中國核聚變更進一步 永磁體仿星器獲得重大突破

據中科院消息，近期，中科院合肥物質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計研究取得進展。核聚變研究目前主要有兩個途徑，最受看好的是很多人應該經常聽說的托克馬克。

就在12月30日晚，中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所俗稱“人造太陽”的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，而且溫度高達7000萬度，創造了世界新紀錄。

第二種思路就是仿星器，一種外加有螺旋繞組的磁約束聚變實驗裝置，是聚變三乘積參數僅次于托卡馬克的磁約束核聚變途徑。相比托卡馬克相比，仿星器具有穩態運行的優勢，避免了托卡馬克的主要缺點，也就是等離子體大破裂。

但是長期以來，仿星器并沒有作為聚變堆技術路線的首選，主要原因有兩個：

一是傳統仿星器磁場的波紋度比托卡馬克大，導致其新經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構的線圈，結構復雜、制造難度大、成本高。

科研人員發現，可以引入永磁體來簡化仿星器的線圈，從而采用和托卡馬克一樣的平面線圈，降低建造的難度和成本。結合永磁體的仿星器是國際仿星器研究領域的熱點，而如何用工程簡單的永磁體塊產生所需的三維磁場，則是研究難點。

近期，徐國盛課題組首次提出一種標準化永磁體設計策略，采用“分治策略”的思路，將永磁體塊的設計過程分解為逐個設計每一塊永磁體，然后進行多次迭代以獲得最優設計，迭代過程包括局部優化和全局優化兩個部分。

基于該設計策略，科研人員實現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，從而使得永磁體塊可批量生產，降低了加工制造成本。此外，統一的大小、形狀使得永磁體塊可以拼裝起來，有利于裝配精度控制。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模仿星器實驗裝置。

最新研究表明，Fe16N2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計，實現更高的磁場強度。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，但是所需線圈系統復雜以至于難以實現的仿星器位型。

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成本和低工程難度對仿星器的設計、建造、維護具有重要意義，將永磁體和準對稱位形結合起來的先進仿星器有望成為具有競爭力的低成本穩態磁約束聚變實驗裝置。

采用標準化永磁體和平面線圈的準軸對稱仿星器

“two-step”標準化永磁體設計策略

標準化永磁體設計流程和結果