英国MAST升级装置第五轮实验创下等离子体压力纪录

英国原子能管理局 (UKAEA) 已完成其旗舰聚变实验装置MAST升级装置 (MAST Upgrade) 的第五轮实验。该轮实验在2025年至2026年期间于英国牛津郡卡勒姆园区开展，共产生超过1100次等离子体放电，并在克服等离子体不稳定性问题的同时，实现该装置迄今最高等离子体压力。

在聚变装置中，氢同位素需要被加热、压缩并约束在极高温和高压环境下。等离子体密度和温度越高，聚变反应越强，高压等离子体也更接近未来商业聚变电站所需的运行条件。UKAEA表示，本轮实验成果是其2026—2030年战略中的重点进展之一，目标是为聚变成为可部署的低碳能源建立科学基础。

本轮实验的核心任务之一，是抑制“边缘局域模 (ELM)”不稳定性。ELM是等离子体边缘的突发爆发现象，可导致等离子体压力下降，并在单次事件中释放最高可达储存能量十分之一的能量，长期可能损伤装置内壁和排气部件。若无法有效控制，频繁的壁面损伤将显著增加未来聚变电站的维护难度和成本。

MAST升级团队在此前实验基础上，采用准连续排气模式 (QCE模式) 和共振磁扰动 (RMP) ELM抑制模式，通过线圈施加三维磁场，降低等离子体边缘压力并保持稳定。团队还实现了静止H模式 (QH模式) 和I模式两种稳定运行状态。这些改进约束模式能够在提高能量约束性能的同时，缓解大型ELM带来的冲击。

实验还开发出一种等离子体位置控制技术。研究人员通过测量装置上下外偏滤器中氘释放出的可见光，实时识别微小的位置不平衡，并据此进行控制。UKAEA认为，这类自动化、实时控制方法对未来聚变电站运行具有重要意义，因为电站需要在尽量减少人工持续干预的情况下维持稳定运行。

在热负荷控制方面，团队利用MAST升级装置的Super-X偏滤器研究强热量和粒子排出管理。实验显示，向等离子体边缘注入少量氮气，可使等离子体将大部分废气能量以光的形式释放，在热量到达内壁和偏滤器前进行体积耗散，从而降低峰值热通量并减少内表面磨损。该研究也是在球形托卡马克紧密挡板Super-X双零几何结构内，对此类相互作用开展的首次详细研究。

本轮实验还探索了“负三角性”等离子体形状。该构型可在不发生ELM的情况下支持高功率运行，目前正受到国际聚变研究界关注。

UKAEA的MAST升级科学负责人詹姆斯·哈里森 (James Harrison) 表示，团队实现了包括QH模式、QCE模式和I模式在内的多种稳定高性能等离子体状态，并采用了新的等离子体位置控制技术，相关成果将对未来聚变电站设计产生影响。

这些实验结果已在由UKAEA于爱丁堡主办的2026年欧洲物理学会 (EPS) 等离子体物理会议上展示，并正与国际聚变界共享，用于支持英国球形托卡马克能源生产计划 (STEP) 和国际热核聚变实验堆 (ITER) 的设计与运行。

MAST升级装置今年还将继续增强，包括新增两个中性束注入器，使中性束加热能力翻倍，并安装电子伯恩斯坦波 (EBW) 系统，新增1.6兆瓦加热功率。该增强计划预计于2027年结束，第六轮实验计划于2028年开展，重点研究与STEP相关的课题。