中国“人造太阳”实验找到突破密度极限的方法

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，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实验证实托卡马克密度自由区的存在，找到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的物理依据。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学进展》上。

EAST高密度实验示意图。（科研团队提供）

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装置，犹如一个螺旋形“磁跑道”，锁住高温等离子体，达到核聚变目的。等离子体密度是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，科研人员发现，等离子体密度存在一个极限，一旦达到极限，等离子体就会破裂并逃脱磁场约束，巨大能量释放到装置内壁，影响装置安全运行。国际聚变界通过长期研究发现，触发密度极限的物理过程发生于等离子体和装置内壁的边界区域，但对其中的物理机制并不十分清楚。

EAST实验结果与PWSO理论预测相互印证。（科研团队提供）

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（PWSO）理论模型，发现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，揭示了密度极限的触发机理。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，降低了靶板钨杂质主导的物理溅射，控制等离子体突破了密度极限，引导等离子体进入新的密度自由区。实验结果与PWSO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。这一创新性工作为理解密度极限提供了重要线索，并为托卡马克高密度运行提供了重要的物理依据。

这项工作由中国科学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、法国艾克斯-马赛大学等单位协作完成，受到了国家磁约束聚变专项的支持。