10月20日，英国原子能管理局（UKAEA）发布消息，在第四次科学实验活动中，英国当前最大的球形托卡马克装置MAST Upgrade取得多项世界首创的突破性成果。
一、首次在球形托卡马克中，利用3D共振磁扰动抑制ELM
在核聚变装置中，如果等离子体电流、压力或密度过高，等离子体可能变得不稳定，从而降低性能或危及托卡马克内部部件。维持等离子体稳定性是聚变面临的关键挑战之一。而边界局域模（ELM）是发生在等离子体边界的不稳定性，可能对未来聚变发电厂的内部部件构成严峻挑战。
为此，UKAEA的研究人员使用共振磁扰动线圈，在等离子体边缘施加一个小的3D磁场，从而实现了对ELM的完全抑制。这也是首次在球形托卡马克装置中证实此种抑制效果。
UKAEA的MAST Upgrade科学负责人James Harrison表示：“在球形托卡马克中抑制ELM是一项里程碑式的成就。这证明了，为传统托卡马克开发的先进控制技术可以成功地应用于紧凑型装置，从而为类似STEP这样的未来发电厂项目奠定科学基础。”
在MAST Upgrade的下一次实验活动中，已计划开展进一步工作，以验证和扩展这一世界首创的发现。这些成果将及时为英国STEP聚变项目的ELM控制系统设计提供直接参考。此外，它们也将有助于消除ELM这一商业聚变可行性道路上的障碍。
二、首次实现上下偏滤器独立控制，推进等离子体排气解决方案
而在另一项世界首创中，UKAEA的研究人员证明，他们可以在不影响托卡马克主室中等离子体性能或密度的情况下，独立控制MAST Upgrade中上、下偏滤器的等离子体排气。
托卡马克的排气系统，即偏滤器，主要用于将等离子体喷射出的粒子和热量引导至托卡马克内的表面上。管理等离子体排气是聚变的另一个关键挑战，在托卡马克中独立控制上、下偏滤器的能力可以显著增强未来发电厂运行的鲁棒性和灵活性。
此外，在等离子体边缘注入氮气的实验表明，能量可以更均匀地分布在面向等离子体的部件（PFC）上。该技术防止了热量过度集中，为管理紧凑型球形托卡马克的功率排放开辟了一条新途径，使其与在传统长径比装置中探索的先进排气解决方案看齐。
三、3.8MW中性束加热功率，助力实现最佳的等离子体形状
MAST Upgrade还创造了注入其等离子体的功率记录，通过中性束加热（NBI）达到了3.8MW。这一里程碑支持了更高性能的等离子体场景，并有助于开发与发电厂相关的条件。
在最新一轮实验中，该团队还实现了该装置有史以来最佳的等离子体形状，其拉长比达到2.5，这意味着等离子体高度是其宽度的2.5倍。
等离子体的成形可以产生稳定效应，从而实现具有更高压力和更好约束性能的高性能等离子体。更大的等离子体拉长比能改善等离子体性能，因此成为类似STEP这样的未来聚变发电厂的关键目标。
据了解，MAST Upgrade第四次科学实验活动是从2024年10月启动，当时计划是之后的100天内进行50多次实验，预计产生1600多个脉冲。而面对这三项突破性成果，UKAEA等离子体科学与聚变运营执行主任Fulvio Militello表现得十分激动，并表示：“我对我们UKAEA团队取得的突破性发现感到非常高兴。这些成就巩固了英国在聚变研究领域的领导地位，使我们更接近将聚变作为未来清洁、安全、丰富能源的目标。”
参考链接：
- https://www.gov.uk/government/news/world-first-use-of-3d-magnetic-coils-to-stabilise-fusion-plasma