仿星器——可控核聚变的另一条出路

　　■ 白二娃

　　11 月13 日，中国准环对称仿星器（CFQS） 的测试平台CFQS-T成功运行，证明了“准环对称仿星器”这种先进的仿星器优化理论是可行的，为正在建设的中国准环对称仿星器（CFQS）奠定了基础。

　　最具前景的核聚变路线

　　目前认为当等离子体的温度、密度和约束时间的乘积（聚变三重积）大于3×1021KeVs/m3 时， 就能发生核聚变。太阳上的核聚变温度低（1500 万℃）密度高，在地球上引发核聚变需要稳定维持一亿摄氏度以上才行，然而没有任何容器能够抗住这种高温，所以需要用惯性约束或磁约束两种方式控制热核聚变，其中磁约束是利用特殊形态的磁场把氘、氚等离子体约束在一起加热至一亿摄氏度以上。

　　磁约束聚变装置又有托卡马克、仿星器、反场箍缩、球马克、磁镜、串节磁镜等众多磁场位形，当前最受关注的当数托卡马克和仿星器两种。

　　托卡马克像个甜甜圈相对设计和建造难度较低，国内外都投入了大量资源建造实验平台，但是随着实验深入，人们发现它有一些很难解决的缺陷。

　　托卡马克的线圈只能从外束缚住等离子体（绿色磁场），内部需要引入电流（红色箭头）让等离子体按螺旋线（黑色曲线）方向“跑圈”。引入的外部电流很容易带来不稳定，造成等离子体破裂撞到容器壁上，这会释放巨大的能量，造成设备紧急停运甚至损坏。而且理论上即使能造出稳定的托卡马克装置，在商业运行中也必须定时停下来重置磁线圈，这就无法持续发电了。

　　而仿星器通过更复杂的结构设计能避免这个问题，它利用不规则形状的外部线圈把等离子体扭曲成不在一个平面上的“8”字环。在这样的环中仅会产生微量的等离子体电流，与托卡马克中兆安量级的电流相比，可以认为电流不存在。

　　最初的设计者莱曼·斯皮策（LymanSpitzer）认为这是对星球的模拟，所以起名“仿星器”。但是由于技术难度太大，各国试验相继失败，20 世纪中期之后可控核聚变的热点转移到了托卡马克上。

　　现在，托卡马克遇到磁流体不稳定的问题后，能避免等离子体电流带来的磁流体不稳定的仿星器又引起了一些科学家的关注。他们认为，随着超导等新材料的不断进步，超级计算机与人工智能的发展，成功研发仿星器的可能性大大提高。他们相信虽然设计和建造难度更大，但仿星器无需电流驱动、能稳态长期运行，无疑商用前景更加光明。

　　中国的准环对称仿星器

　　在我国，研究仿星器最强的是西南交通大学许宇鸿团队，他们代表中国加入了国际能源署仿星器与螺旋器技术合作组织（IEA SH-TCP），并与其他单位合作拿到了国家首个仿星器研究专项。目前他们正在成渝（兴隆湖）科学中心建设磁场强度1 特斯拉、大半径1 米、平均小半径0.25 米的中国首台准环对称仿星器（Chinese First Quasi-axisymmetricStellarator， CFQS）。等2027 年建成后它将是世界上第一台准环对称仿星器。

　　传统仿星器的弱点是约束力不高，于是科学家提出了各种优化设计，如准螺旋对称（美国 HSX 仿星器）、准力线对称（德国 W7-X 仿星器）和准环对称（中国CFQS）。

　　而准环对称理论上是能兼具仿星器稳定性和托卡马克高约束性优点的最佳设计。我们可以看到仿星器中的线圈个个都是“异形”，这就是仿星器的关键部件三维模块化线圈，它们的设计难度极大，也需要在测试平台做大量技术验证。

　　等到2027 年，中国首台准环对称仿星器开始运行后，我国在可控核聚变研究领域将实现两条腿（托卡马克、仿星器）走路，为我们解决能源问题。