近日，美国场反位形商业聚变公司TAE Technologies(以下简称“TAE”)在《Nuclear Fusion》2025年第65卷发表题为《Advanced neutral beam injection in a field-reversed configuration plasma》(先进中性束注入技术在场反位形等离子体中的应用)的研究论文，详细阐述了其在C-2W核聚变装置上的技术突破。该研究通过优化中性束注入(NBI)系统设计与运行模式，首次实现利用NBI在开放磁力线系统中驱动磁场反转，为FRC核聚变反应堆的商业化开发提供了关键技术支撑。
一、技术瓶颈突破：NBI赋能FRC稳定运行
场反位形作为磁约束核聚变的重要构型，具有高等离子体比压、结构紧凑等优势，但其长期面临稳定性差、约束时间短的技术难题。TAE团队将中性束注入技术作为核心解决方案，在C-2W装置上构建了由8台中性束注入器组成的系统，其中4台为静态能量中性束(SNB)，4台为可调能量中性束(TNB)，总注入功率可达20MW，为FRC等离子体的创建与维持提供了强大能量输入。
论文指出，传统NBI技术在FRC应用中存在束流参数匹配难、能量损失大等问题。团队通过三步优化法实现束流导通率(P=I/V³/²)精准调控，在2.25-2.5 A・kV⁻³/²区间找到最优传输状态，使束流宽度最小且稳定性最佳，同时将束流中主离子成分比例提升至80%-90%，显著降低能量损耗。此外，针对中性化气体泄漏导致的快离子损失问题，研究人员通过精细扫描中性化器气体压力，在最大化注入功率的同时，有效控制气体泄漏量，减少快离子与泄漏气体的电荷交换损失。
二、装置与系统创新：C-2W构建技术验证平台
作为全球最大的紧凑型环形装置，C-2W装置的设计为先进NBI技术的验证提供了关键支撑。该装置核心由约束容器(CV)、偏滤器、磁场线圈和中性束注入系统组成，磁场系统包含平衡线圈、镜线圈和偏滤器线圈，可提供FRC形成所需的复杂磁场环境。
在中性束系统设计上，SNB采用三栅极离子光学系统(IOS)，束能量固定为 1keV，离子束电流可达160A，脉冲长度40ms;TNB则采用四栅极双级结构，束能量可在15-40 keV范围内调节，配备可编程高压电源，支持实时波形控制。中性束传输线整合了等离子体发射器、中和器、偏转磁铁和束流诊断设备，其中等离子体发射器通过冷阴极电弧放电产生高电离度等离子体，经多极磁约束增强均匀性，束流诊断系统则通过丝式量热计、二次电子发射探测器等设备实现束流参数的原位精准测量。
实验数据显示，C-2W装置可实现等离子体密度1-4×10¹⁹m⁻³，捕获极向磁通量达16 mWb，FRC等离子体持续时间超过40ms，主要受限于中性束脉冲长度，为后续技术优化预留了提升空间。
三、运行模式革新：动态控制与自动化保障可靠性
为提升NBI系统运行可靠性与灵活性，TAE团队开发了多项创新运行技术。基于C-2W装置积累的68000余次实验数据，研究人员建立了中性束运行参数数据库，开发出NB Automation自动化控制系统。该系统通过分析历史数据构建正常、优化和异常三种运行状态的参数分布区间，实时对比当前实验数据与历史分布，为操作员提供参数调整建议，有效补偿真空度变化、电源波动等因素带来的影响。
在束流参数动态控制方面，团队开发了基于磁滞回线控制的实时反馈算法，通过光学纤维以40Mbps速率传输束流电流测量数据，实现2kHz频率的参数调节，电流稳定精度可达±3%。该系统可在105-155A范围内实现多设定点稳定控制，支持快速脉冲调制，四台TNB协同运行时总电流上升速率可达30A/ms。同时，研究人员还实现了多种波形的束流能量调制，包括正弦波、三角波、调频波和方波，调制频率最高可达3kHz，电压变化幅度±7.5keV，电压变化率达141 MV/s，且在宽能量范围内保持束流稳定性。
值得关注的是，团队还开发了“极限电流驱动”模式，在超出传统最优导通率8%的条件下运行，实现束流电流5%-10%的额外提升。实验验证表明，该模式下束流传输损失仍低于1%，未对真空部件造成显著损伤，且FRC等离子体存储能量呈非线性增长，为提升FRC性能提供了新路径。
四、等离子体效应验证：ABED模式调控快离子行为
研究团队通过同相和异相两种交替束能驱动(ABED)模式，验证了动态束流控制对FRC等离子体的调控作用。当四台TNB以相同相位和频率调制束能量时(同相ABED)，可显著放大快离子相关效应。在0.4 kHz、±7.5 keV 调制条件下，中性粒子分析仪(NPA)测量显示快离子能量分布与束能量调制同步振荡，FRC等离子体热能也呈现相同频率的波动，同时在热能低谷期观察到高能粒子模(EPM)激发，为等离子体参数诊断和数值模拟提供了实验依据。
而当四台TNB采用90度相位差调制时(异相ABED)，快离子速度分布得到有效展宽，显著抑制了高能粒子模。实验对比显示，异相调制模式下，FRC等离子体半径和存储能量的稳定性与静态能量注入相当，200-300 kHz 区间的轴向弹跳模被有效抑制，仅保留静态能量SNB产生的 200 kHz 模式。这一结果表明，通过束流能量的相位调控，可在不影响等离子体平衡的前提下，实现高能粒子模的主动控制，为解决磁约束核聚变中快离子不稳定性问题提供了新方案。
五、商业化前景：为核聚变反应堆奠定技术基础
TAE此次发表的研究成果，不仅在技术层面实现了FRC等离子体稳定控制的突破，更为核聚变反应堆的商业化开发提供了关键技术支撑。FRC构型的紧凑结构使其在反应堆体积与成本控制上具有显著优势，而先进NBI技术的成熟则解决了FRC长期面临的稳定性与能量约束难题。
论文指出，当前研究已实现FRC等离子体的稳定创建与维持，下一步将聚焦于多物理场耦合下的等离子体控制，进一步优化中性束与FRC的协同作用机制，拓展束流参数调控范围，提升等离子体约束时间和能量增益。随着技术的持续迭代，FRC构型有望凭借其优势成为商业核聚变反应堆的重要技术路线，推动清洁能源领域的革命性发展。
