在众多磁约束聚变路径中，仿星器是一类无需等离子体电流驱动的非轴对称的环形磁约束聚变装置，具有稳态运行、免疫破裂等优点，是未来聚变堆重点考虑的技术路线之一。
长期以来，科研人员主要依赖两种方法研究三维磁场位形。一种是 “近轴展开法”。该方法围绕磁轴做泰勒展开，虽然简单但离轴后误差急剧增大，只能应用于大环径比位形，实用性不足；另一种是以VMEC程序为代表的“全局数值计算法”。该方法能精准算出整个位形的磁场平衡，但需要求解复杂的三维方程，计算量大、耗时长，严重制约了仿星器的平衡计算效率。
近日，来自核科学技术学院等离子体物理与聚变工程系的先进仿星器课题组提出了“近磁面展开法”。其核心创新在于不再围绕磁轴，而是以任意一个磁面为参考基准。研究团队找到了一种 “搭积木式” 的计算逻辑，通过分析三维真空磁场中专门描述磁场的Boozer坐标系，利用数学上的渐近展开技术，沿径向一步步推导参考面附近乃至远处的磁场位形。这种方法将复杂的三维平衡问题转化为线性方程求解，彻底绕开了传统方法中需要迭代求解的三维非线性方程。相比传统全局计算方法，效率提升了数百倍。
图1：近磁面展开示意图
为了证明新方法的准确性，团队选取了两种典型的仿星器位形——旋转椭圆位形和准轴对称位形，与三维平衡计算程序VMEC的结果进行了对比。在参考磁通量面附近，新方法的计算结果与VMEC 几乎完全重合。即便远离参考面，通过递归展开（一步步向外或向内扩展计算），新方法得到的“全局解”也与VMEC 结果高度一致。此外，新方法还能快速地从边界定位仿星器的磁轴，传统方法往往需要复杂计算才能确定。而通过近磁面展开法，仅需几次递归计算，就能精准找到磁轴位置，误差可低至千分之一级别，为后续的位形优化提供了关键支撑。
图2：VMEC计算结果与递归近磁面展开得到的近似解
这项研究的意义不止于计算效率提升。作为一种高效、精准的仿星器位形研究工具，近磁面展开将在多个方面推动核聚变研发进程。它不仅能够快速计算三维平衡，还能为其他全局平衡计算程序提供良好的初值猜测，帮助这些程序快速收敛，进一步提升效率。此外，该方法低成本、高效率的特点，能够用于生成数据库，服务于人工智能+仿星器研究。
该研究以“Near-surface expansion of vacuum stellarator configurations” 为题发表在核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》上。论文的第一作者为中国科大博士研究生刘珂，通讯作者是祝曹祥特任教授。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、安徽省重点研发项目和国家自然科学基金委的支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ae2490
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