去除電荷，送入熱量：中性粒子束加熱的原理

向磁場約束的等離子體從外部輸送熱量：爲此加速粒子需要電荷，但如果粒子保持帶電狀態，軌跡又會被磁場彎曲。連接這兩個條件的技術，就是中性粒子束注入加熱（NBI）。

NBI是一項在不同工序中分別利用粒子電荷狀態的技術。本文以德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（IPP）的ELISE和意大利MITICA爲例，從原理、負離子源到實驗結果的讀法進行解釋。所刊照片均爲各機構公開的研究設施照片。

離子是帶電粒子，可以由電場加速並獲得動能。NBI首先在離子源中產生粒子，以高電壓加速，隨後經過中性化器，變爲不帶電的原子。

中性原子不會像帶電粒子那樣被磁場偏轉，因而能夠穿越約束磁場進入等離子體。在其中通過碰撞再次成爲離子，並把能量傳給周圍。去除電荷不是爲了消除加速獲得的能量，而是爲了輸送到目標位置而改變狀態。

這裏的“中性粒子”是氫等原子，與聚變反應產生的中子不同。另外，未被中性化的殘餘離子會被移除，並導向專用接收部件。產生的束流並不是全部直接用於加熱。IPP的NBI原理解說說明了這一完整流程。

從氫原子移走電子會成爲正離子，額外添加電子則成爲負離子。兩者都能由電場加速，但在高能量下進行中性化時，性質不同。

據IPP介紹，在ITER設想的高能區，由正離子產生中性粒子的效率會降低，因此以負離子爲起點。向大型等離子體輸送能量的要求，會反過來影響離子源的技術路線。但這並不意味著選擇負離子就能解決整個裝置的問題。

ELISE技術解說介紹了利用高頻產生源內等離子體，再借助一層薄銫促進負離子生成的方法。關鍵不僅是大量產生所需粒子，還要能夠從大面積上穩定引出。離子源不是高壓電源的簡單附件。

照片中有大量開孔的部件，是ELISE的加速柵極。對於從大面積離子源引出粒子的裝置，難題不只是增大總電流，還必須抑制空間不均勻和時間波動，在不損壞部件的情況下持續運行。

IPP於2018年7月4日公佈的ELISE試驗中，23安培負氫離子束維持了1,000秒。但當時受電源限制，報告將這一成果與達到ITER所需電流密度分開說明。當時的發佈是區分“運行時間長”與“以所需密度運行”的良好例子。

安培表示電流大小，安培每平方米表示單位面積的電流。比較發佈內容時，首先要確認是否爲同一指標。僅排列運行時長，無法判斷距要求性能還有多遠。

根據IPP於2024年4月29日的發佈，同年3月28日的實驗以約300安培每平方米引出負氫離子，持續600秒。另一次10秒短脈衝達到330安培每平方米。不能把兩者合併讀成“330持續600秒”。

支撐長時間運行的是對隨離子一同引出的電子進行控制，需要抑制電子使柵極過熱的問題。發佈當時，在氘條件下達成以及維持最長1小時，仍列爲下一步目標。

ELISE離子源面積爲ITER所需的一半。因此，這是重要的離子源試驗成果，卻不是ITER加熱運行或發電的記錄。把試驗對象、粒子種類、電流密度和持續時間作爲一組閱讀，才能理解成果的意義及尚待完成的階段。

離開離子源後，後面還有大型設備。全尺寸中性粒子注入裝置原型MITICA，需要組合驗證離子源、束流輸運、抽氣和測量等系統。

Fusion for Energy（F4E）於2025年7月8日宣佈MITICA低溫泵安裝完成。爲捕獲容器內殘餘氣體，其設計將安裝在兩個框架上的192塊面板冷卻至約4開爾文。它支撐束流通道的真空，這一低溫並非被加熱等離子體的溫度。

照片中的兩列結構顯示，抽氣設備也佔據束線的重要部分。同一發佈將安裝後的檢查和調試列爲後續工序。“已安裝”“能夠冷卻”“能夠維持所需抽氣性能”，是不同的達成點。

F4E於2026年7月9日的發佈報告，MITICA束源和量熱器已經運抵。量熱器用於接收束流並測量其功率。MITICA沒有作爲加熱對象的聚變等離子體，因此作爲試驗裝置評價束流性能。

同一發佈除介紹已運抵的低功率量熱器，還說明未來將升級爲高功率型號。發佈時計劃在次年安裝。部件到貨不能被解讀爲集成運行已經完成。

ELISE研究離子源的生成與引出，MITICA則作爲全尺寸裝置驗證。把握這一關係，即使新聞同樣帶有NBI一詞，也更容易判斷其成果降低了哪一類風險。

以下是基於上述技術和試驗工序的商業分析。考慮參與NBI時，與其將市場籠統理解爲“高功率裝置”，不如明確自身能夠負責的性能，以及與對方設備的連接條件，這對實際工作更有用。

例如精密加工，不僅涉及柵極形狀，還涉及使用時的熱負荷和更換方法。真空、低溫設備除了單機性能，還需要重視集成後的泄漏、抽氣與冷卻試驗。測量方面，要區分束流總功率與其空間分佈。這裏列出的領域是對技術的解讀，並非正在招標的採購項目。

閱讀發佈資料時，有三項要確認：第一，測量了什麼量；第二，數值是在什麼粒子種類、面積和時間條件下得到的；第三，是單機試驗還是集成試驗。邊界越明確的成果，越容易連接到下一步設計判斷。

NBI也會注入粒子，但主要目的是輸送高速粒子的能量。它與通過輸送凍結燃料的彈丸注入進行粒子補給或密度控制，在設計核心問題上不同。理解聚變裝置時，把“供給燃料”“加熱”“約束”區分開，同時認識到它們必須共同工作，就容易理清。