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可控核聚變雙路線:仿星器與托卡馬克成本對比及仿星器發展探秘

   發布時間:2026-01-20 13:37 作者:顧青青

在核聚變研究領域,仿星器與托卡馬克作為兩條重要的技術路線,始終吸引著全球科研人員的目光。二者雖同為環形約束裝置,但設計理念與磁場結構卻存在顯著差異。托卡馬克依賴等離子體電流自身產生極向場,而仿星器則通過復雜的三維磁場結構抵消電流需求,從而避免等離子體漂移導致的電荷分離問題。這種差異不僅體現在原理層面,更深刻影響著裝置的成本構成與發展路徑。

成本分析顯示,仿星器與托卡馬克的建造成本總體相當,但具體構成存在差異。以德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所(IPP)的螺旋先進仿星器(Helias)為例,其包層模塊與磁體成本占比分別達10%和29%,高于托卡馬克的8%與25%。不過,仿星器因采用穩態磁場設計,系統再循環功率顯著降低,長期運行成本更具優勢。以W7-X裝置為例,從1995年啟動至2021年完成最終配置,直接投資達4.6億歐元,若計入建筑、人員等運營成本,總投資額約14.4億歐元。這一數據表明,仿星器雖初期投入較高,但穩態運行特性可部分抵消成本壓力。

高溫超導材料的突破為仿星器發展注入新動力。傳統超導體在應力達20T時易失超,而托卡馬克因磁場需動態變化,交流損耗問題尤為突出。仿星器的穩態磁場設計則完美規避了這一缺陷,且磁場強度提升可顯著縮小裝置體積,進一步降低建造成本。目前,高溫超導技術已被視為仿星器降本的關鍵路徑,其成熟度與價格走勢將直接影響未來技術路線選擇。

仿星器的歷史可追溯至20世紀50年代。美國天體物理學家斯必澤于1951年提出通過8字形螺線管產生非傳統環形磁場,利用彎曲處等離子體漂移的相互抵消實現約束。1953年,首臺8字型仿星器Model-A問世,驗證了新概念的可行性。隨后,美國Model-B系列、日本Heliontron、德國Wendelstein-A等裝置相繼建成,推動研究進入第一個高潮期。中國于1971年組裝“凌云”仿星器,但受限于當時的理論模擬能力與工業制造水平,項目最終停滯。這一時期,仿星器因成本高昂、實驗參數落后于托卡馬克,逐漸被邊緣化。

70年代后,隨著計算機技術與工業制造能力的提升,仿星器迎來技術革新。螺旋器(Helical Axis Device)與扭曲器(Torsatan)的出現,通過簡化線圈系統大幅降低了設計成本。扭曲器將環向場線圈與螺旋場線圈耦合為單一螺旋場線圈,減少了一類線圈的使用;螺旋器則將環向場線圈中心排列在螺旋線上,以澳大利亞H-1、西班牙TJ-II及日本LHD為代表。其中,LHD作為全球首個穩態超導仿星器,大半徑3.75米、小半徑0.6米,可產生3T磁場,為穩態運行提供了重要參考。

 
 
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