人造太陽再進化！中科院團隊打破密度瓶頸，刷新核聚變運行新高度

2026 年 1 月 2 日，就在新年伊始，國際頂級學術期刊 Science Advances 刊發(fā)了一項來自中國磁約束核聚變領域的重磅成果。

圖：團隊論文（來源：Science Advances）

由華中科技大學與中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所（ASIPP）組成的聯合研究團隊，在全超導托卡馬克裝置“東方超環(huán)”（EAST）上，成功實現了等離子體線平均電子密度對格林沃爾德密度極限（Greenwald density limit）的顯著超越。

實驗數據顯示，其運行密度達到了格林沃爾德極限的 1.3 倍至 1.65 倍，遠超該裝置以往 0.8 至 1.0 倍的常規(guī)運行區(qū)間，且等離子體保持了良好的穩(wěn)定性。

更為重要的是，這項研究通過實驗數據與理論模型的深度比對，證實了 EAST 已經進入了一種被稱為“無密度限制機制”（density-free regime）的全新運行狀態(tài)。

這不僅標志著中國在解決核聚變核心參數限制方面取得了實質性突破，也為未來聚變堆在不犧牲燃料純度的前提下實現高功率輸出提供了一條極具潛力的技術路徑。

在磁約束核聚變的研究中，提升裝置的能量產出效率始終是核心目標。根據著名的勞森判據（Lawson criterion），要實現并維持有效的聚變反應，需要同時滿足溫度、等離子體密度和能量約束時間這三個關鍵參數的乘積達到一定閾值。

這意味著，在溫度和約束時間基本不變的前提下，等離子體密度越高，聚變反應發(fā)生的頻率就越高，從而帶來更顯著的能量增益。

然而，在托卡馬克裝置數十年的運行實踐中，科學家們長期面臨一個難以突破的瓶頸：等離子體密度似乎存在一個天然的上限。

1988 年，麻省理工學院的馬丁·格林沃爾德（Martin Greenwald）基于大量實驗數據，提出了一個經驗性公式，即“格林沃爾德密度極限”（Greenwald density limit）。該公式指出，等離子體所能維持的最大密度與裝置中流過的等離子體電流成正比，與裝置橫截面積成反比。

圖：馬丁·格林沃爾（來源：Wbur.org）

按照傳統認知，一旦等離子體密度試圖超過這一極限，裝置內通常會迅速出現劇烈的不穩(wěn)定性，最終觸發(fā)一種被稱為“大破裂”（disruption）的災難性放電終止事件。這一現象類似于一輛高速行駛的賽車——當速度逼近由發(fā)動機性能和空氣動力學所決定的極限時，若強行加速，車輛極易失控。

格林沃爾德極限因此長期以來被視為聚變研究中一道難以逾越的障礙，制約著托卡馬克性能的進一步提升。

盡管國際上一些先進裝置（如德國的ASDEX Upgrade和美國的DIII-D）曾借助彈丸注入等特殊技術手段，在極短時間內短暫突破該極限，但要在穩(wěn)態(tài)、長時間運行條件下實現對格林沃爾德極限的大幅、穩(wěn)定超越，仍是全球聚變界面臨的一項重大挑戰(zhàn)。

圖 ：德國ASDEX Upgrade （來源：euro fusion）

此次發(fā)表在 Science Advances 上的研究成果，之所以引起學界高度關注，是因為中國團隊并未采用強行注入燃料的暴力突破方式，而是利用物理機制的自然演化，巧妙地繞過了障礙。

研究團隊采用了一種特殊的啟動方案：利用電子回旋共振加熱（Electron Cyclotron Resonance Heating，簡稱 ECRH）輔助歐姆放電啟動，并配合高強度的中性氣體預填充。簡單來說，ECRH 技術是通過發(fā)射高頻微波束來加熱等離子體中的電子，其原理類似于微波爐加熱食物，能夠精準且高效地將能量沉積在特定區(qū)域。

在編號為 1430xx 系列的實驗中，研究人員發(fā)現了一個反常識的現象。通常情況下，向真空室內大量注入氣體（即增加預填充氣壓）會導致等離子體邊緣急劇冷卻，從而引發(fā)塌縮。但在引入約 600 千瓦的ECRH輔助加熱后，情況發(fā)生了變化。隨著預填充氘氣量的增加，等離子體的密度極限不僅沒有下降，反而呈現出階梯式上升的趨勢。

數據顯示，當實驗條件調整至最佳狀態(tài)時，等離子體成功突破了格林沃爾德極限，達到了 1.65 倍 nG 的高密度水平。這表明，EAST 的運行模式已經發(fā)生了質的改變。這種改變并非源于外部的強制干預，而是等離子體系統內部通過一種復雜的反饋機制，自我調整到了一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。

（來源：論文）

為了解釋這一現象，研究團隊引入了“等離子體-壁自組織”（Plasma-Wall Self-Organization，簡稱 PWSO）理論。該理論模型將等離子體與裝置內壁（特別是偏濾器靶板）視為一個相互耦合的整體系統。

在PWSO理論的框架下，等離子體的密度演化存在兩個截然不同的“吸引盆”（Attraction Basins）。可以將這兩個“盆”想象成地形中的兩個山谷，小球（代表等離子體狀態(tài)）滾落其中后會趨于穩(wěn)定。

第一個山谷是傳統的“密度極限盆”。在這個區(qū)域內，偏濾器靶板附近的等離子體溫度較高。高溫導致靶板材料受到強烈的轟擊，濺射出大量雜質進入主等離子體。這些雜質會通過輻射形式耗散能量，導致等離子體邊緣冷卻，進而收縮電流通道，最終引發(fā)破裂。這是過去大多數托卡馬克裝置面臨的困境。

第二個山谷則是理想狀態(tài)下的“無密度限制盆”。在這個區(qū)域，靶板附近的等離子體溫度較低。低溫環(huán)境大幅抑制了靶板材料的濺射，減少了雜質的產生。雜質輻射的降低反過來又允許等離子體容納更高的密度，而不會引發(fā)輻射塌縮。在這種機制下，理論上的密度上限被極大地釋放，甚至在數學模型上趨近于無窮大，即進入了“無密度限制”的狀態(tài)。

這項基礎物理研究的突破，對于未來聚變堆的工程設計具有重要的現實意義。

在國際熱核聚變實驗堆（ITER）以及未來的中國聚變工程實驗堆（CFETR）的設計中，熱負荷控制是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為了防止極高的熱流熔化偏濾器，通常的設計方案是主動注入氖、氬等雜質氣體，利用雜質的輻射來耗散邊緣熱量，實現所謂的“脫靶”（detachment）運行。然而，這種方法是一把雙刃劍：注入的雜質一旦滲透進核心等離子體，就會稀釋氘氚燃料，降低聚變反應效率。

EAST 的實驗結果展示了一種更優(yōu)的可能性：通過 ECRH 輔助啟動和高氣壓控制，可以在不主動注入外源雜質的情況下，利用裝置自身的物理特性實現類似“脫靶”的低溫高密度運行。這種自然達成的“冷邊界、高密度”狀態(tài)，既保護了裝置內壁，又維持了核心燃料的純度，為解決聚變堆的“熱負荷-燃料純度”矛盾提供了一種極具吸引力的解決方案。

雖然目前的實驗僅使用了約 600 千瓦的ECRH（電子回旋共振加熱）功率，距離 EAST 加熱系統的滿功率運行尚有很大空間，但初步結果已足夠令人振奮。根據理論模型的預測，隨著未來加熱功率的進一步提升，等離子體將在“無密度限制盆”中運行得更加穩(wěn)健，有望觸及更高的密度峰值。

論文地址：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz3040