中國“人造太陽”突破密度極限，聚變點火迎來新路徑|Science子刊

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中國“人造太陽”，又有新突破！

華中科技大學朱平教授和中科院合肥研究院嚴寧副教授共同領導的托卡馬克實驗裝置研究，登上了Science子刊。

這項研究驗證了邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型，從實驗上確認了托卡馬克運行中長期存在的密度極限背后機理。

該發現證實了托卡馬克中密度自由區（density-free regime）的存在，成功突破密度極限，為聚變點火提供了新的路徑。

密度極限，聚變效率的天塹

在“人造太陽”，即磁約束核聚變的研究過程中，科學家們始終面臨著一個核心物理難題——如何在維持等離子體宏觀穩定的前提下，大幅提升其粒子密度。

這是因為根據衡量核聚變能否發生點火及實現能量凈增益的“勞森判據”（Lawson Criterion），聚變反應的發生條件取決于等離子體密度、溫度以及能量約束時間的乘積

在這三個關鍵參數中，提高等離子體密度對于實現燃燒等離子體（Burning Plasma）尤為關鍵。

這是由核聚變反應最基礎的二體碰撞物理機制決定的。由于聚變反應發生的前提是兩個原子核在極高速度下發生“迎頭相撞”并克服庫侖斥力，其反應發生的概率本質上取決于單位體積內參與碰撞的粒子數的乘積。

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約束時間，提升密度是獲取高聚變增益最高效的技術路徑。

然而，在過去半個多世紀的托卡馬克裝置運行實踐中，物理學家們發現了一個頑固的“天花板”——密度極限。

對于托卡馬克而言，這一極限通常表現為“格林沃爾德密度極限”（Greenwald density limit）。

這是一個基于早期實驗數據總結出的經驗性定標律，其定義式相當簡潔，與等離子體電流成正比，與等離子體小半徑的平方成反比

在傳統的實驗觀測中，一旦等離子體的線平均密度試圖超過這一計算出的臨界值，裝置內的等離子體約束性能便會急劇惡化，進而引發劇烈的磁流體不穩定性，最終導致等離子體大破裂（Disruption）。

這種破裂不僅會瞬間終止放電過程，還可能對裝置昂貴的內壁造成不可逆的物理損傷。

因此，長期以來，格林沃爾德極限被視為托卡馬克運行的一個“硬邊界”，絕大多數裝置只能運行在這一極限值的0.8到1.0倍以下。

另外，格林沃爾德極限公式雖然形式簡潔，且在過去數十年間能較好地擬合大多數實驗數據，但它本質上只是一個經驗公式，缺乏明確的物理機理支撐。

如果無法厘清這一極限背后的物理本質，建立基于第一性原理的模型來替代簡單的經驗擬合，便無法確信未來的聚變堆能否在設計的高密度區間內安全穩定運行。

因此，從物理機理上解釋這一現象，并尋找突破限制的方法，成為了當前聚變物理界亟待解決的難題。

尋找突破極限的物理開關

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上將核心等離子體視為孤立流體的局限，轉而將其與裝置內壁視為一個通過雜質輻射緊密耦合、相互制約的自組織系統

在該模型中，密度極限的本質不再被簡單地歸結為磁流體不穩定性，而是源于等離子體與壁相互作用過程中產生的一種熱-輻射反饋機制的失穩。

PWSO模型通過一個零維方程簡潔地描述了這一反饋回路的演化過程：

這一公式描述了輻射功率的迭代關系。其中，P代表輸入到等離子體的總功率，R是當前的輻射功率，而R+是反饋循環下一時刻的輻射功率。

公式中的比例系數α是核心參數，它量化了由流向壁的剩余功率引發的雜質產生及其后續的輻射能力。當這個系數大于1時，意味著輻射的增長速度超過了輸入功率的補充速度，系統就會失去平衡，最終引發輻射塌縮。

基于這一穩定性分析，PWSO理論推導出了物理上的臨界密度極限。

與格林沃爾德經驗公式不同，這個推導出的極限顯式地包含了等離子體輸運參數和壁相互作用物理量：

這個方程揭示了密度極限與物理機制的深層聯系，表明臨界密度與垂直擴散系數成正比，與雜質比例及輻射冷卻率成反比

最關鍵的是，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額積分函數I(Tt)之間存在高度非線性的依賴關系。

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

第一個是傳統的“密度受限區”，對應于較高的偏濾器靶板溫度。

在這種狀態下，高能粒子劇烈轟擊靶板，濺射產額積分值急劇升高，導致強烈的輻射冷卻，系統被牢牢鎖定在格林沃爾德極限之下。

而第二個則是理論上預言的“密度自由區”，對應于較低的靶板溫度。

一旦系統成功跨越臨界點進入該區域，物理圖像將發生截然不同——

隨著靶板溫度的降低，物理濺射被有效抑制，反饋系數維持在低位，密度上限將不再受制于格林沃爾德定標律，而是可以隨著外部控制參數的提升而大幅增加，呈現出一種近乎“自由”的高密度運行潛能。

要真正進入這一“密度自由區”，關鍵在于精準調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。這也是現代全金屬壁裝置相對于早期碳壁裝置的決定性物理優勢。

在碳壁裝置中，化學濺射機制占據主導，這意味著雜質源幾乎無法被切斷，等離子體很難擺脫雜質輻射的糾纏。

相比之下，EAST采用的全鎢金屬壁主要受物理濺射機制支配。鎢原子的物理濺射存在一個明確的能量閾值，只有當入射粒子的能量超過該閾值時，濺射才會發生。

這為突破極限提供了一個極其精妙的物理開關。

如果能通過有效的實驗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，鎢雜質的產生機制將被物理阻斷。

此時，公式中的濺射項趨近于零，使得臨界密度趨向于極大值，制約密度的反饋回路被打破，系統便自然地落入“密度自由區”。

聚變點火迎來新路徑

理論已經指明了開關所在，接下來的挑戰便是如何在真實的物理實驗中按下它。

這篇論文就利用全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）擁有全鎢偏濾器這一獨特的硬件優勢，開展了關鍵性的驗證實驗。

為了在實驗中通過上述物理開關進入理論預言的“密度自由區”，研究團隊并未沿用傳統的啟動路徑，而是在等離子體啟動階段，利用電子回旋共振加熱（ECRH）輔助歐姆加熱，并協同施加了遠超常規水平的預填充中性氣體壓力

實驗數據顯示，裝置的線平均電子密度不僅輕松跨越了格林沃爾德極限，更是長時間穩定維持在極限值的1.3倍至1.65倍之間

這與過去托卡馬克運行中通常止步于極限值0.8到1.0倍的常態形成了鮮明對比，且整個過程未出現高密度運行常伴隨的磁流體大破裂，驗證了該方案在工程上的魯棒性。

深入的數據分析進一步揭示了“開關”被觸發的微觀證據，這與PWSO理論模型的預測一致。

實驗觀測發現了一個關鍵的物理現象——

通常人們認為增加加熱功率會提升溫度，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出顯著的下降趨勢。

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，從而切斷了雜質來源。

實驗數據清晰地表明，一旦溫度跨越這一臨界值，雜質產生的反饋機制即被物理阻斷。這標志著裝置成功躍遷至了“密度自由區”。

這一發現向物理學界證實，未來的聚變堆完全可以通過優化啟動策略和壁條件控制，在不主動注入雜質的情況下，實現類似于仿星器的高密度穩態運行。

這為人類最終突破密度瓶頸、實現聚變點火，開辟了一條通往終極能源的全新航線。

團隊簡介

本項研究由華中科技大學、中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所以及法國艾克斯-馬賽大學聯合開展。

論文的第一作者劉家興來自華中科技大學電氣與電子工程學院。

通訊作者朱平是華中科技大學教授，同時任職于美國威斯康星大學麥迪遜分校，另一位通訊作者嚴寧是中國科學院合肥物質科學研究院教授。

此外，EAST團隊也作為整體參與了該項工作。

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz3040
[2]https://phys.org/news/2025-12-tokamak-exceed-plasma-density-limit.html