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托卡马克实验突破了等离子体密度极限，为聚变点火提供了一种新方法。

发布时间：2026-01-08 15:15:06 阅读数： 312

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EAST托卡马克装置在ECRH辅助欧姆启动过程中的运行示意图。

中国全超导实验先进超导托卡马克（EAST）的研究人员已经通过实验实现了理论上的聚变等离子体“无密度状态”，在远超常规极限的密度下实现了稳定运行。

发表在《科学进展》上的研究结果，为克服核聚变点火道路上最顽固的物理障碍之一提供了新的见解。

该研究由华中科技大学朱平教授和中国科学院合肥物质科学研究院严宁副教授共同领导。研究团队在EAST装置上实现了一种新型高密度运行方案，证明了托卡马克运行中长期以来受经验限制的等离子体密度可以在不引发破坏性不稳定性的情况下大幅提高。

核聚变被广泛认为是一种极具前景的清洁可持续能源。对于氘氚聚变反应，等离子体必须加热到约13千电子伏特（1.5亿开尔文）的最佳温度。在这些条件下，热核功率与燃料密度的平方成正比。

然而，在传统的托卡马克运行中，等离子体密度长期以来一直受到经验上限的限制。超过这个上限往往会导致不稳定性，从而破坏等离子体约束并危及托卡马克运行，这对提高聚变性能构成重大挑战。

等离子体-壁自组织（PWSO）理论的最新发展为理解破坏性密度极限提供了一种新的视角。PWSO最初由法国国家科学研究中心和艾克斯-马赛大学的DF Escande等人提出。该理论预测，通过在等离子体和器件的金属壁之间实现微妙的平衡，可以进入一种新的无密度状态，而这种平衡主要由物理溅射主导。

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EAST实验结果与等离子体-壁自组织理论预测的示意图对比。

本文首次在EAST装置上验证了无密度状态的物理概念。EAST实验结合了初始燃料气体压力控制和启动阶段的电子回旋共振加热，从而能够从放电伊始就有效地优化等离子体与壁面的相互作用。

通过这种方法，等离子体与壁的相互作用、杂质积累和能量损失显著降低。在启动结束时，等离子体最终被推至足够高的密度。研究人员成功进入了PWSO理论的无密度状态，在该状态下，即使等离子体在远超经验极限的密度下运行，也能保持稳定。

这些实验成果为突破托卡马克运行中长期存在的密度限制、实现聚变点火提供了新的物理见解。

朱教授表示：“研究结果表明，扩展托卡马克和下一代燃烧等离子体聚变装置的密度极限是一条切实可行且可扩展的途径。”

副教授闫补充说，研究团队计划在不久的将来在 EAST 的高约束运行期间应用这种新方法，以期在高性能等离子体条件下进入无密度状态。