只需10秒：新的算法可以解锁核聚变能量设计

QUADCOIL是一个开创性的计算机代码，简化了仿星器磁铁的设计，确保等离子体形状在现实世界的建筑中仍然实用。

与传统方法不同，它可以快速预测磁铁的复杂性，节省时间和精力。通过早期整合工程限制，QUADCOIL有助于简化经济高效的聚变能源之路。

设计高性能等离子体

就像工程师微调一级方程式赛车以达到最佳性能一样，科学家们的目标是在被称为仿星器的复杂聚变装置中制造高性能等离子体。为了使这些等离子体有效地发挥作用，它们必须保持热量并保持在精确形状的磁场中。

为了简化这一过程，物理学家开发了一种新的计算机代码，可以加速形成等离子体的复杂磁铁的设计。这一创新可以使仿星器的建造更容易、更经济。

QUADCOIL如何简化流程

这种代码被称为QUADCOIL，它可以帮助科学家消除等离子体的形状，这些形状虽然稳定，但需要不切实际的复杂磁铁。通过及早发现这些问题，研究人员可以专注于设计既能平衡物理性能又能兼顾可制造性的仿星器。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）普林斯顿等离子体物理项目的研究生Frank Fu说：“QUADCOIL可以快速预测磁铁的复杂性，帮助你避免等离子体形状，这些形状在物理上很好，但对实际建造聚变设施没有帮助。”他也是一篇概述代码的论文的主要作者。这项研究将PPPL在复杂等离子体计算机代码方面的专业知识与其开发仿星器的广泛历史相结合，仿星器是该实验室70年前提出的一个概念。

平衡物理与工程

一旦科学家们选择了一种具有特定特性的等离子体形状，可以促进聚变反应，QUADCOIL就可以有效地进行粗略的计算，以确定可以产生具有这些特性的等离子体的磁铁形状。如果等离子体的形状太过复杂，科学家可以利用该代码重新设计等离子体的形状。这个过程可以平衡物理和工程，而使用其他代码则需要更长的时间。事实上，传统的磁体设计程序可以在20分钟到几个小时内评估磁体形状，而QUADCOIL可以在10秒内完成任务。

创新技术

传统的程序通常有两个阶段：一个计算机程序确定具有所需特性的等离子体形状，另一个计算机程序确定可以产生这些特性的磁铁形状，两者之间几乎没有通信。一种较新的程序可以同时进行这两种计算，但由于任务更困难，该程序需要更长的时间来运行，并且可能导致磁铁设计过于复杂，无法构建或产生不能按预期运行的等离子体。

“想象两个团队制造汽车引擎：一个设计引擎，另一个制造引擎，”Frank Fu说。“从某种意义上说，QUADCOIL将一个人从构建团队转移到设计团队，以密切关注设计如何影响最终产品。这个估计会比你实际制造一辆车并把费用加起来得到的结果更粗略，但这个过程更快，而且会得出合理的规格。”

灵活性，允许更高的精度

QUADCOIL还允许科学家在输入中添加一系列工程规格，生成更符合科学家需求的磁铁形状。这些规格可以包括有关磁铁材料和形状或拓扑结构的信息。此外，QUADCOIL可以生成其他代码无法生成的属性数据，包括磁铁的曲率和它们承受的磁力大小。Frank Fu说：“简而言之，QUADCOIL有三个创新之处：它计算速度更快，比其他代码能预测更多的属性，而且很灵活。”

迈向实用核聚变能源的一步

这项研究表明，复杂的计算机程序对开发仿星器聚变设施至关重要。“设计仿星器的主要挑战之一是，磁铁的形状可能很复杂，很难制造，”哥伦比亚大学应用物理学和应用数学助理教授、该论文的合著者之一伊丽莎白·保罗（Elizabeth Paul）说。“这个问题告诉我们，我们需要在一开始就考虑磁铁的复杂性。如果我们可以使用计算机代码找到既具有我们想要的物理特性又可以使用简单形状的磁铁形成的等离子体形状，我们就可以更便宜地制造聚变能。”

未来的改进和集成

Frank Fu和其他研究小组成员现在正在开发一个版本的QUADCOIL，它不仅可以确定一组特定磁铁的制造难易程度，还可以告诉研究人员如何改善等离子体的形状。虽然目前的原型代码可以在笔记本电脑上运行，但最终版本很可能需要一台具有更强大图形处理单元的计算机。Frank Fu还计划将未来版本的QUADCOIL集成到更大的仿星器设计软件套件中。“开发仿星器需要大量的计算，”Frank Fu说。“我正试图让设计过程尽可能顺利。”

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