中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系提出新的仿星器三维磁场位形

仿星器利用外部线圈产生的三维磁场约束高温等离子体，无需依靠等离子体电流即可实现稳态运行、避免破裂等不稳定性，已成为全球增长最快的技术路线。但三维磁场若不经精心优化，捕获粒子会产生显著径向漂移，导致新经典输运损失大幅增加。为抑制该漂移，磁场需满足"全向约束性"(omnigenity)条件，即所有捕获粒子轨道的时间平均径向漂移为零。

应用最广的一类全向约束性磁场是极向全向性(poloidal omnigenity, PO)，这类位形通常也被称为准等动力位形(quasi-isodynamic, QI)，其在低碰撞频率下具有零自举电流的优点，是世界最大在运行仿星器Wendelstein 7-X(W7-X)及多数聚变堆概念的理论基石。但 PO 要求磁场等值线严格沿极向闭合，这与仿星器的环向几何天然矛盾，往往导致强磁场一侧镜比过大或截面拉长，线圈设计复杂、环径比经济性差，使聚变堆设计面临多重权衡。

中国科学技术大学先进仿星器研究团队创新提出OOPS 统一映射框架(arXiv:2502.09350)，首次将准对称性、全向性等多类隐藏对称位形纳入同一数学描述，并进一步发展出 “squeeze” 映射技术：在保持弱场侧严格极向全向性(PO)的同时，使强场侧磁场等值线局部闭合、形成近似分段全向性(pwO)的新位形。这一新的三维磁场位形(PO-pwO)能够在不牺牲约束性能的前提下拓宽设计空间。

图 1：极向全向性(PO)、分段全向性(pwO)和混合全向性(PO-pwO)位形的磁场强度分布。

研究团队优化得到了一系列具有出色约束性能的PO-pwO位形设计，图2展示了 9 组磁场周期数 2~5、环径比 4~10 的 PO-pwO 位形。这些新位形的新经典输运特性优于 W7-X;在典型聚变堆尺寸下，α粒子损失率均低于 4%(W7-X损失率约为20%)。这类 PO-pwO 设计能够在保证物理性能的前提下降低对磁镜比、环径比的苛刻要求，为设计仿星器聚变堆提供新选择。

图2：9 组磁场周期数、环径比各异的 PO-pwO 优化位形，颜色表示磁场强度分布。

该工作的意义不止于获得一批性能优良的新型仿星器位形。作为一种统一描述并主动设计隐藏对称性的优化框架，OOPS方法为仿星器位形探索提供了新的理论语言和计算工具。它通过主动在准对称性、全向性和分段全向性等对称性之间建立联系，从而拓展高性能仿星器的可行设计空间。未来，该方法有望用于构建大规模高性能仿星器位形数据库，服务于人工智能辅助优化、线圈设计和聚变堆概念研究，为发展兼具物理先进性与工程可实现性的仿星器聚变堆提供原创工具。

该研究以 “Optimization of stellarator configurations combining omnigenity and piecewise omnigenity” 为题发表在核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》上。论文的第一作者为中国科大博士研究生刘珩骞，通讯作者是祝曹祥特任教授，合作者包括尉国栋副研究员与西班牙CIEMAT研究所José Luis Velasco研究员。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委和西班牙科学、创新与大学部项目联合资助。

END等离子体物理与聚变工程系简介：中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系(校内编号 52 系)自 2020 年成立以来，已成为中国首个专注于等离子体物理与聚变工程教学与研究的系级机构，其前身是成立于 1974 年的等离子体物理教研室。目前，52 系具有应用物理和工程物理两个本科专业，招收物理学(等离子体物理)、核科学技术(核能工程)、能源动力三个专业的研究生。