ヴェンデルシュタイン7-X

ヴェンデルシュタイン7-X（W7-X）原子炉は、マックス・プランク・プラズマ物理研究所（IPP）によってドイツのグライフスヴァルトに建設され、2015年10月に完成した実験用ステラレータです。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}その目的はステラレータ技術を進歩させることです。この実験用原子炉は発電はしませんが、将来の核融合発電所の主要コンポーネントを評価するために使用されます。これは、前身のヴェンデルシュタイン7-AS実験用原子炉に基づいて開発されました。

2023年現在ヴェンデルシュタイン7-X原子炉は、世界最大のステラレータ装置です。^{[ 3 ]} 2018年10月に終了した2つの運転フェーズが成功した後、原子炉はアップグレードのために停止されました。^{[ 4 ] [ 5 ]}アップグレードは2022年に完了しました。2023年2月の新たな核融合実験では、閉じ込め時間の延長と出力の増加が実証されました。^{[ 6 ]}このフェーズの目標は、出力と持続時間を徐々に増加させて最大30分間の連続プラズマ放電を行い、将来の核融合発電所の重要な特徴である連続運転を実証することです。^{[ 7 ] [ 8 ]}

このプロジェクトの名前は、バイエルン州のヴェンデルシュタイン山にちなんで、1950年代末に決定されたもので、プリンストン大学による先行プロジェクト「プロジェクト・マッターホルン」に由来する。^{[ 9 ]}

この研究施設は、マックス・プランク・プラズマ物理研究所とグライフスヴァルト大学による独立した共同プロジェクトである。

ヴェンデルシュタイン7-X装置は、5周期のヘリアス構成に基づいています。これは主にトロイド状で、高さ3.5mの非平面超伝導磁気コイル50個と平面超伝導磁気コイル20個から構成されており、プラズマが原子炉壁に衝突するのを防ぐ磁場を発生させます。50個の非平面コイルは磁場の調整に使用されます。目標とするプラズマ密度は3 × 10¹⁶です。 ^{1立方メートルあたり20個の}粒子、プラズマ温度は60～130メガケルビン（MK）。 ^{[ 1 ]} 

W7-Xは準等力学原理に沿って最適化されている。^{[ 10 ]}

主な構成要素は、磁気コイル、クライオスタット、プラズマ容器、ダイバータ、加熱システムである。^{[ 11 ]}

コイル（アルミニウム中のNbTi ^{[ 11 ]}  ）は、クライオスタットと呼ばれる直径16メートルの断熱被覆材の周囲に配置されている。冷却装置は、磁石とその筐体（約425メートルトンの「冷質量」）を超伝導温度（4  K ^{[ 12 ]}）まで冷却するのに十分な量の液体ヘリウムを生成する。コイルには12.8  kAの電流が流れ、最大3テスラの磁場を生成する。^{[ 12 ]} 

20個の部品で構成されたプラズマ容器は、内部が磁場の複雑な形状に合わせて調整されている。プラズマ加熱と観測診断のために254個のポート（穴）がある。プラント全体は、実験ホールで組み立てられた5つのほぼ同一のモジュールで構成されている。^{[ 11 ]}

加熱システム^{[ 13 ]}には、電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）用の高出力ジャイロトロンが含まれており、プラズマに最大15 MWの加熱を提供します。 ^{[ 14 ]}運用フェーズ2（OP-2）では、完全なアーマー/水冷が完了した後、最大8メガワットの中性粒子ビーム入射が10秒間利用可能になります。^{[ 15 ]}イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）システムは、OP1.2で物理運用に利用可能になります。^{[ 16 ]}   

さまざまな補完的な技術に基づくセンサーとプローブのシステムにより、電子密度プロファイル、電子温度とイオン温度のプロファイル、重要なプラズマ不純物のプロファイル、電子とイオン粒子の輸送によって生じる半径方向の電場など、プラズマの主要な特性が測定されます。^{[ 17 ]}

このプロジェクトに対するドイツの資金提供協定は1994年に交渉され、統合されたばかりの東ドイツの北東部にIPPのグライフスヴァルト支所が設立された。その新しい建物は2000年に完成した。ステラレータの建設は当初2006年に完了する予定だった。組み立ては2005年4月に始まった。コイルの問題の解決には約3年かかった。^{[ 11 ]}スケジュールは2015年後半に遅れた。^{[ 11 ] [ 18 ] [ 19 ]}

アメリカの3つの研究所からなるコンソーシアム（プリンストン大学、オークリッジ国立研究所、ロスアラモス国立研究所）がプロジェクトのパートナーとなり、最終的な総費用10億6000万ユーロのうち680万ユーロを支払った。^{[ 20 ]} 2012年、プリンストン大学とマックス・プランク協会は、 W7-Xの研究を含むプラズマ物理学の新しい共同研究センターを発表した。 ^{[ 21 ]}

100万時間以上の組み立て時間を要した建設段階の終了は、2014年5月20日の開所式で正式に祝われた。^{[ 22 ] 2014}年夏から始まった容器の漏洩チェック期間の後、クライオスタットは真空^引きされ、磁石テストは2015年7月に完了した^{。[ 12 ]}

2015年12月10日に開始された運用フェーズ1（OP 1.1）の目的は、最も重要なシステムの統合テストをできるだけ早く実施し、装置の物理に関する最初の経験を得ることでした。^{[ 24 ] [ 25 ]} その初日、原子炉は、約0.1秒間、ヘリウムプラズマ（温度約1 MK）を生成することに成功しました。真空にしたプラズマ容器に約1 mgのヘリウムガスを注入したこの最初のテストでは、1.3 MWの短いパルスでマイクロ波加熱が適用されました。^{[ 26 ]}

12月と1月には、真空容器の壁を洗浄しプラズマ診断システムをテストするために、徐々に温度を上げて最終的に摂氏600万度に達するヘリウム放電が300回以上行われた。その後、2016年2月3日、最初の水素プラズマの生成により科学プログラムが開始された。最高温度のプラズマは、1秒間続く4メガワットのマイクロ波ヒーターパルスによって生成され、プラズマ電子温度は100  MK、イオン温度は10  MKに達した。停止するまでに2,000回以上のパルスが実行された。^{[ 27 ]}

この最初のキャンペーンでは、5つのポロイダルグラファイトリミッターが（ダイバータモジュールの代わりに）プラズマに面する主要コンポーネントとして機能しました。実験観測により、プラズマ境界内の開いた磁力線の長さと明確な相関関係にある熱と粒子束の堆積パターンがリミッター上に現れるという3Dモデリング予測が確認されました。^{[ 28 ] [ 29 ]}

このような試験は約1か月間継続する予定で、その後、真空容器を開けて保護用のカーボンタイルで内張りし、プラズマから不純物と熱を除去するための「ダイバータ」を設置するために計画されたシャットダウンが行われた。科学プログラムは、放電電力と時間を徐々に増加させながら継続された。^{[ 30 ]}特殊な磁場トポロジーは2016年に確認された。^{[ 31 ] [ 32 ]}

運用フェーズ1（OP 1.1）は2016年3月10日に終了し^{[ 24 ] [ 33 ]}、アップグレードフェーズが開始されました。

運用フェーズ 1 は 2017 年に継続され (OP 1.2)、(非冷却) ダイバータのテストが行​​われた^{[ 34 ] 。 [ 35 ] [ 24 ] [ 36 ]}

2018年6月には、約4000万度の記録的なイオン温度、0.8×1020^粒子/m3^の密度、および0.2秒の閉じ込め時間により、1立方メートルあたり6× ¹⁰²⁶度秒という記録的な核融合生成物が得られた。^{[ 37 ]}

2018年の最後の実験では、密度は2000万度の温度で2× ¹⁰²⁰粒子/m3^{に達しました。良好なプラズマ値により、100秒の長い放電時間を持つ長時間持続するプラズマが得られました。エネルギー含有量は1メガジュールを超えました。 [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

2021年に、2018年の実験で収集されたX線イメージング結晶分光計データの分析により、厄介な新古典輸送熱損失が大幅に減少しました。加熱された粒子間の衝突により、一部の粒子が磁場から脱出します。これは、記録的な結果を達成する上で不可欠であった磁場ケージの最適化によるものです。^{[ 42 ] [ 43 ]}

2025年に、連続燃料補給とパルス加熱を組み合わせた燃料噴射装置が試験された。43秒以上にわたり、90個の水素ペレットが毎秒最大800メートル（2,600フィート）の速度でプラズマに噴射され、プラズマは最高温度3,000万℃まで加熱された。6分間の運転でエネルギー回転数は1.8ギガジュールに増加し、2023年2月に生成された1.3ギガジュールを上回った。これは、 2025年に中国の実験用先進超伝導トカマク（EAST）が達成した記録を上回った。 ^{[ 44 ] [ 45 ]}

このプロジェクトへの資金援助は、約80%がドイツから、約20%が欧州連合から提供されている。ドイツからの資金援助の90%は連邦政府から、10%はメクレンブルク＝フォアポンメルン州政府から提供されている。1997年から2014年までのステラレータ自体への総投資額は3億7000万ユーロに達したが、グライフスヴァルトのIPPサイトの総費用は、投資と運営費（人件費と物的資源）を含めて、この18年間で10億6000万ユーロに達した。これは当初の予算見積もりを上回ったが、主な理由は初期開発段階が予想より長く、人件費が2倍になったためである。^{[ 53 ]}

2011年7月、マックス・プランク協会の会長であるピーター・グルスは、米国エネルギー省の「核融合への革新的アプローチ」プログラムの下で米国が750万ドルを拠出すると発表した。^{[ 54 ]}

• 類似のヘリカル型装置：
  • 大型ヘリカルデバイス、日本、ヘリオトロン、超伝導（1998年～2025年）
  • らせん対称実験、米国、準らせん対称
  • 国立コンパクトステラレータ実験（NCSE）は、3つの磁場周期を持つヘリアス構成で、同様のコイル問題を抱えており、2008年に建設が中止された。

• 公式サイト
• YouTubeで公開された初のヘリウムプラズマ

北緯54度04分23秒、東経13度25分26秒/北緯54.073度、東経13.424度/北緯54.073度、東経13.424度