[发明专利]一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器

说明书

本发明公开了一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器，包括有水平外靶板、垂直外靶板、垂直内靶板、内靶板End Box、Dome靶板、高场侧挡板、低场侧挡板、被动靶板、内置水冷线圈。水平外靶板和垂直外靶板组成的直角封闭几何构型，提高了偏滤器外靶板的封闭性，能够大幅降低自然脱靶的密度阈值，也能显著减少充入杂质气体实现脱靶的杂质用量，有利于保持良好芯部约束的同时实现脱靶降低靶板热负荷；通过极向场集成控制，可以在秒量级长放电周期内在水平外靶板和垂直外靶板之间扫描打击点，有效分散热负荷。本发明设计结构简单、紧凑，便于控制钨偏滤器制造和安装精度，降低制造难度和成本，同时利于控制钨偏滤器靶板热负荷水平。

技术领域

本发明涉及EAST托卡马克装置，具体是一种适用于托克马克核聚变装置的直角封闭全钨偏滤器。

背景技术

偏滤器靶板所面临的高热负荷是当前制约聚变能发展的主要瓶颈之一。对于未来聚变堆，例如ITER，到达偏滤器靶板的稳态热负荷约为100MW/m²，远远超过通常采用的钨靶板忍受极限～10MW/m²；同时，到达靶板的电子温度必须要保持较在较低水平(≤5-10eV)，避免导致严重的材料表面溅射，损害装置寿命。偏滤器脱靶被认为是缓解未来聚变堆热负荷的必要方案。所谓的偏滤器脱靶，是指在更高的等离子体密度或者更高的辐射损失下，偏滤器等离子体由传导限制状态自然延伸进入脱靶状态，具有如下特征：到达靶板的离子流降低；到达靶板热流降低；到达靶板的电子温度≤5eV。一般采用部分脱靶模式，即靶板饱和离子流最大的位置等离子体进入脱靶状态，而离该处较远的位置的等离子体保持未脱靶状态，其优势在于有效降低靶板热负荷和有效抑制表面溅射同时，也保持了较高的粒子和杂质排出能力。实验上在给定的输入功率下，通过充分提高等离子体密度，或者在偏滤器区域充入足量的杂质，均可以实现偏滤器脱靶，但是也容易损害等离子体芯部约束。如何保持与高约束芯部兼容的脱靶长时间稳态运行，是当前聚变能发展的重大问题。

EAST托卡马克装置的运行目标是在先进钨偏滤器条件下，实现超过400秒不低于50％自举电流长脉冲高约束模运行、10MW加热功率下百秒量级运行，达到不低于稳态10MW/m²偏滤器靶板热排除以及粒子排除能力。远期满足1000秒EAST科学目标要求，并为CFETR提供先期预演。为实现这一目标，关键在于先进偏滤器的设计。而EAST现有的下偏滤器是传统的碳壁偏滤器，靶板热排除能力完全不能满足高功率放电，并且已经严重老化，亟待升级改造；2014年升级的ITER-like上钨偏滤器在100秒长脉冲运行的热排除能力显著，但是由于封闭性较差，需要很高的密度阈值，或者需要在偏滤器区域注入大量的杂质气体，才能实现偏滤器脱靶，难以与高约束芯部等离子体相兼容，而且由于抽气口太窄，仅有～17mm，限制了低温泵对偏滤器区域的粒子排除能力，不利于长脉冲稳态运行。因此，为满足EAST托卡马克的运行目标，需要设计先进偏滤器结构用于EAST下偏滤器升级改造。

对于EAST先进偏滤器结构需要能够满足不同物理实验要求：满足多种灵活的放电位型；满足实现小ELM高约束模式运行和先进芯部运行模式对几何位型的要求；可兼容一个相对较宽的三角度，δ＝0.4-0.6；能够很好的兼容单零(SN)和双零(DN)放电位型，为1000s运行时上下单零切换方案预留运行空间。此外，要求偏滤器区域的热通量控制在水冷钨铜第一壁材料允许的稳态10MW/m²范围之内，实现的方法除了偏滤器脱靶外，可以通过扫描打击点分散热负荷，以及通过增加内部水冷线圈，更好地实现X-divertor/准雪花先进偏滤器放电位型的稳态运行，最大限度的增大打击点区域的磁展宽，有效降低峰值热流。