被外界稱為「人造太陽」的中國大陸核融合實驗裝置，近日再傳重大進展。中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所於1月2日宣布，科研團隊透過全超導托卡馬克核融合實驗裝置（EAST），首度在實驗中證實「托卡馬克密度自由區」的存在，找到突破等離子體密度極限的方法，為未來核融合反應爐高效運轉奠定重要基礎。
托卡馬克是一種利用強大磁場，將高溫等離子體困在環形空間內的核融合裝置，可想像成一條看不見的「磁力跑道」，讓溫度高達上億度的等離子體不會碰到裝置內壁，進而發生核融合反應。
等離子體密度越高，理論上核融合反應越劇烈、能量輸出也越大。然而，過去國際研究發現，當密度升高到某個極限時，等離子體會突然變得不穩定，甚至「破裂」逃出磁場，瞬間將巨大能量釋放到裝置內壁，不僅影響實驗，也可能損壞設備，因此「密度極限」一直是核融合發展的重要瓶頸。
此次突破，關鍵來自對等離子體「邊界區」的深入理解。科研團隊解析，密度極限並非在等離子體核心產生，而是發生在靠近裝置內壁的邊界區域，這裡容易因金屬雜質進入等離子體，產生強烈輻射，導致不穩定。
研究團隊提出「邊界等離子體與壁相互作用自組織理論」（PWSO），指出邊界雜質引發的輻射不穩定性，是觸發密度極限的重要原因，這也解釋了過去實驗中，為何密度一高就容易失控。
在實驗操作上，團隊依託EAST全金屬內壁的運行條件，透過電子回旋共振加熱、預充氣協同啟動等方式，降低金屬雜質進入等離子體的機率，成功延後等離子體破裂的發生。
此外，研究人員調整靶板條件，降低鎢等高原子序金屬造成的雜質濺射，成功引導等離子體突破傳統認知中的密度極限，進入一個新的穩定運行區域，也就是所謂的「密度自由區」。實驗結果與PWSO理論預測高度一致，首次在實驗上獲得驗證。
專家指出，這項成果代表未來托卡馬克裝置在設計與操作上，可能不再受限於過去的密度天花板，有助於提升核融合反應效率，讓「輸出能量大於輸入能量」的商用核融合發電更進一步。
EAST是目前全球少數能長時間穩定運行的全超導托卡馬克裝置之一，相關成果也被視為對國際核融合計畫（如ITER）具有重要參考價值。
隨著密度極限機制逐漸被釐清，學界普遍認為，人類距離真正可行的核融合能源，又向前跨出了一步。