风格定义
恒星环
Wendelstein 7-X
2015年12月17日
终于，德国人经过19年的漫长努力，完成了这个真正的技术噩梦——恒星环的组装。12月初，这台机器产生了第一个等离子体，比ITER早了几十年。显然，访问我网站的人纷纷向我提出了关于这台机器的问题。
这个项目耗时19年，投入了百万小时的工作量。它包含20个平面线圈和50个非平面线圈。为什么要做这种区分？当在这些线圈中产生磁场时，需要让非常强的电流通过，电流可以达到12000安培。然而，当在绕组中通过强电流时，它会受到离心力的作用，从而形成圆形。在这种情况下，这些力可能导致线圈破裂。德国恒星环的线圈几何形状非常复杂。
因此，必须设计出不仅圆形，而且扭曲的线圈：
为什么采用如此复杂的几何结构？如果您观看我在YouTube上安装的5个视频，其中介绍了托卡马克的基本原理。托卡马克的原理源于冷的思路，由安德烈·萨哈罗夫和阿季莫维奇提出。如果在环形腔室中安装均匀分布的圆形线圈，磁场在机器轴附近会更强，因为线圈彼此更靠近。等离子体倾向于进入磁场较弱的区域，因此磁场会将等离子体推向腔室的外部。托卡马克是一种初步解决方案。通过在机器轴上安装一个逐渐增强的螺线管（在ITER上将达到13特斯拉），该磁场浸没在试验腔中，从而产生感应电流，该电流在等离子体中形成环形流动。这个电流本身会产生一个极向磁场，与环绕腔室的线圈产生的磁场结合。结果，磁场线呈现出螺旋状。
由于带电粒子倾向于沿着磁场线螺旋运动，它们会跟随这些线。这将有助于将等离子体保持在腔室中心。另一种解决方案由美国的莱曼·斯皮策在50年代提出，称为恒星环。Wendelstein 7-X就是一种恒星环：
黄色是机器的腔室，蓝色是众多的线圈。在设计德国恒星环时，进行了大量计算机计算，以优化腔室形状和线圈设计。这一切都需要巨大的工作量和百万小时的工作量。
为何选择恒星环而不是托卡马克？在托卡马克（包括ITER）中，主要问题是可能发生中断。在腔室内，“等离子体电流”（ITER为1500万安培）可以形象地表示为一条咬住自己尾巴的蛇。简而言之，中断可以被比作这种电流缠绕方式的破裂。然后，蛇松开尾巴，向“墙壁”咬去。在ITER上，这种“咬”被评估为1100万安培。
原因：磁流体动力学（MHD）的湍流。更糟糕的是：这种磁场的扭曲伴随着梯度，这些梯度是加速带电粒子（主要是电子）的区域。这些电子获得接近光速的相对论速度，具有很高的能量。当它们达到一定速度后，几乎不再与离子相互作用。这些电子被称为解耦电子。但通过“雪崩效应”，它们会加速其他电子。在ITER上，这种效应是乘数级的。
在恒星环中，这些现象不存在。这并不意味着其他不稳定性不会出现。只有通过实验才能回答这个问题。在过去半个世纪里，等离子体机器带来了太多的意外，因此必须逐步推进。
德国机器有一个磁化系统，其磁场强度达到3特斯拉。微波加热系统预计可运行10至50秒。中性粒子注入系统可提供8兆瓦的功率。通过这些装置，研究人员希望将腔室中的等离子体密度从每立方米3×10²⁰个核提高到6000万至1.2亿摄氏度。
德国恒星环无法产生“自持”融合等离子体，即融合产生的能量足以维持等离子体的温度。通过这些机器，人们试图点燃“核火”。你可以将其比作用木箱碎片或“点火器”来点燃“有点潮湿的木头”。只要潮湿的木头燃烧，它就会参与放能过程。当干燥的木头碎片或点火器被消耗完后，有两种情况：要么潮湿木头的燃烧释放出足够的热量，使火焰自我维持，要么释放的能量不足，火焰熄灭，你只能重新开始，用新的点火器。
目前，世界上没有任何等离子体机器能够创造这样的条件。最强大的是JET，它将Q系数（注入能量/产生的能量）提高到0.6。ITER的目标是获得高于1的系数。顺便提一下，我们对突然自我维持的融合等离子体的行为一无所知。在涉及这些问题的任何方面，进行理论预测都非常困难。
德国恒星环的成本与其复杂性成正比。我相信花费了10亿欧元。但这是一个已经成熟的项目。机器已经建成，其磁化装置已经运行，12月初研究人员获得了第一个等离子体。接下来将是增加能量输入，这与托卡马克一样，通过微波和中性粒子注入来实现。这些技术已经掌握。第一个问题是：“这台机器在等离子体约束方面是否符合预期？”似乎已经得到了初步的积极答复。
恒星环是否是能源生产的一种解决方案？现在下结论还为时过早。但它的成本仅为ITER的1/16。这台机器在这一宏伟项目上具有巨大优势：它已经运行，研究人员不必担心它会立即因中断而受损，而ITER则不是这样。
这种风险严重阻碍了该项目。如果看看ITER的设计，任何部件的更换都可能成为难以解决的问题。这些部件是这些...的首选目标。