托卡马克装置关键部件介绍——偏滤器

图片中托卡马克装置下面这个蓝色的形如“W”的部件就是偏滤器了。他负责将聚变反应后的灰烬排出装置外面，也就是氘氚反应之后生成的“氦灰”。如果不及时排出的话，氦会聚集在等离子体中，它本身不能参与反应，那么就会稀释掉能反应的氘和氚，降低燃烧效率。就像冬天家里烤火炉，当煤块燃烧完之后要把灰烬取出来，否则炉子会越来越冷直到熄灭。偏滤器就发挥着灰烬取出的作用，如果没有它，整个装置就无法长时间运行了。

那么偏滤器是怎么将氦灰排出装置的呢？聪明的科学家想到既然磁场可以用来约束粒子，那么也可以用来排出粒子呀！粒子沿着磁场运动，就好比公路上飞驰的汽车，那么我们稍微设计一下磁场，给它加个岔路，是不是就有汽车会从岔路驶离了呢？果真若此！于是科学家在托卡马克装置底部放置了另一个线圈，这个线圈产生的磁场可以和等离子体电流产生的磁场关联，形成一个X点，X点处的极向磁场为0，这地方就如同高速公路岔路口，粒子可以选择待在X点上面，继续留在芯部，也能选择从下面溜走，离开芯部。下面的图很清晰地展示了这一点。

是不是很像从马路驶离呢？就像右图芯部等离子体中高速运动的粒子经过分离线时，有一部分粒子会从分离线外面沿着设计好的磁场驶离芯部，他们会携带着能量一路向下到达偏滤器靶板，然后被泵抽走。这就实现了排灰功能。

有聪明的小朋友很快就会发现问题了，这个分离线不想真正道路那样只允许小汽车通过不允许大货车通过，那要怎么保证只是氦灰被排出而保留有用的氘和氚呢？这的确是很好的问题，确实，氘氚经过分界线后也会到达靶板被泵抽走，所以我们会在后续处理中分理处氘和氚，只去掉氦灰，然后再把氘和氚重新注入到芯部就好啦。就像从高速公路上走错路的车，还是能绕一圈再回来的。

当然，这看似简单的原理背后也有困难的工程问题。那就是从芯部下来的粒子带有很高的能量。就像从高速上下来的汽车，速度还是很快，如果不减速的话就会撞坏收费站。托卡马克装置中也面临着这样的问题。那要怎么办呢？科学家想到了三个思路，第一个是让粒子减速，第二个是加固靶板，第三个是让粒子斜着撞击。让粒子减速当然是最有效的，就像从高速公路上下来的匝道上有很多减速带。右图下面的注气就是这种作用，通过注入冷的气体，将粒子的温度和速度都降下来，避免损坏靶板。然后科学家用钨来制造靶板，这种材料是世界上熔点最高的材料，如果它都扛不住，那就没有东西能扛得住了。最后，科学家通过倾斜布置靶板，让粒子斜斜地入射进来，不要迎面撞击，用这种避其锋芒的智慧来保护靶板。

看起来这三种方法三管齐下肯定能完美解决问题，但是理想很丰满，现实很骨感。因为科学家毕竟不是托卡马克磁场上的交警，他们没办法控制注气的气体是不是会跑到堆芯，要是大量注气的气体跑到堆芯了，那就把堆芯也冷却了，这是很糟糕的事情。并且虽然钨的熔点高，但是氦灰不仅能量大，它还能魔法攻击靶板，它会通过一系列物理作用侵蚀靶板，导致靶板虽然没有熔化，但会开裂，也会导致不能用。

面对这些问题，等离子体所里聪明的科学家们也思考地掉了不少头发，有控制注气实现可控脱靶的，有研制钾钨复合材料或者高性能冷却结构的，也有考虑拓宽磁场分散粒子的……但是总之，这个问题目前还没有圆满解决。聪明的小朋友们要好好努力学习，未来解决这些大难题就靠你们了！