Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами

Полезная модель относится к области управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к компактным и сферическим токамакам, у которых ограничен внутренний диаметр и недостаточно места для электроизоляции центрального столба (соленоида). Технический результат состоит в упрощении конструкции магнитной системы, включая межвитковую изоляцию. Для достижения указанного результата предложена магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами между витками обмотки тороидального поля, которые образуют центральный опорный элемент, причем электроизоляционные элементы выполнены разъемно от витков обмотки тороидального поля, в витках тороидального магнитного поля в области поля центрального столба выполнены профилированные пазы для размещения и удержания ответных выступов электроизоляционных элементов, причем пазы и выступы имеют форму «ласточкиного хвоста», при этом в качестве материала электроизолирующего элемента используют карбид кремния (SiC), а электроизоляционные элементы на противоположных сторонах каждого витка расположены таким образом, что при сопряжении соседних витков электроизоляционные элементы не перекрываются. 1 н.п.ф., 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полезная модель относится к области управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к компактным и сферическим токамакам, у которых ограничен внутренний диаметр и недостаточно места для электроизоляции центрального столба (соленоида).

Известно изобретение «Герметичный кабельный ввод и способ его изготовления» [Патент РФ 2336587]. Это изобретение рекомендовано для использования на объектах атомной энергетики. Оно обеспечивает необходимый уровень безопасности системы локализации аварий на атомной станции. Данные изделия также могут быть использованы как эффективные противопожарные барьеры в кабельных коридорах, а также как вводы-выводы высокочастотных сигналов в различного рода реакторы, работающие в условиях высокотемпературного и радиационного воздействия. Гермовводы изготовлены с применением вакуумных технологий. В конструкции герметичного ввода (ВГКК) применены радиационно-стойкие и негорючие материалы - металлы и керамика, а герметизация соединений обеспечивается прочно-плотными сварными и паяными соединениями (швами). Герметичные вводы изготовлены на основе кабелей в металлической оболочке с минеральной (магнезиальной) изоляцией, с продольной герметичностью при давлении до 20 атм. Торцы кабелей (модулей) дополнительно герметизированы металлокерамическими изоляторами типа ИПН и ИПК. В этих изоляторах соединения металл-керамика выполнены методами вакуум-плотной пайки высокотемпературными припоями.

В изделии применен модульный принцип устройства, который заключается в следующем: каждый кабель в металлической оболочке с герметично заделанными торцами, представляет собой самостоятельный кабель-модуль, то есть, мини герметичный ввод, имеющий двухстороннюю герметичность. Это позволяет, в случае выхода из строя любого кабель-модуля, остальной части герметичного ввода работать без изменения показателей по всем параметрам.

Гарантированная радиационная стойкость ВГКК - 10 ¹⁰ рад. и 10¹⁹ нейтр./см²; огневая стойкость 1000°C.

Созданная при НПО "Красная звезда" фирма "Элегия", использует стеклоэмалевую изоляцию. Но изоляторы на основе стекла не отвечают требованиям, предъявляемым к гермовводам для АЭС. По этой причине изделия фирмы "Элегия" не могут составить серьезной конкуренции гермовводам серии ВГКК, которые выполнены только из металла и керамики, материалов не подверженных воздействию гамма-излучению, не горючих и пожаростойких.

Известно изобретение Попова В.П., Антоновой И.В., Стась Ф.В., Мироновой Л.В. «Способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе» // Патент РФ 2164719. Приоритет от 27.09.99. Получен 27.03.2001. Разработанный авторами вариант технологии «кремний на изоляторе» и изготовленные по этой технологии подложки обеспечивают полную электрическую изоляцию отдельных приборов на электронном чипе. Это ведет к целому набору достоинств: увеличение быстродействия, снижение энергопотребления, возможность создания радиационно стойких электрических схем и схем, работающих при относительно высоких температурах (вплоть до 350°C). В качестве изолятора используется оксид кремния SiO₂.

Известно также техническое решение - электромагнитная система токамака с одним разрывом для подключения системы электропитания [Патент на полезную модель 125427 от 27.02.2013], включающая витки обмотки тороидального поля, опирающиеся на центральный опорный элемент и наружный кольцевой бандаж, электрические соединения, при этом электрические соединения выполнены сваркой, причем сварка отдельных витков в единую конструкцию и подключение к имеющимся в них каналам охлаждающего теплоносителя осуществлены в произвольной внешней области каждого витка, часть витков в области опорного элемента выполнены скрученными на угол, соответствующий периоду электромагнитной системы 2 p/N, где N - количество витков от 4 до 40, витки электрически изолированы друг от друга диэлектрическими или плохо проводящими элементами.

Данное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному Недостатком данной системы является недостаточно проработанная конструкция электроизоляции витков катушек тороидального поля в области центрального столба (соленоида).

Для достижения указанного результата предложена конструкция магнитной системы с электроизолирующими элементами, которые вставляются в специальные пазы в витках тороидального магнитного поля в области поля центрального столба (соленоида). Форма выступов электроизоляционного элемента выполнена в виде «ласточкиного хвоста» для того чтобы элемент держался в пазу, имеющего соответствующую форму. Электроизоляционный элемент обладает высокими радиационной стойкостью и термической стойкостью, большим напряжением пробоя, низким коэффициентом термического расширения, низкой химической активностью и относительно высокой теплопроводностью. В качестве материала электроизолирующего элемента может использоваться карбид кремния (SiC).

Техническим результатом является:

- упрощение конструкции магнитной системы, включая межвитковую изоляцию;

- относительная простота изготовления электроизолирующего элемента;

- электроизолирующие элементы имеют достаточно большую поверхность, что способствует более равномерному распределению нагрузки при воздействии электромагнитных (сжимающих) сил;

- простота и удобство замены электроизолирующих элементов в случае их выхода из строя.

Последний пункт особенно важен в случае работы в условиях повышенного радиационного фона, когда замену элементов конструкции термоядерной установки возможно производить только с помощью робототехники.

Указанный технический результат обеспечен следующей совокупностью существенных признаков.

Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами между витками обмотки тороидального поля, которые образуют центральный опорный элемент, причем, электроизоляционные элементы выполнены разъемно от витков обмотки тороидального поля, в смежных участках витков тороидального магнитного поля в области поля центрального столба выполнены профилированные пазы для размещения и удержания ответных выступов электроизоляционных элементов, причем пазы и выступы имеют форму «ласточкиного хвоста». Кроме того:

- в качестве материала электроизолирующего элемента используют карбид кремния (SiC),

- электроизоляционные элементы на противоположных сторонах каждого витка расположены таким образом, что при сопряжении соседних витков электроизоляционные элементы не перекрываются.

Предложение поясняется графически.

- фиг. 1 - общий вид электроизоляционного элемента магнитной системы токамака.

- фиг. 2 - центральный столб (соленоида) обмотки тороидального магнитного поля со вставленными электроизоляционными элементами.

- фиг. 3 - виток обмотки тороидального магнитного поля с пазами для вставки электроизоляционного элемента.

- фиг. 4 - виток обмотки тороидального магнитного поля со вставленными электроизоляционными элементами.

- фиг. 5 - способ и направление вставки (показано стрелкой) электроизоляционного элемента.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - электроизоляционный элемент,

2 - виток обмотки тороидального магнитного поля в области центрального столба (соленоида),

3 - каналы охлаждения тороидальной магнитной системы,

4 - отверстие для центрального столба (соленоида).

Обмотка тороидального магнитного поля термоядерной установки состоит из нескольких витков. В области центрального столба магнитной системы (фиг. 2) предполагается установка индуктора (соленоида с вертикальной осью) для генерации тока плазмы. Для этого в центральном столбе имеется отверстие. Между витками 2 в центральном столбе находятся электроизоляционные элементы 1. Они вставляются в предназначенные для них пазы при сборке конструкции магнитной системы. В такой конструкции можно отказаться от опорного элемента, который был предусмотрен в прототипе. Это, во-первых упрощает конструкцию, и во-вторых оставляет больше места для размещения индуктора, что позволит использовать индуктор с большим диаметром. Это, в свою очередь, приведет к увеличению запаса магнитного потока в индукторе и, тем самым, улучшит условия для генерации тока в плазме. Однако при этом воздействие электромагнитных (сжимающих) сил будет восприниматься самими электроизоляционными элементами. Это повышает требования к прочностным свойствам материалов, из которых изготавливаются электроизоляционные элементы. Обмотки охлаждаются теплоносителем, текущим по каналам, показанным на фиг. 2, позиция 3. В качестве материалов катушки можно использовать медь (медный сплав), алюминий (алюминиевый сплав), бериллий. В качестве теплоносителя - воду, жидкий воздух или азот, а также газы при криогенных температурах.

В ходе эксплуатации термоядерной установки могут возникать внештатные ситуации (например, срыв плазмы). При этом возникают кратковременные силы, действующие на конструкцию, величина которых заметно больше сил, действующих при нормальной работе установки. Результатом воздействия этих сил на межвитковую электроизоляцию может стать ее растрескивание, частичное или полное ее разрушение. Предложенная конструкция магнитной системы с электроизоляционными элементами в отличие от систем со сплошной электроизоляцией, позволяет значительно упростить замену этих элементов на новые. Это тем более актуально, что в процессе работы с термоядерной плазмой, материалы установки активируются, и внутри установки возникает повышенный радиационный фон. При этом ремонт и замену отдельных частей установки можно производить только с помощью средств удаленного обслуживания (роботы, манипуляторы и т.д.).

1. Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами между витками обмотки тороидального поля, которые образуют центральный опорный элемент, отличающаяся тем, что электроизоляционные элементы выполнены разъёмно от витков обмотки тороидального поля, в смежных участках витков тороидального магнитного поля в области поля центрального столба выполнены профилированные пазы для размещения и удержания ответных выступов электроизоляционных элементов, причем пазы и выступы имеют форму "ласточкиного хвоста".

2. Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала электроизолирующего элемента используют карбид кремния (SiC).

3. Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что электроизоляционные элементы на противоположных сторонах каждого витка расположены таким образом, что при сопряжении соседних витков электроизоляционные элементы не перекрываются.