众多磁约束聚变路径中，仿星器(stellarator)利用独特三维磁场约束等离子体，具有稳态运行、免疫破裂等优势，其聚变功率与磁场的四次方成正比。高温超导(High Temperature Superconductor, HTS)材料具有极高的载流能力，因此在提高核聚变功率和减小装置尺寸方面具有显著优势。然而，最常见的规模化应用高温超导材料稀土钡铜氧ReBCO具有独特的电磁和机械性能，对仿星器三维线圈的设计提出了新的挑战。
近日，等离子体物理与聚变工程系先进仿星器课题组在自主开发的FOCUS程序[Nucl. Fusion 58 (2018) 016008; Plasma Phys. Control. Fusion 60 (2018) 065008]基础上，开发了用于优化设计三维高温超导线圈的程序FOCUS-HTS。研究人员将线圈中心线通过傅立叶方法或B样条方法参数化，在中心线位置构建质心坐标系和旋转角参数描述有限截面的三维线圈。设计目标以磁场法向分量误差作为物理条件，将线圈长度、曲率、挠率、间距等关键参数作为工程约束，将高温超导材料的独特性质纳入线圈设计中，包含材料应变、线圈电磁力和超导临界电流密度，旨在确保三维高温超导线圈同时满足磁场分布要求、工程建造可行性与高温超导材料的独特性质。
该工作以Wendelstein 7-X仿星器线圈和精确准轴对称仿星器(QA)为例，展示了FOCUS-HTS程序对于已有线圈的高温超导性质优化和对新仿星器的整体化设计能力，可用于仿星器、加速器等需要三维高温超导线圈的应用场景。
图1：Wendelstein 7-X仿星器原始线圈(左)与优化后(右)的单位长度电磁力分布。在不影响其他参数的情况下，最大单位长度电磁力最大降低了12.5%，线圈整体电磁力下降了8.4%。
图2：QA 仿星器的三维高温超导线圈设计。左图将线圈表示为薄带材，便于观察扭转情况，应变限制为0.4%;右图为有限截面的三维线圈，表示了线圈表面上的磁场分布。该研究成果以“FOCUS-HTS: a new stellarator coil design code for three-dimensional high-temperature superconducting magnets”为题发表在核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》上。论文的第一作者为中国科大博士研究生聂显懿，通讯作者是祝曹祥特任教授。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院国际合作项目和安徽省重点研发项目的支持。
