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本月初，我们曾报道了美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的NSTX-U装置已经完成了核心磁体第一象限的构建工作（感兴趣的朋友可查阅：NSTX-U装置重启取得重要进展，核心磁体第一象限构建完成）。据悉，目前该装置的改造进度已达86%，预计2025年秋季重启运行。
一、装置概览
国家球形环面实验装置升级版（National Spherical Torus eXperiment Upgrade，简称NSTX-U），目前是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。前身可追溯至1999年投入运行的NSTX装置，曾在2015年完成升级改造后短暂运行，但不久后就因为遭遇线圈故障而被迫中止实验。该装置主要用于研究生产和维持等离子体特性所需要的方法和材料，研究内容还延伸到电子能量传输、液态金属等离子体-材料界面以及ITER燃烧等离子体的高能粒子约束等方面。
PPPL成立于1951年，位于美国新泽西州普林斯顿市，是一家由美国能源部（Department Of Energy，DOE）委托普林斯顿大学运营管理的国家实验室，是全美物理科学基础研究的最大实验室之一。PPPL具有顶尖的研发团队，在磁约束实验、等离子体理论与计算、等离子体科学与计算等方面处于居于全球领先地位。
二、预期目标
NSTX-U的研究目标包括：
将低纵横比、高β等离子体的粒子约束物理学扩展到与未来器件状态相关的较低粒子碰撞水平。 开发稳定的、无感的场景，具有稳态运行所需的自举电流。 开发传统和创新的功率和粒子处理技术，以优化高性能场景中的等离子体排气。
三、核心团队
Stan Kaye：现任NSTX-U项目主管。1979-1980年，在美国加利福尼亚的洛克希德研究实验室从事磁层研究。1980年加入PPPL，主要从事等离子体约束和输运分析研究工作，参与了PDX、PBX、PBX-M 和TFTR托卡马克，还曾担任国际托卡马克物理活动组织（International Tokamak Physics Activity，ITPA）的输运与约束专业组和美国输运工作组的主席。1991年开始协调NSTX的物理设计，2002年当选为美国物理学会会员，2009年获得PPPL的Kaul奖。
Rajesh Maingi：现任NSTX-U项目副主管。1992年获得北卡罗来纳州立大学核工程博士学位，1997-2012年在橡树岭国家实验室（ORNL）担任研究员，2012年加入PPPL并担任首席研究物理学家。目前是PPPL托卡马克实验科学系的负责人，也是美国国内液态金属等离子体组件开发项目的首席研究员。Rajesh Maingi于2009年当选为美国物理学会会员，2019年当选为美国核学会会员。2018年获得了Kaul基金会等离子体物理研究和技术开发卓越奖。
Stefan Gerhardt：现担任NSTX-U的实验研究运营负责人。Stefan Gerhardt主要擅长于诊断分析，同时还负责等离子体控制方案的设计和运行物理实验的运行。他曾在2016年获得Fusion Power Associates卓越聚变工程奖。
Brent Stratton：负责NSTX-U等离子体诊断业务。1998年起，担任PPPL首席研究物理学家，是光学发射光谱和激光诱导等离子体诊断方面的专家。Brent Stratton Stratton还负责监督PBNL的所有诊断开发工作及其应用。
Masayuki Ono：负责NSTX-U的射频科学业务。Masayuki Ono于1973年获得加州理工学院物理学学士学位，1978年获得普林斯顿大学等离子体物理学博士学位。他曾先后领导了ACT-1、CDX、CDX-U和NSTX等装置。2018年起，开始担任PPPL射频物理部门的负责人。
四、核心参数
NSTX-U核心参数为：大半径0.94m，小半径0.65m，环向磁场强度1T，最大等离子体电流2MA。与其前身NSTX相比，最大的变化是更换了一个中控台并增加了第二个中性束注入系统。这次升级使装置的磁场、等离子电流和辅助加热功率增加了一倍，同时将等离子脉冲持续时间延长了近五倍。
NSTX-U渲染图
其前身NSTX的参数为：大半径0.85m，小半径0.67m，环向磁场强度最大为0.55T，最大等离子体电流为1MA。
五、发展历程
NSTX-U装置在2015年完成升级改造后，事实上只进行了为期10周的成功实验，随后就因遭遇线圈故障停机维修。而囿于美国制造业“空心化”、经费不足及其他因素的影响，装置重启的进度表一延再延。
1999年2月，NSTX实现首次等离子体放电。
1999年12月，NSTX的等离子体电流达到了1MA的设计值。
2000年9月，启动NBI系统。
2001年，NSTX达到了产生了140万安培的电流。
2004年，NSTX实现创纪录的环向β值，达到40%，是传统托卡马克装置的三倍。
2012年，NSTX停止运行并启动升级工作。
2015年，NSTX-U完成各项升级工作。
2016年，极向场线圈出现故障，装置暂停运作，随后时任PPPL主任Stewart Prager辞职。
2020年，美国能源部宣布拨款1700万美元，以支持其实验、数据分析等活动的计算机模拟研究。
六、部分供应商
Holtec International：成立于1986年，总部位于美国佛罗里达，全球领先的能源行业设备和系统的供应商，被公认为核燃料存储和运输技术方面的领导者。Holtec为NSTX-U制造了中心柱外壳 (Center Stack Casing，CSC) 。
Elytt Energy：总部位于西班牙首都马德里，是一家专业从事核聚变、离子加速器和新能源领域相关的电源、磁体、飞轮等生产制造的公司。Elytt承担了ITER项目的环形磁场线圈绕组工作，NSTX-U的TF-OH线圈组也是由该公司负责绕制。
参考资料：
https://en.wikipedia.org/wiki/National_Spherical_Torus_Experiment
https://www.pppl.gov/research/projects/nstx-u
https://holtecinternational.com/2023/02/09/holtec-manufactures-the-central-component-of-the-next-fusion-reactor-for-the-u-s-department-of-energys-princeton-plasma-physics-laboratory/
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