等离子体加热系统

在核聚变装置中，为了将等离子体加热到 1 亿度以上，需要组合使用多个加热系统。关于加热的物理原理请参考等离子体加热的原理。

欧姆加热的极限

托卡马克中等离子体电流产生的欧姆加热是基本加热方式。但是等离子体电阻率随温度上升急剧降低，仅用欧姆加热能达到的温度极限约为 2-3 keV。对于核聚变需要的 10 keV 以上的温度，额外加热是必不可少的。

将高能中性氢原子注入等离子体，通过电荷交换反应离子化后加热等离子体的方式。因为能到达横穿磁场到达等离子体中心部，可实现高效的体积加热。

系统由离子源、加速部、中性化单元、残留离子偏转磁铁、beam dump、drift tube 构成。正离子 NBI 使用 50-150 kV 的加速电压，但能量超过 100 keV 时中性化效率降低到 30% 以下，ITER 这样的大型装置需要负离子 NBI。

负离子源通过添加铯降低表面功函数，提高负离子生成效率。ITER NBI 设计为束能量 1 MeV、注入功率 33 MW、壁塞效率约 27%。

注入与电子回旋频率调谐的毫米波（100-200 GHz），以共振方式向电子传递能量的方式。

高频源使用回旋管。从电子枪释放的电子束在强磁场中做旋转运动，在空腔谐振器内转换为电磁波。通过 CVD 金刚石窗的开发实现了 1 MW 连续运行。能量回收型回旋管实现了 50% 以上的效率。

因波长短（约 1.8 mm）可以实现局部加热，对新古典撕裂模等 MHD 不稳定性控制有效。ITER 计划为 170 GHz、20 MW 注入功率。

注入离子回旋频率带（20-100 MHz）的电磁波，直接加热离子的方式。有使用少数离子种的基本波加热、第二谐波加热等方式。

高频源使用 tetrode（四极真空管）的放大电路，实现 60-70% 的转换效率。天线安装在环形的低磁场侧，由 loop 状辐射 strap 和法拉第屏蔽构成。ITER 设计为 40-55 MHz、20 MW。

使用 GHz 带电磁波主要进行电流驱动的方式。特点是电流驱动效率高，但在高温等离子体中因在周边部被吸收，难以渗透到中心部。高频源使用速调管，从 grill 天线注入。主要应用于周边电流分布控制。

ITER 组合 NBI（33 MW）、ECRH（20 MW）、ICRH（20 MW）实现合计 73 MW 以上的加热功率。