近日,核科学技术学院等离子体物理与聚变工程系仿星器课题组与美国普林斯顿大学研究人员合作,开发出一种同步优化仿星器三维磁场位形与永磁体排布的新方法。这种“准一步法”能够避免传统方法中先优化磁场位形再设计磁体的限制,可以进一步提高仿星器的物理性质并大幅减少永磁体的数量。
仿星器(stellarator)是一类非轴对称环形磁约束聚变装置,具有无需电流驱动、免疫破裂、稳态运行等优点,是未来聚变堆的重要技术路线之一。通过精心优化三维磁场,仿星器的约束水平能够显著提升,随后可以设计三维线圈或者永磁体来产生所需磁场。然而,这种先优化等离子体平衡再设计线圈或永磁体的方法常常导致最终设计出的仿星器线圈或永磁体过于复杂。
研究团队提出了一种新的“准一步法”,通过一个简化模型巧妙地将等离子体平衡的优化与永磁体的设计结合在一起。该新方法被用于改进美国普林斯顿大学等离子体物理实验室的永磁体仿星器MUSE,产生了一个新的仿星器设计,称为MUSE++。与MUSE相比,MUSE++的准轴对称磁场精度提高了一个量级,具有更好的约束性能。此外,MUSE++所需的永磁体数量减少了约30%,使其更加高效且更易于构建。
图1:新方法得到的MUSE++设计具有更高精度的准轴对称性磁场。
图2:MUSE和MUSE++的永磁体排布(MUSE++所需永磁体少了约30%)。
该研究成果以“Quasi-single-stage optimization for permanent magnet stellarators”为题发表在核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》上。论文的第一作者为等离子体物理与聚变工程系博士后尉国栋,通讯作者为祝曹祥特任教授。该项研究得到了国家自然科学基金委、安徽省重点研究与开发计划项目、核科学技术学院相关经费的支持。
论文链接:https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad521c
等离子体物理与聚变工程系简介:
等离子体物理与聚变工程系(校内编号52系)成立于2020年,是中国第一个专门从事等离子体物理与聚变工程教学科研的系级单位,其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。52系具有应用物理和工程物理两个本科专业,招收物理学(等离子体物理)以及核科学技术(核能工程)两个培养方向的研究生。