紧凑型聚变反应堆中Super-X偏滤器瞬态热负荷管理的排气控制技术突破

研究人员针对紧凑型聚变反应堆面临的瞬态热负荷管理难题，在MAST-U装置上开展Alternative Divertor Configurations（ADCs）研究，通过创新性D2 Fulcher发射诊断技术，首次实现Super-X偏滤器（SXD）的实时排气控制。实验证实ADCs可显著降低对扰动的敏感性，提升瞬态吸收能力，并实现偏滤器与核心等离子体的解耦控制，为聚变能源商业化提供了关键解决方案。

　　

在追求清洁能源的道路上，核聚变被视为"终极能源解决方案"。然而，如何有效管理聚变反应产生的高能等离子体热负荷，特别是瞬态热冲击，一直是制约聚变反应堆设计的重大挑战。这一问题在紧凑型反应堆（如ARC、SPARC和STEP）中尤为突出，因为其单位体积功率密度更高，传统偏滤器（Divertor）难以承受极端热负荷。

《Nature Energy》最新发表的研究通过MAST-U（Mega Ampere Spherical Tokamak Upgrade）装置的创新实验，揭示了Alternative Divertor Configurations（ADCs，替代偏滤器构型）在解决这一难题中的突破性进展。研究团队开发了基于D₂ Fulcher发射的实时诊断技术，首次实现了Super-X偏滤器（SXD）的主动排气控制，为解决聚变能源商业化道路上的关键障碍提供了新思路。

关键技术方法包括：1）在MAST-U装置上构建Elongated Divertor（ED）和Super-X Divertor（SXD）两种ADC构型；2）开发基于D₂ Fulcher发射的实时电离前沿追踪技术；3）采用系统辨识方法分析偏滤器动态响应；4）设计比例-积分（PI）控制器实现反馈控制；5）通过SOLPS-ITER模拟验证STEP反应堆应用可行性。

【Dynamics of ADCs】研究发现ADC构型具有显著优势：与传统偏滤器（CD）相比，ED和SXD构型能在更低流量（1×10²¹ D₂ s^-1）下实现脱离（Detachment），且对扰动敏感性降低。当CD构型的电离前沿在2.5ms内迅速移动到X点上方时，ADCs仍能保持稳定，证实其被动吸收瞬态的能力提升5倍以上。

【Feedback control】研究团队设计的分式阶传递函数模型（含时间常数τ=0.3715s）和PI控制器（K_p=5×10²²，K_i=3×10²⁴）成功实现了ED和SXD构型的实时控制，相位裕度达70°，证明ADC与排气控制系统的兼容性。

【Upper-lower divertor coupling】通过上下偏滤器气体阀的独立扰动实验，发现强挡板（Baffling）设计使上下偏滤器解耦：下偏滤器阀扰动仅影响下D_α滤光镜（Filterscope），上阀扰动仅影响上D_α信号，证实了ADC构型实现独立控制的可行性。

研究结论指出，ADCs通过三重机制解决排气难题：1）降低扰动敏感性，使主动控制在不可行条件下成为可能；2）提升被动吸收能力，保护偏滤器免受瞬态损伤；3）实现偏滤器与核心等离子体的区域解耦。这些发现为STEP等紧凑型聚变反应堆设计提供了关键技术支撑，通过SOLPS-ITER模拟验证的D₂ Fulcher诊断方案可直接应用于未来反应堆。

该研究由B. Kool和K. Verhaegh领衔的EUROfusion团队完成，标志着聚变能源研究从物理验证向工程实现的重要跨越。随着MAST-U计划在2024-2025年开展10MW级加热实验，这些发现将为聚变反应堆的实用化设计提供更直接的技术指导。