中国人造太阳实验又有新突破 揭示密度极限机理[推荐]

1月2日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所科研团队宣布，全超导托卡马克核聚变实验装置EAST实验证实了托卡马克密度自由区的存在，并找到了突破密度极限的方法，为磁约束核聚变装置高密度运行提供了重要依据。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学进展》上。

托卡马克装置是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形设备，通过锁住高温等离子体达到核聚变目的。等离子体密度是影响托卡马克性能的关键参数之一，直接影响聚变反应速率。过去的研究发现，当等离子体密度达到某个极限时，等离子体会破裂并逃脱磁场约束，导致巨大能量释放到装置内壁，威胁装置安全运行。尽管国际聚变界长期研究发现触发密度极限的过程发生在等离子体与装置内壁边界区域，但对具体机制并不十分清楚。

此次我国科研团队发展了边界等离子体与壁相互作用自组织理论模型，揭示了边界杂质引起的辐射不稳定性在密度极限触发中的关键作用。依托EAST全金属壁运行环境，科研人员利用电子回旋共振加热和预充气协同启动等方法降低了边界杂质溅射，主动延迟了密度极限和等离子体破裂的发生。通过调控靶板的物理条件，减少了钨杂质主导的物理溅射，成功控制等离子体突破了密度极限，进入新的密度自由区。实验结果与理论预测高度吻合，首次证实了托卡马克密度自由区的存在。这一创新性工作不仅为理解密度极限提供了重要线索，还为托卡马克高密度运行奠定了基础。

这项工作由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、华中科技大学及法国艾克斯-马赛大学等单位协作完成，得到了国家磁约束聚变专项的支持。