核聚變是一種能量產(chǎn)生的過程。在這個(gè)過程中，兩個(gè)氘原子被加速到足以克服庫侖力的水平，融合成一個(gè)氦原子和一個(gè)中子，釋放出巨大的能量。核聚變不僅無碳排放，廢棄物產(chǎn)生量少，而且燃料來源幾乎取之不盡，因此堪稱能源生產(chǎn)的終極手段。核聚變是太陽燃燒的動(dòng)力，如果人類能夠在地球上掌控這種能量，將有望引發(fā)一場(chǎng)清潔能源革命。

保持托卡馬克裝置的最佳狀態(tài)

托卡馬克設(shè)計(jì)依靠磁場(chǎng)限制熱等離子體，具有很高的可行性。等離子體是一種電離氣體，它由正離子和自由電子組成，近似電中性。通常情況下，等離子體是在低壓下產(chǎn)生的。

托卡馬克聚變裝置使用一系列磁線圈，在環(huán)形腔室內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并使之在裝置內(nèi)穩(wěn)定（圖1）。然后，使用外部加熱系統(tǒng)將等離子體加熱到攝氏1.5億度的極高溫度，以實(shí)現(xiàn)核聚變。

圖 1. DIII- D托卡馬克核聚變裝置內(nèi)部視圖。

在美國圣地亞哥，通用原子能公司 (General Atomics，簡(jiǎn)稱GA)代表美國能源部運(yùn)行DIII-D國家聚變?cè)O(shè)施，為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)磁約束聚變而持續(xù)努力。作為一座面向用戶開放的設(shè)施，DIII-D托卡馬克接待了650多位來自世界各地的研究人員在此進(jìn)行最前沿的聚變研究。

DIII-D托卡馬克運(yùn)行小組使用多物理場(chǎng)仿真優(yōu)化操作流程和診斷設(shè)備，確保整個(gè)設(shè)施處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。DIII-D托卡馬克首席操作員，通用原子能公司的HumbertoTorreblanca指出：“得益于COMSOLMultiphysics? 軟件，我們無需再使用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行工程分析，也不必假設(shè)所處理的問題是理想化的場(chǎng)景。我們可以研究托卡馬克的復(fù)雜幾何形狀，并構(gòu)建出一系列復(fù)雜的多物理場(chǎng)模型。”

“因此，我們可以設(shè)計(jì)并推進(jìn)我們的構(gòu)想，而不會(huì)損壞設(shè)備。仿真能夠提供非常準(zhǔn)確的結(jié)果，讓我們不必依賴于簡(jiǎn)化的假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。”Torreblanca補(bǔ)充道。
以前，運(yùn)行團(tuán)隊(duì)雖然已經(jīng)能夠分析DIII-D托卡馬克的內(nèi)部磁場(chǎng)，但還是不得不簡(jiǎn)化磁場(chǎng)來分析外部磁場(chǎng)（圖2）。Torreblanca解釋說：“托卡馬克被許多組件和系統(tǒng)所環(huán)繞，磁場(chǎng)產(chǎn)生的各種力和電流可能會(huì)影響和損壞這些系統(tǒng)。仿真分析有助于避免潛在損害以及研究項(xiàng)目延誤所引起的高昂代價(jià)。”

圖 2. DIII-D托卡馬克裝置被暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中的復(fù)雜系統(tǒng)和組件所包圍。

Torreblanca 使用COMSOL 軟件中的LiveLink?forSOLIDWORKS?模塊導(dǎo)入托卡馬克幾何結(jié)構(gòu)，以研究托卡馬克外部特定位置上的磁場(chǎng)，并觀察磁場(chǎng)對(duì)特定系統(tǒng)的影響。

Torreblanca指出：“這個(gè)模型很容易建立，為我節(jié)省了很多時(shí)間，從而取代了以前那些耗時(shí)的方法。”

靜態(tài)、緩慢或快速變化的磁場(chǎng)曾經(jīng)損壞過托卡馬克的一些真空渦輪泵，而這些泵對(duì)托卡馬克上的主系統(tǒng)和子系統(tǒng)都至關(guān)重要。通過多物理場(chǎng)仿真，該小組顯著改進(jìn)了托卡馬克容器外部的時(shí)變磁場(chǎng)分布分析，從而找到泵的最佳安裝位置，提高了系統(tǒng)可靠性（圖3）。

圖 3. 托卡馬克容器內(nèi)外磁場(chǎng)分布的仿真結(jié)果。圖注： Magnetic Field Distribution(Log Scale)  - 磁場(chǎng)分布（對(duì)數(shù)標(biāo)度）

螺旋天線成就人造太陽

為了實(shí)現(xiàn)核聚變，DIII-D托卡馬克裝置需要達(dá)到比太陽核心溫度高10倍的溫度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前的托卡馬克裝置采用了兩個(gè)系統(tǒng)（圖4）：中性束系統(tǒng)和電子-回旋加熱系統(tǒng)。20兆瓦能量的高能氘原子被注入到中性束系統(tǒng)中，而在回旋加熱系統(tǒng)中，回旋管被注入了高達(dá)4兆瓦的微波能量以加熱電子。一種新型的加熱系統(tǒng)（圖5）正在設(shè)計(jì)與建造中，該系統(tǒng)采用了能注入1兆瓦的射頻能量的螺旋天線。

圖 4. 當(dāng)前DIII-D裝置外部加熱系統(tǒng)：中性束（左）和回旋管（右）。

圖 5. DIII- D托卡馬克裝置上的螺旋天線。

多物理場(chǎng)仿真成為了優(yōu)化螺旋天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。DIII-D將是第一臺(tái)以兆瓦級(jí)功率使用這種天線的托卡馬克裝置，同時(shí)它能將射頻能量耦合到等離子體，并通過專門的代碼來驅(qū)動(dòng)電流并加熱等離子體以達(dá)到預(yù)期效果。

螺旋天線由包含2個(gè)端模塊和28個(gè)中心模塊的1.7米陣列構(gòu)成。能量可以通過直接連接到端模塊的兩條帶狀線從天線的任意一端注入，然后依次感應(yīng)耦合到每個(gè)無源中心模塊。DIII-D中的等離子體可持續(xù)長(zhǎng)達(dá)10秒，脈沖間隔為10到15分鐘，為系統(tǒng)冷卻到室溫提供了充足的時(shí)間。天線的設(shè)計(jì)遵循相同的運(yùn)行周期。

Torreblanca解釋說：“多物理場(chǎng)仿真賦予我們嘗試新材料的能力，并讓我們清晰地了解哪種材料可以提供最好的結(jié)果。天線需要能經(jīng)受由等離子體干擾所引起的強(qiáng)電磁力，因?yàn)檫@會(huì)在天線內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流。為了減小這種電流，天線需要采用低電導(dǎo)率的材料，但同時(shí)又要求材料具備很高的熱傳導(dǎo)率，才能消散天線因暴露于等離子體而承受的高溫。混合了鉻鋯銅（CuCrZr）和因康鎳合金（Inconel）的設(shè)計(jì)為我們提供了兩類材料最佳的綜合優(yōu)勢(shì)。仿真則使我們的工作變得更容易了，因?yàn)槲覀冎恍椟c(diǎn)擊電腦屏幕，就能查看使用多種不同材料的性能表現(xiàn)。”

Torreblanca認(rèn)為：“計(jì)算天線的電磁場(chǎng)并將其可視化并不困難。我們可以耦合電磁場(chǎng)分析與傳熱，模擬射頻損耗分布，從而得到熱點(diǎn)分布圖。這可以幫助我們進(jìn)一步完善天線的設(shè)計(jì)。”

天線在其諧振頻率（476MHz）下被激勵(lì)，而通用原子能的團(tuán)隊(duì)則需要知道溫度對(duì)這一頻率的影響。Torreblanca說：“我們需要了解天線諧振頻率是否會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生漂移，這樣我們就可以通過天線設(shè)計(jì)或工作參數(shù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以便讓天線能穩(wěn)定地工作10秒。”

“多物理場(chǎng)仿真幫助我們模擬了一系列物理場(chǎng)景中的溫度分布。這意味著，我們可以計(jì)算出能否在不損壞天線的情況下使用10秒鐘，或者我們可以計(jì)算天線是否能工作幾秒鐘，并且還能驅(qū)動(dòng)電流并加熱等離子體，”Torreblanca補(bǔ)充道。

小實(shí)驗(yàn)，大見解

DIII-D小組建造出了關(guān)鍵天線組件的等比縮小測(cè)試模型。通過與多物理場(chǎng)仿真相結(jié)合，在建造全尺寸天線組件之前，該小組能夠?qū)@些組件的參數(shù)和條件進(jìn)行先行測(cè)試。測(cè)試包含四分之一比例模型，以及用于還原全尺寸天線模塊及其帶狀線電場(chǎng)值的RF諧振器外殼，以查明電弧或次級(jí)發(fā)射倍增現(xiàn)象是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響（圖6）。 “我們正在驗(yàn)證這些天線組件的等比例縮小模型。目前仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好吻合，這讓我們對(duì)天線的參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更有信心了。”Torreblanca說道。

圖 6. 天線上帶狀線的電場(chǎng)分布（左）和射頻損耗（右）。

“通過仿真得到的見解總是很有啟發(fā)性。對(duì)物理場(chǎng)的運(yùn)作方式和仿真結(jié)果的研究，加深了我們對(duì)設(shè)計(jì)和裝置性能的理解。我們有信心該系統(tǒng)將按照預(yù)期的方式工作。”Torreblanca補(bǔ)充道。

DIII-D研究項(xiàng)目是全球開發(fā)可行核聚變裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在很大程度上，這應(yīng)歸功于各機(jī)構(gòu)之間的高度協(xié)作，以及仿真和建模帶來的便利。

Torreblanca總結(jié)道：“我們正致力于解決全球能源問題。如果我們能利用COMSOL軟件及時(shí)取得有益的結(jié)果，那將意味著我們朝實(shí)現(xiàn)核聚變又邁進(jìn)了一大步。”