科学家如何创造聚变——为太阳和恒星提供动力的能量——以产生清洁能源?

几十年来，聚变研究人员主要关注托卡马克，它使用对称的环形场来容纳产生能量的燃料。但是，1950 年代普林斯顿大学的莱曼·斯皮策发明了一种曲折的仿星器，一种实验性的磁性装置，它也有希望——现在更接近于实现。

2015 年普林斯顿大学校友、能源部普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的普林斯顿大学校长博士后研究员伊丽莎白保罗在曲折仿星器方面取得了新的突破。

问题在于，它们的扭曲磁场在限制离子和电子的路径方面不如托卡马克的甜甜圈形磁场有效，浪费了大量将离子聚集在一起以释放聚变能量所需的极端热量。此外，产生仿星器场的复杂线圈难以设计和建造。

Paul 的工作展示了如何更精确地塑造仿星器中的封闭磁场，从而创造出一种前所未有的将聚变燃料保持在一起的能力。

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“关键是开发一款软件，让您可以快速尝试新的设计方法，”Paul 说，他是一篇新论文的合著者，该论文详细介绍了Physical Review Letters中的发现。保罗和马里兰大学的主要作者马特兰德雷曼产生的结果可以提高仿星器收集聚变的能力，为人类产生安全和无碳的电力。

聚变通过结合等离子体形式的轻元素在整个宇宙中产生巨大的能量 - 由自由电子和原子核组成的热的带电物质状态，构成可见宇宙的 99%。

仿星器可以产生实验室版本的聚变，而不会出现更广泛使用的托卡马克聚变设施有时面临的中断。目前的突破在仿星器中产生了所谓的“准对称”，几乎与托卡马克对称场的限制能力相匹配。虽然科学家们长期以来一直试图在扭曲的仿星器中产生准对称性，但这项新研究开发了一种几乎精确地创造它的技巧。该技巧使用名为 SIMSOPT (Simons Optimization Suite) 的新开源软件，该软件旨在通过缓慢改进标出磁场的等离子体边界的模拟形状来优化仿星器。

“使用这种新软件实现自动化并快速尝试的能力使这些配置成为可能，”兰德里曼说。

监督保罗在普林斯顿工作的是普林斯顿大学天体物理学教授阿米塔瓦·巴塔查吉 (Amitava Bhattacharjee)，他还负责监督由纽约西蒙斯基金会赞助的“隐藏对称性和聚变能”项目，该项目资助了 PRL 论文。“马特和伊丽莎白的工作熟练地利用了近年来在仿星器优化方面开发的数学和计算工具，并且毫无疑问地确立了我们可以以前所未有的精度设计准对称仿星器磁场。这是计算设计的胜利。”

Simons 项目上的仿星器工作与 PPPL 研究平行，以开发实验室在大约 70 年前发明的有前途的设备。这样的发展将结合仿星器和托卡马克的最佳特性，设计一个具有强大等离子体约束的无中断设施，以产生几乎无限的聚变能源。