一种用于缓解磁约束聚变装置中偏滤器热负荷的等离子体窗结构

本技术涉及磁约束聚变和无窗密封，具体涉及一种用于缓解磁约束聚变装置中偏滤器热负荷的等离子体窗结构。

背景技术：

1、偏滤器是磁约束聚变装置的重要组成部分。偏滤器的主要功能是排出来自芯部的粒子流和热流，同时屏蔽来自装置器壁的杂质，减小杂质对芯部等离子体的污染。偏滤器热负荷问题面临着巨大挑战，来自托卡马克芯部的粒子流和热流会沿着sol输运到偏滤器靶板。根据估算，以iter装置为例，若采用普通的未经优化的偏滤器，到达偏滤器靶板稳态热流可能超过100，瞬态热流可能还要高一个数量级。而目前最先进的iter-like钨铜水冷偏滤器能承受的热负荷约为15。两者之间有1-2个数量级的差距，偏滤器靶板热流控制问题己经成为未来长脉冲稳态运行聚变堆的拦路虎。目前通过在靶板附近充入额外的中性气体，使偏滤器进入脱靶运行状态，能够有效缓解靶板热负荷。然而，由于偏滤器室与主真空室相连通，充入氘气过多可能会影响主等离子体的正常放电，若注入惰性气体可能会污染主等离子体，对芯部等离子体的约束性能造成严重影响，甚至导致破裂。

2、因鉴于此，特提出本实用新型。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种用于缓解磁约束聚变装置中偏滤器热负荷的等离子体窗结构。

2、等离子体窗是一种利用一段热等离子体来实现高低真空间的无窗密封手段。由于等离子体窗具有允许高温带电粒子通过，而阻碍低温中性粒子通过的特性，若能将其应用在磁约束聚变装置中来分隔主真空室和偏滤器靶板区域，有可能在提高偏滤器气压、减小靶板热负荷的同时，防止中性气体和高z杂质进入主等离子体。

3、所以，开发一种方案能使用等离子体窗将磁约束聚变装置的主真空室和偏滤器室分隔开，阻止中性气体进入主真空室上游，就可以在偏滤器区域充入更多的气体，形成一个“高压气体靶”，从根本上解决偏滤器热负荷问题。基于此，本实用新型技术方案详述如下：

4、一种用于缓解磁约束聚变装置中偏滤器热负荷的等离子体窗结构，所述磁约束聚变装置包括主真空室和偏滤器室，所述偏滤器室设有偏滤器靶板，偏滤器室喉部宽度收窄，且在偏滤器室喉部收窄的位置和主真空室之间构造有狭长区域形成等离子体窗，所述偏滤器室设有充气孔用于向偏滤器靶板所在区域充入中性气体形成等离子体窗的高气压端。

5、上述等离子体窗结构在使用时，由于偏滤器靶板所在区域为高气压端，主真空室区域为低气压端，因此，中性气体是由偏滤器靶板所在区域进入等离子体窗再进入主真空室区域，进入等离子体窗区域的大部分中性气体可以被从主真空室刮削层来的热流电离，形成几个电子伏特的低温高密度等离子体，具有允许高温带电粒子通过而阻碍低温中性粒子通过的特性，即形成等离子体窗，起到阻隔中性气体的作用。

6、可选或优选的，上述等离子体窗结构中，在所述等离子体窗与所述主真空室交界处设有抽气口用以阻止从高气压端来的未被电离的剩余中性气体进入主真空室上游。

7、与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

8、本实用新型通过收缩偏滤器室喉部宽度并在偏滤器室喉部与主真空室交界处增加狭长区域形成等离子体窗的结构，利用等离子体窗能允许高温带电粒子通过而阻碍低温中性粒子通过的特性，在保持磁约束聚变装置的主真空室所需的中性气压的同时，增加偏滤器室内偏滤器靶板附近的中性气压，形成一个高压气体靶，阻挡来自上游主等离子体的粒子流和热流，缓解偏滤器靶板的高热负荷。

9、另外在等离子体窗与所述主真空室交界处增加抽气口，阻止从高气压端来的未被电离的剩余中性气体进入主真空室上游。

10、本实用新型的结构可直接在现有托卡马克基础上进行改造，改造成本低，结构简单，缓解偏滤器热负荷效果明显。

技术特征：

1.一种用于缓解磁约束聚变装置中偏滤器热负荷的等离子体窗结构，所述磁约束聚变装置包括主真空室和偏滤器室，所述偏滤器室设有偏滤器靶板，其特征在于，偏滤器室喉部宽度收窄，且在偏滤器室喉部收窄的位置和主真空室之间构造有狭长区域形成等离子体窗，所述偏滤器室设有充气孔用于向偏滤器靶板所在区域充入中性气体形成等离子体窗的高气压端。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，在所述等离子体窗与所述主真空室交界处设有抽气口用以阻止从高气压端来的未被电离的剩余中性气体进入主真空室上游。

技术总结
本技术公开了一种用于缓解磁约束聚变装置中偏滤器热负荷的等离子体窗结构，所述磁约束聚变装置包括主真空室和偏滤器室，所述偏滤器室设有偏滤器靶板，偏滤器室喉部宽度收窄，且在偏滤器室喉部收窄的位置和主真空室之间构造有狭长区域形成等离子体窗，所述偏滤器室设有充气孔用于向偏滤器靶板所在区域充入中性气体形成等离子体窗的高气压端。该结构可以在保持主真空室所需的中性气压的同时，增加偏滤器靶板附近的中性气压，形成一个高压气体靶，阻挡来自上游的粒子流和热流，有效缓解靶板的高热负荷。

技术研发人员：余修铭,肖池阶,杨肖易,徐田超,何任川,张祖煜,盖跃,许敏,余羿
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：20230612
技术公布日：2024/1/15