我国“人造太阳”实验找到突破密度极限的方法

IT之家 1 月 2 日消息，新华社今天（1 月 2 日）报道，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宣布，我国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在物理实验中取得里程碑式进展。

EAST 是我国自主设计的“人造太阳”实验装置，外形像一个巨大的甜甜圈，利用超导磁铁产生的磁场来“关住”极高温度的燃料，模拟太阳发光发热的原理。

团队不仅证实了理论预测中“密度自由区”的存在，更在实验中成功突破了长期制约核聚变效率的“密度极限”。这一成果已发表在国际学术期刊《科学进展》，标志着中国在磁约束核聚变基础物理研究领域再次走在世界前列。

EAST 高密度实验示意图。图源：科研团队论文

IT之家注：托卡马克装置被誉为“人造太阳”，其原理形似一条螺旋形的“磁跑道”，利用强磁场将高温等离子体“锁”在真空室内以发生聚变反应。等离子体的密度是决定反应速率和能量输出的核心参数。

然而，科学界长期面临一个棘手难题：等离子体密度存在一个“天花板”（密度极限）。一旦运行参数触碰这条红线，等离子体就会瞬间破裂并逃逸，其释放的巨大能量会直接冲击装置内壁，严重威胁设备安全。如何安全地跨越这一极限，是提升聚变能效的关键。

EAST 实验结果与 PWSO 理论预测相互印证。图源：科研团队论文

我国科研团队为攻克这一难题，深入探索了等离子体与装置内壁的相互作用，建立了全新的“边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）”理论模型。

研究发现，导致密度极限被触发的“幕后黑手”并非单纯的密度增加，而是边界区域杂质引起的辐射不稳定性。简单来说，当装置内壁的金属杂质混入等离子体边界后，会引发连锁反应，导致约束失效。这一发现精准揭示了密度极限背后的物理触发机制。

基于新理论，科研人员在 EAST 的全金属壁运行环境下实施了精细调控。团队利用电子回旋共振加热和预充气协同启动等先进手段，有效降低了边界杂质的溅射；同时通过调控靶板物理条件，抑制了钨杂质的影响。

这一系列操作成功“推迟”了极限的到来，并引导等离子体平稳突破了原有的密度天花板，进入了全新的“密度自由区”。实验结果与 PWSO 理论预测高度吻合，为未来聚变堆在高密度下的稳定运行提供了坚实的物理避障指南。

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