2026 年 1 月 2 日，中国科学院肥物质科学研究院等离子体物理研究所牵头的国际作团队宣布，全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST，俗称 “人造太阳”）次实验证实托卡马克密度自由区存在，并找到突破传统密度限的可靠方法，相关成果发表于《科学进展》，为磁约束核聚变装置高密度稳定运行提供了关键物理依据与技术路径。

一、核心背景：密度限的 “天花板” 困局

EAST高密度实验示意图

托卡马克是磁约束核聚变的主流装置，靠环形强磁场将上亿度高温等离子体 “锁” 在真空室内发生聚变反应，等离子体密度直接决定聚变反应速率 —— 密度越高，核子碰撞越频繁，聚变功率与能量增益越高。

长期以来，托卡马克运行被 “密度限”（如格林沃尔德密度限）束缚：一旦接近或达到该限，等离子体易触发破裂不稳定，能量瞬间冲击装置内壁，威胁安全运行，且国际聚变界虽知触发源于等离子体 - 壁边界区域，却对具体机制不明。此前 EAST 常规运行密度多为 0.8-1.0 倍格林沃尔德限，难以满足聚变点火与能量盈亏平衡的需求。

二、关键突破：理论建模与实验验证双管齐下

EAST实验结果与PWSO理论预测相互印证

1. 原创理论：边界等离子体 - 壁相互作用自组织（PWSO）模型

团队提出 PWSO 理论模型，明确边界杂质引发的辐射不稳定是触发密度限的核心机制：边界杂质（如钨、碳）积累会导致辐射能量损失激增，破坏等离子体与壁的相互作用平衡，进而触发破裂不稳定。该模型同时预测，通过调控边界条件可抑制杂质溅射与辐射不稳定，使等离子体进入 “密度自由区”—— 即突破传统密度限后仍能稳定运行的新区域。

2. 实验验证：精准调控实现稳定高密度运行

依托 EAST 全金属壁环境，铝皮保温团队采用两大核心技术路径：

电子回旋共振加热（ECRH）与预充气协同启动：降低偏滤器靶板区域等离子体温度，减少边界杂质溅射，延迟密度限与破裂发生。

靶板物理条件调控：抑制钨杂质主导的物理溅射，减少杂质积累与辐射损失，提升密度限约 17%，总辐射降低 21%。

实验成功将线平均电子密度稳定提升至 1.3-1.65 倍格林沃尔德限，远超常规水平，且等离子体保持稳定，实验结果与 PWSO 理论预测高度吻，次从实验上证实密度自由区的存在。

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三、科学意义与应用价值

基础物理突破：揭示密度限的触发机理，翻 “密度限不可逾越” 的传统认知，为磁约束核聚变边界物理研究提供全新理论框架。

工程应用赋能：提供可复制的高密度运行方案，直接支撑 EAST 后续高参数实验，并为国际热核聚变实验堆（ITER）及未来聚变堆的高密度、高增益运行提供技术参考与物理依据。

国际作典范：由中科院肥等离子体所、华中科技大学与法国艾克斯 - 马赛大学联完成，体现磁约束核聚变研究的国际协同创新价值。

四、未来展望

团队将进一步在 EAST 高约束模式（H - mode）下验证密度自由区的可行，优化杂质控制与边界调控技术，为实现聚变点火与长脉冲燃烧等离子体运行奠定基础。同时，该成果也将动聚变堆设计中边界材料选择、偏滤器结构优化等关键环节的发展，加速核聚变商业化进程。

这项突破标志着中国在磁约束核聚变基础物理与实验研究领域再次跻身国际前沿，为人类实现 “人造太阳” 的能源梦想迈出坚实一步。