方正证券专题报告指出,偏滤器是磁约束核聚变装置中服役环境最严苛的核心部件,承担着排出氦灰和热流、屏蔽杂质、降低等离子体污染的关键使命。ITER偏滤器位于真空容器底部,由54个“盒式组件”构成,每个组件包含内侧垂直靶、外侧垂直靶和圆顶三个面向等离子体的部件。偏滤器材料在等离子体轰击下的性能演化直接关系聚变堆安全运行。安泰科技子公司安泰中科已实现钨铜偏滤器、钨铜限制器等全系列涉钨产品的研发和生产,国光电气在ITER项目中供应偏滤器产品。国内BEST等项目推进将释放偏滤器增量需求。
偏滤器——磁约束聚变最严苛的部件
偏滤器是托卡马克、仿星器等磁约束核聚变装置的核心部件之一,也是未来聚变堆主机内部服役环境最严苛的部件。其服役条件极端:需承受来自等离子体的超高温度(数千万摄氏度)、高中子通量及强粒子轰击。偏滤器具备两大基本功能:一是排出来自高温等离子体的粒子和热流及聚变产生的氦灰,维持等离子体纯度;二是有效地屏蔽来自第一壁材料产生的杂质,降低对等离子体的污染。偏滤器材料在等离子体轰击下的性能演化关系着聚变堆的安全运行,其设计和制造技术是聚变工程领域最具挑战性的课题之一。
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 盒式组件数量 | 54个 | 构成偏滤器主体 |
| 组件构成 | 3个靶/圆顶 | 内侧垂直靶+外侧垂直靶+圆顶 |
| 支撑材料 | 不锈钢 | 盒式组件外壳 |
| 面向等离子体材料 | 钨/铜 | 耐高温、低溅射 |
| 位置 | 真空容器底部 | 提取热量和灰烬 |
ITER偏滤器——54个盒式组件的复杂系统
ITER偏滤器由54个“盒式组件”构成,每个组件都采用不锈钢支撑结构。这些盒式组件组合在一起构成偏滤器的主体框架。每个盒式组件包含三个安装在钢制外壳上的面向等离子体部件:内侧垂直靶、外侧垂直靶和圆顶。垂直靶直接面对等离子体打击点,承受最高热流密度;圆顶位于偏滤器中心区域,辅助粒子排除。盒式组件内还安装了多个用于等离子体控制及诊断部件。偏滤器的设计需综合考虑热工水力、中子辐照、电磁力及真空密封等多重约束,制造精度要求极高。意大利SIMIC公司为ITER制造偏滤器盒体原型,采用316L(N)ITER级不锈钢及铝青铜合金,总质量约4.7吨。
钨铜材料——偏滤器制造的核心技术
偏滤器面向等离子体部件需承受极端热负荷和粒子轰击,材料选择至关重要。钨因具备高熔点(3422℃)、低溅射产额、低氢同位素滞留等优异性能,成为偏滤器面向等离子体材料的首选。铜合金作为热沉材料,具有优异导热性能,可快速将热量导出。钨铜复合结构的设计与制造(如钨铜偏滤器、钨铜限制器)是偏滤器技术的核心壁垒。安泰科技控股子公司安泰中科作为全球可控核聚变装置的核心供应商,已实现钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料等全系列涉钨产品的研发和生产。随着ITER及国内聚变堆项目推进,钨铜偏滤器市场规模有望持续扩大。
国内偏滤器产业链——从ITER到BEST的国产化路径
中国在偏滤器领域已形成较为完整的国产化能力。国光电气长期致力于托卡马克装置相关系统与部件研制,在ITER项目中供应偏滤器、屏蔽模块热氦检漏设备、包层第一壁等产品。合锻智能参与了偏滤器等核心部件的制造预研工作。中科院等离子体物理研究所WEST偏滤器部件产品已实现出口。国内BEST项目对偏滤器的需求将进一步释放产业链产能。从材料端(安泰科技、中洲特材)到部件制造端(国光电气、合锻智能),再到总装集成端,偏滤器产业链各环节均有望受益于国内可控核聚变项目加速推进。
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