一、仿星器的原理

仿星器与托卡马克

长期以来，仿星器因其极为复杂的结构设计和磁体设计，发展进程落后于托卡马克。

而随着高性能计算、先进模拟技术、数字孪生、人工智能、增材制造等新技术的愈发成熟以及在仿星器设计方面的应用深入，仿星器发展显著加速。

共同点：两者都通过创建一个环形几何结构、形成带有封闭磁场的系统，限制等离子体的运动范围，使等离子体沿着这些场线无休止地循环。

不同点：托卡马克的极向场通过真空室内等离子电流自身产生磁场（电流难维持，并需要外界一直注入粒子、注入波），而仿星器通过磁场的三维结构，把原来需要电流的部分抵消掉。等离子体运动过程中，部分发生漂移和逃逸，等离子体不同方向漂移还会导致电荷分离，并产生电场、阻止等离子体正常运动。

为解决这一问题，研究人员通过改变磁场的几何结构，将磁场线沿环面向极方向扭曲，形成磁面，即“场线旋转变换”，从而等离子体的运动限制在磁面内。产生场线旋转变换的方法是托卡马克和仿星器设计的主要区别。

二、仿星器&托卡马克：成本构成

仿星器的成本构成：根据IPP数据，螺旋先进仿星器（Helias)的成本构成大致与托卡马克相似，但不同的是，仿星器的包层模块、磁体分别为10%、29%，高于二者在托卡马克中8%、25%的占比，而其余设备占比相对减少。

此外，由于仿星器具有稳态磁场，系统的再循环功率预计也会降低。

从绝对投资额来看，据IPP数据，从1995年到2021年12月达到最终配置，W7-X投资成本达到4.6亿欧元，如果考虑研究院所在地的成本（建筑、人员、材料、运营成本），总投资额约为14.4亿欧元。

总体上看，仿星器作为托卡马克的兄弟技术路线，二者建造成本基本相当。

此外，近年来，高温超导材料产能逐渐扩大，价格也有所下降，但高温超导基于其陶瓷性能，应力达到20T后容易失超（即超导体因某种原因突然失去超导特性而进入正常态的过程）。

对托卡马克而言，磁场要变化，感应出等离子体电流，变化过程中产生交流损耗，很容易失超。

而仿星器没有这个问题，磁场是稳态的，此外，随着磁场强度提高，装置体积也会大幅缩小，从而降低建造成本，因此，高温超导天然适合仿星器。

未来仿星器的降本，一定程度上取决于超导磁体的技术成熟度和价格变化。

三、仿星器的发展历程

仿星器的发展历程：

阶段一：1950年代达到小高潮后，1960年代受限于成本、加工难度逐渐淡出舞台

仿星器诞生于上世纪50年代，发展于上世纪80年代。仿星器的概念是美国天体物理学家斯必泽提出。1951年，他提出通过类似8字形的螺线管产生有别于传统环形磁场的磁力线，通过在8字弯曲处实现等离子向上、向下漂移的抵消，达到等离子的约束目的。

1953年第一个8字型仿星器Model-A诞生，而后立刻被证实相对于传统的环形约束，8字形装置在等离子约束性能上有更好的效果。

随后，美国Model-B系列(B1,B2,B3),日本Heliontron(1959)，德国Wendelstein-A(1960)等仿星器先后诞生，达到仿星器研究的第一个小高潮。

1971年，国内也组装了“凌云”仿星器。但当时由于国内在理论模拟上，受限于仿星器复杂的磁场结构，没有与之匹配的计算能力，加之仿星器线圈的加工过于精密，当时工业制造能力匮乏，“凌云”仿星器停止了调试。

在当时，仿星器相比托卡马克而言，无论在建造、设计、维护、运行成本均大于托卡马克。尤其是当时所产生的实验参数始终低于同一时期的托卡马克。

1968年苏联T3托卡马克成功实现了1KeV电子温度并成功通过了英国科学家验证，美国原本Model-C系列仿星器更是直接改造为了托卡马克，冷战两个阵营的领袖国纷纷明确聚变发展方向为托卡马克的同时，仿星器的研究慢慢落入了第一个低谷。

阶段二：70年代后，螺旋器、扭曲器产生

70年代后，随着仿星器理论发展，及计算机运行能力提高、工业制造能力提升，螺旋器（HelicalAxisDevice)、扭曲器（Torsatan)产生。

相较于老式仿星器，螺旋器、扭曲器的新式线圈系统得到了极大简化。

扭曲器：其将原有经典仿星器上的环向场线圈与螺旋场线圈耦合成为新的“螺旋场线圈”，通过上述处理方式直接减少了一类线圈的使用，这极大的简化了线圈的设计成本和实验后的维护成本。

螺旋器：相比较于经典仿星器螺旋器的特点在于，环向场线圈的中心不再排列在同一平面的圆周上，而是排列在一个螺旋线条上，其代表装置为澳大利亚的H-1仿星器和西班牙的TJ-II仿星器。螺旋器中的代表即为日本国家核融合科学研究所1998年开始运行的大螺旋装置（LHD，largeHelicalDevice）。

LHD作为一个稳态超导线圈的仿星器其大半径为3.75m小半径为0.6m，共可产生3T磁场。

报告全文可搜索“韦伯产业智库”