3月12日，美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）宣布已开发一种新型计算机代码工具-QUADCOIL，可以加快实现等离子体的复杂磁体的设计。相关论文已发表在权威期刊《Nuclear Fusion》上，题目为《Global stellarator coil optimization with quadratic constraints and objectives》。
一、传统仿星器线圈设计
核聚变作为清洁能源的终极解决方案，其核心挑战在于如何长时间稳定约束高温等离子体。仿星器作为一种无需依赖等离子体电流的三维磁约束装置，凭借稳态运行和无大规模等离子体破裂风险的优势，被视为托卡马克（Tokamak）的重要替代方案。然而，仿星器的复杂三维线圈系统一直是制约其发展的瓶颈。其线圈设计不仅需要精确产生所需的磁场位形以约束等离子体，还需兼顾工程可行性（如线圈制造难度、机械应力、成本等）。传统线圈设计流程分为两步：先优化磁流体动力学（MHD）稳定性和粒子约束的平衡，然后设计线圈集以精确再现平衡磁场。然而，这种两步式设计流程存在以下问题：
- 计算成本高昂：线圈设计涉及高维非凸优化，依赖人工调参且收敛困难。
- 线圈复杂度失控：传统方法难以直接约束线圈曲率、间距等关键工程指标，导致设计结果难以建造。
- 物理与工程目标割裂：等离子体优化阶段缺乏对线圈复杂度的快速评估，导致后期设计反复迭代。
二、QUADCOIL的核心创新
基于此，PPPL科研团队提出了一种名为QUADCOIL的革命性线圈优化方法。该方法通过引入二次约束与目标函数，并结合Shor弛豫技术，实现了仿星器线圈的全局快速优化，为解决上述难题提供了全新路径。
QUADCOIL的核心在于将线圈优化问题转化为二次约束二次规划（QCQP）问题，并利用Shor弛豫技术将其转化为凸优化问题。其创新点包括：
- 目标函数扩展：可直接优化磁场能量、洛伦兹力、线圈曲率、线圈-磁场对齐度等非线性指标。
- 全局最优解保证：通过引入新技术在多项式时间内找到全局最优或高性能近似解，避免陷入局部最优。
- 线圈拓扑控制：通过不等式约束消除不现实的线圈形态（如窗格电流），简化后续切割流程。
- 计算效率飞跃：优化速度较传统方法提升百倍，单次计算仅需数秒至数分钟，适用于早期设计阶段的快速筛选。
三、QUADCOIL的应用示例
通过三个数值实验，系统验证了QUADCOIL的工程价值。
案例1：线圈拓扑控制—消除窗格电流传统绕面电流法（如REGCOIL）生成的电流层常包含“窗格电流”（不环绕等离子体的闭合电流环），需复杂的人工切割。QUADCOIL通过施加极性约束（强制电流方向与净极向电流一致），直接生成纯极向电流层。实验显示：QUADCOIL仅需1.77秒即获得磁场误差0.607T²·m²的设计；REGCOIL需15次迭代（43.5秒）才达到0.792T²·m²，且误差高出30%。
案例2：非凸惩罚优化—降低线圈曲率针对线圈曲率（影响制造难度）这一非凸目标，QUADCOIL通过直接最小化曲率代理函数，在相同磁场误差下，曲率较REGCOIL降低40%。实验使用HSX、NCSX、W7X三种仿星器设计，结果显示QUADCOIL的优化结果始终位于“误差-曲率”帕累托前沿的最优位置。
案例3：线圈复杂度预测—与真实线圈设计的强相关性通过对38种等离子体平衡、4436组参数组合的大规模验证，QUADCOIL预测的归一化磁场误差与真实离散线圈优化结果高度相关（相关系数>0.85）。QUADCOIL可作为快速筛选工具，排除难以实现的设计方案。例如：对CFQS仿星器，QUADCOIL计算耗时中位数22.4秒，而离散线圈优化需3865秒，效率提升超百倍。在自由线圈优化中，QUADCOIL仍保持63倍速度优势，且预测误差与实测误差偏差小于15%。
四、未来应用前景
- 单阶段优化集成：将QUADCOIL嵌入等离子体平衡优化循环，实现物理性能与工程约束的同步优化。
- 高温超导线圈设计：通过约束线圈-磁场对齐度，评估超导临界电流，助力紧凑型仿星器开发。
- 开源生态构建：团队计划将QUADCOIL整合至SIMSOPT等开源框架，推动聚变社区协作创新
未来，团队希望可以将QUADCOIL集成到更大的仿星器设计软件套件当中去，从而使得仿星器线圈设计更简单、更高效、更具成本优势。
参考链接：
- https://www.pppl.gov/news/2025/new-computer-code-could-lead-simpler-less-costly-stellarators-fusion-power
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ada810/pdf