美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员正在利用计算机的力量来提高被称为仿星器的聚变装置的性能。

在一个巨大的环状装置内，等离子体的温度达到太阳表面温度的许多倍，以强大的、可控的运动旋转。从外面看，这台机器就像一个被脚手架和人行道包裹着的金属环。但在它内部，它正在重现核聚变所必需的极端条件 —— 这一过程为太阳和所有其他恒星提供了动力。

由美国能源部（DOE）科学办公室支持的研究人员正在努力加深我们对核聚变的理解，以实现将其发展成为可行的商业能源的长期目标。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们最近在推进仿星器方面取得了重大进展，仿星器是一种很有前途的聚变装置，以其在限制等离子体中的稳定性而闻名。

核聚变有可能提供一种清洁的、几乎无限的能源。与化石燃料不同，它不会产生温室气体，也不会产生长寿命的放射性废物。核聚变的原理是加热轻原子核，比如氢原子核，直到它们形成等离子体，一种过热的带电气体。由于恒星是由等离子体构成的，它占了可见宇宙的99%。

关键的挑战是控制等离子体。为了使聚变能成为现实，科学家们必须通过有效地控制和控制高温等离子体，开发出能够维持稳定聚变反应的设备，这种反应产生的能量要大于消耗的能量。

磁约束装置：托卡马克和仿星器

核聚变研究人员正在研究几种不同的技术，包括磁约束和惯性约束。两种最常见的磁约束结构是托卡马克和仿星器。它们都使用非常强的磁场来限制等离子体并将其保持在甜甜圈形状。

它们的一个不同之处在于它们产生磁场的方式。托卡马克有三组大的磁场线圈。其中一个产生的电流穿过等离子体的中心。这种电流产生的磁场提高了等离子体的受限程度。相比之下，仿星器有许多环绕等离子体外部的磁铁线圈。它们形成缠绕在甜甜圈周围的扭曲磁场，而不需要中心电流。

仿星器与托卡马克相比有一些主要优势。它们需要更少的能量来维持聚变反应，设计更灵活，而且它们不太可能在等离子体中破坏设备的壁。

然而，仿星器有一个主要问题 —— 它们不能像托卡马克那样保持等离子体的热量。特别是，仿星器很难将能量最高的粒子限制在等离子体中。其中许多是必须被限制以维持聚变反应的粒子。此外，失去的高能粒子越多，它们就越有可能损坏设备的壁。因为托卡马克绕轴对称的形状很容易限制粒子，所以它们不存在这个问题。在仿星器成为可行的设计方案之前，科学家们需要解决这个基本问题。

等离子体约束的新方法

幸运的是，PPPL的研究人员已经找到了一些解决这个问题的方法。他们知道磁场的某些结构会导致被捕获的粒子以有助于限制的方式运动。

现在，科学家们需要知道如何调整磁铁以产生正确形状的磁场。理论上，最好的解决方案是模拟每个粒子在每个磁场中的运动方式。然而，这将需要几乎无限的计算能力和时间。这是不实际的。

相反，PPPL的研究人员与来自奥本大学、德国马克斯普朗克等离子体物理研究所和威斯康星大学麦迪逊分校的科学家合作，采用了一种替代方法，这种方法使用的计算能力要少得多。他们不是预测每个粒子如何移动，而是开发了一个易于计算的代理函数来预测粒子离开磁场的速度。这个数字与磁场对等离子体的约束程度有一致的关系。利用这个代理函数，该团队能够开发出许多不同的可能的等离子体配置，这些配置可以减少高能粒子的损失。

虽然其他科学家以前也使用过这种技术，但他们从未将其应用于这种特殊类型的仿星器。该项目使用的代码是由美国能源部橡树岭国家实验室和PPPL开发的。

虽然这些配置不是针对特定设备的设计，但它们将帮助科学家继续前进，知道要追求什么道路。使用这种方法可以帮助推进造星器的研究。最终，它可以使造星器成为商业聚变动力的可行选择。

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