中科院合肥物质科学研究院近日宣布，其旗下的东方超环（EAST）装置在核聚变研究领域取得重大突破，首次证实了“密度自由区”的存在，并成功突破了长期制约核聚变发展的密度极限。这一成果不仅验证了近年来提出的理论预测，更为未来实现可控核聚变能源的商业化应用奠定了重要基础。
在磁约束核聚变研究中，等离子体密度是影响聚变功率的关键因素之一。根据理论，聚变功率与等离子体密度的平方成正比，因此提升密度是实现净能量增益的重要途径。然而，自1988年美国物理学家马丁·格林沃尔德提出“格林沃尔德极限”以来，托卡马克装置的实际运行密度始终未能突破这一理论上限。这一极限像一道无形的墙，限制了核聚变研究的进一步发展。
直到2021年前后，法国科研团队提出了“PWSO理论”，预测在特定条件下可能存在一个密度自由区，即等离子体密度可以突破格林沃尔德极限。这一理论为核聚变研究开辟了新的方向，但尚未得到实验验证。EAST装置的最新实验结果，首次将实际密度与理论上限的比值提升至1.3至1.65，不仅证实了PWSO理论的正确性，更直接打破了持续38年的格林沃尔德极限。
要理解这一突破的意义，需先了解托卡马克装置的基本结构。典型的托卡马克装置呈环形，内部充满高温等离子体，这是核聚变反应的“燃料”。等离子体由氘和氚等核聚变燃料组成，通过加热至数亿摄氏度，使电子被剥离形成等离子态。装置内的极向线圈和环向线圈产生强大磁场，将等离子体约束在特定区域内，防止其与装置壁接触而冷却。
在等离子体的环形结构中，核心区是核聚变反应的主要发生地，温度和密度最高；越往外围，温度和密度逐渐降低。核聚变反应产生的“灰烬”（主要是氦核）和杂质，会通过磁场的特殊结构——X点——被引导至装置边缘的偏滤器区域。X点是一个磁零点，将磁通面分为两部分：一部分是封闭磁力线，环绕核心形成嵌套的闭合磁面，用于约束等离子体；另一部分是开放磁力线，从分离面开始，两端连接到偏滤器的靶板上，形成刮削层，负责将灰烬和杂质排出装置。
偏滤器的作用类似于排气管道，但其运行面临严峻挑战。靶区需要承受开放磁力线带来的高能粒子和热量，粒子轰击靶材料会产生化学溅射或物理溅射，从而产生杂质。例如，若靶材料为碳，主要以化学溅射为主；若为钨，则以物理溅射为主。EAST装置已升级为全钨偏滤器，因此杂质主要来自物理溅射——高能钨原子被粒子轰击后进入等离子体，污染反应环境。
这些杂质进入等离子体后，会通过复合辐射带走能量，降低等离子体功率。为补回功率，需提高温度，但这会进一步升高靶区温度，加剧溅射；若提高等离子体密度，为维持压力平衡，刮削层的粒子通量会增加，导致更多杂质进入。因此，经典托卡马克装置的等离子体密度受靶区溅射限制，难以提升。
EAST装置此次突破的关键在于优化了启动过程。科研团队采用了两项核心策略：一是利用高功率电子回旋加热（ECRH）辅助欧姆启动，二是采用高密度预充气体。电子回旋加热类似微波炉，能先将气体加热至温和状态，降低欧姆启动时的击穿场强，减少边界粒子对靶区的轰击；高密度预充气体则使等离子体升温更均匀，控制靶区温度，避免杂质溅射。这一优化打破了辐射损失的恶性循环，为密度提升创造了条件。
以烧开水为例，经典托卡马克的启动像大火烧开，锅边滚烫，水易沸腾溢出带走能量；而EAST的启动方式则像一大锅冷水温和点火，控制锅边温度，避免沸腾，即使加水也能减少能量损失。这一突破并非实现无限密度，而是打开了新的操作窗口，允许在特定条件下进一步提升密度。
实验验证远比理论描述复杂。EAST装置是全球少数具备成熟全钨偏滤器和大功率ECRH系统的托卡马克之一，为理论探索提供了硬件基础。即便如此，实验仍需经过数千次放电、精细的参数扫描和稳定性优化，失败率极高。此次成功验证“密度自由区”的存在，标志着EAST成为全球首个实现这一突破的托卡马克装置。
根据核聚变领域的“聚变三乘积”理论，等离子体密度、温度和约束时间的乘积越大，越容易实现能量增益。EAST此前已分别验证了1.6亿度的高温和1066秒的稳态约束，此次密度突破是又一重要进展。尽管EAST是实验装置而非发电装置，但其技术探索为后续示范堆的运行提供了关键指导。随着对核聚变机制的理解不断深入，人类距离实现可控核聚变能源的目标正越来越近。
