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中國(guó)“人造太陽(yáng)”，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(shí)驗(yàn)裝置研究，登上了Science子刊。

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

該發(fā)現(xiàn)證實(shí)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(diǎn)火提供了新的路徑。

密度極限，聚變效率的天塹

在“人造太陽(yáng)”，即磁約束核聚變的研究過(guò)程中，科學(xué)家們始終面臨著一個(gè)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?yàn)楦鶕?jù)衡量核聚變能否發(fā)生點(diǎn)火及實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆娴摹皠谏袚?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(shí)間的乘積

在這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)中，提高等離子體密度對(duì)于實(shí)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(gè)原子核在極高速度下發(fā)生“迎頭相撞”并克服庫(kù)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(zhǎng)約束時(shí)間，提升密度是獲取高聚變?cè)鲆孀罡咝У募夹g(shù)路徑。

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

對(duì)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(gè)基于早期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)性定標(biāo)律，其定義式相當(dāng)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)中，一旦等離子體的線(xiàn)平均密度試圖超過(guò)這一計(jì)算出的臨界值，裝置內(nèi)的等離子體約束性能便會(huì)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(huì)瞬間終止放電過(guò)程，還可能對(duì)裝置昂貴的內(nèi)壁造成不可逆的物理?yè)p傷。

因此，長(zhǎng)期以來(lái)，格林沃爾德極限被視為托卡馬克運(yùn)行的一個(gè)“硬邊界”，絕大多數(shù)裝置只能運(yùn)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(jiǎn)潔，且在過(guò)去數(shù)十年間能較好地?cái)M合大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但它本質(zhì)上只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏明確的物理機(jī)理支撐。

如果無(wú)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(lái)替代簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)擬合，便無(wú)法確信未來(lái)的聚變堆能否在設(shè)計(jì)的高密度區(qū)間內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)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(kāi)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(yàn)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(gè)通過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(guò)一個(gè)零維方程簡(jiǎn)潔地描述了這一反饋回路的演化過(guò)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(shí)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(gè)系數(shù)大于1時(shí)，意味著輻射的增長(zhǎng)速度超過(guò)了輸入功率的補(bǔ)充速度，系統(tǒng)就會(huì)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(yàn)公式不同，這個(gè)推導(dǎo)出的極限顯式地包含了等離子體輸運(yùn)參數(shù)和壁相互作用物理量：

這個(gè)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(xiàn)性的依賴(lài)關(guān)系。

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

第一個(gè)是傳統(tǒng)的“密度受限區(qū)”，對(duì)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(gè)則是理論上預(yù)言的“密度自由區(qū)”，對(duì)應(yīng)于較低的靶板溫度。

一旦系統(tǒng)成功跨越臨界點(diǎn)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(yùn)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(duì)于早期碳壁裝置的決定性物理優(yōu)勢(shì)。

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(wú)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(gè)明確的能量閾值，只有當(dāng)入射粒子的能量超過(guò)該閾值時(shí)，濺射才會(huì)發(fā)生。

這為突破極限提供了一個(gè)極其精妙的物理開(kāi)關(guān)。

如果能通過(guò)有效的實(shí)驗(yàn)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(shí)，公式中的濺射項(xiàng)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(diǎn)火迎來(lái)新路徑

理論已經(jīng)指明了開(kāi)關(guān)所在，接下來(lái)的挑戰(zhàn)便是如何在真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)中按下它。

這篇論文就利用全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）擁有全鎢偏濾器這一獨(dú)特的硬件優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了關(guān)鍵性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

為了在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)上述物理開(kāi)關(guān)進(jìn)入理論預(yù)言的“密度自由區(qū)”，研究團(tuán)隊(duì)并未沿用傳統(tǒng)的啟動(dòng)路徑，而是在等離子體啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，裝置的線(xiàn)平均電子密度不僅輕松跨越了格林沃爾德極限，更是長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持在極限值的1.3倍至1.65倍之間

這與過(guò)去托卡馬克運(yùn)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(duì)比，且整個(gè)過(guò)程未出現(xiàn)高密度運(yùn)行常伴隨的磁流體大破裂，驗(yàn)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(kāi)關(guān)”被觸發(fā)的微觀證據(jù)，這與PWSO理論模型的預(yù)測(cè)一致。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的物理現(xiàn)象——

通常人們認(rèn)為增加加熱功率會(huì)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(shì)。

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(lái)源。

實(shí)驗(yàn)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(shí)，未來(lái)的聚變堆完全可以通過(guò)優(yōu)化啟動(dòng)策略和壁條件控制，在不主動(dòng)注入雜質(zhì)的情況下，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于仿星器的高密度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

這為人類(lèi)最終突破密度瓶頸、實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，開(kāi)辟了一條通往終極能源的全新航線(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)研究由華中科技大學(xué)、中國(guó)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(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展。

論文的第一作者劉家興來(lái)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(shí)任職于美國(guó)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(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院教授。

此外，EAST團(tuán)隊(duì)也作為整體參與了該項(xiàng)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