2024年7月26日，在《物理世界》（PHYSICSworld）发布的新闻稿中，一群美国等离子体物理学家提出了一个具有里程碑意义的建议：建造一个“灵活”的仿星器设施。这个提议不仅标志着聚变能源研究的一次重大飞跃，而且也代表了对现有磁约束聚变技术的深刻理解和创新思考。以下为报道内容：
德国的Wendelstein 7-X装置于2015年开始运行，取得了重大的理论进展和实验成果（图片由MPI for Plasma Physics/Jan Michael Hosan提供）
来自美国顶尖等离子体研究机构的24名物理学家组成的团队发布了一份白皮书，建议如果美国想在核聚变技术上保持领先地位，就应该建造一个“灵活”的仿星器设施，该设施将测试不同的仿星器磁约束方法，以及评估这些设计是否能够扩展至聚变电厂规模。
托卡马克与仿星器
托卡马克（左）和仿星器（右）几何结构示意图。来源：德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所
托卡马克和仿星器聚变装置均起源于20世纪50年代初期。它们均采用磁约束技术来操控等离子体，但在等离子体的磁约束容器的几何结构上存在差异。托卡马克装置利用流经等离子体的电流产生的环形磁场，而仿星器则通过外部线圈产生的螺旋磁场来实现等离子体的磁约束。
这些不同的几何形状为每种方法提供了特定的优势。托卡马克装置可以更有效地维持等离子体的温度，而仿星器则在确保等离子体稳定性方面表现更佳。
国际热核聚变实验堆（ITER）目前正在法国卡达拉什建造，是全球大约60个托卡马克实验中规模最大、最具雄心的一个。然而，目前只有少数仿星器在运行，其中最引人注目的是德国的Wendelstein 7-X设备，该设备自2015年启动以来已经取得了重大的实验进展。
有了托卡马克为什么还要建造仿星器？
参与撰写白皮书的物理学家费利克斯·帕拉·迪亚兹（Felix Parra Diaz）指出，要实现2022年发布的美国的商业聚变能源十年战略，这一战略充满雄心，除了支持托卡马克技术的进步外，还需要一个有说服力的仿星器研究计划。
托卡马克和仿星器“是非常近的亲缘关系，有许多共同点，”帕拉·迪亚兹说，“对一方有益的物理发现通常也会吸引另一方的兴趣。”
作为普林斯顿等离子体物理实验室理论部门的负责人，帕拉·迪亚兹对托卡马克和仿星器都进行了研究，他向《物理世界》杂志表示，尤其是Wendelstein 7-X最近的进展，正在推动仿星器成为通往聚变电厂的更佳途径。
“仿星器由于其复杂的磁体设计，曾被广泛认为建造难度较大，”帕拉·迪亚兹说。“我们现在认为，设计出与托卡马克具有相似甚至更优的等离子体约束性能的仿星器是可能的。我们相信，借助最新的磁体设计，这些设备能够以较低的成本建造。”
白皮书中呼吁美国建立一个“灵活的设施”，旨在验证理论模型的正确性，这些模型指出了仿星器约束在哪些方面可以改进，以及在哪些方面可能存在缺陷。
该设施的设计将集中解决仿星器聚变路径上的“科学缺口”。特别的目标是实现“准对称”磁配置，这种配置被认为是“减少新古典损失和高能粒子传输最有希望的策略”。
帕拉·迪亚兹提出了一个两阶段的方法来建设这个新设施。第一阶段将探索一系列灵活的磁配置，第二阶段则将升级加热和动力系统，以进一步研究第一阶段中发现的一些有前景的配置。
“它还将作为测试平台，用以研究热聚变等离子体如何与仿星器试验工厂的壁面相互作用的方法，”帕拉·迪亚兹补充说，他认为设计和建造这样一个设备可能需要6到9年的时间，具体时间取决于“资金水平”。
该组织此举是在国际热核聚变实验堆（ITER）的启动时间被推迟到2034年的背景下进行的，这比原先的计划晚了近十年。
与此同时，商业聚变公司继续推出替代的托卡马克技术。例如，位于牛津郡阿宾登的托卡马克能源公司正在开发一种球形托卡马克设计，该公司声称这种设计比传统的环形甜甜圈形状更有效。
参考链接：
- https://physicsworld.com/a/us-plasma-physicists-propose-construction-of-a-flexible-stellarator-facility/