近日，由韩国汉阳大学、美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）等机构研究人员联合开展的研究，聚焦托卡马克氘-氚（D-T）等离子体中，利用顶部发射器的离子回旋射频（ICRF）波加热主热离子的可行性，为聚变点火条件的实现提供了新方向。相关研究成果已经发布在核聚变领域的权威期刊《Nuclear Fusion》上。
一、研究背景
研究指出，主离子直接加热在实现聚变点火上比电子加热更高效，原因有三：
一是离子能量输运损失可能小于电子，且高能离子的良好约束效果已被多项实验证实；
二是更高的燃料离子温度能提升聚变反应率，JET的D-T实验已验证这一点；
三是中型反应堆中，离子-电子温度平衡或α通道效应仍不明确。
现有ICRH加热方案存在局限：
中性束注入（NBI）虽能直接加热燃料离子，却难以穿透核心等离子体；
ITER采用的“少数离子加热”方案，虽能匹配少数离子的回旋频率实现高效加热，但高能少数离子更易向电子传递能量；
过往多数加热方案（如氚的二次谐波阻尼等）效率也较低。
二、创新方案
在托卡马克顶部（θ=90°）安装ICRF波发射器，发射
34 MHz低频波
，直接加热燃料离子（氘为主）。
此方案优势在于
：
通过优化波极化和传播路径，使波在
离子-离子混合共振层
被高效吸收。
模拟显示：
>50%的功率被氘离子吸收
（总功率分配：D:T:e=50:15:35），显著高于传统方法。
三、关键物理分析
1.波传播与极化优化
有效加热需要满足两个条件：在D (50%)-T (50%) 等离子体中，实现回旋阻尼的有利波极化需满足特定条件，即 | E₊/Eᵧ|=|R/S|≈|(15ÎR³-13ÎR²-10ÎR+8)/(15ÎR³-10ÎR)|，且仅在 0.75<ÎR<0.85（靠近离子 - 离子混合共振层）范围内能获得显著回旋阻尼的良好极化。
为有效加热中心等离子体，混合共振层需位于等离子体中心，例如ITER中（B₀≈5.2T，R₀≈6.2m）对应波频约34MHz。而要通过快波传播路径优化访问混合共振层并获得有利极化，发射器需位于正三角形托卡马克顶部（θ=90°，R≈5m）或底部。
34MHz ICRF 波从顶部发射器传播的模拟显示：波在氚共振层（R_T≈5m）与氘共振层（R_D≈7.5m）间传播，存在混合共振层（R≈6.1m）和截止层（R≈6.2m）；功率吸收分布中，氘、氚、电子的功率分配为 50:15:35%，多数物种加热效果显著。
2.频率与位置的影响
频率影响方面，与34MHz相比，36-38MHz时离子功率阻尼显著提升至约 90%（氘75%、氚15%），但因顶部发射器与混合共振层距离短，大部分功率沉积在等离子体边缘（r/a≈0.8）。
位置影响方面，120°位置能最大化氘和氚的阻尼效果，但高场侧发射器实操难度高于顶部发射器。
3.燃料参数影响
此外，氚比例等参数也影响功率分配：富氘等离子体中，氚阻尼通常增强；富氚等离子体中，电子阻尼因与共振层距离增加而增强，关系更复杂。
四、结论与展望
研究表明，34MHz ICRF波与顶部发射器结合，可实现超50%的热氘加热，利于点火初期提升离子温度至点火温度，而顶部发射器是确保有利极化和核心阻尼可及性的关键。
未来需进一步研究顶部发射器的工程约束，及不同条件下α粒子有害加热的缓解方法，为聚变反应堆应用奠定基础。
该研究由Jungpuyo Lee等人完成，相关成果为托卡马克主热离子加热技术提供了重要参考。与此同时，该项研究成果也将会在今年10月15日的第三十届国际原子能机构（IAEA）大会上作公开报告。
参考链接：
- https://conferences.iaea.org/event/392/contributions/35969/attachments/19942/33996/Lee-TH-H.pdf
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/adf569/pdf
- https://conferences.iaea.org/event/392/contributions/35969/