于旨在迅速冷却等离子体的大规模气体注入系统，确保细节正确至关重要。“如果这些事件没有得到管理，朝向第一壁喷出的热量可能会熔化它。”
迄今为止最全面的扰动模拟
模拟考虑了对称配置，具有六个、四个和两个气阀均匀分布在聚变容器周围，半数阀在顶部，半数阀在底部。模拟还考虑了不对称配置，包括一个喷射器和五个气阀。每次模拟极为耗时——即使团队使用的是极其强大的超算计算机，也要运行数周。
“这些是迄今为止最全面的扰动模拟，”PPPL理论副主任、该研究的共同作者内特·费拉罗说。
M3D-C1一直是聚变研究的基石，费拉罗在其开发中发挥了核心作用。费拉罗在攻读研究生时与PPPL首席研究物理学家斯蒂芬·贾尔丁一起构建了初始代码，数年来一直在改进其能力。“我们模拟注入气体与等离子体不稳定性之间相互作用的能力显著提高，使这项研究成为可能，”他说。
具体而言，使用的M3D-C1版本集成了更现实的气阀特征表示。它还提供了一种新的模拟创建方法，称为不均匀网格划分，使得在最重要的地方能够实现更细的分辨率。M3D-C1网格将托卡马克划分为切片。但是，气体喷射宽度仅约一厘米，而托卡马克周围的距离大约为十米，因此如果均匀间隔，准确分辨这些喷射将需要数百个切片。但通过不均匀网格划分，科学家可以不均匀切分等离子体。对于SPARC模型，气阀附近的切片更多，因为科学家预计那里会发生最重要的变化。研究人员表示，这种方法使整体模拟更加现实。
“我们本可以在之前进行模拟，但没有如此水平的准确性，”克莱纳说。
这项研究突显了公私合作伙伴关系在促进聚变技术方面的重要性。PPPL与共同体聚变系统、通用原子公司和麻省理工学院紧密合作，提供了SPARC设计优化所需的高保真模拟。这反过来将有助于共同体聚变系统在弗吉尼亚查斯特菲尔德县建造的ARC发电厂的设计。
“运行像M3D-C1这样的代码非常复杂。这是一项非常小众的技能，”斯威尼说。“PPPL在开发和运行这类代码方面拥有非常独特的专业知识，因此能够与实验室接洽是非常棒的。”
费拉罗表示，与私人合作伙伴的合作也对PPPL有益，因为研究新机器使实验室科学家有机会将他们的知识应用于新系统并学习新技术。“这个项目很好地表明了，在聚变问题上，并不是公私研究之间的对立。我们是一起合作的。我们都有各自的角色来实现聚变。”
除克莱纳、费拉罗和斯威尼外，该研究的共同作者还包括来自通用原子公司的布伦丹·莱昂斯和来自共同体聚变系统的马修·赖克。该项工作得到了INFUSE计划和能源部的支持，资助号为DE-AC02-09CH11466和DE-AC02-05CH11231。
