聚变研究之 磁约束拓扑性质（1）  2019年8月13日 哈尔滨 阴

前些日子写“聚变研究之不忘初心”，最后留了一句“仿星器另外说”。

因为牵涉到更大的题目——打算在下周杭州的暑期学校上讲一下。既然有人关心（当时就有585的同行提了），先在这里简单说说。

前文（聚变研究之不忘初心）讲了，托卡马克的优越性是物理稳定性和拓扑稳定性。环形装置都有拓扑稳定性，所以对比其它环形装置，托卡马克的优越性在于物理稳定性。怎么说呢？就是看谁更“像”q-pinch（角向箍缩），即相比环向磁场，极向磁场更小。

但是有一个例外，就是仿星器。仿星器（stellarator）是当年美国人提出的磁约束位形，字根stellar是“星的”意思，对应star（星——恒星）的形容词。我们中文把天上的都叫“星”——恒星、行星、卫星、彗星，英文各有各的名字：star, planet, moon (or satellite), comet。所以“星”们的能源来自聚变。地面实验室里的“人造星”（我们叫“人造太阳”）当然起一个“仿星器”的名字。这个“人造星”其实和托卡马克一样，都是把q-pinch两头对成一个环，然后用极向场实现“旋转变换”来消除环的内外不对称性，而且都保证了极向场比环向场小一个数量级——都是环形装置中最“像”q-pinch的。但是托卡马克的极向场主要是等离子体电流“自洽”产生的（叫做“自举电流”），而仿星器的极向场主要是外部线圈产生的。所以仿星器的线圈长这样：

扭来扭去的，完全破坏了水平面上的轴对称性（垂直地面轴），但是托卡马克基本上保持了轴对称。

因此，托卡马克的横截面和仿星器的横截面也完全不同。

托卡马克的长这样（基本还是中规中矩的）

仿星器的长这样（“别扭”这个词就是给它预备的——别来别去、扭来扭去）

可以看出，仿星器是一种非常复杂的装置，至今仍是先进制造业王冠上的明珠。下图是仿星器全貌：

托卡马克外观啥样大家都知道，不展示了。

因为约束等离子体的螺旋环状磁场几乎完全靠线圈实现，所以线圈结构非常复杂，且设计、制造要分享毫不差。在1950-1960年代，这几乎就是Mission Impossible。当时造出来的仿星器都实现不了设计指标，最后是托卡马克一统江湖。

美国人的伟大理想最后是号称“制造狂魔”的德国人实现的：2014年世界最大仿星器 Wandelstein X-7建成，举世瞩目。尽管目前参数比起托卡马克还差不少，但是人们还是报很大期望。国内也有几家学校纷纷跟进。

问题来了：

是几乎完全是外部磁场约束的仿星器更有优越性，还是极向场主要是等离子体电流产生的托卡马克更具优越性？

更进一步的问题：

是等离子体自己产生磁场的“自洽约束”（球形闪电、日地磁场都属于这种）更有利于实现磁约束聚变，还是人为外加的线圈产生磁场的“外部约束”更有利于实现磁约束聚变？

这个问题是在磁约束聚变圈子里常常被提出来的，也是关心聚变的公众所注意的。