合肥人造太阳突破密度极限

福州科研力量关注前沿：合肥“人造太阳”EAST揭示托卡马克密度极限触发机制

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1月3日，科技日报记者洪敬谱、通讯员蔡其敏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，位于安徽合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）——被公众亲切称为“人造太阳”的大科学装置，在近期物理实验中取得关键突破。研究团队基于边界等离子体与第一壁相互作用的自组织理论，首次通过实验证实了托卡马克装置中存在“密度自由区”。该成果已于1月1日在线发表于国际权威期刊《科学进展》。

在面向未来聚变堆的应用场景中，聚变功率与燃料密度呈平方正比关系，因此提升运行密度是增强聚变能经济性的核心路径之一。然而，“密度极限”这一经验性阈值自上世纪末被发现以来，始终制约着高密度稳定运行——一旦超越该临界值，等离子体极易发生破裂，导致巨量能量瞬时冲击装置内壁，威胁设备安全。尽管国际学界已通过跨装置经验拟合及芯部弹丸注入等手段实现局部超限运行，并确认触发过程主要发生在边界区域，但其深层物理机制长期未获清晰阐释。

为破解这一难题，合肥科研团队原创性构建了“边界等离子体-壁相互作用自组织”（PWSO）理论模型。模型指出：由边界杂质引发的辐射不稳定性，是触发密度极限的关键诱因；据此，团队不仅厘清了该不稳定性的空间演化特征，还前瞻性预测出极限之外存在可稳定运行的“密度自由区”。依托EAST装置特有的全金属壁运行条件，研究人员综合运用电子回旋共振加热、预充气协同启动等技术，显著抑制边界杂质溅射强度，有效延缓密度极限到来时间及等离子体破裂时刻；进一步通过优化靶板材料温度与偏压等物理参数，精准调控钨杂质的物理溅射行为，最终成功驱动等离子体跨越密度极限，平稳进入理论预言的自由运行区间。实验数据与PWSO模型高度吻合，首次以实证方式确证了托卡马克密度自由区的真实存在——这一进展也为包括福建参与建设的中国聚变工程实验堆（CFETR）在内的下一代装置设计提供了重要物理依据。

(责编：杨曦、陈键)