研究核心突破 - 中国科研团队在托卡马克核聚变研究中取得重大突破，其关于边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型的研究成果登上Science子刊[1] - 该研究从实验上确认了托卡马克运行中长期存在的密度极限背后机理，并证实了“密度自由区”的存在，成功突破密度极限，为聚变点火提供了新路径[3][4] 密度极限的重要性与挑战 - 根据劳森判据，聚变反应条件取决于等离子体密度、温度及能量约束时间的乘积，聚变输出功率密度与等离子体密度的平方成正比，提升密度是获取高聚变增益最高效的路径[5][7][8] - 托卡马克运行存在“格林沃尔德密度极限”这一经验性天花板，一旦线平均密度超过临界值，会导致等离子体约束性能恶化并引发大破裂，对装置造成损伤，因此绝大多数装置只能运行在极限值的0.8到1.0倍以下[9][10][12][14] - 格林沃尔德极限缺乏明确的物理机理支撑，从物理上解释并突破该极限是聚变物理界的核心难题[14][15] 突破极限的理论模型：PWSO - 研究引入并验证了边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型，将核心等离子体与装置内壁视为一个通过杂质辐射紧密耦合的自组织系统[16] - 该模型指出密度极限源于等离子体与壁相互作用过程中的一种热-辐射反馈机制的失稳，并推导出包含等离子体输运参数和壁相互作用物理量的临界密度极限公式[18][21][22] - 理论揭示了临界密度与垂直扩散系数成正比，与杂质比例及辐射冷却率成反比，并且与偏滤器靶板温度及溅射产额存在高度非线性依赖关系[23][24] - PWSO理论预言托卡马克运行存在两个“吸引盆”：传统的“密度受限区”和理论上预言的“密度自由区”，进入后者的关键在于将偏滤器靶板温度压低至物理溅射阈值以下，以切断杂质来源[25][27][29][30][36] 实验验证与关键发现 - 研究利用全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）的全钨偏滤器硬件优势进行验证实验，采用电子回旋共振加热辅助欧姆加热，并协同施加远超常规水平的预填充中性气体压力[39] - 实验数据显示，装置的线平均电子密度长时间稳定维持在格林沃尔德极限值的1.3倍至1.65倍之间，远超过去0.8到1.0倍的常态，且未出现高密度运行常伴随的磁流体大破裂[41][42] - 在特定高气压辅助下，随着加热功率增加，偏滤器靶板附近的等离子体温度反而显著下降，使其成功低于钨材料的物理溅射阈值，从而切断了杂质来源，标志着装置成功跃迁至“密度自由区”[43][46][47] - 这一发现证实未来的聚变堆可通过优化启动策略和壁条件控制，在不主动注入杂质的情况下实现高密度稳态运行[47][48] 研究团队与意义 - 本项研究由华中科技大学、中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所以及法国艾克斯-马赛大学联合开展，EAST团队整体参与[49][51] - 论文第一作者为华中科技大学刘家兴，通讯作者为华中科技大学朱平教授与中国科学院合肥物质科学研究院严宁教授[50] - 该突破为人类最终突破聚变密度瓶颈、实现聚变点火开辟了全新路径[48]

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等团队在全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）上取得重要成果，首次通过实验证实了托卡马克“密度自由区”的存在，揭示了“密度极限”的触发机理，为未来聚变堆实现高密度、经济性运行提供了关键物理依据 [1][3] 实验成果与理论突破 - 研究团队基于新发展的边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型，发现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，并预测了密度极限之外的密度自由区 [3] - 在EAST装置的实验中，通过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 [3] - 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，使等离子体成功突破了密度极限，并平稳进入了预测中的密度自由区，实验结果与PWSO理论预测高度吻合 [3] 研究意义与行业影响 - 该成果为聚变界理解“密度极限”这一长期存在的经验定标提供了重要线索 [1][3] - 对于未来聚变堆，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，该研究为托卡马克实现高密度运行提供了重要的物理依据 [1][3] 研究背景与技术支撑 - “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] - 国际聚变界虽通过完善跨装置经验定标，并在特定条件下获得了超密度极限运行，但对其中的物理机制并不十分清楚 [1] - 研究的顺利完成得益于EAST先进的全金属壁实验平台和开放合作的提案协调机制 [4] - EAST装置近年来在密度、温度、辐射、杂质等参数的精确测量，以及电子回旋共振高效加热技术等方面的升级，为本次研究提供了重要技术保障 [4] 合作与支持 - 该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 [4] - 研究受到了国家磁约束聚变专项的支持 [4]