德國仿星器 W7-X 突破,用石墨材實現高溫與高密度電漿

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 03 日 13:45 | 分類 材料 , 核能 follow us in feedly

德國文德爾施泰因 7-X(W7-X)為當今世界最大的仿星器核融合反應爐,其專注於有效且精準控制高溫電漿,近年更透過石墨材料成功實現高溫、高密度電漿與更長的電漿放電,可說是仿星器界相當巨大的里程碑。



核融合藉由將氘與氚原子置於高溫或高壓下,其引起的聚合反應會產生中子、氦與大量能量,可利用這些能量來生產電力。該技術也不會帶來放射性污染、碳排放等問題,而該技術主要設備分為托卡馬克與仿星器,兩種設備都設計於扭轉磁場並控制內部電漿。托卡馬克外型像是一大塊甜甜圈,利用環形容器穩固電漿,仿星器則長得比較像皺巴巴的髮圈,用複雜且低功率的磁線圈約束電漿。

德國 W7-X 全長約 16 公尺,由德國馬克斯普朗克研究中心(MPI)於 1993 年動工、2014 年建成,內含 50 個高達 3.5 公尺的超導磁體,至今科學家也仍不斷更新其設備,希望將仿星器性能進一步提升。

從2016 年 3 月到 2017 年 9 月,科學家在仿星器內壁鋪上逾 8,000 片石墨磚(graphite tiles)與 10 個偏濾器,其中石墨磚可讓反應爐達到更高的溫度和延長電漿放電,偏濾器則能過濾並排除從電漿離開的熱量與雜質粒子,進而提升加熱與量測能量(measurement capabilities)功能。

目前該仿星器可持續產生 26 秒的電漿,與原本的 6 秒相比已進步良多,且由於加裝偏濾器,還可以將高達 75 百萬焦耳熱量輸入至電漿,跟無裝設偏濾器狀態相比增長 18 倍。

在離子溫度達攝氏 4,000 度與密度 0.8×1020 狀態下,W7-X 可獲得 6×1,026 溫度‧秒/立方公尺的核融合產物,可說是當前仿星器最高紀錄。MPI 電漿體物理研究所物理教授 Thomas Sunn Pedersen 表示,以這種大小的核融合反應爐來說,這項成就相當有價值。

為提升仿星器性能與檢測狀態,W7-X 2018 年 4 月也與美國能源部普林斯頓電漿物理實驗室(PPPL)的合作,用 5 個銅製補墊線圈(trim coils、shimming coils)有效測量並調整誤差,這類誤差場(error fields)會造成線圈數不足與結構不完整,最後可能會導致結構破裂,而在電漿邊緣控制誤差場可以讓 W7-X 有望產生持續 30 秒的電漿放電。

W7-X 目前也計劃在 2018 年秋季進行大規模擴建,其中偏濾器材料也將大改造,由原本的石墨磚變成水冷加強碳碳複合材料,預計可使電漿放電持續 30 分鐘,並希望可藉由逐步更新設備與性能、證明仿星器可實際用於發電廠。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:MPI 電漿體物理研究所

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