近期，等離子體所在集成永磁體和簡單線圈的先進仿星器設計研究方面取得重要進展，相關成果以Development of advanced stellarator with identical permanent magnet blocks為題發表于Cell Press出版集團旗下物質科學期刊《Cell Reports Physical Science》 [https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00439-2]。相關工作由徐國盛、陸志遠、陳德鴻及中國科學技術大學葉民友等人完成。

　　仿星器是聚變三乘積僅次于托卡馬克的磁約束核聚變途徑，與托卡馬克相比，具有穩態運行的優勢，避免了托卡馬克的主要缺點：等離子體大破裂。然而，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。

　　針對這兩個難點，科研人員開展了相關研究并取得了一系列重要成果。仿星器研究領域一直在試圖通過優化磁場位形來降低仿星器的新經典輸運水平和高能粒子損失水平，最近的研究出現了重要突破，發現可通過仿星器磁場位形優化實現精確準對稱，證明了仿星器可以實現和托卡馬克相當的新經典輸運水平和高能粒子損失水平。文章最近被國際頂級物理學期刊《Physical Review Letters》接收[https://journals.aps.org/prl/accepted/a407cYf0U081e97085d82964c9bda7cfd39e58555]。這一突破很有可能推動仿星器發展走上一個新的臺階。當前，國際上尚無采用精確準對稱位型的仿星器裝置來驗證這一科學發現，這為我國仿星器研究提供了一個重要發展機遇。我國仿星器研究起步較晚，如果能夠抓住這次機遇，很有可能實現仿星器研究的快速進步。另外，科研人員發現可以引入永磁體來簡化仿星器的線圈[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。由于主要的環向磁場還是由線圈來產生，永磁體僅僅用來補償等離子體表面的法向磁場，產生旋轉變換，因此并不需要永磁體產生很強的磁場。而且，永磁體不耗能、成本低、天然穩態。更重要的是，采用永磁體的仿星器產生的磁場位型，其精度遠高于僅采用線圈的仿星器。這為建造精確準對稱的低成本先進仿星器實驗裝置，提供了一個難得的時機。

　　近兩年，結合永磁體的仿星器成為國際仿星器研究領域的一個新熱點。而如何用工程簡單的永磁體塊產生所需的三維磁場是此研究的難點。國際上目前提出了幾種采用永磁體小塊拼裝的設計方案，然而這些方案所使用的永磁體塊的大小、形狀、剩磁強度各異、甚至磁化方向在空間上連續變化，加工制造成本高昂，裝配精度難以得到保證，不便于工程實現。近期，徐國盛研究員課題組在國際上首次提出了一種標準化永磁體設計策略。該策略采用了“分治策略”的思想，將大量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。這種逐個設計的思路可以很容易高度限定每一塊永磁體的具體形式，直接以工程實現為出發點進行永磁體設計。基于該設計策略，徐國盛研究員課題組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，例如剩磁強度相同且磁化方向垂于其六個面之一的立方體永磁體塊。這種設計使得永磁體塊可以批量生產，極大地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像樂高積木那樣拼裝起來，非常有利于裝配精度控制。這項成果的出現將會促使永磁體仿星器從概念設計階段真正邁向工程實現，極大地推動仿星器的發展。

　　對于永磁體仿星器，一個備受關注的問題是永磁體是否可以提供足夠強度的磁場。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，完全足夠支持一個采用平面線圈的中等規模仿星器實驗裝置。而且，隨著材料科學的發展，有望得到性能更高的永磁體材料。最新研究表明Fe₁₆N₂磁體的剩磁可以達到2.9T，其矯頑力理論上大于1.2T。此外，徐國盛研究員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，這種排列方式也可以實現更高的磁場強度。對于仿星器聚變堆，雖然由于其需要很強的磁場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相對較弱，很難將三維扭曲線圈完全簡化為平面線圈，但是，永磁體的引入并不是必須將三維扭曲線圈完全簡化為平面線圈，部分簡化同樣意義非凡，特別是對于那些性能非常出色，但是所需線圈系統過于復雜以至于很難實現的仿星器位型。

　　總之，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，維護具有十分重要且深遠的意義。將永磁體和準對稱位形結合起來的先進仿星器，很有可能成為極具競爭力的低成本穩態磁約束聚變實驗裝置。這也是我國提升仿星器研究水平的重要契機。

　　期刊介紹：《Cell Reports Physical Science》是Cell Press出版集團新近推出的高水平開放獲取期刊，旨在報道物質科學領域高質量前沿基礎研究和技術應用，包括但不限于物理、化學、材料科學、能源科學、工程以及交叉學科領域中的重大研究進展。

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

圖一：采用標準化永磁體和平面線圈的準軸對稱仿星器

圖二：“two-step” 標準化永磁體設計策略

圖三：標準化永磁體設計流程和結果