中国EAST核聚变三破纪录，2050年或将实现应用

1月1日，中科院合肥物质科学研究院官宣重大成果：东方超环（EAST）首次验证了密度自由区的存在，找到突破核聚变密度极限的方法。

懂行的人都知道，磁约束核聚变中，聚变功率与等离子体密度的平方成正比，提升密度是实现净能量增益的关键。但早在1988年，美国物理学家 Martin Greenwald 就提出了密度上限理论，即格林沃尔德极限。

几十年来，托卡马克装置的实际密度与理论上限的比值，始终在0.8—1.0之间，从未突破。直到2021年前后，法国团队提出 PWSO 理论，预测存在一个可突破比值1.0的密度自由区。

此次 EAST 实验，成功将比值提升至1.3—1.65，不仅验证了 PWSO 理论的正确性，更一举打破横亘38年的格林沃尔德极限。

这意味着托卡马克等离子体密度可进一步提升，为实现核聚变净增益又迈出关键一步。要理解这事，得先搞懂托卡马克的结构。

如图所示，典型的托卡马克是甜甜圈造型，中间紫色部分是等离子体。核聚变燃料一般是氘和氚，加入后通过中心的欧姆线圈加热，让温度达到上亿摄氏度，电子被剥离形成等离子汤。

再配合极向线圈和环向线圈，就能把这锅等离子汤约束在特定区域里 —— 这些内容之前视频讲过，这里简单复习下。

接下来深入讲进阶内容：这个环形等离子体甜甜圈的结构，比想象中复杂得多。看等离子体横截面，中间的核心区是核聚变反应的主要发生地，越往外围温度和密度越低。

关键问题来了：核聚变产生的“灰烬”去哪了？答案在X点，这是个磁零点，能把磁通面分成两部分。

一部分是封闭磁力线，环绕核心形成嵌套的闭合磁面，用来约束等离子体；另一部分是开放磁力线，从分离面开始，两端连接到偏滤器的靶板上，这部分叫刮削层，就像剥洋葱一样，能给等离子体 “剥皮”。

剥掉的是啥？主要是核聚变产生的氦灰和各种杂质。等离子体就像煤球，燃烧时会产生灰烬，还会有不利于燃烧的杂质，它们会通过等离子体内部的湍流扩散、经典运输等自然机制向外迁移。

偏滤器的作用就是排气管道，把这些灰烬和杂质导出托卡马克。而这些杂质，正是制约等离子体密度提升的关键。

先搞清楚杂质的来源：主要是偏滤器的靶区。靶区要承接开放磁力线带来的粒子和热量，粒子轰击靶材料会产生化学溅射或物理溅射，从而产生杂质。

如果靶材料是碳，以化学溅射为主；若是钨，就以物理溅射为主。包括 EAST 在内的很多现行托卡马克都已升级为钨材料，所以主要是物理溅射 ——钨原子被高能粒子打出去，污染等离子体。

经典托卡马克启动时，以欧姆线圈为主要加热源，预充低中密度燃料气体，通过强电场击穿气体产生雪崩效应，瞬间电离。

这个启动能量极强，导致靶区入射粒子的能量分布较宽，很多会超过溅射阈值产生杂质。

这些杂质进入等离子体后，会产生辐射损失：杂质原子（通常较重）的电子被激发到高能级后，回落低能级时会发出光子，这就是复合辐射。光子会带走能量，降低等离子体功率，在特定工况下影响很显著。

想补回功率就得提高温度，但升温会进一步升高靶区温度，加剧溅射；若提高等离子体密度，为了压力平衡，刮削层会有更多粒子通量流向靶区，也会让溅射增多。

所以经典托卡马克运行中，等离子体密度受靶区溅射限制，很难提升。

那 EAST 是怎么实现密度突破的？核心是优化了托卡马克的启动过程，主要两点：一是用高功率电子回旋加热辅助欧姆启动，二是采用高密度预充气体。

电子回旋加热类似微波炉，能先把气体加热到温和状态，让欧姆启动时不会有太大击穿场强，避免边界粒子攻击靶区。

高密度预充气体则让等离子体升温更均匀温和，把靶区温度控制在较低水平，最大程度避免杂质溅射，打破了辐射损失的恶性循环。

用烧开水比喻更好理解：经典托卡马克启动像大火烧开，锅边滚烫，水容易沸腾溢出带走能量，再加水还是会溢；EAST 则是一大锅冷水温和点火，控制住锅边（靶区）温度，不会沸腾溢出，再多加水也能减少能量损失。

这次突破不是实现了无限密度，而是打开了新的操作窗口，能在窗口内进一步提升密度，打破了此前的格林沃尔德极限。

可能有人觉得，不就是改了下启动方式吗？但实验验证远比讲解复杂，涉及大量操作参数、材料设计、反馈控制等方面的精细化调节。

而且它依据的 PSWO 理论是近些年才提出的，之前没有明确理论指导，没人知道这样优化能进入新窗口。

托卡马克不是能网购的东西，全球范围内，EAST 是少数具备成熟全钨偏滤器和大功率 ECRH 系统的装置，才有条件开展理论探索。

即便硬件条件具备，实验也不是随便改改参数就行，要经过数千次放电实验、精细的参数扫描和稳定性优化，失败率极高。

基于新理论指导，EAST 成为全球首个验证 “密度自由区” 存在的托卡马克。

这个选题不像锂电池、半导体那样有明确的突破机理，更偏向工程化，给人的感觉比较平淡，没有那么强的冲击力。但考虑到它终结了核聚变领域一个经验性的物理上限，还是有必要把背后的知识点分享给大家。

根据核聚变领域的聚变三乘积，等离子体密度、温度和约束时间的乘积越大，越容易实现能量增益。

EAST 此前已分别验证了1.6亿度的温度、1066秒的稳态约束，此次1.6倍格林沃尔德极限是又一个新突破。

当然，EAST 只是实验装置，不是用来发电的，但它的技术探索能为后续各示范堆运行提供技术指导。

我个人觉得，随着我们对核聚变机制的理解越来越深入，距离它并网发电的日子越来越近了，大概就在2050年左右。