中国科学家首次实现托卡马克密度自由区突破

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所科研团队近日取得一项重要突破，首次在实验中证实了托卡马克装置中存在密度自由区。该成果依托被称为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST完成，为磁约束核聚变技术实现高密度运行提供了关键的物理支撑。

在核聚变研究中，等离子体密度是决定托卡马克装置性能的核心参数之一，直接关系到聚变反应的效率。长期以来，科学家发现等离子体密度存在一个临界值，即密度极限。当密度接近这一极限时，等离子体容易发生破裂，脱离磁场控制，导致大量能量瞬间释放至装置内壁，对设备安全构成威胁，严重制约了聚变装置的稳定运行。

此次研究中，科研团队提出并发展了一套新的理论模型——边界等离子体与壁相互作用自组织模型（PWSO），用于解释和调控等离子体边界行为。依托EAST装置的全金属壁环境，研究人员采用电子回旋共振加热与预充气协同启动等技术手段，有效抑制了边界区域杂质的溅射过程，从而延缓了密度极限的到达以及等离子体破裂的发生。

进一步地，通过调控装置靶板的物理条件，团队显著降低了以钨为主的杂质溅射强度，成功引导等离子体突破传统密度极限，进入一个全新的、稳定的高密度运行区域，即所谓“密度自由区”。实验观测结果与PWSO模型的理论预测高度一致，有力验证了该理论的适用性与准确性。

这一发现不仅为理解托卡马克中密度极限的物理机制提供了新的视角，也为未来聚变堆实现持续、高密度、高约束运行奠定了坚实的实验与理论基础。该研究由国内多家科研机构联合法国相关高校共同推进，得到了国家磁约束聚变专项的持续支持。