「星环聚能」即将开建负三角球形托卡马克NTST，有望解决聚变堆建设工程难题 | 九合portfolio

在初步工程验证装置SUNIST-2顺利建成运行并达到主要设计指标后，九合被投企业「星环聚能」即将开始建设负三角球形托卡马克NTST（Negative Triangularity Spherical Tokamak），该装置有望成为全球首个负三角形托卡马克，甚至全球首个负三角托卡马克。

NTST的运行将为下一代聚变级装置建设做好准备

NTST的磁体制作工艺、真空室结构、低温冷却形式都与下一代聚变级球形托卡马克CTRFR-1非常接近，通过快速建设和运行NTST，星环聚能将验证聚变堆相关磁体、真空、低温、电源、控制和排热等技术，为建设CTRFR-1做准备。NTST将应用星环聚能诸多创新设计，确保在降低成本、便于维护的前提下达到设计指标，朝着快速经济地实现聚变能的目标继续迭代推进。

• NTST的所有磁体都将采用星环聚能自主研发的第二代标准化模块式电源供电，通过串并联组合来满足不同磁体所需的电流电压（与SpaceX使用同一种发动机为所有火箭提供推力类似）。

• NTST的操作系统也将在星环聚能已有托卡马克操作系统的基础上重构，形成一套架构更加合理、移植更加方便、扩展更加灵活、人机交互更加自然的标准化托卡马克操作系统。

• NTST将在星环聚能现有等离子体控制系统的基础上，引入端到端框架，尝试全新的托卡马克“自动驾驶”方法。

星环聚能负三角球形托卡马克（NTST）

研究发现：负三角等离子体与聚变反应堆更加契合

为获得更好的性能，托卡马克环形等离子体的截面并非圆形，通常都有一定的三角形变。如果等离子体截面的顶点靠近环的对称轴，称为正三角形变，反之则称为负三角形变。

早期人们对托卡马克等离子体的控制能力有限，自身稳定性较好的正三角等离子体被广泛采用，取得了显著成就。包括JET获得69 MJ聚变能的等离子体在内，都是正三角等离子体。

但正三角等离子体也存在一定问题，例如必须进入高约束模才能获得好的约束性能，很难避免热冲击可达1 GW每平方米的边界局域模等，给运行和第一壁材料造成了很大的挑战。

近几年，随着控制能力的提升，瑞士的TCV、美国的DIII-D、欧洲的JET和德国的ASDEX-U等原本按照正三角等离子体设计的托卡马克，通过大幅调节线圈电流开展了负三角等离子体的研究（星环聚能近期也具备了负三角等离子体运行的能力），结果发现负三角等离子体普遍具有第一壁热负荷降低、边界局域模消失、约束改善、密度更高等优势，与聚变反应堆的需求非常契合。这些结果都还是在这些托卡马克并未针对负三角优化的条件下得到的，如果是原生负三角设计的托卡马克，性能有望更好。

负三角球形托卡马克有望解决聚变堆建设工程难题

相比于托卡马克，球形托卡马克通过压缩等离子体环中心空间，让等离子体尽可能处于好约束区，显著地改善了约束。但环中心空间的压缩使得该区域磁场强、电流密度高、引出电缆和接头非常集中，给球形托卡马克带来了一系列工程上的难题。

为了在保持球形托卡马克约束性能的基础上，减少工程建设困难。星环聚能创新性的提出将球形托卡马克与负三角等离子体结合作为解决方案。

优势1：增加中心柱空间

负三角球形托卡马克中心区可以从瘦长的直圆柱形扩张为沙漏形，空间大大增加，电流密度显著降低，各类引出电缆和接头也将非常容易布置，工程上制约球形托卡马克最主要的弊端几乎可以完全消除。下图对比了正三角（左）和负三角（右）球形托卡马克中心区。

球形托卡马克中心区：正三角（左）和负三角（右）

优势2：提高氚增值率，减轻第一壁负担

对于聚变堆来说，沙漏形中心区还可以安装氚增殖包层，提高氚增殖率，提升经济性。负三角等离子体偏滤器的打击面积也将大大增加，等离子体排热对第一壁的负担也将大幅度减轻。

优势3：减少电源负担

为了让磁通链接整个正三角等离子体，直圆柱形螺线管需要将磁力线硬箍成竖直形状，造成相当多的磁场储能。而沙漏形螺线管与磁力线的天然形状更为契合，无需过度紧箍即可实现磁通链接整个负三角等离子体，从而显著减轻电源负担。

如下图所示，链接几乎相同的磁通，正三角等离子体的直圆柱螺线管储能818 kJ，而负三角等离子体的沙漏形螺线管储能仅有263 kJ。

当然，负三角球形托卡马克等离子体将远离一部分强场区域，对等离子体不稳定性的控制要求更高，这些将是NTST需要探索的问题。

NTST的建设不仅是星环聚能聚变研发的里程碑式进展，更是对未来实现聚变商业化的深远布局。通过NTST，星环聚能将验证聚变核心技术，加速技术迭代，有望大幅降低建设与运营成本。对负三角等离子体的研究，将为建设球形托卡马克的工程难题提供解决思路，为构建更高效、更经济的聚变反应堆奠定坚实基础，为未来聚变能的经济性和竞争力提供有力支撑。

※星环聚能将在确认装置场地，获得环评认证等相关资质后开始建设NTST装置 。