偏濾器是環形聚變裝置（如：托卡馬克）的重要組成部分，它將中心等離子放電產生的帶電粒子偏濾到一個單獨的腔室中。在此室內粒子轟擊擋板，變為中性粒子被抽走，避免了帶電粒子轟擊主室壁釋放出次級粒子，影響約束區邊緣的磁場位形。
基本介紹
- 中文名：環形磁場偏濾器
- 外文名：Toroidal field divertor
- 套用學科：能源工程
- 範疇：工程技術
概述,偏濾器的重要性,
概述
偏濾器是環形聚變裝置（如：托卡馬克）的重要組成部分，它將中心等離子放電產生的帶電粒子偏濾到一個單獨的腔室中。在此室內粒子轟擊擋板，變為中性粒子被抽走，避免了帶電粒子轟擊主室壁釋放出次級粒子，影響約束區邊緣的磁場位形。同時偏濾器擋板還會受到能量高達幾
甚至十幾
的快中子的轟擊，使得其損壞率極高。因此開展偏濾器材料的濺射行為研究對提高偏濾器靶材料的壽命以及維持電漿穩定運行具有重要的意義。研究電漿轟擊不同粗糙程度的靶材料濺射產額的變化情況，同時提出了一個可行的計算中子濺射產額的公式。
首先，基於二體碰撞近似的
-
動力學方法，通過追蹤幾千甚至更多粒子的運動速度、空間位置及其能量變化，模擬了材料表面光滑情況下，氫（H）、氦（He）、碳（C）、鈹（Be）離子轟擊鎢（W）材料表面的濺射產額。結果表明隨入射粒子能量的增加，四種帶電粒子的濺射產額都是先增加後降低，相同情況下高原子序數（Z）材料濺射產額高於低原子序數材料。在經歷一段時間的高能粒子轟擊後，W材料的靶面隨時間出現不同粗糙程度的變化。為此設定幾種不同的粗糙表面，並對不同粗糙度時的濺射率進行數值模擬。結果顯示隨著粗糙程度的增加，濺射率降低。
其次，通過建立分層模型，研究了快中子轟擊偏濾器材料的濺射過程。提出了一個計算中子濺射產額的公式，計算了
，
，
反應引起的靶材料濺射產額。結果分別為
，
，
，與實驗結果基本符合。這為以後聚變堆或者裂變堆中受中子輻照材料的損傷研究提供了一個新的思路。
偏濾器的重要性
核聚變堆研究中，材料問題一直是其中的瓶頸，滿足性能要求的材料，是未來核聚變堆能夠實現的關鍵。而對聚變堆中面向電漿材料（PFMs）有如下性能要求：一是良好的導熱性、抗熱震性和高熔點；二是它受到電漿強烈輻照等物理和化學沖蝕所產生的雜質的數量要低，以保證聚變堆長期運行；三是具有較低的氫（氘、氚）的吸附性，以保證氫（氘、氚）的再循環套用；四是低放射性。這些優良性能是保證聚變堆裝置正常運行、為未來的聚變堆發電提供有力保障的重要條件。偏濾器作為磁約束聚變裝置中面向電漿的重要部件，在現行的聚變裝置上積累了大量的實驗數據，但ITER和聚變堆規模水平上的偏濾器材料問題還沒有完全的解決。原因是在下述幾個方面進行權衡存在困難：靶材料的選擇、靶的壽命、靶對電漿的反作用，以及對受損偏濾器模組進行自動更換等。在經過近40年的各種托卡馬克裝置實驗，發現鎢（W）具有優異的熱性能、H的低溶解度和低濺射率，使得W成為未來ITER裝置中偏濾器的重要材料之一，2013年日本已將偏濾器全部鎢化，並作為未來偏濾器的主要實驗對象。
磁約束聚變裝置在正常工作情況下，面向電漿壁面材料（通常有Be、C和W）和偏濾器材料（主要為C和W）要經受一些能量在10eV到數個keV之間的H的同位素離子（H、D和T）、氦（He）離子等帶電粒子的打擊。這些過程導致金屬表面損傷，如腐蝕、濺射、起泡等。特別是當離子撞擊進入金屬中後，引起的金屬表面粗糙程度的變化，導致材料濺射率的變化，從而對材料壽命產生影響，應該引起重視，然而目前這個方面還沒有得到詳細的考慮。
偏濾器除受帶電粒子的轟擊外，還受到來自聚變堆中高能快中子的輻照。快中子在偏濾器靶材料表面引起的一個主要效應就是濺射，即中子與材料碰撞產生的原子、團簇和微小尺寸粒子的表面發射。濺射的粒子進入電漿中將降低電漿的溫度，影響電漿穩定運行。隨著聚變-裂變混合堆、國際熱核實驗反應堆（ITER）和其它新型堆的設計建立，快中子濺射數據已遠遠不能滿足實際需要。在結合實驗數據和數值模擬的基礎上，提出了一個可行的計算中子濺射產額的公式。
2010年以來，我國已連續將電漿與W材料相互作用的物理機制研究作為作為重大專項工程之一，可見W 將作為偏濾器主要材料已成未來主選。因此研究等離子與W材料的相互作用對W材料的損傷，對合理設計偏濾器位型及材料結構，從而延長偏濾器使用壽命具有重要意義。
