等离子体所在集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究方面取得重要进展
时间 : 2022-01-20     

近期,等离子体所在集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究方面取得重要进展,相关成果以Development of advanced stellarator with identical permanent magnet blocks为题发表于Cell Press出版集团旗下物质科学期刊《Cell Reports Physical Science》 [https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00439-2]。  

仿星器是聚变三乘积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,科研人员开展了相关研究并取得了一系列重要成果。仿星器研究领域一直在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,最近的研究出现了重要突破,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。文章最近被国际顶级物理学期刊《Physical Review Letters》接收[https://journals.aps.org/prl/accepted/a407cYf0U081e97085d82964c9bda7cfd39e58555]。这一突破很有可能推动仿星器发展走上一个新的台阶。当前,国际上尚无采用精确准对称位型的仿星器装置来验证这一科学发现,这为我国仿星器研究提供了一个重要发展机遇。我国仿星器研究起步较晚,如果能够抓住这次机遇,很有可能实现仿星器研究的快速进步。另外,科研人员发现可以引入永磁体来简化仿星器的线圈[https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.095001]。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,从而极大降低建造的难度和成本。由于主要的环向磁场还是由线圈来产生,永磁体仅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很强的磁场。而且,永磁体不耗能、成本低、天然稳态。更重要的是,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。这为建造精确准对称的低成本先进仿星器实验装置,提供了一个难得的时机。 

近两年,结合永磁体的仿星器成为国际仿星器研究领域的一个新热点。而如何用工程简单的永磁体块产生所需的三维磁场是此研究的难点。国际上目前提出了几种采用永磁体小块拼装的设计方案,然而这些方案所使用的永磁体块的大小、形状、剩磁强度各异、甚至磁化方向在空间上连续变化,加工制造成本高昂,装配精度难以得到保证,不便于工程实现。近期,徐国盛研究员课题组在国际上首次提出了一种标准化永磁体设计策略。该策略采用了“分治策略”的思想,将大量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。这种逐个设计的思路可以很容易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,徐国盛研究员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,例如剩磁强度相同且磁化方向垂于其六个面之一的立方体永磁体块。这种设计使得永磁体块可以批量生产,极大地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像乐高积木那样拼装起来,非常有利于装配精度控制。这项成果的出现将会促使永磁体仿星器从概念设计阶段真正迈向工程实现,极大地推动仿星器的发展。 

对于永磁体仿星器,一个备受关注的问题是永磁体是否可以提供足够强度的磁场。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,完全足够支持一个采用平面线圈的中等规模仿星器实验装置。而且,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。此外,徐国盛研究员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,这种排列方式也可以实现更高的磁场强度。对于仿星器聚变堆,虽然由于其需要很强的磁场而且具备很厚的包层,放置于包层之外的永磁体能够提供的磁场相对较弱,很难将三维扭曲线圈完全简化为平面线圈,但是,永磁体的引入并不是必须将三维扭曲线圈完全简化为平面线圈,部分简化同样意义非凡,特别是对于那些性能非常出色,但是所需线圈系统过于复杂以至于很难实现的仿星器位型。 

总之,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,维护具有十分重要且深远的意义。将永磁体和准对称位形结合起来的先进仿星器,很有可能成为极具竞争力的低成本稳态磁约束聚变实验装置。这也是我国提升仿星器研究水平的重要契机。 

期刊介绍:《Cell Reports Physical Science》是Cell Press出版集团新近推出的高水平开放获取期刊,旨在报道物质科学领域高质量前沿基础研究和技术应用,包括但不限于物理、化学、材料科学、能源科学、工程以及交叉学科领域中的重大研究进展。  论文链接:https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00439-2

  
图一:采用标准化永磁体和平面线圈的准轴对称仿星器  
图二:“two-step” 标准化永磁体设计策略 
图三:标准化永磁体设计流程和结果