在磁约束聚变托卡马克实验装置中，偏滤器主要功能是用于排出聚变等离子体带来的巨大热流和氦灰，屏蔽器壁产生的杂质。偏滤器承受着来自芯部等离子体的强热流和粒子流的作用，直接关系到装置的安全运行，偏滤器问题也是未来聚变堆能否实现的最关键难题之一。近期，中国聚变工程示范堆CFEDR的工程设计正式启动。CFEDR的聚变功率将达到GW级，大大超过正在法国建造中的ITER，因此CFEDR偏滤器设计的难度和挑战非常大。本文主要聚焦CFEDR的偏滤器物理设计。
本研究针对CFEDR常规 H 模式运行工况，设计了V型下单零偏滤器几何位形，采用 SOLPS-ITER 程序对边界等离子体输运开展了数值模拟研究，提出了杂质注入方案，满足偏滤器设计要求。
1.偏滤器几何位形设计
通过与磁场位形计算的迭代优化，设计了CFEDR偏滤器几何形状，如图1所示。其采用V形结构增强了封闭性，外打击点位置置于倾斜靶板上，有利于再循环粒子聚集于高温的刮削层区域，促进偏滤器脱靶，从而降低靶板热流和材料腐蚀。
图1.偏滤器几何形状及SOLPS-ITER程序模拟网格
2. 偏滤器运行模式设计
通过同时注入Ar与D2，总辐射功率份额可以超过90%，实现了内、外偏滤器靶板的深度脱靶，且峰值热负荷均低于 10 MW/m²，满足工程耐受极限。研究发现，在这种高辐射偏滤器运行工况下，沉积到偏滤器靶板上的辐射热功率将占主导，如图2所示。
图2 偏滤器内外靶板的关键参数剖面分布
3. 充气方案优化设计
对比了两组不同的Ar与D2充气率组合，发现通过提高主粒子D2的充气速率可显著降低所需Ar注入量，同时使边界的平均 Ar 杂质浓度和有效电荷数（Zeff），减少对芯部等离子体的污染，更兼容高约束运行需求，且钨偏滤器靶板寿命满足要求。
本文利用SOLPS-ITER边界模拟程序，评估了聚变功率为1.5 GW 的常规高约束模（H-mode）工况下 CFEDR 的偏滤器性能，结果表明同时注入Ar与D2可显著增强辐射功率，有效降低靶板热流，内、外靶板均实现近乎完全脱靶，峰值热负荷小于10 MW・m⁻²，满足工程限值要求。提高 D2充气速率可显著降低上游Ar杂质浓度及有效离子电荷数Zeff，更利于芯部高约束，且钨靶板的寿命满足设计要求。后续将继续优化偏滤器几何形状、打击点位置等，提升偏滤器He杂质和热排除能力，同时开展更高聚变功率运行工况下的偏滤器热排除研究。
第一作者介绍
丁锐，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研究员, PST期刊编委。主要从事磁约束聚变及等离子体与材料相互作用的研究。先后主持国家杰出青年基金、国家磁约束聚变能发展研究专项等科研项目。
Email: rding@ipp.ac.cn
通讯作者介绍
刘晓菊，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副研究员。主要从事偏滤器物理研究及装置偏滤器物理设计，是BEST、CFETR、CFEDR偏滤器物理设计的核心骨干。
Email: julie1982@ipp.ac.cn
论文链接：http://pst.hfcas.ac.cn/article/cstr/32219.14.2058-6272/ade124
PST 相关研究发文：
[1] Rui DING, Vincent S CHAN and Jiangang LI, “Integrated physics design of conventional H-mode scenario for China Fusion Engineering Demo Reactor”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 100101.
[2] Haochen FAN， Luoyu CHEN，Jiale CHEN et al, “Core plasma performance predictions with coupled core–pedestal integrated modeling for CFEDR H-mode pulse operation”，Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 104007.
[3] Hang LI, Miaohui LI, Guoqiang LI et al, “Design of magnetic equilibrium for CFEDR”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 104014
[4] Haiqing LIU, Gongshun LI, Yao YANG et al,“Preliminary study on the conceptual design and development of diagnostics for the CFEDR”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 104004
[5] Yuhao JIANG, Chengming QIN, Wei ZHANG et al, “Simulation analysis of ICRF heating scenarios for CFEDR”, Plasma Sci. Technol. 27 (2025) 104012
