ヴェンデルシュタイン 7-X

ヴェンデルシュタイン 7-X

2011年のW7-X
デバイスタイプ	ステラレーター
位置	グライフスヴァルト、ドイツ
所属	マックスプランクプラズマ物理学研究所
技術仕様
主半径	5.5メートル（18フィート）
マイナー半径	0.53 m (1 フィート 9 インチ)
血漿量	30 メートル3
磁場	3 T（30,000 G）
火力	14MW ​
プラズマ温度	(6–13) × 10 7  K
歴史
運営年数	2015年～現在
先行	ヴェンデルシュタイン 7-AS
リンク
Webサイト	https://www.ipp.mpg.de/w7x

ヴェンデルシュタイン 7-X（略称W7-X）原子炉は、ドイツのグライフスヴァルトにマックス・プランクプラズマ物理学研究所（IPP）によって建設され、2015年10月に完成した実験用ステラレータである^{。[1] [2]}その目的はステラレータ技術を進歩させることである。この実験用原子炉は電気を生産しないが、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る。この原子炉は、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た。

2023年現在^{[アップデート]}、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ある。^[3] 2018年10月に2回の成功した運用フェーズが終了した後、原子炉はアップグレードのためにオフラインになった。^{[4] [5]}アップグレードは2022年に完了した。2023年2月の新たな核融合実験では、より長い閉じ込めと出力の増加が実証された。^[6]このフェーズの目標は、最大30分間の連続プラズマ放電まで徐々に出力と持続時間を増やし、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ある。^{[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年代末にプリンストン大学の「マッターホルン計画」という先行プロジェクトを参考にして決められました。^[9]

この研究施設は、マックス・プランクプラズマ物理学研究所とグライフスヴァルト大学との独立したパートナープロジェクトです。

ヴェンデルシュタイン7-X装置は、5磁場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で、高さ3.5メートルの50個の非平面コイルと20個の平面超伝導 磁気 コイルで構成され、磁場を誘導してプラズマが反応炉壁に衝突するのを防ぎます。50個の非平面コイルは磁場を調整するために使用されます。プラズマ密度3 × 10を目指しています。^{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）である 。 ^[1]

W7-Xは準等力原理に沿って最適化されています。^[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（アルミニウム中のニオブチタン^[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の周りに配置されています。冷却装置は、磁石とその筐体（約425トンの「冷却質量」）を超伝導温度（4K ^[12]）まで冷却するのに十分な液体ヘリウムを生成します。コイルは12.8kAの電流を流し、最大3 テスラの磁場を生成します。^[12]

プラズマ容器は20個の部品で構成され、内部は磁場の複雑な形状に合わせて調整されています。プラズマ加熱と観察診断用のポート（穴）が254個あります。プラント全体は、実験ホールで組み立てられたほぼ同一のモジュール5つで構成されています。^[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、最大15MWの加熱をプラズマに供給します。^[14]運用フェーズ2（OP-2）では、フルアーマー/水冷の完了後、最大8メガワットの中性ビーム注入も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の物理操作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いたセンサーとプローブのシステムは、電子密度や電子とイオンの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から生じる放射状の電場のプロファイルなど、プラズマの重要な特性を測定します。^[17]

このプロジェクトに対するドイツの資金援助の取り決めは1994年に交渉され、東ドイツ北東部にIPPのグライフスヴァルト支部研究所が設立された。その新館は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年後半までずれ込んだ。^{[11] [18] [19]}

アメリカの3つの研究所（プリンストン、オークリッジ、ロスアラモス）のコンソーシアムがこの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年にプリンストン大学とマックスプランク協会はプラズマ物理学の新しい共同研究センター^[21]を設立し、 W7-Xの研究を行うことを発表した。

100万時間以上の組み立て作業を必要とした建設段階の終了は、^[22] 2014年5月20日の開所式で公式に祝われた。^[23] 2014年夏から始まった容器の漏れチェック期間の後、クライオスタットは排気され、2015年7月に磁石のテストが完了した。^[12]

運用フェーズ1（OP1.1）は2015年12月10日に開始されました。^[24]その日、原子炉は約0.1秒間ヘリウムプラズマ（温度約1MK）を生成することに成功しました。この初期テストでは、真空プラズマ容器に約1mgのヘリウムガスを注入し、1.3MWの短いパルスでマイクロ波加熱を適用しました。^[25]

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、機械の物理的特性に関する最初の経験を得ることであった。^{[24] [26]}

12月と1月にはヘリウム放電が300回以上行われ、徐々に温度が上昇して最終的に600万度に達し、真空容器の壁を洗浄し、プラズマ診断システムをテストしました。その後、2016年2月3日に最初の水素プラズマが生成され、科学プログラムが開始されました。最高温度のプラズマは、1秒間持続する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、プラズマの電子温度は100 MK、イオン温度は10 MKに達しました。シャットダウンまでに2,000回以上のパルスが実行されました。^[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ターが（ダイバータモジュールの代わりに）主なプラズマ対向コンポーネントとして機能しました。実験観測により、リミター上の熱と粒子束の堆積パターンがプラズマ境界の開いた磁力線の長さと明確に相関していることを示す3Dモデリングの予測が確認されました。^{[28] [29]}

このようなテストは約1か月間継続され、その後、真空容器を開けて保護用のカーボンタイルを敷き詰め、プラズマから不純物と熱を取り除くための「ダイバータ」を設置するために計画的に停止される予定だった。科学プログラムは、放電電力と持続時間を徐々に増やしながら継続された。^[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（OP1.1）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（OP1.2）は2017年に継続され^[34]、（非冷却）ダイバータを試験した。^{[35] [24] [36]}

2018年6月には、イオン温度約4000万度、密度0.8×1020^粒子/m3 ^、閉じ込め時間0.2秒という記録的な数値で、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2×10 ²⁰粒子/ m ^{3に達しました。良好なプラズマ値により、100秒の長い放電時間で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のデータの分析により、問題となっていた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、一部の粒子は磁場から逃げ出します。これは、記録的な結果を達成するために不可欠だった磁場ケージの最適化によるものでした。^{[42] [43]}

このプロジェクトの財政支援は、ドイツが約80%、欧州連合が約20%を負担している。ドイツの資金の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の総投資額は3億7000万ユーロで、グライフスヴァルトのIPPサイトの総費用は、投資額と運営費（人件費と物的資源）を含めて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も長くなり、人件費が倍増したためである。^[49]

2011年7月、マックス・プランク協会の会長ピーター・グルースは、米国エネルギー省の「核融合への革新的アプローチ」プログラムに米国が750万ドルを拠出すると発表した。^[50]

• プラハ（チェコ共和国）のチェコ工科大学における FJFI
• カレル大学（チェコ共和国）
• ベルリン工科大学(ドイツ)
• グライフスヴァルト大学（ドイツ）
• ユーリッヒ運動センター(ドイツ)
• カールスルーエ工科大学（ドイツ）
• シュトゥットガルト大学界面プロセス工学およびプラズマ技術研究所 (IGVP) (ドイツ)
• 物理技術連邦(ドイツ)
• 原子力代替委員会(CEA、フランス)
• Centro de Investigaciones Energéticas、Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT、スペイン)
• クラクフ原子核物理学研究所および国立原子核研究センター（ポーランド）
• プラズマ物理学およびレーザーマイクロ融合研究所、ワルシャワ（ポーランド）
• ハンガリー科学アカデミー素粒子・原子核物理学研究所（ハンガリー）
• 三国間ユーレジオクラスター（ドイツ/ベルギー/オランダ）
• デンマーク工科大学(DTU) (デンマーク)
• アイントホーフェン工科大学（オランダ）

• ロスアラモス国立研究所
• オークリッジ国立研究所
• プリンストンプラズマ物理学研究所
• ウィスコンシン大学マディソン校
• マサチューセッツ工科大学
• オーバーン大学
• ザントテクノロジーズ LLC

• 核融合科学研究所

• 核融合発電
• 類似のステラレータ:
  • 大型ヘリカル装置、日本、ヘリオトロン、超伝導（1998年～）
  • 螺旋対称実験、米国、準螺旋対称
  • 国立コンパクトステラレータ実験、3フィールド周期ヘリアス構成 - 同様のコイル問題があり、2008年に建設が中止された

ウィキメディア・コモンズには、ウェンデルシュタイン 7-Xに関連するメディアがあります。

• 公式サイト
• YouTube初のヘリウムプラズマ

北緯54°04′23″ 東経13°25′26″ / 北緯54.073° 東経13.424° / 54.073; 13.424