Пятая экспериментальная кампания на установке MAST Upgrade в Великобритании установила рекорд по давлению плазмы

Управление по атомной энергии Великобритании (UKAEA) завершило пятую экспериментальную кампанию на своей флагманской термоядерной установке MAST Upgrade. Кампания проводилась в 2025–2026 годах в научно-исследовательском центре Калхэм в Оксфордшире, Великобритания. За это время было осуществлено более 1100 разрядов плазмы, и, преодолев проблемы с неустойчивостью плазмы, удалось достичь самого высокого давления плазмы за всю историю работы установки.

В термоядерных установках изотопы водорода необходимо нагревать, сжимать и удерживать в условиях экстремально высоких температур и давлений. Чем выше плотность и температура плазмы, тем сильнее термоядерная реакция, а плазма с высоким давлением ближе к условиям, необходимым для работы будущих коммерческих термоядерных электростанций. В UKAEA отметили, что результаты данной кампании являются одним из ключевых достижений в рамках их стратегии на 2026—2030 годы, цель которой — создание научной основы для превращения термоядерной энергии в развертываемый низкоуглеродный источник энергии.

Одной из основных задач данной кампании было подавление неустойчивости, известной как «краевые локализованные моды (ELM)». ELM — это внезапные выбросы на краю плазмы, которые могут приводить к снижению давления плазмы и высвобождать за одно событие до одной десятой запасенной энергии, что в долгосрочной перспективе может повреждать внутренние стенки и выхлопные компоненты установки. Без эффективного контроля частые повреждения стенок значительно повысят сложность и стоимость обслуживания будущих термоядерных электростанций.

Основываясь на результатах предыдущих экспериментов, команда MAST Upgrade применила квазинепрерывный режим выхлопа (QCE-режим) и режим подавления ELM с помощью резонансных магнитных возмущений (RMP), создавая трехмерное магнитное поле с помощью катушек для снижения давления на краю плазмы и поддержания ее стабильности. Команда также достигла двух стабильных рабочих состояний: стационарного H-режима (QH-режим) и I-режима. Эти улучшенные режимы удержания позволяют повысить эффективность удержания энергии, одновременно снижая воздействие крупных ELM.

В ходе экспериментов также была разработана технология контроля положения плазмы. Исследователи, измеряя видимый свет, испускаемый дейтерием в верхнем и нижнем внешних диверторах установки, в реальном времени выявляли незначительные дисбалансы положения и корректировали их. В UKAEA считают, что такие автоматизированные методы контроля в реальном времени имеют большое значение для будущей эксплуатации термоядерных электростанций, поскольку им необходимо поддерживать стабильную работу при минимальном постоянном вмешательстве человека.

В области контроля тепловой нагрузки команда использовала дивертор Super-X установки MAST Upgrade для изучения управления интенсивными тепловыми потоками и отводом частиц. Эксперименты показали, что впрыск небольшого количества азота на край плазмы позволяет плазме излучать большую часть отходящей энергии в виде света, рассеивая ее объемно до того, как тепло достигнет внутренних стенок и дивертора, тем самым снижая пиковые тепловые потоки и уменьшая износ внутренних поверхностей. Это исследование также стало первым детальным изучением подобных взаимодействий в геометрии сферического токамака с плотным шибером Super-X в двойной нулевой конфигурации.

В ходе данной кампании также исследовалась форма плазмы с «отрицательной треугольностью». Эта конфигурация, способная поддерживать работу при высокой мощности без возникновения ELM, в настоящее время привлекает внимание международного термоядерного сообщества.

Научный руководитель MAST Upgrade в UKAEA Джеймс Харрисон (James Harrison) заявил, что команда достигла множества стабильных высокопроизводительных состояний плазмы, включая QH-режим, QCE-режим и I-режим, а также применила новую технологию контроля положения плазмы, и эти результаты окажут влияние на проектирование будущих термоядерных электростанций.

Результаты этих экспериментов были представлены на конференции Европейского физического общества (EPS) по физике плазмы 2026 года, проходившей в Эдинбурге под эгидой UKAEA, и переданы международному термоядерному сообществу для поддержки проектирования и эксплуатации британской программы сферического токамака STEP и Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).

В этом году установка MAST Upgrade продолжит модернизацию, включая добавление двух новых нейтральных инжекторов, что удвоит мощность нейтрального нагрева, а также установку системы электронных бернштейновских волн (EBW) с дополнительной мощностью нагрева 1,6 МВт. Программа модернизации, как ожидается, завершится в 2027 году, а шестая экспериментальная кампания запланирована на 2028 год с акцентом на темы, связанные с программой STEP.