CFETR 偏濾器概念設計

卯 鑫，宋云濤，葉民友，彭學兵，姚達毛，郭后楊

（1.中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230031）

CFETR 是繼ITER 之后設計建造的又一大型托卡馬克裝置，目前正處在工程概念設計階段。偏濾器作為托卡馬克裝置的重要組成部分，構成了高溫等離子體與材料直接接觸的過渡區域，其主要功能有：有效屏蔽來自器壁的雜質，減少對中心等離子體的污染；排出來自中心等離子體的粒子流和熱流；排出核聚變反應過程中所產生的氦灰。文獻［1］主要講述了ITER 鎢偏濾器最新設計進展和技術預研工作的現狀；文獻［2］在說明FAST 偏濾器有限元模型的基礎上，對偏濾器結構進行了電磁分析；文獻［3］概括了偏濾器的不同概念設計（類型：水冷、液態金屬冷卻和氦冷卻），并討論了它們的預期性能及優缺點。以上文獻中涉及的是適用于不同裝置的偏濾器概念模型，而本文是在滿足偏濾器主要功能、CFETR 偏濾器總體設計要求和設計依據的前提下，設計3種偏濾器概念模型，并對類ITER 偏濾器結構進行詳細設計。此外，通過計算磁力線膨脹系數，驗證3種偏濾器結構設計的合理性。

1 總體設計

1.1 CFETR偏濾器總體設計要求［4］

1）在充分吸收當今現有的先進偏濾器物理和工程技術基礎上，力爭做到能實現CFETR 總體科學目標對偏濾器提出的要求。2）結構相對簡單、可靠，易于工程實現。3）有利于高參數等離子體的獲得，同時盡可能降低偏濾器靶板的工程設計要求，如熱負荷等。4）采用成熟的第一壁高熱流部件技術，在合理設計偏濾器位型和結構的基礎上，滿足CFETR 偏濾器的工程要求。

1.2 設計依據［5-7］

1）偏濾器和真空室間留有足夠的屏蔽包層安裝空間。2）靶板與LCFS 磁力線的交角盡可能小，以有利于擴大靶板直接承受高熱負荷的面積，從而降低承受的熱負荷。3）Dome板應拱起以獲得相對封閉的“V”型區域。4）X點距離偏濾器靶板打擊點的距離盡可能長，以延長高能粒子從刮削層到達靶板表面的運動時間，從而增加其與“V”型區域內中子粒子碰撞的概率，降低其自身能量，減少對靶板的沖擊與損傷。5）靶板和Dome間留有偏濾器抽氣通道。6）采用支撐盒體結構的模塊化設計，以利于偏濾器的RH 維護及與其他部件接口的標準化。為了最大限度地降低CFETR 在運行過程中更換第一壁的操作難度及成本，針對不同的等離子體位型，CFETR 偏濾器采用同一個盒體支撐結構，如圖1所示。

圖1 等離子體位型與支撐盒體概念模型Fig.1 Plasma configuration and conceptual model of cassette

1.3 集成設計

綜合偏濾器主要功能、CFETR 偏濾器總體設計要求和設計依據，并參照當前各大托卡馬克裝置偏濾器的設計和運行經驗，及其他DEMO 偏濾器設計的概念，設計了3種偏濾器結構，即類ITER 偏濾器、雪花偏濾器和類ITER-雪花偏濾器，如圖2所示。

2 CFETR類ITER偏濾器結構詳細設計

2.1 第一壁設計

圖2 3種偏濾器結構Fig.2 Structure of three divertors

第一壁是偏濾器中直接與等離子體相互作用的部件，接受來自芯部等離子體的熱流和粒子流作用，因此要求第一壁具有能承受等離子體轟擊的能力，能實時將沉積的熱量傳遞出去，對等離子體操作的穩定性、可控性無明顯影響，以及材料制備簡單、成本低、壽命長等。金屬鎢具有高熱導、高熔點、低濺射率等優點，因此選擇金屬鎢為CFETR 偏濾器第一壁材料，同時，為了及時方便快速地冷卻第一壁，偏濾器第一壁采用技術相對較成熟的穿管設計且整體采用模塊化設計，從內到外依次為內障板、內靶板、內返流板、Dome板、外返流板、外靶板和外障板。內、外靶板與最外層封閉齒面相交，承受最大熱負荷；最中間拱起一個Dome板以實現相對封閉式的偏濾器位型，有利于減少粒子和雜質向主等離子體區域擴散；在內、外靶板和Dome板間設置有兩塊返流板以增大“V”型區域內的氣體壓力，有利于輻射偏濾器的獲得；內靶板上部和外靶板上部這兩處與包層接壤的地方設置有障板。圖3所示為第一壁三維模型，圖4 所示為Monoblock截面圖。

圖3 CFETR 類ITER 偏濾器結構的第一壁三維模型Fig.3 The first wall model of ITER-like divertor in CFETR

圖4 Monoblock截面圖Fig.4 Cross-section in Monoblock

該第一壁結構的特點是：它由一系列長條形第一壁子模塊沿大環方向排列而成；長條形穿管結構為外層26 mm×26 mm 的鎢塊通過1mm厚的Cu 過渡層連接至φ12 mm×1 mm的CuCrZr冷卻管；鎢塊面向等離子體一側厚為8mm，背面厚為4mm；由于承受高熱負荷的鎢塊360°包裹著CuCrZr冷卻水管，使得熱流相對均勻從CuCrZr管壁的各方向流入冷卻水，從而穿管結構內的溫度相較其他類型的第一壁結構分布更為均勻，熱應力問題得到改善，提高了第一壁的可靠性。

2.2 兩側支撐軌道設計

由于CFETR 偏濾器結構的重量約9t，位于屏蔽包層內部增殖包層下部，其第一壁上部要與增殖包層第一壁下部匹配以構成封閉的芯部等離子體運行空間，又由于在裝置運行過程中，偏濾器受電磁載荷、邊界局域模、垂直位移事件、熱猝滅和電流猝滅等的影響，使偏濾器結構有徑向和環向移動的可能，因此在偏濾器兩側必須有支撐結構，以滿足偏濾器重量、位置、第一壁匹配和固定的要求。而在偏濾器維護過程中，因要環向移動距離下窗口較遠的偏濾器以使其能從下窗口被移出，所以兩側支撐結構又要起到軌道的作用。綜上所述，偏濾器內、外側軌道支撐的設計采用可拆卸的銷連接結構。圖5所示為內側軌道支撐結構，包括軌道、支撐體、球軸承即凸起和凹槽；圖6所示為外側軌道支撐結構，包括定位銷、千斤頂、定位孔和定位板，通過兩側支撐結構的相互作用，以保證裝配過程中偏濾器的徑向和環向定位。

圖5 內側軌道支撐結構Fig.5 Structure of inner rail

圖6 外側軌道支撐結構Fig.6 Structure of outer rail

2.3 冷卻系統設計

偏濾器冷卻系統的首要任務是冷卻承受高熱負荷的第一壁并同時冷卻偏濾器其他各模塊，以保證托卡馬克裝置的正常運行，而CFETR偏濾器冷卻系統設計是以相對成熟的冷卻技術為原則，其主要介質為水，就是使帶有一定壓力和流量的水，流過偏濾器的各模塊，達到及時將所承受的高熱負荷移出偏濾器，同時保持偏濾器各部件的溫度在許用范圍內的目的。由于內、外靶板承受最大熱負荷，因此須先冷卻內、外靶板，然后逐次冷卻偏濾器其他模塊。綜上所述，設計冷卻系統中冷卻水流過CFETR 偏濾器各模塊的順序依次為外靶板、盒體、內靶板、盒體、內返流板、Dome、外返流板和盒體［8］，如圖7所示。

2.4 抽氣系統設計

在CFETR托卡馬克裝置中，由氘氚反應產生的氦灰以及從磁約束芯部等離子體逃逸的高速粒子流撞擊第一壁（包括包層第一壁和偏濾器第一壁）產生的雜質粒子，最終都會沉積到偏濾器內，若這些氦灰和雜質不能及時從偏濾器私有區域帶走，則會導致過多的雜質粒子反流至芯部等離子體，從而引發過多的熱量從芯部等離子體輻射出來，降低等離子體的參數，甚至可能導致等離子體的熄滅。因此，在偏濾器結構設計中必須設計抽氣系統，以保證氦灰和雜質粒子被及時抽走，具體如圖8 所示，箭頭表示雜質被抽走的方向，位置在內、外返流板與Dome板之間，它們間的極向間距分別為343mm和505mm，且在偏濾器盒體底部也設置了抽氣通道，寬200mm、高約800mm。

圖7 CFETR 偏濾器冷卻管路中水流方向Fig.7 Flow direction in cooling pipe of CFETR divertor

圖8 偏濾器抽氣方向Fig.8 Pumping direction in divertor

3 合理性驗證

磁力線膨脹系數用于表征降低靶板表面熱負荷方面的性能的優劣，其定義為赤道面刮削層內一定寬度的磁力線映射到靶板上被放大的倍數，如圖9所示，其值越大，表明在同一厚度刮削層內的高能粒子打到靶板上的面積越大，即靶板單位面積上承受高能粒子的轟擊越少，進而延長了靶板的使用壽命，提高了偏濾器結構設計的可靠性。對于傳統的單、雙零偏濾器位型及偏濾器垂直靶板設計，靶板處磁力線膨脹系數Δ1約為20［9］。

根據圖9定義，測量、計算并繪制了3種偏濾器結構對類ITER 和雪花等離子體位型的磁力線膨脹系數Δ1和Δ2隨SOL厚度的變化，如圖10所示。

圖9 磁力線膨脹系數定義Fig.9 Definition of flux expansion

由圖10知，若刮削層厚度為1～5mm，在類ITER 偏濾器結構中，其內、外靶板處的系數Δ1分別約為19～22和24～26，與傳統的等離子體位型所擁有的系數Δ1約為20接近，說明了類ITER 偏濾器設計的合理性；而在雪花偏濾器結構中，因采用了雪花偏濾器等離子體位型，具有磁場二階零點的效果，系數Δ1具有倍增效應，在內、外靶板處分別約為27～30 和32～42，約 為 類ITER 偏 濾 器 結 構 的1.5 和1.4倍，說明了雪花偏濾器結構設計的有效性。該特點期望在物理數值模擬中得到進一步的證明。而在適應于類ITER 和雪花兩種等離子體位型的偏濾器結構設計中，由于雪花等離子體位型在內、外靶板處的磁力線與靶板的入射角均較類ITER 偏濾器的小，導致了靶板處的系數Δ1倍增效應并不明顯，在內靶板處雪花和類ITER 等離子體位型的系數分別為26～32 和20～24，比值約為1.3；甚至在外靶板處雪花等離子體位型的系數Δ1約為21～24，較類ITER約為29～42的還低，比值僅為0.7，從這點上講，設計一種偏濾器結構同時適應于兩種偏濾器等離子體位型是不可取的，因雪花偏濾器位型的優勢未得到體現。

圖10 類ITER 偏濾器結構與雪花偏濾器結構的磁力線膨脹系數Fig.10 Flux expansion of ITER-like divertor and Snowflake divertor

4 結論

基于偏濾器主要功能、CFETR 總體設計要求和設計依據，設計了3種偏濾器結構，即類ITER 偏濾器、雪花偏濾器和類ITER-雪花偏濾器；類ITER偏濾器各部分結構相對簡單、可靠，易于工程實現；通過計算磁力線膨脹系數表明，設計的類ITER偏濾器和雪花偏濾器合理，而類ITER-雪花偏濾器有待以后繼續驗證與改進。

感謝CFETR 設計組所有成員對本工作的幫助與支持。

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