近期，中科院合肥研究院等離子體所在集成永磁體和簡(jiǎn)單線圈的先進(jìn)仿星器設(shè)計(jì)研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于Cell Press出版集團(tuán)旗下物質(zhì)科學(xué)期刊 Cell Reports Physical Science 。相關(guān)工作由徐國(guó)盛、陸志遠(yuǎn)、陳德鴻及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉民友等人完成。

　　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)，科研人員開(kāi)展了相關(guān)研究并取得了一系列重要成果。仿星器研究領(lǐng)域一直在試圖通過(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，最近的研究出現(xiàn)了重要突破，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。文章最近被國(guó)際頂級(jí)物理學(xué)期刊 Physical Review Letters 接收（鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035001），這一突破很有可能推動(dòng)仿星器發(fā)展走上一個(gè)新臺(tái)階。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)證這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這為我國(guó)仿星器研究提供了一個(gè)重要發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)仿星器研究起步較晚，如果能夠抓住這次機(jī)遇，很有可能實(shí)現(xiàn)仿星器研究的快速進(jìn)步。另外，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（鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.095001）。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，從而極大降低建造的難度和成本。由于主要的環(huán)向磁場(chǎng)還是由線圈來(lái)產(chǎn)生，永磁體僅僅用來(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)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。而且，永磁體不耗能、成本低、天然穩(wěn)態(tài)，更重要的是，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。這為建造精確準(zhǔn)對(duì)稱的低成本先進(jìn)仿星器實(shí)驗(yàn)裝置，提供了一個(gè)難得的時(shí)機(jī)。

　　近兩年，結(jié)合永磁體的仿星器成為國(guó)際仿星器研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(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)是此研究的難點(diǎn)。國(guó)際上目前提出了幾種采用永磁體小塊拼裝的設(shè)計(jì)方案，然而這些方案所使用的永磁體塊的大小、形狀、剩磁強(qiáng)度各異、甚至磁化方向在空間上連續(xù)變化，以致于加工制造成本高昂，裝配精度難以得到保證，不便于工程實(shí)現(xiàn)。近期，徐國(guó)盛研究員課題組在國(guó)際上首次提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化永磁體設(shè)計(jì)策略。該策略采用了“分治策略”的思想，將大量永磁體塊的設(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。這種逐個(gè)設(shè)計(jì)的思路可以很容易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)盛研究員課題組實(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，例如剩磁強(qiáng)度相同且磁化方向垂于其六個(gè)面之一的立方體永磁體塊。這種設(shè)計(jì)使得永磁體塊可以批量生產(chǎn)，極大地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像樂(lè)高積木那樣拼裝起來(lái)，非常有利于裝配精度控制。這項(xiàng)成果的出現(xiàn)將會(huì)促使永磁體仿星器從概念設(shè)計(jì)階段真正邁向工程實(shí)現(xiàn)，極大地推動(dòng)仿星器的發(fā)展。

　　對(duì)于永磁體仿星器，一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題是永磁體是否可以提供足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)。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，完全足夠支持一個(gè)采用平面線圈的中等規(guī)模仿星器實(shí)驗(yàn)裝置。而且，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Fe₁₆N₂磁體的剩磁可以達(dá)到2.9T，其矯頑力理論上大于1.2T。此外，徐國(guó)盛研究員課題組提出的標(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)，這種排列方式也可以實(shí)現(xiàn)更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于仿星器聚變堆，雖然由于其需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)而且具備很厚的包層，放置于包層之外的永磁體能夠提供的磁場(chǎng)相對(duì)較弱，很難將三維扭曲線圈完全簡(jiǎn)化為平面線圈，但是，永磁體的引入并不是必須將三維扭曲線圈完全簡(jiǎn)化為平面線圈，部分簡(jiǎn)化同樣意義非凡，特別是對(duì)于那些性能非常出色，但是所需線圈系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜以至于很難實(shí)現(xiàn)的仿星器位型。

　　總之，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)具有十分重要且深遠(yuǎn)的意義。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，很有可能成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的低成本穩(wěn)態(tài)磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置。這也是我國(guó)提升仿星器研究水平的重要契機(jī)。

　　期刊介紹： Cell Reports Physical Science 是Cell Press出版集團(tuán)新近推出的高水平開(kāi)放獲取期刊，旨在報(bào)道物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域高質(zhì)量前沿基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用，包括但不限于物理、化學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、工程以及交叉學(xué)科領(lǐng)域中的重大研究進(jìn)展。

　　論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00439-2 

　　圖一：采用標(biāo)準(zhǔn)化永磁體和平面線圈的準(zhǔn)軸對(duì)稱仿星器 

　　圖二：“two-step” 標(biāo)準(zhǔn)化永磁體設(shè)計(jì)策略 

　　圖三：標(biāo)準(zhǔn)化永磁體設(shè)計(jì)流程和結(jié)果