偏滤器

偏滤器（divertor）是核聚变堆中承受最严酷热量与粒子流的部件。它把从等离子体泄漏出的热量，以及燃烧产生的“灰烬”集中引导到这里，再排出堆外。本页将从直觉出发逐层积累，理解偏滤器为何必要、为何设计困难，以及当下的研究前沿在哪里。

先建立直觉（高中水平）

把偏滤器看作堆的“排气口”，就能抓住它的本质。

首先，核聚变堆的等离子体约为一亿度的超高温。我们希望一直把这些热量约束住，但世上不存在完美的保温瓶，热量与粒子必定会一点点向外泄漏。如果不在某处接住泄漏的热量，堆壁就会被大面积烧毁。于是我们特意建造一个专门的场所，把泄漏的部分集中到一处来处理，这就是偏滤器。

请想象厨房的抽油烟机。它不让做菜产生的油烟和热量散布到整个房间，而是吸进抽油烟机的一点再排到室外。偏滤器也是如此，它把从等离子体泄漏的热量与粒子引导到堆底（多数情况下是下部）有限的一块面上，在那里集中冷却，并把灰烬吸出。

要集中处理的对象有两个。一个是热量，另一个是“灰烬”。在核聚变中，氘与氚反应生成氦，而这些氦是燃烧后的残渣，若放任不管就会积在燃料里把它稀释。偏滤器还兼具吸出这些氦灰的吸尘器作用。

这里最大的难题是“热量过度集中在狭窄的区域”。如果泄漏的热量能在大面积上薄薄铺开就轻松了，但实际上它会汇聚到极窄的一条带上。打个比方，就像用放大镜把阳光聚焦到一点时的灼热。偏滤器的承受板上会涌来堪比火箭发动机内壁的热量。如何缓解这种集中，正是偏滤器设计的核心。

用物理来理解（本科水平）

理解偏滤器的关键，在于磁力线的形状，以及热量流过的那层薄薄流层的物理。

分离面与 X 点

在托卡马克的等离子体中，磁力线构成的面（磁面）有两种。一种是在环内侧闭合、绕圈旋转的闭合磁面，另一种是撞到堆壁上的开放磁面。构成这两者边界的特殊磁面，称为分离面（separatrix）。

分离面之所以形成，是因为外部线圈的电流抵消了极向磁场（poloidal field，在截面内环绕的磁场分量），在某一点造出 $B_p = 0$ 。这个点称为 X 点（X-point）。在 X 点附近，磁力线看起来像 X 字那样交叉。X 点内侧是闭合磁面，外侧是开放磁面，而开放磁力线通向偏滤器的承受板（靶板）。

也就是说，X 点是划分约束区与排气区的“分岔点”。泄漏出的粒子乘上开放磁力线，经由 X 点被可靠地输运到偏滤器。

刮削层（SOL）

紧贴分离面外侧、由开放磁力线占据的那层薄层，称为刮削层（scrape-off layer，SOL）。乘上这层的粒子会沿着磁力线流向靶板。

粒子沿磁力线方向（平行方向）运动很快，而横穿磁力线方向（垂直方向）只能缓慢扩散。这两者的竞争决定了 SOL 的厚度。平行方向输运越快，粒子就越会在向垂直方向铺开之前抽向靶板，于是承载热量的那层就越薄。实际上这个厚度（热流宽度 $\lambda_q$ ）仅有区区数毫米。

热流集中问题

设从整个堆泄漏的热量为 $P_{SOL}$ ，它会集中到沿分离面的一条细带上。垂直到达靶板的热流 $q_\perp$ 的大致量级，可如下估算。

q_\perp \sim \frac{P_{SOL}}{2\pi R \, \lambda_q} \sin\theta

这里 $R$ 是装置的大半径， $\lambda_q$ 是热流宽度， $\theta$ 是磁力线打到板上的浅角。由于分母里有很小的 $\lambda_q$ （数毫米）， $q_\perp$ 很容易飙升到 10 MW/m² 量级。这已达到与太阳表面所辐射热流同一数量级的水平，若就这样打到板上，就会超过材料的排热极限。

因此设计中要下两番工夫。其一是让 $\sin\theta$ 变小，也就是让磁力线尽可能以浅角（几度）打到板上，使热量在大面积上薄薄铺开。其二便是接下来要讲的脱靶。

深入理论（研究生水平）

仅凭本科水平的估算，实际堆的偏滤器还无法成立。它需要让等离子体“不接触”靶板的运行方式，以及为此所需的辐射控制。

脱靶（非接触等离子体）

把热量直接砸到板上的运行方式称为附着（attached）。与之相对，在靶板前方把等离子体温度降到数 eV 以下，使压力与粒子通量大幅减小的状态，称为脱靶（detachment，非接触等离子体）。

在脱靶中，靶板前方会有多个过程接连发生。等离子体温度下降后，与中性粒子的碰撞开始起作用，电荷交换与电离、复合随之推进。动量因与中性粒子碰撞而损失（动量损失），能量则通过辐射与复合耗散。其结果是，在到达靶板之前热量与压力的大部分已经抽走，抵达靶板的热流下降一个数量级。等离子体表现得像从靶板上“浮起”一样，这正是其名称的由来。

不过脱靶容易变得不稳定，若脱靶区一路爬升到 X 点，就会损害约束。把脱靶前沿（detachment front）保持在靶板附近的控制，是运行上的重要课题。

借助杂质注入的辐射冷却

为了稳定维持脱靶，会有意注入杂质气体。把氮、氖、氩等注入 SOL 或偏滤器区域后，这些原子、离子会通过线谱辐射把能量作为光向四面八方散出。这称为辐射冷却（radiative cooling）。

因辐射而损失的功率密度，可用电子密度 $n_e$ 、杂质密度 $n_z$ ，以及依赖温度的辐射损失函数 $L_z(T_e)$ ，如下表示。

P_{rad} = n_e \, n_z \, L_z(T_e)

$L_z(T_e)$ 因元素而定，要点是选出在偏滤器温度区间内能高效辐射的元素。目标是把集中到靶板的热量，不落到板面上，而作为辐射逃向宽广的立体角。若控制得当，就能以辐射处理掉大部分泄漏出的热量。另一方面，若杂质侵入到主等离子体中心就会把约束冷却掉，因此把杂质约束在偏滤器区域的位形，以及排气设计都不可或缺。

钨单块靶

材料侧的解也是理论的一部分。靶的护甲材料选用钨（tungsten，W）。因为它的熔点约 3422 度，在全部金属中最高，热导率高，而且不易发生氢导致的溅射（撞飞）。

ITER 采用的是单块结构。在方柱状的钨块中心开孔，让铜合金（CuCrZr）的冷却管从中贯穿，二者之间用软铜层接合。冷却管内通加压水，管内放入旋流带（扭曲的金属带）以增强湍流，提高排热。这种结构可耐受稳态 10 MW/m² 量级、瞬态还要更高的热流。ITER 的偏滤器被分成 54 个卡匣，可通过遥控操作更换。

由于叠合了不同材料，接合处会因热膨胀差而受到应力。这种热应力，以及后文所述由中子辐照带来的劣化，正是材料设计的两大制约。

研究前沿（博士水平）

偏滤器被认为是核聚变走向实用化时最后才能攻克的难关之一，相关研究正在活跃进行。

SOL 宽度标度

最大的未解问题之一，是热流宽度 $\lambda_q$ 会随堆的尺寸如何变化。汇集众多托卡马克实验得到的经验规律（以 Eich 标度而为人所知）表明， $\lambda_q$ 几乎由极向磁场决定，而对装置的大小依赖不大。若这一点在大型堆上也成立，那么在 ITER 和原型堆（DEMO）中 $\lambda_q$ 也会保持在数毫米这一极窄的水平，热集中会愈发严峻。

另一方面，基于湍流输运的理论（如启发式漂移模型），以及在性能更高的运行区域中， $\lambda_q$ 有可能变宽，这些也在讨论之中。SOL 宽度标度（SOL width scaling）的外推是否成立、由哪种物理决定它，是左右原型堆设计的核心研究课题。这里由于要处理 SOL 的湍流，理解等离子体屏蔽长度的德拜屏蔽之类的基础便成为根基。

先进偏滤器位形

以狭窄的 $\lambda_q$ 为前提，通过改变磁场位形本身来把热量摊薄的研究也在推进。

超 X 偏滤器（Super-X divertor）是把外侧的偏滤器足向大半径更大的外侧长长拉伸的位形。靶板所在位置的磁场较弱、磁通展宽，于是受热面增大，而且连接长度延伸，更易引发脱靶。英国的 MAST-U 正在进行验证实验。

雪花位形（snowflake configuration）是在 X 点附近造出二阶零点、把 $B_p \approx 0$ 的区域扩大的位形。X 点附近磁通大幅展宽，能把热量分配给多个靶板。其名字源于磁力线看起来像雪的结晶。

这些方案很有前景，但需要额外的线圈和复杂的磁场控制，与整个堆的相容性是课题。

液态金属偏滤器与瞬态热负荷

固态钨会因中子辐照而脆化，热导率下降。作为从根本上避免这种损耗与劣化的方案，人们正在研究持续流动液态锂或液态锡的液态金属偏滤器（liquid metal divertor）。由于表面不断更替，损耗不易成为问题，但流动的控制和杂质的混入是课题。

瞬态热负荷也是残留的难题。边缘区能量周期性喷出的 ELM（edge-localized mode），以及等离子体突然崩塌的破裂（disruption），都会在瞬间给靶板施加超过材料极限的热量。ELM 的抑制与控制，以及破裂的规避与缓解，是直接关系到偏滤器寿命的研究领域。偏滤器的热与粒子处理，也与第一壁和面向等离子体材料的设计密切交织。

理解自测

第 1 题关于偏滤器的主要作用，哪一组组合是正确的？

第 2 题关于分离面与 X 点的说明，哪一项正确？

第 3 题热流宽度 λq 很小时，为什么会成为问题？

第 4 题脱靶（非接触等离子体）是怎样的状态？

第 5 题 SOL 宽度标度为什么在原型堆设计中很重要？

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