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德国W7-X仿星器研究进展.docx
资料介绍
德国W7-X仿星器：可控核聚变研究的里程碑
一、W7-X仿星器的研发背景
可控核聚变被认为是人类未来的“终极能源”，它具有燃料储量丰富、清洁无污染、安全性高等突出优势，一直是全球科学界重点攻关的前沿领域。磁约束核聚变是目前主流的可控核聚变研究方向，而托卡马克和仿星器是磁约束装置中两种最具代表性的设计路线。
早在上世纪50年代，仿星器概念就由美国物理学家莱曼·斯皮策提出，是最早的磁约束核聚变装置类型之一。但早期仿星器存在约束性能差、等离子体约束时间短、能量损失大等问题，后来逐渐被托卡马克路线赶超。托卡马克凭借环形对称性带来的更好约束性能，成为全球聚变研究的主流方向，但其依赖等离子体电流产生部分约束磁场，存在破裂不稳定性等固有安全隐患。
德国在核聚变研究领域一直走在世界前列，从上个世纪70年代开始，德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）就坚持深耕仿星器路线，先后建成了W1、W2、W3、W4、W5、W7-A等多代试验装置，积累了大量的设计和运行经验。在上世纪80年代，IPP团队提出了新型螺旋对称仿星器的设计概念，通过精确设计扭曲的三维磁场来实现对等离子体的良好约束，避免托卡马克的电流不稳定性问题，经过近十年的设计论证，最终确定了Wendelstein 7-X（简称W7-X）项目。
二、W7-X仿星器的设计与建造
1. 核心设计理念
W7-X是模块化螺旋仿星器，它摆脱了早期仿星器通过扭曲环形线圈产生磁场的设计，采用了50个相同的平面外形、空间扭曲的超导磁体模块，这些模块按照环形排列，配合10个平面垂直 coil 和中心平面线圈，共同构建出满足约束要求的优化三维磁位形。这种设计最大的特点是完全依靠外部线圈产生全部约束磁场，不需要等离子体自身维持电流，理论上可以实现连续稳态运行，从根本上避免了托卡马克面临的等离子体破裂风险，运行稳定性远优于托卡马克装置。
W7-X设计目标是验证仿星器实现稳态高约束等离子体运行的可行性，规划的等离子体温度可以达到约1亿摄氏度，等离子体密度达到10²⁰m⁻³，实现约30分钟的长脉冲稳态运行，目标聚变三乘积达到10¹⁹ keV·s·m⁻³量级，为后续商用仿星器聚变堆奠定技术基础。
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