材料化工与矿业
偏滤器设计新思路——气体容器
投稿人:韩永全 投稿时间:2019.11.16 15:02 访问量:

偏滤器(Divertor)是环形聚变装置(例如:托卡马克)的组成部分,这种装置是用来把放电的外壳层内的带电粒子偏滤到一个单独的室内,在此带电粒子轰击挡板,变为中性粒子被抽走。

我们来观察上图这个火炉偏滤器所在的位置,聚变燃料氘氚以等离子体态在“炉膛”——主真空室中燃烧,燃烧后的“炉渣”——氦灰以及混在燃料的其他杂质穿过磁力线组成的“炉箅子”——分界面(separatrix),而进入“炉底”——偏滤器中,紧接着氦灰与杂质就被抽气泵抽走,这个抽气泵就起着火钳的作用啦。我们看得出:偏滤器需要耐高温材料。


由于我们的惯性思维,通常用固体盛放液体、气体。我们能不能用气体盛放气体、液体固体等呢?我的回答是肯定的。高速旋转的气体不仅能盛放气体、液体、固体等,还是最好的耐高温材料,因为气体是物态变化的“终极”状态,不再“怕”高温。

理论分析:龙卷风就是一个气体容器自然界的实例——龙卷风能“挡住”空气等粒子进入到龙卷风中空的空间,不但如此,高速旋转的气体还能屏蔽辐射,即可以起到隔绝热传递。标准状态下,1mol任何气体的体积都是V=22.4L,除以阿伏加德罗常数(6.02×1023)就得每个气体分子平均占有的空间,该空间的大小是相邻气体分子间平均距离D的立方。D=3×10-9 m。气体分子的直径约是10-10米,也就是说,气体之间的距离是纳米级的。通常情况下,辐射粒子能顺利通过或衍射、散射通过气体的空隙,一般的微观粒子例如分子、原子都能顺利通过。但是在气体旋转的情况下,辐射粒子及微观粒子就不会顺利通过气体分子之间的间隙。打个比方,比如打靶。如果“靶”是静止的,枪法好的命中率会很高,如果“靶”是运动的,即使原来(靶静止的情况)命中率很高,其命中率也会大大降低,如果运动速度极大,命中率会几乎趋于零。水龙卷的形成与这个道理相似。在通常情况下,气体分子的间隙是10-9 m,由于龙卷风中心的速度在100米/秒以上,我们就按龙卷风的速度是100米/秒计算,通常情况下气体分子的间隙——10-9 m,除以龙卷风的速度,气体的分子间隙即变成10-11m——相当于没有龙卷风时气体分子之间的间隙,即缩小了100倍。这样辐射穿过都不太容易,即能隔热。

偏滤器的新设计方法:方法1、我们在偏滤器内充满惰性气体(例如氩气),并且在偏滤器内壁装有风叶,高速旋转偏滤器使其内部形成一个中空的气体容器,旋转速度也快,中空的容器——偏滤器的耐高温、密闭性越好,偏滤器中空的一端可以与燃烧等离子体相对应。2、也可以在偏滤器内部也加一个旋转装置,内壁也装有风叶,内部旋转装置和偏滤器转的方向相反,这样更容易形成中空的容器。这种偏滤器——它具备耐高温,抗腐蚀等等功能。是托卡马克的组成部分——偏滤器最佳选择。这样的偏滤器的材料可以用普通的材料制成,不必考虑必须具备:它具备高熔点,抗腐蚀特点。因为惰性气体不怕腐蚀、耐高温,而且高速旋转的惰性气体能盛放带电粒子及辐射,这种经过改造的偏滤器是极好的耐高温装置,或还可以应用到温度要求更高的坏境使用,例如燃烧等离子体装置。

小结:气体或许是最好的耐高温材料,气体的耐高温或许能达到耐高温的极限,所以耐高温材料的研究方向应该转向对气体的研究。