據(jù)中科院消息，近期，中科院合肥物質(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。

核聚變研究目前主要有兩個(gè)途徑，最受看好的是很多人應(yīng)該經(jīng)常聽說(shuō)的托克馬克。

就在12月30日晚，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所俗稱“人造太陽(yáng)”的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，而且溫度高達(dá)7000萬(wàn)度，創(chuàng)造了世界新紀(jì)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(shí)驗(yàn)裝置，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。

相比托卡馬克相比，仿星器具有穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，避免了托卡馬克的主要缺點(diǎn)，也就是等離子體大破裂。

但是長(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。

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，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(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)，則是研究難點(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，采用“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。

基于該設(shè)計(jì)策略，科研人員實(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，從而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。

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。

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。

關(guān)鍵詞： 中國(guó)核聚變 永磁體仿星器 集成永磁體 簡(jiǎn)單線圈