德國仿星器 W7-X 突破，用石墨材實現高溫與高密度電漿

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，其專註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發圈，用複雜且低功率的磁線圈約束電漿。

德國 W7-X 全長約 16 米，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 米的超導磁體，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／立方米的核融合產物，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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