电子回旋助力“人造太阳”

在浩瀚的宇宙中，太阳是地球上能量的来源，每天清晨，太阳从东方升起，用它的光芒和热量哺育着地球上的生命。随着人类的发展，对能源的需求也日益增长，传统化石燃料必将被耗尽。我们在燃烧化石燃料时，其实是在释放远古生物存储的太阳能，这种存储的速度远远跟不上人类消耗的速度。在这样的背景下，科学家们就想：既然太阳可以源源不断释放能量，那么我们能不能模拟一个小太阳呢？太阳之所以能源源不断地释放能量，是因为其内部无时无刻不进行着核聚变反应，这种反应通过极高温度和压力将氢原子融合为氦，只需要极少的反应物，就能释放出极大的能量。所以现在，可控核聚变就成为了解决能源危机的关键，而在核聚变这个领域中，有一项技术你一定绕不开，那就是电子回旋共振加热技术。

合肥市的西郊，有一座小岛——科学岛，这座看似普通的小岛，其实是中国核聚变研究的摇篮。1978年9月，合肥受控热核反应研究实验站在这成立，陈春先、严陆光、邱励俭、季幼章等老一辈科学家在这里开始了轰轰烈烈的聚变研究。发展到今天，重担落到了EAST肩上，这个充满未来感的庞然大物，仍在为无限清洁能源的愿景不断努力。

什么是EAST？

EAST，全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置”，也被誉为东方超环。是中国独立研发的全球首个全超导非圆形截面托卡马克核聚变实验设备，其独特的全超导技术和非圆截面设计，能够在极端条件下运行，包括超过1亿摄氏度的超高温等离子体、零下269摄氏度的超导磁体温度、超过100万安培的等离子体电流、超过3.5特斯拉的磁场强度以及超高真空环境。这些极端条件的实现，标志着中国在磁约束核聚变研究领域达到了国际先进水平。EAST装置不仅是中国核聚变研究的一个里程碑，也是全球核聚变研究的重要一环。

图1 EAST装置图

ECRH——负责加热等离子体的“微波炉”

在核聚变反应中，等离子体的温度会被加热到1亿摄氏度以上，氢元素的原子核发生聚变反应，释放出大量能量。如何把等离子体加热到1亿度高温，一种叫做ECRH系统成为加热过程中的“秘密武器”。

ECRH全称为电子回旋共振加热系统，里面产生的波主要集中在微波波段，微波是电磁波谱的一部分，而毫米波是微波中频率较高的一部分。用通俗的话来说，ECRH系统就像是专为等离子体加热设计的“微波炉”。我们知道，微波炉是利用微波来加热食物的，ECRH则通过特定频率的微波来加热等离子体中的电子。家用微波炉使用的是电磁波谱中的微波频段，在加热食物时候，这些微波有一个特别的“超能力”：它们能让食物中的分子“跳舞”起来。微波能让分子在短时间内高速旋转、振动，就像是被激活了一样。这种剧烈的运动会产生热量，而热量会传递给周围的分子，从而加热整个食物。想象一下，科学家们利用强大的电磁波将托卡马克内的等离子体加热到比太阳芯部温度高10倍的温度，仿佛点燃了一个恒星。

ECRH 系统发射的微波注入等离子体，使其通过共振吸收进行加热。ECRH系统不仅为EAST提供了重要的加热手段，对EAST的控制也是一把好手。在EAST实验中，ECRH系统的应用，不仅可以帮助提升等离子体温度，还能帮助科学家们更加精确地控制等离子体的状态，这对避免等离子体的不稳定，避免实验失败，具有决定性作用，如图所示，左侧为EAST装置，右侧为ECRH系统。

图2 EAST装置的ECRH系统

什么是电磁波？

想象一下，你在空旷的山谷里大喊一声，不久之后便听到了自己的回声，这是由于你的声带振动产生声波，通过空气这种介质向前传递，声波不断向四周扩散，最终遇到山体反射回来，传到你的耳朵里。电磁波也可以像声波那样传递，特殊的是，它不需要像声波那样通过介质传播，它可以在真空中传播。电磁波是一种由电场和磁场相互垂直变化而形成的波动，本质上由“电”和“磁”两部分组成，我们知道，变化的电场能够产生磁场，而变化的磁场也能反过来产生电场。电磁波在空间中传播的时候，电场和磁场相互驱动，不断地进行能量转换，形成了一种自我维持的波动，这种相互推动的机制使得电磁波无需依赖任何介质，就可以在真空中自由传播。电磁波涵盖了从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线到伽马射线的广泛频谱。其在很多领域都有着广泛的应用，比如通信，雷达，手机，无线电广播等等。电磁波频率越高，相同时间内传递的信息量越大，这一特性使得高频电磁波在现代通信技术中扮演了至关重要的角色。随着5G及未来6G网络的到来，毫米波和太赫兹波的应用逐渐成为焦点，这些频率更高的电磁波能够实现更高速率的数据传输，满足了日益增长的网络需求。

ECRH系统产生的波是毫米波，‌毫米波，即波长为1～10mm的电磁波，位于微波与远红外波相交叠的波长范围，兼有两种波谱的特点。这种电磁波的特性包括高频率和短波长，使得毫米波在传输过程中能够提供较高的数据传输速率和较低的传输损耗，这对于需要高效能量传输的ECRH系统来说至关重要。利用毫米波的高频特性，ECRH系统能够实现局域性好、耦合效率高的加热效果，为聚变等离子体的加热和控制保驾护航。

毫米波在其他领域的应用

近年来，伴随着5G网络的快速发展，毫米波也逐渐开始走入人们的视线，高频率，短波长，大带宽的特性，使它支持高速的数据传输，为5G，6G网络打下坚实基础，由于抗干扰能力强，所以它们在通信系统中可以提供更稳定的连接；在自动驾驶领域，由于毫米波技术的高精度测量，使得汽车可以在复杂的道路上捕捉每一个细微的变化，大大提高了无人驾驶汽车的安全性；毫米波能够轻易穿透某些材料，如塑料和墙壁，这是由于毫米波的波长介于微波与远红外波之间，这使得它们能够更好地穿透而不被吸收，正是由于它良好的穿透能力，使得它被广泛应用于安防监控领域。

可以说，毫米波技术正在从多个方面彻底改变我们的生活。从网络通信到安防监控，毫米波以其独特的优势，正在为我们打造一个更高速、稳定且智能化的未来。

未来挑战

虽然ECRH技术为核聚变反应提供了一种有效的加热手段，但是目前仍然面临着一系列的技术难题。为了有效地加热等离子体，微波的注入角度和功率是一个重要问题，这就要求天线系统需要具备极高的精度和灵活性，从而确保能量能够有效沉积在等离子体的特定区域。这个过程不仅关系到加热效率，还直接影响到等离子体的稳定性。随着加热需求的多样化，回旋管的性能也面临新的挑战，高频回旋管技术就是推动电子回旋共振加热发展的核心领域之一。ECRH系统的稳定运行必须克服模式竞争，为了实现连续稳定的运行，ECRH系统还需要具备实时故障检测与诊断能力。系统应能够实时监测故障信号，并进行快速分析，以便及时响应并恢复正常操作。尽管面临的挑战重重，但这些困难并没有阻止科学家们的脚步，反而激励他们不断突破技术边界，继续探索未知的领域。

结语

几千年来，人类对能源的追求从未停歇，在希腊神话中，普罗米修斯为了帮助人类，偷取了天神宙斯的火焰。这象征着人类对能源的渴望。从工业革命开始，化石燃料逐渐成为能源主角，而进入21世纪，太阳能、风能，聚变能等可再生能源开始逐渐取代传统能源，成为新一轮能源革命的中坚力量。在这一过程中，聚变能作为一种理想的清洁能源，被寄予厚望。ECRH系统通过电磁波加热等离子体，为实现可控核聚变提供重要支持，EAST实验装置，正带领我们走向能源的未来。然而，高温等离子体稳定性问题和反应堆材料耐久性都是可控核聚变迫切需要解决的难题。尽管前路充满挑战，但在全球各地的实验室里，科学家们正齐心协力开展各项研究。我们有理由相信，在未来，”人造太阳“将不再是遥不可及的梦想。想象一下，当“人造太阳”的光芒照亮人类文明的那一天，能源将不再是限制，世界焕发出新的活力。让我们携手并进，共同期待那天的到来！

参考文献

[1] 徐伟业.回旋管运行实验研究.合肥.中国科学院等离子体物理研究所.2016

[2] 风云之声. 这种水果千万别轻易用微波炉加热，否则…… | 把科学带回家.搜狐.2020-11-17

[3] 云深.电磁波传播原理，慢衰落、快衰落、阴影效应、多径传播、多普勒效应、塔下黑. CSDN.2020-05-14

[4] 智联腾众.5G关键技术之毫米波段.2019-08-24

[5] 作者ab.汽车毫米波雷达应用地图.艾邦制造智能汽车俱乐部.2021-8-10

作者：郜宇风 中国科学技术大学 学生

审核专家：王晓洁 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所研究员