1月7日，英国原子能管理局（UKAEA）宣布，其位于卡勒姆校区的MAST Upgrade聚变装置正式启动第五轮科学实验活动，旨在为英国首座聚变发电厂原型STEP的设计提供关键数据支撑，标志着英国在聚变能源研究领域迈出重要一步。
一、世界首创成果基础上的新突破
MAST Upgrade装置位于英国牛津郡卡勒姆校区，是英国在聚变能源研究领域的核心设施，能够产生高达3000万摄氏度的等离子体。该装置承载着三个主要研究目标：
- 研究新型偏滤器排气概念
- 推进球形托卡马克设计作为未来发电厂
- 扩展物理知识以支持更广泛的聚变项目
本次第五轮实验建立在2023-2024年第四次活动取得的世界首创成果基础上，当时科学家首次成功抑制了球形托卡马克中的边缘局域模不稳定性，并创下3.8兆瓦中性束注入功率纪录。
本次第五次科学活动的具体规模包括：46个实验项目、950次等离子体放电、75天实验周期、超过200名研究人员参与、来自40多个国际研究机构，共收到125份研究提案。这些数据充分体现了本次实验的全球合作规模和科研强度。
MAST Upgrade科学负责人James Harrison表示"第五次活动将使我们能够在之前科学研究项目中取得的世界首创性成果基础上继续发展。全球范围内，MAST Upgrade实验引起了极大关注，这体现了聚变研究领域的卓越合作努力。"
二、四大核心挑战与技术升级
本次实验将重点围绕未来聚变电厂发展的四个核心挑战展开：
- 第一，理解高压聚变等离子体行为。通过在MAST Upgrade中测试计算机模型，科学家将改进对等离子体行为的预测能力，为STEP等未来聚变装置的设计减少不确定性。
- 第二，优化能量控制和稳定性。实验将首次把抑制等离子体不稳定的技术与Super-X偏滤器等先进排气系统结合，实现更高效的等离子体性能。Super-X偏滤器是MAST Upgrade的独特设计，此前实验已证明可将偏滤器靶板的热负荷降低一个数量级。
- 第三，改进偏滤器设计。通过开发偏滤器的几何构型和磁场位形，科学家希望更好地处理热与粒子排灰并缩小其体积，这有助于未来聚变电站实现更紧凑、更具成本效益的设计。
- 第四，测试新型诊断工具。利用先进的测量技术验证计算机模型，特别是在加热、稳定性和偏滤器排气等关键环节，为ITER国际热核聚变实验堆和STEP项目提供验证数据。
为支持本次实验及后续研究，MAST Upgrade装置将在2026年迎来重大技术升级。一套新的电子伯恩斯坦波（Electron Bernstein Wave，缩写为 EBW）加热系统（与STEP计划采用的技术相同）将于今年安装，使科学家能够复制类似STEP的等离子体加热方法。2026-2027年间还将新增两套中性束注入系统，使装置的总加热功率翻倍。这将是这些加热系统首次在球形托卡马克中协同工作。
MAST Upgrade运行负责人Andrew Thornton表示："即将到来的尖端升级将使我们能够产生更高温、更高性能的等离子体，使我们比以往任何时候都更接近未来聚变电站的水平。"
三、项目背景与未来展望
MAST Upgrade项目由英国能源安全与净零排放部（DESNZ）资助，是EUROfusion联盟欧洲中型托卡马克项目的一部分。该装置的研究直接支持英国政府提出的"到2040年建成商业聚变发电厂"的目标，以及更广泛的清洁能源转型使命。
球形托卡马克设计被认为是未来聚变能源的潜在突破方向之一，其紧凑结构有望降低建造成本。英国计划通过STEP项目在2040年代建成首座聚变发电厂原型，而MAST Upgrade的实验数据将为这一宏伟目标提供关键物理验证。目前，第五轮实验已全面展开，预计将持续至2026年夏季。全球聚变研究界正密切关注这一系列实验的进展，期待在球形托卡马克科学和聚变能源商业化道路上取得新的突破。
参考链接：
- https://www.ukaea.org/news/uk-flagship-fusion-machines-next-phase-of-cutting-edge-research/
- https://www.ukaea.org/work/mast-upgrade/