CN113035378A - 一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器 - Google Patents

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王亮
刘晓菊
司杭
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Abstract

本发明公开了一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，包括有水平外靶板、垂直外靶板、垂直内靶板、内靶板End Box、Dome靶板、高场侧挡板、低场侧挡板、被动靶板、内置水冷线圈。水平外靶板和垂直外靶板组成的直角封闭几何构型，提高了偏滤器外靶板的封闭性，能够大幅降低自然脱靶的密度阈值，也能显著减少充入杂质气体实现脱靶的杂质用量，有利于保持良好芯部约束的同时实现脱靶降低靶板热负荷；通过极向场集成控制，可以在秒量级长放电周期内在水平外靶板和垂直外靶板之间扫描打击点，有效分散热负荷。本发明设计结构简单、紧凑，便于控制钨偏滤器制造和安装精度，降低制造难度和成本，同时利于控制钨偏滤器靶板热负荷水平。

Description

一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器
技术领域
本发明涉及EAST托卡马克装置，具体是一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器。
背景技术
偏滤器靶板所面临的高热负荷是当前制约聚变能发展的主要瓶颈之一。对于未来聚变堆，例如ITER，到达偏滤器靶板的稳态热负荷约为100MW/m2，远远超过通常采用的钨靶板忍受极限～10MW/m2；同时，到达靶板的电子温度必须要保持较在较低水平(≤5-10eV)，避免导致严重的材料表面溅射，损害装置寿命。偏滤器脱靶被认为是缓解未来聚变堆热负荷的必要方案。所谓的偏滤器脱靶，是指在更高的等离子体密度或者更高的辐射损失下，偏滤器等离子体由传导限制状态自然延伸进入脱靶状态，具有如下特征：到达靶板的离子流降低；到达靶板热流降低；到达靶板的电子温度≤5eV。一般采用部分脱靶模式，即靶板饱和离子流最大的位置等离子体进入脱靶状态，而离该处较远的位置的等离子体保持未脱靶状态，其优势在于有效降低靶板热负荷和有效抑制表面溅射同时，也保持了较高的粒子和杂质排出能力。实验上在给定的输入功率下，通过充分提高等离子体密度，或者在偏滤器区域充入足量的杂质，均可以实现偏滤器脱靶，但是也容易损害等离子体芯部约束。如何保持与高约束芯部兼容的脱靶长时间稳态运行，是当前聚变能发展的重大问题。
EAST托卡马克装置的运行目标是在先进钨偏滤器条件下，实现超过400秒不低于50％自举电流长脉冲高约束模运行、10MW加热功率下百秒量级运行，达到不低于稳态10MW/m2偏滤器靶板热排除以及粒子排除能力。远期满足1000秒EAST科学目标要求，并为CFETR提供先期预演。为实现这一目标，关键在于先进偏滤器的设计。而EAST现有的下偏滤器是传统的碳壁偏滤器，靶板热排除能力完全不能满足高功率放电，并且已经严重老化，亟待升级改造；2014年升级的ITER-like上钨偏滤器在100秒长脉冲运行的热排除能力显著，但是由于封闭性较差，需要很高的密度阈值，或者需要在偏滤器区域注入大量的杂质气体，才能实现偏滤器脱靶，难以与高约束芯部等离子体相兼容，而且由于抽气口太窄，仅有～17mm，限制了低温泵对偏滤器区域的粒子排除能力，不利于长脉冲稳态运行。因此，为满足EAST托卡马克的运行目标，需要设计先进偏滤器结构用于EAST下偏滤器升级改造。
对于EAST先进偏滤器结构需要能够满足不同物理实验要求：满足多种灵活的放电位型；满足实现小ELM高约束模式运行和先进芯部运行模式对几何位型的要求；可兼容一个相对较宽的三角度，δ＝0.4-0.6；能够很好的兼容单零(SN)和双零(DN)放电位型，为1000s运行时上下单零切换方案预留运行空间。此外，要求偏滤器区域的热通量控制在水冷钨铜第一壁材料允许的稳态10MW/m2范围之内，实现的方法除了偏滤器脱靶外，可以通过扫描打击点分散热负荷，以及通过增加内部水冷线圈，更好地实现X-divertor/准雪花先进偏滤器放电位型的稳态运行，最大限度的增大打击点区域的磁展宽，有效降低峰值热流。
工程上，偏滤器采用水冷W/Cu第一壁材料结构，通常采用W/Cu monoblock和Wflat-tile两种结构组成，两种结构分别承受的最高稳态热负荷分别达到10MW/m2和5MW/m2。由于其空间占用较大，水路结构复杂，其工程制造技术和EAST装置现有安装空间限制了偏滤器结构的设计空间，因此，需要采用相对简单的几何结构，以便于控制偏滤器的制造和安装精度(例如：表面对齐，避免leading edge等，误差最好控制在1mm范围内)。同时，降低成本，提高可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，以满足EAST托卡马克装置运行需求。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器：包括有水平外靶板、垂直外靶板、垂直内靶板、内靶板End Box、Dome靶板、高场侧挡板、低场侧挡板、被动靶板、内置水冷线圈；
所述水平外靶板为平行于水平面的直线型结构；所述垂直外靶板下端为垂直于水平面的直线型结构，中间为圆弧曲面型结构，上端为与低场侧挡板对齐且平行的直线型结构；所述水平外靶板和所述垂直外靶板，均采用W/Cu Monoblock结构，并组成一个直角封闭偏滤器几何构型，直角区域两侧用于接受离子扫描打击；
所述垂直内靶板为垂直于水平面的直线型结构，采用W/Cu Monoblock结构，上端与高场侧挡板对齐且平行，下端为所述内靶板End Box，所述内靶板End Box在水平方向上凸出于所述垂直内靶板表面预定距离；
所述Dome靶板在所述水平外靶板和所述垂直内靶板之间，采用W flat-tile结构，其中间为圆弧曲面型结构，两端皆为直线型End Box结构；
所述水平外靶板和垂直内靶板与所述Dome靶板之间，分别设置有预定宽度的间隙作为抽气口，且要求与所述低温泵之间的抽气通道在环向360°尽量都不要被遮挡甚至堵住，以保持抽气通畅；
所述内置水冷线圈为放置于所述Dome靶板下方与真空室腔壁之间的预定位置，和EAST内部极向场线圈一起，通过极向场集成控制，实现在秒量级长放电周期内在所述水平外靶板和所述垂直外靶板之间扫描外靶板打击点，有效分散靶板热负荷。
当等离子体沿着磁力线打击到所述水平外靶板后，会把粒子反射到所述垂直外靶板，并且进一步被反射回磁力线附近，并且在过程中发生复合、电离、电荷交换过程，提高对热流的耗散，降低靶板热负荷；同时由于外靶板封闭性的提高，有利于中性粒子的约束，有利于降低脱靶的密度阈值。
进一步的，通过极向场控制偏滤器位型在直角封闭区域的左右两侧之间移动，实现外靶板打击点在水平外靶板和垂直外靶板之间切换。
进一步的，在Dome靶板与水平外靶板之间设置宽度为40～60mm的抽气口。
有益效果：
本发明的一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，相对于现有技术，具有如下优点：
(1)实现EAST长脉冲高功率运行模式，采用全钨第一壁结构，并结合EAST现有安装空间条件进行设计，适用于多种放电位型(下单零/双零以及不同三角度放电位型)；水平外靶板和垂直外靶板组成的直角封闭偏滤器几何构型，提高了偏滤器外靶板的封闭性，能够大幅降低自然脱靶的密度阈值，也能显著减少充入杂质气体实现脱靶的杂质用量，有利于保持良好芯部约束的同时实现脱靶降低靶板热负荷；
(2)新增的内置水冷线圈，能够实现X-divetor/准雪花先进偏滤器放电位型的控制，最大限度的增大打击点区域的磁展宽，有效降低峰值热流；通过极向场集成控制，可以在秒量级长放电周期内在所述水平外靶板和所述垂直外靶板之间扫描外靶板打击点，有效分散靶板热负荷；
(3)设置两个合适宽度的间隙作为抽气口，能够实现偏滤器粒子有效排除与降低靶板热负荷性能的兼容；
(4)本发明设计结构紧凑，并且采用相对简单的几何结构，主要由直线型和圆弧曲面型结构构成，便于控制全钨偏滤器的制造和安装精度，减少安装误差带来的leadingedge，同时可以降低制造成本，提高装配可靠性。
附图说明
图1为直角封闭全钨偏滤器的结构示意图；
图2为直角封闭全钨偏滤器的外靶板粒子循环示意图；
图3为直角封闭全钨偏滤器能够显著降低外靶板脱靶密度阈值的示意图；
图4为直角封闭全钨偏滤器通过极向场集成控制，在秒量级长放电周期内在水平外靶板和垂直外靶板之间扫描打击点的示意图。
其中：最外闭合磁面1、第二X点磁面2、高场侧挡板3、垂直内靶板4、内靶板End Box5、内置水冷线圈6、Dome靶板7、水平外靶板8、垂直外靶板9、真空室腔壁10、低温泵11、低场侧挡板12、被动靶板13。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实现过程如下，如图1所示，一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，包括有水平外靶板8、垂直外靶板9、垂直内靶板4、内靶板End Box 5、Dome靶板7、高场侧挡板3、低场侧挡板12、被动靶板13、内置水冷线圈6、低温泵11。最外闭合磁面1和第二X点磁面2，均和偏滤器靶板相交，使得靶板成为最主要的等离子体与壁相互作用的区域，避免了磁面与偏滤器靶板之外的其他第一壁表面相交。
水平外靶板8，为平行于水平面的直线型结构。垂直外靶板9，下端为垂直于水平面的直线型结构，中间为圆弧曲面型机构，上端为与低场侧挡板12对齐且平行的直线型结构。水平外靶板8和垂直外靶板9均采用W/Cu Monoblock结构，并组成一个直角封闭偏滤器几何构型，提高了偏滤器外靶板的封闭性，有利于脱靶实现降低靶板热负荷，也能够通过极向场控制外靶板打击点在水平外靶板和垂直外靶板间切换，分散热负荷。
垂直内靶板4，为垂直于水平面的直线型结构，采用W/Cu Monoblock结构，上端与高场侧挡板3对齐且平行，下端为内靶板End Box 5。内靶板End Box 5在水平方向上凸出于垂直内靶板表面一定距离。Dome靶板7在水平外靶板8和垂直内靶板4之间，采用W flat-tile结构，其中间为圆弧曲面型结构，两端皆为直线型结构。
在水平外靶板8与Dome靶板7之间，和Dome靶板7与垂直内靶板4之间，分别设置有预定宽度的抽气口，且要求与低温泵11之间的抽气通道在环向360°尽量都不要被遮挡甚至堵住，以保持抽气通畅，能够实现偏滤器粒子的有效排除。从位型控制角度来看，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型控制不好的情况下，带电粒子不容易穿过两个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。
内置水冷线圈6放置于Dome靶板7下方与真空室腔壁10内的适当位置，可以实现X-divetor/准雪花先进偏滤器放电位型的控制，最大限度的增大打击点区域的磁展宽，同时结合极向磁场集成控制，实现靶板打击点位置扫描，有效降低峰值热流。
如图2所示，所述水平外靶板8与所述垂直外靶板9组成一个直角封闭偏滤器几何构型，目的是提高外靶板的封闭性。当等离子体沿着磁力线1打击到所述水平外靶板8后，会把粒子反射到所述垂直外靶板9，并且进一步被反射回磁力线附近，并且在过程中发生复合、电离、电荷交换等过程，有利于提高对热流的耗散，降低靶板热负荷。同时由于外靶板封闭性的提高，有利于中性粒子的约束，有利于降低脱靶的密度阈值。而在Dome靶板7与水平外靶板8之间设置宽度为40～60mm的抽气口，能够提供有效的抽气效率，防止过多的中性粒子积累，避免影响芯部等离子体的约束。
如图3所示，使用托卡马克装置广泛应用的SOLPS模拟程序，在现有EAST安装空间条件下，对比本发明的直角封闭偏滤器几何构型与广泛采用的ITER-like偏滤器几何构型。在输入功率4MW并且具有完全相同的边界条件和输运系数下，提高内边界等离子体密度，扫描外中平面最外闭合磁面的电子密度ne,sepm和外靶板峰值离子流ГD+,max位置的电子温度Te,out，当Te,out<5eV时代表外靶板等离子体进入脱靶状态。如左图所示，相对于ITER-like偏滤器结构，直角封闭结构拥有明显更小的自然脱靶密度阈值(～1.2×1019m-3)。该密度阈值是在EAST常见的高功率长脉冲放电的参数附近，可以预计在EAST安装了本发明的直角封闭偏滤器几何构型后，在长脉冲高功率放电中，可能会实现外靶板自然脱靶，在充入杂质气体实现脱靶中也能大幅减少杂质气体的用量，减小对芯部等立体的影响。所以本发明的直角封闭偏滤器几何构型，提高了偏滤器外靶板的封闭性，能够大幅降低自然脱靶的密度阈值，也能显著减少充入杂质气体实现脱靶的杂质用量，有利于保持良好芯部约束的同时实现脱靶降低靶板热负荷。
如图4所示，通过极向场集成控制，可以在秒量级长放电周期内在水平外靶板和垂直外靶板之间扫描打击点，有效分散热负荷。通过极向场控制偏滤器位型在a-c之间扫描，只需要外靶板打击点偏移很小的范围，就可以实现外靶板打击点在水平外靶板和垂直外靶板之间切换，而对芯部等离子体的磁位型影响有限。由于水平外靶板和垂直外靶板是两个独立的结构，可以实现热负荷分摊到水平外靶板和垂直外靶板上，有效的增强外靶板热排出能力。
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 (8)

1.一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：包括有水平外靶板、垂直外靶板、垂直内靶板、内靶板End Box、Dome靶板、高场侧挡板、低场侧挡板、被动靶板、内置水冷线圈；
所述水平外靶板为平行于水平面的直线型结构；所述垂直外靶板下端为垂直于水平面的直线型结构，中间为圆弧曲面型结构，上端为与低场侧挡板对齐且平行的直线型结构；所述水平外靶板和所述垂直外靶板，均采用W/Cu Monoblock结构，并组成一个直角封闭偏滤器几何构型，直角区域两侧用于接受离子扫描打击。
2.根据权利要求1所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
所述垂直内靶板为垂直于水平面的直线型结构，采用W/Cu Monoblock结构，上端与高场侧挡板对齐且平行，下端为所述内靶板End Box，所述内靶板End Box在水平方向上凸出于所述垂直内靶板表面预定距离。
3.根据权利要求1所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
所述Dome靶板在所述水平外靶板和所述垂直内靶板之间，采用W flat-tile结构，其中间为圆弧曲面型结构，两端皆为直线型End Box结构。
4.根据权利要求1所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
所述水平外靶板和垂直内靶板与所述Dome靶板之间，分别设置有预定宽度的间隙作为抽气口，且要求与所述低温泵之间的抽气通道在环向360°不被遮挡甚至堵住，保持抽气通畅。
5.根据权利要求1所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
所述内置水冷线圈，放置在所述Dome靶板下方与真空室腔壁之间的预定位置，和EAST内部极向场线圈一起，通过极向场集成控制，实现在秒量级长放电周期内在所述水平外靶板和所述垂直外靶板之间扫描外靶板打击点，有效分散靶板热负荷。
6.根据权利要求1所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
当等离子体沿着磁力线打击到所述水平外靶板后，会把粒子反射到所述垂直外靶板，并且进一步被反射回磁力线附近，并且在过程中发生复合、电离、电荷交换过程，提高对热流的耗散，降低靶板热负荷；同时由于外靶板封闭性的提高，有利于中性粒子的约束，有利于降低脱靶的密度阈值。
7.根据权利要求5所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
通过极向场控制偏滤器位型在直角封闭区域的左右两侧之间移动，实现外靶板打击点在水平外靶板和垂直外靶板之间切换。
8.根据权利要求4所述的适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，其特征在于：
在Dome靶板与水平外靶板之间设置宽度为40～60mm的抽气口。
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