“人造太阳”实验证实托卡马克密度自由区存在
2026/01/08
近日,中国科学院合肥物质科学研究院联合华中科技大学、法国艾克斯-马赛大学等,在“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)实验中取得重要成果。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。
对于未来聚变堆,聚变功率正比于燃料密度的平方,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,接近密度极限的托卡马克运行将引发等离子体破裂,巨大的能量会瞬间释放到装置内壁,影响装置的安全运行。虽然国际聚变界完善了跨装置的经验定标,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,但对其中的物理机制并不十分清楚。
基于这一问题,研究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,发现了边界辐射在密度极限触发中的关键作用,解析出辐射不稳定性边界,并揭示了密度极限的触发机理,预测了密度极限之外的密度自由区。实验依托EAST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。实验还通过控制靶板的物理条件,降低了靶板钨杂质主导的物理溅射,让等离子体突破了密度极限,并进入了新的密度自由区。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。
这一工作为密度极限的理解提供了重要线索,并为托卡马克高密度运行提供了重要的物理依据。
相关研究成果发表在《科学进展》(Science Advances)上。研究工作得到国家磁约束聚变专项的支持。
EAST高密度实验示意图
EAST实验结果与PWSO理论预测相互印证
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