本发明属于磁约束聚变设计技术领域，具体涉及一种托卡马克混合偏滤器磁场位形构建方法。
背景技术：
偏滤器作为磁约束托卡马克装置的最为重要的关键部件之一，用于排除从芯部等离子体进入边缘区域并流向偏滤器的热量，同时排出在芯部区域由于聚变反应产生的阿尔法粒子冷却下来的“氦灰”粒子，确保芯部等离子体的洁净,维持聚变反应的持续。此外，偏滤器还控制在边缘区域产生或者主动注入的杂质粒子进入主等离子体区域。
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，流出分离面进入刮离层和偏滤器区域的能量将沿着磁力线流向偏滤器，并在很小的偏滤器靶板处沉积，实验和理论计算结果显示，热流在外中平面处的径向能量衰减长度，仅与外中平面的极限磁场的强度相关，国际热核实验堆(ITER)的衰减长度仅约为1毫米，而未来的卡马克聚变装置在外中面的热流宽度也在毫米这个量级，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，对于内偏滤器和外偏滤器的靶板设计都是一个巨大的挑战，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。
为了缓解靶板的热负载，注入的杂质无法避免的将流进主等离子体区域，对芯部燃烧等离子体的高参数运行造成严重的威胁，尤其是在更高的聚变功率和加热功率条件下。如果未来的聚变堆实现3GW的聚变功率，那流进偏滤器的功率远超过ITER装置，过高的热负载也将产生更多的杂质，对物理运行和工程设计等都是挑战，这一直是聚变堆偏滤器设计研究的重点。
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：现有的偏滤器磁场位形构建方法所构建出的偏滤器磁场位形会使靶板受热面积较小，在高加热运行条件下，靶板热流面临重大的挑战。
本发明的技术方案如下所述：
一种托卡马克混合偏滤器磁场位形构建方法，具体为：
在强场侧设置第一极向场线圈、第二极向场线圈和第三极向场线圈，所述第一极向场线圈、第二极向场线圈和第三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和1.5～3a，其中a为等离子体小半径；
所述第一极向场线圈和第二极向场线圈之间的距离为0～1.0a，所述第二极向场线圈和第三极向场线圈之间的距离为0～1.0a；
在弱场侧设置第四极向场线圈、第五极向场线圈和第六极向场线圈，所述第四极向场线圈、第五极向场线圈和第六极向场线圈的几何中心位置与第一X点的距离分别为1～2.5a、1.5～2.5a和2～3a；
所述第四极向场线圈和第五极向场线圈之间的距离为0～1.0a，所述第五极向场线圈和第六极向场线圈之间的距离为1～2.0a；
所述第一极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为0.2～0.5Ip，Ip为等离子体电流；所述第二极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为1.0～4.0Ip；所述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1.0～5.0Ip；所述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0.2～2.0Ip；所述第五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；所述第六极向场线圈的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为0.1～0.5Ip。
本发明的有益效果为：
使用本发明的方法构建的混合偏滤器磁场位形，充分结合托卡马克磁约束聚变堆装置的结构特征，以及偏滤器磁场结构和偏滤器物理运行的需求，内偏滤器靶板附近的刮离层一侧产生第二个X点的等离子体平衡位形，通过优化第二X点与第一X点的距离等，形成雪花减(左)偏滤器位形，具备了雪花偏滤器的特征，增强内靶板的等离子体沾湿面积和连接长度，在无过多空间情况下，实现降低内偏滤器靶板热负载和提升粒子控制的目标；与此同时，在不受内偏滤第二X点影响的情况下，在外偏滤器区域，在尽可能离第一X点远、且在大于大半径的径向距离外偏滤器靶板处，形成第三X点的平衡位形，使外偏滤器也具备了更大的靶板磁面膨胀系数、增加偏滤器腿长以及实现更长的磁力线连接长度等特性，具备了超级X偏滤器的特征，实现降低内外偏滤器靶板热负载和增强靶板粒子控制的要求。
混合偏滤器磁场位形结构，具备同时降低内外偏滤器靶板热负载和增强靶板粒子控制的能力，改善了偏滤器运行与芯部高加热等离子体运行的兼容性。
附图说明
图1为混合偏滤器平衡位形极向场线圈分布示意图；
图2为混合偏滤器平衡位形示意图；
图3为混合偏滤器位形的靶板示意图；
图4为混合偏滤器内靶板的热负载剖面示意图；
图5为混合偏滤器外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，5-第五极向场线圈，6-第六极向场线圈。
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混合偏滤器磁场位形构建方法进行详细说明。
混合偏滤器位形，主要结合托卡马克磁约束聚变堆装置的结构特征，即强场侧空间紧凑而弱场侧空间相对充裕的特点，通过装置极向场线圈的重新优化分布，实现在内偏滤器靶板附近的刮离层一侧产生第二个X点的等离子体平衡位形，通过优化第二X点与第一X点的距离等，形成具备雪花减(左)偏滤器位形，增强内靶板的等离子体沾湿面积和连接长度，在内偏滤器有限的空间条件下，实现降低内偏滤器靶板热负载和提升粒子控制的目标；与此同时，在不受内偏滤第二X点影响的情况下，在外偏滤器区域，在尽可能离第一X点远、且在大于大半径的径向距离外偏滤器靶板处，形成第三X点的平衡位形，使外偏滤器也具备了更大的靶板磁面膨胀系数、增加偏滤器腿长以及实现更长的磁力线连接长度等特性，具备了超级X偏滤器的特征。因此，实现位形具备同时降低内外偏滤器靶板热负载和增强靶板粒子控制的设计要求。
图1给出了混合偏滤器平衡位形线圈分布示意图，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，在强场侧，第一极向场线圈1、第二极向场线圈2和第三极向场线圈3的几何中心位置与第一X点的距离分别为1～1.5a、1.5～3a和1.5～3a，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0～1.0a。相对于内偏滤器空间受到限制，外侧偏滤器的空间相对富裕，在弱场侧，第四极向场线圈4、第五极向场线圈5和第六极向场线圈6的几何中心位置与第一X点的距离分别为1～2.5a、1.5～2.5a和2～3a，第四极向场线圈4和第五极向场线圈5之间的距离为0～1.0a，第五极向场线圈5和第六极向场线圈6之间的距离为1～2.0a。
第一极向场线圈1、第二极向场线圈2和第三极向场线圈3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，第一极向场线圈1的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为0.2～0.5Ip，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反，大小为1.0～4.0Ip。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1.0～5.0Ip。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0.2～2.0Ip。第五极向场线圈5的电流方向与等离子体电流方向相同，大小为1.0～2.0Ip。第六极向场线圈6的电流方向与等离子体电流方向相反，大小为0.1～0.5Ip。
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混合偏滤器位形，上下的线圈设计可以对称分布，如果是下单零的混合偏滤器位形，则可采用如图1所示的下侧线圈分布。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和第三X点的磁面位置，形成混合偏滤器位形的平衡位形。
图2给出了混合偏滤器位形示意图，内偏滤器区域的分离面一侧形成第二X点，第二X点与第一X点的距离为0～0.4a，使其具备较大的弱极向场面积区域，形成雪花减(左)的内偏滤器位形；对于外偏滤器，在第一X点、外偏滤器区域、于分离面一侧形成第三X点，第三X点与第一X点的距离大于a，且第三X点在径向上的位置R>(R0+a)，其中R0是等离子体的大半径，使其具不仅具备了大的偏滤器腿长、连接长度和大的磁面膨胀，形成超级X的外偏滤器位形。
为了增加靶板的有效受热面积，最大化的降低靶板的热负载，如图3所示，内偏滤器的第二X点磁面与分离面磁面在外中平面的距离应小于的热流通道的宽度，热流主要集中在热流宽度以内，并到达偏滤器区域，偏滤器靶板位于第二X点附近，使磁场的磁力线与偏滤器靶板的夹角不小于1度，从而达到了增大承受热流的靶板面积，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。
为了在降低内靶热流的同时，能有效地降低外偏滤器靶板的热负载，如图3所示，第三X点磁面与分离面磁面在外中平面的距离应小于的热流通道的宽度，热流主要集中在热流宽度以内，偏滤器靶板位于第三X点附近，使磁场的磁力线与偏滤器靶板的夹角的角度不小于1度，这样从第一X点第三X的腿长和磁力线的连接长度，还具备了增大的承受热流的靶板面积，实现高效的降低靶板热负载，尤其是偏滤器靶板处的最高热负载。
如图4所示的混合偏滤器内靶板的热负载剖面，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，对于雪花滤器位形而言，在不考虑第二X点对径向扩善输运影响的情况下，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，内靶板上最该热负载在位于距离分离面约20cm的地方。
如图5所示的混合偏滤器外靶板的热负载剖面，对于常规偏滤器，大部分的能量将在靠近分离面很小的靶板面积内沉积，形成极高的靶板热负载，对于外超级X偏滤器而言，尤其大的偏滤器腿长和连接长度，有效的降低到达靶板的粒子温度，增强靶板的粒子密度，尤其是粒子的复合损失(在有杂质的情况下，不仅能增强辐射能量损失，还可以有效阻止杂质进入主等离子体区域)，易于是外偏滤器的脱靶运行，实现对粒子的有效控制，靶板的最高热负载下降不到常规偏滤器情况下的10％，剖面呈现出较扁平的分布，粒子的温度也下降到仅有几个电子伏的情况(远低于常规偏滤器条件下的粒子温度)，实现偏滤器的脱靶。