托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置，猶如一個螺旋形“磁跑道”，鎖住高溫等離子體，達到核聚變目的。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極限，一旦達到極限，等離子體就會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，但對其中的物理機制并不十分清楚。

此次，我國科研團隊發(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)機理。依托EAST全金屬壁運行環(huán)境，科研人員利用電子回旋共振加熱和預(yù)充氣協(xié)同啟動等方法降低邊界雜質(zhì)濺射，主動延遲了密度極限和等離子體破裂的發(fā)生。通過調(diào)控靶板的物理條件，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)等離子體進入新的密度自由區(qū)。實驗結(jié)果與PWSO理論預(yù)測高度吻合，首次證實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行提供了重要的物理依據(jù)。

這項工作由中國科學(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的支持。