中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系成功提出仿星器三维平衡快速计算新方法——“近磁面展开法”

近日，中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系祝曹祥特任教授领衔的先进仿星器课题组，成功提出仿星器三维平衡快速计算新方法——“近磁面展开法”。该方法破解了传统计算技术的效率瓶颈与适用局限，相关研究成果以“Near-surface expansion of vacuum stellarator configurations”为题，发表于核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》，为核聚变研发进程注入强劲动力。

近磁面展开示意图(图片来源于中科大等离子体物理与聚变工程系)

一、仿星器传统计算方法遇瓶颈

作为磁约束聚变的重要技术路线之一，仿星器凭借稳态运行、免疫破裂等突出优势，成为未来聚变堆的重点考量方向。然而，三维磁场位形的精准高效计算，长期以来是制约仿星器研究的关键难题。此前科研人员主要依赖两种方法，均存在明显局限：

“近轴展开法”：其核心逻辑是围绕磁轴进行泰勒展开，通过简化模型来推导磁场位形。该方法的优势在于原理清晰、计算过程简便，但存在显著短板——误差会随远离磁轴的距离急剧增大，仅能适用于大环径比的特定位形，在实际研究中的适用场景有限，实用性不足。

以VMEC程序为代表的“全局数值计算法”：作为传统方法中精准度较高的方案，它能够对整个仿星器位形的磁场平衡状态进行精确求解。但该方法需要处理复杂的三维方程，不仅涉及海量数据运算，还需耗费大量时间，导致计算效率低下，严重制约了仿星器平衡计算的整体进程。

二、创新 “近磁面展开法” 破局

祝曹祥教授课题组提出的“近磁面展开法”，在核心思路上实现了颠覆性突破：摒弃传统方法围绕磁轴展开的固定模式，转而以任意一个磁面作为参考基准。

研究团队创新性地构建了“搭积木式”计算逻辑：

首先深入分析三维真空磁场中专门用于描述磁场特性的Boozer坐标系，

再借助数学上的渐近展开技术，沿径向方向一步步推导参考面附近乃至远处的磁场位形。

这一设计成功将复杂的三维平衡问题转化为线性方程求解，彻底绕开了传统方法中需反复迭代的三维非线性方程难题，计算效率较传统全局计算方法提升高达数百倍。

三、新方法准确性经双重验证

为全面验证“近磁面展开法”的准确性，团队选取旋转椭圆位形和准轴对称位形两种典型仿星器位形，与行业内公认精准的三维平衡计算程序VMEC的结果进行对照分析。

   

VMEC计算结果与递归近磁面展开得到的近似解(图片来源于中科大等离子体物理与聚变工程系)

数据显示，在参考磁通量面附近，新方法的计算结果与VMEC的计算结果几乎完全重合;即便在远离参考面的区域，通过递归展开(即一步步向外或向内扩展计算)的方式，新方法得到的“全局解”也与VMEC结果保持高度一致，充分证明了其在全范围计算中的精准性。

值得一提的是，该方法还实现了磁轴定位的高效突破：传统方法往往需要通过复杂运算才能确定磁轴位置，而“近磁面展开法”仅需几次递归计算，就能精准锁定磁轴位置，误差可低至千分之一级别，为后续仿星器位形优化提供了关键技术支撑。

四、多维度赋能核聚变研发进程

这项研究的意义远不止于计算效率的提升。作为一种高效、精准的仿星器位形研究工具，“近磁面展开法”将从多个维度推动核聚变研发进程：

其一，它能快速完成三维平衡计算，大幅缩短研究周期;

其二，可为其他全局平衡计算程序提供良好的初值猜测，帮助这些程序快速收敛，进一步提升整个领域的计算效率;

其三，其低成本、高效率的特点，能够支撑大规模数据库的生成，为“人工智能+仿星器”的跨学科研究提供数据基础，为核聚变研发开辟新的路径。

论文第一作者为中国科大博士研究生刘珂，通讯作者为祝曹祥特任教授。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、安徽省重点研发项目和国家自然科学基金委的支持。论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ae2490。