1月1日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院官宣重大成果：東方超環(huán)（EAST）首次驗(yàn)證了密度自由區(qū)的存在，找到突破核聚變密度極限的方法。

懂行的人都知道，磁約束核聚變中，聚變功率與等離子體密度的平方成正比，提升密度是實(shí)現(xiàn)凈能量增益的關(guān)鍵。但早在1988年，美國物理學(xué)家 Martin Greenwald 就提出了密度上限理論，即格林沃爾德極限。

幾十年來，托卡馬克裝置的實(shí)際密度與理論上限的比值，始終在0.8—1.0之間，從未突破。直到2021年前后，法國團(tuán)隊(duì)提出 PWSO 理論，預(yù)測(cè)存在一個(gè)可突破比值1.0的密度自由區(qū)。

此次 EAST 實(shí)驗(yàn)，成功將比值提升至1.3—1.65，不僅驗(yàn)證了 PWSO 理論的正確性，更一舉打破橫亙38年的格林沃爾德極限。

這意味著托卡馬克等離子體密度可進(jìn)一步提升，為實(shí)現(xiàn)核聚變凈增益又邁出關(guān)鍵一步。要理解這事，得先搞懂托卡馬克的結(jié)構(gòu)。

如圖所示，典型的托卡馬克是甜甜圈造型，中間紫色部分是等離子體。核聚變?nèi)剂弦话闶请碗?，加入后通過中心的歐姆線圈加熱，讓溫度達(dá)到上億攝氏度，電子被剝離形成等離子湯。

再配合極向線圈和環(huán)向線圈，就能把這鍋等離子湯約束在特定區(qū)域里 —— 這些內(nèi)容之前視頻講過，這里簡單復(fù)習(xí)下。

接下來深入講進(jìn)階內(nèi)容：這個(gè)環(huán)形等離子體甜甜圈的結(jié)構(gòu)，比想象中復(fù)雜得多?？吹入x子體橫截面，中間的核心區(qū)是核聚變反應(yīng)的主要發(fā)生地，越往外圍溫度和密度越低。

關(guān)鍵問題來了：核聚變產(chǎn)生的“灰燼”去哪了？答案在X點(diǎn)，這是個(gè)磁零點(diǎn)，能把磁通面分成兩部分。

一部分是封閉磁力線，環(huán)繞核心形成嵌套的閉合磁面，用來約束等離子體；另一部分是開放磁力線，從分離面開始，兩端連接到偏濾器的靶板上，這部分叫刮削層，就像剝洋蔥一樣，能給等離子體 “剝皮”。

剝掉的是啥？主要是核聚變產(chǎn)生的氦灰和各種雜質(zhì)。等離子體就像煤球，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生灰燼，還會(huì)有不利于燃燒的雜質(zhì)，它們會(huì)通過等離子體內(nèi)部的湍流擴(kuò)散、經(jīng)典運(yùn)輸?shù)茸匀粰C(jī)制向外遷移。

偏濾器的作用就是排氣管道，把這些灰燼和雜質(zhì)導(dǎo)出托卡馬克。而這些雜質(zhì)，正是制約等離子體密度提升的關(guān)鍵。

先搞清楚雜質(zhì)的來源：主要是偏濾器的靶區(qū)。靶區(qū)要承接開放磁力線帶來的粒子和熱量，粒子轟擊靶材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)濺射或物理濺射，從而產(chǎn)生雜質(zhì)。

如果靶材料是碳，以化學(xué)濺射為主；若是鎢，就以物理濺射為主。包括 EAST 在內(nèi)的很多現(xiàn)行托卡馬克都已升級(jí)為鎢材料，所以主要是物理濺射 ——鎢原子被高能粒子打出去，污染等離子體。

經(jīng)典托卡馬克啟動(dòng)時(shí)，以歐姆線圈為主要加熱源，預(yù)充低中密度燃料氣體，通過強(qiáng)電場(chǎng)擊穿氣體產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，瞬間電離。

這個(gè)啟動(dòng)能量極強(qiáng)，導(dǎo)致靶區(qū)入射粒子的能量分布較寬，很多會(huì)超過濺射閾值產(chǎn)生雜質(zhì)。

這些雜質(zhì)進(jìn)入等離子體后，會(huì)產(chǎn)生輻射損失：雜質(zhì)原子（通常較重）的電子被激發(fā)到高能級(jí)后，回落低能級(jí)時(shí)會(huì)發(fā)出光子，這就是復(fù)合輻射。光子會(huì)帶走能量，降低等離子體功率，在特定工況下影響很顯著。

想補(bǔ)回功率就得提高溫度，但升溫會(huì)進(jìn)一步升高靶區(qū)溫度，加劇濺射；若提高等離子體密度，為了壓力平衡，刮削層會(huì)有更多粒子通量流向靶區(qū)，也會(huì)讓濺射增多。

所以經(jīng)典托卡馬克運(yùn)行中，等離子體密度受靶區(qū)濺射限制，很難提升。

那 EAST 是怎么實(shí)現(xiàn)密度突破的？核心是優(yōu)化了托卡馬克的啟動(dòng)過程，主要兩點(diǎn)：一是用高功率電子回旋加熱輔助歐姆啟動(dòng)，二是采用高密度預(yù)充氣體。

電子回旋加熱類似微波爐，能先把氣體加熱到溫和狀態(tài)，讓歐姆啟動(dòng)時(shí)不會(huì)有太大擊穿場(chǎng)強(qiáng)，避免邊界粒子攻擊靶區(qū)。

高密度預(yù)充氣體則讓等離子體升溫更均勻溫和，把靶區(qū)溫度控制在較低水平，最大程度避免雜質(zhì)濺射，打破了輻射損失的惡性循環(huán)。

用燒開水比喻更好理解：經(jīng)典托卡馬克啟動(dòng)像大火燒開，鍋邊滾燙，水容易沸騰溢出帶走能量，再加水還是會(huì)溢；EAST 則是一大鍋冷水溫和點(diǎn)火，控制住鍋邊（靶區(qū)）溫度，不會(huì)沸騰溢出，再多加水也能減少能量損失。

這次突破不是實(shí)現(xiàn)了無限密度，而是打開了新的操作窗口，能在窗口內(nèi)進(jìn)一步提升密度，打破了此前的格林沃爾德極限。

可能有人覺得，不就是改了下啟動(dòng)方式嗎？但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證遠(yuǎn)比講解復(fù)雜，涉及大量操作參數(shù)、材料設(shè)計(jì)、反饋控制等方面的精細(xì)化調(diào)節(jié)。

而且它依據(jù)的 PSWO 理論是近些年才提出的，之前沒有明確理論指導(dǎo)，沒人知道這樣優(yōu)化能進(jìn)入新窗口。

托卡馬克不是能網(wǎng)購的東西，全球范圍內(nèi)，EAST 是少數(shù)具備成熟全鎢偏濾器和大功率 ECRH 系統(tǒng)的裝置，才有條件開展理論探索。

即便硬件條件具備，實(shí)驗(yàn)也不是隨便改改參數(shù)就行，要經(jīng)過數(shù)千次放電實(shí)驗(yàn)、精細(xì)的參數(shù)掃描和穩(wěn)定性優(yōu)化，失敗率極高。

基于新理論指導(dǎo)，EAST 成為全球首個(gè)驗(yàn)證 “密度自由區(qū)” 存在的托卡馬克。

這個(gè)選題不像鋰電池、半導(dǎo)體那樣有明確的突破機(jī)理，更偏向工程化，給人的感覺比較平淡，沒有那么強(qiáng)的沖擊力。但考慮到它終結(jié)了核聚變領(lǐng)域一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的物理上限，還是有必要把背后的知識(shí)點(diǎn)分享給大家。

根據(jù)核聚變領(lǐng)域的聚變?nèi)朔e，等離子體密度、溫度和約束時(shí)間的乘積越大，越容易實(shí)現(xiàn)能量增益。

EAST 此前已分別驗(yàn)證了1.6億度的溫度、1066秒的穩(wěn)態(tài)約束，此次1.6倍格林沃爾德極限是又一個(gè)新突破。

當(dāng)然，EAST 只是實(shí)驗(yàn)裝置，不是用來發(fā)電的，但它的技術(shù)探索能為后續(xù)各示范堆運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

我個(gè)人覺得，隨著我們對(duì)核聚變機(jī)制的理解越來越深入，距離它并網(wǎng)發(fā)電的日子越來越近了，大概就在2050年左右。