偏滤器简介
偏滤器，英文名Divertor，是聚变实验装置及未来聚变反应堆不可或缺的关键组成部分。在核聚变装置中，偏滤器构成了一个过渡区，在这里，一边是温度高达数亿度的等离子体，另一边是常规的固体材料。偏滤器系统覆盖了聚变等离子体物理、设计分析、先进制造技术和测试评价等科学技术领域的前沿问题。
聚变反应堆偏滤器的概述图
偏滤器的等离子体位型和结构需根据聚变装置的目标进行设计。偏滤器部件的制造技术是实现其物理和结构设计的基础，为了及时有效地转移并排出沉积在面向等离子体材料表面的热负荷，保证其寿命和聚变装置的安全运行，必须采取有效措施将面向等离子体材料与热沉材料连接起来，形成面向等离子体部件。
发展历程
-1950年代：在最早的聚变动力系统研究中，偏滤器最初被引入。研究者意识到聚变产生的更重离子（聚变灰）会导致热量损失和其他问题，偏滤器被提出作为解决方案。
-1970年代：早期的长射反应堆（Long Pulse Reactor）出现时，出现了等离子体泄漏并撞击反应堆堆芯墙壁的问题，导致溅射和真空室壁金属离子流入燃料。
-1980年代：反应堆开始包含限制器的功能，用以保护腔室墙壁免受等离子体中离子的损害，但材料沉积问题依旧存在。
-1980年代后期：偏滤器重新被提出，作为保护反应堆本身的装置。磁铁将等离子体下边缘拉出，形成刮掉层（SOL），撞击类似限制器的板。
-现代设计：现代聚变反应堆设计尝试产生具有D形横截面的等离子体，D的下边缘成为偏滤器的自然位置。在现代示例中，偏滤器目标板被锂金属取代，以更好地捕获离子并减少冷却。
偏滤器作用
左为火炉，右为聚变燃料氘氚以等离子体态在“炉膛”——主真空室中燃烧
聚变装置如托卡马克EAST，虽然在规模和科技上与我们小时候使用的燃煤火炉相去甚远，但在本质上，它们都是产生热量的设备。就像旧时的火炉需要清理煤渣以保持燃烧一样，聚变装置中的偏滤器也承担着收集和排出燃烧后产生的氦灰及其他杂质的重要任务。偏滤器的作用主要体现在三个方面：
- 排出氦灰：就像必须清理火炉中的炉渣一样，偏滤器负责排出聚变反应产生的氦灰。
- 杂质控制：聚变反应容器不可能完全纯净，偏滤器还负责排出和屏蔽杂质，保证反应的顺利进行。
- 排出热量：氦灰和杂质排出时携带热量，偏滤器也承担着将这些热量排出的功能。
偏滤器的主要材料
偏滤器作为反应堆第一壁的部件，承受高能逃逸离子的沉淀能量，其表面热负荷远高于第一壁表面平均值。在等离子体破裂时，能量会在极短时间内作用于第一壁的特定区域，包括孔栏和偏滤器。因此，偏滤器需采用能承受高热流密度的材料，常用的这类材料包括铜合金、钼合金、铌合金以及钨、锂、铍和石墨等。
偏滤器类型
托卡马克偏滤器
托卡马克装置配备偏滤器后，被称为偏滤器托卡马克或偏滤器配置托卡马克。在这种设计中，粒子通过一个磁性的“间隙”被引导出去，这个间隙允许偏滤器的能量吸收部分被置于等离子体之外。采用偏滤器配置有助于更容易地实现更稳定的H模式运行。与反应器第一壁的大多数区域相比，偏滤器中的等离子体面对材料的应力明显不同。
仿星器偏滤器
在仿星器这类核聚变实验装置中，通过巧妙设计的磁场，可以创建出专门用于排除反应多余热量和粒子的偏滤器区域。W7-X仿星器上的岛式偏滤器技术已经展示了它在控制反应过程中的潜力，它通过注入氢气和添加杂质来有效控制热流和等离子体的分离状态。此外，等离子体边缘的磁岛链还负责调控等离子体的燃料供应。
示例
ITER项目：在国际热核聚变实验反应堆（ITER）中，环面的最低区域被配置为偏滤器，以处理强烈的等离子体-壁相互作用。
欧洲实尺寸的ITER偏滤器原型由Walter Tosto制造
欧洲联合环面：在欧洲联合环面（JET）的最新配置中，也采用了偏滤器设计。
JET（Joint European Torus-欧洲联合环状反应堆）
WEST装置：WEST装置是法国的核聚变研究项目，由原来的Tore Supra超导托卡马克装置升级而来，主要特点是采用了全钨偏滤器。中国科学院等离子体物理研究所与法国原子能委员会合作，负责研发和制造WEST装置的钨偏滤器部件。这些偏滤器部件对于研究聚变反应中的热量和粒子管理至关重要，有助于推动未来聚变能应用的技术发展。
首批交付部件
随着核聚变技术的不断突破，偏滤器作为核心组件之一，其发展至关重要。国际合作项目如ITER和JET，以及中国科学院等离子体物理研究所在WEST装置上的成就，标志着我们正朝着实现清洁、可持续聚变能源的未来稳步前进。偏滤器技术研发的每一次进步，都让我们离这个宏伟目标更近一步。
参考链接：
- https://baike.baidu.com/item/%E8%81%9A%E5%8F%98%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86%E5%81%8F%E6%BB%A4%E5%99%A8/22138880
- https://fusionforenergy.europa.eu/news/european-prototypes-for-iter-divertor-cassette-completed/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Divertor
- https://www.iterchina.cn/hydt/info/2020/13067.html
- https://www.iterchina.cn/jbzs/info/2013/12990.html
- https://www.iterchina.cn/hydt/info/2019/12949.html