2016年9月，美国Alcator C-Mod创造了磁约束聚变装置中等离子体压力的世界纪录，达到2.05个大气压，比之前的1.77个大气压（同样由Alcator C-Mod保持）高出15%。此时，等离子体温度为3500万摄氏度，磁场强度5.7T，等离子体电流达到1.4MA。
一、装置概览
Alcator C-Mod（以下简称“C-Mod”）是由美国麻省理工学院（MIT）等离子体科学与聚变中心（PSFC）设计并运行的紧凑型高磁场托卡马克装置，属于Alcator系列的第三代（前两代为Alcator A和Alcator C）。该装置于1993年正式投入运行，直至2016年9月按计划关闭，累计运行23年，完成约33000次放电实验。C-Mod以高磁场、高密度等离子体为核心特点，是国际上唯一采用垂直靶板偏滤器设计且磁场强度达8T的紧凑型托卡马克。C-Mod资金主要来自美国能源部聚变能源科学办公室，是美国大学运行的最大型聚变反应堆。
PSFC（Plasma Science and Fusion Center）最早可追溯到1976年成立的等离子体聚变中心（PFC），现已成为世界著名的等离子体、聚变科学与技术的大学研究中心，位于美国马萨诸塞州剑桥市，临近查尔斯河，拥有超过15万平方英尺的多元化的实验室空间，容纳了储能、电源转换、射频源、核磁共振磁体和加速器等基础设施。
二、研究目标
C-Mod的研究方向涵盖多个聚变科学前沿领域，主要包括：
- 高磁场下的等离子体物理：探索强磁场对等离子体约束和稳定性的影响，验证高磁场作为聚变反应堆可行路径的潜力。
- 偏滤器技术开发：研究高热通量下的偏滤器材料与几何设计，为ITER和未来反应堆提供散热解决方案。
- 射频加热与电流驱动：优化离子回旋共振（ICRF）和低杂波（LHCD）加热效率，实现非感应电流驱动以维持稳态等离子体。
- 等离子体控制与稳定性：抑制等离子体破裂等不稳定性，开发实时诊断与主动控制技术。
- 高约束模式（H模）扩展：提升能量约束时间，降低H模功率阈值，支持ITER运行数据库。
- 核心输运：探究等离子体内粒子与能量的迁移机制，包括自发核心环向旋转及与离子温度梯度（ITG）湍流减弱相关的内部输运屏障（ITB）形成。
- 边界层物理：聚焦等离子体边缘区域，研究从低约束模式到高约束模式（L-H 转换）的过渡过程，以及影响等离子体整体性能的边界层结构。
- 等离子体边界：探索等离子体-壁相互作用、偏滤器物理及刮削层（SOL）湍流，这些对反应堆中热量与粒子排放的管理至关重要。
- 波-等离子体相互作用：研究加热与电流驱动方法，包括离子回旋射频（ICRF）加热和低杂波电流驱动（LHCD），以维持和控制等离子体。
三、装置特点
- 高磁场与紧凑设计：C-Mod的环形磁场强度高达8T（设计极限9T），是地球磁场的16万倍，使其在小型装置中实现高密度（>1×10²¹m⁻³）和超高温（>1亿摄氏度）等离子体。
- 紧凑结构（主半径0.68米，小半径0.22米）降低了建造与运行成本，同时保持与大型装置相当的性能。
- 垂直靶板偏滤器与耐火金属材料：首创垂直靶板偏滤器设计，采用钼（Mo）和钨（W）等耐高温金属，成功处理反应堆级热通量（>10MW/m²）。该设计被ITER采用，成为聚变装置偏滤器的主流方案。
- 使用领先的射频加热技术：使用80MHz离子回旋共振加热（ICRF）和4.6GHz低杂波电流驱动（LHCD），功率密度达3-8MW/m³，为等离子体加热和电流维持提供高效手段。
四、核心参数
C-Mod是麻省理工学院Alcator系列的第三代装置，前两代分别为Alcator A和Alcator C。Alcator一词源于意大利语 “Alto Campo Toro”，意为 “高场环形装置”。
C-Mod装置核心参数为：等离子体大半径0.68m、小半径0.22m、环向磁场强度3-8T、最大等离子体电流为0.4-2.0MA。
Alcator A：1973-1979年运行，麻省理工学院Alcator系列的首个装置，同样属于紧凑型高场托卡马克，大半径0.54米，轴上磁场强度达10T，是首个采用空芯变压器进行欧姆电流驱动与加热的托卡马克装置，标志着聚变研究的重要突破。
Alcator C：1978-1987年运行。作为Alcator系列第二代装置，大半径增至0.64米，磁场强度设计最高可达13T。1982年，通过4MW低杂波加热实现电子温度超3.0keV，1983年nτ（等离子体密度×约束时间）乘积超过0.8×10²⁰ s・m⁻³，为早期聚变科学发展作出贡献。
五、发展历程
- 1984年，C-Mod启动概念设计。
- 1985年，向美国能源部提出资金支持申请。
- 1986年，C-Mod获得美国能源部批准并获准建设。
- 1993年，完成首次放电。
- 1994年，实现高约束模，扩展ITER数据库。
- 2000年代，开发硼化（Boronization）壁处理技术，提升等离子体纯度。
- 2005年，C-Mod创下1.77个大气压的等离子体压力世界纪录。
- 2016年9月，创下2.05个大气压等离子体压力纪录，随后退役。
六、突出贡献
C-Mod在科学发现与关键工程技术上均取得一定的突破，为后续核聚变的科研做出了突出贡献，具体包括：
- 1.科学突破
- 揭示等离子体旋转与剪切对输运和稳定性的作用，提出抑制破裂的新方法。
- 发现低杂波驱动电流可形成反向剪切位形，支持先进托卡马克运行模式。
- 验证高磁场下无边缘局域模（ELM）的稳定运行状态，降低材料损伤风险。
2.关键技术研发
- 垂直靶板偏滤器设计被ITER采用，解决反应堆级热负荷难题。
- 硼化壁处理技术成为国际托卡马克标准工艺，显著降低杂质辐射。开发高功率射频天线（如4带ICRF天线），推动加热技术实用化。
- 数据库支持：提供高磁场下等离子体约束、加热效率等关键数据，指导SPARC和ARC等紧凑型聚变堆设计。H-mode功率阈值研究为ITER运行参数优化提供依据。
- C-Mod以其高磁场、紧凑设计和创新技术，成为磁约束聚变研究的里程碑装置。尽管该装置目前已退役，但是其积累的海量数据仍在推动聚变科学的发展。
一、装置概览
Alcator C-Mod（以下简称“C-Mod”）是由美国麻省理工学院（MIT）等离子体科学与聚变中心（PSFC）设计并运行的紧凑型高磁场托卡马克装置，属于Alcator系列的第三代（前两代为Alcator A和Alcator C）。该装置于1993年正式投入运行，直至2016年9月按计划关闭，累计运行23年，完成约33000次放电实验。C-Mod以高磁场、高密度等离子体为核心特点，是国际上唯一采用垂直靶板偏滤器设计且磁场强度达8T的紧凑型托卡马克。C-Mod资金主要来自美国能源部聚变能源科学办公室，是美国大学运行的最大型聚变反应堆。
PSFC（Plasma Science and Fusion Center）最早可追溯到1976年成立的等离子体聚变中心（PFC），现已成为世界著名的等离子体、聚变科学与技术的大学研究中心，位于美国马萨诸塞州剑桥市，临近查尔斯河，拥有超过15万平方英尺的多元化的实验室空间，容纳了储能、电源转换、射频源、核磁共振磁体和加速器等基础设施。
二、研究目标
C-Mod的研究方向涵盖多个聚变科学前沿领域，主要包括：
高磁场下的等离子体物理：探索强磁场对等离子体约束和稳定性的影响，验证高磁场作为聚变反应堆可行路径的潜力。
偏滤器技术开发：研究高热通量下的偏滤器材料与几何设计，为ITER和未来反应堆提供散热解决方案。
射频加热与电流驱动：优化离子回旋共振（ICRF）和低杂波（LHCD）加热效率，实现非感应电流驱动以维持稳态等离子体。
等离子体控制与稳定性：抑制等离子体破裂等不稳定性，开发实时诊断与主动控制技术。
高约束模式（H模）扩展：提升能量约束时间，降低H模功率阈值，支持ITER运行数据库。
核心输运：探究等离子体内粒子与能量的迁移机制，包括自发核心环向旋转及与离子温度梯度（ITG）湍流减弱相关的内部输运屏障（ITB）形成。
边界层物理：聚焦等离子体边缘区域，研究从低约束模式到高约束模式（L-H 转换）的过渡过程，以及影响等离子体整体性能的边界层结构。
等离子体边界：探索等离子体-壁相互作用、偏滤器物理及刮削层（SOL）湍流，这些对反应堆中热量与粒子排放的管理至关重要。
波-等离子体相互作用：研究加热与电流驱动方法，包括离子回旋射频（ICRF）加热和低杂波电流驱动（LHCD），以维持和控制等离子体。
三、装置特点
高磁场与紧凑设计：C-Mod的环形磁场强度高达8T（设计极限9T），是地球磁场的16万倍，使其在小型装置中实现高密度（>1×10²¹m⁻³）和超高温（>1亿摄氏度）等离子体。紧凑结构（主半径0.68米，小半径0.22米）降低了建造与运行成本，同时保持与大型装置相当的性能。
垂直靶板偏滤器与耐火金属材料：首创垂直靶板偏滤器设计，采用钼（Mo）和钨（W）等耐高温金属，成功处理反应堆级热通量（>10MW/m²）。该设计被ITER采用，成为聚变装置偏滤器的主流方案。
使用领先的射频加热技术：使用80MHz离子回旋共振加热（ICRF）和4.6GHz低杂波电流驱动（LHCD），功率密度达3-8MW/m³，为等离子体加热和电流维持提供高效手段。
四、核心参数
C-Mod是麻省理工学院Alcator系列的第三代装置，前两代分别为Alcator A和Alcator C。Alcator一词源于意大利语 “Alto Campo Toro”，意为 “高场环形装置”。
C-Mod装置核心参数为：等离子体大半径0.68m、小半径0.22m、环向磁场强度3-8T、最大等离子体电流为0.4-2.0MA。
Alcator A：1973-1979年运行，麻省理工学院Alcator系列的首个装置，同样属于紧凑型高场托卡马克，大半径0.54米，轴上磁场强度达10T，是首个采用空芯变压器进行欧姆电流驱动与加热的托卡马克装置，标志着聚变研究的重要突破。Alcator C：1978-1987年运行。作为Alcator系列第二代装置，大半径增至0.64米，磁场强度设计最高可达13T。1982年，通过4MW低杂波加热实现电子温度超3.0keV，1983年nτ（等离子体密度×约束时间）乘积超过0.8×10²⁰ s・m⁻³，为早期聚变科学发展作出贡献。
五、发展历程
1984年，C-Mod启动概念设计。
1985年，向美国能源部提出资金支持申请。
1986年，C-Mod获得美国能源部批准并获准建设。
1993年，完成首次放电。
1994年，实现高约束模，扩展ITER数据库。
2000年代，开发硼化（Boronization）壁处理技术，提升等离子体纯度。
2005年，C-Mod创下1.77个大气压的等离子体压力世界纪录。
2016年9月，创下2.05个大气压等离子体压力纪录，随后退役。
六、突出贡献
C-Mod在科学发现与关键工程技术上均取得一定的突破，为后续核聚变的科研做出了突出贡献，具体包括：
1.科学突破
揭示等离子体旋转与剪切对输运和稳定性的作用，提出抑制破裂的新方法。
发现低杂波驱动电流可形成反向剪切位形，支持先进托卡马克运行模式。
验证高磁场下无边缘局域模（ELM）的稳定运行状态，降低材料损伤风险。
2.关键技术研发
垂直靶板偏滤器设计被ITER采用，解决反应堆级热负荷难题。
硼化壁处理技术成为国际托卡马克标准工艺，显著降低杂质辐射。
参考资料：
- https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/94079/04JA041_full.pdf
- https://www-internal.psfc.mit.edu/research/alcator/data/fst_cmod.pdf
- https://en.wikipedia.org/wiki/Alcator_C-Mod
- https://www.iter.org/node/20687/alcator-c-mod-unique-test-platform-iter
- https://phys.org/news/2016-10-alcator-c-mod-world.html