作者：岩超聚能物理团队

“本文是岩超聚能 AI for Stellarator系列的第 3 篇分享。”

上一篇介绍了岩超聚能物理团队结合 AI 智能体搭建的仿星器零维设计系统。本篇介绍该系统的一项创新：据公开文献与代码库检索，本系统是首个纳入过密区微波加热可达性判据的仿星器系统代码。代码中的加热模块可以判断加热用微波能否进入等离子体，尤其包括过密区的电子伯恩斯坦波（EBW）加热可达性。以往，加热能否进入等离子体要到详细设计阶段才能核算；现在利用零维设计，在确定装置尺寸的阶段即可确定，从而为后续三维优化节约时间与算力。

仿星器常常采用微波加热等离子体，比如电子回旋共振加热（ECRH）。微波有O 模与 X 模两种偏振方式，各自存在等离子体密度上限，称为截止密度。超过截止密度后，微波在等离子体边缘附近即被反射，难以到达芯部区域。另一方面，提高密度有利于增大聚变反应率，但密度越高，在给定频率下ECRH 进入芯部也越困难。因此设计装置时，必须回答：目标运行密度下，加热能否进入芯部？

对高密度等离子体，还可以采用电子伯恩斯坦波（EBW）加热。EBW与 O 模、X 模不同：O 模和 X 模是电磁波，会在截止层被反射，难以进入芯部；电子伯恩斯坦波是等离子体内部静电波，没有 O/X 那种截止限制，可以在过密区传播并被吸收。但它不能在真空中存在，无法从装置外直接发射，只能由微波在边缘经模式转换产生：加热微波以特定角度、O 模偏振入射，在截止层附近转为慢 X 模，再在上杂化共振层转为 EBW，即 O-SX-B 转换，如图1所示。加热仍可使用 ECRH 回旋管系统，不必另设专用频率源；实现O-SX-B时，主要调整入射角与偏振。

（图1 O-SX-B模式转换示意，摘自文献[1]：微波自外侧入射，在O模截止附近转为慢X模，再在上杂化共振层转为EBW进入过密区）

系统将这一判断纳入零维扫描。对参数扫描平面上的每一个运行点，系统先按 O 模、X 模的截止密度判断普通微波能否进入；再采用平板几何模型计算模式转换层位置与该处等离子体密度标度长度，在允许的发射范围内扫描微波的入射角度，最后以过密区可达性约束判据综合判定EBW加热是否可行。

图 2 即为判断结果。四幅分图分别对应普通微波的三种方式（O 模基频 O1、X 模基频 X1、X 模二次谐波 X2）和 EBW；颜色表示各运行点的中心密度，阴影区表示该方式无法进入等离子体。可以看到：EBW在普通微波截止之外多出左下角一小片过密可行区，这就是设计扩展出的加热可行域。

（图 2　ISS04 定标律下，某算例对应的普通微波（O1/X1/X2）与 EBW 各自能够进入等离子体的加热可行域）

有了这项判据，是否需要 EBW 加热，在确定尺寸和磁场的同时就有了答案。在岩超聚能 YF-2装置的某次零维优化设计中（表1），系统给出的局部最优运行点，其可行的加热路径只有 EBW一条：该点的等离子体密度已超过普通微波的截止密度。若不纳入 EBW 判据，这一运行点会被判为不可行，或者要到详细设计阶段才发现加热无法进入。

（表1 YF-2的某次零维优化设计结果）

此前的零维系统代码只考虑了EC截止窗口，过密方案留待详细设计阶段核算；一旦发现微波无法进入，装置参数须回调，此前的三维计算工作也可能大幅返工。本系统在圈定装置尺寸的同时即完成加热可达性判断，将这一风险尽量提前暴露，后续三维优化可优先针对加热上已能站得住的方案展开。

加热可达性此前未纳入零维系统代码，主要受制于模块开发成本。向系统代码新增一类物理模块，通常需完成文献调研、模型建立、程序实现与逐项校验，周期往往长达数月。受此限制，各系统代码多保留基础模块，而加热可达性等重要但实现代价较高的判据，一般推迟至后续设计阶段再处理。

在本工作中，物理侧依据文献确定模式转换模型并给出可行性判据，再借助 AI 辅助完成模型程序化、测试与参数扫描，提高了模块开发效率。

岩超聚能将沿同一模式，继续把更多原本留待后验的物理与工程判据纳入设计的最前端，在资深研发人员主导下，以 AI 加速仿星器物理与工程设计迭代，进而逐步推进商业发电相关论证。

参考文献

[1] Laqua H P 2007 Plasma Phys. Control. Fusion 49 R1-R42