强磁场下铁磁材料磁场的高效计算及其在星际线圈优化中的应用

在核聚变设计中，考虑的铁材料为磁性材料，其对等离子体物理的影响必须考察。为高效计算这些磁场，我们可以利用磁性材料相对于电磁线圈和等离子体场的小扰动这一事实。此外，由于典型核聚变系统中的场强，磁化力已饱和。这些近似显著减少了问题的非线性，因此可以将磁性材料描述为已知大小的点偶子阵列，方向与电磁线圈和等离子体场一致。该方法通过与商业软件的有限元计算进行比较验证，显示准确性。由于无需线性或非线性求解，仅需计算Biot-Savart型积分，该方法比其他方法更易于实现且极快。该方法与任意CAD几何体兼容，并且允许快速计算磁力。我们演示了将铁磁效应添加到自由边界MHD平衡计算中，以评估其对等离子体特性（如约束和稳定性）的影响。此外，容易对该模型进行求导，以获得磁场相对于电磁参数的导数。我们据此演示了在包含铁磁 blanket 场贡献的准各向同性星际线中进行基于梯度的线圈优化。即使存在显著的钢材体积，也对等离子体物理特性影响不大，主要影响是气体模式轻微失稳和边缘岛屿因旋转转换数减小而向径向位移。通过对线圈形状进行细微优化以考虑来自钢材的场，均可纠正这些问题。