CN105976876B - 一种适用于未来聚变堆的靴型偏滤器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于未来聚变堆的靴形偏滤器，包括有内靶板、DOME靶板、外靶板、高场侧挡板和低场侧挡板，靴形偏滤器基于一种双X位形条件，外靶板包括有左靶板、右靶板和底部靶板，构成一个底部完全封闭的气体室，右靶板设置有杂质气体注入口，左靶板和右靶板的上部各设置有一个抽气口，内靶板为倾斜放置，并与所述DOME靶板之间设置有一个抽气口，高场侧挡板和低场侧挡板皆与双X位形的最外闭合磁面保持一定距离。本发明结构紧凑，能有效降低靶板热负荷，具有较强的粒子排除与杂质屏蔽能力，不需要在纵场线圈里面布置极向场线圈，拥有很好的综合性能，有较好的聚变堆应用前景。

Description

一种适用于未来聚变堆的靴型偏滤器

技术领域

本发明涉及EAST托卡马克装置，具体是一种适用于未来聚变堆的靴形偏滤器。

背景技术

偏滤器靶板所面临的高热负荷和高粒子负荷是当前制约聚变能发展的主要瓶颈之一。一方面，在反应堆级别的装置上热通量太大。一个大ELM会带来上千兆瓦每平方米的热通量，即使ELM得到了很好的抑制，稳态热负荷也会达到百兆瓦每平方米。然而，目前偏滤器热沉结构的热排除能力仅仅能够达到十兆瓦每平方米。钨材料所能承受的ELM瞬态热负荷是0.5MJ/m²，ITER装置上单个ELM带来的热负荷超过20 MJ/m²，故至少需要减少20倍才能保证靶板安全！相应的，在DEMO装置上则需要减少100倍以上！另一方面，热沉积宽度太窄。根据托卡马克刮削层的热流宽度与等离子体电流成反比的多装置定标关系，外推出ITER的刮削层热流宽度只有1 mm！这么大的热负荷，但热沉积宽度却很窄，必须要采取措施来缓解靶板热负荷。单纯靠磁通扩张或打击点扫描这类通过展宽热沉积宽度来缓解热负荷的手段可能是肯定不够的。

目前，聚变装置热负荷的解决方案可以分为两类：一类是从源头解决方案，包括：1）各种ELM和大破裂的控制技术；2）增加芯部主等离子体辐射功率损失，减少输运到边界的热能，例如ASDEX-U的芯部辐射反馈运行模式。

另一类是偏滤器解决方案，可分为热流到达靶板之后和到达靶板之前两个时间段。

热流到达靶板之后，可通过优化靶板冷却结构，增强靶板热排除能力的方式。例如EAST装置上的ITER-like水冷钨铜偏滤器，热排除能力可达到10 MW/m²，比之前的石墨偏滤器好，但是受到工程技术瓶颈的限制，进一步提升的空间有限。

在热流到达靶板之前，可以通过多种途径：

途径一：优化偏滤器结构并结合辐射偏滤器方法，这是最有效的热流控制方法，能够实现在热流到达靶板之前把大部分热能带走。通过增强偏滤器的封闭性，提高偏滤器密度，增强杂质屏蔽能力，辅以杂质局部注入，通过辐射等分子原子过程带走热能，使得靶板表面电子温度降低到5eV以下，形成稳定的脱靶或部分脱靶状态，此方法的关键难题在于怎样实现与芯部高性能稳态等离子体相兼容；此外，可通过优化靶板与磁力线极向夹角，降低热通量，但受到磁位形控制精度的限制，夹角不可能太小，进一步优化空间有限。Asakura设计的长腿偏滤器概念就属于这种类型[N. Asakura et al., Trans. Fusion Sci.Technol. 63 (2013) 70]，X点距离靶板2.5米，长腿的好处是通过增加X点与靶板之间的距离来降低对主等离子体的影响，但是偏滤器腿也不是越长越好，增加腿的长度是有代价的，会增加装置真空室，特别是纵场线圈的尺寸。纵场线圈是托卡马克装置主机最昂贵的部件，通常有十几柄，耗资巨大，增加装置的造价，将降低聚变电能的经济性。

途径二：通过改变极向场位形，增加偏滤器区域磁力线连接长度，增加外靶板的大半径位置，极向或环向磁通扩张来实现热流的展宽。目前，已发展出多种类型的偏滤器放电位形，如雪花偏滤器（snowflake divertor）、X偏滤器(X divertor)等。

改变极向场位形，通常采取的措施是利用在真空室内部添加的极向场线圈或者外部的极向场线圈，设置其合适的电流来实现。但在真空室内部引入线圈，在未来聚变堆强中子辐照环境下，很可能没有足够的空间进行中子屏蔽，从而导致线圈的寿命很短。位形控制方面，雪花偏滤器位形相对于X偏滤器位形很难实现稳定控制，做到几个打击点热流的均分。另外，只靠位形改变并不足以解决靶板热负荷问题，还是需要结合辐射偏滤器和脱靶等方式，并兼顾偏滤器粒子控制和杂质屏蔽性能，因此，不同的位形需要配合合适的靶板结构才能实现最大程度的降低靶板热负荷效果。考虑到装置的尺寸和造价，偏滤器靶板外半径也不易过大。

途径三：通过打击点扫描，移动热沉积位置。该途径热通量本身并未减小，主要是充分利用靶板的冷却面积，从而降低靶板温度，可实现降低几倍。通常采用极向场交流变化或者真空室内引入线圈来实现打击点的扫描。但是未来反应堆极向场都是超导磁体，不适合长期交流变化；虽然能减少平均热通量，但是并不能降低等离子体温度，因此不能抑制溅射造成的侵蚀，这也是影响稳态运行的关键问题；另外扫描会带来部件疲劳问题，这在聚变堆上是需要避免的。另一方面，交流运行，容易触发垂直不稳定性，限制了拉长比，缩小了等离子体截面积。垂直不稳定性引起的破裂是未来聚变堆必须避免的。而真空室内部引入线圈的话，同样在未来聚变堆强中子辐照环境下很难适用。因此这种方法可能并不适用于未来的聚变堆。

可见，靶板热负荷问题，可能单独一种热负荷缓解方法很难解决，需要几种方法的集成。偏滤器的功能不仅仅是排热，还需兼顾粒子排除与杂质屏蔽，而这些与中性粒子行为及偏滤器结构密切相关，仅仅靠改变磁位形是解决不了的。从成本和经济性的角度考虑，未来聚变堆偏滤器的体积也不能做的太大，因为纵场超导线圈非常昂贵，增大偏滤器的体积势必会增加纵场线圈的尺寸。偏滤器概念设计需要综合考虑各方面的因素。

发明内容 本发明的目的是提供一种适用于未来聚变堆的靴形偏滤器，以满足EAST托卡马克装置需求。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

适用于未来聚变堆的靴形偏滤器，其特征在于：包括有内靶板、DOME靶板、外靶板、高场侧挡板和低场侧挡板；所述靴形偏滤器基于一种双X位形条件，所述双X位形有两个X点，分别为X1和X2点，所述双X位形中X1点在最外闭合磁面上，双X位形中X2点在最外闭合磁面外，两X点之间保持有间距；所述外靶板包括有左靶板、右靶板和底部靶板，构成一个底部完全封闭的气体室，高场侧挡板和低场侧挡板分别设在左靶板、右靶板的上方，内靶板、DOME靶板设在高场侧挡板与左靶板之间；所述底部靶板靠近所述双X位形的X2点，并与所述双X位形的磁力线之间保持有极向夹角；所述右靶板上设置有杂质气体注入口，形成辐射偏滤器，所述左靶板上部和所述右靶板的上部各设置有一个抽气口，所述内靶板为倾斜放置，与所述双X位形的磁力线之间保持有极向夹角，所述内靶板与所述DOME靶板之间设置有一个抽气口，所述高场侧挡板和所述低场侧挡板皆与所述双X位形的最外闭合磁面之间保持有间距。

本发明的工作原理是：

靴形偏滤器基于一种双X位形条件，双X位形中X1点在最外闭合磁面上，双X位形中X2点在最外闭合磁面外，并与X1点保持一定距离；双X位形容易实现稳定控制，通过优化设计磁场位形，可以不需要在纵场线圈里面布置极向场线圈，而利用外部极向线圈实现，从而降低纵场线圈尺寸及装置造价。

外靶板设计为一个封闭的气体室，良好的封闭性能，使得杂质气体注入量不需要很多就可以形成辐射偏滤器；底部靶板与磁力线的极向夹角较小，可有效的降低热通量；外靶板结构能够很好的限制住再循环中性粒子，使得气体室里保持较高的中性气压，有利于脱靶状态的形成与稳定维持，也有利于形成较高的偏滤器等离子体密度，增强杂质屏蔽能力；外靶板中气体室的形状根据磁通管的形状设计，避免偏滤器靶板之外的其它第一壁表面与磁力线相交，使得靶板成为最主要的等离子体与壁相互作用的区域。

左靶板上部和所述右靶板的上部各设置有一个抽气口，由于气体室底部完全封闭，再循环中性气体、聚变产物氦灰以及为形成辐射偏滤器充的杂质气体只能通过上部溢出，抽气口的设置实现了在气体室上部产生一个较大的中性气压梯度，使得X点附近的中性气压尽量低，从而尽量减小对主等离子体的影响；从位形控制的角度来看，对打击点控制偏差有比较大的容忍度，在破裂或等离子体位形控制不好的情况下，带电粒子不容易穿过所述抽气口直接打到第一壁后面的水管等真空室内部部件，造成损坏。

底部靶板靠近双X位形的X2点位置，利用X点附近较长的磁力线连接长度以及磁通扩张来降低热负荷；外靶板长度以及所述双X位形两X点（X1与X2）之间的距离要合理选择，与外靶板的长度相匹配，实现最大程度降低靶板热负荷。

内靶板为倾斜放置，与所述双X位形磁力线之间保持较小的极向夹角，使有效的降低热通量，并有利于阻止靶板上产生的杂质进入主等离子体；内靶板与DOME靶板之间设置有一个抽气口，使得高场侧也具有较强的粒子排除能力；所述内靶板距离所述双X位形的X1点很近，较强的粒子排除能力有利于降低X1点附近的中性粒子密度，减少来自偏滤器的再循环中性粒子，从而减小对主等离子体的影响，同时，有利于杂质排除，使得偏滤器具有较强的杂质屏蔽能力。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种新的偏滤器集成概念设计方案，这个设计是辐射偏滤器、脱靶、长腿偏滤器以及磁通扩张来降低靶板热负荷方案的集成；由于这个偏滤器的截面形状酷似一只靴子，因此命名为靴形偏滤器；这个设计的关键在于引入外靶板封闭气室及抽气结构，充分发挥辐射偏滤器和双X位形缓解热负荷的作用，同时尽量避免对主等离子体的影响，具有较强的粒子排除与杂质屏蔽能力，适合稳态运行；而且这个偏滤器占用的真空室内部空间相对于常规的长腿偏滤器来说较小，该双X位形不需要在纵场线圈里面布置极向场线圈，不会过分地增加纵场线圈尺寸及装置的造价；此外这个偏滤器结构紧凑，便于遥操更换维护，便于进行中子屏蔽，具有较好的综合性能；与目前国际上出现的一些新概念偏滤器相比，具有较好的聚变堆应用前景。

附图说明

图1为靴形偏滤器的结构示意图。

图2为双X完整位形下靴形偏滤器的结构示意图。

图3 为靴形偏滤器在托卡马克聚变堆装置上的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

本发明是这样实现的，如图1和图2所示，一种适用于未来聚变堆的靴形偏滤器，包括有内靶板3、DOME靶板5、外靶板12、高场侧挡板1和低场侧挡板14，靴形偏滤器基于双X位形条件，双X位形有两个X点（X1点2和X2点9），X1点2在最外闭合磁面15上，双X位形中X2点9在最外闭合磁面15之外，两X点保持一定距离，图中虚线连线表示，与外靶板12相匹配，避免偏滤器靶板之外的其它第一壁表面与磁力线相交，使得靶板成为最主要的等离子体与壁相互作用的区域。

外靶板12包括有左靶板7、右靶板10和底部靶板8，构成一个底部完全封闭的气体室，底部靶板8靠近所述双X位形的X2点9，并与双X位形的最外闭合磁面15之间保持较小的极向夹角（一般小于45°为宜，夹角越小越好），右靶板10设置有杂质气体注入口11，形成辐射偏滤器，左靶板7上部和右靶板10的上部各设置有一个抽气口6和13。

内靶板3为倾斜放置，与双X位形的最外闭合磁面15之间保持较小的极向夹角（一般小于45°为宜，夹角越小越好），并且距离双X位形的X1点2很近，内靶板3与DOME靶板5之间设置有一个抽气口4。

高场侧挡板1和低场侧挡板14皆与双X位形的最外闭合磁面15保持一定间距，间距大小视装置尺寸而定，以避免等离子体与装置第一壁接触导致破裂。

现在以靴形偏滤器在托卡马克聚变堆装置上一种应用为例，对具体的方式实施加以说明。

图3所示为靴形偏滤器在托卡马克聚变堆装置上的应用示意图，其显示了双X位形在聚变堆装置上的具体设计，以及与本靴形偏滤器的位置关系，具体包括有中心螺线管线圈16、极向场线圈17、真空室壳体18、装置第一壁19、双X磁场位形20和靴形偏滤器21。双X磁场位形20是通过设计确定纵场线圈、中心螺线管线圈16和极向场线圈17中的电流来实现的，并保证了中心螺线管线圈16和极向场线圈17电流值都小于其极限值26MA。如图3所示，靴形偏滤器21与装置第一壁19相连，放置于真空室壳体18内，并与双X磁场位形20相匹配。此应用实例中，靴型偏滤器21的尺寸不大，没有增大真空室壳体18的体积，从而保证了装置尺寸和造价不会增加；同时，利用真空室壳体18外的中心螺线管线圈16和极向场线圈17即可设计出与靴形偏滤器21相匹配的双X磁场位形，避免了在纵场线圈内布置极向场线圈，而受到中子辐照，此实例说明了本发明的可行性。

本发明的适用于未来聚变堆的靴型偏滤器是一种新的偏滤器集成概念设计方案，这个设计是辐射偏滤器、脱靶、长腿偏滤器以及磁通扩张来降低靶板热负荷方案的集成。本发明的偏滤器结构紧凑，便于遥操更换维护，便于进行中子屏蔽，具有较好的综合性能，与目前国际上出现的一些新概念偏滤器相比，具有较好的聚变堆应用前景。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.适用于未来聚变堆的靴形偏滤器，其特征在于：包括有内靶板、DOME靶板、外靶板、高场侧挡板和低场侧挡板；所述靴形偏滤器基于一种双X位形条件，所述双X位形有两个X点，分别为X1和X2点，所述双X位形中X1点在最外闭合磁面上，双X位形中X2点在最外闭合磁面之外，两X点之间保持有间距；

所述外靶板包括有左靶板、右靶板和底部靶板，构成一个底部完全封闭的气体室，高场侧挡板和低场侧挡板分别设在左靶板、右靶板的上方，内靶板、DOME靶板设在高场侧挡板与左靶板之间；所述底部靶板靠近所述双X位形的X2点，并与所述双X位形的磁力线之间保持有小于45°的极向夹角；所述右靶板上设置有杂质气体注入口，形成辐射偏滤器，所述左靶板上部和所述右靶板的上部各设置有一个抽气口；

所述内靶板为倾斜放置，与所述双X位形的磁力线之间保持有小于45°的极向夹角，并且距离双X位形的X1点很近，所述内靶板与所述DOME靶板之间设置有一个抽气口；

所述高场侧挡板和所述低场侧挡板皆与所述双X位形的最外闭合磁面之间保持有间距；

所述外靶板中气体室的形状根据磁通管的形状设计。