近日，根据国际权威学术评价机构科睿唯安(Clarivate)发布的最新基本科学指标数据库（Essential Science Indicators, ESI) 检索，PST期刊2025年度亮点文章“Comprehensive research facility for negative ion source neutral beam injection at CRAFT: design and first operation”(Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 044001) 入选ESI高被引论文（全球物理学科前1%）。
高被引论文(Highly Cited Papers)是ESI数据库按学科领域统计的近10年发表论文中，被引频次在同年、同ESI学科排名全球前1%的论文，是衡量科研成果国际影响力与学术水平的重要指标之一。
该文作者来自中国科学院等离子体物理研究所 NBI团队。中性束注入（NBI）是磁约束聚变等离子体加热与电流驱动的关键技术手段，面向未来大型聚变堆应用需求，发展基于负离子源的中性束注入（NNBI）技术迫在眉睫。相较于常规正离子源中性束注入（PNBI）系统，NNBI系统工作流程更为复杂，技术挑战也更为突出。为攻克聚变堆 NNBI 核心关键技术， NBI团队在聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）项目支持下，完全自主研制国内首个全套NNBI实验平台。该平台现已顺利完成首次实验运行，成功实现长脉冲、大电流负离子束引出与兆瓦级负离子束加速，全过程验证了负离子束气体中性化、残余离子电偏转及中性束传输等关键技术，为我国后续聚变堆 NNBI 技术研发与工程应用奠定了重要基础。
该项研究有三大亮点：1.高能量、高功率、长脉冲负离子源中性束注入（NNBI），是大型磁约束聚变装置等离子体加热与电流驱动的重要手段；2.聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的NNBI系统测试平台于 2019 年开工建设，2023 年完成首轮实验测试；3.该平台初步实现了长脉冲高流强负离子束引出、兆瓦级高能量负离子束加速，以及负离子源中性束全要素、全流程运行。
磁约束聚变是实现可控核聚变能源的重要技术途径。中性束注入（NBI）作为磁约束聚变关键的辅助加热与电流驱动手段，在聚变装置运行与发展中发挥着不可替代的作用，也是未来聚变堆必须突破的核心技术之一。随着聚变装置规模不断提升，对注入束能量的要求持续提高。研究表明，当束能量超过150 keV时，传统正离子源NBI系统的中性化效率将低于20%，而负离子源中性束注入（NNBI）系统仍可保持55%以上的中性化效率，具备显著技术优势。
然而，NNBI系统涉及负离子产生、负离子束引出与加速、超高电压绝缘及功率传输、气体中性化、残余离子偏转等一系列关键环节，技术难度大、系统集成复杂。目前国际上仅有日本JT-60U托卡马克和LHD仿星器装置先后建成并运行NNBI系统，但其综合性能仍远不能满足未来聚变堆的实际需求。
聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）是我国“十三五”规划优先部署的重大科技基础设施，旨在突破未来聚变堆设计、建造与运行的核心关键技术，NNBI关键技术攻关是其中重要研究内容。CRAFT NNBI实验平台于2019年启动设计与建设，计划2025年全面建成，目标实现长脉冲高性能中性束输出，为我国聚变工程试验堆（CFETR）NNBI 系统研制提供关键技术验证与工程支撑。自主研发并全面掌握NNBI全套核心技术，对我国聚变堆技术发展具有重要的战略意义与工程应用价值。
CRAFT NNBI实验平台主要由两大核心实验装置构成（如图1所示）。其中，合肥负离子源研究开放平台（HONOR）面向聚变专用负离子源关键技术研究，配置了完备的等离子体诊断与束流诊断系统，可系统开展射频等离子体放电、负离子产生、负离子束引出与加速等核心物理实验及工程技术研究。CFETR 中性束预研装置（CANBE）则作为 CFETR 负离子源中性束系统验证样机，可实现负离子束加速、气体中性化、残余离子电偏转及中性束传输等全流程技术验证。此外，该实验平台还配套建设了高压电源、冷却水系统、低温系统等关键辅助设施，为全系统稳定运行提供支撑。
图1 CRAFT NNBI实验平台总体布局及主要实验运行装置
图2 CRAFT NNBI负离子源研发路线
负离子源是NNBI系统的最核心部件，其主要功能是提供初始的高能量、高功率负离子束，直接决定整个系统的性能上限。由于我国在NNBI负离子源领域研发起步相对较晚，技术积累相对薄弱，研究团队立足实际、循序渐进，制定了“结构由小到大、性能由低到高”的阶梯式研发策略，稳步突破技术瓶颈。图2展示了在CRAFT项目支持下，团队自主研发的四台射频负离子源——射频激励器从单驱动逐步升级至四驱动，加速器性能从 50 keV 稳步提升至 400 keV，工作环境也从空气中运行逐步向聚变堆实际需求的真空中运行过渡，每一步升级都为后续核心技术突破奠定了坚实基础。
图3 基于CRAFT双驱动射频负离子源的长脉冲负离子束引出和高电流负离子束引出的典型实验波形
HONOR实验装置的首次实验运行于 2023 年 4 月至 11 月开展。实验依托CRAFT双驱动射频负离子源（配备50 keV级加速器），成功实现两类关键工况下的负离子束引出：一是55.4 keV、7.3 A（束流密度约123 A/m²）、105 s的长脉冲负离子束引出；二是55.0 keV、14.7 A（束流密度约248 A/m²）、30 s的高电流负离子束引出（如图3所示）。该成果成功复刻了 CRAFT 单驱动射频负离子源的负离子束流密度与束脉宽指标，标志着研究团队已基本掌握强流负离子产生与引出的核心技术。在此基础上，团队将 CRAFT 双驱动射频负离子源升级至200 keV级加速器，成功获得 135.9 keV、8.9 A、8 s 的兆瓦级负氢离子束，初步验证了高能量负离子束的加速能力，为后续技术升级奠定基础。
图4 基于CRAFT双驱动射频负离子源的高能量负离子束加速和中性束生成的典型实验波形
CANBE实验装置的首次实验运行于 2023 年 11 月至 2024 年 1 月完成。该实验同样基于CRAFT双驱动射频负离子源，首次实现了负离子束产生、中性化、残余离子偏转及中性束测量的全流程运行——在109.5 keV、3.4 A、8 s的工况下，成功获得43.1%的中性化效率。值得关注的是，团队在国际上首次将电偏转技术应用于NNBI装置，初步论证了该技术对残余离子的有效移除效果，为国际热核聚变实验堆（ITER）及我国聚变工程试验堆（CFETR）的NNBI系统设计提供了重要工程参考
本文系统综述了CRAFT NNBI实验平台的两大核心装置——HONOR与CANBE的设计方案及其首次实验运行成果。研究团队依托自主设计研制的CRAFT双射频驱动负离子源，在 HONOR装置上成功突破长脉冲、大电流负离子束引出及兆瓦级高能负离子束加速等核心技术；在CANBE装置上则首次完成了从负离子产生、中性化、残余离子偏转到中性束测量的全流程闭环运行，有力验证了平台整体设计及负离子源技术方案的合理性与可行性。
下一阶段，研究工作将聚焦于关键技术的深化与突破：重点攻克加速器高压击穿难题，优化铯污染控制、束流光学调控及杂散带电粒子行为等关键因素，以期实现长脉冲兆瓦级负离子束的稳定输出；同时完成两台四驱动负离子源的组装与测试，升级HONOR装置诊断系统以支撑更深层次的等离子体与束流均匀性研究，并推动CANBE装置大型低温泵的全面投运。团队将瞄准200-400 keV、2 MW、100 s中性束输出的平台建设目标，持续开展NNBI关键技术迭代，为我国聚变堆NNBI系统的研发奠定坚实的技术基石。
第一作者介绍
韦江龙，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副研究员，主要从事负离子源中性束注入物理与工程研究。
Email: jlwei@ipp.ac.cn
通讯作者介绍
梁立振，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副研究员，主要从事磁约束聚变中性束注入技术研究，负责CRAFT负离子源中性束注入系统和BEST正离子源中性束注入系统的研发与运行。
Email: lzliang@ipp.ac.cn
作者信息：
Jianglong WEI (韦江龙)*, Yahong XIE (谢亚红), Yuanlai XIE (谢远来) ;(...); Lizheng LIANG (梁立振）
原文链接：http://pst.hfcas.ac.cn/article/cstr/32219.14.2058-6272/ad8da7
PST 相关发文
[1] Lizhen LIANG, Jianglong WEI, Yongjian XU, Wei LIU, Yahong XIE, Yuming GU, et al., “Integrated operating realization to achieve 2 MW negative ion beam acceleration on CRAFT NNBI facility”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 122001
[2] Yuwen YANG, Bin LI, Jianglong WEI, Lizhen LIANG, Yahong XIE, Chundong HU, “Physical design of electron dumps for the beamline of CFETR advance neutral beam equipment (CANBE)”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 054006
[3] Bo LIU, Zhimin LIU, Caichao JIANG, Sheng LIU, Junjun PAN, Shiyong CHEN, et al, “Research on the distributed capacitance for high-voltage key components on CRAFT NNBI”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 044007
[4] Junwei XIE, Yahong XIE, Jianglong WEI, Lizhen LIANG, Xufeng PENG, Yuwen YANG, et al, “Experimental results of a magnetic field modification to the radio frequency driver of a negative ion source”, Plasma Sci. Technol. 26 (2024) 045602
[5] Jiarong WU, Guosheng XU, Dehong CHEN, Fujia WANG, Baonian WAN, “Evaluation of the fusion power via beam-target reaction on EAST and CFETR”, Plasma Sci. Technol. 28 (2026) 015101
