Proxima Fusion利用增材制造突破仿星器設(shè)計(jì)，將聚變研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)化現(xiàn)實(shí)

Proxima Fusion脫胎于著名的馬克斯·普朗克等離子體物理研究所 (IPP)，是德國六十余年公共資助聚變研究中首家也是唯一一家衍生公司。Proxima 擁有一支由頂尖物理學(xué)家和工程師組成的團(tuán)隊(duì)，致力于將深厚的科學(xué)專業(yè)知識(shí)與初創(chuàng)公司的敏捷性相融合。他們的使命清晰而雄心勃勃：建造世界上第一座商用聚變電站。這一目標(biāo)正通過大膽結(jié)合先進(jìn)研究和新興技術(shù)（例如高溫超導(dǎo)體、增材制造、機(jī)器學(xué)習(xí)和工業(yè)過程自動(dòng)化）來實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)工作的核心是仿星器聚變的前景——如今，通過設(shè)計(jì)、仿真和生產(chǎn)的突破，這條途徑已變得切實(shí)可行。

歷史上，仿星器過于復(fù)雜，由于配置所需的變量數(shù)量過多，難以高效設(shè)計(jì)。托卡馬克利用等離子體內(nèi)部的電流來塑造磁場(chǎng)，而仿星器則不同，它完全依靠外部磁體將等離子體限制在三維形狀中。由此產(chǎn)生的自由度對(duì)于手動(dòng)甚至早期的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法來說都是一場(chǎng)噩夢(mèng)。隨著超級(jí)計(jì)算的出現(xiàn)，這一切都改變了。Proxima Fusion 更進(jìn)一步，開發(fā)了 StarFinder，這是一個(gè)基于云的仿星器優(yōu)化和設(shè)計(jì)平臺(tái)，徹底改變了這一流程。它允許對(duì)準(zhǔn)等動(dòng)力學(xué) (QI) 仿星器幾何形狀進(jìn)行高速迭代，從而大幅降低成本并加快開發(fā)時(shí)間。通過 3D 打印進(jìn)行模擬和快速成型相輔相成，為真正實(shí)用的仿星器模型鋪平了道路。

這一進(jìn)程中最重要的技術(shù)推動(dòng)因素之一是高溫超導(dǎo)體 (HTS) 的使用。傳統(tǒng)超導(dǎo)體需要冷卻至接近絕對(duì)零度，這使得其使用成本高昂，且在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方面受到限制。而高溫超導(dǎo)體材料則能夠在更高的溫度下工作，并能支持更強(qiáng)的磁場(chǎng)。這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)意味著仿星器可以設(shè)計(jì)得更小巧，同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的等離子體約束。它還開辟了更廣闊的設(shè)計(jì)空間，使工程師能夠更靈活地塑造磁場(chǎng)，而無需面對(duì)通常會(huì)給托卡馬克裝置帶來負(fù)擔(dān)的操作限制。

ProximaFusion 仿星器開發(fā)時(shí)間表

Proxima Fusion 在QI-仿星器設(shè)計(jì)中特別運(yùn)用了高溫超導(dǎo)技術(shù)。這些配置消除了環(huán)形電流，有效地消除了可能導(dǎo)致托卡馬克裝置中斷的電流驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。IPP 開發(fā)的關(guān)鍵原型 Wendelstein 7-X（W7-X）已經(jīng)證明了這種方法的穩(wěn)健性，并驗(yàn)證了其連續(xù)運(yùn)行的可行性。基于這些發(fā)現(xiàn)，Proxima的 Stellaris 發(fā)電廠概念將高溫超導(dǎo)磁體與準(zhǔn)等動(dòng)力磁結(jié)構(gòu)相結(jié)合。它代表了一種新型的仿星器，不僅性能更卓越，而且更易于操作和維護(hù)。

Stellaris 的核心是一種整合的設(shè)計(jì)方法，它將電磁、結(jié)構(gòu)、熱和中子學(xué)模擬統(tǒng)一起來。不同于以往反應(yīng)堆概念中通常各自為政地處理這些學(xué)科，Stellaris 將它們整合到一個(gè)統(tǒng)一、連貫的系統(tǒng)模型中。這種系統(tǒng)工程理念確保所有組件都根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化，從等離子體行為到線圈應(yīng)力再到熱管理。最終，反應(yīng)堆更加緊湊，單位體積的發(fā)電量比以往任何仿星器發(fā)電廠都更高。

實(shí)現(xiàn)這種集成的重大變革之一是增材制造，也稱 3D 打印。傳統(tǒng)的制造方法難以應(yīng)對(duì)仿星器線圈和支架所需的復(fù)雜幾何形狀。增材制造技術(shù)能夠直接利用聚合物、復(fù)合材料或金屬高精度地構(gòu)建復(fù)雜形狀，從而突破了這一瓶頸。在 UST-2 仿星器的研發(fā)過程中，研究人員證明，可以打印聚合物和復(fù)合材料線圈框架，并用增強(qiáng)樹脂填充，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 0.3 毫米的公差。同樣，對(duì) EPOS 仿星器線圈的測(cè)試表明，3D 打印鋁結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑽恢镁�度和磁性能保持在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)。

向增材制造的轉(zhuǎn)變加快了原型設(shè)計(jì)速度，并顯著降低了成本。它能夠快速測(cè)試新想法并快速實(shí)施改進(jìn)——這在迭代至關(guān)重要的領(lǐng)域是關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。此外，它還為使用傳統(tǒng)機(jī)械加工無法實(shí)現(xiàn)的新型材料和混合組件打開了大門。這些進(jìn)步使得制造以前無法建造的設(shè)計(jì)成為可能，突破了聚變反應(yīng)堆建造可行性的界限。

機(jī)器學(xué)習(xí)是ProximaFusion工具包的另一個(gè)重要組成部分。算法有助于優(yōu)化磁配置、線圈幾何形狀、熱公差，甚至材料使用。自動(dòng)化進(jìn)一步增強(qiáng)了這一生態(tài)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了從線圈繞制到質(zhì)量保證的所有流程。得益于這些數(shù)字技術(shù)，長期以來被認(rèn)為不切實(shí)際的仿星器建造工業(yè)化如今已觸手可及。

選擇仿星器而非托卡馬克具有戰(zhàn)略意義。托卡馬克由于初始設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，歷來在聚變領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們?cè)谶\(yùn)行方面面臨諸多挑戰(zhàn)，包括脈沖式運(yùn)行和易受突發(fā)中斷的影響。相比之下，仿星器的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性——曾經(jīng)的一大障礙——如今得益于先進(jìn)的仿真和增材制造技術(shù)，已變得可控。這使得它們成為長期并網(wǎng)聚變電站的更可行的候選方案。

Proxima 的旗艦項(xiàng)目Stellaris 代表了所有這些創(chuàng)新的綜合。它是首個(gè)將反應(yīng)堆物理和工程的所有關(guān)鍵方面融入商業(yè)化設(shè)計(jì)的仿星器概念。島式分流器排熱系統(tǒng)（首次在 W7-AS 和 W7-X 上進(jìn)行測(cè)試）已證明有效性，解決了持續(xù)等離子體約束中的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。緊湊的尺寸（得益于高溫超導(dǎo)磁體）以及增材制造提供的精度，使其比以往任何仿星器都更接近實(shí)際部署。