托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置，猶如一個(gè)螺旋形“磁跑道”，鎖住高溫等離子體，達(dá)到核聚變目的。等離子體密度是托卡馬克性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響聚變反應(yīng)速率。過去，科研人員發(fā)現(xiàn)，等離子體密度存在一個(gè)極限，一旦達(dá)到極限，等離子體就會(huì)破裂并逃脫磁場約束，巨大能量釋放到裝置內(nèi)壁，影響裝置安全運(yùn)行。國際聚變界通過長期研究發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)密度極限的物理過程發(fā)生于等離子體和裝置內(nèi)壁的邊界區(qū)域，但對其中的物理機(jī)制并不十分清楚。

此次，我國科研團(tuán)隊(duì)發(fā)展了邊界等離子體與壁相互作用自組織(PWSO)理論模型，發(fā)現(xiàn)邊界雜質(zhì)引起的輻射不穩(wěn)定性在密度極限觸發(fā)中的關(guān)鍵作用，揭示了密度極限的觸發(fā)機(jī)理。依托EAST全金屬壁運(yùn)行環(huán)境，科研人員利用電子回旋共振加熱和預(yù)充氣協(xié)同啟動(dòng)等方法降低邊界雜質(zhì)濺射，主動(dòng)延遲了密度極限和等離子體破裂的發(fā)生。通過調(diào)控靶板的物理?xiàng)l件，降低了靶板鎢雜質(zhì)主導(dǎo)的物理濺射，控制等離子體突破了密度極限，引導(dǎo)等離子體進(jìn)入新的密度自由區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PWSO理論預(yù)測高度吻合，首次證實(shí)了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。這一創(chuàng)新性工作為理解密度極限提供了重要線索，并為托卡馬克高密度運(yùn)行提供了重要的物理依據(jù)。

這項(xiàng)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(xiàng)的支持。