EAST实验证实托卡马克无密度极限区域

中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）的实验证实了托卡马克中‘无密度极限区域’的存在，找到了突破密度极限的方法，为磁约束聚变装置的高密度运行提供了重要物理证据。

托卡马克装置是一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器，类似于一个螺旋的‘磁轨道’，将高温等离子体约束其中以实现核聚变。等离子体密度是托卡马克性能的关键参数之一，直接影响聚变反应速率。过去，研究人员发现等离子体密度存在极限，即格林沃尔德密度极限；一旦达到此极限，等离子体会破裂并逃逸磁约束，将巨大能量释放到装置内壁，影响安全运行。通过长期研究，国际聚变界发现触发密度极限的物理过程发生在等离子体与装置内壁的边界区域，但其背后的物理机制尚未完全理解。

位于安徽省合肥市的中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）团队，建立了边界等离子体-壁自组织（PWSO）理论模型，发现了边界辐射在触发密度极限中的关键作用，揭示了密度极限的触发机制。利用全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST，即‘人造太阳’）的全金属壁运行环境，他们通过电子回旋共振加热和预充电协同启动等方法，减少了边界杂质溅射，主动延迟了密度极限和等离子体破裂的发生。

通过控制靶板的物理条件，他们降低了以钨杂质为主的物理溅射，控制等离子体突破密度极限，并将其引导至新的无密度极限区域。团队表示，实验结果与PWSO理论预测高度吻合，首次证实了托卡马克中无密度极限区域的存在。这项创新性工作为理解密度极限提供了重要线索，也为高密度托卡马克运行提供了关键物理证据。

实验中，EAST实现的线平均电子密度达到了格林沃尔德密度极限的1.3至1.65倍。

研究人员表示：‘这些结果展示了大幅提高托卡马克密度极限的可行方案的潜力，这也与仿星器启动相关……本工作中展示的格林沃尔德密度极限的突破以及成功进入无密度极限区域，为实现聚变点火条件开辟了一条有前景的道路。’

这项工作——其成果发表于《科学进展》——是等离子体物理研究所、华中科技大学和艾克斯-马赛大学合作完成的，并得到了国家磁约束核聚变项目的支持。这项工作的成功完成得益于EAST先进的全金属壁实验平台及其开放的合作提案协调机制。近年来EAST装置发展的密度、温度、辐射和杂质精确诊断测量，以及高效的电子回旋共振加热方法，为该领域工作提供了重要的技术支持。

自2006年开始运行以来，EAST一直是中国和国际科学家进行聚变相关实验和研究的开放测试平台。