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全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）示意圖（中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所圖片）
中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所科研團隊2日宣布，有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實驗證實托卡馬克密度自由區的存在，找到突破密度極限的方法，為磁約束核聚變裝置高密度運行提供了重要的物理依據。相關研究成果發表在國際學術期刊《科學進展》上。
等離子體密度影響聚變反應速率
《新華社》2日報道，托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置，猶如一個螺旋形「磁跑道」，鎖住高溫等離子體，達到核聚變目的。等離子體密度是托卡馬克性能的關鍵參數之一，直接影響聚變反應速率。過去，科研人員發現，等離子體密度存在一個極限，一旦達到極限，等離子體就會破裂並逃脫磁場約束，巨大能量釋放到裝置內壁，影響裝置安全運行。國際聚變界通過長期研究發現，觸發密度極限的物理過程發生於等離子體和裝置內壁的邊界區域，但對其中的物理機制並不十分清楚。
EAST高密度實驗示意圖（中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所圖片）
實驗結果與理論預測可相互印證
此次，我國科研團隊發展了邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型，發現邊界雜質引起的輻射不穩定性在密度極限觸發中的關鍵作用，揭示了密度極限的觸發機理。依托EAST全金屬壁運行環境，科研人員利用電子迴旋共振加熱和預充氣協同啟動等方法降低邊界雜質濺射，主動延遲了密度極限和等離子體破裂的發生。通過調控靶板的物理條件，降低了靶板鎢雜質主導的物理濺射，控制等離子體突破了密度極限，引導等離子體進入新的密度自由區。實驗結果與PWSO理論預測高度吻合，首次證實了托卡馬克密度自由區的存在。這一創新性工作為理解密度極限提供了重要線索，並為托卡馬克高密度運行提供了重要的物理依據。
EAST實驗結果與PWSO理論預測相互印證（中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所圖片）
這項工作由中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所、華中科技大學、法國艾克斯-馬賽大學等單位協作完成，受到了國家磁約束聚變專項的支持。