克雷西 发自 凹非寺
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中国“人造太阳”再获重大突破！
华中科技大学朱平教授与中科院合肥研究院严宁副教授团队联合开展的托卡马克实验研究，发表于《Science Advances》。
该研究首次从实验上验证了边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型，揭示了托卡马克中长期存在的密度极限物理成因。
成果确认了“密度自由区”（density-free regime）的存在，成功突破格林沃尔德密度极限，为聚变点火提供了新路径。
密度极限：制约聚变效率的关键瓶颈
在磁约束核聚变研究中，“密度极限”是提升等离子体宏观稳定性和粒子密度的核心障碍。
依据劳森判据（Lawson Criterion），聚变点火及能量净增益取决于等离子体密度、温度与能量约束时间三者的乘积。
其中，提升密度对实现燃烧等离子体尤为关键——聚变输出功率密度与等离子体密度平方成正比；密度翻倍，理想状态下能量输出可提升至四倍。
相较于提升温度或延长约束时间，提高密度是获取高聚变增益最高效的技术路径。
但半个多世纪以来，托卡马克运行普遍受制于“格林沃尔德密度极限”（Greenwald density limit）这一经验性上限。
该极限表达式简洁：与等离子体电流成正比，与小半径平方成反比。
一旦线平均密度超过该临界值，等离子体约束性能急剧恶化，易引发磁流体不稳定性，最终导致大破裂（Disruption），不仅终止放电，还可能损伤装置内壁。
因此，该极限长期被视为“硬边界”，多数装置运行于其0.8–1.0倍区间。
然而，格林沃尔德公式仅为经验拟合，缺乏第一性原理支撑；若无法阐明其物理本质，就难以保障未来聚变堆在高密度工况下的安全稳定运行。
物理开关：PWSO模型揭示密度自由区
为破解密度极限机制，研究团队引入并实验证实了边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型。
该模型突破传统孤立流体视角，将核心等离子体与装置内壁视为通过杂质辐射紧密耦合的自组织系统。
密度极限被重新定义为一种热-辐射反馈机制失稳所致，而非单纯磁流体不稳定性。
PWSO模型以零维方程描述该反馈回路演化：
其中关键参数α量化杂质产生与辐射能力；当α＞1时，系统失衡并引发辐射塌缩。
基于此，模型推导出显式含输运参数与壁物理量的临界密度极限表达式：
该方程表明：临界密度与垂直扩散系数成正比，与杂质比例及辐射冷却率成反比；更关键的是，其与偏滤器靶板温度及溅射产额积分函数I(Tt)呈高度非线性关系。
模型指出，托卡马克运行状态空间中存在两个“吸引盆”：
一是传统“密度受限区”，对应高靶板温度，溅射产额激增，辐射冷却强烈，系统锁定于格林沃尔德极限之下；
二是理论预言的“密度自由区”，对应低靶板温度——物理溅射被有效抑制，反馈系数维持低位，密度上限不再受限，可随外部调控显著提升。
实现跃迁的关键，在于精准调控偏滤器靶板附近等离子体温度，并发挥第一壁材料的物理特性优势。
相较碳壁装置主导的化学溅射（杂质源难切断），EAST采用的全钨金属壁主要依赖物理溅射，而钨存在明确的入射粒子能量阈值——仅当能量超阈值时溅射才发生。
这构成了一个可精确操控的“物理开关”：若将靶板前等离子体温度压至阈值以下，钨杂质产生即被物理阻断。
此时溅射项趋近于零，临界密度趋于极大值，反馈回路被打破，系统自然进入“密度自由区”。
实验验证：EAST实现稳定超高密度运行
研究团队依托EAST全超导托卡马克及全钨偏滤器硬件优势，开展关键验证实验。
创新采用电子回旋共振加热（ECRH）辅助欧姆加热，并施加远超常规水平的预填充中性气体压力，以主动触发“降温开关”。
实验结果表明：线平均电子密度稳定维持在格林沃尔德极限的1.3–1.65倍区间，显著超越传统运行上限。
全过程未出现高密度运行常伴的磁流体大破裂，验证了该方案的工程鲁棒性。
深入分析进一步发现微观证据：在高气压辅助下，随ECRH功率提升，偏滤器靶板附近等离子体温度反而显著下降——成功低于钨溅射阈值，切断杂质来源。
数据证实，温度跨越临界值后，杂质反馈机制被物理阻断，装置完成向“密度自由区”的跃迁。
该成果表明，未来聚变堆可通过优化启动策略与壁条件控制，在无主动杂质注入前提下，实现类仿星器的高密度稳态运行，为聚变点火开辟全新技术路径。
研究团队
本研究由华中科技大学、中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所与法国艾克斯-马赛大学联合完成。
论文第一作者刘家兴来自华中科技大学电气与电子工程学院；通讯作者朱平为华中科技大学教授、美国威斯康星大学麦迪逊分校兼职教授；通讯作者严宁为中国科学院合肥物质科学研究院教授。EAST团队全程参与实验与数据分析。