通过中性束注入产生场反位形：迈向未来聚变能源系统的关键突破

在探索可控核聚变的征程中，为解决场反位形（FRC）启动及维持难题，TAE Technologies, Inc. 等机构研究人员开展 “通过中性束注入产生场反位形” 研究。结果表明该方法可成功产生 FRC 等离子体，简化了 FRC 启动流程，为实现无中子发电带来新希望。

　　核聚变能源一直是科学界追求的圣杯，它有望为人类提供几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源，彻底改变全球能源格局。然而，实现可控核聚变面临诸多挑战，其中场反位形（Field-Reversed Configuration，FRC）等离子体的产生和稳定维持就是一大难题。FRC 作为一种极具潜力的核聚变反应堆概念，以其紧凑的结构、高功率密度（典型平均 β ~90%）、轴对称几何形状以及便于排出能量、灰烬和杂质的线性无限制偏滤器等优势，备受关注。但以往的启动方法，如电子束注入、奇偶性旋转磁场、球马克合并、θ 箍缩等，都存在各自的局限，比如 θ 箍缩法需要快速脉冲功率技术，且此前中性束注入（Neutral Beam Injection，NBI）在 2XIIB 实验中也未能实现场反转，相关机制和条件一直存在诸多猜测 。

为了攻克这些难题，TAE Technologies, Inc. 的研究人员展开了深入研究。他们通过一系列实验，成功证明了通过中性束注入能够产生场反位形等离子体，这一成果发表在《Nature Communications》上。这一突破意义重大，极大地简化了基于 FRC 的聚变反应堆设计的启动要求和操作复杂性，朝着通过高 β 自约束等离子体实现无中子发电的最终目标迈出了实质性的一步，为未来核聚变能源系统的发展开辟了新路径。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。首先，利用贝叶斯电流断层扫描（Bayesian current tomography），通过外部磁传感器和磁体电流时间演化信息，推断最可能的等离子体电流分布；其次，借助蒙特卡罗平衡重建（Monte Carlo equilibria reconstruction）技术，结合实验测量的密度、温度以及机器输入参数，求解安培定律，以深入了解 FRC 内部磁场结构；此外，还通过监测磁波动（magnetic fluctuations），利用 Mirnov 探针阵列获取相关数据，研究 FRC 形成过程中磁场拓扑结构的变化 。

研究结果如下：

• 机器配置（Machine configurations）：Norm 配置下，等离子体主要存在于由偏滤器界定的中央约束容器（CV）中。通过 8 束 15 keV 能量的中性束驱动等离子体电流，可提供高达 13 MW 的中性功率。为了平衡 NBI 导致的等离子体旋转，在偏滤器中设置同心边缘偏压电极驱动径向电流产生反向扭矩，从而稳定 FRC 核心。
• 场反转序列（Field reversal sequence）：在 Norman 装置中，通过轴向等离子体枪和边缘偏压电极的E×B放电产生种子等离子体，1 - 4 ms 后开始捕获注入的中性束，提供快速离子电流。随后的几毫秒内，等离子体电流增长，在 CV 中形成稳定的 FRC 平衡态。这一过程比其他形成方法耗时更长，可能是由于快离子积累和电流驱动过程较慢。
• 场反转的验证（Verification of field-reversal）：
  • 传统方法改进：采用改进的场反转指数法，定义场反转指数ζ≡∣ΔB∣/Bvec? ，通过计算和测量相关磁场参数，验证了 Norman 装置中实现了场反转，而此前 2XIIB 实验中该指数最大值仅为 0.9，未达到场反转条件。
  • 先进重建算法：运用电流断层扫描（Current Tomography）和蒙特卡罗平衡重建（SEQUOIIA）两种方法，对实验放电进行二维重建。电流断层扫描利用贝叶斯反演确定等离子体电流分布和磁通量；SEQUOIIA 通过求解安培定律，结合多种实验数据得到 FRC 的平衡态参数，如分离半径、轴向长度、捕获的极向通量等，进一步证实了场反转的存在。
  
  
• 镜向 - FRC 转变（Mirror-to-FRC transition）：
  • 进动运动（Precession motion）：在 C - 2W 装置中，监测到快速离子驱动的磁波动从n=1环向模式结构转变为n=2模式，这与快速离子轨道的进动相关。随着场反转参数增加，快速离子轨道从主要的n=1（回旋轨道）转变为n=2（betatron 轨道），相应模式的波动强度增加，这一转变在 FRC 形成过程中一致被观察到。
  • 轴向反弹运动（Axial bounce motion）：发现了一种与快速离子轴向反弹运动及其谐波共振的能量粒子模式（Energetic-Particle Modes，EPMs），即轴向反弹模式（Axial Bounce Mode，ABM）。在镜向 - FRC 转变过程中，随着快速离子转向点向中平面移动，ABM 的频率增加。通过对 ABM 的监测，可以有效评估磁场拓扑结构的变化。
  
  
• 通过中性束注入直接实现场反转（Direct field reversal by neutral beam injection）：构建了描述 FRC 产生的理论模型，得出场反转的最小标准为τ??(1?S)Iinj?/τ2n?>BL/μ0? 。实验扫描不同磁场和中性束电流值，结果显示 FRC 形成的边界与理论预测相符。

研究结论和讨论部分指出，通过中性束注入成功从种子镜向等离子体中产生了场反位形，所得平衡态与 θ 箍缩产生的 FRC 合并和加速形成的平衡态相当。多种方法验证了场反转的实现，并且模拟结果也表明 NBI 产生场反转已成为现实。这一突破性发现极大地简化了基于 FRC 的聚变反应堆的启动和操作过程，为未来实现无中子发电的经济高效核聚变反应堆奠定了重要基础，在核聚变能源研究领域具有里程碑式的意义，为后续研究指明了新方向，有望推动核聚变能源从理论研究走向实际应用。