2022年2月，瑞士等离子体中心（SPC）与谷歌的Deepmind团队基于深度强化学习技术，共同开发出一种新型等离子体控制方法，并首次在SPC的托卡马克实验装置TCV中实现了真实等离子体的应用验证。
一、装置概览
TCV，全称Tokamak à configuration variable，是洛桑联邦理工学院（EPFL）下属的瑞士等离子体实验室最大的科研设施，与德国ASDEX Upgrade、英国MAST Upgrade和法国WEST并称为欧洲四大中型托卡马克装置。该装置自1992年11月产生了第一批等离子体，1993年6月开始全面运行。
SPC，全称是Swiss Plasma Center，即瑞士等离子体中心，欧洲聚变能发展联盟EUROfusion的成员单位。前身可追溯到1961年成立的等离子体物理实验室。实验室主要从事等离子体物理理论、基础实验等离子体物理、托卡马克物理、聚变反应堆材料、超导体开发与测试、回旋管和等离子体处理等领域的研究。
二、研究领域
TCV托卡马克的核心使命是：利用其高度专业化的等离子体成形能力，开发新型等离子体构型与位形。通过离子回旋共振加热（ECRH）与高功率中性束加热（NBI）的结合，该装置可提供多种加热及电流驱动方案。这些高度灵活的技术特性，加之测量系统（诊断设备）的持续升级优化、实时控制系统的定期改进，使TCV成为探索磁约束等离子体物理机制的理想实验平台。
具体来说，TCV的研究领域包括：
新型等离子体位形开发：比如双峰形、雪花形、负三角形等离子体
ECRH等离子体加热：电子伯恩斯坦波（EBW）、二次谐波（O2）、X2/X3模式应用，超热电子的产生与输运
输运与旋转研究：动量/粒子输运与等离子体位形的关联性，杂质输运特性
高约束模物理研究：准稳态高约束模式（QH-mode）、边缘局域模（ELM）控制、低-高约束模式（L-H）阈值、等离子体位形对约束的影响
先进托卡马克运行模式（ECCD相关）：全非感应电流驱动方案开发，电子内部传输壁垒（eITBs），高自举电流占比放电研究
刮削层（SOL）与等离子体-壁相互作用（PWI）：红外热成像测量、SOL湍流特性研究等等
此外，作为EPFL的一部分，TCV还承担了部分学术研究任务：探索等离子体基础物理问题（例如湍流输运机理、自发旋转现象、快速粒子物理等），这些研究有助于完善磁约束聚变的理论框架。
三、突出特点
1.等离子体形状可塑性突出：
16个独立供电的极向线圈以及矩形截面真空室设计，使TCV能够在不更换硬件的情况下产生几乎任意截面形状的等离子体。这种可塑性远超多数传统托卡马克。
2.强大的电子加热和电流驱动能力：
TCV的ECRH/ECCD系统在同等级别装置中处于领先地位。总功率超过4MW的高频加热以及多条可旋转波束，使其能够灵活加热等离子体不同部位并实现完全非感应电流驱动。
3.先进的实时等离子体控制：
TCV率先采用了数字实时控制系统来管理其多线圈和多源加热，其控制系统具备毫秒级反馈，将数十路诊断信号与线圈电源和射频功率源联动，可实现精细的等离子体形状、位形和不稳定模控制。
4.低成本高效率的实验平台：
由于体积小、结构相对简单，TCV的运行成本和准备时间远低于大型托卡马克。这意味着TCV能够高实验产出率地运行，每天可执行十余甚至数十个放电，快速扫描参数和验证想法。这种“小快灵”优势使TCV成为整个聚变研究体系中的“快速试验台”和物理概念验证机。
四、核心参数
TCV装置核心参数为：等离子体大半径0.88m，小半径0.25m、最大等离子体电流1.2MA、环形磁场1.54T。
TCV前身是TCA（全称Tokamak Chauffage Alfvén），是EPFL设计和建造的首台核聚变装置，于1980-1992年运营，重点用来评估和增强Alfvén波的等离子体加热。其核心参数为：等离子体大半径为0.615m，小半径为0.18m，最大等离子体电流为100KA，最大环形磁场1.1T。1994年，这台装置转让给巴西圣保罗大学（USP），随后更名为TCABR（Tokamak Chauffage Alfvén BRésilien），1999年开始重新启动运营，现如今已是南半球最大的托卡马克装置。
五、发展历程
1970年代中期，瑞士开始规划新一代托卡马克装置，以深入研究拉长等离子体的物理行为。
1986年，TCV项目正式获得批准。
1992年11月，TCV建设完成并首次成功产生等离子体放电。
1993年6月，TCV进入正式运行阶段。
1990年代末，对ECRH系统的进行升级，增加新的回旋管以提升加热功率，并逐步完善真空、诊断和控制系统，使其能够探索H模、高β等新的等离子体模式。
2000年，第一个电子回旋加速器加热系统安装TCV托卡马克上。2013年，EUROfusion选择TCV参与ITER的设计。
2013-2015年，TCV进行了为期约19个月的长停机，用于实施有史以来最大规模的升级。在这次升级中，团队安装了第一台1MW级中性束加热器，开辟了离子加热的新途径。
2018-2019年，对偏滤器进行了升级。
2020年代，又增设了第二台中性束（更高能量）和新的高频回旋管，使TCV具备更强大的加热与控制能力。
六、部分突出成果
1.负三角形等离子体提升约束性能：TCV最令人瞩目的发现之一是在负三角形截面（即截面呈反D形）条件下实现了显著改善的能量约束。早在1990年代末，TCV通过调整线圈电流首次产生负三角形等离子体，并观察到其能够约束时间较对应的正三角形等离子体明显提高，同时等离子体边缘可自然避免出现大型ELM不稳定。这一发现有望成为未来DEMO设计的一种候选形状，TCV在这一方向的先导研究具有开创意义。
2. “雪花”偏滤器的首次验证：2010年前后，TCV成功实现了雪花偏滤器构型的等离子体放电，成为全球首个验证这种高级偏滤器概念的托卡马克。TCV的实验证明，在雪花构型下可以稳定维持放电，并初步观察到偏滤器热流分布变化和边缘等离子体行为的改善。这一结果证实雪花偏滤器在工程上可行，为后续装置（如MAST-U和NSTX-U）尝试类似构型提供了依据。
3.非感应电流驱动和长脉冲放电：得益于强大的ECRH/ECCD系统，TCV率先在2000年实现了完全由射频电流驱动的等离子体放电，这一成果标志着托卡马克稳态运行研究的里程碑，也对ITER及未来聚变堆的电流驱动和稳态运行方案具有直接参考价值。此外，TCV还成功实现了多种先进稳态场景：例如利用ECCD控制电流剖面形成内部输运障壁（ITB），获得中心电子温度梯度剧增的高封闭区；以及在强ECRH辅助下进入准稳态无ELM的高约束模，为长脉冲高约束运行探索条件。
参考资料：
- https://actu.epfl.ch/news/epfl-and-deepmind-use-ai-to-control-plasmas-for-nu/
- https://www.epfl.ch/research/domains/swiss-plasma-center/research/tcv/
- https://euro-fusion.org/devices/medium-sized-tokamaks/
- https://www.epfl.ch/research/domains/swiss-plasma-center/research/tcv/research_tcv_tokamak/tcv-technical-data/