9月5日，由荷兰埃因霍温理工大学科研人员领衔的国际团队在英国MAST-U核聚变装置上开展实验，证实替代偏滤器构型（ADCs）在核聚变排气控制中具有核心优势：相比传统偏滤器，ADCs可将热负荷降低10倍以上，这为STEP等未来紧凑型核聚变反应堆的排气难题提供了可行解决方案。相关成果发表于《Nature Energy》。
一、研究背景：核聚变的 “散热困境” 与破局需求
核聚变被视为“终极清洁能源”—— 通过模仿太阳内部的氘氚聚变反应，可释放近乎无限的能量，且无温室气体排放、核废料风险极低。目前最成熟的聚变装置是“托卡马克”，但其核心挑战之一是等离子体排气的热负荷管理：聚变产生的高能粒子会逸出磁约束区域，集中冲击装置的“偏滤器”，形成的极端局部热流，远超现有材料的耐受极限。
更严峻的是，当前主流研发方向“紧凑型聚变反应堆”（如英国STEP、美国 ARC）为追求低成本与小型化，单位面积的热负荷比传统装置更高，传统偏滤器因“抗扰动能力弱、瞬态应对差”，已成为聚变实用化的关键瓶颈。为此，研究团队将目标锁定在“替代偏滤器构型（ADCs）”，试图通过结构创新破解散热难题。
二、核心方案：ADCs偏滤器的 “智能散热” 设计
ADCs的核心思路是通过磁场拓扑优化实现“主动降温”，而非被动硬抗热负荷，其中性能最突出的是“Super-X”和“Elongated（加长型）”两种构型，关键设计包括三点：
- 扩大靶区面积：通过增加粒子“打击点”的半径与磁通扩张程度，将集中热流分散到更大区域（类似将高压水流通过喷头分散，降低局部冲击）；
- 延长降温路径：设计更长的偏滤器“通道”（偏滤器腿），让高能粒子在到达靶面前，有更多时间与中性气体碰撞、散热；
- 强化中性粒子约束：配备“强挡板”结构，防止降温过程中产生的中性粒子回流至聚变核心，避免干扰反应稳定性。
相比传统偏滤器“窄操作窗口、易失控”的缺陷，ADCs通过上述设计实现了 “更稳定、更抗扰” 的散热能力。
三、实验验证：在MAST-U装置上的 “实战测试”
研究团队在英国
MAST-U托卡马克
（专为聚变排气技术研发的试验装置）上开展实验，该装置可灵活切换 “传统偏滤器（CD）”“加长型（ED）”“Super-X（SXD）” 三种模式，通过精准诊断与控制验证ADCs的性能。
1.关键测试手段
实时监测技术：利用“多波长成像（MWI）”系统追踪氘气（D₂）的“D
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Fulcher band emissions”，以此定位等离子体的“电离前沿”（降温边界），量化偏滤器的 “脱靶状态”（即粒子与靶面分离的降温程度）；
智能控制系统：开发“无反演前沿跟踪算法”，可在2.5ms内完成数据处理（响应速度达400Hz），配合PI控制器实现“自动温控”——当监测到降温不足时，自动调节氘气注入量，维持稳定散热。
2.实验设计逻辑
通过 “气体流量扰动实验” 模拟聚变反应中的瞬态波动，对比三种偏滤器的动态响应；同时测试“上下偏滤器独立控制能力”，验证双零构型反应堆的适配性。
四、核心发现：ADCs的三大突破性优势
实验结果表明，ED和SXD的性能全面优于传统偏滤器，核心突破体现在三方面：
1.抗扰动能力显著提升
传统偏滤器对气体注入的扰动极为敏感——仅需5×10²¹D₂/s的流量就会触发“失控”（电离前沿迅速逃离靶区）；而ED和SXD仅需1×10²¹D₂/s即可稳定维持脱靶状态，且对流量波动的响应平缓，相位延迟仅40°-70°（远低于传统偏滤器的剧烈波动）。
2.实现全自动反馈控制
团队首次证实ADCs可与实时控制系统兼容：同一PI控制器能精准追踪ED和SXD的电离前沿，实现稳定的自动散热；而传统偏滤器因响应过快（<2.5ms），根本无法被控制系统捕捉，难以实现有效控制。
3.上下偏滤器 “解耦独立控制”
通过“单侧气体阀扰动实验”发现：仅扰动下偏滤器的气体注入，上偏滤器无任何响应，反之亦然。这证明ADCs可实现上下偏滤器的“独立调节”，解决了双零构型反应堆中“功率分配不对称” 的关键难题——未来聚变堆可针对上下区域的热负荷差异精准调控，避免局部过热。
此外，ADCs还具备“被动吸收瞬态热流” 的能力：面对聚变反应中的突发能量波动，无需依赖控制系统干预，即可通过自身结构缓冲热量，大幅降低偏滤器损坏风险。
五、应用价值：为STEP等紧凑型反应堆铺路
本研究通过实验首次证实了“替代偏滤器+实时控制” 方案的可行性，不仅填补了ADCs工程应用的技术空白，更为紧凑型聚变反应堆的热管理提供了 “可落地、可复制” 的解决方案。
当前全球最受关注的紧凑型聚变堆——英国
STEP项目
（计划2040年代建成，目标输出120MW电力），其偏滤器设计与MAST-U高度相似（强挡板、长腿结构、双零构型）。本研究的成果可直接指导STEP的工程设计。
论文主要作者，埃因霍温理工大学核聚变科学技术组
Kevin Verhaegh表示：“这些成果为英国STEP装置、美国ARC装置及欧洲DEMO等未来项目带来利好。我们证明即使对偏滤器进行适度而策略性的改造，也能获得与极端几何设计相当的优势。鉴于极端设计在电站中更难实现，本研究为未来聚变装置设计优化开辟了新路径。”
参考链接：
- https://www.differ.nl/news/publications-kevin-verhaegh-bob-kool
- https://www.nature.com/articles/s42005-025-02121-1?
- https://www.nature.com/articles/s41560-025-01824-7