Proxima Fusion利用增材制造突破仿星器設計，將聚變研究轉化為商業化現實
時間：2025-06-14 13:09 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
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家和工程師組成的團隊，致力于將深厚的科學專業知識與初創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。這一目標正通過大膽結合先進研究和新興技術（例如高溫超導體、增材制造、機器學習和工業過程自動化）來實現。這項工作的核心是仿星器聚變的前景——如今，通過設計、仿真和生產的突破，這條途徑已變得切實可行。
歷史上，仿星器過于復雜，由于配置所需的變量數量過多，難以高效設計。托卡馬克利用等離子體內部的電流來塑造磁場，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。由此產生的自由度對于手動甚至早期的計算機輔助設計方法來說都是一場噩夢。隨著超級計算的出現，這一切都改變了。Proxima Fusion 更進一步，開發了 StarFinder，這是一個基于云的仿星器優化和設計平臺，徹底改變了這一流程。它允許對準等動力學 (QI) 仿星器幾何形狀進行高速迭代，從而大幅降低成本并加快開發時間。通過 3D 打印進行模擬和快速成型相輔相成，為真正實用的仿星器模型鋪平了道路。
這一進程中最重要的技術推動因素之一是高溫超導體 (HTS) 的使用。傳統超導體需要冷卻至接近絕對零度，這使得其使用成本高昂，且在反應堆設計方面受到限制。而高溫超導體材料則能夠在更高的溫度下工作，并能支持更強的磁場。這一技術優勢意味著仿星器可以設計得更小巧，同時實現強大的等離子體約束。它還開辟了更廣闊的設計空間，使工程師能夠更靈活地塑造磁場，而無需面對通常會給托卡馬克裝置帶來負擔的操作限制。
ProximaFusion 仿星器開發時間表
Proxima Fusion 在QI-仿星器設計中特別運用了高溫超導技術。這些配置消除了環形電流，有效地消除了可能導致托卡馬克裝置中斷的電流驅動不穩定性風險。IPP 開發的關鍵原型 Wendelstein 7-X（W7-X）已經證明了這種方法的穩健性，并驗證了其連續運行的可行性。基于這些發現，Proxima的 Stellaris 發電廠概念將高溫超導磁體與準等動力磁結構相結合。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。
Stellaris 的核心是一種整合的設計方法，它將電磁、結構、熱和中子學模擬統一起來。不同于以往反應堆概念中通常各自為政地處理這些學科，Stellaris 將它們整合到一個統一、連貫的系統模型中。這種系統工程理念確保所有組件都根據具體情況進行優化，從等離子體行為到線圈應力再到熱管理。最終，反應堆更加緊湊，單位體積的發電量比以往任何仿星器發電廠都更高。
實現這種集成的重大變革之一是增材制造，也稱 3D 打印。傳統的制造方法難以應對仿星器線圈和支架所需的復雜幾何形狀。增材制造技術能夠直接利用聚合物、復合材料或金屬高精度地構建復雜形狀，從而突破了這一瓶頸。在 UST-2 仿星器的研發過程中，研究人員證明，可以打印聚合物和復合材料線圈框架，并用增強樹脂填充，以實現優于 0.3 毫米的公差。同樣，對 EPOS 仿星器線圈的測試表明，3D 打印鋁結構能夠將位置精度和磁性能保持在預測范圍內。
向增材制造的轉變加快了原型設計速度，并顯著降低了成本。它能夠快速測試新想法并快速實施改進——這在迭代至關重要的領域是關鍵優勢。此外，它還為使用傳統機械加工無法實現的新型材料和混合組件打開了大門。這些進步使得制造以前無法建造的設計成為可能，突破了聚變反應堆建造可行性的界限。
機器學習是ProximaFusion工具包的另一個重要組成部分。算法有助于優化磁配置、線圈幾何形狀、熱公差，甚至材料使用。自動化進一步增強了這一生態系統，簡化了從線圈繞制到質量保證的所有流程。得益于這些數字技術，長期以來被認為不切實際的仿星器建造工業化如今已觸手可及。
選擇仿星器而非托卡馬克具有戰略意義。托卡馬克由于初始設計相對簡單，歷來在聚變領域占據主導地位，但它們在運行方面面臨諸多挑戰，包括脈沖式運行和易受突發中斷的影響。相比之下，仿星器的設計旨在實現連續穩定的運行。其設計的復雜性——曾經的一大障礙——如今得益于先進的仿真和增材制造技術，已變得可控。這使得它們成為長期并網聚變電站的更可行的候選方案。
Proxima 的旗艦項目Stellaris 代表了所有這些創新的綜合。它是首個將反應堆物理和工程的所有關鍵方面融入商業化設計的仿星器概念。島式分流器排熱系統（首次在 W7-AS 和 W7-X 上進行測試）已證明有效性，解決了持續等離子體約束中的一項關鍵挑戰。緊湊的尺寸（得益于高溫超導磁體）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際部署。
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