[科普中国]-聚变反应堆偏滤器

概述简介

偏滤器是构成高温等离子体与材料直接接触的过渡区域：一面是温度高达几亿度的等离子体，另一面是通常的固体材料。偏滤器系统几乎涵盖了最前沿的聚变等离子体物、设计分析、先进制造技术和测试评价等科学技术问题。需要根据聚变装置的目标设计偏滤器的等离子体位型和偏滤器结构。而偏滤器部件制造技术是偏滤器的物理和结构设计能否实现的关键，为了及时有效地转移出沉积在面向等离子体材料表面上的热负荷，保证其寿命和聚变装置的安全运行，必须采用有效措施把面向等离子体材料与热沉材料连接起来组成面向等离子体部件。

作用聚变燃料氘氚以等离子体态在主真空室中燃烧，燃烧后的氦灰以及混在燃料的其他杂质穿过磁力线组成的分界面（separatrix），而进入偏滤器中，紧接着氦灰与杂质就被抽气泵抽走。其中，偏滤器有三大作用：

一：排出氦灰

二：杂质控制，也就是排出杂质及屏蔽杂质：反应容器里不可能十分纯净，无法避免总有其他稀奇古怪的杂质进去，统统到偏滤器里然后抽出来。

三：排出热量：氦灰和杂质出来不会是凉的，肯定还是温乎乎的，会带着一点热量出来，所以偏滤器还有排出热量的功能。1

偏滤器的主要材料由于聚变反应堆中的偏滤器是第一壁的部件，也是高能逃逸离子沉淀能量的主要区域，其表面热负荷比第一壁表面平均值高一个量级以上，此外，当等离子体破裂时，其能量将在毫米级的时间内倾注在第一壁的某些区域，包括孔栏和偏滤器。因此，偏滤器必须采用高热流密度材料。常用的高热流密度材料有铜合金，钼合金，铌合金以及钨，铍和石墨等2

偏滤器设计分区（1）堆芯等离子体区。其需要排放的热量为辅助加热和α粒子加热，它释放的热量主要辐射在第一壁，或通过刮削层到偏滤器靶板。

（2）辐射层。处在堆芯等离子和刮削层之间，它被“冷”等离子体充满，是一个过渡区域，充满许多待研究的现象，好在并不影响堆芯和刮削层。

（3）刮削层。主要受热层。

现代偏滤器部件设计牛角

它放置在包层前面，主要起导流作用，也是一种保护偏滤器的装置，把通过刮削层的粒子引流进偏滤器排气室，防止返流，直接指向靶板，它上面的热负荷不大。

顶盖

也是起着导流和保护偏滤器的作用，不过热负荷比牛角要大，还要承受正面而来的冲击（热和机械的），许多诊断探头也放在这里。牛角和顶盖形成偏滤器的进口，同时还要承受中子辐射的损伤。

排气室

排气室是一个充满中性气体的空间，充分布置了鱼鳍状“透明板”。通过刮削层，经过牛角和顶盖的引导，从堆芯中排出的巨大能量流和动量必须经过排气室最后指向靶版。为了减轻和缓和靶版的负担，布置的鳍状透明板可以使带电粒子在这里通过电荷交换使其动能和热能减小和吸收，在排气室内形成循环。

能量垃圾靶板

置于偏滤器排气室的最底部，它的工作条件要满足在适当的工作寿命下，在正常运行时能承受5MW/㎡热负荷，在等离子体破裂及边界局域模时能承受100MJ/㎡的能量，要有主动的冷却系统使之在正常态与事故态都能把温度保持在800℃以下。3