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近日，新奥“玄龙-50U”实验装置再获关键工程技术突破：环向场（TF）线圈成功实现150kA电流、平顶1.6s的稳定通流，对应装置大半径0.6米处的磁场强度达1.2T，同步验证了磁体线圈达到工程满负荷运行参数。这标志着“玄龙- 50U”装置的所有工程设计指标全部实现，成为全球首个实现秒级1.2T以上磁场条件的球形环装置，为氢硼聚变所需的高温高密度条件筑牢了硬件根基。
今年4月16日，“玄龙- 50U”装置已在国际上首次实现百万安培（兆安）氢硼等离子体放电，标志着新奥引领的球形环氢硼聚变研究跃升至高参数运行区间，同时也标志着新奥“玄龙-50U”装置跻身国际球形环先进行列。
一、球形环含义及特点
球形环是一种紧凑的低环径比（R/a<2）托卡马克，其磁场效率较高，同样的磁场，可以比常规托卡马克约束的等离子体压强高一个数量级。
相关概念最早源于1986年彭元凯博士和Strickler提出的“球面环面（Spherical Torus）”。相比传统环形托卡马克，通过只保留必不可少的组件，如环面场线圈，它更紧凑，结构简单、体积小，形状更接近球形或苹果形，等离子体电流密度大大提高，在减少体积的同时提高了装置的效率。除此之外，球形环还具有等离子体截面自然拉长、表面剪切大和自举电流大等优点， 这些都有利于托卡马克等离子体的约束和稳定。
二、国外代表性装置
- START：英国卡勒姆聚变实验室（CCFE）于1991年1月-1998年3月运行的世界上首个球形托卡马克装置。设计参数为：大半径0.18-0.22m，小半径0.13-0.17m，环径比1.3-1.5，等离子体电流为60-200kA，环向磁场0.4-0.6T。
- MAST Upgrade：即兆安培球形托卡马克升级版，同样是由CCFE开发，自2020年开始运行，目前是英国最大的磁约束核聚变装置。设计参数为：等离子体大半径0.85m，小半径0.65m，最大等离子体电流2.0MA，环向磁场0.75T。
- NSTX Upgrade：即国家球形环面实验装置升级版，目前是美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）下属的主要的实验装置，也是美国能源部旗下的一个重要用户设施。设计参数为：大半径0.94m，小半径0.65m，环向磁场1T，最大等离子体电流2.0MA。
- PEGASUS：美国威斯康星大学开发的一个球形托卡马克装置，旨在探索准球形高压等离子体的约束特性，同时通过技术创新减少设备体积并优化性能。设计参数为：大半径0.2-0.45m，环径比1.1-2，最大等离子体电流0.45MA，环向磁场不超过0.2T。
- SMART：西班牙塞维利亚大学设计、建造和运行的最先进的实验性聚变装置，也是全球首个采用“负三角形度”等离子体形状的紧凑型球形托卡马克。设计参数为：大半径0.4m，小半径0.25m，环向磁场0.1-1T。2025年1月，装置首次产生等离子体。
- ST40：英国核聚变商业化公司Tokamak Energy设计开发全球首个设计环向磁场达3T的高场紧凑型球形托卡马克装置。设计参数为：大半径0.4-0.6m，环径比1.6-1.8，磁场3T。2022年，ST40等离子体离子温度为1亿摄氏度，成为首个达到聚变所需温度的球形托卡马克。
三、国内代表性装置
除了新奥玄龙-50U（包括其前身玄龙-50）外，国内还有部分代表性装置：
- NCST：国内首个可实现压缩融合启动等离子体电流的球形托卡马克装置。2021年1月正式投入运行并实现首次成功放电。设计参数为：大半径0.4m，小半径0.24m，环向磁场0.36T，最大等离子体电流为100kA。
- SUNIST：我国第一台球形托卡马克，由清华大学工程物理系和中国科学院物理研究所联合发起，2002年11月开始运营，2008年进行了重大升级。设计参数为大半径0.30m、小半径0.23m、磁场0.27T、等离子体电流不超过120kA。
- SUNIST-2：由清华大学设计、星环聚能和清华大学联合建设的中国联合球形托卡马克。2023年7月，SUNIST-2建成并开展了首次放电，获得100kA等离子体电流，设计参数为大半径0.53m、小半径0.33m，磁场1T，最大等离子体电流0.5MA。
参考资料：
- https://mp.weixin.qq.com/s/TPloss9lK4JRA9duWYIwGg
- https://www.neimagazine.com/advanced-reactors-fusion/first-plasma-for-spains-smart-tokamak/
- https://startorus.cn/process/
- https://www.ep.tsinghua.edu.cn/info/1003/3230.htm
- https://hf.cas.cn/kxyj/kyjz/202404/t20240429_7145768.html