ويندلشتاين 7-إكس

مفاعل ويندلشتاين 7-X ( W7-X ) هو مفاعل ستيلاراتور تجريبي تم بناؤه في غرايفسفالد ، ألمانيا ، بواسطة معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما (IPP)، واكتمل في أكتوبر 2015. ^{[ 1 ] [ 2 ]} الغرض منه هو تطوير تكنولوجيا الستيلاراتور : على الرغم من أن هذا المفاعل التجريبي لن ينتج الكهرباء، إلا أنه يستخدم لتقييم المكونات الرئيسية لمحطة طاقة اندماجية مستقبلية ؛ وقد تم تطويره بناءً على المفاعل التجريبي السابق ويندلشتاين 7-AS .

اعتبارًا من عام 2023يُعدّ مفاعل ويندلشتاين 7-X أكبر جهاز ستيلاراتور في العالم. ^{[ 3 ]} بعد مرحلتين تشغيليتين ناجحتين انتهتا في أكتوبر 2018، تم إيقاف تشغيل المفاعل لإجراء تحسينات. ^{[ 4 ] [ 5 ]} اكتملت عملية التحديث في عام 2022. وأظهرت تجارب اندماج جديدة أُجريت في فبراير 2023 زيادة في مدة الحصر والطاقة. ^{[ 6 ]} يهدف هذا المشروع إلى زيادة الطاقة والمدة تدريجيًا حتى 30 دقيقة من التفريغ البلازمي المستمر، مما يُبرز سمة أساسية لمحطة طاقة اندماجية مستقبلية: التشغيل المستمر. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تم اختيار اسم المشروع، الذي يشير إلى جبل فيندلشتاين في بافاريا ، في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي، في إشارة إلى المشروع السابق لجامعة برينستون تحت اسم مشروع ماترهورن . ^{[ 9 ]}

يُعد مرفق الأبحاث مشروعًا شراكة مستقلًا بين معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما وجامعة غرايفسفالد .

يعتمد جهاز ويندلشتاين 7-X على تكوين هيلياس ذي خمس دورات مجال . وهو عبارة عن ملف حلقي يتكون أساسًا من 50 ملفًا مغناطيسيًا فائق التوصيل غير مستوٍ و20 ملفًا مغناطيسيًا فائق التوصيل مستوٍ ، بارتفاع 3.5 متر، والتي تولد مجالًا مغناطيسيًا يمنع البلازما من الاصطدام بجدران المفاعل. تُستخدم الملفات الخمسون غير المستوية لضبط المجال المغناطيسي. ويهدف الجهاز إلى تحقيق كثافة بلازما تبلغ 3 × 10 ²⁰ جسيمًا لكل متر مكعب، ودرجة حرارة البلازما من 60 إلى 130 ميغا كلفن (MK). ^{[ 1 ]} 

تم تحسين W7-X وفقًا لمبدأ شبه الديناميكية المتساوية . ^{[ 10 ]}

المكونات الرئيسية هي الملفات المغناطيسية، والمبرد ، ووعاء البلازما، والمحول ، وأنظمة التسخين. ^{[ 11 ]}

تُرتّب الملفات ( مصنوعة من النيوبيوم والتيتانيوم في الألومنيوم ^{[ 11 ]} ) حول غلاف عازل للحرارة قطره 16  مترًا، يُسمى المبرد الفائق. يُنتج جهاز التبريد كمية كافية من الهيليوم السائل لتبريد المغناطيسات وغلافها (حوالي 425 طنًا متريًا من "الكتلة الباردة") إلى درجة حرارة الموصلية الفائقة (4  كلفن ^{[ 12 ]} ). تحمل الملفات  تيارًا كهربائيًا مقداره 12.8 كيلو أمبير وتُولد مجالًا مغناطيسيًا يصل إلى 3 تسلا . ^{[ 12 ]} 

يتكون وعاء البلازما من 20 جزءًا، وهو مصمم من الداخل ليتناسب مع الشكل المعقد للمجال المغناطيسي. ويحتوي على 254 منفذًا (فتحة) لتسخين البلازما وتشخيص المراقبة. يتكون الجهاز بأكمله من خمس وحدات متطابقة تقريبًا، تم تجميعها في قاعة التجارب. ^{[ 11 ]}

يشتمل نظام التسخين ^{[ 13 ]} على جيروترونات عالية الطاقة لتسخين البلازما بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECRH)، والتي ستوفر ما يصل إلى 15 ميغاواط من التسخين. ^{[ 14 ]} في المرحلة التشغيلية الثانية (OP-2)، وبعد اكتمال التدريع الكامل/التبريد المائي، ستتوفر أيضًا إمكانية حقن حزمة محايدة بقدرة تصل إلى 8 ميغاواط لمدة 10 ثوانٍ. ^{[ 15 ]} وسيصبح نظام تسخين البلازما بالرنين السيكلوتروني الأيوني ( ICRH) متاحًا للتشغيل الفيزيائي في المرحلة التشغيلية 1.2 (OP1.2). ^{[ 16 ]}   

سيقوم نظام من أجهزة الاستشعار والمجسات، يعتمد على مجموعة متنوعة من التقنيات التكميلية، بقياس الخصائص الرئيسية للبلازما، بما في ذلك ملامح كثافة الإلكترونات ودرجة حرارة الإلكترونات والأيونات، بالإضافة إلى ملامح شوائب البلازما المهمة والمجال الكهربائي القطري الناتج عن نقل جسيمات الإلكترونات والأيونات. ^{[ 17 ]}

تم التفاوض على اتفاقية التمويل الألمانية للمشروع عام ١٩٩٤، مما أدى إلى إنشاء فرع معهد غرايفسفالد التابع لمعهد فيزياء الطاقة في الركن الشمالي الشرقي من ألمانيا الشرقية التي تم دمجها حديثًا . اكتمل بناء المعهد الجديد عام ٢٠٠٠. كان من المتوقع في الأصل أن يكتمل بناء جهاز ستيلاراتور عام ٢٠٠٦. بدأ التجميع في أبريل ٢٠٠٥. استغرقت مشاكل الملفات حوالي ثلاث سنوات لإصلاحها. ^{[ ١١ ]} تأخر الجدول الزمني إلى أواخر عام ٢٠١٥. ^{[ ١١ ] [ ١٨ ] [ ١٩ ]}

انضم اتحاد أمريكي يضم ثلاثة مختبرات (برينستون، وأوك ريدج، ولوس ألاموس) إلى المشروع كشريك، حيث ساهم بمبلغ 6.8 مليون يورو من التكلفة الإجمالية النهائية البالغة 1.06 مليار يورو. ^{[ 20 ]} وفي عام 2012، أعلنت جامعة برينستون وجمعية ماكس بلانك عن إنشاء مركز أبحاث مشترك جديد في فيزياء البلازما، ^{[ 21 ]} ليشمل أبحاثًا حول جهاز W7-X.

تم الاحتفال رسمياً بانتهاء مرحلة البناء، التي استغرقت أكثر من مليون ساعة تجميع، ^{[ 22 ]} بحفل افتتاح في 20 مايو 2014. ^{[ 23 ]} بعد فترة من فحص تسرب الوعاء، بدأت في صيف 2014، تم تفريغ المبرد ، واكتمل اختبار المغناطيس في يوليو 2015. ^{[ 12 ]}

كان الهدف من المرحلة التشغيلية الأولى (OP 1.1)، التي بدأت في 10 ديسمبر 2015، إجراء اختبارات متكاملة لأهم الأنظمة بأسرع وقت ممكن واكتساب خبرة أولية في فيزياء الجهاز. ^{[ 24 ] [ 25 ]} في ذلك اليوم الأول، نجح المفاعل في إنتاج بلازما الهيليوم (بدرجة حرارة تقارب 1 مليون كلفن) لمدة 0.1 ثانية تقريبًا. ولإجراء هذا الاختبار الأولي، تم حقن حوالي 1 ملليغرام من غاز الهيليوم في وعاء البلازما المفرغ، ثم تم تطبيق التسخين بالميكروويف بنبضة قصيرة بقوة 1.3 ميغاواط. ^{[ 26 ]}

أُجري أكثر من 300 عملية تفريغ باستخدام الهيليوم خلال شهري ديسمبر ويناير، مع ارتفاع تدريجي في درجات الحرارة حتى وصلت إلى ستة ملايين درجة مئوية، وذلك لتنظيف جدران وعاء التفريغ واختبار أنظمة تشخيص البلازما. ثم، في 3 فبراير 2016، بدأ البرنامج العلمي بإنتاج أول بلازما هيدروجين. وقد تم إنتاج أعلى درجات حرارة البلازما باستخدام نبضات تسخين بالميكروويف بقوة أربعة ميغاواط لمدة ثانية واحدة؛ حيث بلغت درجة حرارة إلكترونات البلازما 100 مليون  درجة مئوية، بينما بلغت درجة حرارة الأيونات 10 ملايين  درجة مئوية. وقد تم إجراء أكثر من 2000 نبضة قبل إيقاف التشغيل. ^{[ 27 ]}

استُخدمت خمسة محددات غرافيتية حلقية كعناصر رئيسية مواجهة للبلازما خلال هذه الحملة الأولى (بدلاً من وحدات المحول). أكدت الملاحظات التجريبية تنبؤات النمذجة ثلاثية الأبعاد التي أظهرت أنماط ترسب الحرارة وتدفق الجسيمات على المحددات، بما يتوافق بوضوح مع أطوال خطوط المجال المغناطيسي المفتوحة في حدود البلازما. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

كان من المقرر أن تستمر هذه الاختبارات لمدة شهر تقريبًا، تليها عملية إيقاف تشغيل مجدولة لفتح وعاء التفريغ وتبطينه ببلاطات كربونية واقية وتركيب "مُحوِّل" لإزالة الشوائب والحرارة من البلازما. استمر البرنامج العلمي مع زيادة تدريجية في طاقة التفريغ ومدته. ^{[ 30 ]} تم تأكيد بنية المجال المغناطيسي الخاصة في عام 2016. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

انتهت المرحلة التشغيلية 1 (OP 1.1) في 10 مارس 2016 ^{[ 24 ] [ 33 ]} وبدأت مرحلة التحديث.

استمرت المرحلة التشغيلية الأولى (OP 1.2) في عام 2017 ^{[ 34 ]} لاختبار المحول (غير المبرد). ^{[ 35 ] [ 24 ] [ 36 ]}

في يونيو 2018، سجلت درجة حرارة أيونية قياسية بلغت حوالي 40 مليون درجة، وكثافة 0.8 × 10 ²⁰ جسيم/م ³ ، ووقت حصر 0.2 ثانية، مما أدى إلى إنتاج رقم قياسي في الاندماج النووي بلغ 6 × 10 ²⁶ درجة ثانية لكل متر مكعب. ^{[ 37 ]}

خلال التجارب الأخيرة لعام 2018، بلغت الكثافة 2 × 10²⁰ ^جسيم /م³ ^عند درجة حرارة 20 مليون درجة. وبفضل خصائص البلازما الجيدة، تم الحصول على بلازما طويلة الأمد ذات فترات تفريغ طويلة تصل إلى 100 ثانية. وتجاوز محتوى الطاقة 1 ميغا جول. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

في عام 2021، أدى تحليل بيانات مطياف تصوير البلورات بالأشعة السينية، التي جُمعت في تجربة عام 2018، إلى تقليل فقدان الحرارة الناتج عن النقل النيوكلاسيكي بشكل كبير . تتسبب التصادمات بين الجسيمات الساخنة في هروب بعضها من المجال المغناطيسي. ويعود ذلك إلى تحسين قفص المجال المغناطيسي، الذي كان أساسيًا في تحقيق هذه النتائج القياسية. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

في عام 2025، تم اختبار حاقن وقود يجمع بين التزويد المستمر بالوقود والتسخين النبضي. على مدار 43 ثانية، تم إطلاق 90 كريات هيدروجين في البلازما بسرعة تصل إلى 800 متر (2600 قدم) في الثانية، مما أدى إلى تسخينها إلى درجة حرارة قصوى بلغت 30 مليون درجة مئوية. ارتفع معدل دوران الطاقة إلى 1.8 جيجا جول خلال ست دقائق، متجاوزًا بذلك 1.3 جيجا جول التي تم إنتاجها في فبراير 2023. كما تجاوز هذا الرقم القياسي الذي حققه جهاز توكاماك فائق التوصيل المتقدم التجريبي (EAST) في الصين عام 2025. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

يُغطى الدعم المالي للمشروع بنحو 80% من ألمانيا ونحو 20% من الاتحاد الأوروبي. ويأتي 90% من التمويل الألماني من الحكومة الفيدرالية و10% من حكومة ولاية مكلنبورغ-فوربومرن . وبلغ إجمالي الاستثمار في جهاز ستيلاراتور نفسه خلال الفترة 1997-2014 ما قيمته 370 مليون يورو، بينما بلغت التكلفة الإجمالية لموقع محطة الطاقة النووية المستقلة في غرايفسفالد، بما في ذلك الاستثمار وتكاليف التشغيل (الموظفين والموارد المادية)، 1.06 مليار يورو خلال تلك الفترة الممتدة 18 عامًا. وقد تجاوز هذا المبلغ التقدير الأولي للميزانية، ويعود ذلك أساسًا إلى أن مرحلة التطوير الأولية استغرقت وقتًا أطول من المتوقع، مما أدى إلى مضاعفة تكاليف الموظفين. ^{[ 53 ]}

في يوليو 2011، أعلن رئيس جمعية ماكس بلانك ، بيتر جروس ، أن الولايات المتحدة ستساهم بمبلغ 7.5 مليون دولار في إطار برنامج "الأساليب المبتكرة للاندماج" التابع لوزارة الطاقة الأمريكية . ^{[ 54 ]}

• أجهزة ستيلاراتور مماثلة:
  • جهاز حلزوني كبير ، اليابان، هيليوترون، فائق التوصيل (1998-2025)
  • تجربة التناظر الحلزوني ، الولايات المتحدة الأمريكية، شبه التناظر الحلزوني
  • تجربة ستيلاراتور المدمجة الوطنية ، بتكوين هيلياس ذي ثلاث فترات حقلية - واجهت مشاكل مماثلة في الملفات - توقف البناء في عام 2008

• الموقع الرسمي
• أول بلازما هيليوم على يوتيوب

54°04′23″ شمالاً 13°25′26″ شرقاً / 54.073° شمالاً 13.424° شرقاً / 54.073; 13.424