nnica等离子体加热的原理
要把核聚变堆的中心加热到大约一亿度这样惊人的温度，究竟能用什么样的物理机制呢？本页将从身边的比喻讲到研究前沿，依次介绍为什么需要这么高的温度，以及加热等离子体的主要方法各自建立在怎样的物理原理之上。实际加热装置的工程实现留给 加热装置，这里我们专注于「为什么能够加热」这一物理层面。
先建立直觉（高中水平）
Section titled “先建立直觉（高中水平）”核聚变是指轻的原子核相互碰撞并融合，从而释放出巨大能量的反应。然而原子核都带正电，一旦想要靠近就会因电力而强烈相互排斥。请想象一下把两块磁铁的同极相互按压时那种阻力。要让原子核相互融合，就必须让它们以足以冲破这种排斥的势头相互碰撞。
让粒子猛烈碰撞，也就意味着让粒子高速飞来飞去。气体的温度，正是衡量其中粒子运动得有多剧烈的尺度。提高温度粒子就会变快，正面碰撞的概率、以及冲破排斥而融合的概率都会随之升高。核聚变之所以需要大约一亿度，就是为了用粒子运动的剧烈程度来克服原子核之间的电排斥。
那么，究竟怎样才能加热到那个程度呢？方法大致可以分为三种思路。第一种是通电，用电阻来加热。这和电炉的镍铬丝烧得通红是同一个道理，让电流在等离子体自身中流动，通过焦耳热来加热。第二种是从外部射入高速粒子。注入本身就极其快速的粒子作为「子弹」，通过撞击把势头分给周围的粒子。第三种是像微波炉那样施加电磁波。向等离子体送入与其中粒子天生具有的旋转节奏恰好吻合的波，就会像把握好推秋千的时机那样，让粒子不断加速。
而当核聚变真正开始后，反应本身放出的热就会开始加热堆自己。如果这个过程能顺利运转起来，即使切断外部加热等离子体也会持续燃烧。就像篝火最初要用火柴点燃，但一旦木柴烧旺起来，火就能靠自己维持下去。这种自持的状态在核聚变中称为点火（ignition）。
用物理来理解（本科水平）
Section titled “用物理来理解（本科水平）”首先让我们把「需要一亿度」这件事稍微定量地把握一下。温度 是粒子平均动能的尺度，在等离子体物理中习惯用能量单位电子伏特（eV）来表示温度。换算关系为 ，因此大约一亿度相当于约 10 keV。表示核聚变反应发生概率的反应截面随温度急剧增大，对于 D-T 反应（氘与氚的反应），在 10 keV 到数十 keV 的区间达到实用的反应率。究竟需要以多高的温度、维持多长的时间、保持多大的密度才能获得净输出，由 劳森判据 来规定。
先来看第一种加热方式——欧姆加热（ohmic heating）。在托卡马克中，让中心螺线管的磁通随时间变化，像变压器的次级绕组那样在等离子体中感应出电流 。这股电流通过等离子体的电阻产生焦耳热。加热功率表示为 ，其中 是电流密度， 是等离子体的电阻率。这里有一个关键点：等离子体的电阻率（斯必泽电阻率）随温度下降，具有 的关系。等离子体越热就越容易导电。
正因为这种温度依赖性，欧姆加热是越加热效果越差。因为电阻下降后焦耳热也随之减少。结果，仅靠欧姆加热能达到的温度只停留在大约 1 keV 到 3 keV，远远够不着核聚变所需的 10 keV。填补从这里往上这段差距的，是从外部投入的附加加热（additional heating）。
第二种附加加热是中性束注入（neutral beam injection, NBI）。原理是这样的：首先用电场把氘等离子加速到高能量，接着让它通过中性化室，加上电子，变成电中性的高速原子束。之所以要中性化，是因为如果保持带电状态，就会被堆周围的强磁场偏转，无法到达等离子体中心。中性原子不会被磁场偏转，会笔直地射入，在等离子体中被剥去电子重新变成离子，然后反复进行库仑碰撞，把能量分给周围的粒子。
第三种是波加热（wave heating），它利用了共振这一现象。在磁场 中，带电粒子受到洛伦兹力，做绕磁力线缠绕般的圆周运动（详见 带电粒子的运动）。这种旋转的角频率称为回旋频率，由 决定，其中 是电荷， 是质量。当送入频率与这种旋转节奏一致的电磁波时，波的电场会始终朝同一方向持续推动粒子，从而高效地传递能量。这和秋千是同样的共振原理。质量大的离子频率较低（数十 MHz 频段，离子回旋共振加热 ICRF），质量小的电子频率较高（超过 100 GHz 的毫米波，电子回旋共振加热 ECRH）。
深入理论（研究生水平）
Section titled “深入理论（研究生水平）”波加热的共振条件，仅靠回旋频率的简单一致是无法描述的。在等离子体中传播的波，从运动的粒子看来，会因粒子自身的运动而看起来频率发生偏移。把这一点纳入的共振条件呈现为含多普勒频移的形式
其中 是波的频率， 是沿磁力线方向的波数， 是该方向的粒子速度， 是整数的谐波次数。左边表示从随粒子一起运动的坐标系看到的波的频率，可以解读为当它与回旋频率的整数倍一致时便发生共振。 为基波共振， 及以上为谐波共振。
在离子回旋共振加热（ion cyclotron resonance heating, ICRF）中，存在这样一个情况：仅由单一离子种构成的等离子体对波的吸收较弱。因此人们广泛采用混入少量不同离子种（如氢或氦 3 等）、利用该少数种的回旋共振的少数离子加热（minority heating）。这是一种两级机制：少数种从波中选择性地获取能量成为高速离子，再通过库仑碰撞加热主离子和电子。
电子回旋共振加热（electron cyclotron resonance heating, ECRH）的一大优点是加热的局域性。共振发生的位置仅限于满足 的地方，而托卡马克的磁场沿半径方向变化很大，因此共振面被限定在空间上很窄的区域。利用这一性质，就能把加热功率精确地注入到所瞄准的半径位置，可应用于后文所述的 MHD 不稳定性的局域控制。
这些加热手段同时也承担着电流驱动（current drive）的作用。要让托卡马克稳态运行，就必须不依赖变压器作用来维持等离子体电流。若用波或粒子束把带电粒子的分布函数沿磁力线方向弄成不对称的扭曲，就会产生净电流。低杂波电流驱动（lower hybrid current drive, LHCD）利用位于离子与电子回旋频率之间的低杂波，选择性地加速电子速度分布的尾部来驱动电流。它单位功率的电流驱动效率较高，但波难以穿透到等离子体中心，因而适合控制边缘区域的电流分布。电子回旋电流驱动（electron cyclotron current drive, ECCD）在驱动效率上稍逊，但由于共振的局域性，能够局部瞄准并抑制诸如新经典撕裂模（neoclassical tearing mode, NTM）这样的磁岛，作为稳定化工具十分重要。
最后是阿尔法粒子自加热（alpha particle self-heating）。D-T 反应按 释放 17.6 MeV，其中 3.5 MeV 由阿尔法粒子（氦 4 的原子核）承担，14.1 MeV 由中子承担。中子因为电中性而无法被磁场约束，会穿出到包层，但作为带电粒子的阿尔法粒子被磁场约束，通过库仑碰撞把能量交给等离子体来加热自身。若使用衡量加热效率的指标核聚变增益 （核聚变输出除以外部加热输入所得的值），由于阿尔法加热功率是全部核聚变输出的五分之一，所以阿尔法加热功率相对于外部加热功率 的比值为 。 时与外部加热相当， 对应外部加热为零而自持的点火（ignition）。ITER 所追求的 意味着对 50 MW 的输入获得 500 MW 的核聚变输出的状态，处于阿尔法加热承担外部加热两倍功率的燃烧等离子体（burning plasma）的领域。
研究前沿（博士水平）
Section titled “研究前沿（博士水平）”如今，加热物理的前沿正逐渐集中于「高速离子与燃烧等离子体的物理」。由 NBI 或 ICRF 生成的高速离子，以及在核聚变中诞生的阿尔法粒子，都具有远高于热背景等离子体的能量。这些高速离子（fast ions / energetic particles）如何与背景等离子体相互作用、如何被约束，已成为设计燃烧等离子体时的核心问题。
其中研究得尤为活跃的，是由高速离子驱动的阿尔文本征模（Alfvén eigenmodes）。当高速离子的速度与等离子体中阿尔文波的速度发生共振时，以环向阿尔文本征模（toroidal Alfvén eigenmode, TAE）为代表的波便会被不稳定化。这些模式可能把高速离子从本应被约束的区域甩到外面，引起阿尔法粒子的反常输运（anomalous transport）。如果阿尔法粒子在为加热做出贡献之前就逃向壁面，自加热就会受损，而且局部的热负荷还有可能损伤壁面，因此这被作为直接关系到燃烧等离子体能否成立的问题来研究。
在理论与数值方面，由于高速离子的分布大幅偏离热平衡，必须采用显式处理速度空间的动理学（kinetic）描述。人们借助追踪分布函数时间演化的回旋动理学（gyrokinetics）模拟，以及把 MHD 与动理学效应耦合起来的混合模型，推进对阿尔文本征模的非线性饱和及高速离子输运的预测。人们所追问的是，对 ITER 及未来原型堆中阿尔法粒子的约束究竟能够多么准确地外推。
加热与电流驱动的整合优化也是重要课题。要实现稳态托卡马克，就必须把外部电流驱动，与由压力梯度自发产生的自举电流（bootstrap current）组合起来，同时成立理想的电流分布和压力分布。借助 ECCD 抑制 NTM、加热位置的实时反馈控制、组合多种加热手段以形成输运垒的高性能运行方案的构建等等，都在从整合模拟与实验两方面被追求。在论文中频繁出现 energetic particle physics、alpha particle confinement、Alfvén eigenmode、burning plasma、integrated modeling 等关键词。