Стелларатор использует создаваемое внешними катушками трёхмерное магнитное поле для удержания высокотемпературной плазмы, что позволяет обеспечить стационарную работу без опоры на плазменный ток и избежать таких неустойчивостей, как срывы; эта технология стала самым быстрорастущим направлением в мире. Однако без тщательной оптимизации трёхмерное магнитное поле вызывает значительный радиальный дрейф захваченных частиц, что приводит к существенному росту неоклассических транспортных потерь. Для подавления этого дрейфа магнитное поле должно удовлетворять условию «всенаправленного удержания» (omnigenity) — то есть усреднённый по времени радиальный дрейф всех траекторий захваченных частиц должен быть равен нулю.
Наиболее широко применяемым классом всенаправленно удерживающих магнитных полей является полоидальная всенаправленность (poloidal omnigenity, PO); такие конфигурации также часто называют квазиизодинамическими (quasi-isodynamic, QI). Они обладают преимуществом нулевого бутстреп-тока при низкой частоте столкновений и служат теоретической основой крупнейшего в мире действующего стелларатора Wendelstein 7-X (W7-X), а также большинства концепций термоядерных реакторов. Однако PO требует, чтобы изолинии магнитного поля были строго замкнуты вдоль полоидального направления, что естественным образом противоречит тороидальной геометрии стелларатора и часто приводит к чрезмерному отношению зеркал на стороне сильного поля или к вытянутому сечению, усложняя проектирование катушек и ухудшая экономичность отношения тор/радиус, что создаёт множественные компромиссы при проектировании термоядерного реактора.
Распределение интенсивности магнитного поля для полоидальной всенаправленной (PO), сегментированной всенаправленной (pwO) и гибридной всенаправленной (PO-pwO) конфигурацийИсследовательская группа передовых стеллараторов Китайского научно-технического университета (USTC) впервые предложила единую отображающую платформу OOPS (arXiv:2502.09350), впервые объединившую в едином математическом описании квазисимметрию, всенаправленность и другие типы скрытой симметрии конфигураций, а также разработала технологию «сжимающего» отображения (squeeze mapping): сохраняя строгую полоидальную всенаправленность (PO) на стороне слабого поля, она обеспечивает локальное замыкание изолиний магнитного поля на стороне сильного поля, формируя новую конфигурацию с приближённой кусочной всенаправленностью (piecewise omnigenity, pwO). Эта новая трёхмерная конфигурация магнитного поля (PO-pwO) позволяет расширить пространство проектных решений без потери качества удержания.
Исследовательская группа получила ряд оптимизированных конфигураций PO-pwO с превосходными характеристиками удержания, включая 9 наборов конфигураций PO-pwO с числом периодов магнитного поля от 2 до 5 и отношением тор/радиус от 4 до 10. Неоклассические транспортные характеристики этих новых конфигураций превосходят показатели W7-X: при типичных размерах термоядерного реактора потери альфа-частиц во всех случаях составили менее 4% (у W7-X — около 20%). Такие конструкции PO-pwO позволяют снизить жёсткие требования к отношению зеркал и отношению тор/радиус при сохранении физических характеристик, предоставляя новый вариант для проектирования термоядерных реакторов на основе стеллараторов.
Значение этой работы не ограничивается получением ряда новых высокоэффективных конфигураций стеллараторов. Как единая платформа описания и активного проектирования скрытых симметрий, метод OOPS предоставляет новый теоретический язык и вычислительный инструмент для исследования конфигураций стеллараторов. Активно устанавливая связи между квазисимметрией, всенаправленностью и кусочной всенаправленностью, метод расширяет доступное пространство проектных решений для высокоэффективных стеллараторов. В будущем этот метод может быть использован для построения масштабной базы данных высокоэффективных конфигураций стеллараторов в целях оптимизации с помощью искусственного интеллекта, проектирования катушек и исследования концепций термоядерных реакторов, предоставляя оригинальный инструмент для разработки стеллараторных термоядерных реакторов, сочетающих физическую перспективность с инженерной реализуемостью.
Девять оптимизированных конфигураций PO-pwO с различным числом периодов магнитного поля и соотношением диаметров тороидальных решеток. Цвета представляют распределение напряженности магнитного поляИсследование опубликовано под названием «Optimization of stellarator configurations combining omnigenity and piecewise omnigenity» в авторитетном журнале в области термоядерного синтеза Nuclear Fusion. Первый автор статьи — аспирант USTC Лю Хэнцянь, автор для переписки — приглашённый профессор Чжу Цаосян, среди соавторов — доцент Юй Годун и научный сотрудник испанского института CIEMAT Хосе Луис Веласко. Исследование выполнено при поддержке Стратегического приоритетного научно-технического проекта Китайской академии наук, Национального фонда естественных наук Китая и Министерства науки, инноваций и университетов Испании.
О кафедре физики плазмы и термоядерной инженерии
Кафедра физики плазмы и термоядерной инженерии Китайского научно-технического университета (внутренний номер 52) с момента основания в 2020 году стала первым в Китае кафедральным подразделением, специализирующимся на преподавании и исследованиях в области физики плазмы и термоядерной инженерии; её предшественником была кафедра физики плазмы, основанная в 1974 году. В настоящее время кафедра 52 предлагает две бакалаврские специальности — прикладную физику и техническую физику — и набирает аспирантов по трём направлениям: физика (физика плазмы), ядерная наука и технологии (ядерная энергетика) и энергетика.
