国产离子回旋加热系统研制成功

国产离子核聚变“心脏”起跳？离子回旋加热系统研制成功背后，藏着多少卡脖子的密码？

2023年深秋,合肥科学岛上的EAST（全超导托卡马克核聚变实验装置）控制室里，屏幕上的曲线突然跳出一个完美的峰值——温度从5000万摄氏度一路攀升至1.2亿摄氏度，持续长达102秒，这一刻，整个实验室爆发出欢呼：中国环流器二号M装置成功实现高约束模式运行，而驱动这场“人造太阳”持续燃烧的“心脏”，正是我国自主研发的首套大功率离子回旋加热系统（ICRF）。

这个看似冰冷的金属装置,实则是核聚变能源的“点火器”，它通过高频电磁波将能量精准注入超高温等离子体，像给一锅“沸腾的太阳”持续添柴，让原子核克服斥力猛烈碰撞，最终实现聚变反应释放能量，长期以来，这项技术被美、法、日等国垄断，我国核聚变装置的“心脏”部件始终依赖进口，不仅价格高昂，更在关键技术上受制于人，国产离子回旋加热系统的成功研制，不仅打破了国外技术封锁，更让中国在核聚变竞赛中从“跟跑者”跃升为“并跑者”。

这颗“中国心”的跳动，究竟藏着多少被攻克的技术难关？它又将如何改写人类能源的未来？

核聚变的“体温计”：为什么是离子回旋加热？

在探索核聚变的征途上,人类始终在模仿太阳的“燃烧”方式，太阳的核心温度高达1500万摄氏度，在极致的高温高压下，氢原子核聚变成氦原子核，释放出巨大能量，而地球上无法复制太阳的巨大引力，只能用“磁约束”的方式——将等离子体（带电粒子流）束缚在真空室中，用强磁场将其“悬浮”起来，再用加热系统将其“烤”到上亿摄氏度，才能引发聚变反应。

“加热”核聚变等离子体，远比给一锅开水加热复杂得多，等离子体是“一团带电的火”，常规的加热方式要么会被磁场偏转，要么会被粒子吸收，难以精准传递能量，目前国际主流的加热技术主要有三种：中性束注入（NBI）、电子回旋共振加热（ECRH）和离子回旋加热（ICRF），离子回旋加热因其“可穿透性强、加热效率高、能精准控制等离子体剖面”的独特优势，成为大型托卡马克装置的“标配加热器”。

离子回旋加热系统就像一个“超级微波炉”：它通过发射频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的高频电磁波，让等离子体中的离子与电磁波发生“共振”——就像荡秋千时，在合适的时机推一把，秋千会越荡越高，当离子被加速到极高速度时，通过碰撞将能量传递给电子，最终让整个等离子体“热起来”。

“离子回旋加热是核聚变装置的‘体温计’和‘调节器’。”中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研究员、离子回旋加热系统项目负责人钱宝伟解释，“它不仅能帮等离子体达到聚变所需的温度，还能通过调整加热位置和功率，控制等离子体的形状和稳定性，避免其‘撞墙’破裂。”

正因如此,掌握离子回旋加热技术，成为衡量一个国家核聚变实力的关键指标，ITER（国际热核聚变实验堆）作为全球最大的核聚变项目，其加热系统总功率达73兆瓦，其中离子回旋加热系统就占20兆瓦，是三大加热系统之一，而我国自主研制的这套系统，虽然功率目前为4兆瓦（已满足EAST装置需求），但在频率范围、耦合效率、稳态运行时间等核心指标上，已达到国际先进水平。

从“受制于人”到“自主可控”：被封锁的“心脏”如何国产化？

时间拉回到2006年,当中国正式加入ITER计划时，一个残酷的现实摆在眼前：我们连一套完整的离子回旋加热系统都造不出来，当时，国外对华实行严格的技术封锁，核心部件如高频电源、射频天线、传输线等要么禁售，要么开出天价——一套小功率系统报价高达数亿元，且对方拒绝提供技术支持和维修服务。

“有一次我们的天线出了故障，对方派专家来维修，全程不许我们靠近，维修完直接把旧部件带走。”钱宝伟回忆，“那一刻我们意识到，核心技术买不来、讨不来，必须自己干。”

2007年,中科院启动“离子回旋加热系统关键技术研究”专项，由等离子体物理研究所牵头，联合中国电子科技集团、中科院电工所等十余家单位，组成了一支“产学研用”攻关团队，这条自主化之路，远比想象中艰难。

“高频电源”——给电磁波“加压”的“心脏中的心脏”

离子回旋加热系统的核心是“高频电源”，它需要将50赫兹的工频电转换成频率30-100兆赫兹、功率数兆瓦的高频脉冲电，相当于“给电磁波踩上‘风火轮’”，这种电源不仅要承受上万伏的高压，还要在微秒级时间内完成“开关切换”，对元器件的耐压性、散热性和稳定性要求极高。

“当时国内连能承受千伏高压的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）都造不出来，更别说兆瓦级高频电源了。”团队电子工程专家王磊说，为了攻克这一难关，他们从零开始研发新型半导体器件，优化电路拓扑结构，甚至自己动手搭建实验平台，经过上千次试验，2012年，我国首套自主研制的兆瓦级高频电源终于通过验收，其效率达到92%，比国际同类产品高出5%，且成本降低60%。

“射频天线”——等离子体的“能量入口”

射频天线是高频电磁波与等离子体“握手”的关键部件，它需要直接插入真空室，承受上亿摄氏度等离子体的“炙烤”和高能粒子的轰击