4月8日从华中科技大学获悉，该校电气学院聚变与等离子体研究所朱平教授团队日前采用新的加热方案，一举突破了困扰核聚变领域近40年的“格林沃尔德极限”，该项研究在有“人造太阳”之称的全超导托卡马克装置（EAST）上成功实现。相关研究成果发表在国际著名学术期刊《科学进展》上。

核聚变被认为是未来最具潜力的清洁能源之一，燃料通常为氘、氚，反应温度在1亿摄氏度以上。托卡马克装置是一个锁住高温氘、氚的“金属盒”，利用磁约束来实现可控的核聚变。在高温下，氘和氚的原子核和电子分开，变成了等离子体；装置内的氘、氚密度越高，聚变功率就越大，带来的能量就越大。

然而，上世纪80年代，全球科学家发现，托卡马克等离子体密度存在“格林沃尔德极限”，该极限由麻省理工学院的马丁·格林沃尔德于1988年提出。传统上，超过此极限易导致等离子体发生“大破裂”而放电终止，达到该值后，托卡马克等离子体会崩塌、核聚变反应停止。近40年来，这一问题持续困扰着核聚变领域的科学家。

“放电启动过程中的燃料加热，就好比烧开水，托卡马克装置好比开水壶。电流携带热量通过金属装置边缘向燃料内部传导，高温的等离子体在金属壁上撞击，轰击出金属壁上的杂质，温度越高，燃料的密度越高，杂质就越多。”朱平教授比喻道，杂质带走了热量，降低等离子体的温度，使其从电离态变回原子态，聚变反应终止，这就是人们通常理解的“格林沃尔德极限”形成原因。

朱平教授称，2022年，法国马塞大学Dominique Franck Escande教授认为“格林沃尔德极限”并非物理定律，而是经验规律，可通过深层物理机制打破，并提出相应理论框架。因与传统认知相悖，该理论框架并不被普遍关注。同一时间，行业内也有多个理论被提出，全球科研人员更倾向通过实验结果反推其物理机制。

基于多年的合作和研究判断，法国学者的理论最终依托华中科技大学聚变与等离子体所开展联合研究，该所的J-TEXT装置是我国高校中唯一的大中型托卡马克装置。

据此，团队改变了燃料加热的方式，把托卡马克装置从“开水壶”变成“微波炉”。微波加热时，等离子体从内往外热，离装置的金属壁越近，燃料的温度越低，进而减少碰撞金属壁时产生的杂质。与此同时，科学家将低温的氘气充入装置内，在增加燃料密度的同时，也给贴近金属壁的燃料降温、隔热，实现了“低温壁+高密度等离子体”的理想运行状态，通过这一方法，EAST托卡马克装置内的等离子体在传统密度极限1.6倍的条件下，依然可以保持稳定运行。

依托华科大J-TEXT托卡马克装置，经反复论证，科学实验，团队初步验证部分理论模型。之后，又在被称为“人造太阳”的中国科学院合肥物质科学研究院EAST装置上进行了成功的实验，进一步完整验证理论模型。

据业内专家介绍，研究成果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方法，为未来推动聚变点火和聚变能源应用具有重要意义。

该成果华中科技大学为第一完成单位，该校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。

来源：荆楚网 记者张歆、通讯员陶然