10月20日，英國(guó)原子能管理局(UKAEA)發(fā)布消息，在第四次科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，英國(guó)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(guó)MAST Upgrade)取得多項(xiàng)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(dòng)抑制ELM

在核聚變裝置中，如果等離子體電流、壓力或密度過(guò)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(duì)未來(lái)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(dòng)線圈，在等離子體邊緣施加一個(gè)小的3D磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)ELM的完全抑制。這也是首次在球形托卡馬克裝置中證實(shí)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(xiàng)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(jìn)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(guó)國(guó)家級(jí)球形托卡馬克原型電廠項(xiàng)目：STEP)這樣的未來(lái)發(fā)電廠項(xiàng)目奠定科學(xué)基礎(chǔ)。”

在MAST Upgrade的下一次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，已計(jì)劃開展進(jìn)一步工作，以驗(yàn)證和擴(kuò)展這一世界首創(chuàng)的發(fā)現(xiàn)。這些成果將及時(shí)為英國(guó)STEP聚變項(xiàng)目的ELM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)上下偏濾器獨(dú)立控制，推進(jìn)等離子體排氣解決方案

而在另一項(xiàng)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(dú)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(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在托卡馬克中獨(dú)立控制上、下偏濾器的能力可以顯著增強(qiáng)未來(lái)發(fā)電廠運(yùn)行的魯棒性和靈活性。

此外，在等離子體邊緣注入氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)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(guò)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(zhǎng)徑比裝置中探索的先進(jìn)排氣解決方案看齊。

三、3.8MW中性束加熱功率，助力實(shí)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(guò)中性束加熱(NBI)達(dá)到了3.8MW。這一里程碑支持了更高性能的等離子體場(chǎng)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(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了該裝置有史以來(lái)最佳的等離子體形狀，其拉長(zhǎng)比達(dá)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(shí)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(zhǎng)比能改善等離子體性能，因此成為類似STEP這樣的未來(lái)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(shí)驗(yàn)活動(dòng)是從2024年10月啟動(dòng)，當(dāng)時(shí)計(jì)劃是之后的100天內(nèi)進(jìn)行50多次實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)產(chǎn)生1600多個(gè)脈沖。而面對(duì)這三項(xiàng)突破性成果，UKAEA等離子體科學(xué)與聚變運(yùn)營(yíng)執(zhí)行主任Fulvio Militello表現(xiàn)得十分激動(dòng)，并表示：“我對(duì)我們UKAEA團(tuán)隊(duì)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(guó)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(lái)清潔、安全、豐富能源的目標(biāo)。”