EAST突破聚变密度限制
摘要
华中科技大学和合肥物质科学研究院联合团队在EAST装置上验证了等离子体-壁自组织理论，通过电子回旋共振加热辅助欧姆启动的新方法，成功突破了托卡马克运行中长期以来存在的密度限制。实验显示在远超传统经验密度上限的情况下，等离子体仍能保持稳定，为未来实现聚变点火提供了新的物理见解和可行路径。
1月1日发表于《科学进展》的研究成果解决了核聚变点火道路上长期存在的物理限制，表明托卡马克中的等离子体密度限制可以在不触发破坏性不稳定的情况下得到放宽。
该研究由华中科技大学朱平教授和中国科学院合肥物质科学研究院严宁副研究员共同领导，他们在EAST上实施了一种新的高密度运行方案，以扩展可实现的密度范围。
对于氘-氚聚变反应，等离子体必须加热到约13 keV的最佳温度（相当于约1.5亿开尔文），在这些条件下，热核功率输出与燃料密度的平方成正比。
然而，在传统的托卡马克运行中，等离子体密度长期以来受到经验上限的限制，超过该上限通常会出现不稳定性，导致约束性能下降并危及装置安全运行，从而限制了提高聚变性能的努力。
最近发展的等离子体-壁自组织理论为这种破坏性密度限制提供了新的视角，该理论由法国国家科学研究中心和艾克斯-马赛大学的D.F. Escande及其同事提出，用于描述在以物理溅射为主的条件下等离子体和金属壁如何共同演化。
根据PWSO理论，如果等离子体和壁达到特定平衡，其中溅射和杂质动力学允许更高的密度而不驱动破坏性事件，则密度无关区域变得可及，从而有效消除了传统的密度上限。
EAST实验首次验证了这一物理概念，通过在放电启动阶段结合初始燃料气体压力控制和电子回旋共振加热。
这种方法使得从放电的最初时刻就能优化等离子体-壁相互作用，从而在等离子体电流和温度升高时减少杂质流入和相关能量损失。
通过抑制杂质积累和等离子体-壁相互作用，等离子体密度可以在整个启动阶段增加，最终达到在标准运行中通常与不稳定性和破坏相关的数值。
在这些条件下，研究团队报告称EAST进入了PWSO理论预测的密度无关区域，即使在远超过早期托卡马克研究中记录的经验限制的密度下运行，等离子体仍能保持稳定。
这些实验结果提供了关于如何克服托卡马克运行中密度限制的新物理见解，被视为实现未来燃烧等离子体装置中聚变点火的重要一步。
朱平教授表示：“这些发现为扩展托卡马克和下一代燃烧等离子体聚变装置中的密度限制提供了一条实用且可扩展的途径。”
严宁副研究员补充说，研究团队计划在不久的将来将这种新方法应用于EAST的高约束运行中，以尝试在高性能等离子体条件下进入密度无关区域。
研究报告：在EAST上通过ECRH辅助欧姆启动进入密度无关区域
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合肥物质科学研究院
能源日报-21世纪世界能源