眾多磁約束聚變路徑中，仿星器(stellarator)利用獨特三維磁場約束等離子體，具有穩態運行、免疫破裂等優勢，其聚變功率與磁場的四次方成正比。高溫超導(High Temperature Superconductor, HTS)材料具有極高的載流能力，因此在提高核聚變功率和減小裝置尺寸方面具有顯著優勢。然而，最常見的規模化應用高溫超導材料稀土鋇銅氧ReBCO具有獨特的電磁和機械性能，對仿星器三維線圈的設計提出了新的挑戰。
近日，等離子體物理與聚變工程系先進仿星器課題組在自主開發的FOCUS程序[Nucl. Fusion 58 (2018) 016008; Plasma Phys. Control. Fusion 60 (2018) 065008]基礎上，開發了用于優化設計三維高溫超導線圈的程序FOCUS-HTS。研究人員將線圈中心線通過傅立葉方法或B樣條方法參數化，在中心線位置構建質心坐標系和旋轉角參數描述有限截面的三維線圈。設計目標以磁場法向分量誤差作為物理條件，將線圈長度、曲率、撓率、間距等關鍵參數作為工程約束，將高溫超導材料的獨特性質納入線圈設計中，包含材料應變、線圈電磁力和超導臨界電流密度，旨在確保三維高溫超導線圈同時滿足磁場分布要求、工程建造可行性與高溫超導材料的獨特性質。
該工作以Wendelstein 7-X仿星器線圈和精確準軸對稱仿星器(QA)為例，展示了FOCUS-HTS程序對于已有線圈的高溫超導性質優化和對新仿星器的整體化設計能力，可用于仿星器、加速器等需要三維高溫超導線圈的應用場景。
圖1：Wendelstein 7-X仿星器原始線圈(左)與優化后(右)的單位長度電磁力分布。在不影響其他參數的情況下，最大單位長度電磁力最大降低了12.5%，線圈整體電磁力下降了8.4%。
圖2：QA 仿星器的三維高溫超導線圈設計。左圖將線圈表示為薄帶材，便于觀察扭轉情況，應變限制為0.4%;右圖為有限截面的三維線圈，表示了線圈表面上的磁場分布。該研究成果以“FOCUS-HTS: a new stellarator coil design code for three-dimensional high-temperature superconducting magnets”為題發表在核聚變領域知名期刊《Nuclear Fusion》上。論文的第一作者為中國科大博士研究生聶顯懿，通訊作者是祝曹祥特任教授。該項研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院國際合作項目和安徽省重點研發項目的支持。
