华中科技大学电气学院朱平教授团队在可控核聚变高密度等离子体研究方面取得新进展

（通讯员 郑玮）1月1日，Science Advances（《科学进展》）刊发了论文题为“Accessing the density-free regime with ECRH-assisted Ohmic start-up on EAST”（通过ECRH辅助欧姆启动密度自由区间运行模式在EAST上的实现）的可控核聚变基础研究领域最新成果。我校为该论文第一完成单位，电气学院聚变所博士生刘家兴为第一作者，朱平教授和中国科学院等离子体物理研究所颜宁副研究员为共同通讯作者，法国马塞大学 Dominique Franck Escande教授协作完成。该研究提出突破核聚变点火密度瓶颈的新方案，进而在我国全超导托卡马克装置 EAST 上成功实现，为突破核聚变点火所面临的关键物理瓶颈提供了新的思路。

核聚变被认为是未来最具潜力的清洁能源之一，而实现稳定聚变反应需要同时满足高温、高密度和良好约束等条件。由于聚变功率正比于燃料密度的平方，因此高密度运行是提高聚变能经济性的必然选择。然而，等离子体密度长期受到一个经验极限的限制，一旦超过该极限，装置运行往往会发生不稳定性甚至破裂中断，巨大的能量会瞬间释放到装置内壁，严重威胁装置的安全运行。这一问题长期困扰和制约着聚变装置向更高性能迈进。

在本项研究中，科研团队基于等离子体-壁自组织理论，依托 EAST 装置全金属壁环境，通过放电启动阶段燃料气压和电子回旋共振辅助加热方案，控制靶板等离子体温度，降低了靶板钨杂质的物理溅射，有效优化了等离子体与器壁之间的相互作用，使 EAST 装置成功进入一种被称为“密度自由区”的运行状态。该状态下，托卡马克等离子体在显著高于传统密度极限的条件下保持稳定运行。

封面图/图1. EAST 装置及 ECRH 辅助加热运行的示意图

图2. EAST 装置实验结果与等离子体-壁自组织理论预测的对比示意图

研究发现，这种高密度运行是源于等离子体与金属壁面之间形成的一种自组织平衡过程。通过对等离子体—器壁相互作用的有效调控，实验中显著降低了杂质水平和能量损失，使等离子体在高密度条件下仍能维持稳定，为解决长期以来困扰托卡马克研究的密度极限问题提供了重要线索，并为托卡马克高密度运行提供了重要的物理依据。该成果为未来聚变装置实现更高密度、更高效率运行提供了一条新的富有实际可行性和优化空间的技术路径，对推动聚变点火和聚变能源应用具有重要意义。