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德国仿星器 W7-X 突破,用石墨材实现高温与高密度电浆

2024-11-24 217

德国文德尔施泰因 7-X(W7-X)为当今世界最大的仿星器核融合反应炉,其专注于有效且精准控制高温电浆,近年更透过石墨材料成功实现高温、高密度电浆与更长的电浆放电,可说是仿星器界相当巨大的里程碑。

核融合借由将氘与氚原子置于高温或高压下,其引起的聚合反应会产生中子、氦与大量能量,可利用这些能量来生产电力。该技术也不会带来放射性污染、碳排放等问题,而该技术主要设备分为托卡马克与仿星器,两种设备都设计于扭转磁场并控制内部电浆。托卡马克外型像是一大块甜甜圈,利用环形容器稳固电浆,仿星器则长得比较像皱巴巴的发圈,用复杂且低功率的磁线圈约束电浆。

德国 W7-X 全长约 16 米,由德国马克斯普朗克研究中心(MPI)于 1993 年动工、2014 年建成,内含 50 个高达 3.5 米的超导磁体,至今科学家也仍不断更新其设备,希望将仿星器性能进一步提升。

从2016 年 3 月到 2017 年 9 月,科学家在仿星器内壁铺上逾 8,000 片石墨砖(graphite tiles)与 10 个偏滤器,其中石墨砖可让反应炉达到更高的温度和延长电浆放电,偏滤器则能过滤并排除从电浆离开的热量与杂质粒子,进而提升加热与量测能量(measurement capabilities)功能。

目前该仿星器可持续产生 26 秒的电浆,与原本的 6 秒相比已进步良多,且由于加装偏滤器,还可以将高达 75 百万焦耳热量输入至电浆,跟无装设偏滤器状态相比增长 18 倍。

在离子温度达摄氏 4,000 度与密度 0.8×1020 状态下,W7-X 可获得 6×1,026 温度‧秒/立方米的核融合产物,可说是当前仿星器最高纪录。MPI 电浆体物理研究所物理教授 Thomas Sunn Pedersen 表示,以这种大小的核融合反应炉来说,这项成就相当有价值。

为提升仿星器性能与检测状态,W7-X 2018 年 4 月也与美国能源部普林斯顿电浆物理实验室(PPPL)的合作,用 5 个铜制补垫线圈(trim coils、shimming coils)有效测量并调整误差,这类误差场(error fields)会造成线圈数不足与结构不完整,最后可能会导致结构破裂,而在电浆边缘控制误差场可以让 W7-X 有望产生持续 30 秒的电浆放电。

W7-X 目前也计划在 2018 年秋季进行大规模扩建,其中偏滤器材料也将大改造,由原本的石墨砖变成水冷加强碳碳复合材料,预计可使电浆放电持续 30 分钟,并希望可借由逐步更新设备与性能、证明仿星器可实际用于发电厂。

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(本文由 EnergyTrend 授权转载;首图来源:MPI 电浆体物理研究所)

2019-03-11 21:31:00

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