近日，普林斯頓大學等離子體物理項目的研究生Frank Fu及其團隊在仿星器設計方面取得了重要進展。他們開發了一種名為QUADCOIL的新型計算機代碼，旨在加速塑造等離子體的復雜磁鐵的設計，使仿星器的建造更簡單、更經濟。

藝術家對一種名為 QUADCOIL 的新計算機代碼如何改進仿星器聚變機設計的詮釋。(插圖來源：Kyle Palmer / PPPL 通訊部)

仿星器是一種聚變反應裝置，其性能的關鍵在于等離子體必須保留大部分熱量并停留在其限制磁場內。為了實現這一性能，物理學家需要設計一種能夠產生并維持所需等離子體形狀的磁鐵。然而，傳統的磁體設計程序耗時較長，且可能產生過于復雜的磁鐵形狀，不利于實際建造。

QUADCOIL代碼的出現解決了這一問題。它可以在短時間內快速預測磁體的復雜性，并幫助科學家避免設計出對實際建造聚變設施沒有幫助的等離子體形狀。一旦科學家選定了具有特定屬性的等離子體形狀，QUADCOIL便會高效地進行粗略計算，以確定能夠產生這些屬性的磁體形狀。如果形狀過于復雜，代碼允許科學家重新設計等離子體形狀，從而實現物理和工程之間的平衡。

據Fu介紹，傳統的磁體設計程序需要20分鐘到幾個小時來評估磁體形狀，而QUADCOIL則可以在10秒內完成任務。此外，QUADCOIL還允許科學家在輸入中添加一系列工程規范，從而生成更符合科學家需求的磁體形狀。這些規范可以包括有關磁體材料和形狀或拓撲結構的信息。

該研究的另一項重要發現是，QUADCOIL可以生成其他代碼無法生成的屬性數據，包括磁體的曲率和它們受到的磁力大小。這使得科學家能夠更準確地了解磁體的性能，并進一步優化設計。

普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的研究人員是這篇論文的主要作者，該研究將PPPL在復雜等離子計算機代碼方面的專業知識與其開發仿星器的悠久歷史結合起來。仿星器是該實驗室70年前提出的一個概念，至今仍在聚變能源研究領域發揮著重要作用。

伊麗莎白·保羅，哥倫比亞大學應用物理和應用數學助理教授，也是該論文的合著者之一。她表示：“設計仿星器的主要挑戰之一是磁鐵的形狀復雜，難以制造。如果我們可以使用計算機代碼找到既具有我們想要的物理特性又可以使用形狀簡單的磁鐵形成的等離子體形狀，我們就可以更便宜地制造聚變能量。”

目前，Fu和其他研究團隊成員正在開發QUADCOIL的一個新版本，它不僅可以確定一組特定磁鐵的構建難易程度，還可以告訴研究人員如何改善等離子體形狀。雖然當前的原型代碼可以在筆記本電腦上運行，但最終版本很可能需要一臺具有更強大圖形處理單元的計算機。

展望未來，Fu計劃將QUADCOIL的未來版本集成到更大的仿星器設計軟件套件中，以進一步加速聚變能源的研發進程。“開發仿星器需要大量計算，”Fu說，“我正在努力讓設計過程盡可能順利。”