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仿星器采用外部線圈直接產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)，等離子體運(yùn)行穩(wěn)定。仿星器是一種通過(guò)外部磁場(chǎng)線圈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磁約束核聚變的實(shí)驗(yàn)裝置。與傳統(tǒng)的托卡馬克裝置通過(guò)環(huán)向場(chǎng)線圈和中心螺管線圈產(chǎn)生螺旋狀磁場(chǎng)不同，仿星器不依賴等離子體內(nèi)部的電流，而是由外部線圈直接產(chǎn)生螺旋狀磁場(chǎng)，這種設(shè)計(jì)使得仿星器能夠提供更穩(wěn)定的磁場(chǎng)，有助于更有效地約束等離子體，減少等離子體的不穩(wěn)定性。
仿星器線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣，從“8”字形線圈發(fā)展到模塊化線圈
在環(huán)形磁場(chǎng)中，帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)曲率漂移和磁場(chǎng)梯度漂移，使得電子和離子在容器頂部和底部積累，最終導(dǎo)致帶電粒子撞上容器壁而損失。仿星器通過(guò)改變環(huán)形線圈的空間布局或者添加額外的線圈，扭轉(zhuǎn)磁力線，產(chǎn)生螺旋磁力線，從而避免粒子損失。自仿星器誕生以來(lái)，產(chǎn)生了多種線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。
原始仿星器通過(guò)扭轉(zhuǎn)磁力線和真空容器室約束等離子體，大尺寸裝置建造難度大。仿星器的原始概念由斯必澤教授于1951 年提出，是一種“8”字形仿星器，通過(guò)將兩個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)斷開(kāi)、扭曲、對(duì)接，構(gòu)成了“8”字形磁力線。在右側(cè)彎管時(shí)，離子被推向上部，電子被推向下部；在左側(cè)彎管時(shí)，電子被推向上部，離子被推向下部，最終粒子的偏離相互抵消，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的約束。但由于“8”字形仿星器的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，導(dǎo)致大尺寸裝置建造困難。
標(biāo)準(zhǔn)仿星器采用螺旋線圈和環(huán)形線圈組合產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)，建造成本高。標(biāo)準(zhǔn)仿星器的結(jié)構(gòu)是在簡(jiǎn)單環(huán)形線圈的基礎(chǔ)上增加若干組螺旋線圈。通過(guò)環(huán)向磁場(chǎng)線圈和螺旋磁場(chǎng)線圈的組合，從而扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)讓磁力線連接環(huán)形容器的頂部和底部，形成螺旋形磁場(chǎng)，同樣能夠消除頂部和底部的電荷積累，避免漂移損失。W7-A 采用環(huán)向磁場(chǎng)線圈和螺旋磁場(chǎng)線圈組合的設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上不存在明顯的制造困難，但由于環(huán)向磁場(chǎng)線圈和螺旋線圈是互相嵌套的，至少一個(gè)線圈需要現(xiàn)場(chǎng)繞制，很難大規(guī)模生產(chǎn)，導(dǎo)致質(zhì)量控制難、成本高。
先進(jìn)仿星器采用模塊化線圈直接產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)，提高生產(chǎn)效率/降低成本。將仿星器線圈展開(kāi)至平面可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)向磁場(chǎng)線圈和螺旋磁場(chǎng)線圈構(gòu)成是具有一定周期性的重復(fù)結(jié)構(gòu)。因此通過(guò)構(gòu)造模塊化線圈，并按照一定的規(guī)則排列，可以產(chǎn)生等效的電流分布和螺旋形磁場(chǎng)。通過(guò)模塊化線圈直接產(chǎn)生螺旋形磁力線，可以避免環(huán)向磁場(chǎng)線圈和螺旋磁場(chǎng)線圈的嵌套，從而符合工業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)的要求，提高效率、降低成本。并且模塊化線圈能夠帶來(lái)寬裕的優(yōu)化空間，便于分析熱核聚變等離子體在復(fù)雜三維磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，探索最佳的磁場(chǎng)形態(tài)。
國(guó)外仿星器研究處于領(lǐng)先地位，中國(guó)實(shí)現(xiàn)0 到1 突破
德國(guó)仿星器取得等離子體持續(xù)時(shí)間的里程碑成就， 日本實(shí)現(xiàn)無(wú)中子核聚變。德國(guó)Wendelstein 7-X 是世界上最大的仿星器，于2015 年12 月開(kāi)始運(yùn)行。2023 年2 月15 日，W7-X 在實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)1.3GJ 的能量周轉(zhuǎn)，高溫等離子體持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8 分鐘。W7-X 下一階段目標(biāo)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)30 分鐘的連續(xù)放電。大型螺旋裝置（LHD）由日本國(guó)家聚變科學(xué)研究所（NIFS）管理運(yùn)營(yíng)，是繼W7-X 之后的世界第二大超導(dǎo)仿星器。2023 年首次在LHD 中實(shí)現(xiàn)了氫-硼聚變實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)產(chǎn)物僅3 個(gè)α粒子，證明了無(wú)中子核聚變的可行性，使制造更清潔的聚變堆成為可能。螺旋對(duì)稱實(shí)驗(yàn)（HSX）是美國(guó)開(kāi)發(fā)的一種具有準(zhǔn)螺旋對(duì)稱磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的仿星器，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高場(chǎng)和低場(chǎng)區(qū)域以螺旋狀環(huán)繞設(shè)備，能夠提供更高的約束性能。
中國(guó)準(zhǔn)環(huán)對(duì)稱仿星器（CFQS）啟動(dòng)建設(shè)，將填補(bǔ)仿星器研究領(lǐng)域空白。2023 年5 月6 日，西南交通大學(xué)與日本國(guó)家核融合科學(xué)研究所共同設(shè)計(jì)和建造的準(zhǔn)環(huán)對(duì)稱仿星器在四川啟動(dòng)建設(shè)。該裝置中心磁場(chǎng)強(qiáng)度1T、大半徑1m、平均小半徑0.25m，磁場(chǎng)呈準(zhǔn)環(huán)對(duì)稱性，是當(dāng)今受控核聚變仿星器領(lǐng)域磁場(chǎng)位形最先進(jìn)的裝置，建成后將填補(bǔ)中國(guó)仿星器相關(guān)研究領(lǐng)域空白，實(shí)現(xiàn)0 到1 的突破。
仿星器理論約束能力更強(qiáng)，設(shè)計(jì)復(fù)雜性是發(fā)展限制因素
仿星器具有出色的理論約束能力，但計(jì)算機(jī)模擬和制造能力要求高且存在局部磁鏡導(dǎo)致粒子損失。由于仿星器直接利用外部線圈產(chǎn)生環(huán)形螺旋磁場(chǎng)，不需要產(chǎn)生等離子體電流，這使得裝置不會(huì)受到等離子體電流導(dǎo)致的不穩(wěn)定性影響，可以避免等離子體電流引起的破裂風(fēng)險(xiǎn)，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。但仿星器由于其三維不對(duì)稱性，建造起來(lái)更復(fù)雜，其磁體的設(shè)計(jì)和加工要求達(dá)到非常高的精準(zhǔn)度，否則可能影響整體性能。由于上世紀(jì)的計(jì)算機(jī)模擬水平和工藝制造水平低，仿星器建設(shè)周期長(zhǎng)，發(fā)展緩慢。此外，模塊化仿星器的線圈數(shù)目非常多且極不規(guī)則，會(huì)形成大量局部磁鏡，這將導(dǎo)致一些粒子被“捕獲”在局部磁鏡中，無(wú)法完整地完成環(huán)向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致帶電粒子損失。