本发明属于磁约束聚变技术领域，具体涉及一种托卡马克鼎偏滤器磁场位形构建方法。
背景技术：
偏滤器作为现代聚变托卡马克装置不可缺少的部分，肩负着排灰，排热和控制杂质进入主等离子体的三大功能。随着托卡马克实验装置等离子体运行参数的提高和辅助加热的增多，在偏滤器位形下，更多的能量流出分离面,沿着磁力线流向偏滤器，并沉积在偏滤器靶板表面。实验结果显示，热流在外中平面处的径向能量衰减长度，主要与外中平面的极限磁场的强度有关，国际热核实验堆(ITER)的能量衰减长度仅约为1毫米，其它在运行和在建的大型托卡马克装置的外中面的热流宽度在毫米这个量级。以ITER例，其总加热功率(辅助加热和阿尔法粒子加热)达150MW，除去芯部等离子体辐射掉的功率，流进边缘的能量达87MW，如果按照能量衰减长度为1mm进行估算的话，即使靶板处的磁面展宽达20倍(较小的靶板倾斜角)，ITER偏滤器靶板的最高热负载将达到60MW/m2，大大超出了现在偏滤器靶板表面材料的承受能力和偏滤器靶板冷却技术的要求，为了使靶板的热负载降到当前工程可接受的阈值10MW/m2，允许流进边缘到达靶版的能量仅为15MW，需约90％的加热功率在到达靶板前被辐射掉，或者需要更大的靶板处的磁面展宽，有效的分散靶板的热流，达到缓解靶板热负载的目的。其次是偏滤器还需排除聚变产生的氦灰，并屏蔽杂质粒子进入主等离子体区域，确保主等离子体区域的洁净。
偏滤器位形是偏滤器设计和研究最为关键的因素之一，针对缓解偏滤器靶板热流的问题，国际上开展了通过改善磁场位形来缓解偏滤器靶板热流的研究，即先进偏滤器的设计和研究，最先提出的是CUSP偏滤器和X偏滤器，它们在偏滤器的靶板附近增加一对或是两对极向场线圈，在靶板附近产生一个额外的X点(即第二X点)，偏滤器靶板位将覆盖磁场的第二X点，CUSP偏滤器和X偏滤器是通过流扩张的方法实现增大热流分布宽度从而降低热流幅度，两个线圈的距离相对接近，不能无限增加靶板的沾湿面积以及控制沾湿面积的位置，此外，线圈靠近偏滤器靶板处，对于偏滤器的设计的空间不足，线圈的设计也带来很多的困难，尤其是超导托卡马克的偏滤器位形设计，也不能充分的利用位形的第二个X点对靶板的热流起缓解等作用。超级X偏滤器是针对CUSP偏滤器和X偏滤器进行的改进，通过极向场线圈的优化布置，把偏滤器靶板的打击点尽可能的向外侧移动，并在靶板附近产生尽可能的大磁面膨胀，增加等离子体的沾湿面积。因此，超级X偏滤器位形通过增加靶板所处的径向位置，进一步增加了靶板的沾湿面、等离子体到偏滤器靶板的连接长度和偏滤器腿部的长度(第一个X点到靶板的长度)，最大化提升偏滤器排热的能力，该位形不仅可以降低芯部的辐射负担，使芯部等离子体具备高功率密度运行的能力，还有利于隔绝偏滤器和芯部等离子体之间的联系，尤其是中性粒子和杂质粒子的沿着磁力线流向芯部区域的影响。超级X偏滤器位形的实现对工程设计提出了极高的要求，尤其是在超导托卡马克装置下的线圈设计，其次是内外偏滤器都设计超级X偏滤器位形，空间受到了限制，如果内外偏滤器中，仅有一处采用超级X偏滤器位形，则另一侧会出现相对常规偏滤器更高的热负载，如果通过实现双零偏滤器来改进，则面对上下线圈电流无法时时一致，形成准双零的放电，其内靶板的热负载依然很高。雪花偏滤器是将原本标准偏滤器上的一阶X点变为二阶X点，二阶X点将标准X点的4条分支变为6条分支，该位形在其二阶X点附近存在一个非常大的极低极向场区域，有效地实现磁面膨胀，增加等离子体的沾湿面积和增大从最外中平面到偏滤器靶板的连接长度，弱场区也会引起X点附近区域的粒子损失增强，通过极向磁场接近为零的高极向比压区域，等离子体会出现强对流扩散，然后再沿着四条腿流向靶板，但是雪花偏滤器的靶板太接近主等离子体区域，虽然可以减低热负载，但达到靶板的粒子温度很高且粒子分散，无法对粒子进行有效的控制，尤其是杂质粒子密度的控制。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题为：现有的的托卡马克磁约束等离子体实验装置的常规偏滤器靶板受热面积较小，在高加热运行条件下，偏滤器靶板冷却面临重大的技术挑战。
本发明的技术方案如下所述：
一种托卡马克鼎偏滤器磁场位形构建方法，具体为：设置第一极向场线圈、第二极向场线圈、第三极向场线圈和第四极向场线圈，所述第一极向场线圈、第二极向场线圈、第三极向场线圈和第四极向场线圈的几何中心位置与第一X点的距离分别为1～1.5a、1.5～3a、1.5～3a和1.5～2.0a，其中a为等离子体小半径；第一极向场线圈和第二极向场线圈之间的距离为0～1.0a，第二极向场线圈和第三极向场线圈之间的距离为0.3～1.0a；
第一极向场线圈、第二极向场线圈、第三极向场线圈和第四极向场线圈的电流大小与该线圈与主等离子体中心的距离和所需的第二X点的位置密切相关，其中，第一极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为0.1～0.6Ip，Ip为等离子体电流；第二极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为1.0～2.0Ip；第三极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为0.1～2.0Ip，第四极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为0.2～1.0Ip。
本发明的有益效果为：
本发明的方法，充分考虑磁场结构和偏滤器物理运行的需求，利用第二X点来增加第一X点到靶板的连接长度，加大靶板的受热面积，此外，第二X点还具备分散流向偏滤器靶板的热流，影响杂质沿磁力线流向芯部区域，增加两个X点的距离，弱化偏滤器区域与主等离子体区域的相互影响，利用X点的磁场为零的特点，切断来自靶板的杂质带电粒子流向芯部的渠道，提高靶板处的粒子密度。
鼎偏滤器磁场位形结构，不仅能缓解靶板热负载，改善偏滤器运行与芯部高加热等离子体运行的兼容性，提升偏滤器对粒子的控制能力，更好发挥其排灰和屏蔽杂质的特性，也降低实现先进偏滤器位形对线圈电流强度和线圈布置复杂程度的要求。
附图说明
图1为鼎偏滤器平衡磁场位形极向场线圈分布示意图；
图2为鼎偏滤器平衡位形示意图；
图3为鼎偏滤器位形和靶板示意图；
图4为常规和鼎偏滤器靶板的热负载剖面示意图；
其中，1-第一极向场线圈，2-第二极向场线圈，3-第三极向场线圈，4-第四极向场线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种托卡马克鼎偏滤器磁场位形构建方法进行详细说明。
图1所示为构建鼎(Tripod)偏滤器磁场位形的极向场线圈分布示意图，结合偏滤器位形的拉长比和三角形变参数决定的X点位置，第一极向场线圈1、第二极向场线圈2、第三极向场线圈3和第四极向场线圈4的几何中心位置与第一X点的距离分别为1～1.5a、1.5～3a、1.5～3a和1.5～2.0a，其中a为等离子体小半径。第一极向场线圈1和第二极向场线圈2之间的距离为0～1.0a，第二极向场线圈2和第三极向场线圈3之间的距离为0.3～1.0a。
第一极向场线圈1、第二极向场线圈2、第三极向场线圈3和第四极向场线圈4的电流大小与该线圈与主等离子体中心的距离和所需的第二X点的位置密切相关，其中，第一极向场线圈1的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为0.1～0.6Ip，Ip为等离子体电流；第二极向场线圈2的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为1.0～2.0Ip；第三极向场线圈3的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为0.1～2.0Ip，第四极向场线圈4的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为0.2～1.0Ip。
极向场线圈的大小主要由平衡位形所需的极向线圈电流、线圈承受的电流密度极限和线圈所在的空间位置来决定。
如果是设计为双零位形的鼎偏滤器位形，上下的线圈设计可以对称分布，如果是下单零的鼎偏滤器位形，则采用如图1所示的下侧线圈分布设计。根据线圈分布和线圈匝数，结合等离子体电流大小、比压和内感等参数，设置线圈的电流参数，在自由边界条件下计算平衡位形，通过程序解Grad-Shafranov方程，并不断调试各个线圈的电流值，优化平衡位形的参数以及第二X点的磁面位置，尤其是是控制X点与偏滤器靶板的距离，形成鼎偏滤器位形的平衡位形。
图2所示为鼎偏滤器位形示意图，在平衡位形分离面第一X点、远离芯部主等离子体区域、于分离面一侧形成第二X点，保持第一X点与第二X点的距离0.4a～2.0a，实现足够长的连接长度和偏滤器腿长，有利于降低靶板前的等离子体温度，提升等离子体密度。
为了增加靶板的有效受热面积，最大化的降低靶板的热流，热流主要集中以红色标出的两个磁面之间(流向偏滤器靶板的热流宽度主要受外中面的极向场强度的影响)，第二X点位于两个磁面之间，磁面与分离面磁面在外中平面的距离为0.1λq～1.2λq，λq为外中平面处的热流通道宽度，增大主要承受热流区域的靶板面积，高效的降低靶板的热负载，尤其是偏滤器靶板处的最高热负载。
为了进一步增加偏滤器靶板的受热面积，如图3所示的偏滤器磁场位形和靶板示意图，采用简单的靶板几何形状，第二X点位于偏滤器靶板的前方，通过第二X点起到的分流作用，形成流向偏滤器的3条热流通道，图中蓝色小圆圈里面的数字标出，同时优化偏滤器靶板与3条磁力线的夹角，进一步降低靶板的热负载。
第二X点位于偏滤器靶板的前方，利用第二X点的位于靶板前方起到减弱与芯部等离子体的联系，减少来自靶板表面材料的带电杂质粒子沿着磁力线流向芯部等离子体区域，增强偏滤器靶前第二X点附近的辐射，增强靶板的中型粒子的密度和压强，提升对偏滤器区域的粒子的控制能力。
图4所示为偏滤器靶板热负载剖面，在相同的芯部边界条件下，对于常规偏滤器，最高热负载位于靠近分离面的区域，并集中在很小的靶板面积内，而对于鼎偏滤器位形，即使不考虑第二X点对径向扩善输运影响，靶板的最高热负载不到常规偏滤器的30％，剖面呈现出较扁平的分布，最高热负载的地方也因为第二X点的作用，位于靶板上距离分离面约15cm的地方。