中国“人造太阳”突破核聚变关键极限

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中国“人造太阳”突破核聚变关键极限

原创 Nature Portfolio 自然系列

2026年1月15日 22:41

原文作者：Mohana Basu

打破等离子体密度极限，使研究人员离可行的聚变反应堆更近一步。

“全超导托卡马克核聚变实验装置”（EAST）是位于合肥的一个核聚变研究反应堆。来源：Zhang Yazi/China News Service/VCG via Getty

中国“人造太阳”装置的研究人员宣布突破一项长期存在的技术瓶颈，这个瓶颈几十年来一直限制着核聚变反应堆的运行。

中国的全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”（EAST）是位于合肥的一个核聚变科研反应堆。研究人员希望它能重现太阳获得能量的聚变过程，从而产生近乎无限的清洁能源。

在聚变反应堆中，较轻的原子在超高压和超高温下压缩形成更重的原子。这个过程会释放能量，但必须经过精心优化，才能确保反应堆产生的能量大于其消耗的能量。

托卡马克是最有前景的反应堆设计之一，它能利用磁场将等离子体约束在一个环形容器中，再将等离子体加热。为维持聚变反应，该等离子体必须达到超高密度——大量粒子必须被压缩在一个很小的体积内。

但研究人员认为，如要突破一定密度，等离子体就会变得不稳定。这个上限——被称为“格林沃尔德极限”（Greenwald limit）——成了聚变研究的一个主要障碍，尤其是托卡马克一类的装置。

在1月1日发表的该研究[1]中，中国EAST装置的科学家实现了超过这一极限的等离子体密度，比EAST通常能实现的密度还高了30%-65%。

“这个结果令人振奋，应在其他托卡马克装置中进一步探索，”法国替代能源和原子能委员会的巨变等离子体物理学家Jeronimo Olaya说。

杂质更少

研究共同作者、艾克斯-马赛大学等离子体物理学家Dominique Escande和同事曾在2021年首次提出[2]，通过改变条件使等离子体和反应堆内壁处于相互加强的稳定状态，或能突破格林沃尔德极限。

EAST团队利用高功率微波提高用来产生等离子体的初始燃料温度，这种方式比传统方式更高效。这能减少从托卡马克内壁撞落并混入等离子体的金属原子的数量。杂质更少意味着非预期辐射也更少，有助于等离子体在密度上升时保持稳定。

团队还向容器填充了大量中性气体。这能向等离子体提供更多燃料，在实验后期达到高密度，同时冷却内壁附近区域并进一步减少杂质的产生。

从热等离子体高效获得来自聚变反应的能量，三个条件缺一不可：高密度、高温、较长的能量约束时间，Olaya说。但目前为止，约束的等离子体尚无法同时满足这三个条件，因为维持高温和密度会让等离子体变得不稳定。下一步将高密度运行与先进的稳定性控制技术相结合，达到实现自持、燃烧等离子体的条件。

纽约康奈尔大学核工程师David Hammer表示，该团队证明了他们有办法提升托卡马克的功率，同时无需花几十亿美元开发更强劲磁铁来约束等离子体并提高其密度。他说，这对于未来打造“经济适用”的托卡马克聚变反应堆非常重要。

研究结果或可用于国际热核聚变实验堆（ITER）——这一全球合作致力于打造最大的同类聚变反应堆——以提升其功率。尽管ITER原计划2020年启动实验，但项目进度因COVID-19大流行、制造问题和安全性顾虑而严重受阻。

该研究共同作者、华中科技大学的核聚变研究员朱平表示，团队将提议在法国南部的ITER重复其实验。

参考文献：

1. Liu, J. et al. Sci. Adv. 12, eadz3040 (2026).

2. Escande, D. F., Sattin, F. & Zanca, P. Nucl. Fusion 62, 026001 (2022).
   

原文以Chinese nuclear fusion reactor pushes plasma past crucial limit: what happens next标题发表在2026年1月9日《自然》的新闻版块上

©nature

Doi：10.1038/d41586-026-00063-4