2026年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。 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 高密度实验示意图。（科研团队提供） EAST 实验结果与 PWSO 理论预测相互印证。（科研团队提供） 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。 此次，我国科研团队发展 ...

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的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在物理实验中取得重要成果，首次通过实验证实了托卡马克“密度自由区”的存在，并揭示了触发“密度极限”的物理机制 [1][2] 实验装置与背景 - 实验依托被称为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）进行 [1] - 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 [1] - “密度极限”是20世纪末发现的纯经验定标，超过此极限的运行会引发等离子体破裂，巨大能量瞬间释放到装置内壁，影响安全运行 [1] - 国际聚变界此前虽在特定条件下获得了超密度极限运行，并明确触发过程发生于边界区域，但对其中物理机制并不十分清楚 [1] 理论与模型突破 - 科研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（PWSO）理论模型 [2] - 通过该模型，团队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 [2] - 该模型解析出了辐射不稳定性的边界，揭示了密度极限的触发机理，并预测了密度极限之外的密度自由区 [2] 实验方法与成果 - 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] - 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，让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 [2] - 实验结果和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 [2] 研究成果发表 - 相关研究成果于2026年1月1日发表在国际学术期刊《科学进展》上 [1]

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。"密度极限"是20世纪末发现的纯经验定标，超过密度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。虽然国际聚变界通过完善跨装置经验定标，并在 芯部弹丸注入等特定条件下获得了超密度极限运行，逐步明确触发密度极限的物理过程发生于边界区 域，但是对其中的物理机制并不十分清楚。 基于这一问题，科研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（PWSO）理 论模型。通过这个模型，团队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，解析 出了辐射不稳定性的边界，揭示了密度极限的触发机理，并预测了密度极限之外的密度自由区。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。研究人员还通过调控靶板 的物理条件，降低了靶板钨杂质造成的物理溅射，让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。实验结果和PWSO理论预测高度吻合，首次证实 ...

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]

本文转自【科技日报】； 2日，记者从中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所获悉，被称为"人造太阳"的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在物理实验中取得 重要成果。该研究团队基于边界等离子体与壁相互作用自组织理论，通过物理实验证实了托卡马克密度自由区的存在。相关研究成果已于1月1日发表于国 际学术期刊《科学进展》。 EAST高密度实验示意图。中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所供图 科研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（PWSO）理论模型。通过这个模型，团队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，解析出了辐射不稳定性的边界，揭示了密度极限的触发机理，并预测了密度极限之外的密度自由区。 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。 研究人员还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，让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。令人振 奋的是，实验结果和PWSO理论预测高度吻合，首次证实了 ...

核心观点 - 中国科研团队在“人造太阳”（EAST）实验中，首次证实了托卡马克密度自由区的存在，找到了突破等离子体密度极限的方法，为磁约束核聚变装置实现高密度运行提供了关键物理依据 [1][5] 技术突破与发现 - 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，揭示了边界杂质引起的辐射不稳定性是触发密度极限的关键机理 [5] - 依托EAST全金属壁环境，团队利用电子回旋共振加热和预充气协同启动等方法，成功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 [5] - 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，从而控制等离子体突破了原有密度极限，引导其进入新的密度自由区 [5] - 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 [5] 研究背景与意义 - 等离子体密度是托卡马克性能的关键参数，直接影响聚变反应速率，但过去发现其存在一个极限，超过此极限会导致等离子体破裂并威胁装置安全 [4] - 国际聚变界长期研究已知密度极限触发于等离子体与装置内壁的边界区域，但对具体物理机制并不完全清楚 [4] - 此次突破性工作为理解密度极限提供了重要线索，并为托卡马克实现高密度运行奠定了重要的物理基础 [1][5] 研究团队与支持 - 此项研究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 [5] - 研究受到了国家磁约束聚变专项的支持 [5]

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。 据新华社，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 ...

EAST实验结果与PWSO理论预测相互印证。（科研团队提供） 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。 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 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 ...