近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所在集成永磁體和簡(jiǎn)單線圈的先進(jìn)仿星器設(shè)計(jì)研究取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。
仿星器是聚變?nèi)朔e參數(shù)僅次于托卡馬克的磁約束核聚變途徑，與托卡馬克相比，具有穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，避免了托卡馬克的主要缺點(diǎn)：等離子體大破裂。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，仿星器并沒(méi)有作為聚變堆技術(shù)路線的首選，主要原因有兩個(gè)：一是傳統(tǒng)仿星器磁場(chǎng)的波紋度比托卡馬克大，導(dǎo)致其新經(jīng)典輸運(yùn)水平和高能粒子損失水平高于托卡馬克。二是仿星器需要三維結(jié)構(gòu)的線圈，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、成本高。
針對(duì)這兩個(gè)難點(diǎn)，科研人員已在前期工作中開(kāi)展研究并取得進(jìn)展。長(zhǎng)期以來(lái)，仿星器研究領(lǐng)域試圖通過(guò)優(yōu)化磁場(chǎng)位形來(lái)降低仿星器的新經(jīng)典輸運(yùn)水平和高能粒子損失水平。研究發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)仿星器磁場(chǎng)位形優(yōu)化實(shí)現(xiàn)精確準(zhǔn)對(duì)稱，證明了仿星器可以實(shí)現(xiàn)和托卡馬克相當(dāng)?shù)男陆?jīng)典輸運(yùn)水平和高能粒子損失水平（Physical Review Letters）。當(dāng)前，國(guó)際上尚未采用精確準(zhǔn)對(duì)稱位型的仿星器裝置來(lái)驗(yàn)證該發(fā)現(xiàn)，這為我國(guó)仿星器研究提供了發(fā)展機(jī)遇。此外，科研人員發(fā)現(xiàn)可以引入永磁體來(lái)簡(jiǎn)化仿星器的線圈（Phyical Review Letters）。引入永磁體之后，仿星器可以采用和托卡馬克一樣的平面線圈，從而降低建造的難度和成本。由于主要的環(huán)向磁場(chǎng)由線圈來(lái)產(chǎn)生，永磁體僅用來(lái)補(bǔ)償?shù)入x子體表面的法向磁場(chǎng)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變換，因此并不需要永磁體產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)。此外，永磁體不耗能、成本低、天然穩(wěn)態(tài)，采用永磁體的仿星器產(chǎn)生的磁場(chǎng)位型，其精度遠(yuǎn)高于僅采用線圈的仿星器，有助于建造精確準(zhǔn)對(duì)稱的低成本先進(jìn)仿星器實(shí)驗(yàn)裝置。
結(jié)合永磁體的仿星器是國(guó)際仿星器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而如何用工程簡(jiǎn)單的永磁體塊產(chǎn)生所需的三維磁場(chǎng)是研究難點(diǎn)。近期，徐國(guó)盛課題組首次提出一種標(biāo)準(zhǔn)化永磁體設(shè)計(jì)策略。該策略采用了“分治策略”的思路，將永磁體塊的設(shè)計(jì)過(guò)程分解為逐個(gè)設(shè)計(jì)每一塊永磁體，然后進(jìn)行多次迭代以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，迭代過(guò)程包括局部?jī)?yōu)化和全局優(yōu)化兩個(gè)部分。該思路易于高度限定每一塊永磁體的具體形式，直接以工程實(shí)現(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行永磁體設(shè)計(jì)。基于該設(shè)計(jì)策略，徐國(guó)盛課題組實(shí)現(xiàn)了仿星器永磁體的標(biāo)準(zhǔn)化，即所有永磁體塊大小、形狀，剩磁強(qiáng)度完全相同且磁化方向?yàn)橛邢迋€(gè)指定方向之一。該設(shè)計(jì)使得永磁體塊可批量生產(chǎn)，降低了加工制造成本。此外，統(tǒng)一的大小、形狀使得永磁體塊可以拼裝起來(lái)，有利于裝配精度控制。該研究有助于永磁體仿星器從概念設(shè)計(jì)階段邁向工程實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)仿星器的發(fā)展。
對(duì)于永磁體仿星器，永磁體是否可以提供足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)受到廣泛關(guān)注。在液氮溫度下，Pr-Fe-B 磁體的剩磁和矯頑力可以分別達(dá)到1.54T和7.0T，足夠支持一個(gè)采用平面線圈的中等規(guī)模仿星器實(shí)驗(yàn)裝置。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，有望得到性能更高的永磁體材料。最新研究表明，F(xiàn)e16N2磁體的剩磁可以達(dá)到2.9T，其矯頑力理論上大于1.2T。徐國(guó)盛課題組提出的標(biāo)準(zhǔn)化永磁體設(shè)計(jì)策略可以自動(dòng)給出磁化方向具備Halbach（↑→↓←↑）排列特點(diǎn)的永磁體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。仿星器聚變堆雖然需要較強(qiáng)的磁場(chǎng)并具備較厚的包層，放置于包層之外的永磁體能夠提供的磁場(chǎng)相對(duì)較弱，難以將三維扭曲線圈完全簡(jiǎn)化為平面線圈，但是部分簡(jiǎn)化仍具有重要意義，尤其是對(duì)于性能出色，但是所需線圈系統(tǒng)復(fù)雜以至于難以實(shí)現(xiàn)的仿星器位型。
相比于當(dāng)前仿星器采用的極為復(fù)雜的三維扭曲線圈，可批量制造的標(biāo)準(zhǔn)化磁體塊以及簡(jiǎn)單線圈的低生產(chǎn)成本和低工程難度對(duì)仿星器的設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)具有重要意義，將永磁體和準(zhǔn)對(duì)稱位形結(jié)合起來(lái)的先進(jìn)仿星器有望成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的低成本穩(wěn)態(tài)磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置。
