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偏滤器

偏滤器(divertor)是将约束等离子体最外周的磁力线引向专用靶板,在那里集中排出热流、杂质以及作为燃烧灰烬的氦的装置。

即使把 1 亿度的等离子体约束住,外周的粒子也难免会接触到壁面。如果就这样让整个容器来承受,壁面会受损,而且被削掉的壁面原子会混入等离子体使其冷却。于是偏滤器故意把外周的磁力线引向一处,只让专用的坚固靶板去承受热量和污染物。它就像厨房的排风扇一样,起着把污物集中从一处排出去的排气口的作用。

偏滤器利用极向磁场线圈的电流,在等离子体截面的外侧制造出作为磁零点的 X 点(X-point)。以这个 X 点为界,闭合磁面的最外面一层称为分界面(separatrix)。分界面外侧的磁力线不再闭合,而是连接到偏滤器的靶板(偏滤器板,target plate),这一区域称为刮削层(scrape-off layer)。

外周的等离子体扩散到分界面之外后,会沿着磁力线被输运到偏滤器板,在那里释放热量和粒子。因此热流会强烈集中到靶板上,在稳态运行中要求设计能够承受每平方米超过 10 MW 的热负荷。

降低这一负荷的运行状态称为脱靶(detachment,非接触等离子体)。通过有意向偏滤器附近注入杂质气体等,用辐射把能量散开,在到达靶板之前降低等离子体的温度,从而大幅减小到达靶板的热流和粒子流。

如果无法排出聚变反应生成的氦(燃烧灰烬),等离子体就会被稀释,反应也会停止。偏滤器是稳定、连续地排出这些灰烬和热量的关键,同时也抑制壁材被削掉而混入等离子体的杂质。在 ITER 以及未来的发电堆中,如何同时兼顾这种热流集中与脱靶控制,是决定可行性的核心课题之一。

  • 等离子体 - 排气的对象状态
  • 托卡马克 - 配备偏滤器的代表性装置
  • 包层 - 承受热量和中子的另一主要结构
  • 破裂 - 热负荷成为问题的另一现象