德国 Wendelstein 7-X 的成功聚变实验:天天速讯

2023-03-02 18:48:37 国际核工程

(资料图片仅供参考)

在 2022 年秋季成功重新调试后，德国马克斯普朗克等离子体物理研究所 (IPP) 的 Wendelstein 7-X 仿星器聚变装置取得了一些重大突破。2023 年的目标是实现 1 吉焦耳的能量周转，但研究人员现在已经实现了 1.3 吉焦耳。此外，还创造了放电时间的新纪录，热等离子体保持了 8 分钟。

Wendelstein 7-X 是世界上最大的仿星器聚变装置。其目标是调查此类设施是否适合发电。仿星器不同于托卡马克聚变反应堆，例如英国的联合欧洲环面 (JET) 或法国正在建设的 ITER。托卡马克装置基于统一的环形形状，而仿星器则将这种形状扭曲成 8 字形。这避免了当限制等离子体的磁线圈在环形环外侧的密度必然较低时托卡马克装置面临的问题。

Wendelstein 7-X 主体组装于 2014 年完成，首批等离子体于 2015 年 12 月产生。2018 年底，实验在两个成功的工作阶段后暂时终止。然后开始升级改造。在为期三年的翻新工程中，Wendelstein 7-X 主要配备了用于墙面元件的水冷系统和升级的供暖系统。

加热系统现在可以将两倍的功率耦合到等离子体中，核聚变实验可以在新的参数范围内进行。IPP 仿星器传输与动力学部门负责人 Thomas Klinger 教授解释说：“我们现在正在探索通往更高能源价值的道路，在这样做的过程中，我们必须逐步进行，以免超载和损坏设施。”

研究人员现在已经达到了一个新的里程碑：他们第一次能够实现 1.3 吉焦耳的能量周转——比转换前达到的最佳值(75 兆焦耳)高 17 倍。能量转换是耦合加热功率乘以放电持续时间的结果。

Wendelstein 7-X 真空容器的红外图像显示的不是等离子体本身，而是水冷偏滤器挡板处的温度分布。偏滤器隔板用于散发等离子体的热量。中心的一条定义线，即所谓的打击线，清晰可见。这是等离子体接触偏滤器且温度最高的地方。在个别地区，温度高达 600 摄氏度(红色区域)。偏滤器瓦可以承受高达 1200 摄氏度的温度。

特别耐热的偏滤器挡板用于消散最大的热流。它们是内壁的一部分，自设备完工以来，内壁现在由 6.8 公里长的水管系统冷却。目前世界上还没有其他核聚变设施具有如此全面冷却的内壁。等离子体加热由三部分组成：新安装的离子加热、中性粒子注入加热和电子微波加热。

对于目前的记录，电子微波加热系统尤为重要，因为它可以在几分钟内提供大量能量。在平均加热功率为 2.7 MW 的情况下实现了 1.3 吉焦耳的能量周转，放电持续了 480 秒。这也是 Wendelstein 7-X 的新纪录，也是全球最佳价值之一。升级前，Wendelstein 7-X 以低得多的加热功率实现了 100 秒的最长等离子时间。几年内，计划将能量周转率提高到 18 吉焦耳，然后等离子保持稳定半小时。