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可控核聚变双路线:仿星器与托卡马克成本对比及仿星器发展探秘

2026-01-20来源:快讯编辑:瑞雪

在核聚变研究领域,仿星器与托卡马克作为两条重要的技术路线,始终吸引着全球科研人员的目光。二者虽同为环形约束装置,但设计理念与磁场结构却存在显著差异。托卡马克依赖等离子体电流自身产生极向场,而仿星器则通过复杂的三维磁场结构抵消电流需求,从而避免等离子体漂移导致的电荷分离问题。这种差异不仅体现在原理层面,更深刻影响着装置的成本构成与发展路径。

成本分析显示,仿星器与托卡马克的建造成本总体相当,但具体构成存在差异。以德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所(IPP)的螺旋先进仿星器(Helias)为例,其包层模块与磁体成本占比分别达10%和29%,高于托卡马克的8%与25%。不过,仿星器因采用稳态磁场设计,系统再循环功率显著降低,长期运行成本更具优势。以W7-X装置为例,从1995年启动至2021年完成最终配置,直接投资达4.6亿欧元,若计入建筑、人员等运营成本,总投资额约14.4亿欧元。这一数据表明,仿星器虽初期投入较高,但稳态运行特性可部分抵消成本压力。

高温超导材料的突破为仿星器发展注入新动力。传统超导体在应力达20T时易失超,而托卡马克因磁场需动态变化,交流损耗问题尤为突出。仿星器的稳态磁场设计则完美规避了这一缺陷,且磁场强度提升可显著缩小装置体积,进一步降低建造成本。目前,高温超导技术已被视为仿星器降本的关键路径,其成熟度与价格走势将直接影响未来技术路线选择。

仿星器的历史可追溯至20世纪50年代。美国天体物理学家斯必泽于1951年提出通过8字形螺线管产生非传统环形磁场,利用弯曲处等离子体漂移的相互抵消实现约束。1953年,首台8字型仿星器Model-A问世,验证了新概念的可行性。随后,美国Model-B系列、日本Heliontron、德国Wendelstein-A等装置相继建成,推动研究进入第一个高潮期。中国于1971年组装“凌云”仿星器,但受限于当时的理论模拟能力与工业制造水平,项目最终停滞。这一时期,仿星器因成本高昂、实验参数落后于托卡马克,逐渐被边缘化。

70年代后,随着计算机技术与工业制造能力的提升,仿星器迎来技术革新。螺旋器(Helical Axis Device)与扭曲器(Torsatan)的出现,通过简化线圈系统大幅降低了设计成本。扭曲器将环向场线圈与螺旋场线圈耦合为单一螺旋场线圈,减少了一类线圈的使用;螺旋器则将环向场线圈中心排列在螺旋线上,以澳大利亚H-1、西班牙TJ-II及日本LHD为代表。其中,LHD作为全球首个稳态超导仿星器,大半径3.75米、小半径0.6米,可产生3T磁场,为稳态运行提供了重要参考。