集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究取得进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所在集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究取得进展，相关研究成果发表在Cell Reports Physical Science上。

仿星器是聚变三乘积参数仅次于托卡马克的磁约束核聚变途径，与托卡马克相比，具有稳态运行的优势，避免了托卡马克的主要缺点：等离子体大破裂。然而，长期以来，仿星器并没有作为聚变堆技术路线的首选，主要原因有两个：一是传统仿星器磁场的波纹度比托卡马克大，导致其新经典输运水平和高能粒子损失水平高于托卡马克。二是仿星器需要三维结构的线圈，结构复杂、制造难度大、成本高。

针对这两个难点，科研人员已在前期工作中开展研究并取得进展。长期以来，仿星器研究领域试图通过优化磁场位形来降低仿星器的新经典输运水平和高能粒子损失水平。研究发现，可通过仿星器磁场位形优化实现精确准对称，证明了仿星器可以实现和托卡马克相当的新经典输运水平和高能粒子损失水平（Physical Review Letters）。当前，国际上尚未采用精确准对称位型的仿星器装置来验证该发现，这为我国仿星器研究提供了发展机遇。此外，科研人员发现可以引入永磁体来简化仿星器的线圈（Phyical Review Letters）。引入永磁体之后，仿星器可以采用和托卡马克一样的平面线圈，从而降低建造的难度和成本。由于主要的环向磁场由线圈来产生，永磁体仅用来补偿等离子体表面的法向磁场，产生旋转变换，因此并不需要永磁体产生较强的磁场。此外，永磁体不耗能、成本低、天然稳态，采用永磁体的仿星器产生的磁场位型，其精度远高于仅采用线圈的仿星器，有助于建造精确准对称的低成本先进仿星器实验装置。

结合永磁体的仿星器是国际仿星器研究领域的热点，而如何用工程简单的永磁体块产生所需的三维磁场是研究难点。近期，徐国盛课题组首次提出一种标准化永磁体设计策略。该策略采用了“分治策略”的思路，将永磁体块的设计过程分解为逐个设计每一块永磁体，然后进行多次迭代以获得最优设计，迭代过程包括局部优化和全局优化两个部分。该思路易于高度限定每一块永磁体的具体形式，直接以工程实现为出发点进行永磁体设计。基于该设计策略，徐国盛课题组实现了仿星器永磁体的标准化，即所有永磁体块大小、形状，剩磁强度完全相同且磁化方向为有限个指定方向之一。该设计使得永磁体块可批量生产，降低了加工制造成本。此外，统一的大小、形状使得永磁体块可以拼装起来，有利于装配精度控制。该研究有助于永磁体仿星器从概念设计阶段迈向工程实现，推动仿星器的发展。

对于永磁体仿星器，永磁体是否可以提供足够强度的磁场受到广泛关注。在液氮温度下，Pr-Fe-B 磁体的剩磁和矫顽力可以分别达到1.54T和7.0T，足够支持一个采用平面线圈的中等规模仿星器实验装置。随着材料科学的发展，有望得到性能更高的永磁体材料。最新研究表明，Fe₁₆N₂磁体的剩磁可以达到2.9T，其矫顽力理论上大于1.2T。徐国盛课题组提出的标准化永磁体设计策略可以自动给出磁化方向具备Halbach（↑→↓←↑）排列特点的永磁体设计，实现更高的磁场强度。仿星器聚变堆虽然需要较强的磁场并具备较厚的包层，放置于包层之外的永磁体能够提供的磁场相对较弱，难以将三维扭曲线圈完全简化为平面线圈，但是部分简化仍具有重要意义，尤其是对于性能出色，但是所需线圈系统复杂以至于难以实现的仿星器位型。

相比于当前仿星器采用的极为复杂的三维扭曲线圈，可批量制造的标准化磁体块以及简单线圈的低生产成本和低工程难度对仿星器的设计、建造、维护具有重要意义，将永磁体和准对称位形结合起来的先进仿星器有望成为具有竞争力的低成本稳态磁约束聚变实验装置。

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图1.采用标准化永磁体和平面线圈的准轴对称仿星器

图2.“two-step”标准化永磁体设计策略

图3.标准化永磁体设计流程和结果