近期，在可控聚变领域，中国首台准环对称仿星器测试平台（CFQS-T）实现全球首次超高精度“准环向对称磁场位形”，吸引了国内外目光。仿星器（Stellarator）和托卡马克（Tokamak）是磁约束聚变下两种不同的技术路线。长期以来，仿星器因其极为复杂的结构设计和磁体设计，发展进程落后于托卡马克。而随着高性能计算、先进模拟技术、数字孪生、人工智能、增材制造等新技术的愈发成熟以及在仿星器设计方面的应用深入，仿星器发展显著加速。本文通过梳理近期仿星器领域动向，对新技术如何赋能仿星器快速发展进行阐述。
一、仿星器技术简介
（一）仿星器技术原理
仿星器是磁约束聚变装置的一种，与托卡马克类似，两者都通过创建一个环形几何结构、形成带有封闭磁场的系统，限制等离子体的运动范围，使等离子体沿着这些场线无休止地循环。但这过程中，部分等离子体发生漂移和逃逸，等离子体不同方向漂移还会导致电荷分离，并产生电场、阻止等离子体正常运动。为解决这一问题，研究人员通过改变磁场的几何结构，将磁场线沿环面向极方向扭曲，形成磁面，即“场线旋转变换”，从而等离子体的运动限制在磁面内。产生场线旋转变换的方法是托卡马克和仿星器设计的主要区别。
托卡马克的磁场线旋转变换是通过使环面环绕变压器的一侧而产生，优势是几何结构简单，磁场的幅值和矢量都是环面对称的（对称性），但面临感应电流饱和，和对大电流的需求限制了其长期运行的可行性等问题，当前研究人员利用其他辅助加热和电流驱动的方法，如射频加热和中性束注入（NBI）等，克服其局限性。
仿星器通过一系列扭曲的线圈产生场线避免感应电流饱和问题，实现了更加稳定的长期运行，但这种设计缺乏环形对称性，无法确保磁性表面的嵌套性，从而导致粒子逃逸和能量损失。近年来，随着准对称性理论的完善与数值工具的探索发展，研究人员准对称仿星器设计方面已取得一定成果，能够生成高精度准对称位型，粒子约束性能不弱于全球最大托卡马克装置——国际热核聚变实验堆（ITER）。
图1：仿星器示意图——磁线圈（蓝色）、等离子体（黄色）、等离子体表面磁场线（绿色）
来源：德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所
（二）仿星器发展历程
仿星器的发展与美苏科技竞赛有着密切联系，在苏联托卡马克的巨大成功下，美国的仿星器设计逐渐暗淡。
仿星器的设计概念源于美国普林斯顿大学（Princeton）天体物理学家、普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）创始人Lyman Spitzer在1951年提交的关于实现可控聚变的研究报告。报告中首次提出使用“8”字形的磁场来约束等离子体以实现可控聚变，并将产生这种磁场的装置命名为仿星器。1953年，第一代仿星器装置Model A在普林斯顿大学建成，并在实验中证明了其超越简单环形装置的性能。后续，普林斯顿大学又建设了Model B系列（B、B2、B3、B64、B65）和Model C仿星器装置。同期，德国、日本也开展了仿星器研究，并建设了仿星器装置。但这一时期，受限于理论模型不完善、磁场设计能力和制造能力不足、控制技术有限等，仿星器装置对等离子体的约束能力不及预期，等离子体易发生湍流和不稳定性，导致能量快速损失，约束时间也非常短。
最重要的是，苏联的托卡马克研究取得一系列成果，托卡马克远超仿星器的性能以及相对仿星器更为简单的结构设计吸引了全球聚变能研究人员的关注，相关研究多转向托卡马克，如1969年，Model C仿星器被改造为对称托卡马克，并获得了更高的性能。德国和日本对仿星器的研究仍在继续。
1980年代，随着研究人员对仿星器等离子体物理过程的理解不断加深，研究人员发现仿星器磁场存在螺旋波纹度，认为这是导致等离子体粒子损失水平高的重要原因。对此，对仿星器等离子体位形的三维磁流体平衡稳定性、粒子约束能力等相关物理特性，以及外部电磁线圈的优化设计开展了一系列改进探索工作，并提出了“先进仿星器”这一重要概念。“先进仿星器”的代表是德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）的Wendelstein 7-AS。该仿星器采用了经过特殊优化的等离子体位形以及“模块化线圈”这一新型线圈设计思路，在1988年至2002年期间取得了一系列非常优秀的实验结果。后续，IPP在Wendelstein 7-AS的基础上又开发了Wendelstein 7-X（2002年开始建造、2014年竣工、2015年启用），截至目前是全球最大的仿星器（R=5.5m/0.53m）。美国威斯康星大学麦迪逊分校（Wisconsin–Madison）、美国普林斯顿等离子体物理实验室、美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）等研究机构也开展了先进仿星器设计工作，部分设计进行了实际建造。
（三）仿星器典型设计
仿星器主要部件包括：磁场系统、低温恒温器、等离子容器、偏滤器和加热系统等。按照线圈结构，仿星器可分为：“8”字形仿星器（Figure-8，如美国PPPL的Model-A）、跑道形仿星器（Racetrack-shaped，如美国PPPL的Model-C）、扭曲器（Torsatron，如美国奥本大学的CTH）、螺旋器（Heliotron，如日本国立聚变科学研究所的LHD）、螺旋轴仿星器（Heliac，如西班牙国家聚变实验室LNF的TJ-II）和螺旋先进仿星器（Helias，德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的Wendelstein 7-X）等。
德、美、日等国已建造多型仿星器装置：
德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的Wendelstein 7-X是全球最大的仿星器，在完成两个运行阶段后，装置进行了升级（2018年10月），2022年完成升级。Wendelstein 7-X的核心部件是一组50个非平面超导磁体线圈，叠加第二组20个平面超导磁体线圈，分为5个对称的区域，磁场强度3特斯拉，这种模块化线圈结构设计使得等离子体可以实现稳态运行。其他核心部件还包括低温恒温器（维持超导环境），加热系统（电子回旋共振加热技术，15兆瓦加热功率），先进偏滤器、传感器和探测器系统等。2023年2月，Wendelstein 7-X以更长的约束时间和更高的功率重新开始聚变实验。
图2：Wendelstein 7-X
来源：德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所
美国威斯康星大学麦迪逊分校的准螺旋对称仿星器（Helically Symmetric eXperiment，HSX）是全球唯一一种具有准螺旋对称（QHS）磁场结构的仿星器装置，于1999年开始运行。HSX采用模块化设计，这种设计有助于研究人员对等离子体行为进行更精细的控制和研究。HSX的外部电磁铁系统能够产生1特斯拉的磁场约束等离子体，另有一组辅助线圈用于破坏对称性，以模仿常规的仿星器属性并进行比较。HSX的设计允许进行更平稳和连续的操作，与托卡马克的脉冲操作方式相比，可能更适合连续能量输出。
图3：HSX
来源：美国威斯康星大学麦迪逊分校
日本国立聚变科学研究所（NIFS）的大型螺旋装置（Large Helical Device，LHD）于1998年投入运行，大半径为3.9米，小半径为0.6米，中心磁场强度3特斯拉，等离子体体积30立方米，是目前仅次于德国Wendelstein 7-X的世界第二大超导仿星器。LHD使用了中性束注入（NBI）、离子回旋射频（ICRF）和电子回旋共振加热（ECRH）三种加热技术，总加热功率达到36兆瓦。LHD取得了许多成果，包括在高能量粒子的约束性能方面的实验验证、探索能量传输机制、验证控制技术和排气系统设计等。
图4：LHD
来源：日本国立聚变科学研究所
西班牙国家聚变实验室的TJ-II是紧凑型聚变实验装置，有92个用于实验诊断和机器系统的访问窗口。TJ-II主半径为1.5米，小半径为0.2米，使用高应力材料，装置的制造和组装精度很高，仿星器部件定位采用了基于计算机的经纬仪系统。TJ-II可形成1特斯拉的磁场，磁场由32个环向场线圈产生，其三维扭曲的中心轴线由两个中心线圈生成，一个圆形和一个螺旋形。值得关注的是，TJ-II具有从0.9到2.5的旋转变换灵活性，这使得它能够改变磁井的形状，从-1%变化到6%。这些特点使得TJ-II成为强大的等离子体物理研究工具，提供了大量的等离子体行为数据，特别是不同磁场配置对等离子体约束、热量传输和稳定性的影响，为开发更大规模聚变装置提供了理论依据。
图5：TJ-II
来源：西班牙国家聚变实验室
中国西南交通大学聚变科学研究所与日本国立核融合科学研究所联合共建的 “中国首台准环对称仿星器”（Chinese First Quasi-axisymmetric Stellarator, CFQS）是新一代磁约束聚变装置，具有当今世界上最先进的磁场位形。中方负责提供实验大厅，并承担装置主体的建造包括磁场线圈、真空室、电源和水冷系统等；日方负责提供加热系统和诊断设备等。CFQS大半径1米，小半径0.25米，中心最大磁场强度1特斯拉，环径比为4，环向周期数为2。近期，CFQS测试平台（CFQS-T）在国际上首次利用三维模块化线圈获得超高精度的“准环向对称磁场位形”，也使中国成为继美国和德国之后又一掌握“三维非平面模块化线圈”高精度制造工艺的国家。后续，CFQS还将探索先进位形仿星器中三维等离子体约束性能及相关物理机制，助力全球仿星器发展。
图6：中国首台准环对称仿星器测试平台
来源：西南交通大学
二、新技术助力仿星器快速发展
材料技术（超导材料、面向等离子体材料、结构材料等）、模拟与控制技术、燃料技术等是这一阶段聚变能发展面临的主要难题。近期，美、德、日等国在可控聚变装置，尤其是仿星器领域取得新进展。其中，高性能计算、先进模拟技术、数字孪生、人工智能、增材制造等新技术在材料研发、结构设计、模拟预测等方面发挥了重要作用。
（一）材料研发
长期以来，材料研发依靠实验者经验和不断“试错”，周期长、偶然性大。而随着人工智能技术的快速发展，人工智能加速材料研发展现出巨大的潜力。人工智能与材料科学相融合，以材料大数据为基础，融合材料理论计算和实验技术，更快地对新材料的物理化学性质进行预测、筛选，并寻找最优设计方案，从而缩短新材料研发周期，或是改进新材料的合成和生产流程。美国等国家在该领域已取得了一系列成果，如美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室利用人工智能工具“材料探索图网络”（GNoME）“材料探索图网络”（GNoME），仅用17天独自创建41种新材料等。
在聚变能领域，美国等国家也已开展布局。2023年8月，美国能源部便向7个团队提供2900万美元资金，支持聚变能源领域的机器学习、人工智能和数据研究，推动聚变、等离子体领域算法创新，优化模型设计，解决极端规模数据分析问题。
今年1月，美国能源部宣布投入3000万美元开发用于聚变反应堆腔室的第一壁材料，提升聚变反应堆的设计性能，同期，美国能源部启动了“CHADWICK”计划（Creating Hardened and Durable Fusion First-Wall Incorporating Centralized Knowledge，知识驱动打造坚固耐用的聚变第一壁计划），旨在支持第一壁材料的开发和生产。
9月，美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员开发出人工智能技术驱动的、旨在发现能够承受聚变反应堆极端条件的合金材料的新方法。研究人员使用大量数据建立了人工智能模型，该模型成功确定了3种元素作为潜在的新合金候选物，分别为铌、钽和钒，下一步研究人员将实现可发现6种以下元素不同比例合金材料的人工智能模型。
10月至11月，美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）通过“CHADWICK”计划向美国德克萨斯农工大学（TAMU）、Commonwealth Fusion Systems公司（CFS）等提供资金支持。TAMU获得236万美元支持，将利用Birdshot AI工具模拟筛选数百种第一壁材料。第一壁是反应堆内部面向等离子体的最内层表面，这种材料需要在照射后保持室温延展性、高导热性、低活化性、尺寸稳定性、氚保留和低等离子体侵蚀。CFS公司获得250万美元支持，通过集成计算材料工程（ICME）开发出更耐用、更能抵抗第一壁恶劣条件的材料，包括用于真空室结构的钒合金和用于面向等离子体内壁的钨合金。
（二）结构设计
一方面，随着计算能力和控制系统持续发展，研究人员对于仿星器三维复杂性的理解不断深入，能够更精确地模拟和预测装置内部等离子体的行为、热传输过程及其与材料的相互作用，优化装置设计，提高聚变效率，从而推动聚变能走进现实。2024年2月，美国Thea Energy公司完成了2000万美元A轮融资，用于继续开发大规模集成中子源仿星器系统Eos和超导平面线圈磁体阵列系统。该公司是2023年8月入选美国能源部“里程碑式聚变发展计划”的8家公司之一。Thea Energy公司依托强大的计算和控制能力，开发平面和单独可控的电磁线圈阵列，通过将复杂的3D磁场转移到现代电子控制系统，从而在根本上简化仿星器系统设计。
图7：Thea Energy的仿星器设计
来源：Thea Energy
7月，美国聚变能源开发商Type One Energy宣布委托加拿大工程巨头AtkinsRéalis为其进行仿星器聚变试验工厂概念设计。AtkinsRéalis公司正在使用自动化、人工智能等新技术，辅助工程开发、加快工程进程和检测工程安全等。
10月，德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所宣布通过超级计算机等技术，开发出一种新型仿星器设计——“稳定准等动设计”（SQuIDs），这种设计在计算机模拟中表现出了优异属性：等离子体中的净环向电流限制在非常低的值、优异的等离子体湍流属性、高能粒子不会漂移并撞击反应堆壁等。
另一方面，先进制造技术推动了聚变装置新型材料和复杂部件的快速原型制造，加快了研究进程。2023年12月，英国原子能管理局（UKAEA）向9个机构提供1160万英镑，签订10项合同以开发聚变能创新技术。其中，Alloyed公司将开发还原活化铁素体-马氏体钢（RAFMS）和氧化物弥散强化RAFMS的增材制造技术；TWI公司将推进冷喷涂增材制造（CSAM）技术，利用聚变级材料制造大型部件；伯明翰大学（Birmingham）将利用计算设计和材料评估方法，扩大增材制造和粉末热等静压技术的规模，生产用于核聚变的钨材料部件。
2024年8月，美国麻省理工学院研究人员利用“原子级自由体积”对5万种化合物进行筛选，筛选出750种候选材料，并最终发现在反应堆腔体加入铁硅酸盐颗粒，可以减少氦原子在金属中结构脆弱的晶界处聚集，从而延长反应堆内部结构材料寿命。研究人员已制造出与现有商业3D打印机兼容的粉末，并推进该技术商业化应用。
（三）模拟与控制技术
随着计算技术和人工智能的发展，聚变能领域在控制技术方面也取得了显著进展，尤其是在等离子体稳定性和反应堆运行的实时监控与调节方面。2月，美国普林斯顿大学和普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员开发出一个可用于实时预测聚变堆等离子体不稳定性的人工智能模型。该模型能够预测被称为“撕裂模不稳定性”的等离子体不稳定性。聚变能商业化应用面临着许多重大技术和工程挑战，其中之一是等离子体可能失去稳定性，导致等离子体大规模破裂，进而导致聚变反应不能持续。研究人员使用美国DIII-D国家聚变设施的实验数据来训练这一模型。结果表明，该模型可以提前300毫秒预测撕裂模不稳定性。300毫秒足以供人工智能控制器调整聚变堆运行参数，确保等离子体运行的稳定性。
此外，数字孪生技术也在聚变能控制系统中得到了广泛应用。通过创建聚变装置的数字化虚拟副本，研究人员可以实时监测反应堆的运行状态，并利用模型进行预测和优化。
图8：FREDA项目的建模算法通过数千次迭代，直到最优化设计被确定
图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室
近期，美国能源部橡树岭国家实验室报道了“聚变反应器设计与评估”（Fusion REactor Design and Assessment，FREDA）项目开发情况。该项目旨在结合等离子体和工程领域知识，整合先进的建模和仿真工具、机器学习技术和高性能计算能力，创建聚变电厂的数字孪生，指导未来聚变电厂的设计和运营。英国原子能管理局、英国托卡马克能源公司（Tokamak Energy）等正在利用超级计算机和数字孪生等技术，建造聚变电厂的虚拟原型，如英国原子能管理局计划使用基于英特尔的超级计算机技术，在英特尔的“工业元宇宙”中开发球形托卡马克（STEP）的虚拟原型，以便在现实项目开工前评估可行性。中核集团自主研发的数字孪生系统已在“中国环流三号”上投入使用。可以预见，数字孪生技术未来也将在仿星器装置中使用。
三、总结
超级计算机、人工智能、增材制造等新技术的快速发展和应用，助力全球聚变能进入新的发展阶段，美国、英国、德国和日本等国家也已将发展聚变能提升至战略高度，加大聚变能及相关领域投入力度。托卡马克和仿星器作为磁约束聚变技术下距离实际应用最近的技术，携带着人类解决能源困境、实现可持续发展的美好期待。
从历史发展和技术成熟度看，托卡马克凭借较为成熟的设计理念和较为简单的几何结构，长期以来是聚变研究的主流方向，吸引着全球大量的研究资源和资金投入，取得了显著进展。相较之下，仿星器由于其复杂的磁场设计和制造工艺，长期处于“冷门”，研究进展较慢，相较托卡马克有一定差距。然而，在新技术的支持下，仿星器的研究和发展迎来了新的春天，其独特的优势和潜力正在被逐渐挖掘和实现，越来越多研究机构、私营部门投资进入仿星器领域，为其发展带来了新力量。
未来，新技术的不断融合将进一步加快聚变能技术发展，具有良好约束性能的仿星器技术有望成为可控聚变能的另一个重要发展方向，与托卡马克形成互补，为磁约束聚变发展提供重要参考和依据；主要国家也将不断优化聚变能发展路线图，调整托卡马克和仿星器的投入力度，加速实现聚变能的可控开发及实际应用。
参考文献：
[1]陆志远. 先进仿星器磁体物理优化设计研究[D].中国科学技术大学,2023.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2023.002208.
[2]可控核聚变网站——核聚变100问(68)：常见的仿星器的装置有哪些？https://www.nuclear-fusion.com.cn/blog/100-68
作者简介
张宇麒国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室
研究方向：能源领域前沿技术研究跟踪及产业、政策研究
编辑丨郑实
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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