等离子体加热系统

在核聚变堆中，为了把等离子体加热到 1 亿度以上，需要组合使用多种性质各异的加热装置。本页从装置工程的视角，讲解每一种加热系统由哪些部件构成、工程难点在哪里，以及在实机上能达到多大的性能。至于加热为什么有效这一物理原理，请参见等离子体加热的原理，这里我们专注于「怎么造出来」。

先建立直觉（高中水平）

用水壶烧水时，最简单的办法是给电热丝通电让它发热。托卡马克也有类似的机制：在等离子体自身中通入大电流，电阻就会产生热量。这叫做欧姆加热（ohmic heating）。可惜的是，等离子体越热就越容易导电（电阻越小）。电阻没了发热也就停了，所以单靠这种方法，温度只能升到核聚变所需温度的三分之一左右。

于是就需要从外部额外注入能量的「附加加热（additional heating）」装置。方法大致有 3 种。第 1 种是把高速粒子撞进等离子体来加热，就像打台球把球撞进去一样（NBI）。第 2 种是像微波炉那样用电波照射来加热，让电子吸收电波（ECRH）。第 3 种也用电波，但用的是配合重离子的低频率电波（ICRF）。

这 3 种方法都在「把能量确切地送到等离子体深处」这一点上各有所长、各有巧思。下面我们依次来看这 3 种装置分别由哪些部件构成。

用物理来理解（本科水平）

中性粒子束注入（NBI）的构成

中性粒子束注入（neutral beam injection, NBI）是把大量高能中性氢原子撞进等离子体的装置。使用中性、也就是不带电的原子是关键：带电粒子会被磁场弯折，在等离子体表面被弹回；而中性原子可以无视磁力线，笔直地飞进中心区域。飞入后与等离子体中的粒子碰撞被电离，被磁场捕获并把能量分给它们。

装置由以下部件排成一列构成。首先在离子源（ion source）中大量产生氢离子，在加速部（accelerator）施加数十到数百 kV 的电压一口气加速。到这里为止都是带电粒子，可以用电场加速。接着通过中性化室（neutralizer），这是一个充有稀薄氢气的房间，高速离子与气体分子交换电子后变成中性原子。但仍有一部分离子没能完成中性化，因此用残留离子偏转磁铁（residual ion deflection magnet）施加磁场把它们弯折，抛入称为束流收集器（beam dump）的冷却金属板中。只有完成中性化的原子才通过漂移管抵达等离子体。

束流能量 $E$ 越大就越能抵达等离子体深处，但这里正是正离子 NBI 的极限所在。对正离子（质子或氢分子离子）进行中性化时，能量越高中性化效率下降越急剧，超过 $100 \ \mathrm{keV}$ 后会降到大约 30 % 以下。加速所得能量的大半都要抛入束流收集器，整个装置的效率变差。

为什么需要负离子 NBI

于是大型装置改用负离子（多带 1 个电子的氢离子， $\mathrm{H}^-$ 或 $\mathrm{D}^-$ ），而不是正离子。负离子多余的电子结合较弱，因此即便在高能下中性化效率也能保持在 60 % 前后。ITER 需要 $1 \ \mathrm{MeV}$ 这样的高能量，在这一区域除了负离子 NBI 之外没有现实的选择。

高效地产生负离子是工程上的难关。在负离子源中，会在电极表面薄薄地附着一层铯（cesium），以降低表面的功函数（work function，从表面引出电子所需的能量），使氢原子更容易在表面拾取电子而变成负离子。不过多余的电子很容易被剥离，因此管理束流路径上残留的多余电子和粒子很困难，稳定地长时间输出大电流是一大课题。

电子回旋加热（ECRH）与回旋管

电子回旋加热（electron cyclotron resonance heating, ECRH）是通过照射与电子绕磁场旋转的旋转频率（回旋频率）一致的毫米波（ $100$ 〜 $200 \ \mathrm{GHz}$ ），让电子共振地吸收能量的方式。它就像是微波炉的老大，不过频率比家用微波炉（ $2.45 \ \mathrm{GHz}$ ）还要高出几十倍。

产生这种毫米波的是称为回旋管（gyrotron）的真空管。它让电子枪射出的电子束在强磁场中做旋转运动，在空腔谐振器（cavity）中把电子旋转运动的能量转换为电磁波。出口处使用 CVD 金刚石（用 chemical vapor deposition 制造的人造金刚石）的窗口。金刚石导热性好、对毫米波的吸收又少，因此能承受 $1 \ \mathrm{MW}$ 级的连续运行。这种窗口材料的开发正是实现大功率连续运行的关键。在能量回收型（用 collector 回收剩余能量的方式）的回旋管中，已获得 50 % 以上的装置效率。

回旋管产生的毫米波通过传输系统（transmission line）送到等离子体。毫米波波长短（ $170 \ \mathrm{GHz}$ 时约为 $1.8 \ \mathrm{mm}$ ），因此使用在金属管内借助镜面反射低损耗传输的波导，或用于聚焦的镜列。得益于波长短，可以只对瞄准的部位进行局部加热，还能用于抵消称为新经典撕裂模（neoclassical tearing mode, NTM）的磁岛不稳定性的控制。改变镜面角度即可移动加热位置，这也是一大优点。

离子回旋加热（ICRF）与天线

离子回旋加热（ion cyclotron range of frequency, ICRF）是用重离子旋转频率带（ $20$ 〜 $100 \ \mathrm{MHz}$ ，正好接近 FM 广播和短波广播的频段）的电磁波直接摇动离子的方式。高频源使用采用四极管（四极真空管）的放大电路，已有充分实绩，转换效率约为 60〜70 %，在加热装置中电源效率算是较高的。

另一方面，难点在于天线的耦合（coupling，把电力送入等离子体的方式）。天线沿环面低磁场侧（外侧）的壁面放置，由环状的辐射带（strap）和用于屏蔽多余静电场的法拉第屏蔽（Faraday shield）构成。要把电波送入等离子体，天线与等离子体表面的距离需要保持得足够近，但等离子体表面（边缘部）的密度会随运行条件时刻变化。一旦距离或密度偏移，电力就会反弹回天线侧，导致投入效率下降，或因反弹的电力在天线周边产生杂质。跟随这种边界条件的变动来匹配阻抗，是 ICRF 的核心工程课题。

深入理论（研究生水平）

用数字把握各方式的性能，就能看清它们在系统设计中的定位。作为参考的实绩值和作用如下。

方式	频率・能量带	电源・转换效率的参考值	主要用途
NBI（负离子）	$\sim 1 \ \mathrm{MeV}$	墙插效率 25〜30 %	主加热、旋转驱动、电流驱动
ECRH	$100$ 〜 $200 \ \mathrm{GHz}$	回旋管效率 50 % 前后	局部加热、NTM 控制、启动辅助
ICRF	$20$ 〜 $100 \ \mathrm{MHz}$	转换效率 60〜70 %	离子加热、少数离子加热

这里所说的墙插效率（wall-plug efficiency），是指从插座取用的电力中实际送达等离子体的功率所占的比例。在负离子 NBI 的 $1 \ \mathrm{MeV}$ 系统中，这个数值约为 25〜30 %。由于加速所用能量的一部分会在中性化和束流输运中损失，因此只能停留在这个水平。ECRH 从电源到毫米波的转换（回旋管效率）为 50 % 前后，但还要叠加传输系统的损耗，因此按墙插效率来比较，各装置之间存在差异。ICRF 虽然电源效率高，但把从天线到等离子体的耦合损耗算进去后，实效效率会受运行条件左右。

把这些整合到一台装置上时，各装置擅长的工作各不相同这一点是设计的关键。NBI 直接把粒子本身运入，因此除加热外还能承担等离子体的旋转驱动和电流驱动，是非感应电流驱动（non-inductive current drive）的主力。ECRH 可以用镜面自由移动加热位置，因此适合 MHD 不稳定性的局部控制，以及密度还很低的运行初期的点火辅助（start-up assist）。ICRF 通过称为少数离子加热（minority heating）的手法，可以选择性地加热特定离子种，也用于模拟 $\alpha$ 粒子行为的实验。在实机上把这些组合起来，随运行阶段调整配比，同时构建出加热和电流分布这两者。

ITER 的加热系统配置

ITER 三种方式全部具备。负离子 NBI 为 $33 \ \mathrm{MW}$ （ $1 \ \mathrm{MeV}$ ，最长 $3600 \ \mathrm{s}$ 的长脉冲），ECRH 在 $170 \ \mathrm{GHz}$ 下为 $20 \ \mathrm{MW}$ ，ICRF 在 $40$ 〜 $55 \ \mathrm{MHz}$ 下为 $20 \ \mathrm{MW}$ ，计划提供合计超过 $70 \ \mathrm{MW}$ 的附加加热功率。为了实现这种规模和长脉冲化，NBI 的 $1 \ \mathrm{MeV}$ 负离子源、回旋管的连续运行、ICRF 天线的高耐电压化等要素，都已分别以实机规模进行了开发。JT-60SA 也把 NBI 和 ECRH 作为主力，承担长脉冲运行和加热方案的验证。

研究前沿（博士水平）

在当前的加热系统工程中，兼顾大功率化和长脉冲化是共同的目标。要让核聚变发电成立，加热装置需要从数分钟到稳态地连续运行，部件的热负荷管理是最大的课题。正在研究的主要课题如下。

负离子源的开发（negative ion source development）是 NBI 的心脏。如何在 $1 \ \mathrm{MeV}$ 级下长时间稳定、且均匀地引出大电流负离子束是一大课题，人们正在研究铯蒸气供给与回收的控制、抑制束流内产生的多余电子（co-extracted electrons）、高电压绝缘的可靠性等。

在回旋管方面，正在推进进一步的高频化和高功率化（higher-frequency, higher-power gyrotron）。提高频率可以扩大能够加热的磁场和密度范围，可切换多个频率的可变频率回旋管、超过 $1 \ \mathrm{MW}$ 的单管输出、以及传输系统整体的损耗降低都是研究主题。在 ICRF 方面，跟随变动的等离子体表面来保持耦合的天线（ITER 型的设计和实时匹配）、抑制反弹电力导致的杂质产生等，仍在持续攻关。

论文中经常遇到的关键词有：墙插效率（wall-plug efficiency）、电流驱动（current drive）、少数离子加热（minority heating）、新经典撕裂模控制（NTM control），以及负离子源（negative ion source）。这些装置技术已不再只是单独提升其自身性能，而是越来越多地作为把加热、电流驱动、不稳定性控制整合起来的运行方案的一部分来设计和评估。

理解自测

第 1 题为什么单靠欧姆加热无法达到核聚变所需的温度？

第 2 题关于 NBI 使用中性原子的理由，哪一项是正确的？

第 3 题为什么大型装置需要负离子 NBI？

第 4 题为什么回旋管的窗口材料使用 CVD 金刚石？

第 5 题关于 ICRF 的核心工程课题，哪一项是正确的？