2023年9月，德国联邦研究部长Bettina Stark-Watzinger宣布，未来五年，德国将在聚变研究上投资超过10亿欧元，新的资助计划旨在加强联邦教育和研究部 (BMBF) 在马克斯·普朗克等离子体物理研究所（Max-Planck-Institute for Plasma Physics，IPP）、卡尔斯鲁厄理工学院 (Karlsruhe Institute of Technology，KIT) 和于利希研究中心 (Forschungszentrum Jülich，FZJ) 正在进行的各项核聚变实验活动。其中，IPP被誉为欧洲最大的核聚变研究中心之一，在德国Greifswald运行着目前全球最大、最复杂的仿星器聚变装置Wendelstein 7-X。
仿星器介绍
前三期文章我们分别介绍了ITER、EAST、JT-60SA装置，这些都是托卡马克装置的典型代表。托卡马克的设计最早是由苏联科学家提出，而仿星器的概念设计最早源于美国物理学家Lyman Spitzer（PPPL第一任主任）。不同于托卡马克的磁场位形由外部纵场线圈形成的环向场和等离子体电流形成极向磁场叠加而成，仿星器的磁场位形则完全是由外部的线圈电流提供的。由于没有等离子体电流，仿星器不会产生等离子体破裂的风险，其运行也就更加稳定，但其结构的复杂性也就在设计和工程制造方面提出了更高的要求。
按照线圈结构的不同，仿星器可以划分为：
-“8”字形仿星器（Figure-8）：依靠扭曲线圈空间排布的轴线来实现内部磁力线的旋转变换，比如20世纪50-60年代早期的装置Model-A。
-跑道形（Racetrack-shaped）仿星器：通过在跑道环处安装不连续的螺旋绕组线圈来扭曲磁面产生旋转变换，比如Model-C和中国“凌云”。
-扭曲器（Torsatron）：由连续螺旋绕线圈缠绕而成，如Compact Toroidal Hybrid（CTH）。
-螺旋器（Heliotron）：在扭曲器的基础上增加极向场线圈提供垂直场，也可以加入环向场线圈来调节磁面的波纹度，如LHD、W7-A。
-螺旋轴仿星器（Heliac）：其磁轴为扭曲的螺旋线，通常旋转变换要高于扭曲器和螺旋器。具有代表性的是位于西班牙的世界第二大仿星器装置TJ-II。-螺旋先进仿星器（Helias）：采用模块化线圈产生优化过的磁面位型，可以满足高比压、低自举电流以及对高能量α粒子的约束时间长等要求，是目前最有可能实现仿星器聚变的一种设计思路。典型代表Wendelstein7-X。
W7-X概览
Wendelstein 7-X（简称W7-X）：2015年投入运行，是目前全球最大、最复杂的仿星器聚变装置，由IPP Greifswald负责运营。W7-X的磁场由50个非平面线圈（non-planar coils）和20个平面线圈（planar coils）提供，分为5个对称的区域，模块化线圈结构设计使得等离子体可以实现稳态运行。W7-X装置前身为1988-2002年运行的Wendelstein 7-AS，由IPP Gaching负责运营。
W7-X预期目标
W7-X装置旨在探索和验证仿星器作为未来核聚变反应堆的可行性和适用性。其预期目标包括：
- 研究优化磁场的良好粒子约束，并研究类似反应堆条件下的粒子传输；
- 使用有效的加热方法产生和加热等离子体；
- 开发杂质控制方法并研究杂质传输；
- 达到4%至5%的β值（等离子体压力和磁场压力的比值）并分析β限值；
- 演示长时间或准静止操作；
- 连续运行条件下的等离子体补充、颗粒控制和等离子壁相互作用；
- 进行偏滤器研究；
W7-X核心参数
W7-X装置核心部分参数：大半径5.5m，小半径0.53m，磁场强度3T，等离子体总容量为30立方米，加热功率14MW，其他参数详见下表：
W7-X突出特点
相较于传统仿星器装置，W7-X对线圈结构进行了深度的优化：
-通过调节螺旋场波纹度（effective helical ripple）来有效降低径向输运，优化新经典输运水平。
-最小化由于等离子体压强剖面梯度引起的靴带电流（bootstrap current）。
-在高β下能够达到良好的磁流体力学（Magneto Hydro Dynamics，MHD）稳定性。-更好的约束α粒子。W7-X发展历程
-1980年，W7-X 的规划工作启动。
-1990年8月，向欧盟提交项目申请。
-1994年5月，欧盟的第一阶段评估-科学价值评估结束，项目得到批准。
-1994年7月，IPP Greifswald分院成立。
-1996年3月，欧盟的第二阶段评估-技术成本和人员评估结束，获得资助。
-1999年6月，Wendelstein测试线圈在Karlsruhe的TOSKA测试台中达到超导状态。
-2000年4月，IPP分院正式落成。
-2000年6月，低温恒温器样品测试成功完成。
-2003年12月，第一个非平面星形超导线圈交付。
-2004年8月，第一个平面超导线圈交付。
-2005年4月，Wendelstein 7-X主体安装工作启动。
-2007年11月，20个平面超导线圈制造完成。
-2008年3月，50个非平面超导线圈制造完成。
-2009年7月，20个平面和50个非平面超导线圈的低温测试完成。
-2010年2月，水冷系统第一部分完工。
-2011年12月，全部模块安装完成，装置整体形成闭环。
-2012年4月，来自美国的第一个辅助线圈交付。
-2013年6月，装置整体钎焊工作完成。
-2014年4月，W7-X主体安装结束。
-2015年2月，超导测试和低温恒温器的冷却测试启动。
-2015年12月，产生第一个氦等离子体，持续时间约为十分之一秒，温度达到100万度。
-2016年2月，产生第一个氢等离子体，持续时间为四分之一秒，温度达到8,000万度，标志着Wendelstein 7-X科学实验运行的开始。
-2016年4月，PPPL与IPP联合宣布，W7-X产生的高强磁场与实验中模拟的磁场强度，误差不到十万分之一。
-2017年12月，W7-X在4,000万度的温度下，等离子体密度达到0.8*10^20/m^3，脉冲持续时间保持了26秒，产生了75MJ的能量周转，实现了仿星器聚变新的世界记录。
-2023年2月，W7-X在平均加热功率为2.7兆瓦情况下，等离子体放电持续了480秒，产生1.3GJ的能量周转，这比之前达到的最大值（75MJ）高出17倍。
W7-X计划在未来几年内将能量周转提高到18GJ，并使等离子体保持稳定30分钟。
参考链接：
- https://www.ipp.mpg.de/4144445/proposals
- https://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10358-1019049596.htm
- https://www.ipp.mpg.de/16931/einfuehrung
- https://www.ipp.mpg.de/3951975/w7as
- https://www.ipp.mpg.de/17019/meilensteine
- https://www.cas.cn/kj/201612/t20161206_4583680.shtml