物理学家改进了融合实验设计的方法

被称为仿星器的融合实验通过将大量过热等离子体(橙色水平质量)限制在由外部电磁线圈(多色垂直带)产生的磁场内来工作。UMD物理学家对用于设计这些复杂线圈形状的软件工具进行了修订，使研究人员能够创建更好的设计，并在线圈之间留出更多空间进行维修和仪器安装。实线表示由旧软件制作的形状，而虚线表示由新软件制作的形状。

“测量两次，切一次”是一位老木匠的谚语 - 提醒人们，从长远来看，精心策划可以节省时间和材料。

该概念也适用于仿星器的设计，这是一种复杂的核聚变实验，旨在探索聚变作为能源的潜力。仿星器通过将一圈炽热等离子体限制在由外部电磁线圈产生的精确成形磁场内来工作。当等离子体达到几百万度时 - 与太阳内部一样热 - 原子核开始融合在一起，释放出大量的能量。

在使用单个螺栓构建这些稀有且昂贵的设备之一之前，工程师使用一系列算法创建严格的计划。然而，各种各样的线圈形状都可以产生相同的磁场，从而增加了设计过程的复杂程度。到目前为止，很少有研究人员研究如何在特定仿星器的所有潜在线圈形状中选择最佳。

“不仅仅优化磁场形状，这种新方法同时考虑了线圈形状的复杂性。因此需要进行权衡，”UMD电子与应用物理研究所助理研究科学家Landreman说。 (IREAP)和研究论文的唯一作者。“这有点像买车。你可能想要最便宜的车，但你也想要最安全的车。这两种功能可能相互矛盾，所以你必须找到一种方法在中间见面。”

研究人员使用前一种方法，称为外部线圈产生的Neumann解算器(NESCOIL)，并于1987年首次描述，设计了许多今天运行的仿星器 - 包括Wendelstein 7-X(W7-X)。作为现存最大的仿星器，W7-X于2015年在德国马克斯普朗克等离子体物理研究所开始运作。

“大多数设计，包括W7-X，都是采用特殊形状的磁场开始，以便很好地限制等离子体。然后设计师将线圈整形成磁场，”Landreman解释道。“但是这种方法通常需要对线圈设计工具进行大量的反复试验，以避免线圈过于靠近，使其无法构建，或留下太少空间进入等离子体室进行维护。”

Landreman的新方法，他称之为Regularized NESCOIL - 或简称REGCOIL--通过解决仿星器设计的线圈间距问题以及磁场本身的形状来解决这个问题。Landreman说，结果是一个快速，更强大的过程，在第一次尝试时产生更好的线圈形状。

Landreman进行的建模测试表明，REGCOIL生产的设计将热等离子体限制在理想的形状，同时显着增加了线圈之间的最小距离。

“在数学方面，我们称仿星电路设计是一个'不合适的问题'，这意味着有很多潜在的解决方案。找到最佳解决方案很大程度上取决于以正确的方式解决问题，”Landreman说。“REGCOIL正是通过简化线圈形状来解决问题，以便能够非常有效地解决问题。”

核聚变作为可行的能源的发展仍然遥遥无期。但Landreman的新方法等创新将有助于降低为研究建造新型仿星器所需的成本和时间投入，并最终降低实际的能源生产应用。

“这个领域仍处于基础研究阶段，每一个新设计都是独一无二的，”Landreman说。“通过这些不兼容的功能来平衡，总会有不同的点，你可以决定做出妥协.REGCOIL方法允许工程师检查和模拟这个频谱上的许多不同点。”