Science子刊丨中国“人造太阳”突破密度极限，聚变点火迎来新路径

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中国“人造太阳”，又有新突破！

华中科技大学朱平教授和中科院合肥研究院严宁副教授共同领导的托卡马克实验装置研究，登上了Science子刊。

这项研究验证了了边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型，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。

该发现证实了托卡马克中密度自由区（density-free regime）的存在，成功突破密度极限，为聚变点火提供了新的路径。

密度极限，聚变效率的天堑

在“人造太阳”，即磁约束核聚变的研究过程中，科学家们始终面临着一个核心物理难题——如何在维持等离子体宏观稳定的前提下，大幅提升其粒子密度。

这是因为根据衡量核聚变能否发生点火及实现能量净增益的“劳森判据”（Lawson Criterion），聚变反应的发生条件取决于等离子体密度、温度以及能量约束时间的乘积。

在这三个关键参数中，提高等离子体密度对于实现燃烧等离子体（Burning Plasma）尤为关键。

这是由核聚变反应最基础的二体碰撞物理机制决定的。由于聚变反应发生的前提是两个原子核在极高速度下发生“迎头相撞”并克服库仑斥力，其反应发生的概率本质上取决于单位体积内参与碰撞的粒子数的乘积。

这意味着，聚变输出功率密度与等离子体密度的平方成正比——仅仅将密度提升至两倍，在理想状况下就能获得四倍的聚变能量输出。

相比于提升温度或延长约束时间，提升密度是获取高聚变增益最高效的技术路径。

然而，在过去半个多世纪的托卡马克装置运行实践中，物理学家们发现了一个顽固的“天花板”——密度极限。

对于托卡马克而言，这一极限通常表现为“格林沃尔德密度极限”（Greenwald density limit）。

这是一个基于早期实验数据总结出的经验性定标律，其定义式相当简洁，与等离子体电流成正比，与等离子体小半径的平方成反比。

在传统的实验观测中，一旦等离子体的线平均密度试图超过这一计算出的临界值，装置内的等离子体约束性能便会急剧恶化，进而引发剧烈的磁流体不稳定性，最终导致等离子体大破裂（Disruption）。

这种破裂不仅会瞬间终止放电过程，还可能对装置昂贵的内壁造成不可逆的物理损伤。

因此，长期以来，格林沃尔德极限被视为托卡马克运行的一个“硬边界”，绝大多数装置只能运行在这一极限值的0.8到1.0倍以下。

另外，格林沃尔德极限公式虽然形式简洁，且在过去数十年间能较好地拟合大多数实验数据，但它本质上只是一个经验公式，缺乏明确的物理机理支撑。

如果无法厘清这一极限背后的物理本质，建立基于第一性原理的模型来替代简单的经验拟合，便无法确信未来的聚变堆能否在设计的高密度区间内安全稳定运行。

因此，从物理机理上解释这一现象，并寻找突破限制的方法，成为了当前聚变物理界亟待解决的难题。

寻找突破极限的物理开关

为了解释为何加热功率与边界条件能如此显著地改变密度上限，研究人员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。

这一理论视角打破了传统上将核心等离子体视为孤立流体的局限，转而将其与装置内壁视为一个通过杂质辐射紧密耦合、相互制约的自组织系统。

在该模型中，密度极限的本质不再被简单地归结为磁流体不稳定性，而是源于等离子体与壁相互作用过程中产生的一种热-辐射反馈机制的失稳。

PWSO模型通过一个零维方程简洁地描述了这一反馈回路的演化过程：

这一公式描述了辐射功率的迭代关系。其中，P代表输入到等离子体的总功率，R是当前的辐射功率，而R+是反馈循环下一时刻的辐射功率。

公式中的比例系数α是核心参数，它量化了由流向壁的剩余功率引发的杂质产生及其后续的辐射能力。当这个系数大于1时，意味着辐射的增长速度超过了输入功率的补充速度，系统就会失去平衡，最终引发辐射塌缩。

基于这一稳定性分析，PWSO理论推导出了物理上的临界密度极限。

与格林沃尔德经验公式不同，这个推导出的极限显式地包含了等离子体输运参数和壁相互作用物理量：

这个方程揭示了密度极限与物理机制的深层联系，表明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。

最关键的是，它展示了密度极限与偏滤器靶板温度以及由该温度决定的溅射产额积分函数I(Tt)之间存在高度非线性的依赖关系。

该理论指出，托卡马克装置的运行状态空间中存在两个截然不同的“吸引盆”，这决定了等离子体的最终命运。

第一个是传统的“密度受限区”，对应于较高的偏滤器靶板温度。

在这种状态下，高能粒子剧烈轰击靶板，溅射产额积分值急剧升高，导致强烈的辐射冷却，系统被牢牢锁定在格林沃尔德极限之下。

而第二个则是理论上预言的“密度自由区”，对应于较低的靶板温度。

一旦系统成功跨越临界点进入该区域，物理图像将发生截然不同——

随着靶板温度的降低，物理溅射被有效抑制，反馈系数维持在低位，密度上限将不再受制于格林沃尔德定标律，而是可以随着外部控制参数的提升而大幅增加，呈现出一种近乎“自由”的高密度运行潜能。

要真正进入这一“密度自由区”，关键在于精准调控偏滤器靶板附近的等离子体温度以及利用第一壁材料的物理特性。这也是现代全金属壁装置相对于早期碳壁装置的决定性物理优势。

在碳壁装置中，化学溅射机制占据主导，这意味着杂质源几乎无法被切断，等离子体很难摆脱杂质辐射的纠缠。

相比之下，EAST采用的全钨金属壁主要受物理溅射机制支配。钨原子的物理溅射存在一个明确的能量阈值，只有当入射粒子的能量超过该阈值时，溅射才会发生。

这为突破极限提供了一个极其精妙的物理开关。

如果能通过有效的实验手段将偏滤器靶板前的等离子体温度压低到这一阈值以下，钨杂质的产生机制将被物理阻断。

此时，公式中的溅射项趋近于零，使得临界密度趋向于极大值，制约密度的反馈回路被打破，系统便自然地落入“密度自由区”。

聚变点火迎来新路径

理论已经指明了开关所在，接下来的挑战便是如何在真实的物理实验中按下它。

这篇论文就利用全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）拥有全钨偏滤器这一独特的硬件优势，开展了关键性的验证实验。

为了在实验中通过上述物理开关进入理论预言的“密度自由区”，研究团队并未沿用传统的启动路径，而是在等离子体启动阶段，利用电子回旋共振加热（ECRH）辅助欧姆加热，并协同施加了远超常规水平的预填充中性气体压力。

实验数据显示，装置的线平均电子密度不仅轻松跨越了格林沃尔德极限，更是长时间稳定维持在极限值的1.3倍至1.65倍之间。

这与过去托卡马克运行中通常止步于极限值0.8到1.0倍的常态形成了鲜明对比，且整个过程未出现高密度运行常伴随的磁流体大破裂，验证了该方案在工程上的鲁棒性。

深入的数据分析进一步揭示了“开关”被触发的微观证据，这与PWSO理论模型的预测一致。

实验观测发现了一个关键的物理现象——

通常人们认为增加加热功率会提升温度，但在特定的高气压辅助下，随着电子回旋加热功率的增加和预充气压力的提升，偏滤器靶板附近的等离子体温度反而呈现出显著的下降趋势。

正是这种受控的“降温”，使得靶板温度成功低于了钨材料的物理溅射阈值，从而切断了杂质来源。

实验数据清晰地表明，一旦温度跨越这一临界值，杂质产生的反馈机制即被物理阻断。这标志着装置成功跃迁至了“密度自由区”。

这一发现向物理学界证实，未来的聚变堆完全可以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，实现类似于仿星器的高密度稳态运行。

这为人类最终突破密度瓶颈、实现聚变点火，开辟了一条通往终极能源的全新航线。

团队简介

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。

论文的第一作者刘家兴来自华中科技大学电气与电子工程学院。

通讯作者朱平是华中科技大学教授，同时任职于美国威斯康星大学麦迪逊分校，另一位通讯作者严宁是中国科学院合肥物质科学研究院教授。

此外，EAST团队也作为整体参与了该项工作。

参考链接：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz3040
[2]https://phys.org/news/2025-12-tokamak-exceed-plasma-density-limit.html

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