2日，記者從中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所獲悉，被稱為“人造太陽”的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）在物理實驗中取得重要成果。該研究團(tuán)隊基于邊界等離子體與壁相互作用自組織理論，通過物理實驗證實了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。相關(guān)研究成果已于1月1日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》。

對于未來聚變堆，聚變功率與燃料密度的平方成正比，因此高密度運行是提高聚變能經(jīng)濟(jì)性的必然選擇�！懊芏葮O限”是20世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的純經(jīng)驗定標(biāo)，超過密度極限的托卡馬克運行將引發(fā)等離子體破裂，巨大能量會瞬間釋放到裝置內(nèi)壁，影響裝置的安全運行。雖然國際聚變界通過完善跨裝置經(jīng)驗定標(biāo)，并在芯部彈丸注入等特定條件下獲得了超密度極限運行，逐步明確觸發(fā)密度極限的物理過程發(fā)生于邊界區(qū)域，但是對其中的物理機制并不十分清楚。

EAST實驗結(jié)果與PWSO理論預(yù)測相互印證。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供圖

基于這一問題，科研團(tuán)隊發(fā)展了一種新的理論模型——邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型。通過這個模型，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了邊界雜質(zhì)引發(fā)的輻射不穩(wěn)定性在觸發(fā)密度極限時的關(guān)鍵作用，解析出了輻射不穩(wěn)定性的邊界，揭示了密度極限的觸發(fā)機理，并預(yù)測了密度極限之外的密度自由區(qū)。在實驗中，研究人員依托EAST裝置的全金屬壁運行環(huán)境，利用電子回旋共振加熱和預(yù)充氣協(xié)同啟動等方法，減少了裝置邊界的雜質(zhì)濺射，延遲了密度極限的到來和等離子體破裂的發(fā)生。研究人員還通過調(diào)控靶板的物理條件，降低了靶板鎢雜質(zhì)造成的物理濺射，讓等離子體成功突破了密度極限，并平穩(wěn)進(jìn)入了預(yù)測中的密度自由區(qū)。令人振奮的是，實驗結(jié)果和PWSO理論預(yù)測高度吻合，首次證實了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。

這一創(chuàng)新性成果，不僅為聚變界理解密度極限提供了重要線索，也為托卡馬克高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。

據(jù)悉，該項工作由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所、華中科技大學(xué)、法國艾克斯—馬賽大學(xué)等單位協(xié)作完成，受到了國家磁約束聚變專項的支持。而研究的順利完成，得益于EAST先進(jìn)的全金屬壁實驗平臺和開放合作的提案協(xié)調(diào)機制。近年來，EAST裝置在密度、溫度、輻射、雜質(zhì)等參數(shù)的精確測量，以及電子回旋共振高效加熱技術(shù)等的升級，為本次研究提供了重要技術(shù)保障。