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

圖：團(tuán)隊(duì)論文（來源：Science Advances）

由華中科技大學(xué)與中國科學(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)入了一種被稱為“無密度限制機(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（來源：Wbur.org）

按照傳統(tǒng)認(rèn)知，一旦等離子體密度試圖超過這一極限，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)一種被稱為“大破裂”（disruption）的災(zāi)難性放電終止事件。這一現(xiàn)象類似于一輛高速行駛的賽車——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，車輛極易失控。

格林沃爾德極限因此長期以來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。

盡管國際上一些先進(jìn)裝置（如德國的ASDEX Upgrade和美國的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ASDEX Upgrade （來源：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)橹袊鴪F(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，簡稱 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。簡單來說，ECRH 技術(shù)是通過發(fā)射高頻微波束來加熱等離子體中的電子，其原理類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，簡稱 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）?？梢詫⑦@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)輻射的降低反過來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)模型上趨近于無窮大，即進(jìn)入了“無密度限制”的狀態(tài)。

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

在國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）以及未來的中國聚變工程實(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 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)，隨著未來加熱功率的進(jìn)一步提升，等離子體將在“無密度限制盆”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