中國“人造太陽”找到突破密度極限方法

記者近日從中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所獲悉，被稱為“人造太陽”的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）在物理實驗中取得重要成果。研究團隊基于邊界等離子體與壁相互作用自組織理論，通過物理實驗證實了托卡馬克密度自由區的存在。相關研究成果于1日發表在國際學術期刊《科學進展》上。

對于未來聚變堆，聚變功率與燃料密度的平方成正比，因此高密度運行是提高聚變能經濟性的必然選擇。“密度極限”是20世紀末發現的純經驗定標，超過密度極限的托卡馬克運行將引發等離子體破裂，巨大能量會瞬間釋放到裝置內壁，影響裝置的安全運行。雖然國際聚變界通過完善跨裝置經驗定標，并在芯部彈丸注入等特定條件下獲得了超密度極限運行，逐步明確觸發密度極限的物理過程發生于邊界區域，但是對其中的物理機制并不十分清楚。

基于這一問題，科研團隊發展了一種新的理論模型——邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型。通過這個模型，團隊發現了邊界雜質引發的輻射不穩定性在觸發密度極限時的關鍵作用，解析出了輻射不穩定性的邊界，揭示了密度極限的觸發機理，并預測了密度極限之外的密度自由區。在實驗中，研究人員依托EAST裝置的全金屬壁運行環境，利用電子回旋共振加熱和預充氣協同啟動等方法，減少了裝置邊界的雜質濺射，延遲了密度極限的到來和等離子體破裂的發生。研究人員還通過調控靶板的物理條件，降低了靶板鎢雜質造成的物理濺射，讓等離子體成功突破了密度極限，并平穩進入了預測中的密度自由區。實驗結果和PWSO理論預測高度吻合，首次證實了托卡馬克密度自由區的存在。