核心观点 - 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所团队在全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）的物理实验中取得重要成果 基于其发展的边界等离子体与壁相互作用自组织理论模型 首次通过实验证实了托卡马克密度自由区的存在 为未来聚变堆实现高密度运行、提高经济性提供了关键理论依据和实验验证 [1][2] 理论与机制突破 - 研究团队发展了一种新的理论模型——边界等离子体与壁相互作用自组织理论模型 该模型揭示了边界杂质引发的辐射不稳定性在触发密度极限时的关键作用 并解析出了辐射不稳定性的边界 [2] - 基于该理论模型 团队预测了在已知密度极限之外存在一个密度自由区 此次实验成功进入该区域 且实验结果与理论预测高度吻合 [2] - 此次研究揭示了密度极限的触发机理 明确了触发密度极限的物理过程发生于边界区域 而此前国际聚变界对此物理机制并不十分清楚 [1][2] 实验方法与成果 - 在实验中 研究人员依托EAST装置的全金属壁运行环境 利用电子回旋共振加热和预充气协同启动等方法 减少了装置边界的杂质溅射 延迟了密度极限的到来和等离子体破裂的发生 [2] - 研究人员通过调控靶板的物理条件 降低了靶板钨杂质造成的物理溅射 成功让等离子体突破了密度极限 并平稳进入了预测中的密度自由区 [2] - 相关研究成果已于近日发表在国际学术期刊《科学进展》上 [1] 行业意义与影响 - 对于未来聚变堆而言 聚变功率与燃料密度的平方成正比 因此高密度运行是提高聚变能经济性的必然选择 [1] - “密度极限”是20世纪末发现的纯经验定标 超过该极限的托卡马克运行将引发等离子体破裂 巨大能量会瞬间释放到装置内壁 影响装置的安全运行 [1] - 此次突破密度极限并证实密度自由区存在 为未来聚变装置实现更高密度、更安全、更经济的运行指明了新的技术路径 [1][2]