1月2日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的科研团队宣布了一项重要成果：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实验证实了托卡马克密度自由区的存在，并找到了突破密度极限的方法。这一发现为磁约束核聚变装置的安全运行提供了重要的理论依据。相关研究结果发表在国际知名学术期刊《科学进展》上。
EAST高密度实验示意图。（科研团队提供）
托卡马克装置是一种利用强磁场约束高温等离子体以实现受控核聚变的环形设备，形象地说就像一条螺旋形的“磁跑道”。在该装置中，等离子体的密度是决定核聚变反应速率的关键参数。然而，科研人员发现，当等离子体密度达到某一极限时，等离子体会发生破裂并脱离磁场约束，导致大量能量释放到装置内壁，这严重影响了装置的稳定运行。
EAST实验结果与PWSO理论预测相互印证。（科研团队提供）
针对这一难题，我国科研团队在边界等离子体与壁相互作用领域取得重要突破。他们发展了一种新的理论模型——边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论，并发现边界杂质引发的辐射不稳定性是触发密度极限的关键因素。基于EAST全金属壁运行环境，科研人员通过电子回旋共振加热和预充气协同启动等技术手段，成功降低了边界杂质的溅射效应，从而主动延迟了密度极限和等离子体破裂的发生。
同时，研究人员还对靶板物理条件进行了优化调控，有效降低了由靶板钨杂质主导的物理溅射现象，使等离子体成功突破了原有的密度极限，进入了一个新的“密度自由区”。这一发现得到了实验数据与PWSO理论预测的高度吻合，首次在托卡马克装置中证实了密度自由区的存在。该研究为理解托卡马克装置中的密度极限问题提供了重要线索，并为实现高密度运行奠定了坚实的物理基础。
这项突破性的工作得到了中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、华中科技大学以及法国艾克斯-马赛大学等多家科研机构的协作支持。研究获得了国家磁约束聚变专项的重点资助。
编辑：金杜
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