10月20日，英國原子能管理局(UKAEA)發(fā)布消息，在第四次科學(xué)實驗活動中，英國當(dāng)前最大的球形托卡馬克裝置MAST Upgrade(歐洲四大中型托卡馬克裝置之一：英國MAST Upgrade)取得多項世界首創(chuàng)的突破性成果。

一、首次在球形托卡馬克中，利用3D共振磁擾動抑制ELM

在核聚變裝置中，如果等離子體電流、壓力或密度過高，等離子體可能變得不穩(wěn)定，從而降低性能或危及托卡馬克內(nèi)部部件。維持等離子體穩(wěn)定性是聚變面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。而邊界局域模(ELM)是發(fā)生在等離子體邊界的不穩(wěn)定性，可能對未來聚變發(fā)電廠的內(nèi)部部件構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為此，UKAEA的研究人員使用共振磁擾動線圈，在等離子體邊緣施加一個小的3D磁場，從而實現(xiàn)了對ELM的完全抑制。這也是首次在球形托卡馬克裝置中證實此種抑制效果。

UKAEA的MAST Upgrade科學(xué)負(fù)責(zé)人James Harrison表示：“在球形托卡馬克中抑制ELM是一項里程碑式的成就。這證明了，為傳統(tǒng)托卡馬克開發(fā)的先進控制技術(shù)可以成功地應(yīng)用于緊湊型裝置，從而為類似STEP(英國國家級球形托卡馬克原型電廠項目：STEP)這樣的未來發(fā)電廠項目奠定科學(xué)基礎(chǔ)。”

在MAST Upgrade的下一次實驗活動中，已計劃開展進一步工作，以驗證和擴展這一世界首創(chuàng)的發(fā)現(xiàn)。這些成果將及時為英國STEP聚變項目的ELM控制系統(tǒng)設(shè)計提供直接參考。此外，它們也將有助于消除ELM這一商業(yè)聚變可行性道路上的障礙。

二、首次實現(xiàn)上下偏濾器獨立控制，推進等離子體排氣解決方案

而在另一項世界首創(chuàng)中，UKAEA的研究人員證明，他們可以在不影響托卡馬克主室中等離子體性能或密度的情況下，獨立控制MAST Upgrade中上、下偏濾器的等離子體排氣。

托卡馬克的排氣系統(tǒng)，即偏濾器，主要用于將等離子體噴射出的粒子和熱量引導(dǎo)至托卡馬克內(nèi)的表面上。管理等離子體排氣是聚變的另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在托卡馬克中獨立控制上、下偏濾器的能力可以顯著增強未來發(fā)電廠運行的魯棒性和靈活性。

此外，在等離子體邊緣注入氮氣的實驗表明，能量可以更均勻地分布在面向等離子體的部件(PFC)上。該技術(shù)防止了熱量過度集中，為管理緊湊型球形托卡馬克的功率排放開辟了一條新途徑，使其與在傳統(tǒng)長徑比裝置中探索的先進排氣解決方案看齊。

三、3.8MW中性束加熱功率，助力實現(xiàn)最佳的等離子體形狀

MAST Upgrade還創(chuàng)造了注入其等離子體的功率記錄，通過中性束加熱(NBI)達到了3.8MW。這一里程碑支持了更高性能的等離子體場景，并有助于開發(fā)與發(fā)電廠相關(guān)的條件。

在最新一輪實驗中，該團隊還實現(xiàn)了該裝置有史以來最佳的等離子體形狀，其拉長比達到2.5，這意味著等離子體高度是其寬度的2.5倍。

等離子體的成形可以產(chǎn)生穩(wěn)定效應(yīng)，從而實現(xiàn)具有更高壓力和更好約束性能的高性能等離子體。更大的等離子體拉長比能改善等離子體性能，因此成為類似STEP這樣的未來聚變發(fā)電廠的關(guān)鍵目標(biāo)。

據(jù)了解，MAST Upgrade第四次科學(xué)實驗活動是從2024年10月啟動，當(dāng)時計劃是之后的100天內(nèi)進行50多次實驗，預(yù)計產(chǎn)生1600多個脈沖。而面對這三項突破性成果，UKAEA等離子體科學(xué)與聚變運營執(zhí)行主任Fulvio Militello表現(xiàn)得十分激動，并表示：“我對我們UKAEA團隊取得的突破性發(fā)現(xiàn)感到非常高興。這些成就鞏固了英國在聚變研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，使我們更接近將聚變作為未來清潔、安全、豐富能源的目標(biāo)。”