[科普中国]-扭曲仿星器

概念

在磁约束聚变研究初期，仿星器是最主要的等离子体装置之一，最早是由斯必泽（Spitzer）提出来的，取名为stellartor，意思要仿照星球内那样的高温等离子体。

仿星器装置的磁体结构大体如图1，仿星器也是一种环形磁约束装置，它和环流器的最大的不同在于它的角向场是靠外加的螺旋型绕组来产生，螺旋绕组就像一个沿着轴向拉伸的螺旋管，螺旋绕组通电后，产生螺旋形的磁力线，它和环向线圈所产生的环向磁力线耦合构成一个螺旋型的总磁力线，从而为环形装置提供所需要的旋转变换磁剪切和平均磁阱。

图1中的仿星体具有三对螺旋绕组称为L=3的星体，相邻的两根绕组总是流过相反方向的电流，以抵消这些螺旋绕组所产生的磁场垂直分量和环向分量，这样的螺旋磁力线所构成的磁面，即等离子体的小截面的形状就不再是圆形。当沿着环的小轴前进时，非圆的形状是旋转的，仿星器中的等离子体相对于它的小轴不是轴对称，这一点是和托卡马克的情况截然不同。由于仿星器这种不对称性，使得仿星器的约束理论比托卡马克的难得多，并使它的磁场位形变得很复杂。1

基本原理仿星器与托卡马克装置的区别

在托卡马克装置中磁面是由等离子体电流的磁场和环向场合成的，电流密度的分布总可以在等离子体的建立过程中进行调整，以保证形成闭合磁面。而仿星器的螺旋绕组是完全固定的，所产生的螺旋磁场也完全是固定的，所以完全没有自行调整的能力，因此，由于任何一点设计和安装的误差，都可以使磁力线在绕大环一周后不回到一个固定的磁面上。

当误差超过一定值时，磁力线还可能跑到真空壁上去，造成磁面破裂，使带电粒子沿着磁力线碰到真空壁上丧失掉。为了避免这种损失，仿星器磁场的设计、加工和安装所要求的精度很高，比托卡马克的精度高得多，如要求磁场的总误差不超过万分之一，这是阻碍仿星器发展的一个重要原因。

仿星器的规模比托卡马克小很多，它的最大装置和第二代托卡马克的规模相近。

仿星器的研究意义

（1）可以为研究改进托卡马克提供一些有益的经验。因为仿星器和托卡马克的磁场位形很相似，在托卡马克的发展过程中曾向仿星器借鉴了许多东西.仿星器可以提供通过外加螺旋场控制旋转变换以克服一些扭曲型不稳定性的经验，这对克服目前造成环流器破裂不稳定性的m=2扭曲模有很大的帮助，可以通过对仿星器上偏滤器的研究，为减少环流器中等离子体杂质提供经验，同时还可以在仿星器上做二次加热的各种实验，积累经验后，移植到托卡马克上。

（2）仿星器在建堆方面具有一些优点。由于角向场是靠外加螺旋型绕组来实现，因此仿星器内可以没有等离子体电流，可以靠从外面注入来维持等离子体，所以可以稳态运行。仿星器中等离子体密度和温度沿小半径的分布比托卡马克中的分布变化要小，即指在相同的中心密度和温度的条件下，它的平均值比托卡马克的大。在建堆时，对于相同的中心密度和温度要求，仿星器的体积比托卡马克的小，因此费用低。

（3）由于在没有等离子体电流时，没有腊肠型和弯曲型的宏观不稳定性，因此平行于电流的强磁场就要小一些，因此， 值比托卡马克高。1