Введение
Экспериментальный реактор термоядерного синтеза в Великобритании Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) представлял собой эксперимент в области ядерного синтеза, предназначенный для испытания сферического токамака, и был реализован при поддержке EURATOM/UKAEA. Оригинальный эксперимент MAST проводился в Центре термоядерной энергии Калхэма, Оксфордшир, Англия с декабря 1999 года по сентябрь 2013 года. Эксперимент-преемник под названием MAST Upgrade начал работу в 2020 году.
Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) was a nuclear fusion experiment, testing a spherical tokamak nuclear fusion reactor, and commissioned by EURATOM/UKAEA. The original MAST experiment took place at the Culham Centre for Fusion Energy, Oxfordshire, England from December 1999 to September 2013. A successor experiment called MAST Upgrade began operation in 2020.
Дизайн
Сферический токамак по форме больше напоминает яблоко с сердцевиной, чем традиционную тороидальную конструкцию в форме пончика, используемую в экспериментах, таких как ITER. Сферические токамаки более эффективно используют магнитное поле. В установке MAST использовался инжектор нейтральных пучков для нагрева плазмы. Для формирования плазмы вместо обычной прямой индукции применялась техника слияния и сжатия. Слияние и сжатие позволяет экономить магнитный поток центрального соленоида, который затем можно использовать для увеличения плазменного тока и/или поддержания требуемого уровня тока в течение длительного времени. Объем плазмы в MAST составлял около 8 кубических метров. В установке удерживались плазмы с плотностью порядка 10<sup>20</sup>/м<sup>3</sup>. Плазма в MAST имела почти круговой внешний профиль. Выступы сверху и снизу – это плазма, направляемая к кольцевым диверторам, ключевому элементу современных конструкций токамаков.
Эксперименты
MAST подтвердил повышенную эффективность работы сферических токамаков, продемонстрировав высокое значение бета (отношение давления плазмы к давлению ограничивающего магнитного поля). MAST провел эксперименты по управлению и снижению влияния нестабильностей на периферии плазмы – так называемых краевых локализованных мод или ELM.
Маст
MAST был разработан для подтверждения результатов более раннего эксперимента Small Tight Aspect Ratio Tokamak (START) (1990–1998) в более крупном, специально построенном эксперименте. Фаза проектирования MAST заняла 1995–1997 годы, строительство началось в 1997 году, а первая плазма была получена в 1999 году. Первые результаты, полученные на MAST, демонстрируют, что режим H достигается легче и с меньшими затратами энергии, чем ожидалось, при значительном улучшении удержания, что является фундаментальным аспектом для любого сценария производства энергии. Кроме того, были успешно протестированы различные сценарии для снижения потока энергии в центральном соленоиде по отношению к плазменному току, что также является фундаментальным моментом при проектировании демонстрационного сферического токамака. За время эксплуатации MAST было произведено 30 471 плазмы (в импульсах продолжительностью до 0,5 секунды). В октябре 2013 года реактор был остановлен для модернизации до уровня MAST Upgrade.
Модернизация MAST
MAST Upgrade — это эксперимент, являющийся продолжением эксперимента MAST, также расположенного в Центре Калхэма. Модернизация, стоившая 45 миллионов фунтов стерлингов, началась в 2013 году и, как ожидалось, значительно превзойдет мощность нагрева, ток плазмы, магнитное поле и длительность импульса установки MAST. Эксплуатация MAST Upgrade началась 29 октября 2020 года. Одной из наиболее заметных особенностей MAST Upgrade является дивертор Super-X. Дивертор предназначен для удаления избыточного тепла и примесей из плазмы. Традиционные конструкции диверторов в масштабе энергетических установок будут подвергаться высоким тепловым нагрузкам и потребуют регулярной замены. Ожидалось, что дивертор Super-X снизит тепловые нагрузки примерно в десять раз, и первые результаты показали его успешность.
Сферический токамак для производства энергии
Проектирование следующего поколения сферического токамака для производства энергии (STEP) началось в 2019 году с финансированием от правительства в размере 220 миллионов фунтов стерлингов. Запланировано начало эксплуатации в 2040-х годах. В текущий план не входит создание установки по производству трития.