中国“人造太阳”登Science子刊：突破密度极限进入“自由区”，聚变点火有了新解法

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【量子位 2026年1月3日讯】中国核聚变研究再传重磅突破！华中科技大学朱平教授与中科院合肥研究院严宁副教授联合团队，在全超导托卡马克装置（EAST，俗称“人造太阳”）上实现关键突破——成功将等离子体线平均电子密度提升至格林沃尔德密度极限（传统“天花板”）的1.3-1.65倍，并首次在实验中验证“密度自由区”的存在。相关成果以研究论文形式发表于《Science》子刊《Science Advances》，为人类实现聚变点火、获取清洁终极能源开辟了全新技术路径。

此次突破不仅打破了半个多世纪以来托卡马克运行的密度“硬边界”，更从物理机理上厘清了密度极限的成因，为未来聚变堆的稳定高效运行提供了核心理论支撑与实验依据。

一、突破的意义：密度，聚变效率的“关键变量”

要理解此次突破的重要性，需先明确“密度”在核聚变中的核心地位——根据衡量聚变能量净增益的“劳森判据”，聚变反应能否发生，取决于等离子体密度、温度、能量约束时间三者的乘积。而在这三个参数中，密度的提升对聚变效率的增益最为显著：

物理原理：聚变反应本质是原子核“冲破库仑斥力碰撞”，反应概率与单位体积内粒子数的平方成正比，这意味着“密度翻倍，理论聚变输出功率可翻四倍”；
技术优势：相较于提升温度（需突破上亿摄氏度）、延长约束时间（需攻克等离子体稳定性难题），提升密度是更高效、更易落地的“捷径”。

但长期以来，托卡马克装置受限于“格林沃尔德密度极限”——这一基于实验数据总结的经验规律显示，当等离子体密度超过临界值（与电流、装置半径相关），会引发磁流体不稳定性，导致等离子体“大破裂”，不仅终止反应，还可能损坏装置内壁。此前全球绝大多数托卡马克，均只能在极限值的0.8-1.0倍下运行，密度瓶颈成为聚变点火的“天堑”。

二、破局关键：从“经验公式”到“物理开关”，PWSO理论引路

此次突破的核心，是团队验证了“边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）”理论，并找到突破密度极限的“物理开关”：

1. 密度极限的“真凶”：热-辐射反馈失衡

传统认知将密度极限归咎于磁流体不稳定性，而PWSO理论揭示了更深层机理：

等离子体与装置内壁并非孤立，而是通过“杂质辐射”形成耦合系统——高能粒子轰击内壁（偏滤器靶板），会溅射出杂质（如钨原子），这些杂质吸收能量后产生辐射冷却；
当辐射冷却速度超过输入功率补充速度（反馈系数α>1），系统会陷入“辐射塌缩”，最终触发密度极限。

2. 找到“密度自由区”：控制靶板温度是关键

PWSO理论预测，托卡马克存在两个运行“吸引盆”：

密度受限区（传统状态）：靶板温度高，粒子溅射剧烈，杂质辐射强，系统被锁定在格林沃尔德极限下；
密度自由区（突破状态）：若能将靶板温度降至“物理溅射阈值”以下，杂质产生被阻断，辐射反馈失衡问题消失，密度上限不再受经验公式约束，可大幅提升。

而EAST装置的“全钨偏滤器”成为关键硬件——钨的物理溅射存在明确能量阈值，只要靶板温度低于阈值，杂质产生机制就会被“物理切断”，这便是突破极限的“开关”。

三、实验验证：ECRH辅助加热+高气压，EAST成功“解锁”自由区

团队利用EAST的硬件优势，设计了精准的实验方案，成功按下“密度自由区”开关：

1. 创新启动策略，压低靶板温度

加热方式：采用“电子回旋共振加热（ECRH）辅助欧姆加热”，在等离子体启动阶段精准调控能量输入；
气体控制：施加远超常规水平的预填充中性气体压力，通过气体冷却效应，将偏滤器靶板附近的等离子体温度压低至钨的物理溅射阈值以下。

2. 实验成果：密度超极限，稳定无破裂

密度突破：线平均电子密度稳定维持在1.3-1.65倍格林沃尔德极限，远超此前0.8-1.0倍的常规水平；
稳定性验证：高密度运行期间未出现“大破裂”，证明该方案在工程上可稳定实现；
机理验证：数据显示，靶板温度降低后，杂质辐射显著减弱，与PWSO理论预测完全吻合，证实系统已进入“密度自由区”。

四、未来影响：聚变堆设计有了“新蓝图”

此次突破不仅是基础物理的重大进展，更对未来聚变堆的研发具有直接指导意义：

技术路径明确：无需依赖复杂的杂质控制技术，只需通过优化启动策略（如ECRH辅助加热）、控制靶板温度，即可实现高密度运行，为聚变堆设计简化了方案；
效率提升可期：高密度意味着更高的聚变输出功率，结合EAST此前在“长脉冲运行”“高温度”上的积累，人类离“能量净增益”（聚变输出>输入）的目标更近一步；
国际合作价值：该成果为全球核聚变研究提供了可复用的理论与实验方案，尤其对国际热核聚变实验堆（ITER）等大科学工程具有参考价值。