偏滤器

偏滤器是核聚变装置中处理来自等离子体的热和粒子、控制杂质的设备。通过巧妙设计磁场位形将等离子体粒子引导到特定位置，进行排气与热处理。

基本作用

偏滤器有三个主要作用。

在杂质控制方面，防止因溅射产生的壁材料粒子混入等离子体。杂质会夺取等离子体的能量作为辐射损失，通过将偏滤器设置在离主等离子体较远的位置来抑制混入。

在氦灰排气方面，防止 DT 反应生成的阿尔法粒子减速后在等离子体内蓄积。氦气会稀释燃料，因此需要高效排气。稳态反应堆目标为氦气浓度控制在 5% 以下。

在热处理方面，将通过 scrape-off 层从主等离子体传输的热量由偏滤器板承受并传递到冷却系统。核聚变装置中这一热负荷非常大，成为设计上的最大课题。

托卡马克等离子体可分为闭合磁面和开放磁面。闭合磁面的最外层称为分界面，其外侧称为 scrape-off 层。形成分界面的点称为 X 点，此处极向磁场为零。

单零位形是只存在一个 X 点的基础位形，结构简单且易于维护。双零位形在上下具有 X 点，可将热负荷分散到四个偏滤器足上，但控制困难。ITER 采用单零位形。

scrape-off 层的热流宽度很窄，仅有几毫米，ITER 预测约 1 mm。在这一狭窄区域内 100 MW 级的热能集中，因此偏滤器板的热流密度会超过材料极限。

脱离运行是降低热负荷的运行模式。将偏滤器等离子体温度降低到数 eV 以下时，通过辐射和再循环使能量分散。也会并用氮气或氩气等杂质气体注入的辐射冷却。ITER 需要 95% 以上的辐射效率。

ELM 是积聚在边缘区域内的能量周期释放的现象，会对偏滤器造成瞬时的大热负荷。破裂时蓄积能量在数毫秒内释放，热流密度可达数 GW/m²。

钨的熔点为 3422 度，具有高热导率和低溅射率，是偏滤器 armor 材料最有前景的候选。ITER 采用整体结构，在钨块的中心贯穿铜合金冷却管。

冷却使用加压水，通过插入旋流片促进传热。ITER 偏滤器由 54 个 cassette 构成，设计可承受稳态运行 10 MW/m² 的热负荷。

雪花配形扩大 X 点附近极向磁场为零的区域，扩大热流宽度。超级 X 配形将外侧偏滤器足大幅向外延伸，降低热流密度。液体金属偏滤器是回避固体材料损耗问题的概念，正在研究液体锂和液体锡。

DEMO 需要应对比 ITER 更高的热负荷、连续运行和高中子通量。中子照射会使钨变脆并降低热导率。正在开发钨合金和先进制造技术。