近日，普林斯顿大学等离子体物理项目的研究生Frank Fu及其团队在仿星器设计方面取得了重要进展。他们开发了一种名为QUADCOIL的新型计算机代码，旨在加速塑造等离子体的复杂磁铁的设计，使仿星器的建造更简单、更经济。
艺术家对一种名为 QUADCOIL 的新计算机代码如何改进仿星器聚变机设计的诠释。(插图来源：Kyle Palmer / PPPL 通讯部)
仿星器是一种聚变反应装置，其性能的关键在于等离子体必须保留大部分热量并停留在其限制磁场内。为了实现这一性能，物理学家需要设计一种能够产生并维持所需等离子体形状的磁铁。然而，传统的磁体设计程序耗时较长，且可能产生过于复杂的磁铁形状，不利于实际建造。
QUADCOIL代码的出现解决了这一问题。它可以在短时间内快速预测磁体的复杂性，并帮助科学家避免设计出对实际建造聚变设施没有帮助的等离子体形状。一旦科学家选定了具有特定属性的等离子体形状，QUADCOIL便会高效地进行粗略计算，以确定能够产生这些属性的磁体形状。如果形状过于复杂，代码允许科学家重新设计等离子体形状，从而实现物理和工程之间的平衡。
据Fu介绍，传统的磁体设计程序需要20分钟到几个小时来评估磁体形状，而QUADCOIL则可以在10秒内完成任务。此外，QUADCOIL还允许科学家在输入中添加一系列工程规范，从而生成更符合科学家需求的磁体形状。这些规范可以包括有关磁体材料和形状或拓扑结构的信息。
该研究的另一项重要发现是，QUADCOIL可以生成其他代码无法生成的属性数据，包括磁体的曲率和它们受到的磁力大小。这使得科学家能够更准确地了解磁体的性能，并进一步优化设计。
普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员是这篇论文的主要作者，该研究将PPPL在复杂等离子计算机代码方面的专业知识与其开发仿星器的悠久历史结合起来。仿星器是该实验室70年前提出的一个概念，至今仍在聚变能源研究领域发挥着重要作用。
伊丽莎白·保罗，哥伦比亚大学应用物理和应用数学助理教授，也是该论文的合著者之一。她表示：“设计仿星器的主要挑战之一是磁铁的形状复杂，难以制造。如果我们可以使用计算机代码找到既具有我们想要的物理特性又可以使用形状简单的磁铁形成的等离子体形状，我们就可以更便宜地制造聚变能量。”
目前，Fu和其他研究团队成员正在开发QUADCOIL的一个新版本，它不仅可以确定一组特定磁铁的构建难易程度，还可以告诉研究人员如何改善等离子体形状。虽然当前的原型代码可以在笔记本电脑上运行，但最终版本很可能需要一台具有更强大图形处理单元的计算机。
展望未来，Fu计划将QUADCOIL的未来版本集成到更大的仿星器设计软件套件中，以进一步加速聚变能源的研发进程。“开发仿星器需要大量计算，”Fu说，“我正在努力让设计过程尽可能顺利。”
