聚变物理学家找到了绕过长期存在的密度极限的方法

中国一处聚变反应堆内的实验展示了一种绕过内部超热等离子体密度上限的新方法。

在实验先进超导托卡马克（东），物理学家成功超越了所谓的格林沃尔德极限，这是一个实用的密度边界，超过此边界等离子体往往会剧烈不稳定，常常损坏反应堆组件。

很长一段时间里，格林沃尔德极限被视为既定并被纳入进入聚变反应堆工程领域.这项新研究表明，精确控制等离子体的生成方式及其与反应堆壁的相互作用，可以将其推向物理学家所说的“无密度”状态。

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聚变反应堆设计用来复制高强度核聚变它发生在太阳的核心，产生大量能量。有许多重要障碍需要克服——其中之一是等离子体密度。

其原理是，等离子体中原子越多，它们相互作用越多，聚变反应也越多，从而增加能量输出。在托卡马克内部的超高温等离子体温度下——托卡马克是磁铁衬里的环形“赛道”，等离子体被封闭并引导——能量输出通常与等离子体密度成正比。

这正是格林沃尔德限制限制乐趣的地方。严格来说，这并不是硬性物理定律，而是一种观测到的现象，可以用数学来预测托卡马克内部等离子体密度能达到多远，才有可能失稳并突然坍缩。

这是因为随着等离子体密度的增加，等离子体辐射的能量增加，在边界处冷却得更快，尤其是在反应堆壁的原子进入等离子体时。高能等离子体粒子将原子从壁面上击落;一旦进入等离子体，这些杂质会加快能量的辐射速度，进一步冷却等离子体并促进更多杂质的释放，形成反馈回路。

由此产生的冷却会破坏保持等离子体的磁约束，使等离子体得以逃逸并迅速关闭。因此，物理学家通常在格林沃尔德极限以下运行磁聚变反应堆，除了实验设计用来测试它。

然而，最近，一项理论研究提出等离子体壁相互作用中的自组织可能使托卡马克能够摆脱通常的格林沃尔德密度限制，转而在作者所描述的独立“无密度”区间工作。

由华中科技大学物理学家朱平和中国科学院的宁岩领导的团队设计了一个实验，进一步推进这一理论，基于一个简单的前提：密度极限在反应堆启动时会受到初始等离子体-壁面相互作用的强烈影响。

在他们的实验中，研究人员希望看看是否能有意引导这种相互作用的结果。他们在托卡马克启动时精确控制燃料气体压力，并加入了一种称为电子回旋共振加热的加热爆发。

这些变化改变了等离子体通过更冷等离子体边界与托卡马克壁的相互作用，极大地减少了壁面杂质进入等离子体的程度。

在这种模式下，研究人员能够达到比托卡马克格林沃尔德极限高出约65%的密度。

这并不意味着磁约束的等离子体现在完全可以没有任何密度限制地运行。然而，它确实表明格林沃尔德极限并非根本障碍，调整运营流程可能带来更高效的聚变反应堆。

团队将进一步实验他们的发现，以观察EAST在新描述的无密度区间的高性能条件下的运行情况。

“研究结果表明，拓宽托卡马克和下一代燃烧等离子体聚变装置的密度极限，提供了实用且可扩展的路径。”朱说.

研究结果已发表于科学进展.

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