仿真引领核聚变技术的发展
加拿大核聚变能源公司 General Fusion 与 Veryst Engineering 公司合作，对概念验证聚变装置中的磁化靶聚变现象进行模拟，以更深入地理解其机制。
作者 Joseph Carew
2025 年 7 月
磁化靶聚变（Magnetized Target Fusion，MTF）电站有望以相对较低的技术成本实现大规模能量产出，并且不会产生碳排放。General Fusion 公司的 MTF 装置的原理为：将等离子体（如氘和氚）注入聚变装置内部形成的液态金属容器中，然后通过活塞阵列挤压液态金属容器以压缩等离子体，将等离子体的密度和温度提高到发生聚变反应的条件，最终实现聚变。这是一种脉冲方法，在商业电站中每秒钟会重复一次。在此过程中，液态金属容器壁捕获中子的能量并将其转化为热能，然后输送到热交换器产生蒸汽，驱动发电机发电。
General Fusion 的工程师正在利用 MTF 技术将聚变能引入商业电网，随着其大型聚变演示装置 Lawson Machine 26（LM26）的建成，这一征程迎来了一个重大里程碑。通过使用多物理场仿真技术，General Fusion 公司已成功设计并优化了 LM26 装置，朝着团队构想的聚变能源未来迈出了重要一步。
LM26 依靠锂衬垫的电磁压缩达到聚变条件
2024 年末，LM26（图1）的建成为 General Fusion 公司最终大规模生产 MTF 装置奠定了基础。团队为 LM26 设定的目标是：首先实现 1keV、随后达到 10keV，并最终实现科学上的能量平衡等效。
LM26 被设计用于将球形托卡马克等离子体注入腔室，并利用固态锂衬垫对其进行压缩，以达到核聚变所需的等离子体温度。在压缩过程中，通过在沙漏结构中流动的轴向电流产生环形磁场，保持等离子体的约束和稳定，最终获得产生聚变并以中子形式释放能量的等离子体温度和密度条件。
General Fusion 公司的 MTF 装置的概念设计（图2）是通过活塞触发压缩过程，而不是像 LM26 那样触发磁线圈。使用活塞是 General Fusion 公司的独特创新方法，其他聚变方法则需要依靠超导线圈、激光或其他昂贵设备。
“对于 MTF 来说，初始等离子体体积越大，保持高温的时间就越长，这为我们提供了更多压缩等离子体的时间。”General Fusion 公司工程分析经理 Jean-Sebastien Dick 介绍说，“我们一直在对工艺进行迭代，并开发出一种不仅在商业上可行，而且与市场上其他类型的能源相比极具竞争力的电站运行点。”
固态锂衬垫的磁力压缩仿真
LM26 通过压缩固态锂，实现 1 keV、10 keV 以及实验室级能量平衡的关键温度阈值。借助 COMSOL Multiphysics® 仿真软件，研究团队能够对内部效应进行模拟和测量，预测 LM26 设计的性能（图3）。
“当我加入General Fusion时，考虑到我们所面临的挑战，我认为 COMSOL Multiphysics 是一个值得添加到我们软件清单中的绝佳工具。”Dick表示，“这就是我们与 Veryst Engineering 公司合作的原因，他们是多物理场仿真领域公认的专家，非常了解 COMSOL。”
Veryst Engineering 助力校准锂材料模型
General Fusion 与 Veryst Engineering 的合作对于 LM26 的开发至关重要。后者是一家 COMSOL 认证顾问和工程咨询公司，专门从事高度非线性仿真和材料模拟。Veryst 公司的首席工程师 Sean Teller 与 Dick 共同开发了材料模型，使团队能够准确模拟锂衬垫的反应。这些信息对于精确预测 LM26 衬垫轨迹发挥了重要作用，确保 General Fusion 能够制造并组装 LM26。
正如 Teller 所解释的：“我们通过使用 COMSOL 多物理场仿真，并结合实验计划与验证，使 General Fusion 公司团队能够快速迭代 LM26 的设计。在力求将清洁的聚变能源朝着既能实现商业化应用，又能确保充足的能量供应的道路上，这些具有预测功能的模型对于实现聚变条件至关重要。”
其中一项拉伸测试包括测量固态锂垫的材料响应。Veryst和General Fusion使用高速摄像机和冲击载荷传感器，通过一对陶瓷加热器对锂进行加热，并拉伸样品直至其失效，以测量应力与应变的响应（图4）。随后，这些试验结果被用于校准 Johnson–Cook 模型（图5）。
“完整的模型相当复杂，”Teller 介绍，“其中使用了移动网格模拟锂和压缩等离子体，建立了非线性固体力学和Johnson–Cook 材料模型，以及模拟电路产生的电磁力来驱动锂的压缩。锂衬会撞击沙漏装置，因此准确捕捉非线性接触对于精准预测十分重要。更复杂的是，所有这些模型组件之间都会发生热传递。”
在 COMSOL® 软件中，不同的LM26设计可以在同一工作空间内同时进行评估。Veryst 和 General Fusion 使用瞬态全耦合求解器和自动重新划分网格技术来求解 LM26 内部的巨大变形和压力。
Teller 说：“所有这些都需要将物理测试与有限元模型进行紧密结合，以深入理解这种压缩器设计。”
在模型验证过程中，General Fusion公司使用电磁压缩技术压缩了 40 个锂衬垫对 COMSOL 模型进行验证，最终开发出LM26。研究团队对一个小尺寸版本的压缩系统原型进行了物理试验（图6）。
为了测量衬垫的变形，General Fusion公司开发了一种结构光重建（Structured Light Reconstruction，SLR）技术，包括使用激光片提取衬垫上多个点的速度，还采用了光子多普勒测速仪测量锂衬垫中心点的速度。这两种方法的组合能够重现物理实验中观察到的变形，并将其与模拟结果进行比较，用于验证设计。随后，他们在等离子体压缩机的后续模拟中使用了与速率和温度相关的材料模型（图5），并发现测试数据与之前测试获得的数据之间存在良好的一致性。
“受益于在设计早期通过模拟和多物理场模型所获得的启发和指导，压缩机的性能才得以实现，尤其是多物理场仿真模型，帮助推动了这一设计的完成。” Teller 说道，“这些验证增强了我们对未来模拟工作的信心，进一步推动了聚变装置达到 Lawson 标准和获得清洁电力。”
模拟压缩机阻抗
LM26 的关键部件之一是电磁压缩机，负责快速压缩磁化等离子体。成功的电磁压缩机设计必须能够使其阻抗与装置的压缩时间相匹配，当阻抗和压缩遵循相同的时间尺度时，就能实现“高效压缩”，即电能转化为动能。在这种“高效压缩”中，相当一部分初始存储电能被转化为动能。
建模和仿真使 General Fusion 能够调整电源阻抗，了解设计变更对装置性能的影响，并最大限度地提高压缩效率。
为了调整阻抗，Dick 使用软件对线圈匝数进行了调整，修改了衬垫与线圈之间的初始距离（称为“气隙”），并改变了衬垫在轨迹上的压缩方式。此外，为了确保等离子体在压缩过程中保持稳定，需要控制衬垫的形状，这就需要对衬垫厚度以及线圈之间的轴向间距进行迭代优化。Dick在进行了不同的设计调整后求解模型，并对比了结果，以判断装置是否能实现稳定的等离子体压缩。
“我们进行了多次材料表征，以确保这种衬垫的性能在压缩机承受高应变率和高塑性应变时符合预期。” Dick 解释说。
验证模型
与验证材料特性的实验设置一样，General Fusion 公司也进行了模型验证，以确保衬垫对磁场传播与分析预测结果精确匹配。
“我们对这些线圈分别进行了单独测试，以调整其电路中的电阻和电感，并确保它们尽可能接近我们在实验中通过磁通量线圈测量的结果。”Dick 表示。
为了减少求解时间，Dick 采用了二维轴对称模型（图7）来模拟装置的运行。
通过仿真获得数据点
“COMSOL 的框架使我们能够逐步增加复杂性，增强我们对设计的信心，避免重复设计。” Dick 表示，“我们无需改变这些试验的任何主要部分，它们的表现始终符合预期。”
General Fusion 团队还能在更短的时间内运行仿真，这主要归功于他们使用了 COMSOL Multiphysics® 中的“集群扫描”功能，该功能使得创建一个跨越多个节点的大型集群作业成为可能。添加的节点数量直接关系到并行计算的参数值数量，General Fusion 利用这一点以更快的方式处理多个参数。
“过去，运行这些模拟需要数周甚至数月的时间，但现在我们只需不到 24 小时就能完成。” Dick 补充说，“在这段时间内，我们能够在集群上完成数百次模拟。”
该团队利用仿真数据能够信心十足地为装置开发出安全的运行空间。
仿真与核聚变能的未来
仿真使 General Fusion 团队能够在开发 LM26 设计时逐步增加复杂性，而将实验与多物理场仿真相结合对于开发概念验证模型至关重要。随着团队将聚变能推向新的高度，多物理场仿真与聚变研究将继续密不可分。
LM26 （图 8）于 2025 年 2 月首次形成等离子体，并已经稳定下来。General Fusion 公司团队正在优化其装置性能，为下一步工作做准备，即压缩等离子体以加热它们并实现聚变。
“我们不再一次只研究单一的空气动力学、流体动力学或结构动力学，而是把所有学科综合在一起进行研究。”Dick 总结道，“我非常喜欢 COMSOL 在仿真领域的探索方式。我喜欢这种规范的、逐步增加复杂性，像拼图一样将不同的物理过程组合起来的方法，这就是未来仿真的发展方向，因为新的创新往往非常复杂，需要多种不同的物理场共同参与。”