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球形托卡马克-排热大战与紧凑堆路线

2026-08-16

球形托卡马克：排热大战与两条紧凑路线的交汇

先看一个数字：聚变堆的偏滤器靶板，稳态要承受大约每平方米10兆瓦的热流，比喷气发动机燃烧室高约一个量级；ELM爆发瞬间能到每平方米千兆瓦量级，比稳态又高两个量级。聚变堆真正难的不是把火点着，是把火烤出来的废热安全地倒掉。这个难题有个专门称呼——排热（exhaust），而它恰恰是球形托卡马克这几年最精彩的一台戏。

排热有多难？看ARC就知道了。ARC是MIT 2015年提出的紧凑聚变堆概念，一篇论文13个作者，全部来自MIT等离子体科学与聚变中心，第一作者Sorbom，通讯是Dennis Whyte。ARC的偏滤器热流宽度λq（沿等离子体小半径方向、废热主要落进去的那一层厚度）只有约0.4毫米，要处理的分离面功率P_sep（穿过分界面的功率）高达100到150兆瓦。把这么多功率塞进一条零点几毫米宽的通道，就像把消防水带的水灌进吸管。任何聚变堆，不管球形还是常规，都得先过排热这一关。

球形托卡马克给出的第一个答案是Super-X偏滤器。

Super-X的想法2009年出自德州大学奥斯汀的Valanju、Kotschenreuther、Mahajan和Canik：把偏滤器打击点向外拉到等离子体大半径以外，让磁力线在偏滤器里被"撑开"，通量扩展变大，热流被摊薄。原理不复杂——总通量扩展f_R每增加一倍，附着状态下靶板密度需求变四倍、温度变四分之一（这是Moulton 2017年用SOLPS确认的定标）。但真正让Super-X活过来的，是英国MAST-U装置。

MAST-U是UKAEA（英国原子能管理局）在卡勒姆的球形托卡马克，2020年10月首次放电，是世界上第一台把Super-X造出来当主打位形跑的装置。2024年，Harrison等人给出第一批关键结果（PPCF 66, 065019）：在Super-X位形下，H模外偏滤器热通量比常规位形低约10倍；达到脱靶所需的上游密度只有常规的一半。更妙的是，同样的放电，常规位形下偏滤器是附着的，切到Super-X就自然脱靶了，芯部和台基一点不受影响。

不过Super-X的收益并不全是磁几何的功劳。这里有个绕不开的插曲：瑞士TCV装置扫了总通量扩展，变化70%，脱靶行为几乎没变。看似打了Super-X的脸，实际不然——TCV只改了磁场拓扑，没配紧密挡板。2020年Fil等人的论文（PPCF 62, 035008）把这个谜解开了：Super-X的收益等于"磁几何 × 挡板中性压缩"的乘积。几何通量扩展预期只值9.3倍；模拟算出26.8倍，超出几何的部分Moulton归因于长腿里氘原子的径向输运（不止中性封闭）；而MAST-U欧姆L模的实验对照是16±7倍（Moulton 2024）——三个口径的数字（9.3/26.8/16±7）放在一起，才看得出"10倍"这个宣传口径背后的真实误差棒。TCV缺了后一半，所以看不出效果；MAST-U两样都有，所以看到10倍。这个"乘积"框架如今成了评估一切先进偏滤器位形的标准动作。磁拓扑是必要条件，不是充分条件。

排热问题的另一半是控制。托卡马克不能只靠"碰运气脱靶"——要主动把脱靶位置控制在稳定窗口里。这个领域这几年从纸上谈兵变成了多装置实战。TCV上Ravensbergen等人2021年在Nature Communications上演示了实时反馈控制杂质辐射前沿（C-III）；DIII-D上Eldon等人2017年用分流汤姆逊散射的电子温度做反馈，T_e≈5 eV做阈值，还观察到了附着/脱靶的双稳态分岔——就像开关一样，要么完全附着要么完全脱靶，中间态是脆弱的；ASDEX Upgrade上Bernert等人2021年把X点辐射体（XPR，偏滤器里一团自发形成的高辐射区域）的位置实时锁住，实现了约95%功率耗散的完全脱靶外加ELM抑制。

球形托卡马克这一侧的最新突破，是2025年Nature Energy上的Kool等人：第一次在Super-X偏滤器上实时反馈控制电离前沿位置。方法很妙——用D₂分子的Fulcher带发射成像追踪"电离前沿"，一个PI控制器实时调节氘气注入量，把前沿钉在想要的位置（放电#48001）。第一作者B. Kool在荷兰DIFFER，通讯作者之一K. Verhaegh在UKAEA。他们还用STEP（英国下一代球形堆）的SOLPS-ITER合成诊断做了验证，说明这套控制在反应堆环境里传感器仍然可用。这是"排热从被动走向主动"的标志性一刻。

但科学从来不只一条路。球形托卡马克的第二张牌是负三角性。

负三角性（negative triangularity）是指等离子体截面倒过来，尖端朝里。常规托卡马克靠边缘台基（pedestal，等离子体最外层一个压力陡升的台阶）形成H模高约束，但台基伴随周期性ELM爆发（边缘局域模，把能量像炮弹一样轰向靶板的周期性爆发），ELM把能量像炮弹一样轰向靶板。负三角性的诱惑在于：不需要台基也能达到H模级约束，而且天然没有ELM。DIII-D和TCV在常规纵横比上早就演示过这一点（Marinoni NF 2021：无台基运行H98y2≈1、βN≈3，SOL热流宽度超定标50%；TCV上δ=-0.4的电子热扩散比δ=+0.4低约2倍）。

2024年，球形托卡马克也挤进了这场戏。MAST-U上Nelson等人（NF 64, 124004）把三角性压到δ≲−0.06，ELM消失，进入无ELM负三角性（ELM-free NT）状态；在负得不够深时，还能维持带III型ELM的延长H模。有意思的是，台基顶电子温度随负三角性下降而下降，芯部温度反而上升——约束从台基转移到了芯部。这里藏着个未解悖论：DIII-D上负三角性抑制ELM是因为第二稳定区被关闭，但MAST-U在第二稳定区同样关闭的情况下却还能维持H模。低纵横比下"气球稳定性关闭→ELM避免"这套逻辑不成立了。负三角性的机制，还没有共识。

同样没有共识的，是负三角性到底算"新范式"还是"边缘现象"。支持者拿出DIII-D/TCV的约束数据和带状流饱和机制（Singh & Diamond 2025年APS报告）；反对者指出AUG里负三角性优势只在低功率ECRH下成立、高功率混合加热下正三角性反而更好，而且解析模型显示负三角性"通常更不稳定"。回旋动理学模拟（Balestri PPCF 2024）给出最细致的图景：离子温度梯度模（ITG）在任意纵横比下负三角性都有益，但电子温度梯度模（TEM）只在常规纵横比下有益——球形托卡马克这种低纵横比，主导湍流变成微撕裂模，负三角性的收益要打个问号。SMART这台塞维利亚大学的负三角性球形托卡马克2025年1月才首次等离子体，正在用实验检验这些预测。它还没实现H模——NBI加热还没装——所以"首个ST负三角性H模"这个说法目前不成立，准确的里程碑是MAST-U 2024年的"首个低纵横比无ELM负三角性"。

现在看工程界怎么用脚投票。两条紧凑路线，都选了Super-X家族排热。

第一条是常规高场紧凑路线：ARC → SPARC → CFS商业电站。SPARC（R₀=1.85m、B₀=12.2T、目标Q>2）2027年首等离子体；CFS的商业ARC 2026年敲定弗吉尼亚厂址，R₀≈4.6m、净电400MW，2030年代初并网。这条路线靠高温超导（REBCO）磁体把场强堆上去换紧凑。它的偏滤器选型是长腿紧密挡板（X点目标偏滤器XPTD）——Super-X家族的近亲——排热论文（Eich JPP 2026）明确说要用MAST-U实验加SOLEDGE3X模拟来验证。

第二条是球形路线：MAST-U → STEP。STEP是英国要造的球形托卡马克原型堆，选址诺丁汉郡West Burton，2040年前后目标净电100MWe以上加氚自持。它的等离子体方案很激进：R_geo≈3.6m、纵横比1.8、βN≈5.5、全非感应运行（自举电流份额0.8-0.9）、聚变功率1.5-1.8GW，需要主动稳定电阻壁模（RWM）。排热方案就是上下对称双零加紧密挡板Super-X，运行在脱靶态（靶板电子温度低于5eV、垂直热流低于10MW/m²），挡板提供约200倍的中性气压压缩。MAST-U正是STEP的先行验证平台，UKAEA要求在2028年6月前完成MAST-U第5、6轮实验给STEP供证。

两条路线的交汇点很有戏剧性：2026年8月，MIT等离子体中心主任、ARC/SPARC/CFS联合创始人Dennis Whyte被任命为UKAEA首席执行官。常规高场路线的灵魂人物，跑去掌舵球形路线的主力国家队。紧凑堆的两条路线，在人事层面先合流了。

但工程界也不是铁板一块。EU-DEMO官方评估（Reimerdes NF 2020）的态度保守得多：X-divertor和Super-X确实物理裕量最大，但Super-X和雪花位形的资本成本最高——极向场导体多约50%，Super-X的环向场导体多约20%——而且工程约束让优势只能在外支腿实现。双零和雪花-minus相对单零"无显著改善"。所以欧洲官方的判断是"替代位形能降低辐射需求，但幅度有限、成本最高"。MAST-U/STEP团队认为10倍热通量降低值这个成本，EU-DEMO保守派认为常规偏滤器加先进芯部更划算。这场偏滤器方案之争，本质是"物理收益vs工程代价"的定价分歧。

顺便纠正一个流传很广的说法：Super-X的发明人不是B. Lipschultz。Lipschultz是"替代偏滤器必须认真对待"这个主张的最有力倡导者之一，但Super-X概念出自Valanju/Kotschenreuther/Mahajan/Canik（UT Austin IFS，2007-2009年论文）。X-divertor是Kotschenreuther，雪花位形是LLNL的Ryutov。做争议核实时，这类归属错误特别容易跑偏。

美国那边，球形托卡马克的另一条大腿NSTX-U还没站起来。2016年它刚重启几周，内极向场线圈PF1a就短路了。法医分析（Gerhardt IEEE TPS 2018）查明是制造缺陷——导体和绝缘层之间混进了导电材料，导致层间短路，不可修复。这台装置一躺就是十年。直到2026年6月3日，西班牙Elytt Energy造的核心磁体（环向场+欧姆线圈一体件）运抵普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL），重启才看到曙光，首次实验目标2027年。重启后的NSTX-U在加热功率和高β研究规模上将是世界领先的球形托卡马克，主攻芯部高β物理——NSTX当年βN峰值约6.4、β_t到35%（β是等离子体压强与磁压之比，βN是归一化β；这两个纪录不是同时实现的），这是球形托卡马克"以β换紧凑"路线的物理根基（β极限∝1/纵横比）。

私营那边，英国Tokamak Energy的ST40是另一个故事。它2022年宣布中心离子温度超过一亿摄氏度——这是真的一亿度：McNamara等人2023年Nuclear Fusion论文，中心氘离子温度9.6±0.4keV，约1.11亿°C，Alan Costley主持的国际诊断咨询委员会独立核验过。2025年底ST40又破了1兆安电流，成为第一个突破兆安的私营托卡马克。ST40走的是铜磁体高场球形路线，下一步升级到HTS磁体（ST80-HTS/ST-E1），2030年代初试点电厂。注意，ST40用铜磁体不是高温超导——它和CFS的REBCO路线是两种"高场"。

再说NSTX-U的液体锂路线：锂偏滤器概念（LiMIT，TEMHD自驱动流动锂）源自UIUC的Jaworski等人。液态锂能自修复表面、吸收氢同位素，但工程问题一堆：初代LiMIT在3MW/m²以上就干涸，液滴抛射、润湿、氚滞留（锂高溶解氚）都没解决。这是球形托卡马克偏滤器的另一个前沿赌注。

把镜头转到中国。中国球形托卡马克的谱系比大多数人以为的完整。

清华的SUNIST是中国第一台球形托卡马克，2002年首炮（R=0.3m、纵横比1.3、场强0.15T），项目负责人是何也熙——不是网上流传的高建民。2010年代何也熙从合肥等离子体所调来清华，带着一支团队把SUNIST做到了十万次放电。2023年，清华和星环聚能（2021年成立的私营公司，团队源自清华工程物理系）合作建成SUNIST-2，R₀=0.53m、1特斯拉、设计电流0.5MA、三角性可扫−0.6到+0.6，是国内最强球形托卡马克。到2025年10月（IAEA FEC 2025），SUNIST-2电流已到480kA，双脉冲运行，验证了等离子体合并和等离子体枪无螺线管启动，锂涂覆显著降杂质。清华的谭熠是装置负责人、星环聚能创始人兼首席科学家，高喆是核心教授。

星环聚能的路线图里藏着一个全球第一：NTST，一台原生负三角性球形托卡马克（R₀=0.87m、1.3MA、δ=−0.8到+0.6），2026年下半年安装调试。如果建成，它将是全球第一台原生负三角性球形托卡马克——SMART是"能扫到负三角性"的通用ST，NTST是"生来就负三角"。中国的负三角性，从HL-3的模拟（2026年物理学报：反三角L模约束达正三角H模水平，H98从1.71提到2.30）直接跳到原生装置。胆子不小。

新奥集团走的是另一条路：氢硼（p-¹¹B）无中子聚变，装置是球形环（EXL-50，纵横比1.4，本质上就是球形托卡马克——设计者Y.-K.M. Peng是START/MAST/NSTX概念的共同提出者，偏好"球形环"这个叫法）。EXL-50最特别的地方是起初没有中心螺线管，靠电子回旋共振加热（ECRH）驱动的超热电子携流，50-150kA无螺线管启动。2025年4月16日，EXL-50U实现全球首次氢硼兆安级放电（燃料含硼10%）。关于温度，口径有点乱：新奥官方宣称电子温度达一亿度，但EXL-50U团队自己发表的论文报电子温度约3到3.5keV（1 keV约等于1160万度，也就是3500万到4000万度量级）——应以发表的实验数据为准。"一亿度"这个修辞，也常被安到HL-3环流三号头上。氢硼路线争议极大：主流磁约束界普遍怀疑纯磁约束p-11B可行，因为需要>100keV的离子温度、三重积要求远超ITER定标。新奥的多磁流体+超热电子模型，目前还缺独立的第三方验证。新奥2026年4月加入国际托卡马克物理与工程活动（ITPEA，ITER框架下的国际合作组织，2026年初刚把范围从物理扩展到工程），成为中国首家、全球第二家获邀长期参与该合作的私营企业——第一家是2025年春季加入的CFS。ITER官网确认了这一安排。

真正让中国进入排热物理第一梯队的，是EAST——注意，EAST本身是常规纵横比装置（纵横比约3.3），不是球形托卡马克，但它的脱靶控制方法与球形装置共享同一套物理。中科院等离子体所（ASIPP）的徐国盛团队2026年在Physical Review Letters上发表了一个叫DTP的模式：实时轻杂质气体注入反馈，同时实现偏滤器部分脱靶+无ELM H模+台基约束提升，维持"分钟"量级。物理链条很漂亮：闭合偏滤器增强中性粒子抽除→减少台基冷却→增大台基温度梯度→激发高频宽带ηₑ-TEM湍流→持续向外输运热和粒子→天然抑制ELM。要说明，"脱靶+ELM抑制"双目标本身AUG的XPR控制（Bernert 2021）已经做到过；EAST DTP的新意在于第一次靠"ηₑ-TEM湍流级联"这个机制来同时达成两个目标，并把约束一并提升。徐国盛团队此前还有浮动电位反馈脱靶（NF 2024，26秒小ELM高约束、峰值热流降90%）和硼粉+氖协同注入（NF 2026，稳态ELM抑制+外偏滤器部分脱靶）。这些工作直接对标MAST-U/TCV/AUG的实时脱靶控制——中国在这条赛道上已经是国际前沿。

但中国的短板同样清楚。负三角性只有模拟没有实验数据（TCV/DIII-D/MAST-U领先多年）；ST装置缺大功率中性束注入（NBI）加热驱动的实验，MAST-U靠中性束把βN推到瞬时4.2，ST40靠中性束把离子温度推到8.6keV（一亿度），中国ST都还没摸到这套能力；SOL/偏滤器建模的核心代码SOLPS-ITER还是德国IPP的，中国没有独立的替代品；新奥的氢硼豪赌还缺第三方验证。一句话：中国的ST生态骨架全（清华+星环+新奥+EAST），但肌肉——高功率加热与高β实验能力——还没长起来。

现在把两条路线放在一起看。

常规高场紧凑堆（ARC/SPARC）靠HTS磁场换紧凑，球形托卡马克（STEP/ST40）靠低纵横比高β换紧凑。共同难题都是排热，共同答案都收敛到Super-X家族偏滤器+脱靶运行+主动控制。MAST-U在实验端给出Super-X的10倍热通量削减，Kool等人给出实时控制演示，STEP和ARC都把Super-X家族写进设计——排热这个show-stopper，正在被系统性地拆解。

但排热科学还没闭合。Maurizio等人2024年（Nuclear Materials and Energy）对比MAST-U Super-X双零位形的SOLPS-ITER模拟与实验发现：模拟把脱靶所需的上游密度高估了约2倍，脱靶窗口比实验宽；脱靶前沿从偏滤器室向X点移动时，速度在喉部区下降3到4倍，模拟与实验对不齐。边缘物理（分子过程、漂移效应、中性动力学）在长腿几何下明显失真——比如模拟里用来标定输运系数的那套传输假设给出λq约3.2mm，而MAST-U实测的λq约6mm，差一倍（Thornton等人2014年对MAST的λq测量同样落在5到11mm的宽范围）。STEP/ARC基于SOLPS的排热设计，余量评估带着不确定性。TCV反例提醒我们磁几何必须配挡板。负三角性的机制共识遥遥无期。NSTX-U十年后归来能兑现多少还是问号。

回到开头那个数字。一亿度每平方厘米的热流，是这个领域所有聪明的头脑在围攻的东西。Super-X、负三角性、液态锂、DTP控制——每一条路都是往那个数字上开的一枪。中国已经举起了枪，而且有几发子弹打得很准。真正的悬念是：谁能先把排热这个show-stopper彻底拆掉，让紧凑聚变堆从"纸上设计"变成"能跑的电厂"。那条路的终点，2026年看，比以往任何时候都近——也比以往任何时候都挤。

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