辅助加热系统：可控核聚变发生反应的必要装置
思瀚产业研究院    2025-06-19

1、核聚变为什么需要高温？

核聚变能量来源于聚变时发生质量亏损而释放的巨大能量。以氘氚聚变为例，反应将氘核与氚核聚合成为重核（氦核）与中子，过程中出现质量损失。根据质能方程 E=mc²，亏损的质量将转换为相应的能量释放出来。

氘氚发生聚变反应的温度条件需要在 1 亿度以上。带正电的原子核间存在名为库伦斥力的排斥力，这种斥力的大小与两个粒子的电荷量的乘积成正比，与粒子之间的距离平方成反比，氘（D）-氚（T）核聚变需要较高的温度促进氘氚原子克服库伦斥力接近到足够近的距离发生核反应。根据《可控核聚变研究现状及未来展望》，D-T 发生聚变反应的温度条件需要在 1 亿度以上。

2、欧姆加热温度仅达 0.3 亿度，需辅助加热系统联合加热至 1 亿度

托卡马克欧姆加热最高仅能达 0.3 亿度，需要辅助加热系统联合加热至 1 亿度。托卡马克启动加热为中心螺管提供，但不能达到聚变条件：1）磁通时间有限：中性螺线管提供的磁通有限，等离子体感应电流维持时间有限，不能实现稳态运行（稳态运行要求非感应电流份额为 100%）；2）加热温度低：随着加热温度升高，等离子体电阻降低，导致欧姆加热效果持续下降，最高只能加热到 0.2 亿-0.3 亿度（D-T 反应需要温度 1 亿度以上）。辅助加热系统可以提供非感应电流加热，帮助等离子体温度达到聚变反应温度条件。

多种辅助加热优势能够互补，提升等离子体加热效率。1）中性束注入：将加速到很高能量的离子束通过电荷交换变成高能中性粒子束，穿越磁场注入到等离子体中，通过库仑碰撞热化，将能量传递给聚变装置中的等离子体，实现整体加热；但中性束加热难度较高、成本高，并且中性化效率随着激发的离子能力增加而下降。2）射频波加热：射频波注入到等离子体中时，合适的波频率、极化方向会产生波—粒子间的相互作用，当相互作用过程在粒子速度分布上正负对称时产生等离子体加热效应。

国际热核聚变实验堆（ITER）和东方超环实验堆（EAST）均采用中性束注入+3 种射频的辅助加热方式。根据《ITER 聚变装置及其电源系统》，ITER 辅助加热系统包括中性束、电子回旋、离子回旋、低杂波等 4 种方式；东方超环 EAST 采用了共 20 兆瓦（MW）功率的射频加热（离子回旋、低杂波加热、电子回旋）、8 兆瓦（MW）的中性束注入加热。

3、加热系统及电流驱动价值量占比为 7%～8%

ITER 实验 堆加热系 统及电流 驱动价值 量占比为 7% 、DEMO 示范 堆为 8%。根据《Superconductors For Fusion: A Roadmap》，加热系统为托卡马克装置必备的环节，价值量占比稳定，ITER 实验堆加热系统及电流驱动价值量占比为 7%、DEMO 示范堆为8%。

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