在核聚变系统中，当等离子体出现异常时，快速冷却以防止设备损坏至关重要。联邦聚变系统研究人员提出，通过大量注入气体来快速驯服比太阳还热的等离子体是一种有效方法。但气阀的数量和配置成为了一个需要精细平衡的问题。

为了找到这个平衡，研究人员求助于由美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)科学家开发和维护的计算机代码M3D-C1。该代码用于模拟不同的阀门配置，结果表明，在聚变容器周围间隔六个气阀，顶部三个，底部三个，可提供最佳保护。

这项研究由PPPL、麻省理工学院(MIT)、通用原子公司和联邦聚变系统公司的团队共同开展，相关成果发表在《核聚变》杂志上。该项目部分由聚变能源创新网络(INFUSE)计划资助，旨在加速国家实验室、大学和私营聚变公司之间的合作。

PPPL研究员、这项研究的主要作者Andreas Kleiner表示，M3D-C1能够通过大量气体注入模拟快速停机，使用比以前的模拟更窄、更真实的气体喷射。这项研究对SPARC的设计产生了直接影响，SPARC的设计计划现在包含六个气阀，这在很大程度上是基于这项研究的。

SPARC将使用强大的磁场将等离子体保持在类似甜甜圈的形状。虽然它是一个实验性的聚变系统，但人们希望有一天类似的设备能够得到改进，足以为电网发电。然而，防止超热粒子射流损坏聚变容器的内壁是一个关键挑战，特别是在使用特别强磁场来保持等离子体的聚变系统中。

论文合著者、Commonwealth Fusion Systems中断科学家Ryan Sweeney指出，需要采取大规模气体注入缓解措施，以确保能够在中断后迅速重启SPARC。同时，还需要管理不稳定性以确保聚变容器的长寿命。

由于目前还没有任何材料能够承受此类事件中可能产生的单位面积能量，因此确保用于快速冷却等离子体的大型气体注入系统的细节正确无误至关重要。模拟考虑了对称和非对称配置，以及不同数量的气阀均匀分布在聚变容器周围的情况。每次模拟都非常耗时，需要数周才能完成，尽管该团队使用了极其强大的百亿亿次级计算机。

PPPL理论副主任、该研究的共同作者Nate Ferraro表示，这是迄今为止进行的最全面的中断模拟。M3D-C1是核聚变研究的基石，Ferraro在其开发过程中发挥了核心作用。所使用的M3D-C1版本包含了对气阀等特征的更真实表示，并提供了一种创建模拟的新方法，称为非等距网格划分，可在最重要的地方实现更精细的分辨率。

Kleiner表示，之前也可以对此进行建模，但没有达到这种程度的精确度。这项研究强调了公私合作在推进核聚变技术方面的重要性。PPPL与Commonwealth Fusion Systems、General Atomics和麻省理工学院密切合作，为SPARC的设计优化提供了必要的高保真模拟。

Sweeney指出，运行像M3D-C1这样的代码非常复杂，是一项非常小众的技能。PPPL在开发和运行这些类型的代码方面拥有非常独特的专业知识，因此能够与实验室进行交互非常有益。

Ferraro表示，与私人合作伙伴合作也使PPPL受益，因为开发新机器让实验室科学家有机会将他们的知识应用到新系统并学习新技术。这个项目是一个很好的例子，说明在核聚变方面，不是公共研究与私人研究之间的对立，而是正在合作，双方都应为实现核聚变做出贡献。

除了Kleiner、Ferraro和Sweeney，这项研究的合著者还包括通用原子公司的Brendan Lyons和联邦聚变系统公司的Matthew Reinke。这项工作得到了INFUSE计划和美国能源部的资助。