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中国聚变反应堆内的实验展示了一种新方法，可绕过超热等离子体密度的限制之一。在实验先进超导托卡马克（EAST）装置中，物理学家成功突破了格林沃尔德极限——这是一个实际的密度边界，超过该边界的等离子体往往会剧烈失稳，常损坏反应堆部件。长期以来，格林沃尔德极限被视为既定事实并融入聚变反应堆工程设计。这项新研究表明，通过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，可将其推向该极限之外，进入物理学家所称的“无密度限制”区域。
聚变反应堆旨在复制太阳核心发生的剧烈核聚变，以产生大量能量。目前仍有多项重大障碍需克服，等离子体密度便是其中之一。其原理在于：等离子体中原子越密集，相互作用就越频繁，核聚变反应也越多，从而提高能量输出。在托卡马克装置内部的超热等离子体温度下（托卡马克是带有磁体的环形“赛道”，用于约束和引导等离子体），能量输出通常与等离子体密度成正比。格林沃尔德极限在此限制了进一步提升密度的可能。严格来说，它并非物理定律，而是一种可通过数学描述的观测现象，用于预测托卡马克中等离子体密度在失稳并突然崩溃前能达到的程度。
原因在于，随着等离子体密度增加，其辐射能量增多，边界冷却速度加快，尤其是当反应堆壁的原子进入等离子体时。高能等离子体粒子会从壁面敲落原子；这些杂质进入等离子体后，会提高能量辐射速率，进一步冷却等离子体并促使更多杂质释放，形成反馈循环。由此产生的冷却会破坏约束等离子体的磁约束，导致等离子体逃逸并迅速关闭。因此，物理学家通常在格林沃尔德极限以下运行磁约束聚变反应堆，除非是专门测试该极限的实验。
然而，近期一项理论研究指出，等离子体与壁面相互作用中的自组织现象可使托卡马克摆脱常规格林沃尔德密度约束，转而在作者所称的“无密度限制”区域运行。由华中科技大学朱平物理学家和中国科学院严宁物理学家带领的团队，基于一个简单前提设计了实验以深化该理论：密度...
这些改变通过更冷的等离子体边界调整了其与托卡马克壁面的相互作用方式，大幅减少了壁面杂质进入等离子体的程度。在该区域下，研究人员实现了比托卡马克格林沃尔德极限高约65%的密度。这并不意味着磁约束等离子体现在可无任何密度限制地运行，但确实表明格林沃尔德极限并非根本障碍，调整操作流程可能带来更高效的聚变反应堆。
该团队将进一步实验，探索EAST在新描述的无密度限制区域内高性能条件下的运行情况。朱平表示：“研究结果为托卡马克和下一代燃烧等离子体聚变装置扩展密度极限提供了一条实用且可扩展的路径。”相关成果已发表于《科学进展》。
