中国“人造太阳”实现密度极限突破新方法

科技日报合肥1月3日电 记者3日获悉，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的科研团队在“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）上取得了新的突破。他们通过物理实验，成功验证了托卡马克密度自由区的存在，这一成果建立在对边界等离子体与壁之间相互作用的自组织理论基础之上。相关研究于1月1日发表在国际学术期刊《科学进展》。

面向聚变能的实际应用，未来聚变反应堆的输出功率与燃料的密度平方成正比，因此，推动更高密度运行对于聚变能源技术的经济效益至关重要。所谓“密度极限”，是20世纪末通过经验总结得出的一个关键约束，如果运行超出这一密度极限，托卡马克装置会因等离子体失稳而发生破裂，释放大量能量至装置壁上，严重威胁设备的安全。尽管国际研究人员通过不断丰富经验定标，并利用芯部注入等手段在特殊情况下实现了超越密度极限，但密度极限主要受到边界区域的物理过程影响，其具体机制一直未被彻底厘清。

针对这一难题，科研人员提出了一种全新的分析框架——边界等离子体与装置壁相互作用自组织（PWSO）理论。借助这一理论，团队揭示了边界杂质导致的辐射不稳定性在密度极限形成过程中的核心作用，并勾勒出辐射不稳定性的边界，进一步阐明密度极限的触发机制，还预测了存在于密度极限之外的“密度自由区”。在实验层面，研究人员借助EAST装置的全金属壁条件，结合电子回旋共振加热和预充气同步启动，有效降低了边界杂质的溅射，推迟了密度极限的来临和等离子体失稳的发生。同时，通过控制靶板的工作状态，减少了钨等杂质对等离子体的影响，实现了对密度极限的突破，使得等离子体进入理论预测的密度自由区。实验数据与PWSO模型预测高度一致，首次实验证实了托卡马克密度自由区的客观存在。