近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所在集成永磁體和簡單線圈的先進仿星器設(shè)計研究取得進展，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)運行的優(yōu)勢，避免了托卡馬克的主要缺點：等離子體大破裂。然而，長期以來，仿星器并沒有作為聚變堆技術(shù)路線的首選，主要原因有兩個：一是傳統(tǒng)仿星器磁場的波紋度比托卡馬克大，導致其新經(jīng)典輸運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)復雜、制造難度大、成本高。
針對這兩個難點，科研人員已在前期工作中開展研究并取得進展。長期以來，仿星器研究領(lǐng)域試圖通過優(yōu)化磁場位形來降低仿星器的新經(jīng)典輸運水平和高能粒子損失水平。研究發(fā)現(xiàn)，可通過仿星器磁場位形優(yōu)化實現(xiàn)精確準對稱，證明了仿星器可以實現(xiàn)和托卡馬克相當?shù)男陆?jīng)典輸運水平和高能粒子損失水平（Physical Review Letters）。當前，國際上尚未采用精確準對稱位型的仿星器裝置來驗證該發(fā)現(xiàn)，這為我國仿星器研究提供了發(fā)展機遇。此外，科研人員發(fā)現(xiàn)可以引入永磁體來簡化仿星器的線圈（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)向磁場由線圈來產(chǎn)生，永磁體僅用來補償?shù)入x子體表面的法向磁場，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變換，因此并不需要永磁體產(chǎn)生較強的磁場。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)生的磁場位型，其精度遠高于僅采用線圈的仿星器，有助于建造精確準對稱的低成本先進仿星器實驗裝置。
結(jié)合永磁體的仿星器是國際仿星器研究領(lǐng)域的熱點，而如何用工程簡單的永磁體塊產(chǎn)生所需的三維磁場是研究難點。近期，徐國盛課題組首次提出一種標準化永磁體設(shè)計策略。該策略采用了“分治策略”的思路，將永磁體塊的設(shè)計過程分解為逐個設(shè)計每一塊永磁體，然后進行多次迭代以獲得最優(yōu)設(shè)計，迭代過程包括局部優(yōu)化和全局優(yōu)化兩個部分。該思路易于高度限定每一塊永磁體的具體形式，直接以工程實現(xiàn)為出發(fā)點進行永磁體設(shè)計?；谠撛O(shè)計策略，徐國盛課題組實現(xiàn)了仿星器永磁體的標準化，即所有永磁體塊大小、形狀，剩磁強度完全相同且磁化方向為有限個指定方向之一。該設(shè)計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，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)計階段邁向工程實現(xiàn)，推動仿星器的發(fā)展。
對于永磁體仿星器，永磁體是否可以提供足夠強度的磁場受到廣泛關(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到1.54T和7.0T，足夠支持一個采用平面線圈的中等規(guī)模仿星器實驗裝置。隨著材料科學的發(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磁體的剩磁可以達到2.9T，其矯頑力理論上大于1.2T。徐國盛課題組提出的標準化永磁體設(shè)計策略可以自動給出磁化方向具備Halbach（↑→↓←↑）排列特點的永磁體設(shè)計，實現(xiàn)更高的磁場強度。仿星器聚變堆雖然需要較強的磁場并具備較厚的包層，放置于包層之外的永磁體能夠提供的磁場相對較弱，難以將三維扭曲線圈完全簡化為平面線圈，但是部分簡化仍具有重要意義，尤其是對于性能出色，但是所需線圈系統(tǒng)復雜以至于難以實現(xiàn)的仿星器位型。
相比于當前仿星器采用的極為復雜的三維扭曲線圈，可批量制造的標準化磁體塊以及簡單線圈的低生產(chǎn)成本和低工程難度對仿星器的設(shè)計、建造、維護具有重要意義，將永磁體和準對稱位形結(jié)合起來的先進仿星器有望成為具有競爭力的低成本穩(wěn)態(tài)磁約束聚變實驗裝置。
