CFETR 偏滤器概念设计

卯 鑫，宋云涛，叶民友，彭学兵，姚达毛，郭后杨

（1.中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230031）

CFETR 是继ITER 之后设计建造的又一大型托卡马克装置，目前正处在工程概念设计阶段。偏滤器作为托卡马克装置的重要组成部分，构成了高温等离子体与材料直接接触的过渡区域，其主要功能有：有效屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染；排出来自中心等离子体的粒子流和热流；排出核聚变反应过程中所产生的氦灰。文献［1］主要讲述了ITER 钨偏滤器最新设计进展和技术预研工作的现状；文献［2］在说明FAST 偏滤器有限元模型的基础上，对偏滤器结构进行了电磁分析；文献［3］概括了偏滤器的不同概念设计（类型：水冷、液态金属冷却和氦冷却），并讨论了它们的预期性能及优缺点。以上文献中涉及的是适用于不同装置的偏滤器概念模型，而本文是在满足偏滤器主要功能、CFETR 偏滤器总体设计要求和设计依据的前提下，设计3种偏滤器概念模型，并对类ITER 偏滤器结构进行详细设计。此外，通过计算磁力线膨胀系数，验证3种偏滤器结构设计的合理性。

1 总体设计

1.1 CFETR偏滤器总体设计要求［4］

1）在充分吸收当今现有的先进偏滤器物理和工程技术基础上，力争做到能实现CFETR 总体科学目标对偏滤器提出的要求。2）结构相对简单、可靠，易于工程实现。3）有利于高参数等离子体的获得，同时尽可能降低偏滤器靶板的工程设计要求，如热负荷等。4）采用成熟的第一壁高热流部件技术，在合理设计偏滤器位型和结构的基础上，满足CFETR 偏滤器的工程要求。

1.2 设计依据［5-7］

1）偏滤器和真空室间留有足够的屏蔽包层安装空间。2）靶板与LCFS 磁力线的交角尽可能小，以有利于扩大靶板直接承受高热负荷的面积，从而降低承受的热负荷。3）Dome板应拱起以获得相对封闭的“V”型区域。4）X点距离偏滤器靶板打击点的距离尽可能长，以延长高能粒子从刮削层到达靶板表面的运动时间，从而增加其与“V”型区域内中子粒子碰撞的概率，降低其自身能量，减少对靶板的冲击与损伤。5）靶板和Dome间留有偏滤器抽气通道。6）采用支撑盒体结构的模块化设计，以利于偏滤器的RH 维护及与其他部件接口的标准化。为了最大限度地降低CFETR 在运行过程中更换第一壁的操作难度及成本，针对不同的等离子体位型，CFETR 偏滤器采用同一个盒体支撑结构，如图1所示。

图1 等离子体位型与支撑盒体概念模型Fig.1 Plasma configuration and conceptual model of cassette

1.3 集成设计

综合偏滤器主要功能、CFETR 偏滤器总体设计要求和设计依据，并参照当前各大托卡马克装置偏滤器的设计和运行经验，及其他DEMO 偏滤器设计的概念，设计了3种偏滤器结构，即类ITER 偏滤器、雪花偏滤器和类ITER-雪花偏滤器，如图2所示。

2 CFETR类ITER偏滤器结构详细设计

2.1 第一壁设计

图2 3种偏滤器结构Fig.2 Structure of three divertors

第一壁是偏滤器中直接与等离子体相互作用的部件，接受来自芯部等离子体的热流和粒子流作用，因此要求第一壁具有能承受等离子体轰击的能力，能实时将沉积的热量传递出去，对等离子体操作的稳定性、可控性无明显影响，以及材料制备简单、成本低、寿命长等。金属钨具有高热导、高熔点、低溅射率等优点，因此选择金属钨为CFETR 偏滤器第一壁材料，同时，为了及时方便快速地冷却第一壁，偏滤器第一壁采用技术相对较成熟的穿管设计且整体采用模块化设计，从内到外依次为内障板、内靶板、内返流板、Dome板、外返流板、外靶板和外障板。内、外靶板与最外层封闭齿面相交，承受最大热负荷；最中间拱起一个Dome板以实现相对封闭式的偏滤器位型，有利于减少粒子和杂质向主等离子体区域扩散；在内、外靶板和Dome板间设置有两块返流板以增大“V”型区域内的气体压力，有利于辐射偏滤器的获得；内靶板上部和外靶板上部这两处与包层接壤的地方设置有障板。图3所示为第一壁三维模型，图4 所示为Monoblock截面图。

图3 CFETR 类ITER 偏滤器结构的第一壁三维模型Fig.3 The first wall model of ITER-like divertor in CFETR

图4 Monoblock截面图Fig.4 Cross-section in Monoblock

该第一壁结构的特点是：它由一系列长条形第一壁子模块沿大环方向排列而成；长条形穿管结构为外层26 mm×26 mm 的钨块通过1mm厚的Cu 过渡层连接至φ12 mm×1 mm的CuCrZr冷却管；钨块面向等离子体一侧厚为8mm，背面厚为4mm；由于承受高热负荷的钨块360°包裹着CuCrZr冷却水管，使得热流相对均匀从CuCrZr管壁的各方向流入冷却水，从而穿管结构内的温度相较其他类型的第一壁结构分布更为均匀，热应力问题得到改善，提高了第一壁的可靠性。

2.2 两侧支撑轨道设计

由于CFETR 偏滤器结构的重量约9t，位于屏蔽包层内部增殖包层下部，其第一壁上部要与增殖包层第一壁下部匹配以构成封闭的芯部等离子体运行空间，又由于在装置运行过程中，偏滤器受电磁载荷、边界局域模、垂直位移事件、热猝灭和电流猝灭等的影响，使偏滤器结构有径向和环向移动的可能，因此在偏滤器两侧必须有支撑结构，以满足偏滤器重量、位置、第一壁匹配和固定的要求。而在偏滤器维护过程中，因要环向移动距离下窗口较远的偏滤器以使其能从下窗口被移出，所以两侧支撑结构又要起到轨道的作用。综上所述，偏滤器内、外侧轨道支撑的设计采用可拆卸的销连接结构。图5所示为内侧轨道支撑结构，包括轨道、支撑体、球轴承即凸起和凹槽；图6所示为外侧轨道支撑结构，包括定位销、千斤顶、定位孔和定位板，通过两侧支撑结构的相互作用，以保证装配过程中偏滤器的径向和环向定位。

图5 内侧轨道支撑结构Fig.5 Structure of inner rail

图6 外侧轨道支撑结构Fig.6 Structure of outer rail

2.3 冷却系统设计

偏滤器冷却系统的首要任务是冷却承受高热负荷的第一壁并同时冷却偏滤器其他各模块，以保证托卡马克装置的正常运行，而CFETR偏滤器冷却系统设计是以相对成熟的冷却技术为原则，其主要介质为水，就是使带有一定压力和流量的水，流过偏滤器的各模块，达到及时将所承受的高热负荷移出偏滤器，同时保持偏滤器各部件的温度在许用范围内的目的。由于内、外靶板承受最大热负荷，因此须先冷却内、外靶板，然后逐次冷却偏滤器其他模块。综上所述，设计冷却系统中冷却水流过CFETR 偏滤器各模块的顺序依次为外靶板、盒体、内靶板、盒体、内返流板、Dome、外返流板和盒体［8］，如图7所示。

2.4 抽气系统设计

在CFETR托卡马克装置中，由氘氚反应产生的氦灰以及从磁约束芯部等离子体逃逸的高速粒子流撞击第一壁（包括包层第一壁和偏滤器第一壁）产生的杂质粒子，最终都会沉积到偏滤器内，若这些氦灰和杂质不能及时从偏滤器私有区域带走，则会导致过多的杂质粒子反流至芯部等离子体，从而引发过多的热量从芯部等离子体辐射出来，降低等离子体的参数，甚至可能导致等离子体的熄灭。因此，在偏滤器结构设计中必须设计抽气系统，以保证氦灰和杂质粒子被及时抽走，具体如图8 所示，箭头表示杂质被抽走的方向，位置在内、外返流板与Dome板之间，它们间的极向间距分别为343mm和505mm，且在偏滤器盒体底部也设置了抽气通道，宽200mm、高约800mm。

图7 CFETR 偏滤器冷却管路中水流方向Fig.7 Flow direction in cooling pipe of CFETR divertor

图8 偏滤器抽气方向Fig.8 Pumping direction in divertor

3 合理性验证

磁力线膨胀系数用于表征降低靶板表面热负荷方面的性能的优劣，其定义为赤道面刮削层内一定宽度的磁力线映射到靶板上被放大的倍数，如图9所示，其值越大，表明在同一厚度刮削层内的高能粒子打到靶板上的面积越大，即靶板单位面积上承受高能粒子的轰击越少，进而延长了靶板的使用寿命，提高了偏滤器结构设计的可靠性。对于传统的单、双零偏滤器位型及偏滤器垂直靶板设计，靶板处磁力线膨胀系数Δ1约为20［9］。

根据图9定义，测量、计算并绘制了3种偏滤器结构对类ITER 和雪花等离子体位型的磁力线膨胀系数Δ1和Δ2随SOL厚度的变化，如图10所示。

图9 磁力线膨胀系数定义Fig.9 Definition of flux expansion

由图10知，若刮削层厚度为1～5mm，在类ITER 偏滤器结构中，其内、外靶板处的系数Δ1分别约为19～22和24～26，与传统的等离子体位型所拥有的系数Δ1约为20接近，说明了类ITER 偏滤器设计的合理性；而在雪花偏滤器结构中，因采用了雪花偏滤器等离子体位型，具有磁场二阶零点的效果，系数Δ1具有倍增效应，在内、外靶板处分别约为27～30 和32～42，约 为 类ITER 偏 滤 器 结 构 的1.5 和1.4倍，说明了雪花偏滤器结构设计的有效性。该特点期望在物理数值模拟中得到进一步的证明。而在适应于类ITER 和雪花两种等离子体位型的偏滤器结构设计中，由于雪花等离子体位型在内、外靶板处的磁力线与靶板的入射角均较类ITER 偏滤器的小，导致了靶板处的系数Δ1倍增效应并不明显，在内靶板处雪花和类ITER 等离子体位型的系数分别为26～32 和20～24，比值约为1.3；甚至在外靶板处雪花等离子体位型的系数Δ1约为21～24，较类ITER约为29～42的还低，比值仅为0.7，从这点上讲，设计一种偏滤器结构同时适应于两种偏滤器等离子体位型是不可取的，因雪花偏滤器位型的优势未得到体现。

图10 类ITER 偏滤器结构与雪花偏滤器结构的磁力线膨胀系数Fig.10 Flux expansion of ITER-like divertor and Snowflake divertor

4 结论

基于偏滤器主要功能、CFETR 总体设计要求和设计依据，设计了3种偏滤器结构，即类ITER 偏滤器、雪花偏滤器和类ITER-雪花偏滤器；类ITER偏滤器各部分结构相对简单、可靠，易于工程实现；通过计算磁力线膨胀系数表明，设计的类ITER偏滤器和雪花偏滤器合理，而类ITER-雪花偏滤器有待以后继续验证与改进。

感谢CFETR 设计组所有成员对本工作的帮助与支持。

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