导
读
核聚变能源具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等突出优点，是未来“终极能源”的解决方案之一。在地球上实现可控核聚变的主要方式之一是磁约束，即利用封闭的磁场形成的“磁笼子”约束高温高密度等离子体并维持足够长的时间使其发生聚变反应。自磁约束核聚变概念提出以来，经过半个多世纪的不懈努力，世界各国已在相关理论方法、工程技术和实验装置上取得了突破性进展。目前，磁约束核聚变最主要的代表是托卡马克和仿星器两种装置类型。其中，托卡马克是被科学家们公认为最有可能实现可控核聚变的装置。而近年来，随着仿星器优化设计以及高温超导技术的进步，基于高温超导强磁场技术的先进仿星器有望成为稳态磁约束聚变技术路线的有力竞争者！
图1 图文摘要
中国聚变能行动计划确立了以托卡马克为主、先进仿星器为辅的聚变能发展路线图。其中，仿星器具有天然稳态运行、高密度等优点。而且，由于主要利用外部三维线圈产生约束磁场，不同于托卡马克依赖内部等离子体电流，仿星器可以避免等离子电流引起的大破裂风险。然而，早期仿星器由于高能粒子损失以及新经典输运较高、三维线圈的制造和安装成本高且难度大等缺点，发展速度显著落后于托卡马克。
近年来，仿星器在三维磁流体平衡、稳定性、粒子约束以及湍流输运优化等方面均取得了长足的发展，尤其是近期提出的精确准等磁线（QI）以及精确准对称（QS）等先进磁场位形的高能粒子损失和新经典输运降低到了与托卡马克相当的水平。因此，新经典输运不再是仿星器的主要短板，未来仿星器研究将重点专注于优化湍流输运、阿尔芬本征模和高能粒子约束。同时，大规模数值模拟以及人工智能技术被应用到了仿星器三维磁场优化，这为仿星器物理研究提供了新机遇。W7-X作为当前世界上最大的先进超导仿星器实验装置，在设计之初并未针对湍流开展优化，因此在实验中出现了芯部离子温度梯度模造成的离子温度钳制问题，不过这一问题在NBI和弹丸投入之后得到了缓解。但随着加热功率和比压的进一步提升，高比压下的电磁湍流成为新的担心。此外，在最近的实验中，W7-X实现了完全脱靶长脉冲运行，证明了QI位形的磁岛偏滤器在热流控制上的巨大优势。未来通过平衡新经典输运、湍流输运、磁流体力学稳定性以及高能粒子约束等关键物理指标，有望得到更加完善的仿星器物理方案。
除上述仿星器物理研究的进步之外，仿星器外部三维线圈的简化设计也得到了长足的发展。近年来，一系列新的三维线圈优化方法以及通过偶极子线圈（永磁体）产生仿星器极向磁场概念的提出有望显著降低仿星器的建设难度和成本。目前来看，以往制约仿星器发展的主要障碍有望在不久的将来被逐步清除。另一方面，高温超导强磁场技术日趋成熟，材料成本大幅下降，产能快速提升，基于高温超导技术的强磁场仿星器装置的体积有望大幅降低。而且，高温超导特别适合仿星器这种完全稳态的磁场，这进一步放大了仿星器的优势。此外，三维高温超导线圈制造工艺也有望在未来几年内逐步发展成熟。因此，“高温超导强磁场先进仿星器”未来将成为稳态磁约束聚变技术路线的有力竞争者！
关于高温超导强磁场先进仿星器的研究，国际上刚刚起步。目前，国际上仿星器聚变初创公司不断涌现，德、法、美、日等多国竞相开启高温超导先进仿星器研制。由于历史原因，我国一直以来以托卡马克路线为主，开展仿星器研究相对较少。通过抓住此次仿星器技术变革的历史机遇，可以使先进仿星器与托卡马克技术路线形成互补，加速推进我国磁约束聚变能的开发进程。
总结与展望
在仿星器研究飞速发展的同时，需要明确托卡马克仍然是全球投资和开发最多的磁约束聚变途径，它很可能是第一个作为氘-氚核聚变反应堆建造的装置类型。但是也要清醒地认识到，与仿星器相比，托卡马克在实现稳态运行方面具有无法避免的劣势。这主要是因为托卡马克中等离子体破裂的风险很高，而且维持完全无感应电流运行条件的成本也很高。近年来，随着仿星器优化设计和超导线圈制造技术领域的显著进步，早期仿星器的两大主要问题——新经典输运和高能粒子损耗大以及三维线圈结构复杂导致制造和安装困难——有望得到明显改善。此外，高温超导强磁场技术还有望大幅缩小聚变反应堆的体积规模。这些物理原理的发展和技术进步的叠加使得仿星器成为一种非常有前途的稳态磁约束聚变技术路线！
责任编辑
杨蒙蒙 安徽大学
蔡伟伟 上海交通大学
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第一期以Perspective发表的“A promising approach to steady-state fusion: High-temperature superconducting strong-field stellarator with precise omnigenity” (投稿: 2023-05-20；接收: 2023-11-13；在线刊出: 2023-11-14)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100537
引用格式：Xu G., Lu Z., Chen D., et al., (2024). A promising approach to steady-state fusion: High-temperature superconducting strong-field stellarator with precise omnigenity. The Innovation 5(1), 100537.
作者简介
万宝年，男，1962年6月出生于江苏南通。中科院合肥物质科学研究院研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。1985年开始在等离子体物理研究所工作。期间1988-1992年在德国维尔茨堡大学攻读博士学位，1992-1993年在德国维尔茨堡大学作博士后研究，曾在日本文部省核融合科学研究所、美国德克萨斯大学聚变研究中心等做客座教授和高级访问学者。长期从事磁约束核聚变研究，主持国家大科学工程核聚变实验装置的等离子体物理实验研究。近年来，带领磁约束核聚变大科学工程实验团队聚焦聚变堆稳态运行的关键科学技术问题，开展长时间尺度、稳态聚变等离子体的物理和工程实验研究，在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面取得了多项原创性成果，推动我国磁约束核聚变研究走在国际前列。曾获国家科技进步一等奖2项，中国科学院杰出科技成就奖一项，安徽省科技进步一等奖2项等多项奖励。2005-2020年，历任等离子体物理研究所副所长、所长，2014-2020年担任中国科学院合肥物质科学研究院副院长。期间2008年3月开始连续三届当选为全国政协委员。2021年11月，当选为中国科学院院士（数学物理学部）。
Web：http://www.ipp.cas.cn/rcdw/ys/wbnys/
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球57个国家；已被139个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2022年影响因子为33.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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