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导语
2026年10月，MIT与CFS的研究人员在Review of Scientific Instruments发表论文，介绍了SPARC首轮运行周期C#1（2027年）中聚变功率的三种测量方案。
文章围绕如何准确测量聚变功率？并以足够的测量精度判断聚变增益是否真正大于1展开。
一、为什么测量本身很重要？
Qfus通常定义为聚变输出功率与输入等离子体加热功率之比，它反映的是聚变反应产生的能量与用于加热等离子体的能量之间的关系。磁体、低温系统、真空设备等设施的运行能耗，并不直接计入这一指标的分母。
图片来源：https://doi.org/10.1063/5.0349670
目前SPARC整体建设进度约80%，已安装8个环向场磁体，剩余10个计划在2026年底至2027年初完成。
首轮运行周期C#1目标在2027年启动，届时将冲击Qfus>1。
具体，在C#1中，SPARC的目标是实现：
目标Pfus：8–30 MW
平台时间：≥2 s（避免瞬时脉冲）
辅助加热：约20 MW ICRF
二、三种方法从不同角度测量聚变功率
SPARC的方案包含三条相互补充的测量路径。其中两条以中子诊断为基础，第三条则通过等离子体温度、密度等参数重建聚变反应率。
下图：测量 PDT 的拟议工作流程。图中展示了每种方法的数据处理步骤、系统间数据交换，以及可追溯的标定与准备工作
图片来源：https://doi.org/10.1063/5.0349670
氘氚聚变反应会产生高能中子。NFM用于实时监测局部中子通量，再结合探测器校准和中子输运模型，推算等离子体的总中子产额率。活化箔则通过中子照射后产生的放射性核素及其衰变信号，测量一次放电期间累积的中子产额。
两种诊断各有侧重：NFM提供随时间变化的测量信息，活化箔则提供积分测量结果。结合使用，有助于从不同时间尺度评估中子产额。
下图：中子诊断系统（NTRN）在托卡马克大厅和诊断大厅的整体布局，包括0°端口视线、诊断墙、FOIL位置等。
图片来源：https://doi.org/10.1063/5.0349670
核心视线中子谱仪（NSPC）采用磁质子反冲技术：中子与聚乙烯转换靶相互作用，产生反冲质子，再通过测量反冲质子信号获得核心区域的中子信息，并进行绝对标定。极向中子相机（NCAM）则通过多个视线获取中子发射信号，利用层析重建得到等离子体内部的中子发射率分布。
两者结合，可以将核心区域的绝对测量与等离子体空间发射率分布联系起来，从而估算总聚变功率。这一路径的特点，是同时考虑测量的绝对标定和等离子体内部的空间分布。
这一路径不直接以中子探测信号作为计算起点，而是综合离子和电子温度、密度、燃料离子比例、杂质稀释程度以及等离子体体积等诊断数据，结合集成物理模型计算局部聚变反应率，再对整个等离子体进行积分，得到聚变功率估算值。
这种方法能够从等离子体状态出发，对聚变功率进行另一种估算。不过，其准确性取决于多个诊断数据和物理模型的可靠程度。论文指出，这一路径的综合不确定度预算仍需进一步建立。
三、多种方法交叉验证，仍有工作待完成
三种方法在测量原理和数据来源上有所不同，可以为最终结果提供相互补充的依据。但不同方法并不意味着误差完全独立。
探测器校准、装置几何参数以及模型假设等因素，仍可能成为共同的误差来源。因此，如何整合不同诊断的数据、处理测量结果之间的差异，并建立统一的不确定度评估框架，是最终形成可信聚变功率测量结果的重要工作。
论文也披露了相关工作的推进情况：
截至2026年5月，第一种方法的诊断设计已接近最终阶段，部分探测器完成采购和原型测试，中子输运模型及中子源标定工作也在推进。
第二种方法仍需完成视线几何测量、仪器标定和系统间交叉校准。
第三种方法则需要进一步完善不确定度预算。
SPARC的目标不仅是获得Qfus>1的测量结果，还要使超过1的幅度足以与测量不确定度区分开来。简单说就是，如果测量结果仅仅略高于1，而误差范围仍覆盖1，就不足以形成有说服力的结论。
SPARC这篇论文让外界得以了解：在追求聚变增益的同时，CFS正在如何建立一套能够支撑实验结论的测量体系。
参考阅读 📚
https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/97/10/103532/3406907/Measurements-for-fusion-power-to-demonstrate-Qfus
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103532_1_5.0349670.pdf
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