- MAST Upgrade 設施達到有史以來最高的等離子體壓力。
- 高壓等離子體能產生更多融合能量，對商業核融合至關重要。
- 邊緣局部模式（ELM）是提高等離子體壓力的主要挑戰。
- 新方法能實時檢測和控制等離子體位置，對未來電廠重要。
英國的 MAST Upgrade 核融合設施在解決商業核融合的一大挑戰上取得了重要進展，即如何創造強大的等離子體而不使其不穩定。科學家們在 MAST Upgrade 設施上達到了有史以來最高的等離子體壓力，同時保持了等離子體的穩定性，這標誌著英國在實用核融合方面又邁出了重要一步。這一突破是由英國原子能機構（UKAEA）宣佈的，該機構在完成了機器的第五次實驗運行後，該實驗運行持續至 2025 年至 2026 年，並產生了超過 1,100 個融合等離子體。
高壓等離子體的挑戰
這一成就之所以重要，是因為未來的融合電廠需要在極高的温度、壓力和密度下運行，同時對等離子體進行精確控制。核融合是驅動太陽的過程。在地球上，科學家們試圖通過將氫同位素加熱到極高的温度來再現這一過程，直到形成等離子體，這是一種熱的、帶電的物質狀態。為了使融合反應變得更加高效，科學家們需要將燃料加熱至高温和高密度，並有效地限制它。壓力尤其重要，高壓等離子體可以從一定體積中產生更多的融合能量，因此高壓操作是未來商業融合反應堆需要考慮的重要因素。
然而，提高等離子體壓力也帶來了一個主要問題：不穩定性。最嚴重的挑戰之一被稱為邊緣局部模式（Edge Localised Mode，ELM）。ELM 是發生在融合等離子體邊緣的突然不穩定性爆發，可能會迅速釋放相當一部分等離子體儲存的能量到周圍的組件中。根據 UKAEA 的説法，單次事件可能會將約十分之一的等離子體儲存能量排出。重複的事件可能會損壞未來融合電廠的牆壁和排氣組件，增加維護需求，並可能威脅到融合能源的經濟可行性。
換句話説，產生極高温的等離子體只是挑戰的一部分。科學家們還必須找到保持該等離子體受控的方法。UKAEA 的 MAST Upgrade 科學部門負責人詹姆斯·哈里森（James Harrison）表示：「這些結果真正塑造了未來融合電廠的設計。進入四種穩定的高性能等離子體狀態，包括 QH 模式、QCE 和 I 模式以及我們的全球首創等離子體位置控制技術，顯示 MAST Upgrade 在科學前沿的成果。」
他補充道：「國際對我們數據的關注反映了英國在全球融合研究中的核心角色，這些發現使我們更接近實用融合能源。」
新方法提升等離子體控制
最新的 MAST Upgrade 實驗展示了即使在推高等離子體壓力的情況下，這一目標也能夠實現。MAST Upgrade 團隊研究了幾種先進的操作模式，旨在抑制或減少有害的不穩定性。這些模式包括準連續排放（Quasi-Continuous Exhaust，QCE）和共振磁擾（Resonant Magnetic Perturbations，RMP），以及兩種額外的模式，即靜止 H 模式（Quiescent H-mode，QH-mode）和 I 模式。
這些方法旨在改善等離子體的限制，同時減少與大型 ELM 相關的有害影響。
實驗顯示 MAST Upgrade 能夠在與未來融合機器相關的條件下獲得四種不同的穩定高性能等離子體狀態。這一成果超越了實驗本身，最終目標是開發可納入設計用於發電的機器的操作方法。其中一項最引人注目的發展是實時檢測和控制等離子體位置的新方法。MAST Upgrade 團隊利用機器排氣區域中氘產生的可見光進行測量。通過分析這些光，研究人員能夠檢測等離子體中的微小位置不平衡。
這一方法的重要性超越了簡單的實驗監測，未來商業融合電廠需要高度先進的自動控制系統，能夠迅速而準確地對等離子體變化作出反應。
融合反應堆不僅需要保持等離子體穩定，還必須處理超大量的熱量和粒子排放。MAST Upgrade 實驗調查了在等離子體邊緣使用氮的情況。研究人員發現，添加少量氮可以使大量排放的能量以光的形式發射出來。
項目 規格 等離子體壓力 有史以來最高 實驗運行持續時間 2025 年至 2026 年
高壓等離子體對核融合的影響
MAST Upgrade 的突破顯示出在核融合研究中，等離子體壓力的提升對於實現商業核融合的重要性。雖然高壓能提高能量產出，但隨之而來的穩定性問題，如邊緣局部模式（ELM），可能會影響未來融合電廠的經濟性和可行性。因此，開發有效的控制技術和操作模式是當前研究的重點，這將對核融合技術的商業化進程產生深遠影響。