Type One Energy將3D打印用于核聚變能源的仿星器，構(gòu)建復(fù)雜形狀

導(dǎo)讀：仿星器發(fā)明于 1951 年，是一種等離子體裝置，主要依靠外部磁鐵來限制等離子體。研究磁約束聚變的科學(xué)家旨在使用仿星器設(shè)備作為核聚變反應(yīng)的容器。這個(gè)名字指的是利用恒星能源的可能性，比如太陽(yáng)。它是最早的聚變功率器件之一。迄今為止，創(chuàng)建穩(wěn)定的仿星器設(shè)備所需的幾何形狀一直無法實(shí)現(xiàn)。



南極熊獲悉，美國(guó)初創(chuàng)公司Type One Energy籌集了 5000 萬美元來建造 NEBULA，這是一臺(tái)可以制造仿星器復(fù)雜螺旋幾何形狀的巨型3D打印機(jī)，目標(biāo)是在未來十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。

仿星器
仿星器是一種核聚變動(dòng)力系統(tǒng)，它使用從水中獲得的氫燃料，利用磁場(chǎng)將電離氣體限制在核聚變條件下。仿星器具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在各國(guó)的開發(fā)下，仿星器近年來邁出了巨大的步伐。

仿星器的螺旋帶形狀能夠產(chǎn)生高密度等離子體，但其幾何形狀特別復(fù)雜，制造加工很難實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)加工條件極其敏感。普通的加工制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)，增材制造的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，利用增材制造技術(shù)能夠制造復(fù)雜的形狀。


△第一類能源聯(lián)合創(chuàng)始人： Stellarator 工程主管 David Anderson 教授、首席科學(xué)官 John Canik 博士、首席運(yùn)營(yíng)官 Paul Harris、首席制造官 Randall Volberg、Stellarator 優(yōu)化主管 Chris Hegna 教授。

總部位于威斯康星州的 Type One Energy 籌集了超過 5000 萬美元，用于在仿星核聚變反應(yīng)堆的開發(fā)和大幅面金屬增材制造研究。除了在需要的時(shí)間和地點(diǎn)提供可靠和充足的電力外，仿星發(fā)電廠的建造和運(yùn)營(yíng)還必須具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

Type One計(jì)劃采用混合增材制造、先進(jìn)材料和機(jī)器人自動(dòng)化的生成式設(shè)計(jì)，快速、大規(guī)模地將高度優(yōu)化、形狀復(fù)雜、尺寸準(zhǔn)確且無缺陷的仿星器組件成功構(gòu)建。這將通過分析理論、超級(jí)計(jì)算和復(fù)雜代碼的進(jìn)步來增強(qiáng)，以揭示磁場(chǎng)配置原理，為最大和最有效的發(fā)電提供最佳的等離子體限制。此外，新型 (HTS) 磁鐵的載流能力是銅線的 200 倍以上，從而實(shí)現(xiàn)了更緊湊的仿星器。與傳統(tǒng)的低溫磁體相比，它還需要更少的冷卻功率。

商業(yè)化發(fā)展一共分為三個(gè)階段，技術(shù)發(fā)展與兩個(gè)仿星器迭代構(gòu)建過程，通過并行應(yīng)用3D磁場(chǎng)優(yōu)化、工業(yè)增材制造和非平面高溫超導(dǎo)電磁體，可以展示其性能、優(yōu)化和成本方面的進(jìn)步。



制作中的星際開拓者

2007 年，研究人員利用HSX證明了磁場(chǎng)整形的好處——這是世界上第一個(gè)優(yōu)化的仿星器，由 Type One 聯(lián)合創(chuàng)始人大衛(wèi)·安德森教授和構(gòu)思并設(shè)計(jì)原始準(zhǔn)螺旋對(duì)稱的德國(guó)理論家設(shè)計(jì)和制造仿星器。HSX直徑為 2.4 米，建造成本為750萬美元。HSX目前繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，最近還進(jìn)行了700 萬美元的電力升級(jí)，以擴(kuò)展其研究能力。



3D優(yōu)化被用來最小化傳輸，并在德國(guó)的 W7-X 上得到進(jìn)一步證明，這是德國(guó)政府對(duì)優(yōu)化仿星器的一項(xiàng)價(jià)值 12 億美元的項(xiàng)目。迄今為止最大的實(shí)驗(yàn)仿星器（主半徑 5.5 m），W7-X 于 2015 年建成，并于2018年以迄今為止最大的三倍傳輸能量創(chuàng)造了仿星器聚變性能的世界紀(jì)錄。目前研究人員正在對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，目標(biāo)是在 2022 年達(dá)到與托卡馬克相當(dāng)?shù)男阅芩�平，運(yùn)行時(shí)間可以達(dá)到30分鐘。對(duì)于任何核聚變系統(tǒng)來說，這將是前所未有的持續(xù)時(shí)間。

借助準(zhǔn)螺旋仿星器 (QHS) HSX，理論和設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)成功達(dá)成了一致�？梢越ㄔ霶H仿星器，并展示準(zhǔn)螺旋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵物理優(yōu)勢(shì)。QHS 的許多物理特性與托卡馬克的有益特性相當(dāng)，但沒有等離子體電流不穩(wěn)定性、中斷和高再循環(huán)功率要求。



STARBLAZER 是目前由 Type One 設(shè)計(jì)的新型仿星器，它結(jié)合了先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，可顯著減少湍流運(yùn)輸。將約束優(yōu)化為磁性幾何形狀的函數(shù)可以解決基礎(chǔ)級(jí)別的性能問題，以避免設(shè)計(jì)路徑會(huì)導(dǎo)致更大、通用性更低和更昂貴的功率單元。為了將仿星器聚變性能擴(kuò)展到凈功率狀態(tài)，STARBLAZER I 將設(shè)計(jì)用于“點(diǎn)火”（自持聚變能量輸出）數(shù)小時(shí)，然后是 STARBLAZER II，它將實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)”連續(xù)運(yùn)行。

為了減少構(gòu)建時(shí)間和成本，STARBLAZER I 將采用生成設(shè)計(jì)和增材制造的組件，其中包括磁體組件、磁體支撐殼、熱交換器和真空容器。與此同時(shí)，Type One 正在與麻省理工學(xué)院等離子體聚變科學(xué)中心和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校合作，在美國(guó)能源部 ARPA-E BETHE 聚變項(xiàng)目的資助下積極開發(fā)世界上第一個(gè) HTS 仿星器磁鐵。
造星星云 3D 打印機(jī)



具體的商業(yè)化活動(dòng)分為以下三個(gè)部分：
●第 1 階段正在進(jìn)行中，增材制造計(jì)劃包括 NEBULA 平臺(tái)的第一版內(nèi)部構(gòu)建、磁體支撐殼、真空容器和偏濾器的開發(fā)、表征和鑒定用于屏蔽的AM金屬基復(fù)合材料以及嵌入式功能顆粒耐熱性、中子通量和抗疲勞性。

●第 2 階段將實(shí)現(xiàn)STARBLAZER I 的快速、精簡(jiǎn)和低成本 AM 構(gòu)建，這是一種高場(chǎng)仿星器，致力于使用先進(jìn)的3D場(chǎng)優(yōu)化配置展示點(diǎn)燃的凈功率。

●第 3 階段在 STARBLAZER II 的構(gòu)建上執(zhí)行，其中包含大量 AM 組件、HTS 磁體和使用先進(jìn)的超超臨界水、碳化鎢和 F82H MMC 鋼的集成屏蔽/熱交換毯。這是最緊湊和最耐用的徑向構(gòu)造。

STARBLAZER II 的關(guān)鍵交付成果將在商業(yè)水平上持續(xù)實(shí)現(xiàn)凈聚變能發(fā)電。它考慮了電力系統(tǒng)使用的總“墻插”輸入能量、將核聚變能量轉(zhuǎn)換為電能的損失，以及反饋到系統(tǒng)中的任何再循環(huán)能量。STARBLAZER II 將與已建立的布雷頓熱循環(huán)技術(shù)配合使用，該技術(shù)采用超臨界二氧化碳作為工作介質(zhì)來驅(qū)動(dòng)高溫渦輪機(jī)，以實(shí)現(xiàn)超過43%的功率轉(zhuǎn)換效率目標(biāo)。