CFETR 偏濾器概念設(shè)計

卯 鑫，宋云濤，葉民友，彭學(xué)兵，姚達毛，郭后楊

（1.中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230031）

CFETR 是繼ITER 之后設(shè)計建造的又一大型托卡馬克裝置，目前正處在工程概念設(shè)計階段。偏濾器作為托卡馬克裝置的重要組成部分，構(gòu)成了高溫等離子體與材料直接接觸的過渡區(qū)域，其主要功能有：有效屏蔽來自器壁的雜質(zhì)，減少對中心等離子體的污染；排出來自中心等離子體的粒子流和熱流；排出核聚變反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的氦灰。文獻［1］主要講述了ITER 鎢偏濾器最新設(shè)計進展和技術(shù)預(yù)研工作的現(xiàn)狀；文獻［2］在說明FAST 偏濾器有限元模型的基礎(chǔ)上，對偏濾器結(jié)構(gòu)進行了電磁分析；文獻［3］概括了偏濾器的不同概念設(shè)計（類型：水冷、液態(tài)金屬冷卻和氦冷卻），并討論了它們的預(yù)期性能及優(yōu)缺點。以上文獻中涉及的是適用于不同裝置的偏濾器概念模型，而本文是在滿足偏濾器主要功能、CFETR 偏濾器總體設(shè)計要求和設(shè)計依據(jù)的前提下，設(shè)計3種偏濾器概念模型，并對類ITER 偏濾器結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。此外，通過計算磁力線膨脹系數(shù)，驗證3種偏濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 總體設(shè)計

1.1 CFETR偏濾器總體設(shè)計要求［4］

1）在充分吸收當(dāng)今現(xiàn)有的先進偏濾器物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)上，力爭做到能實現(xiàn)CFETR 總體科學(xué)目標(biāo)對偏濾器提出的要求。2）結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠，易于工程實現(xiàn)。3）有利于高參數(shù)等離子體的獲得，同時盡可能降低偏濾器靶板的工程設(shè)計要求，如熱負荷等。4）采用成熟的第一壁高熱流部件技術(shù)，在合理設(shè)計偏濾器位型和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，滿足CFETR 偏濾器的工程要求。

1.2 設(shè)計依據(jù)［5-7］

1）偏濾器和真空室間留有足夠的屏蔽包層安裝空間。2）靶板與LCFS 磁力線的交角盡可能小，以有利于擴大靶板直接承受高熱負荷的面積，從而降低承受的熱負荷。3）Dome板應(yīng)拱起以獲得相對封閉的“V”型區(qū)域。4）X點距離偏濾器靶板打擊點的距離盡可能長，以延長高能粒子從刮削層到達靶板表面的運動時間，從而增加其與“V”型區(qū)域內(nèi)中子粒子碰撞的概率，降低其自身能量，減少對靶板的沖擊與損傷。5）靶板和Dome間留有偏濾器抽氣通道。6）采用支撐盒體結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計，以利于偏濾器的RH 維護及與其他部件接口的標(biāo)準化。為了最大限度地降低CFETR 在運行過程中更換第一壁的操作難度及成本，針對不同的等離子體位型，CFETR 偏濾器采用同一個盒體支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 等離子體位型與支撐盒體概念模型Fig.1 Plasma configuration and conceptual model of cassette

1.3 集成設(shè)計

綜合偏濾器主要功能、CFETR 偏濾器總體設(shè)計要求和設(shè)計依據(jù)，并參照當(dāng)前各大托卡馬克裝置偏濾器的設(shè)計和運行經(jīng)驗，及其他DEMO 偏濾器設(shè)計的概念，設(shè)計了3種偏濾器結(jié)構(gòu)，即類ITER 偏濾器、雪花偏濾器和類ITER-雪花偏濾器，如圖2所示。

2 CFETR類ITER偏濾器結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計

2.1 第一壁設(shè)計

圖2 3種偏濾器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of three divertors

第一壁是偏濾器中直接與等離子體相互作用的部件，接受來自芯部等離子體的熱流和粒子流作用，因此要求第一壁具有能承受等離子體轟擊的能力，能實時將沉積的熱量傳遞出去，對等離子體操作的穩(wěn)定性、可控性無明顯影響，以及材料制備簡單、成本低、壽命長等。金屬鎢具有高熱導(dǎo)、高熔點、低濺射率等優(yōu)點，因此選擇金屬鎢為CFETR 偏濾器第一壁材料，同時，為了及時方便快速地冷卻第一壁，偏濾器第一壁采用技術(shù)相對較成熟的穿管設(shè)計且整體采用模塊化設(shè)計，從內(nèi)到外依次為內(nèi)障板、內(nèi)靶板、內(nèi)返流板、Dome板、外返流板、外靶板和外障板。內(nèi)、外靶板與最外層封閉齒面相交，承受最大熱負荷；最中間拱起一個Dome板以實現(xiàn)相對封閉式的偏濾器位型，有利于減少粒子和雜質(zhì)向主等離子體區(qū)域擴散；在內(nèi)、外靶板和Dome板間設(shè)置有兩塊返流板以增大“V”型區(qū)域內(nèi)的氣體壓力，有利于輻射偏濾器的獲得；內(nèi)靶板上部和外靶板上部這兩處與包層接壤的地方設(shè)置有障板。圖3所示為第一壁三維模型，圖4 所示為Monoblock截面圖。

圖3 CFETR 類ITER 偏濾器結(jié)構(gòu)的第一壁三維模型Fig.3 The first wall model of ITER-like divertor in CFETR

圖4 Monoblock截面圖Fig.4 Cross-section in Monoblock

該第一壁結(jié)構(gòu)的特點是：它由一系列長條形第一壁子模塊沿大環(huán)方向排列而成；長條形穿管結(jié)構(gòu)為外層26 mm×26 mm 的鎢塊通過1mm厚的Cu 過渡層連接至φ12 mm×1 mm的CuCrZr冷卻管；鎢塊面向等離子體一側(cè)厚為8mm，背面厚為4mm；由于承受高熱負荷的鎢塊360°包裹著CuCrZr冷卻水管，使得熱流相對均勻從CuCrZr管壁的各方向流入冷卻水，從而穿管結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度相較其他類型的第一壁結(jié)構(gòu)分布更為均勻，熱應(yīng)力問題得到改善，提高了第一壁的可靠性。

2.2 兩側(cè)支撐軌道設(shè)計

由于CFETR 偏濾器結(jié)構(gòu)的重量約9t，位于屏蔽包層內(nèi)部增殖包層下部，其第一壁上部要與增殖包層第一壁下部匹配以構(gòu)成封閉的芯部等離子體運行空間，又由于在裝置運行過程中，偏濾器受電磁載荷、邊界局域模、垂直位移事件、熱猝滅和電流猝滅等的影響，使偏濾器結(jié)構(gòu)有徑向和環(huán)向移動的可能，因此在偏濾器兩側(cè)必須有支撐結(jié)構(gòu)，以滿足偏濾器重量、位置、第一壁匹配和固定的要求。而在偏濾器維護過程中，因要環(huán)向移動距離下窗口較遠的偏濾器以使其能從下窗口被移出，所以兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)又要起到軌道的作用。綜上所述，偏濾器內(nèi)、外側(cè)軌道支撐的設(shè)計采用可拆卸的銷連接結(jié)構(gòu)。圖5所示為內(nèi)側(cè)軌道支撐結(jié)構(gòu)，包括軌道、支撐體、球軸承即凸起和凹槽；圖6所示為外側(cè)軌道支撐結(jié)構(gòu)，包括定位銷、千斤頂、定位孔和定位板，通過兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)的相互作用，以保證裝配過程中偏濾器的徑向和環(huán)向定位。

圖5 內(nèi)側(cè)軌道支撐結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of inner rail

圖6 外側(cè)軌道支撐結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of outer rail

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

偏濾器冷卻系統(tǒng)的首要任務(wù)是冷卻承受高熱負荷的第一壁并同時冷卻偏濾器其他各模塊，以保證托卡馬克裝置的正常運行，而CFETR偏濾器冷卻系統(tǒng)設(shè)計是以相對成熟的冷卻技術(shù)為原則，其主要介質(zhì)為水，就是使帶有一定壓力和流量的水，流過偏濾器的各模塊，達到及時將所承受的高熱負荷移出偏濾器，同時保持偏濾器各部件的溫度在許用范圍內(nèi)的目的。由于內(nèi)、外靶板承受最大熱負荷，因此須先冷卻內(nèi)、外靶板，然后逐次冷卻偏濾器其他模塊。綜上所述，設(shè)計冷卻系統(tǒng)中冷卻水流過CFETR 偏濾器各模塊的順序依次為外靶板、盒體、內(nèi)靶板、盒體、內(nèi)返流板、Dome、外返流板和盒體［8］，如圖7所示。

2.4 抽氣系統(tǒng)設(shè)計

在CFETR托卡馬克裝置中，由氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的氦灰以及從磁約束芯部等離子體逃逸的高速粒子流撞擊第一壁（包括包層第一壁和偏濾器第一壁）產(chǎn)生的雜質(zhì)粒子，最終都會沉積到偏濾器內(nèi)，若這些氦灰和雜質(zhì)不能及時從偏濾器私有區(qū)域帶走，則會導(dǎo)致過多的雜質(zhì)粒子反流至芯部等離子體，從而引發(fā)過多的熱量從芯部等離子體輻射出來，降低等離子體的參數(shù)，甚至可能導(dǎo)致等離子體的熄滅。因此，在偏濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須設(shè)計抽氣系統(tǒng)，以保證氦灰和雜質(zhì)粒子被及時抽走，具體如圖8 所示，箭頭表示雜質(zhì)被抽走的方向，位置在內(nèi)、外返流板與Dome板之間，它們間的極向間距分別為343mm和505mm，且在偏濾器盒體底部也設(shè)置了抽氣通道，寬200mm、高約800mm。

圖7 CFETR 偏濾器冷卻管路中水流方向Fig.7 Flow direction in cooling pipe of CFETR divertor

圖8 偏濾器抽氣方向Fig.8 Pumping direction in divertor

3 合理性驗證

磁力線膨脹系數(shù)用于表征降低靶板表面熱負荷方面的性能的優(yōu)劣，其定義為赤道面刮削層內(nèi)一定寬度的磁力線映射到靶板上被放大的倍數(shù)，如圖9所示，其值越大，表明在同一厚度刮削層內(nèi)的高能粒子打到靶板上的面積越大，即靶板單位面積上承受高能粒子的轟擊越少，進而延長了靶板的使用壽命，提高了偏濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。對于傳統(tǒng)的單、雙零偏濾器位型及偏濾器垂直靶板設(shè)計，靶板處磁力線膨脹系數(shù)Δ1約為20［9］。

根據(jù)圖9定義，測量、計算并繪制了3種偏濾器結(jié)構(gòu)對類ITER 和雪花等離子體位型的磁力線膨脹系數(shù)Δ1和Δ2隨SOL厚度的變化，如圖10所示。

圖9 磁力線膨脹系數(shù)定義Fig.9 Definition of flux expansion

由圖10知，若刮削層厚度為1～5mm，在類ITER 偏濾器結(jié)構(gòu)中，其內(nèi)、外靶板處的系數(shù)Δ1分別約為19～22和24～26，與傳統(tǒng)的等離子體位型所擁有的系數(shù)Δ1約為20接近，說明了類ITER 偏濾器設(shè)計的合理性；而在雪花偏濾器結(jié)構(gòu)中，因采用了雪花偏濾器等離子體位型，具有磁場二階零點的效果，系數(shù)Δ1具有倍增效應(yīng)，在內(nèi)、外靶板處分別約為27～30 和32～42，約 為 類ITER 偏 濾 器 結(jié) 構(gòu) 的1.5 和1.4倍，說明了雪花偏濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性。該特點期望在物理數(shù)值模擬中得到進一步的證明。而在適應(yīng)于類ITER 和雪花兩種等離子體位型的偏濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于雪花等離子體位型在內(nèi)、外靶板處的磁力線與靶板的入射角均較類ITER 偏濾器的小，導(dǎo)致了靶板處的系數(shù)Δ1倍增效應(yīng)并不明顯，在內(nèi)靶板處雪花和類ITER 等離子體位型的系數(shù)分別為26～32 和20～24，比值約為1.3；甚至在外靶板處雪花等離子體位型的系數(shù)Δ1約為21～24，較類ITER約為29～42的還低，比值僅為0.7，從這點上講，設(shè)計一種偏濾器結(jié)構(gòu)同時適應(yīng)于兩種偏濾器等離子體位型是不可取的，因雪花偏濾器位型的優(yōu)勢未得到體現(xiàn)。

圖10 類ITER 偏濾器結(jié)構(gòu)與雪花偏濾器結(jié)構(gòu)的磁力線膨脹系數(shù)Fig.10 Flux expansion of ITER-like divertor and Snowflake divertor

4 結(jié)論

基于偏濾器主要功能、CFETR 總體設(shè)計要求和設(shè)計依據(jù)，設(shè)計了3種偏濾器結(jié)構(gòu)，即類ITER 偏濾器、雪花偏濾器和類ITER-雪花偏濾器；類ITER偏濾器各部分結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠，易于工程實現(xiàn)；通過計算磁力線膨脹系數(shù)表明，設(shè)計的類ITER偏濾器和雪花偏濾器合理，而類ITER-雪花偏濾器有待以后繼續(xù)驗證與改進。

感謝CFETR 設(shè)計組所有成員對本工作的幫助與支持。

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