為什麼要加熱等離子體：從射頻與迴旋管原理，到ITER的工程應用

僅靠在托卡馬克等離子體中通電，很難達到聚變所需的高溫，因此還需要用粒子束或電磁波補充能量。迴旋管是電子迴旋加熱所使用的大功率毫米波源，並不是整套加熱方式的名稱。

本文從「為什麼要加熱等離子體」出發，串聯起波的選擇、電子管內部的工作原理、實現長時間運行的技術發展，以及向ITER交付設備的進展。截至2026年10月25日，日本最初承擔的8臺迴旋管已全部交付ITER，現場也已於2026年9月確認約1 MW的輸出功率。不過，追加20臺中的首臺於9月抵達的是日本那珂研究所，尚未交付ITER。分清這些目的地，才能判斷每一則消息究竟代表哪個階段的進展。

1. 為什麼要加熱等離子體
2. 為什麼僅靠電流難以持續升溫
3. 如何選擇NBI、ICRH、ECRH與LH
4. 迴旋管內部發生了什麼
5. 改變日本研發進程的三項技術
6. 將毫米波送入等離子體
7. 向ITER交付與現場試驗
8. 下一步的性能挑戰及其產業意義

參與聚變反應的是原子核。原子核帶正電，彼此排斥，因此很難直接靠近。提高溫度、增強粒子運動，是為了接近聚變反應能夠以足夠頻率發生的條件。但並不是「溫度夠高就一定能夠發電」，燃料密度以及熱量逸出前能夠被約束的時間，也必須同時滿足要求。IPP：聚變條件

這裡的溫度不是裝置壁面的溫度，而是描述構成等離子體的粒子運動有多劇烈。電子與離子的溫度可以不同，首先向哪一類粒子輸入能量，也會改變加熱的路徑。因此，加熱電子的裝置並非與參與聚變的原子核無關；電子和離子會通過碰撞交換能量。ITER：外部加熱系統

運行過程中，能量仍會通過粒子輸運和輻射不斷流失。要提高溫度，加熱功率就必須超過損失；要維持溫度，則需要讓能量收支平衡。此外，氘氚反應產生的氦原子核還會帶來自加熱。當這種自加熱超過外部加熱時，便形成「燃燒等離子體」。外部裝置負責將等離子體加熱到這一狀態，此後也繼續承擔調節運行狀態的作用。實現燃燒等離子體，與讓整座電站具備向外售電的能力，是兩個不同的目標。美國能源部：燃燒等離子體解析

托卡馬克通過改變線圈產生的磁通，在等離子體中感應出電流，原理類似變壓器。由於等離子體具有電阻，電流流過時會產生焦耳熱，這就是歐姆加熱。但等離子體越熱，導電能力反而越強。

在通常的高溫等離子體近似下，電阻隨電子溫度升高而降低，大致與溫度的3/2次方成反比。相同電流下的發熱功率等於「電阻×電流的平方」，因此溫度越高，加熱作用越趨於減弱。這裡的解釋以電流恆定為前提，不能將同樣的結論直接套用於電源電壓恆定的另一種條件。UKAEA：等離子體電阻加熱模型

簡單增加電流也並非沒有限制。等離子體電流還關係到約束磁場的結構和穩定性，不能只按加熱需求來決定。感應方式還受到必須持續改變磁通這一條件的限制。因此，能夠通過其他手段分別控制維持等離子體所需的電流和額外輸入的熱量，十分重要。加熱裝置不僅是大型加熱器，也是在增加運行調控的自由度。IPP：等離子體加熱

外部加熱首先可分為兩大類：注入高速粒子，以及注入電磁波。中性束注入加熱（NBI）先用電場加速粒子，再將其轉化為中性粒子，使其穿過磁場進入等離子體。高速粒子在內部重新電離後，將能量傳給周圍粒子。這裡的中性粒子是原子，不是中子。IPP：NBI原理

RF是Radio Frequency的縮寫，意為射頻。本文將其作為利用電磁波進行加熱和電流驅動的統稱，但在某些應用語境中，也會將用於離子的射頻與用於電子的毫米波分開稱呼。「RF還是迴旋管」並不是二選一的問題：迴旋管是其中一種RF系統所使用的電磁波源。

• ICRH（離子迴旋共振加熱）使波與離子在磁場中的迴旋等運動發生耦合。ITER的設計頻率為40～55 MHz，通過天線將波耦合進入等離子體。由哪一種離子吸收，以及吸收後熱量再傳給哪些粒子，取決於燃料組成和運行條件。
• ECRH（電子迴旋共振加熱）利用與電子迴旋運動耦合的電磁波，首先加熱電子。ITER採用170 GHz。由於較容易將能量集中到目標位置，除加熱外，還可用於局部電流驅動和不穩定性控制。
• LH（低雜波）是另一種方式，使用介於離子和電子迴旋頻率之間的頻段。它利用沿磁力線方向的電場與電子之間的相互作用，在電流驅動方面尤其重要。不能將它混入ITER目前的三種主要外部加熱方式之中。

ITER：ECRH、ICRH與NBI / UKAEA：ICRH / UKAEA：LH

MHz和GHz表示波振盪的快慢，MW表示每秒傳遞的能量大小。170 GHz在真空中對應約1.8 mm的波長，因此稱為毫米波。頻率更高並不意味著加熱能力一定更強，必須根據磁場、密度、吸收位置和運行目標來選擇合適的波。電子迴旋波的傳播也存在與密度有關的限制，並非可以自由到達任何等離子體的中心。UKAEA：電子迴旋加熱

迴旋管是一種將電能轉換成大功率毫米波的真空電子管。它不是放在反應堆內部的發熱體，而是在遠離反應堆的位置產生電磁波。沿著能量流動的路徑，可以將其內部歸納為五個主要部分。

第一部分是電子槍：從加熱的陰極引出電子，再用高電壓加速。第二部分是超導磁體和諧振腔。電子在強磁場中一邊迴旋一邊前進，通過與諧振腔內電磁場的相互作用，將迴旋運動的能量傳遞給電磁波。它利用的並不是「高速電子撞擊物體後發熱」。JAEA：內部結構與工作原理

第三部分是模式轉換器和內建反射鏡，將諧振腔中產生的電磁波分佈整理成適合向外傳輸的波束。第四部分是輸出窗，它是在維持真空的同時允許大功率毫米波通過的邊界，合成金剛石在這裡發揮著重要作用。第五部分是收集極，接收產生電磁波後的電子。電子的去向與毫米波的出口並不相同。QST研究人員的迴旋管技術解說

繪製結構圖時，也應保留實際設備的相對關係：電子槍在下部，諧振腔位於磁體內部，另有光學系統、側方的輸出窗，以及上部的收集極。並不是電子束直接沿波導進入托卡馬克；波導傳輸的是電磁波。ITER：迴旋管設備構成

「與家用微波爐一樣使用電磁波」可以作為理解的起點，但僅靠加熱食物分子的比喻，無法說明電磁波與磁場中電子的共振、向特定位置注入能量，以及電流驅動。此外，即便電子槍被稱為「磁控注入式電子槍」，也不意味著整臺迴旋管就是家用磁控管。

日本面向ITER的研發自20世紀90年代起逐步積累。所需的不只是短時間產生強電磁波，而是同時實現高頻率、大功率、高效率和長時間運行。沿著三項關鍵突破回看，就能理解這種大型電子管如何發展為實用設備。

第一項是回收電子剩餘能量的技術。如果把未轉化為電磁波的能量全部變成收集極上的熱量，不僅浪費電力，還會增加冷卻難度。因此，研發人員採用了使電子減速並回收能量的結構。QST研究人員的綜述將1994年的試驗視為提高效率的重要節點。迴旋管研發回顧

第二項是合成金剛石輸出窗。輸出窗不僅要讓電磁波高效通過，還必須散去少量吸收所產生的熱量，並作為真空邊界承受運行條件。1997年的日歐合作試驗成為邁向長時間、大功率運行的轉折點。JAEA的1999年研究介紹記錄了當時的成果，包括在170 GHz下以520 kW運行6.2秒。不能把今天的兆瓦級性能追溯套用到當年的設備上。JAEA：1999年研究記錄

第三項是長時間維持穩定振盪的控制技術。發射電子的陰極若在運行中冷卻，束流電流就會下降，輸出功率和振盪條件也會變化。JAEA的2006年研究介紹說明，通過提前控制陰極加熱器，實現了約0.6 MW持續運行1000秒。這也說明，「運行時間更長」與「達到最大輸出功率」必須作為不同的成果來理解。1000秒運行研究

此後，性能提升至1 MW級的高效率、長脈衝運行，研發也從樣機研究轉入ITER實際設備的製造與驗收試驗。開發者在2009年的解說中，將實現1 MW、800秒、55%效率的時間記為2006年末；而QST後來的宣傳資料則將2008年歸納為研發成功年份。相關論文發表於2007～2008年，不應混淆實際達成時間與後來的回顧表述。開發者2009年的解說 JAEA：高效率振盪研究

電磁波從電子管輸出，並不代表整套系統已經完成。只有高壓電源、超導磁體、冷卻水、真空系統和保護電路協同工作，才能實現穩定振盪。輸出窗之後，還依次連接著波束整形光學系統、波導、彎頭、切換器，以及真空室側的發射器。發射器決定波的注入方向，將其送往所需的等離子體區域。ITER：電源整合調校

在大功率毫米波系統中，即使很小的損耗也會導致部件發熱。管道接頭或彎頭處若出現不希望有的波場分佈，傳輸效率也會改變。ITER於2026年9月28日公佈，美國負責的傳輸線中，10類主要部件已有9類進入製造階段。直流隔離段已完成製造、交付和驗收，而用於調節偏振的彎頭計畫於2027年進行試驗。這並不意味著整個傳輸系統已經建成。ITER：傳輸線部件製造進展

電磁波進入等離子體後，還需要測量其在何處被吸收。法國CEA的WEST裝置報告稱，在2026年引入首臺迴旋管後，已經在實際等離子體中確認了ECRH對電子溫度的影響。試驗分設備、分條件逐步推進：試驗台上為800 kW、60秒，進入裝置後最初為800 kW、1秒。因此，除了輸出功率，還要看清「在哪裡、向什麼負載、持續多少秒」。CEA：WEST運行報告

日本最初的8臺與追加的20臺，屬於不同的採購批次。截至2026年10月25日的官方記錄，應分開理解。

• 最初8臺：2013年9月簽訂採購安排，至2021年4月全部完成製造，最後一臺於2024年3月完成工廠驗收試驗。最後一批貨物於2025年1月21日抵達ITER倉庫。這代表交付完成，並不代表8臺全部完成安裝和整合運行。QST ITER Japan第141期
• 首臺安裝：QST於2025年8月21日宣佈安裝完成。該消息針對首臺，並非日本所有設備同時完成安裝。安裝公告
• 現場振盪：2026年7月31日，QST宣佈在ITER現場整合電源、冷卻等系統後，確認了170 GHz的輸出。隨後，10月8日發行的QST《每週聚變》報告稱，9月已確認約1 MW的輸出功率。但資料沒有說明持續時間，也未宣告完成數百秒試驗；這與ITER成功加熱等離子體或開始發電是不同的事情。QST：9月約1 MW輸出報告 現場試驗公告
• 追加20臺：針對QST於2025年5月承接的追加採購，QST於2026年5月20日公佈了與日本國內6家公司的合約，其中包括將每臺輸出功率提高至1.2 MW。另有4臺的追加選項，應與已經確定的20臺區別看待。追加採購公告
• 追加批次首臺：於2026年9月30日交付那珂聚變科學技術研究所。10月14日發行的QST ITER Japan第178期說明，計畫在完成調整和驗收檢驗後，於當年12月下旬交付ITER。不能將「抵達那珂」理解為「抵達法國」。追加批次首臺報告

這條時間線展現了一個漫長過程：將研究中取得成功的技術，變成能夠與現場設施連接運行的設備。製造完成、檢驗合格、運輸、安裝、確認輸出以及向等離子體注入，每個階段都需要各自的證據。公告發布日期與事件實際發生日期也可能不同。

電子迴旋加熱的價值並不只在於熱量。改變作用位置、驅動局部電流，以及應對等離子體不穩定性，同樣重要。即使自加熱增強，也不意味著不再需要從外部進行精細控制。今後的研究需要回答：在什麼運行條件下，能夠以多高的精度、多快的速度實施控制。

拓展可用頻率的研究也在推進。QST與京都聚變工程公司（Kyoto Fusioneering）於2024年7月26日宣佈，已用一臺迴旋管實現5種頻率的振盪，並新增236 GHz的驗證結果。該研究面向採用更強磁場的未來反應堆，但這次236 GHz演示使用的是30微秒短脈衝。它不是長時間運行的實用設備研製完成的公告，長脈衝化與效率驗證仍是後續課題。不能把更高頻率與更高功率、更長運行時間籠統歸為同一種「性能提升」。QST與Kyoto Fusioneering聯合公告

從產業角度看，除了一次達到峰值功率的能力，可重複運行的可靠性、故障時停機的保護機制，以及維護便利性，也構成設備價值。這些是從設備功能出發的實際問題，而非對未來收益的預測。單個部件的效率、電磁波傳輸效率、等離子體實際吸收的比例，以及整個設施的耗電量，需要分別評價。

例如，看到「轉換效率50%」時，應確認這個數字比較的是哪一項輸入與哪一項輸出。電子管的毫米波輸出與直流輸入之比，不能等同於包含冷卻和磁體在內的整個設施效率，更不能等同於電站效率。僅憑1.2 MW的輸出功率或170 GHz的頻率，都不足以證明發電的可行性。

下一步值得關注的是：追加批次首臺的檢驗結果及其實際抵達ITER的情況，現場試驗的功率與持續時間，以及包括傳輸線和發射器在內的整合進展。理解從加熱需求到這些工程階段的完整順序，就能把看似相近的「交付」「首次振盪」和「等離子體加熱」消息，識別為不同的技術成果。

有關供應企業及分工，詳見迴旋管加熱系統供應鏈；有關高速粒子加熱，詳見NBI的工作原理。

隨著溫度升高，僅靠電流加熱的作用會減弱，因此需要從外部輸入粒子或電磁波。迴旋管將電子運動的能量轉化為毫米波，再通過傳輸線和發射器將波送入等離子體。圖中將能量流動與交付、安裝、試驗等不同階段分別呈現。