人造太陽(yáng)再進(jìn)化！中科院團(tuán)隊(duì)打破密度瓶頸，刷新核聚變運(yùn)行新高度

2026 年 1 月 2 日，就在新年伊始，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊 Science Advances 刊發(fā)了一項(xiàng)來(lái)自中國(guó)磁約束核聚變領(lǐng)域的重磅成果。

圖：團(tuán)隊(duì)論文（來(lái)源：Science Advances）

由華中科技大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所（ASIPP）組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在全超導(dǎo)托卡馬克裝置“東方超環(huán)”（EAST）上，成功實(shí)現(xiàn)了等離子體線平均電子密度對(duì)格林沃爾德密度極限（Greenwald density limit）的顯著超越。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其運(yùn)行密度達(dá)到了格林沃爾德極限的 1.3 倍至 1.65 倍，遠(yuǎn)超該裝置以往 0.8 至 1.0 倍的常規(guī)運(yùn)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(xiàng)研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型的深度比對(duì)，證實(shí)了 EAST 已經(jīng)進(jìn)入了一種被稱(chēng)為“無(wú)密度限制機(jī)制”（density-free regime）的全新運(yùn)行狀態(tài)。

這不僅標(biāo)志著中國(guó)在解決核聚變核心參數(shù)限制方面取得了實(shí)質(zhì)性突破，也為未來(lái)聚變堆在不犧牲燃料純度的前提下實(shí)現(xiàn)高功率輸出提供了一條極具潛力的技術(shù)路徑。

在磁約束核聚變的研究中，提升裝置的能量產(chǎn)出效率始終是核心目標(biāo)。根據(jù)著名的勞森判據(jù)（Lawson criterion），要實(shí)現(xiàn)并維持有效的聚變反應(yīng)，需要同時(shí)滿足溫度、等離子體密度和能量約束時(shí)間這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的乘積達(dá)到一定閾值。

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

然而，在托卡馬克裝置數(shù)十年的運(yùn)行實(shí)踐中，科學(xué)家們長(zhǎng)期面臨一個(gè)難以突破的瓶頸：等離子體密度似乎存在一個(gè)天然的上限。

1988 年，麻省理工學(xué)院的馬丁·格林沃爾德（Martin Greenwald）基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(guò)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(lái)源：Wbur.org）

按照傳統(tǒng)認(rèn)知，一旦等離子體密度試圖超過(guò)這一極限，裝置內(nèi)通常會(huì)迅速出現(xiàn)劇烈的不穩(wěn)定性，最終觸發(fā)一種被稱(chēng)為“大破裂”（disruption）的災(zāi)難性放電終止事件。這一現(xiàn)象類(lèi)似于一輛高速行駛的賽車(chē)——當(dāng)速度逼近由發(fā)動(dòng)機(jī)性能和空氣動(dòng)力學(xué)所決定的極限時(shí)，若強(qiáng)行加速，車(chē)輛極易失控。

格林沃爾德極限因此長(zhǎng)期以來(lái)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(jìn)一步提升。

盡管?chē)?guó)際上一些先進(jìn)裝置（如德國(guó)的ASDEX Upgrade和美國(guó)的DIII-D）曾借助彈丸注入等特殊技術(shù)手段，在極短時(shí)間內(nèi)短暫突破該極限，但要在穩(wěn)態(tài)、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

圖 ：德國(guó)ASDEX Upgrade （來(lái)源：euro fusion）

此次發(fā)表在 Science Advances 上的研究成果，之所以引起學(xué)界高度關(guān)注，是因?yàn)橹袊?guó)團(tuán)隊(duì)并未采用強(qiáng)行注入燃料的暴力突破方式，而是利用物理機(jī)制的自然演化，巧妙地繞過(guò)了障礙。

研究團(tuán)隊(duì)采用了一種特殊的啟動(dòng)方案：利用電子回旋共振加熱（Electron Cyclotron Resonance Heating，簡(jiǎn)稱(chēng) ECRH）輔助歐姆放電啟動(dòng)，并配合高強(qiáng)度的中性氣體預(yù)填充。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，ECRH 技術(shù)是通過(guò)發(fā)射高頻微波束來(lái)加熱等離子體中的電子，其原理類(lèi)似于微波爐加熱食物，能夠精準(zhǔn)且高效地將能量沉積在特定區(qū)域。

在編號(hào)為 1430xx 系列的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)反常識(shí)的現(xiàn)象。通常情況下，向真空室內(nèi)大量注入氣體（即增加預(yù)填充氣壓）會(huì)導(dǎo)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(yù)填充氘氣量的增加，等離子體的密度極限不僅沒(méi)有下降，反而呈現(xiàn)出階梯式上升的趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)整至最佳狀態(tài)時(shí)，等離子體成功突破了格林沃爾德極限，達(dá)到了 1.65 倍 nG 的高密度水平。這表明，EAST 的運(yùn)行模式已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的改變。這種改變并非源于外部的強(qiáng)制干預(yù)，而是等離子體系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)一種復(fù)雜的反饋機(jī)制，自我調(diào)整到了一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。

（來(lái)源：論文）

為了解釋這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)引入了“等離子體-壁自組織”（Plasma-Wall Self-Organization，簡(jiǎn)稱(chēng) PWSO）理論。該理論模型將等離子體與裝置內(nèi)壁（特別是偏濾器靶板）視為一個(gè)相互耦合的整體系統(tǒng)。

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

第一個(gè)山谷是傳統(tǒng)的“密度極限盆”。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，偏濾器靶板附近的等離子體溫度較高。高溫導(dǎo)致靶板材料受到強(qiáng)烈的轟擊，濺射出大量雜質(zhì)進(jìn)入主等離子體。這些雜質(zhì)會(huì)通過(guò)輻射形式耗散能量，導(dǎo)致等離子體邊緣冷卻，進(jìn)而收縮電流通道，最終引發(fā)破裂。這是過(guò)去大多數(shù)托卡馬克裝置面臨的困境。

第二個(gè)山谷則是理想狀態(tài)下的“無(wú)密度限制盆”。在這個(gè)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(zhì)的產(chǎn)生。雜質(zhì)輻射的降低反過(guò)來(lái)又允許等離子體容納更高的密度，而不會(huì)引發(fā)輻射塌縮。在這種機(jī)制下，理論上的密度上限被極大地釋放，甚至在數(shù)學(xué)模型上趨近于無(wú)窮大，即進(jìn)入了“無(wú)密度限制”的狀態(tài)。

這項(xiàng)基礎(chǔ)物理研究的突破，對(duì)于未來(lái)聚變堆的工程設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）以及未來(lái)的中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）的設(shè)計(jì)中，熱負(fù)荷控制是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為了防止極高的熱流熔化偏濾器，通常的設(shè)計(jì)方案是主動(dòng)注入氖、氬等雜質(zhì)氣體，利用雜質(zhì)的輻射來(lái)耗散邊緣熱量，實(shí)現(xiàn)所謂的“脫靶”（detachment）運(yùn)行。然而，這種方法是一把雙刃劍：注入的雜質(zhì)一旦滲透進(jìn)核心等離子體，就會(huì)稀釋氘氚燃料，降低聚變反應(yīng)效率。

EAST 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了一種更優(yōu)的可能性：通過(guò) ECRH 輔助啟動(dòng)和高氣壓控制，可以在不主動(dòng)注入外源雜質(zhì)的情況下，利用裝置自身的物理特性實(shí)現(xiàn)類(lèi)似“脫靶”的低溫高密度運(yùn)行。這種自然達(dá)成的“冷邊界、高密度”狀態(tài)，既保護(hù)了裝置內(nèi)壁，又維持了核心燃料的純度，為解決聚變堆的“熱負(fù)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(shí)驗(yàn)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(tǒng)的滿功率運(yùn)行尚有很大空間，但初步結(jié)果已足夠令人振奮。根據(jù)理論模型的預(yù)測(cè)，隨著未來(lái)加熱功率的進(jìn)一步提升，等離子體將在“無(wú)密度限制盆”中運(yùn)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