COMSOL仿真赋能CFS高场托卡马克：核聚变装置的多物理场耦合实践

2025年12月5日，仿真软件供应商COMSOL分享了其多物理场仿真平台在核聚变能源领域的创新应用案例。联邦聚变系统公司（CFS）通过COMSOL Multiphysics®软件成功实现了对下一代高场托卡马克装置的系统化仿真设计。

一、企业概况与核心业务

COMSOL Inc.是全球多物理场建模与仿真领域的领军企业，1986年源自瑞典斯德哥尔摩的科研项目，在全球20多个国家设有分支机构，中国业务由2014年成立的康模数尔软件技术（上海）有限公司负责，在北京、上海提供本地化服务。

公司核心业务围绕多物理场仿真解决方案展开，产品线构建了完整的技术生态：

• COMSOL Multiphysics®：统一建模环境，基于有限元技术，可耦合结构、流体、热、声、光、电磁、化学等多物理场，支持参数化建模、优化、灵敏度分析、参数估计等高级功能。
• 专业附加模块（Add‑on Modules）：覆盖结构力学、流体动力学、热传导、声学、电磁学、化学工程、电化学、光学/光子学、颗粒流等领域，提供学科专用物理接口和材料库，支持跨学科仿真流程构建。
• 应用开发与部署平台：COMSOL App Builder将模型封装为交互式Web/桌面应用；COMSOL Server与COMSOL Compiler实现企业级共享、云端部署和离线运行，支持团队协作。

COMSOL Multiphysics的多物理场耦合平台广泛服务于汽车、航空航天、电子散热、化工和生物医学等行业，今年以来在核聚变领域的应用尤为突出——能同步模拟托卡马克磁线圈电磁场、超导结构热‑应力、磁流体动力学冷却及等离子体射频加热，实现磁约束聚变装置磁‑热‑结构耦合优化，并通过部署工具支持跨学科团队共享，加速核聚变技术设计验证与工程化。

二、联邦聚变系统公司（CFS）的应用案例

释放托卡马克的能量：微型核聚变技术

托卡马克装置通过增大体积和/或利用更高的磁场来实现更高的聚变增益，即它产生的核聚变能量与其运行所需的能量之比。然而，长期以来超导磁体技术限制了托卡马克利用更高的磁场的能力，因此研发人员不得不建造出如国际热核实验反应堆（ITER）这样的巨型装置，来实现更高的聚变增益。CFS与MIT共同探索了一种由铜磁体和更高的磁场组成的Alcator托卡马克。然而，这些托卡马克只是将尺寸问题换成了铜的限制，因为铜是一种阻性材料，其运行所消耗的能量比之前的设计要高得多。因此，“这种方案并不是经济可行的核聚变能源”，CFS联合创始人兼核聚变技术研究员Dan Brunner在COMSOL核聚变主题日的主题演讲中解释说。

之后，CFS联合MIT设计了一个高场托卡马克，该装置可以利用更高的磁场，而且不会受到之前设计存在的尺寸问题或材料限制，这要归功于高温超导材料的使用。为了实现这个目标，他们建造并使用了一个性能完整、近乎全尺寸的高温超导磁体。目前，CFS正致力于研究SPARC项目，这是一个概念验证性的托卡马克装置，目标是实现净聚变增益。除此之外，CFS还计划在2030年代初建造一座旨在将核聚变能纳入电网的发电厂（ARC）。在实现这一目标之前，CFS将继续借助仿真加深对SPARC的理解。

Brunner说：“现在，我们可以设想一条不同的道路，不必像从前那样不得不从大变到更大，而是仅稍微变大并能利用更高的磁场来建造一个可行的核聚变反应堆。”

借助仿真应对核聚变挑战

虽然托卡马克仿真是一项众所周知的挑战性项目，但CFS仍成功使用COMSOL Multiphysics®软件实现了对其设计的系统化拆解、内部作用力模拟，以及对复杂物理现象的深入观察。

计算冷却液和冷却系统

超导体需要维持在超低温状态下才能正常工作，并避免发生如淬火等热失控事件。然而这些超导体必须在SPARC内部核聚变产生的几乎难以想象的高强度能量源附近工作，因此面临挑战。CFS希望借助仿真技术来模拟和测试可能的解决方案。Brunner介绍说：“因为有许多不同的能量源可以进入超导体，所以冷却至关重要。需要让制冷剂在超导体中流动，以使其保持在工作温度范围内。”

Brunner及其团队模拟了三种最常见的制冷剂（氢、氦和氖）在SPARC中的温度范围，并观察了传热模拟的输出结果。从这些数据中，Brunner团队能够探索他们可能使用的不同类型的冷却系统的优缺点，而无需让任何超导体或其他材料承受不必要的风险。

• 在合适的条件下测量材料强度：除了冷却之外，仿真在提供SPARC中材料所受力的信息方面也发挥了重要作用。通常，高场托卡马克会使其结构经受极端工况，对于高温超导设计来说尤其如此，因为它的磁场极强。结构承受的应力与磁场的平方成正比，因此整个装置材料承受巨大的应变。超导体及其固有的低应变极限进一步凸显了通过仿真测量预期受力的必要性。
  电流与磁场在线圈上相交产生的力是结构必须能够承受的。CFS发现，他们的多物理场模型能够计算不同合金在低温（约20K）条件下的强度和刚度极限，从而为SPARC的未来设计提供依据。通过模拟这些装置将要承受的力，CFS可以确定其设计必须能够承受的明确应力和应变极限。
• 管理真空容器中的作用力：CFS还使用仿真来优化SPARC的几何设计，以降低其真空容器中的峰值应力和温度。一般来说，真空腔的设计由巨大的瞬态力决定，而这正是仿真发挥作用的地方。真空腔面向等离子体的一侧必须经过工程设计，以从托卡马克内部的聚变等离子体中吸收极大（约10MW/m2）的热通量。

环电流在等离子体内部流过用于保持其稳定性，在某些情况下，电流控制可能会失效，进而引发中断故障。这些故障会产生巨大的力，因此需要在总体设计中加以考虑。CFS进行了瞬态电场和磁场模拟，以确保其所采用的材料能够应对这些干扰。

在这部分演讲中，Brunner讨论了麻省理工学院在进行高级偏滤器实验（ADX）期间开展的多项仿真研究。ADX实验采用的真空腔设计是CFS公司目前托卡马克设计的前身，其中COMSOL Multiphysics®被用于研究真空腔设计中的瞬态磁场以及由此产生的力、应力和位移。

• 仿真助力推动核聚变商业能源发展：技术进步带来了新的挑战。CFS认为超导磁体是实现未来磁核聚变的关键，但在探索其应用前景的过程中也发现了诸多需要优化的设计环节。虽然使用COMSOL Multiphysics软件能够精确模拟每一个案例，但对计算要求很高，这也正是创造力和软件开发起作用的地方。CFS的IT团队建立了多个Amazon Web Services (AWS) HPC6as来分配解决方案。这使得该团队能够在纵向和横向扩展其计算能力，从而能够同时执行更多的任务，并且每个任务可以在50,000多个内核上使用更多的CPU。由于CFS持有COMSOL浮动网络许可证，因此对复杂的聚变进行仿真变得不那么困难。“它使我们的仿真时间和成本降低了至少50%，从而加快了运行速度。它还使我们能够在至关重要的时间尺度上对正在进行的工作做出决策。”Brunner总结说。

三、COMSOL在聚变领域的其他应用实践

加拿大General Fusion：LM26磁化靶聚变装置的成功运行

CFS的成功案例并非孤例。2025年7月，加拿大General Fusion公司采用COMSOL Multiphysics®软件平台完成设计优化的聚变示范装置"

• MTF技术与LM26装置背景

General Fusion公司致力于通过磁化靶聚变（MTF）技术实现聚变能商业化，其MTF原理为将氘氚等离子体注入液态金属容器，通过活塞阵列挤压容器压缩等离子体至聚变条件，过程中液态金属捕获中子能量转化为热能发电，具有低成本、零碳排放优势。

• COMSOL多物理场仿真核心应用

COMSOL Multiphysics®为LM26的设计优化提供了核心支撑。General Fusion联合

• 仿真驱动的成果与价值

仿真与实验的紧密结合推动了LM26的成功落地，

• 研究背景与依托基础

华中科技大学徐浩睿、王苏鑫、李留江、严植泳、谭运飞等学者团队，依托强电磁工程与新技术国家重点实验室及国家脉冲强磁场科学中心，开展了聚变装置高温超导磁体系统电磁仿真方法研究。该研究聚焦

• 磁体系统电磁模型构建与性能分析

团队通过COMSOL有限元仿真软件

• 超导带材失超特性研究与判据提出

此外，团队还借助COMSOL开展了

参考链接：

• https://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1765091791&ver=6403&signature=mfGQ2ImpFIczPqkl-m1CIXvh4D53pPmpJArmSdIzv0Jq8*oxQM4*EXC15pQ88WibgDnu7*a2pVbUf6vIhny69mxA-r7QicfYdyv1D4G-LkRxNy-AigoDMfJoGNtNRQ0u&new=1
• https://cn.comsol.com/story/compressing-the-timeline-to-a-fusion-future-141951
• https://cn.comsol.com/products