5月23日，EUROfusion联合德国IPP、意大利ENEA、西班牙CIEMAT、法国CEA等欧洲主要核聚变科研机构通过创新设计优化偏滤器位形，在英国MAST Upgrade托卡马克装置上开展了一项关于托卡马克排热解决方案的研究。相关研究已发表在《Communications Physics》上，标题为《Divertor shaping with neutral baffling as a solution to the tokamak power exhaust challenge》。
一、研究背景
核聚变以其可持续性与环保的优势被视为未来理想能源。然而，托卡马克装置面临的核心难题之一是如何有效管理热量排散。托卡马克通过磁场约束等离子体，但热量与粒子仍会通过开放磁力线和磁零点（X点）逃逸至边缘区域（即刮削层SOL），最终导向偏滤器。刮削层的狭窄宽度可能导致极端热流（如DEMO反应堆的150MW/m²），远超工程极限5–10MW/m²，造成面向等离子体部件的损伤。
二、研究目的
通过改变偏滤器几何位形（如长腿设计、中性粒子挡板）缓解热负荷，保障反应堆寿命，具体包括：
- 降低靶板热负荷：保护偏滤器表面
- 增强脱靶效应：促使等离子体与偏滤器靶板分离，减少热流与粒子流
- 提升脱靶稳定性：适应不同运行条件
- 维持核心等离子体性能
- 为DEMO、SPARC、ARC、STEP等未来反应堆设计提供参考，平衡性能与工程可行性
三、研究方法
该项实验是在英国原子能管理局（UKAEA）运营的中型球形托卡马克MAST Upgrade上进行，对比三种偏滤器位形：
- 常规偏滤器（CD）：基础设计
- 长腿偏滤器（ED）：极向腿延长，磁通膨胀增加
- Super-X偏滤器（SXD）：长极向腿+高总磁通膨胀+强中性挡板
实验在L模条件下进行，通过低场侧实时密度控制逐步提升核心电子密度。诊断工具包括：
- 核心汤姆逊散射（电子密度/温度）
- 远红外反射仪（密度涨落）
- 视线光谱（离子源/汇、辐射功率损失）
- 朗缪尔探针（靶板热流/粒子流）
- 成像辐射热测量（功率耗散）
数值模拟采用DLS模型分析脱靶阈值，SOLPS-ITER模拟功率耗散与脱靶动力学。通过氢巴尔末线光谱分析揭示电子温度、离子源（如电离）、离子汇（分子活化复合MAR/电子-离子复合EIR）及辐射损失，结合贝叶斯光谱分析与探针数据计算粒子/功率平衡。
四、实验结果
长腿高磁通膨胀偏滤器结合强中性挡板展现五大优势：
- 更易实现脱靶：ED/SXD在更低核心密度下触发脱靶（CD需40% Greenwald分数fₓₓ，ED/SXD阈值更低且全程维持）。
- 拓宽运行区间：ED/SXD在更广的密度与功率范围内保持脱靶，提升运行灵活性。
- 增强脱靶稳定性：ED/SXD脱靶前沿对密度变化的敏感度仅为CD的1/5，具备"减震器"效应，缓解动态扰动。
- 显著降低靶板热流：SXD热流降幅达CD的18.5倍，ED降7倍，归因于磁几何优化（极向/总磁通膨胀）与体积/径向输运增强（功率耗散提升3.2倍）。
- 无损核心性能：ED/SXD脱靶未影响核心参数（电子密度/温度与CD相当），而CD需高密度（>40% fₓₓ）脱靶可能损害核心。
粒子/功率平衡分析表明，长腿位形（SXD/ED）通过增大体积强化离子汇（MAR/EIR），在不改变总离子源前提下降低靶板通量。光谱数据显示，SXD/ED在更低密度下即可形成EIR所需条件（nₑ=2–4×10¹⁹ m⁻³，Tₑ=0.2 eV），进一步验证其优越性。
五、研究结论
研究证实，结合长极向腿、高总磁通膨胀与强中性挡板的偏滤器位形是解决托卡马克排热难题的有效方案，具备以下优势：
- 降低靶板热/粒子负荷
- 提升脱靶稳定性
- 维持核心性能
极向腿长度（增大等离子体-中性粒子作用体积）、总磁通膨胀（增强脱靶稳定性）与中性挡板（防止中性泄漏）的协同效应是关键。研究表明，即使从常规位型（CD）调整为长腿位型（ED）亦可显著改进，为DEMO等未来反应堆集成先进偏滤器（ADC）提供兼顾工程复杂性与性能的可行路径。研究同时强调需深入理解物理机制以优化设计。
六、局限性
- 运行条件限制：实验基于MAST Upgrade的L模（低功率、宽热流），DEMO等高功率场景需杂质注入等辅助策略，偏滤器位形对杂质驱动耗散的影响待研究。
- 工程挑战：Super-X偏滤器位形增加成本、空间限制与磁控精度要求，小型改进（如CD→ED）更易实施，但放大至全尺寸反应堆仍存挑战。
- 模型偏差：实验与SOLPS-ITER模拟在脱靶阈值/排热预测存在差异，需改进等离子体-分子相互作用模型（尤其高功率下中性粒子平均自由程缩短场景）。
- 动态运行未充分验证：未涵盖瞬态工况与长期运行稳定性，未来需研究瞬变过程与持续运行表现。
参考资料：
- https://www.nature.com/articles/s42005-025-02121-1