仿星器

八分钟的等离子体

仿星器把极热的氢等离子体关在一个扭曲的磁场里，这个磁场全部由外面的线圈产生。德国格赖夫斯瓦尔德的 Wendelstein 7-X（W7-X）是世界上最大的仿星器：整台装置直径 16 米，重 725 吨，2015 年 12 月 10 日第一次放电。

2023 年 2 月 15 日，它让等离子体持续了 8 分⁠钟（480 秒），注入又带走的能量共 1.3 吉⁠焦。2025 年 5 月 22 日，它把聚变三重积的高值保持了 43 秒：在 30 秒以上的长放电里，和最好的托卡马克相当（与 JET 并列）。同一轮实验的能量周转达到 1.8 吉⁠焦。它用氢，不用氚，不产生聚变能。

480 秒 · 1.3 吉⁠焦（2023）· 三重积保持 43 秒（2025）· 1.8 吉⁠焦

十万分之一

仿星器的磁场全部来自线圈，所以不点燃等离子体也能检查它。2015 年，团队在抽空的容器里沿磁力线射入一束电子，再用一根涂了荧光粉的细杆扫过截面：电子沿同一条磁力线绕了很多圈，每次穿过细杆都留下一个亮点，拼出一层套一层的磁面。

2016 年发表的结果：和计算的磁场相比，偏差小于十万分之一，一条磁力线追 100 米，偏离不到 1 毫⁠米。为此，线圈的制造公差要求在 ±1 毫⁠米左右。测到的一点误差主要来自平面线圈的位置和形状，5 个外部修正线圈可以抵消它。

偏差 < 1/100 000 · 100 米偏 1 毫⁠米 · 线圈公差约 ±1 毫⁠米

线圈拧出的磁场

带电粒子沿着磁力线绕圈走。把磁力线简单地弯成圆环，外侧的磁场较弱，离子和电子分别向上和向下漂，分开的电荷形成电场，又把两者一起推向外壁。办法是让磁力线一边绕环走，一边绕着截面转：粒子在上半边漂离，在下半边漂回，平均下来留在同一个磁面上。

磁力线绕环一圈时绕截面转的圈数叫旋转变换 ι。托卡马克靠等离子体里的大电流产生它，电流由变压器感应，只能脉冲运行，电流驱动的不稳定还会引起破裂。仿星器只靠线圈的形状，不需要大的等离子体电流和变压器，可以连续运行。W7-X 标准位形的 ι 从中心约 0.85 增加到边缘约 0.98。

ι = 绕环一圈时绕截面的圈数 · 中心约 0.85 → 边缘约 0.98

从豆形到三角形

从上往下看，W7-X 的等离子体环像一个圆角的五边形：装置由五个几乎相同的模块组成，磁场每转 72° 重复一次。磁轴也不是平的圆，而是一条上下起伏的螺旋线。

截面一路在变：在五边形的角上（φ = 0°）是竖着的豆形，半个周期后（φ = 36°）是横躺的三角形，再过半个周期又回到豆形。截面的长轴每个周期转半圈，和磁轴的扭转一起拧出了旋转变换。

5 个⁠周⁠期 · 豆形（0°）→ 三角形（36°）→ 豆形（72°）

线圈只有五种形状

磁场来自 50 个扭曲的非平面超导线圈，每个约 3.5 米高、2.5 米宽、6 吨重。每个模块有 10 个，两两形状相同、倒过来装，所以一共只有 5 种形状。每个线圈绕 108 匝铌钛电缆：超导细丝埋在铜线里，铜线编成电缆，外面包一层铝，液氦在电缆的缝隙里流过，把它冷到约 4 K（−269 °C）。2015 年的全系统测试里，所有线圈一起通到 12.8 千⁠安。

另有 20 个平面线圈（2 种，每个 36 匝）叠在上面，用来调节磁场：它们增减环向磁场，让 ι 整体上下移动。每种线圈有自己的电源，一共七路。运行时轴上的磁场是 2.5 特⁠斯⁠拉，设计最高 3 特⁠斯⁠拉。

50 个非平面线圈 · 5 种形状 · 20 个平面线圈 · 约 4 K · 12.8 千⁠安

算出来的形状

早期的仿星器关得住磁力线，却关不住粒子：许多粒子的轨道会漂出去。W7-X 的磁场是先算出来的。理论组花了十多年搜索各种位形，要同时满足七个条件，其中有：磁场受等离子体压力的影响小，热损失低，自举电流很小，快粒子关得住，线圈是能造出来的模块。这样的计算要到 20 世纪 80 年代的超级计算机才做得动；线圈奇怪的形状就是计算的结果。

2021 年的一篇论文检验了这一点。在 2018 年的一次高性能放电里，这种“新经典”损失约占加热功率的 30 %；同样的等离子体放在优化较少的仿星器里，算出的损失会超过全部加热功率，那是不可能的。剩下的损失主要来自湍流。

七个条件 · 20 世纪 80 年代的超级计算机 · 新经典损失约 30 %（2021）

剖开：低温和真空

剖开来看是一层套一层。最外面是直径 16 米的外容器（低温恒温器），里面抽成真空用来隔热，铜色的是热屏蔽。线圈和托住它们的环形中心支撑一起冷到超导温度，这部分冷质量 425 吨，由一台 7 000 瓦的氦制冷机冷却。剖开的线圈露出铜色的绕组。

线圈中间是不锈钢的等离子体容器，由 20 段组成，形状跟着等离子体扭曲，重 35 吨，抽到低于 10⁻⁸ 毫⁠巴的超高真空。254 根端口管从冷的线圈之间穿过，把容器连到外壁，用来观测、加料和加热。

外径 16 米 · 冷质量 425 吨 · 约 4 K · 254 个端口 · < 10⁻⁸ 毫⁠巴

岛偏滤器

等离子体的热和粒子总会漏到边缘。W7-X 的边缘自己会形成一串磁岛：标准位形的 ι 在边缘正好等于 1，截面上出现五个岛（5/5）。十个偏滤器单元（每个模块两个）的靶板插进这些磁岛，热和粒子沿着磁岛流到靶板上，在那里中和、抽走。和托卡马克不同，它不需要额外的磁铁来分出边界。

2015⁠–⁠16 年用的是五块石墨限制器，2017⁠–⁠18 年是不冷却的石墨试验偏滤器。2022 年起换成水冷的碳纤维增强碳偏滤器，设计承受每平方米 10 兆⁠瓦，已经演示过每平方米 6 兆⁠瓦。冷却内壁的水管长 6.8 公⁠里，分成 657 个独立回路。

5/5 磁岛 · 10 个偏滤器单元 · 水冷 · 每平方米 10 兆⁠瓦（设计）

用微波加热

等离子体靠外面射进来的波和粒子束加热，不靠感应电流。主力是电子回旋共振加热：回旋管产生 140 GHz 的微波，波长约 2 毫⁠米，正好是 2.5 特⁠斯⁠拉磁场里电子回旋频率的两倍。每台回旋管约 1 兆⁠瓦，最新的一台达到 1.3 兆⁠瓦，现在装了 11 台。回旋管在另一座楼里，微波经冷却的铜镜在空气中传约 60 米，再从端口射进等离子体。

中性束注入把 55 keV 的氢原子射进等离子体，最多 7 兆⁠瓦；离子回旋加热最多 1.5 兆⁠瓦。燃料用冻成固体的氢丸补充：2025 年创纪录的那次放电里，43 秒内射入了约 90 颗。

140 GHz · 约 2 毫⁠米 · 镜面传输约 60 米 · 中性束最多 7 兆⁠瓦

代价和极限

它不发电：只用氢，不用氚，这本来就不是它的任务。8 分⁠钟那次的平均加热功率是 2.7 兆⁠瓦，设计目标是 10 兆⁠瓦、30 分⁠钟、18 吉⁠焦。超过五分钟的放电曾因部件过热、真空阀的密封圈烧焦而出问题。2024 年的仿星器三重积纪录 1.126 × 10²⁰ keV·s·m⁻³，约是电站门槛（3 × 10²¹）的 3.8 %；等离子体压力达到磁压的近 3 %，电站需要 4⁠–⁠5 %。

投资从 1995 到 2021 年共 4.6 亿欧元，连同格赖夫斯瓦尔德研究所的楼、人员和运行，一共 14.4 亿欧元。装配用了 9 年、一百多万工时。现在的损失主要来自湍流。它的等离子体 30 立⁠方⁠米，ITER 是 830 立⁠方⁠米。德国的 Proxima Fusion 和 Gauss Fusion 等新公司正以它为基础设计仿星器电站。

2.7 兆⁠瓦 / 10 兆⁠瓦 · 480 秒 / 30 分⁠钟 · 三重积约为门槛的 3.8 %

拆开来看

外容器和它的端口、50 个非平面线圈、20 个平面线圈、等离子体容器、偏滤器、等离子体和中性束注入器，一层一层分开。

指针停在哪一件上（手机上轻点一下），那一件便单独托起，标出名字，其余的淡去。