• 克雷西 發(fā)自 凹非寺
  量子位 | 公眾號 QbitAI

中國“人造太陽”，又有新突破！

華中科技大學(xué)朱平教授和中科院合肥研究院嚴(yán)寧副教授共同領(lǐng)導(dǎo)的托卡馬克實驗裝置研究，登上了Science子刊。

這項研究驗證了邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型，從實驗上確認(rèn)了托卡馬克運行中長期存在的密度極限背后機(jī)理。

該發(fā)現(xiàn)證實了托卡馬克中密度自由區(qū)（density-free regime）的存在，成功突破密度極限，為聚變點火提供了新的路徑。

密度極限，聚變效率的天塹

在“人造太陽”，即磁約束核聚變的研究過程中，科學(xué)家們始終面臨著一個核心物理難題——如何在維持等離子體宏觀穩(wěn)定的前提下，大幅提升其粒子密度。

這是因為根據(jù)衡量核聚變能否發(fā)生點火及實現(xiàn)能量凈增益的“勞森判據(jù)”（Lawson Criterion），聚變反應(yīng)的發(fā)生條件取決于等離子體密度、溫度以及能量約束時間的乘積

在這三個關(guān)鍵參數(shù)中，提高等離子體密度對于實現(xiàn)燃燒等離子體（Burning Plasma）尤為關(guān)鍵。

這是由核聚變反應(yīng)最基礎(chǔ)的二體碰撞物理機(jī)制決定的。由于聚變反應(yīng)發(fā)生的前提是兩個原子核在極高速度下發(fā)生“迎頭相撞”并克服庫侖斥力，其反應(yīng)發(fā)生的概率本質(zhì)上取決于單位體積內(nèi)參與碰撞的粒子數(shù)的乘積。

這意味著，聚變輸出功率密度與等離子體密度的平方成正比——僅僅將密度提升至兩倍，在理想狀況下就能獲得四倍的聚變能量輸出。

相比于提升溫度或延長約束時間，提升密度是獲取高聚變增益最高效的技術(shù)路徑。

然而，在過去半個多世紀(jì)的托卡馬克裝置運行實踐中，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個頑固的“天花板”——密度極限。

對于托卡馬克而言，這一極限通常表現(xiàn)為“格林沃爾德密度極限”（Greenwald density limit）。

這是一個基于早期實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗性定標(biāo)律，其定義式相當(dāng)簡潔，與等離子體電流成正比，與等離子體小半徑的平方成反比

在傳統(tǒng)的實驗觀測中，一旦等離子體的線平均密度試圖超過這一計算出的臨界值，裝置內(nèi)的等離子體約束性能便會急劇惡化，進(jìn)而引發(fā)劇烈的磁流體不穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致等離子體大破裂（Disruption）。

這種破裂不僅會瞬間終止放電過程，還可能對裝置昂貴的內(nèi)壁造成不可逆的物理損傷。

因此，長期以來，格林沃爾德極限被視為托卡馬克運行的一個“硬邊界”，絕大多數(shù)裝置只能運行在這一極限值的0.8到1.0倍以下。

另外，格林沃爾德極限公式雖然形式簡潔，且在過去數(shù)十年間能較好地擬合大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)，但它本質(zhì)上只是一個經(jīng)驗公式，缺乏明確的物理機(jī)理支撐。

如果無法厘清這一極限背后的物理本質(zhì)，建立基于第一性原理的模型來替代簡單的經(jīng)驗擬合，便無法確信未來的聚變堆能否在設(shè)計的高密度區(qū)間內(nèi)安全穩(wěn)定運行。

因此，從物理機(jī)理上解釋這一現(xiàn)象，并尋找突破限制的方法，成為了當(dāng)前聚變物理界亟待解決的難題。

尋找突破極限的物理開關(guān)

為了解釋為何加熱功率與邊界條件能如此顯著地改變密度上限，研究人員引入并驗證了邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型

這一理論視角打破了傳統(tǒng)上將核心等離子體視為孤立流體的局限，轉(zhuǎn)而將其與裝置內(nèi)壁視為一個通過雜質(zhì)輻射緊密耦合、相互制約的自組織系統(tǒng)

在該模型中，密度極限的本質(zhì)不再被簡單地歸結(jié)為磁流體不穩(wěn)定性，而是源于等離子體與壁相互作用過程中產(chǎn)生的一種熱-輻射反饋機(jī)制的失穩(wěn)。

PWSO模型通過一個零維方程簡潔地描述了這一反饋回路的演化過程：

這一公式描述了輻射功率的迭代關(guān)系。其中，P代表輸入到等離子體的總功率，R是當(dāng)前的輻射功率，而R+是反饋循環(huán)下一時刻的輻射功率。

公式中的比例系數(shù)α是核心參數(shù)，它量化了由流向壁的剩余功率引發(fā)的雜質(zhì)產(chǎn)生及其后續(xù)的輻射能力。當(dāng)這個系數(shù)大于1時，意味著輻射的增長速度超過了輸入功率的補(bǔ)充速度，系統(tǒng)就會失去平衡，最終引發(fā)輻射塌縮。

基于這一穩(wěn)定性分析，PWSO理論推導(dǎo)出了物理上的臨界密度極限。

與格林沃爾德經(jīng)驗公式不同，這個推導(dǎo)出的極限顯式地包含了等離子體輸運參數(shù)和壁相互作用物理量：

這個方程揭示了密度極限與物理機(jī)制的深層聯(lián)系，表明臨界密度與垂直擴(kuò)散系數(shù)成正比，與雜質(zhì)比例及輻射冷卻率成反比

最關(guān)鍵的是，它展示了密度極限與偏濾器靶板溫度以及由該溫度決定的濺射產(chǎn)額積分函數(shù)I(Tt)之間存在高度非線性的依賴關(guān)系。

該理論指出，托卡馬克裝置的運行狀態(tài)空間中存在兩個截然不同的“吸引盆”，這決定了等離子體的最終命運。

第一個是傳統(tǒng)的“密度受限區(qū)”，對應(yīng)于較高的偏濾器靶板溫度。

在這種狀態(tài)下，高能粒子劇烈轟擊靶板，濺射產(chǎn)額積分值急劇升高，導(dǎo)致強(qiáng)烈的輻射冷卻，系統(tǒng)被牢牢鎖定在格林沃爾德極限之下。

而第二個則是理論上預(yù)言的“密度自由區(qū)”，對應(yīng)于較低的靶板溫度。

一旦系統(tǒng)成功跨越臨界點進(jìn)入該區(qū)域，物理圖像將發(fā)生截然不同——

隨著靶板溫度的降低，物理濺射被有效抑制，反饋系數(shù)維持在低位，密度上限將不再受制于格林沃爾德定標(biāo)律，而是可以隨著外部控制參數(shù)的提升而大幅增加，呈現(xiàn)出一種近乎“自由”的高密度運行潛能。

要真正進(jìn)入這一“密度自由區(qū)”，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)調(diào)控偏濾器靶板附近的等離子體溫度以及利用第一壁材料的物理特性。這也是現(xiàn)代全金屬壁裝置相對于早期碳壁裝置的決定性物理優(yōu)勢。

在碳壁裝置中，化學(xué)濺射機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)，這意味著雜質(zhì)源幾乎無法被切斷，等離子體很難擺脫雜質(zhì)輻射的糾纏。

相比之下，EAST采用的全鎢金屬壁主要受物理濺射機(jī)制支配。鎢原子的物理濺射存在一個明確的能量閾值，只有當(dāng)入射粒子的能量超過該閾值時，濺射才會發(fā)生。

這為突破極限提供了一個極其精妙的物理開關(guān)。

如果能通過有效的實驗手段將偏濾器靶板前的等離子體溫度壓低到這一閾值以下，鎢雜質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制將被物理阻斷。

此時，公式中的濺射項趨近于零，使得臨界密度趨向于極大值，制約密度的反饋回路被打破，系統(tǒng)便自然地落入“密度自由區(qū)”。

聚變點火迎來新路徑

理論已經(jīng)指明了開關(guān)所在，接下來的挑戰(zhàn)便是如何在真實的物理實驗中按下它。

這篇論文就利用全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）擁有全鎢偏濾器這一獨特的硬件優(yōu)勢，開展了關(guān)鍵性的驗證實驗。

為了在實驗中通過上述物理開關(guān)進(jìn)入理論預(yù)言的“密度自由區(qū)”，研究團(tuán)隊并未沿用傳統(tǒng)的啟動路徑，而是在等離子體啟動階段，利用電子回旋共振加熱（ECRH）輔助歐姆加熱，并協(xié)同施加了遠(yuǎn)超常規(guī)水平的預(yù)填充中性氣體壓力

實驗數(shù)據(jù)顯示，裝置的線平均電子密度不僅輕松跨越了格林沃爾德極限，更是長時間穩(wěn)定維持在極限值的1.3倍至1.65倍之間

這與過去托卡馬克運行中通常止步于極限值0.8到1.0倍的常態(tài)形成了鮮明對比，且整個過程未出現(xiàn)高密度運行常伴隨的磁流體大破裂，驗證了該方案在工程上的魯棒性。

深入的數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步揭示了“開關(guān)”被觸發(fā)的微觀證據(jù)，這與PWSO理論模型的預(yù)測一致。

實驗觀測發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵的物理現(xiàn)象——

通常人們認(rèn)為增加加熱功率會提升溫度，但在特定的高氣壓輔助下，隨著電子回旋加熱功率的增加和預(yù)充氣壓力的提升，偏濾器靶板附近的等離子體溫度反而呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。

正是這種受控的“降溫”，使得靶板溫度成功低于了鎢材料的物理濺射閾值，從而切斷了雜質(zhì)來源。

實驗數(shù)據(jù)清晰地表明，一旦溫度跨越這一臨界值，雜質(zhì)產(chǎn)生的反饋機(jī)制即被物理阻斷。這標(biāo)志著裝置成功躍遷至了“密度自由區(qū)”。

這一發(fā)現(xiàn)向物理學(xué)界證實，未來的聚變堆完全可以通過優(yōu)化啟動策略和壁條件控制，在不主動注入雜質(zhì)的情況下，實現(xiàn)類似于仿星器的高密度穩(wěn)態(tài)運行。

這為人類最終突破密度瓶頸、實現(xiàn)聚變點火，開辟了一條通往終極能源的全新航線。

團(tuán)隊簡介

本項研究由華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所以及法國艾克斯-馬賽大學(xué)聯(lián)合開展。

論文的第一作者劉家興來自華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院。

通訊作者朱平是華中科技大學(xué)教授，同時任職于美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，另一位通訊作者嚴(yán)寧是中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院教授。

此外，EAST團(tuán)隊也作為整體參與了該項工作。

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