Type One Energy将3D打印用于核聚变能源的仿星器，构建复杂形状

导读：仿星器发明于 1951 年，是一种等离子体装置，主要依靠外部磁铁来限制等离子体。研究磁约束聚变的科学家旨在使用仿星器设备作为核聚变反应的容器。这个名字指的是利用恒星能源的可能性，比如太阳。它是最早的聚变功率器件之一。迄今为止，创建稳定的仿星器设备所需的几何形状一直无法实现。



南极熊获悉，美国初创公司Type One Energy筹集了 5000 万美元来建造 NEBULA，这是一台可以制造仿星器复杂螺旋几何形状的巨型3D打印机，目标是在未来十年内实现可持续的核聚变反应。

仿星器
仿星器是一种核聚变动力系统，它使用从水中获得的氢燃料，利用磁场将电离气体限制在核聚变条件下。仿星器具有很强的实用性。在各国的开发下，仿星器近年来迈出了巨大的步伐。

仿星器的螺旋带形状能够产生高密度等离子体，但其几何形状特别复杂，制造加工很难实现，并且对加工条件极其敏感。普通的加工制造技术无法实现，增材制造的优势就体现出来了，利用增材制造技术能够制造复杂的形状。


△第一类能源联合创始人： Stellarator 工程主管 David Anderson 教授、首席科学官 John Canik 博士、首席运营官 Paul Harris、首席制造官 Randall Volberg、Stellarator 优化主管 Chris Hegna 教授。

总部位于威斯康星州的 Type One Energy 筹集了超过 5000 万美元，用于在仿星核聚变反应堆的开发和大幅面金属增材制造研究。除了在需要的时间和地点提供可靠和充足的电力外，仿星发电厂的建造和运营还必须具有成本竞争力。

Type One计划采用混合增材制造、先进材料和机器人自动化的生成式设计，快速、大规模地将高度优化、形状复杂、尺寸准确且无缺陷的仿星器组件成功构建。这将通过分析理论、超级计算和复杂代码的进步来增强，以揭示磁场配置原理，为最大和最有效的发电提供最佳的等离子体限制。此外，新型 (HTS) 磁铁的载流能力是铜线的 200 倍以上，从而实现了更紧凑的仿星器。与传统的低温磁体相比，它还需要更少的冷却功率。

商业化发展一共分为三个阶段，技术发展与两个仿星器迭代构建过程，通过并行应用3D磁场优化、工业增材制造和非平面高温超导电磁体，可以展示其性能、优化和成本方面的进步。



制作中的星际开拓者

2007 年，研究人员利用HSX证明了磁场整形的好处——这是世界上第一个优化的仿星器，由 Type One 联合创始人大卫·安德森教授和构思并设计原始准螺旋对称的德国理论家设计和制造仿星器。HSX直径为 2.4 米，建造成本为750万美元。HSX目前继续运营，最近还进行了700 万美元的电力升级，以扩展其研究能力。



3D优化被用来最小化传输，并在德国的 W7-X 上得到进一步证明，这是德国政府对优化仿星器的一项价值 12 亿美元的项目。迄今为止最大的实验仿星器（主半径 5.5 m），W7-X 于 2015 年建成，并于2018年以迄今为止最大的三倍传输能量创造了仿星器聚变性能的世界纪录。目前研究人员正在对冷却系统进行升级，目标是在 2022 年达到与托卡马克相当的性能水平，运行时间可以达到30分钟。对于任何核聚变系统来说，这将是前所未有的持续时间。

借助准螺旋仿星器 (QHS) HSX，理论和设计与现实世界的实验成功达成了一致。可以建造QH仿星器，并展示准螺旋结构的关键物理优势。QHS 的许多物理特性与托卡马克的有益特性相当，但没有等离子体电流不稳定性、中断和高再循环功率要求。



STARBLAZER 是目前由 Type One 设计的新型仿星器，它结合了先进的优化技术，可显着减少湍流运输。将约束优化为磁性几何形状的函数可以解决基础级别的性能问题，以避免设计路径会导致更大、通用性更低和更昂贵的功率单元。为了将仿星器聚变性能扩展到净功率状态，STARBLAZER I 将设计用于“点火”（自持聚变能量输出）数小时，然后是 STARBLAZER II，它将实现“稳态”连续运行。

为了减少构建时间和成本，STARBLAZER I 将采用生成设计和增材制造的组件，其中包括磁体组件、磁体支撑壳、热交换器和真空容器。与此同时，Type One 正在与麻省理工学院等离子体聚变科学中心和威斯康星大学麦迪逊分校合作，在美国能源部 ARPA-E BETHE 聚变项目的资助下积极开发世界上第一个 HTS 仿星器磁铁。
造星星云 3D 打印机



具体的商业化活动分为以下三个部分：
●第 1 阶段正在进行中，增材制造计划包括 NEBULA 平台的第一版内部构建、磁体支撑壳、真空容器和偏滤器的开发、表征和鉴定用于屏蔽的AM金属基复合材料以及嵌入式功能颗粒耐热性、中子通量和抗疲劳性。

●第 2 阶段将实现STARBLAZER I 的快速、精简和低成本 AM 构建，这是一种高场仿星器，致力于使用先进的3D场优化配置展示点燃的净功率。

●第 3 阶段在 STARBLAZER II 的构建上执行，其中包含大量 AM 组件、HTS 磁体和使用先进的超超临界水、碳化钨和 F82H MMC 钢的集成屏蔽/热交换毯。这是最紧凑和最耐用的径向构造。

STARBLAZER II 的关键交付成果将在商业水平上持续实现净聚变能发电。它考虑了电力系统使用的总“墙插”输入能量、将核聚变能量转换为电能的损失，以及反馈到系统中的任何再循环能量。STARBLAZER II 将与已建立的布雷顿热循环技术配合使用，该技术采用超临界二氧化碳作为工作介质来驱动高温涡轮机，以实现超过43%的功率转换效率目标。