日本国立量子科学技术研究所(QST)与东京大学前沿科学研究生院联合宣布，研究团队已阐明托卡马克型超导等离子体实验装置JT-60SA在弱感应电场下实现等离子体启动的物理机制。相关成果于2026年7月3日发表在国际学术期刊《核聚变》上。
在托卡马克核聚变装置中，运行初期需要先完成“等离子体启动”：通过改变中心线圈电流产生感应电场，使真空容器中的中性气体电离，形成初始等离子体，并进一步提升等离子体电流，使其在磁场作用下稳定维持。对于ITER和未来原型反应堆这类采用大型超导线圈的装置来说，线圈电流难以快速变化，感应电场相对较弱，因此如何在弱电场下稳定“点燃”并维持等离子体，一直是关键难题。
JT-60SA在2023年成功实现等离子体启动，其感应电场达到当时世界最小水平。此次研究对当时的实验数据进行了详细分析，并结合数值模拟，比较了传统“最小磁场法”和JT-60SA首次成功启动等离子体时采用的“捕获粒子法”。研究团队利用可见光相机、光谱仪和磁场仪等设备，跟踪等离子体发光、电流和位置变化，进一步确认启动成败的关键因素。
感应电场和中性气体压力参数空间中等离子体启动条件的比较。
三角形代表现有的常导装置，圆圈代表ITER和原型反应堆的典型条件，彩色带状区域表示JT-60SA中成功实现等离子体启动的区域。在图底部感应电场较弱的区域，等离子体启动变得困难。
分析显示，在弱感应电场条件下，仅靠感应电场产生和加速电子并不足够，电磁波加热必须持续有效发挥作用。传统最小磁场法会在启动初期尽量降低约束磁场以产生初始等离子体，但约束磁场较弱时，等离子体电流增长带来的向外作用力容易使等离子体偏离原本位置。一旦偏出电磁波加热的有效范围，加热效率下降，等离子体电流便难以继续上升，启动也可能失败。
概念图展示了等离子体启动过程中粒子捕获法和最小磁场法的区别
粒子捕获法和最小磁场法实验结果与模拟结果的比较
与此不同，捕获粒子法从等离子体启动初期就施加约束磁场，并通过注入电磁波产生等离子体。研究表明，即便存在一定磁场不规则，该方法也能提供足够的向内约束力，使等离子体保持在加热区域内，从而持续吸收电磁波并完成启动。换句话说，在弱感应电场下成功启动等离子体，关键不只是“加热”，还要让等离子体稳稳停留在能够被有效加热的位置。
研究团队认为，这一成果可为ITER和原型反应堆等大型超导托卡马克装置的启动方案提供设计和运行参考，也有望用于评估等离子体启动期间磁场设计以及可接受误差磁场范围。未来，团队将继续利用JT-60SA评估等离子体启动所需的加热功率，并通过模拟将结果外推至ITER和原型反应堆相关参数，为提高聚变装置等离子体启动可靠性提供依据。
