点击 可控核聚变 关注并星标
每天与你一起
10月15日，英国原子能管理局（UK Atomic Energy Authority，UKAEA）和英国能源安全与净零排放部（Department for Energy Security and Net Zero，DESNZ）共同宣布，位于Culham Campus的球形托卡马克装置MAST Upgrade开启第四轮实验。这也将是该装置进行的数量最多的一轮实验，预计将在50多次实验中产生多达1600次的等离子体脉冲。
一、装置概览
MAST Upgrade（Mega Ampere Spherical Tokamak Upgrade），即兆安培球形托卡马克升级版。该装置位于英国牛津的卡勒姆聚变能源中心，自2020年开始运行，目前是英国最大的磁约束核聚变装置，同时也是EUROfusion资助的四个中型托卡马克（Medium Sized Tokamak，MST）项目之一（其余三个分别是德国ASDEX Upgrade、瑞士TCV、法国WEST）。
卡勒姆聚变能源中心（Culham Centre For Fusion Energy，CCFE）最早可追溯到20世纪60年代，是一家隶属于UKAEA的国家级科研实验室，员工人数超2,200人。CCFE主要研究方向是磁约束核聚变，研究内容涵盖了聚变理论、实验物理、材料科学、工程技术等磁约束核聚变相关的关键领域。从1990年代开始，CCFE领导了球形托卡马克这类聚变装置的开发。1991年建造了第一台大型球形托卡马克装置START，随后一直致力于以紧凑的托卡马克设计实现聚变能商业化的巨大潜力。
二、预期目标
MAST Upgrade作为紧凑型磁约束核聚变装置，主要是用来探索核聚变能源的可行性，特别是解决等离子体废热排放这一关键问题。它专注于最大化核心等离子体压力，以确定对等离子体特性的影响，并了解控制等离子体排气的方法。主要有三个目标：
-为ITER提供关键数据和理论支持：MAST Upgrade将有助于解决重要的等离子体物理问题并开发预测模型，从而帮助提高ITER的性能并确保后续实验成功。
-测试新型偏滤器概念：MAST Upgrade将创新的Super-X偏滤器试验到大功率排气系统的机器，有效减少了颗粒离开等离子体的功率负载。未来Super-X将可能应用于DEMO和其他未来的聚变设备。
-探索基于球形托卡马克的未来聚变装置设计：MAST Upgrade将探索球形托卡马克作为未来聚变装置候选者的适用性—研究电流驱动、稳态行为、高热通量处理、等离子体限制、高β操作和性能可靠性。
此外，MAST Upgrade的研究成果对于推进英国原型聚变能源发电厂项目—STEP的设计提供了基础。
三、突出特点
-紧凑型设计：MAST Upgrade是一个球形托卡马克装置，其环径比低至1.3，形状类似于去核的苹果，这与常规托卡马克装置不同。这种紧凑型设计也是STEP的首选设计。
-创新的排气系统：MAST Upgrade首次试验了Super-X偏滤器，这是一种先进的排气系统，旨在减少从等离子体离开的粒子对设备的热和功率负载，从而延长排气系统组件的使用寿命。2020年，利用这个排气系统成功将托卡马克装置反应堆内壁的废热负荷降至原来的1/10。该系统有望成为未来聚变电厂的关键技术。
-高性能等离子体控制：MAST Upgrade装置能够控制高温高压下的等离子体，这是实现核聚变的关键技术之一。它能够在极端的热、气体和磁场条件下运行，为未来聚变电厂的长期运行提供技术支持。
-先进的诊断工具：MAST Upgrade装置配备了全球最先进的诊断工具，包括多普勒反向散射/交叉极化散射 (DBS/CPS) 系统、多通道电阻测辐射热计、朗缪尔探针、红外相机等等。可以进行广泛的测量，并支持实现更全面的研究计划。
四、核心参数
MAST Upgrade装置核心参数为：等离子体大半径0.85m，小半径0.65m，等离子体电流2.0MA，中心环向磁场强度0.75T，脉冲时长5s。
前身MAST装置与美国PPPL的NSTX装置曾并称为“全球两大先进球形托卡马克装置”。其核心参数为：离子体大半径0.85m，小半径0.65m，等离子体电流1.3MA，中心环向磁场强度0.52T，等离子体体积达到8立方米，脉冲时长0.6s。
五、发展历程
1995年，MAST装置开始设计。
1997年，MAST设计工作完成，同年启动装置建设工作。
1999年，MAST装置建成并投入运行。
2008年1月，MAST Upgrade概念设计启动。
2010年4月，MAST Upgrade获得资金支持。
2013年10月，MAST装置拆除工作开始。
2014年3月，MAST Upgrade建设工作启动。
2020年10月，MAST Upgrade首次产生等离子体。
2024年10月，MAST Upgrade宣布开启第四轮实验。
六、部分供应商
Kyotofusioneering：成立于2019年，总部位于日本东京，在日本京都和东京、英国雷丁及美国西雅图等地均设有工厂。KF由京都大学衍生而来，致力于为商业聚变反应堆开发最先进的技术，在聚变反应堆加热设备、热提取设备和成套设备工程领域拥有世界领先的技术能力。公司为MAST Upgrade装置提供回旋管系统，包括回旋管、无制冷剂超导磁体（SCM）、匹配光学单元（MOU）和低压电源。
Oxford Sigma：成立于2019年，总部位于牛津，专注于为聚变核心应用生产关键的先进材料，并在聚变材料策略方面成为领导者。公司是牛津大学的技术衍生公司，为MAST Upgrade装置提供锂材料测试设施，以评估液态锂暴露对增殖包层组件所用材料的影响。
3-Sci：成立于2013年8月，总部位于英格兰汉普郡，是一家专注于工业监测产品的公司。公司拥有Wi-Corr®CUI和Wi-Corr®UT这类全球领先的先进无线传感系统，用于腐蚀损伤检测。该公司为MAST Upgrade和UKAEA开发能够承受极端条件的新型高温传感器，以推进对未来聚变机的诊断和监控。
参考资料：
https://ccfe.ukaea.uk/mast-upgrade-helping-answer-the-big-questions-in-fusion-physics/
https://www.infraportal.org.uk/infrastructure/mast-upgrade
https://kyotofusioneering.com/news/2021/11/02/285
https://web.archive.org/web/20110726113139/http://www.ccfe.ac.uk/MAST.aspx
推荐阅读：
