2024年6月，日本九州大学应用力学研究所联合NIFS、京都大学的研究团队发表研究成果称，成功地捕捉到了大型螺旋装置（LHD）中湍流被抑制的现象。利用激光进行的高精度测量和实验以及使用超级计算机进行的模拟表明，这种抑制现象是在湍流类型产生变化时发生的。本期聚变装置栏目，我们一起走进九州大学开发的，首个等离子体运行时长超过1万秒的超导托卡马克装置——TRIAM-1M。
一、装置概览
TRIAM-1M是日本九州大学于1986年建成的超导托卡马克装置，属于高场紧凑型实验装置。其核心创新在于采用Nb₃Sn超导材料制造环向场线圈，是全球首个应用此类先进超导磁体的托卡马克。装置主体由不锈钢（SUS304L）真空室、钼（Mo）限制器及偏滤器板构成，设计目标为实现稳态聚变等离子体的长时间维持。
九州大学应用力学研究所（Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University，RIAM），是日本核聚变与等离子体物理研究的核心机构之一，其研发的TRIAM-1M超导托卡马克装置在稳态运行和非感应电流驱动领域具有国际领先地位。除TRIAM-1M外，RIAM在多个前沿领域开发了一系列特色实验装置，涵盖等离子体物理、流体力学、海洋工程等方向，例如高温等离子体实验平台QUEST等。
二、研究目标
研究目标包含以下5项：
1.研发聚变堆用高场超导磁体，建立超导磁体技术；
2.开发基于非感应电流驱动（如低杂波电流驱动，LHCD）的稳态托卡马克运行技术；
3.研究杂质动力学与氢再循环过程；
4.开发用于稳态运行的非圆截面等离子体反馈控制技术；
5.实现高性能等离子体的辅助加热。
三、装置特点
1.强磁场超导磁体：Nb₃Sn线圈可在4.2K低温下产生8T中心磁场，为当时全球最强场托卡马克之一。
2.双真空室设计：隔离超导线圈与高温等离子体，保障磁体稳定性。
3.先进LHCD系统：2.45 GHz系统实现小时级放电；8.2 GHz系统维持高密度等离子体超1分钟，验证反应堆级密度可行性。
4.电流分布控制：通过多频低杂波协同调控电流剖面，实现全局分布控制达电流扩散时间的50倍。
5.数据系统革新：开发专用分布式数据采集系统，支持万秒级连续运行数据分析。
四、核心参数
TRIAM-1M的设计参数体现了其作为高场超导托卡马克的技术特征：
等离子体尺寸：大半径（Major Radius）约0.8米，小半径（Minor Radius）约0.12*0.18米。
磁场强度：最大环向磁场达到8T。
等离子体电流：最大20kA，典型运行电流15-20kA。
加热功率：低杂波电流驱动（LHCD）总功率约2MW（2.45 GHz和8.2 GHz），电子回旋加热（ECH）功率达200kW（170 GHz）。
五、发展历程
1.起源与初步建设（1979-1986）
TRIAM-1M的前身是1979年建成的TRIAM装置，采用常规导体磁体。1986 年，九州大学启动升级计划，将环向场磁体替换为低温超导材料，并优化真空室结构，正式命名为TRIAM-1M。此次升级使其成为日本首个超导托卡马克，为长时间运行奠定基础。
2.稳态运行突破（1995-2001）
1995年，TRIAM-1M在20kA等离子体电流下实现了2小时的稳态运行，验证了超导磁体的可靠性。2001年，进一步将运行时间延长至3小时10分钟，并在15kA电流下创下5小时16分钟的世界纪录，成为当时全球稳态运行时间最长的托卡马克。
3.技术迭代升级（2000s-退役前）
2000年代，TRIAM-1M引入低杂波电流驱动（LHCD）系统（2.45 GHz 和 8.2GHz）和电子回旋加热（ECH）系统（170GHz），实现了完全非感应电流驱动的长脉冲运行。
六、突出贡献
- 稳态运行里程碑：首次证明超导托卡马克可持续运行数小时，打破传统托卡马克秒级放电局限。5小时16分钟纪录（2001年）保持至今未被超越。
- 高约束模式突破：实现单零偏滤器位形（κ~1.5）维持1分钟；在增强电流驱动（ECD）模式下成功激发内部输运垒（ITB） ，离子温度Ti > 2 keV。
- 工程经验积累：揭示长脉冲运行中壁损伤机制（如中性粒子侵蚀），推动壁材料研究，为ITER远程导向天线等工程提供实验依据。
- 聚变研究范式转变：验证高场紧凑型托卡马克作为稳态聚变堆的技术路径，一定程度上也影响后续EAST、JT-60SA等装置设计。
TRIAM-1M通过超导磁体、低杂波电流驱动及精密控制系统，开辟了托卡马克稳态运行的新纪元。其万秒级放电能力不仅验证了聚变能源持续输出的可行性，更推动了高场紧凑堆的全球研究浪潮。尽管装置规模较小，但其在电流控制、壁处理及数据系统方面的创新，为ITER和未来商业聚变堆奠定了关键技术基础。
参考资料：
- https://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_hj/pt20240705000002.html
- https://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/csp_001c/pdf/ov2_3.pdf
- http://dpc.nifs.ac.jp/fudev/data_TRIAM.html