日前，位于安徽合肥科學(xué)島的中國“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置EAST物理實驗，基于邊界等離子體與壁相互作用自組織理論，證實了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。相關(guān)成果2026年1月1日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表。
對于未來聚變堆，聚變功率正比于燃料密度的平方，因此高密度運行是提高聚變能經(jīng)濟(jì)性的必然選擇。“密度極限”是上世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的純經(jīng)驗定標(biāo)，接近密度極限的托卡馬克運行將引發(fā)等離子體破裂，巨大的能量會瞬間釋放到裝置內(nèi)壁，影響裝置的安全運行。國際聚變界完善了跨裝置的經(jīng)驗定標(biāo)，并在芯部彈丸注入等特定條件下獲得了超密度極限運行，逐步明確觸發(fā)密度極限的物理過程發(fā)生于邊界區(qū)域，但對其中的物理機(jī)制并不十分清楚。
在本項工作中，研究團(tuán)隊發(fā)展了邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型，指出了邊界輻射在密度極限觸發(fā)中的關(guān)鍵作用，解析出了輻射不穩(wěn)定性邊界；揭示了密度極限的觸發(fā)機(jī)理，預(yù)測了密度極限之外的密度自由區(qū)。實驗上依托EAST全金屬壁運行環(huán)境，利用電子回旋共振加熱和預(yù)充氣協(xié)同啟動等方法降低邊界雜質(zhì)濺射，主動延遲了密度極限和等離子體破裂的發(fā)生。實驗上通過控制靶板的物理條件，降低了靶板鎢雜質(zhì)主導(dǎo)的物理濺射，控制等離子體突破了密度極限，引導(dǎo)等離子體進(jìn)入新的密度自由區(qū)；實驗結(jié)果與PWSO理論預(yù)測高度吻合，首次證實了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。這一創(chuàng)新性工作為密度極限的理解提供了重要線索，并為托卡馬克高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。
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