集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究取得进展

日期： 2022-02-21

浏览次数: 260

来源：合肥物质科学研究院

近期，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所在集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究取得进展，相关研究成果发表在Cell Reports Physical Science上。

仿星器是聚变三乘积参数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，科研人员已在前期工作中开展研究并取得进展。长期以来，仿星器研究领域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。研究发现，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（Physical Review Letters）。当前，国际上尚未采用精确准对称位型的仿星器装置来验证该发现，这为我国仿星器研究提供了发展机遇。此外，科研人员发现可以引入永磁体来简化仿星器的线圈（Phyical Review Letters）。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，从而降低建造的难度和成本。由于主要的环向磁场由线圈来产生，永磁体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较强的磁场。此外，永磁体不耗能、成本低、天然稳态，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，有助于建造精确准对称的低成本先进仿星器实验装置。

结合永磁体的仿星器是国际仿星器研究领域的热点，而如何用工程简单的永磁体块产生所需的三维磁场是研究难点。近期，徐国盛课题组首次提出一种标准化永磁体设计策略。该策略采用了“分治策略”的思路，将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。该思路易于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。该设计使得永磁体块可批量生产，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拼装起来，有利于装配精度控制。该研究有助于永磁体仿星器从概念设计阶段迈向工程实现，推动仿星器的发展。

对于永磁体仿星器，永磁体是否可以提供足够强度的磁场受到广泛关注。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，足够支持一个采用平面线圈的中等规模仿星器实验装置。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。徐国盛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，实现更高的磁场强度。仿星器聚变堆虽然需要较强的磁场并具备较厚的包层，放置于包层之外的永磁体能够提供的磁场相对较弱，难以将三维扭曲线圈完全简化为平面线圈，但是部分简化仍具有重要意义，尤其是对于性能出色，但是所需线圈系统复杂以至于难以实现的仿星器位型。

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、维护具有重要意义，将永磁体和准对称位形结合起来的先进仿星器有望成为具有竞争力的低成本稳态磁约束聚变实验装置。

上一篇：科学家称运用激光可在短短45天内将任务装置送往火星下一篇：昆士兰海韦走廊或存在富金矿化带钨、钴、稀土等潜力巨大

Hot News / 相关推荐

锚定铂纳米颗粒的三维石墨烯–二氧化铈纳米棒气凝胶用于提升催化性能

2026 - 06 - 04

点击次数: 18

来源：X-MOL直接甲醇燃料电池（DMFC）技术的持续发展对高性能、高耐久性贵金属基电催化剂的研发提出了日益严苛的要求。本文通过溶剂热共组装策略，合理设计并合成了由二氧化铈纳米棒与石墨烯构成的三维（3D）交联纳米结构复合催化剂（CeO2 NRs-G）。超细铂纳米颗粒被均匀锚定于该分级多孔骨架上，形成Pt/CeO2 NRs-G催化剂。该3D纳米结构兼具石墨烯的高导电性与多孔网络结构，可有效促进物质与...

纳米氧化铈的导电性与结构与其催化性能的关系

2026 - 06 - 03

点击次数: 42

来源：X-MOL相较于其他铜掺杂纳米氧化铈材料，于近室温条件下制备的8% Cu–纳米氧化铈在水煤气变换（WGS）反应中展现出优异的催化性能，但其原因十年来一直不甚明确［Si, R. 等，Catal. Today 2012, 180(1), 68–80.］。为探究该现象，我们对采用相同共沉淀法制备的、含铜量为0–16%的纳米氧化铈晶粒进行了电导率测试，并结合对分布函数（PDF）分析获得的结构信息开展...

构建基于铈的金属有机框架，用于四氢喹啉光催化氧化

2026 - 06 - 03

点击次数: 41

来源：X-MOL绿色光催化氧化材料作为环境和化学工程可持续发展的环保策略，吸引了广泛的研究关注。在这项工作中，在温和条件下，以溶温合成了一种新型二维铈基金属有机框架（Ce-MnTCPP）。该框架由锰卟啉配体 MnTCPP 构建，这是一种锰卟啉配体，由 Mn 2+ 离子与四氢喧啶卟啉（TCPP）及铀离子配位形成，已被证明是选择性氧化四氢喹啉的高效光催化剂。在 395 纳米 LED 照射下，其催化性能...

通过光催化记忆效应与铒掺杂协同作用实现高效CO2转化：铒掺杂BiOCl纳米片

2026 - 06 - 02

点击次数: 65

来源：X-MOL为寻找高效的二氧化碳还原光催化剂，稀土元素掺杂因其独特的电子结构和能级而受到广泛关注，可显著增强光吸收能力和电荷转移效率。本研究采用表面活性剂辅助水热法合成了二维超薄铒（Er）掺杂BiOCl纳米片。Er掺杂不仅抑制了光生载流子的复合，还进一步增强了BiOCl纳米片的光催化记忆效应。Er掺杂与前期可见光辐照诱导的光催化记忆效应之间的协同作用，大幅调控了BiOCl纳米片内部的电子态。实...