新理论解决“仿星器”粒子泄漏研究难题，有望使聚变反应堆研制速度提高10倍

来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校、洛斯阿拉莫斯国家实验室和第一型能源集团的研究团队发现了一种更快、更准确的方法来修复聚变反应中的磁场缺陷，解决了寻找“仿星器”中粒子泄漏位置的难题。研究人员称，这一进展是设计聚变反应堆的范式转变，有望使研制仿星器的速度提高10倍。相关论文近期发表于《物理评论快报》杂志。

仿星器的概念于20世纪50年代提出，是一种采用环形设计的聚变反应堆。它依靠精密的外部绕组来控制内部产生的磁场，从而实现对等离子体和高能粒子的约束。这种约束系统常被描述为“磁瓶”。

阻碍聚变能源发展的一大挑战在于，如何将高能粒子约束在聚变反应堆内。当高能α粒子从反应堆中泄漏时，等离子体便无法达到维持聚变反应所需的高温和高密度。

然而，这些磁场中往往存在肉眼看不见的“缝隙”，α粒子会从这些缝隙中逃逸。使用基于牛顿定律的传统方法去识别磁瓶中的缝隙位置，计算量巨大且速度缓慢。此外，为了设计仿星器，工程师还需模拟和测试数百种磁线圈的变体，设计过程十分繁琐。

为了节省时间和金钱，科学家和工程师通常会采用一种更简单的方法来确定缝隙的近似位置，即微扰理论。但这种方法准确性较低，从而减缓了仿星器的开发进程。而此次研究团队提出的新方法基于对称理论，为理解该系统提供了全新视角。

利用新方法，团队或能更准确地绘制出粒子的潜在泄漏点，这为提高反应堆的安全性和效率提供了有力工具。团队表示，尽管磁聚变设计仍存在其他重大挑战，但这一进展解决了自70多年前首次提出仿星器以来就有的最大难题。

值得一提的是，这种新方法还有助于解决另一种流行的磁约束聚变反应堆设计，即托卡马克中一个类似但不同的问题。托卡马克设计中存在失控电子的问题，高能电子可能在周围的墙壁上打出空洞。这种新方法可以帮助识别磁场中这些电子可能泄漏的缝隙。