Type One Energy將3D打印用于核聚變能源的仿星器，構建復雜形狀

導讀：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家旨在使用仿星器設備作為核聚變反應的容器。這個名字指的是利用恒星能源的可能性，比如太陽。它是最早的聚變功率器件之一。迄今為止，創(chuàng)建穩(wěn)定的仿星器設備所需的幾何形狀一直無法實現(xiàn)。



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

仿星器
仿星器是一種核聚變動力系統(tǒng)，它使用從水中獲得的氫燃料，利用磁場將電離氣體限制在核聚變條件下。仿星器具有很強的實用性。在各國的開發(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雜，制造加工很難實現(xiàn)，并且對加工條件極其敏感。普通的加工制造技術無法實現(xiàn)，增材制造的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，利用增材制造技術能夠制造復雜的形狀。


△第一類能源聯(lián)合創(chuàng)始人： Stellarator 工程主管 David Anderson 教授、首席科學官 John Canik 博士、首席運營官 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堆的開發(fā)和大幅面金屬增材制造研究。除了在需要的時間和地點提供可靠和充足的電力外，仿星發(fā)電廠的建造和運營還必須具有成本競爭力。

Type One計劃采用混合增材制造、先進材料和機器人自動化的生成式設計，快速、大規(guī)模地將高度優(yōu)化、形狀復雜、尺寸準確且無缺陷的仿星器組件成功構建。這將通過分析理論、超級計算和復雜代碼的進步來增強，以揭示磁場配置原理，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)展一共分為三個階段，技術發(fā)展與兩個仿星器迭代構建過程，通過并行應用3D磁場優(yōu)化、工業(yè)增材制造和非平面高溫超導電磁體，可以展示其性能、優(yōu)化和成本方面的進步。



制作中的星際開拓者

2007 年，研究人員利用HSX證明了磁場整形的好處——這是世界上第一個優(yōu)化的仿星器，由 Type One 聯(lián)合創(chuàng)始人大衛(wèi)·安德森教授和構思并設計原始準螺旋對稱的德國理論家設計和制造仿星器。HSX直徑為 2.4 米，建造成本為750萬美元。HSX目前繼續(xù)運營，最近還進行了700 萬美元的電力升級，以擴展其研究能力。



3D優(yōu)化被用來最小化傳輸，并在德國的 W7-X 上得到進一步證明，這是德國政府對優(yōu)化仿星器的一項價值 12 億美元的項目。迄今為止最大的實驗仿星器（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錄。目前研究人員正在對冷卻系統(tǒng)進行升級，目標是在 2022 年達到與托卡馬克相當?shù)男阅芩�平，運行時間可以達到30分鐘。對于任何核聚變系統(tǒng)來說，這將是前所未有的持續(xù)時間。

借助準螺旋仿星器 (QHS) HSX，理論和設計與現(xiàn)實世界的實驗成功達成了一致。可以建造QH仿星器，并展示準螺旋結構的關鍵物理優(yōu)勢。QHS 的許多物理特性與托卡馬克的有益特性相當，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 設計的新型仿星器，它結合了先進的優(yōu)化技術，可顯著減少湍流運輸。將約束優(yōu)化為磁性幾何形狀的函數(shù)可以解決基礎級別的性能問題，以避免設計路徑會導致更大、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展到凈功率狀態(tài)，STARBLAZER I 將設計用于“點火”（自持聚變能量輸出）數(shù)小時，然后是 STARBLAZER II，它將實現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)”連續(xù)運行。

為了減少構建時間和成本，STARBLAZER I 將采用生成設計和增材制造的組件，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，Type One 正在與麻省理工學院等離子體聚變科學中心和威斯康星大學麥迪遜分校合作，在美國能源部 ARPA-E BETHE 聚變項目的資助下積極開發(fā)世界上第一個 HTS 仿星器磁鐵。
造星星云 3D 打印機



具體的商業(yè)化活動分為以下三個部分：
●第 1 階段正在進行中，增材制造計劃包括 NEBULA 平臺的第一版內(nèi)部構建、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 階段將實現(xiàn)STARBLAZER I 的快速、精簡和低成本 AM 構建，這是一種高場仿星器，致力于使用先進的3D場優(yōu)化配置展示點燃的凈功率。

●第 3 階段在 STARBLAZER II 的構建上執(zhí)行，其中包含大量 AM 組件、HTS 磁體和使用先進的超超臨界水、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造。

STARBLAZER II 的關鍵交付成果將在商業(yè)水平上持續(xù)實現(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)技術配合使用，該技術采用超臨界二氧化碳作為工作介質(zhì)來驅(qū)動高溫渦輪機，以實現(xiàn)超過43%的功率轉換效率目標。