וולנדלשטיין 7-X

וולנדלשטיין 7-X (Wendelstein 7-X או בקיצור W7-X) הוא כור ניסיוני להיתוך בכליאה מגנטית Stellarator העושה שימוש בשדה מגנטי מורכב הנוצר האמצעות סלילים מגנטיים המונחים סביבו בתבנית ספציפית לשליטה בפלזמה לצורך ההיתוך.

המתקן נבנה בגרייפסוואלד שבגרמניה על ידי מכון מקס פלאנק לפיזיקת פלזמה (IPP) והושלם באוקטובר 2015^[1]. למרות שכור ניסיוני זה לא מיועד לייצור חשמל, הוא משמש להערכת המרכיבים העיקריים של תחנה כוח עתידית לייצור חשמל בהיתוך; הוא פותח על סמך כור הניסוי וולנדלשטיין 7-AS שקדם לו.^[2]

נכון לשנת 2023, כור זה הוא הגדול מסוגו בעולם.^[3] לאחר שני שלבי פעולה מוצלחים שהסתיימו באוקטובר 2018, הכור הופסק לצורך שדרוגים שהושלמו בשנת 2022. ניסויי היתוך שבוצעו בפברואר 2023 הדגימו כליאה ארוכה יותר והספק מוגבר. מטרת שלב זה היא להגדיל בהדרגה את ההספק ואת משך הזמן של פריקת פלזמה רציפה עד 30 דקות, ובכך להדגים מאפיין חיוני של תחנת כוח היתוך עתידית שהוא פעולה רציפה.

שם הפרויקט, המתייחס להר ונדלשטיין בבוואריה נקבע בסוף שנות ה-50, בהתייחס לפרויקט הקודם של אוניברסיטת פרינסטון שנקרא פרויקט מטרהורן.

המחקר הוא פרויקט שותפות עצמאי של מכון מקס-פלאנק לפיזיקת פלזמה עם אוניברסיטת גרייפסוולד .

עיצוב ורכיבים עיקריים

מתקן Wendelstein 7-X מבוסס על תצורת Helias בעלת חמישה מחזורי שדה. זהו בעיקר טורוס המורכב מ-50 סלילים מגנטיים לא מישוריים ו-20 סלילים של חומר מוליך-על מישוריים, בגובה 3.5 מטר, אשר יוצרים שדה מגנטי המונע מהפלזמה להתנגש בדפנות הכור. 50 הסלילים הלא-מישוריים משמשים להתאמת השדה המגנטי. הכור שואף לצפיפות פלזמה של 3x10²⁰ חלקיקים למטר מעוקב, וטמפרטורת פלזמה של 60–130 מגה-קלווין (MK).

הרכיבים העיקריים במתקן הם הסלילים המגנטיים, הקריוסטט (ראה בהמשך), ציוד הפלזמה, המפנה ומערכות החימום.

הסלילים (NbTi באלומיניום) מסודרים סביב חיפוי מבודד חום בקוטר 16 מטרים, הנקרא קריוסטט. מתקן קירור מייצר הליום נוזלי לקירור המגנטים והמארז שלהם (כ-425 טון של "מסה קרה") לטמפרטורת מוליכות-על (4K). הסלילים יישאו זרם של 12.8 קילוואט וייצרו שדה של עד 3 טסלה .

ציוד הפלזמה, הבנוי מ-20 חלקים, מותאם לצורה המורכבת של השדה המגנטי. יש בו 254 פתחים (חורים) לחימום פלזמה ולתצפית. המתקן כולו בנוי מחמישה מודולים כמעט זהים, שהורכבו באולם הניסויים.

מערכת החימום כוללת ג'ירוטרונים בעלי הספק גבוה לחימום תהודה של ציקלוטרון אלקטרונים (ECRH), אשר יספקו עד 15 מגה-וואט של חימום לפלזמה.

מערכת חיישנים וגששים המבוססת על מגוון טכנולוגיות תמדוד תכונות מרכזיות של הפלזמה, כולל פרופילי צפיפות האלקטרונים ושל טמפרטורת האלקטרונים והיונים, כמו גם פרופילים של זיהומים בפלזמה ושל השדה החשמלי הרדיאלי הנובע מתנועת חלקיקי אלקטרונים ויונים.

היסטוריה

הסדר המימון הגרמני לפרויקט נחתם בשנת 1994, וכך נוסד סניף גרייפסוואלד של ה-IPP בצפון-מזרח גרמניה, אשר השתלבה אז באיחוד האירופי. המבנה הושלם בשנת 2000 ובניית הסטלרטור אשר הייתה צפויה להסתיים בשנת 2006, נסתיימה רק בסוף שנת 2015.^[4]

קונסורציום אמריקאי של שלוש מעבדות (פרינסטון, אוק רידג' ולוס אלמוס) הפך לשותף בפרויקט, ומימן 6.8 מיליון אירו מתוך העלות הכוללת הסופית של 1.06 מיליארד אירו. בשנת 2012, אוניברסיטת פרינסטון ואגודת מקס פלאנק הכריזו על מרכז מחקר משותף חדש בפיזיקה של פלזמה, שיכלול מחקר על W7-X.

סיום שלב הבנייה, שדרש יותר ממיליון שעות אדם, צוין רשמית בטקס ב-20 במאי 2014. בדיקת דליפות ובדיקת המגנטים הושלמו ביולי 2015.^[5]

הפעלה ראשונית (OP 1.1) הייתה החל מ-10 בדצמבר 2015, ומטרתה הייתה לבצע בדיקות משולבות של המערכות החשובות ביותר ולצבור ניסיון ראשון בפיזיקה של המכונה. באותו היום, הכור ייצר בהצלחה פלזמת הליום (עם טמפרטורות של כ-1 MK) למשך כ-0.1 שניות. לצורך בדיקה ראשונית זו, הוזרק כ-1 מ"ג של גז הליום לתוך ציוד הפלזמה ובוצע חימום במיקרו-גל בפולס קצר של 1.3 MW.

יותר מ-300 פריקות הליום בוצעו בדצמבר 2015 ובינואר 2016, כאשר הטמפרטורות עלו בהדרגה והגיעו לבסוף לשישה מיליון מעלות צלזיוס שנועדו לניקוי דפנות כלי הוואקום ולבדיקת מערכות אבחון הפלזמה. התכנית המדעית החלה ב-3 בפברואר 2016 עם ייצור פלזמת המימן הראשונה. הפלזמות בטמפרטורה הגבוהה ביותר הופקו על ידי פולסים של חימום מיקרוגל בהספק של ארבעה MW בנות שנייה אחת; טמפרטורות האלקטרונים בפלזמה הגיעו ל-100 MK, בעוד שטמפרטורות היונים הגיעו ל-10 MK. יותר מ-2,000 פולסים בוצעו לפני הכיבוי.

שלב תפעולי 1 (OP 1.1) הסתיים ב-10 במרץ 2016 והחל שלב שדרוג המערכת. שלב תפעולי נוסף (OP 1.2) המשיך בשנת 2017 כדי לבדיקת מפנה החום (הלא מקורר).

ביוני 2018, נרשמה טמפרטורת שיא של היונים עם כ-40 מיליון מעלות.

במהלך הניסויים האחרונים של 2018, התקבלו פלזמות עמידות לאורך זמן עם זמני פריקה ארוכים של 100 שניות. האנרגיה עברה את ה-1 מגה-ג'אול.

בשנת 2021, ניתוח של נתוני ספקטרומטר עם גבישי דימות רנטגן שנאספו בניסוי של 2018 הפחית באופן משמעותי את אובדן החום.

בשנת 2025 נבדק מזרק דלק ששילב תדלוק רציף עם חימום בפעימות. במשך 43 שניות, 90 כדורי מימן שנורו לתוך הפלזמה במהירות של עד 800 מטרים (2,600 רגל) לשנייה חיממו אותה לטמפרטורת שיא של 30 מיליון צלזיוס. כמות האנרגיה עלתה ל-1.8 ג'יגה-ג'אול למשך שש דקות, ועברה את השיא של 1.3 ג'יגה-ג'אול מפברואר 2023. נתון זה עבר את השיא שהושג על ידי ה-Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) בסין בשנת 2025.

ציר זמן

מועד	אירוע
1980	תכנון החל
1994	הפרויקט החל
2005	האספה החלה
2014	נחנך
דצמבר 2015	התחלת שלב תפעולי OP1.1
2015	בדיקת פלזמת הליום מוצלחת בעוצמה של 1 MK למשך כ-0.1 שניות
2016	פלזמת מימן ב-80 MK למשך 0.25 שניות
מרץ 2016	סיום OP1.1, התחלת שלב השדרוג
יוני 2017	התחלת שלב תפעולי OP1.2
יוני 2018	מכפלה משולשת של היתוך של 6x10²⁶ מעלות-שנייה/מ"ק
נובמבר 2018	סיום OP1.2, התחלת שלב השדרוג
אוגוסט 2022	שלב ההרכבה הסופי עם סיום מקררי המים
פברואר 2023	תחילת OP2, הדגמת פעולה במצב יציב ברמות הספק גבוהות יותר
ספטמבר 2024	OP2.2: ספטמבר 2024 – דצמבר 2024 להגדיל את פרמטרי הפלזמה
יוני 2025	תחזוקה: יוני 2025 – אוגוסט 2026
אוגוסט 2026	OP2.4: אוגוסט 2026 – דצמבר 2026
פברואר 2027	OP2.5: פברואר 2027 – מאי 2027

מימון

מימון הפרויקט נחלק כך שכ-80% מגיעים מגרמניה וכ-20% מהאיחוד האירופי. 90% מהמימון הגרמני מגיע מהממשלה הפדרלית ו-10% מממשלת מדינת מקלנבורג-מערב פומרניה. ההשקעה הכוללת, עבור הסטלרטור עצמו, בין השנים 1997–2014 הסתכמה ב-370 מיליון אירו, בעוד שהעלות הכוללת עבור אתר IPP בגרייפסוואלד, לרבות השקעה בעלויות תפעול (כוח אדם ומשאבי חומרים), אשר הסתכמה ב-1.06 מיליארד אירו לתקופה של 18 שנים. סכום זה עלה על הערכת התקציב המקורית, בעיקר משום ששלב הפיתוח הראשוני היה ארוך מהצפוי, והכפיל את עלויות כוח האדם.

ביולי 2011, נשיא אגודת מקס פלאנק, פיטר גרוס(אנ'), הודיע כי ארצות הברית תתרום 7.5 מיליון דולר במסגרת התוכנית "גישות חדשניות להיתוך" מטעם מחלקת האנרגיה של ארצות הברית.

מכונים בשיתוף פעולה

האיחוד האירופי

FJFI באוניברסיטה הטכנית הצ'כית בפראג (צ'כיה)
אוניברסיטת צ'ארלס (צ'כיה)
Technische Universität ברלין (גרמניה)
אוניברסיטת גרייפסוואלד (גרמניה)
Forschungszentrum Jülich (גרמניה)
המכון הטכנולוגי קרלסרוהה (גרמניה)
המכון להנדסת תהליכים וטכנולוגיית פלזמה (IGVP) באוניברסיטת שטוטגרט (גרמניה)
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (גרמניה)
Commissariat à l'énergie atomique et aux energis alternatives (CEA; צרפת)
Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT; ספרד)
המכון לפיזיקה גרעינית בקרקוב והמרכז הלאומי למחקר גרעיני (פולין)
מכון לפיזיקת פלזמה ומיקרו-היתוך לייזר, ורשה (פולין)
מכון המחקר KFKI לפיזיקה של חלקיקים וגרעין של האקדמיה ההונגרית למדעים (הונגריה)
אשכול אירוגיו תלת-צדדי (גרמניה/בלגיה/הולנד)
האוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU) (דנמרק)
אוניברסיטת איינדהובן לטכנולוגיה (הולנד)