Кафедра физики плазмы и термоядерного синтеза Университета науки и технологий Китая предложила новую трёхмерную магнитную конфигурацию стелларатора

Стеллараторы используют трёхмерное магнитное поле, создаваемое внешними катушками, для удержания высокотемпературной плазмы и могут работать в стационарном режиме без зависимости от плазменного тока, избегая таких неустойчивостей, как срывы, что делает их наиболее быстро развивающимся технологическим направлением в мире. Однако если трёхмерное магнитное поле не подвергнуть тщательной оптимизации, захваченные частицы будут испытывать значительный радиальный дрейф, что приведёт к существенному увеличению неоклассических транспортных потерь. Для подавления этого дрейфа магнитное поле должно удовлетворять условию «всенаправленного удержания» (omnigenity), то есть средний по времени радиальный дрейф орбит всех захваченных частиц должен быть равен нулю.

Наиболее широко применяемым классом всенаправленных удерживающих магнитных полей является полоидальная всенаправленность (poloidal omnigenity, PO); такие конфигурации также часто называют квазиизодинамическими (quasi-isodynamic, QI). Их преимущество заключается в нулевом бутстреп-токе при низкой частоте столкновений, что делает их теоретической основой крупнейшего в мире действующего стелларатора Wendelstein 7-X (W7-X) и большинства концепций термоядерных реакторов. Однако PO требует, чтобы линии уровня магнитного поля были строго замкнуты в полоидальном направлении, что естественным образом противоречит тороидальной геометрии стелларатора, часто приводя к чрезмерно большому пробочному отношению на стороне сильного поля или вытянутости сечения, усложняя конструкцию катушек и ухудшая экономичность по соотношению аспектного отношения, что ставит перед конструкцией термоядерного реактора множество компромиссов.

Передовая исследовательская группа по стеллараторам Университета науки и технологий Китая инновационно предложила единую структуру отображения OOPS (arXiv:2502.09350), впервые объединившую несколько классов скрытых симметричных конфигураций, таких как квазисимметрия и всенаправленность, в единое математическое описание, и дополнительно разработала технику отображения «squeeze»: при сохранении строгой полоидальной всенаправленности (PO) на стороне слабого поля, линии уровня магнитного поля на стороне сильного поля локально замыкаются, образуя новую конфигурацию с приближённой кусочно-всенаправленностью (pwO). Эта новая трёхмерная магнитная конфигурация (PO-pwO) позволяет расширить пространство проектирования без ущерба для удерживающих характеристик.

Рис. 1: Распределение напряжённости магнитного поля для конфигураций с полоидальной всенаправленностью (PO), кусочно-всенаправленностью (pwO) и смешанной всенаправленностью (PO-pwO).

Исследовательская группа оптимизировала серию конфигураций PO-pwO с выдающимися удерживающими характеристиками. На рис. 2 представлены 9 конфигураций PO-pwO с числом периодов магнитного поля от 2 до 5 и аспектным отношением от 4 до 10. Неоклассические транспортные характеристики этих новых конфигураций превосходят W7-X; при типичных размерах термоядерного реактора потери α-частиц составляют менее 4% (для W7-X потери составляют около 20%). Такие конструкции PO-pwO позволяют снизить жёсткие требования к пробочному отношению и аспектному отношению при сохранении физических характеристик, предоставляя новые варианты для проектирования стеллараторных термоядерных реакторов.

Рис. 2: 9 оптимизированных конфигураций PO-pwO с различным числом периодов магнитного поля и аспектным отношением; цвет указывает распределение напряжённости магнитного поля.

Значение данной работы выходит за рамки получения набора новых высокоэффективных стеллараторных конфигураций. Как оптимизационная структура, обеспечивающая единое описание и активное проектирование скрытых симметрий, метод OOPS предоставляет новый теоретический язык и вычислительные инструменты для исследования стеллараторных конфигураций. Он активно устанавливает связи между такими симметриями, как квазисимметрия, всенаправленность и кусочно-всенаправленность, тем самым расширяя возможное пространство проектирования высокоэффективных стеллараторов. В будущем этот метод может быть использован для создания крупномасштабных баз данных высокоэффективных стеллараторных конфигураций, служить целям оптимизации с использованием искусственного интеллекта, проектирования катушек и концептуальных исследований термоядерных реакторов, предоставляя оригинальные инструменты для разработки стеллараторных термоядерных реакторов, сочетающих физическую передовость и инженерную реализуемость.

Данное исследование опубликовано в известном журнале в области термоядерного синтеза «Nuclear Fusion» под названием «Optimization of stellarator configurations combining omnigenity and piecewise omnigenity». Первым автором статьи является аспирант Университета науки и технологий Китая Лю Хэнцянь, ответственным корреспондентом — профессор Чжу Цаосян, соавторами — доцент-исследователь Вэй Годун и исследователь Хосе Луис Веласко из испанского института CIEMAT. Данное исследование получило совместное финансирование от Стратегического пилотного проекта Китайской академии наук, Национального фонда естественных наук Китая и Министерства науки, инноваций и университетов Испании.

ENDКраткая информация о кафедре физики плазмы и термоядерного синтеза: Кафедра физики плазмы и термоядерного синтеза Университета науки и технологий Китая (внутренний номер 52) с момента своего основания в 2020 году стала первым в Китае факультетским подразделением, специализирующимся на преподавании и исследованиях в области физики плазмы и термоядерного синтеза; её предшественником была кафедра физики плазмы, основанная в 1974 году. В настоящее время кафедра 52 имеет две бакалаврские специальности — прикладная физика и инженерная физика, а также ведёт набор аспирантов по трём направлениям: физика (физика плазмы), ядерные науки и технологии (ядерная инженерия) и энергетика и энергомашиностроение.