托卡马克装置鱼尾偏滤器的研究

A new divertor concept, the Fishtail divertor (FTD), is proposed and investigated on EAST, which can quickly move the strike point along the radial and poloidal direction like the swing of fishtail by additional alternating magnetic field. The maximum moving distance of the strike point is controlled by the alternating field amplitude. The wetted area of the heat flux is widened, so that the averaged heat load is reduced..Based on the results from numerical simulations and preliminary engineering design, it is found that FTD has the following advantages compare with other divertor concepts, such as the Snowflake divertor, X-divertor, Super-X divertor, and X-point target divertor :.1. The precise radial profile of the heat flux becomes unimportant;.2. Uniform distribution of the heat flux on the divertor plate;.3. Reliable controls the heat load region on the divertor plate;.4. Little effect on the plasma shape and X point location;.5. Feasibility from the engineering and technology point of view;.6. Fast swing is possible and can be utilized for ELM mitigation.

鱼尾偏滤器（Fishtail divertor简称FTD）是一种托卡马克装置偏滤器磁位形新技术概念。在偏滤器靶板后、靠近打击点的位置安置加载交变电流的极向场单匝线圈，其交变极向磁场使打击点产生类似鱼尾的摆动，动态扫描扩展偏滤器靶板上的热流沉积区，减小靶板单位面积上的热流密度，降低靶板表面温度。与近几年发展的偏滤器静态磁位形新概念相比具有更大的优势：1、不需要分析计算热流分布的不均匀性，热流沉积区均匀性好；2、能够调节线圈电流控制摆动宽度，具有可控性；3、线圈靠近打击点，对等离子体形状和X点位置影响小；4、打击点摆动频率超过2kHz，有可能进一步缓解ELM热脉冲的影响；5、高可靠性；6、结合长腿偏滤器和部分辐射冷却热流，FTD线圈能够放置在包层和中子屏蔽层后躲避中子照射，有可能在核聚变反应堆里使用。

聚变高温等离子体中超过一半的加热能量，由输运出来的能量粒子流向偏滤器靶板，靶板上热流强度超过50MW/m2，在高约束热脉冲模式运行条件下，热流强度能够达到约几百MW/m2，远超过偏滤器靶板材料的使用限度（10-20 MW/m2）。国际核聚变实验堆ITER要求必须把流向偏滤器的热流减小70%以上。 .为了减小偏滤器靶板热负荷，开展辐射偏滤器实验研究，同时也提出了一些偏滤器新概念，如“雪花偏滤器”、“超级X偏滤器” 等，这些偏滤器新概念都属于偏滤器静态磁位型。.项目负责人于2015年提出鱼尾偏滤器（Fishtail Divertor简称FTD）新概念，力图解决未来托卡马克聚变堆偏滤器靶板上窄小区域热负荷超限问题。鱼尾偏滤器是利用偏滤器靶板后单匝线圈的交变电流摆动打击点（类似于鱼尾摆动），动态扫描扩展偏滤器靶板上的热流沉积区，减小靶板单位面积上的热流密度，较快的摆动有可能进一步缓解热脉冲对靶板的影响。.实验表明，FTD线圈峰值电流+/- 5kA和+/-6kA时，探针测量到粒子流分布峰值的摆动距离分别约4 cm和约 5 cm。进一步的研究显示偏滤器靶板上热流打击点的摆动距离与FTD线圈电流基本成正比与等离子体电流成反比。初始打击点越靠近FTD线圈，摆动效果越好。通过对比放电显示， FTD投入时偏滤器靶板温度分布表现出与FTD同频摆动的特点，高温区分布展宽，高温点处的温度整体下降。.鱼尾偏滤器FTD只是针对未来聚变堆窄热流情况设计的新偏滤器概念，EAST实验表明鱼尾偏滤器具有打击点摆动的能力，可以通过打击点摆动扩大热流沉积区域，减小偏滤器靶板上的热流强度，使其达到靶板材料的安全使用要求。模拟研究发现对于1kHz热脉冲，打击点摆动频率只要100Hz就可以对1kHZ的热脉冲进行有效缓解，靶板表面温度从2100℃降到420℃。.研究发展了模块化等效双线圈鱼尾偏滤器FTD。