跳到正文
返回核聚变能源
至真探索 · 核聚变能源

聚变加热与电流驱动

2026-08-30

托卡马克里的电流，是靠变压器感应出来的。变压器只能推一阵子，不能永远推。所以每一台托卡马克，天生就是个脉冲器件。想让这团一亿度的火烧上几小时、几天，就得解决两件事：一是往里塞能量，二是绕开变压器，直接在等离子体里生出电流。这个问题催生了四件大杀器：中性束注入（NBI）、电子回旋共振加热（ECRH）、离子回旋共振加热（ICRH）、低杂波电流驱动（LHCD）。过去三年，这四件东西都有了大新闻。

先说最老资格的中性束。道理很直白：等离子体被磁场捆着，带电粒子进不去。那就先把氢原子加速到极高速度，再打进去——中性原子不怕磁场，进去以后被电离，速度慢下来，热量就留下了。这条路是普林斯顿走出来的。1973年，ATC 装置第一次用中性束加热托卡马克等离子体。1978年7月，PLT 装置用 2.1 MW 中性束把离子温度打到 5.5 keV，也就是六千万度，头一回超过托卡马克点火的门槛。Eubank 领头的团队在报告 PPPL-1491 里写下了这组数。这个纪录直接催生了后来的 TFTR——1986年它靠中性束冲到两亿度。加热的问题，那一辈人算是用硬办法打通了。

但 ITER 要的不是 2.1 MW，是 33 MW，能量还得从 10 万电子伏涨到 1 兆电子伏。这一跳带来一个大麻烦：正离子加速到这么高，效率低得没法用，必须改用负离子。负离子源因此成了近十年的主战场。意大利帕多瓦的 ITER 中性束测试基地有两台样机。SPIDER 是全尺寸负离子源，2024到2025年的第二轮试验把引出电流密度做到了约 240 A/m²，达到 ITER 氢束目标的七成。第三轮试验 2026 年 4 月启动，负责人 Veltri 说，固态射频电源装上以后要对标全部指标。ELISE 是慕尼黑马克斯·普朗克等离子体物理研究所的半尺寸源，2024年11月发在《Nuclear Fusion》的论文里，Wünderlich 团队宣布：在 600 秒里持续引出达到 ITER 目标九成的电流密度，把此前十几秒的纪录拉长了十倍以上。另一台样机 MITICA 是完整的 1 MV 注入器，2025年初通过了 910 kV 以上的真空绝缘测试，稳稳撑了一个小时。这三块拼图凑齐之前，没人敢说 ITER 的中性束有底。

中国这边也没有缺席。合肥的 CRAFT 大科学装置里，等离子体所团队自建了负离子源平台。魏江龙团队发在《Nuclear Fusion》的进展报告显示：双驱动射频源配单级加速器，反复做出超过 200 keV、超过 2 MW、超过 100 秒的负氢束。HONOR 实验装置上做过 55.4 keV、7.3 A、105 秒的长脉冲，也做过 135.9 keV、8.9 A、8 秒的兆瓦级束。起点不算高，但每一步都是自己踩出来的。

再看波加热这一族。它们不送原子进去，而是把电磁波打进去，让波和粒子共振，能量就地交割。三种波，频率不同，脾气也完全不同。

电子回旋波频率最高，一百多 GHz，本质是个超级微波炉。产生它的是回旋管，一种靠电子在磁场里打转来放大微波的真空管。日本 QST 和佳能合作的 170 GHz 管，1 MW 跑过 800 秒，创下 2.88 GJ 的能量纪录。俄罗斯的管子 1 MW 跑了 1000 秒。卡尔斯鲁厄理工的 Thumm 在他的回旋管年度综述里把这些纪录列成表，他的研究所自己还做出过短脉冲 2.2 MW 的同轴腔样机。管子之外，电子回旋波最值钱的本事是"准"：波是一束很细的能量，指哪打哪。这个本事拿来干什么？修等离子体的毛病。等离子体里有一种撕裂模，会把磁场撕出岛来，岛长大了整个放电就崩掉。KSTAR 做了实验：用 0.7 MW 的电子回旋电流，精确砸进撕裂岛的位置，模式幅度立刻掉了六成。论文第一作者 Park 在哥伦比亚大学，实验在韩国聚变能源研究院的装置上做。修改过的 Rutherford 方程算出，完全压住这个模式需要 0.8 到 1.7 MW——现有系统够得着。这就是"电流驱动当手术刀"的用法。

电子回旋波还有个意外功劳，出现在中国合肥。李妙辉和同事发在《Nuclear Fusion》的论文里，EAST 用电子回旋波叠加低杂波，把 12 keV 的电子温度稳稳维持了 100 秒以上，还头一回只靠电子回旋波就进入了高约束模式。更有意思的是他们发现：电子温度高了以后，低杂波在边界刮削层里被碰撞吃掉的损耗反而变小了。也就是说，微波炉顺便给另一件武器上了油。

这件武器就是低杂波——电流驱动效率之王。原理来自普林斯顿 Fisch 1978 年那篇著名的 Physical Review Letters 快信：让波带着平行于磁场方向的动量，追上一群跑得比热运动快的电子，推它们一把，电子齐刷刷朝一个方向跑，电流就出来了。两年后他又和 Boozer 想出用电子回旋波改电阻率的路子。这两篇论文开创了整个射频电流驱动领域，他 1987 年在《Reviews of Modern Physics》的综述至今是这个领域的底本。1981年，PLT 第一次让托卡马克的等离子体电流完全由低杂波驱动——变压器下岗了。

低杂波效率高的另一面，是它娇气：密度一高，波就不好用。所以托卡马克上最强的低杂波纪录，不在最热最密的装置上，而在最会"熬"的装置上。2025年2月12日，法国 CEA 卡达拉什的 WEST 装置，用一面低杂波天线注入 2 MW，把等离子体稳稳托了 1337 秒，二十多分钟，进出能量 2.6 GJ。Ekedahl 领头的团队下一步要把功率从 2 MW 加到 10 MW，继续熬千秒。而在合肥，EAST 走得更远：2023年宋云涛、邹晓岚和龚先祖团队在《Science Advances》上发表了 1056 秒全非感应运行，注入的射频功率还不到 2 MW，期间发现了一种新的自组织状态——Super I-mode，中心有电子温度垒，边界又有无 ELM 的约束模式。2025年1月20日，EAST 又把高约束模式撑到 1066 秒。这些千秒纪录背后站着同一个事实：等离子体电流不靠变压器，靠波。

离子回旋波频率最低，几十 MHz，波长最长，功率最大，专管加热离子。它的巅峰表演在 JET。2021年 DTE2 氘氚实验里，欧洲团队试出了新招：在富氚等离子体里，用离子回旋波加热氘——要么打氘的基频共振，要么借铍杂质玩"三离子方案"。这套方案是布鲁塞尔皇家军事学院等离子体物理实验室的 Kazakov 等人提出的，妙处在于氘核被加速到的能量段，恰好是氘氚反应截面最肥的那一段。Lerche（现属英国原子能管理局 UKAEA）领头的分析确认：正是这套氘少数粒子加热加高功率氘中性束的组合，把束-靶反应的产率顶到了纪录水平——2021年12月单次脉冲 59 MJ。2023年10月，最后一轮 DTE3 又把纪录刷到 69.26 MJ，5 秒钟，只烧了 0.2 毫克燃料。2024年2月8日 UKAEA 公布这个数字时，JET 已经在2023年底关机，105842 次脉冲，生涯谢幕。三离子方案在 DTE2 里还有一次漂亮的演示：29 MW 中性束之外只加 1.7 MW 离子回旋波，就持续做出 8 MW 聚变功率。波推高能离子的杠杆，比功率数字看起来大得多。

这些手段最后要拼成 ITER 的一台机器。按 ITER 2024 年新基线计划：两条中性束线共 33 MW（可扩到三条 50 MW），电子回旋 20 MW，离子回旋 20 MHz 频段 20 MW。DT-1 阶段要求至少 300 秒的燃烧时间。意思很清楚：三种波加中性束，一个都不能少。新一代装置也一样——2023年10月23日首次等离子体、12月1日正式投运的 JT-60SA，是目前世界上最大的在运托卡马克，它的加热系统分阶段上：2026-2027年先到正离子束 16 MW 加 3 MW 电子回旋，之后逐步加到中性束 34 MW 加电子回旋 7 MW，总共 41 MW。它继承了 JT-60U 的 500 keV 负离子束技术，而 JT-60U 本身保持着低杂波电流驱动效率的历史最好水平。

写到这里可以看出一条暗线。四件武器，四十年前比的是"加热"——谁的温度高。今天比的是"手艺"——谁的电流剖面控得准、谁能在千里之外按住一个撕裂岛、谁能用 1.7 MW 杠动 8 MW 聚变功率。托卡马克从一个脉冲炉，正在变成一台被精细操控的机器。NBI 负离子源的每一秒延寿、回旋管往 2 MW 迈的每一小步、三离子方案这类新花样，都在把"点火"从一个能量问题，变成一个控制问题。

老实说，账面上还剩的坎不少。SPIDER 离 ITER 满指标还差三成，硬件天花板刚刚摸到；低杂波在反应堆级的高密度下怎么保持效率，至今没有定论；三离子方案依赖的氦3或杂质离子，在真正的氘氚堆里怎么足量供应，也没人演示过。这些问题都还开着。但方向已经清楚了：过去靠变压器点火，未来靠波和粒子流当家。这套新当家本事练到什么份上，决定了第一座聚变电站什么时候真的发电。

---

参考文献

  1. N. J. Fisch, "Confining a Tokamak Plasma with RF-Driven Currents", Phys. Rev. Lett. 41, 873 (1978).
  2. N. J. Fisch and A. H. Boozer, "Creating an Anisotropic Plasma Resistivity with Waves", Phys. Rev. Lett. 45, 720 (1980).
  3. N. J. Fisch, "Theory of Current Drive in Plasmas", Rev. Mod. Phys. 59, 175 (1987).
  4. H. Eubank et al., "PLT Neutral Beam Heating Results", PPPL-1491, Princeton Plasma Physics Laboratory (1978)；另见 PPPL Timeline（ATC 1973年首次中性束加热、1978年 PLT 六千万度纪录、1981年 PLT 首次全低杂波驱动放电）。
  5. D. Wünderlich, R. Riedl, M. Fröschle, A. Heiler, A. Navarro, D. Yordanov, A. Döring, U. Fantz（马普等离子体物理研究所 IPP Garching），"ITER-relevant 600 s steady-state extraction of negative hydrogen ions at the test facility ELISE", Nucl. Fusion 65, 014001 (2025), DOI: 10.1088/1741-4326/ad8e74.
  6. ITER Organization 新闻 "Third operation campaign beginning on SPIDER"（2026年4月，SPIDER 2024–2025轮约 240 A/m² 纪录）；P. Barabaschi, "Progress of ITER...", IAEA FEC 2025（MITICA >910 kV 真空绝缘测试）；D. Marcuzzi（Consorzio RFX/帕多瓦大学）等, TEC-HCD 报告（QST 日本侧作者 M. Kashiwagi, H. Tobari 等）。
  7. J. Wei, W. Liu, Y. Xu, Y. Xie 等（中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所），"Progress of CRAFT negative ion source neutral beam injection test facility", Nucl. Fusion (2026), DOI: 10.1088/1741-4326/ae51a3；HONOR/CANBE 实验参数见合肥物质院报道。
  8. M. Thumm, "State-of-the-Art of High-Power Gyro-Devices and Free Electron Masers", J. Infrared Millim. Terahertz Waves 41, 1 (2020)；2025 年度更新（KIT, Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik）：QST-CANON 170 GHz 1 MW/800 s、2.88 GJ 纪录；KIT 2.2 MW 同轴腔样机。
  9. M. H. Li, H. D. Xu, X. J. Wang 等（中科院等离子体所，合作者 G. M. Wallace、S. G. Baek、P. T. Bonoli 属 MIT 等离子体科学与聚变中心），"Plasma heating by electron cyclotron wave and the temperature effects on lower hybrid current drive on EAST", Nucl. Fusion 63, 046019 (2023), DOI: 10.1088/1741-4326/acbec9.
  10. Y. S. Park（哥伦比亚大学）、M. H. Woo、S. A. Sabbagh 等（与韩国聚变能源研究院 KSTAR 团队合作），"Initial results from neoclassical tearing mode stabilization experiment in KSTAR high normalized beta plasmas", Plasma Phys. Control. Fusion 66, 125013 (2024), DOI: 10.1088/1361-6587/ad8a8a.
  11. W.-H. Ko, S. W. Yoon 等（韩国聚变能源研究院 KFE），"Overview of the KSTAR experiments toward fusion reactor", Nucl. Fusion 64, 112010 (2024), DOI: 10.1088/1741-4326/ad3b1d.
  12. E. Lerche（英国原子能管理局 UKAEA）、D. Van Eester、Y. Kazakov（布鲁塞尔皇家军事学院等离子体物理实验室 LPP-ERM/KMS）等，"Fundamental ICRF heating of deuterium ions in JET-DTE2", AIP Conf. Proc. 2984, 030005 (2023), DOI: 10.1063/5.0162554.
  13. C. F. Maggi 等（UKAEA/JET 团队），"Overview of T and D-T results in JET with ITER-like wall", Nucl. Fusion 64, 112012 (2024), DOI: 10.1088/1741-4326/ad3e16.
  14. UKAEA/EUROfusion 新闻公报（2024年2月8日）：JET DTE3 单脉冲 69.26 MJ（2023年10月3日，5.2 秒）；DTE2 纪录 59 MJ（2021年12月）；ITER Newsline "JET beats its own record"。
  15. W. Zhang, L. N. Liu, X. J. Zhang, C. M. Qin, H. Yang（中科院等离子体所 ASIPP），"Recent progress in improvement in ion cyclotron range of frequencies coupling and power absorption with new antennas of EAST", Nucl. Fusion (2024), DOI: 10.1088/1741-4326/ad63bb；L. N. Liu 等 IAEA 长脉冲会议报告（EAST ICRH 1.5 MW/41 s）。
  16. CEA-IRFM 新闻 "WEST sets a new plasma duration record"（2025年2月，1337 s、2.6 GJ、LHCD 2 MW）；A. Ekedahl 等（CEA, IRFM, Saint Paul-lez-Durance），"Long pulse achievements in the WEST tokamak", EPS 2025 会议报告 O-035.
  17. Y. Song（宋云涛，中科院等离子体所）、X. Zou、X. Gong 等（合作者含 CEA 的 A. Bécoulet、通用原子能的 R. Buttery、MIT 的 P. Bonoli、PPPL 的 R. Maingi），"Realization of thousand-second improved confinement plasma with Super I-mode in Tokamak EAST", Science Advances 9, eabq5273 (2023).
  18. X. Gong 等（EAST 团队），"Overview of recent experimental results on the EAST Tokamak", Nucl. Fusion 64, 112013 (2024), DOI: 10.1088/1741-4326/ad4270（403 s 纯射频 H 模、1056 s、1.73 GJ）；EAST 1066 s 高约束模运行（2025年1月20日）见中科院合肥物质院/EUROfusion 报道。
  19. M. Wang 等（中科院等离子体所），"Modeling study of synergistic effects between lower hybrid and electron cyclotron current drive on EAST", Nucl. Fusion (2025), DOI: 10.1088/1741-4326/adc287（GENRAY/CQL3D；EC 效率约为 LH 的 75%）。
  20. Fusion for Energy 新闻 "Europe and Japan upgrade JT-60SA with new components"（2024年12月）及 JT-60SA 运行规划材料（OP2 起 PNB 8 单元 16 MW/氘 23.5 MW + 3 MW ECRF；远期 34 MW + 7 MW，共 41 MW）。
  21. ITER 组织 ITER Research Plan / Baseline 2024（HNB 33 MW 可扩 50 MW；EC 20 MW 170 GHz；IC 20 MW 40–55 MHz；DT-1 ≥300 s 燃烧时间）。