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偏滤器是聚变堆中的重要的内部部件,在严酷工况下承担着磁位形约束、热能转换、排灰除杂等关键功能。偏滤器物理和工程技术的研究是目前聚变堆内部部件研究的主要方向之一。
本文在充分调研国内外托卡马克实验偏滤器和聚变堆偏滤器概念设计研究基础上,依据中国科学院等离子体物理研究所FDS团队提出的高温制氢聚变反应堆FDS-III总体设计方案和堆芯平衡研究,制定设计目标、要求、原则,进行了FDS-III偏滤器结构概念设计的研究,提出具有技术可行性氦气锂铅双冷偏滤器方案,除可以完成一般偏滤器的功能,还可以产氚。
结构设计充分考虑了与偏滤器物理以及FDS-III包层流动方案的耦合,根据FDS-III磁场位形优化结构使其能够获得有利于降低偏滤器面对等离子体表面的热流密度,采用纯钨作为靶板护甲,钨合金WL10作为热沉材料,液态金属LiPb作为冷却剂,简化热沉结构,利用氦气高速流动实现拱顶载荷与体积热的排除,实现偏滤器靶板可承受10MW/m2,打击点峰值热载荷。液态金属LiPb作为冷却剂可以作为增殖剂产氚。
在结构设计基础上,利用理论分析与数值计算相结合的方法,进行了热工水力学、机械力学性能分析研究。利用CFX、ANSYS等数值模拟程序进行计算分析与评估,初步证明了设计的合理性。