Электромагнитная система термоядерной установки типа "токамак

 

Использование: в термоядерном синтезе, в частности в электромагнитной системе токамака. Сущность изобретения: система содержит катушки 1 тороидального поля, заключенные в силовые корпуса 2, и расположенные на них полоидальные катушки 3, помещенные в силовые каркасы. Последние набраны из отдельных скоб 4 и 5, которые охватывают полоидальные катушки 3 по поперечному сечению. Вертикальные стойки 6 скоб установлены в радиальном направлении в уступах 7, выполненных в корпусах 2. Скобы 4 и 5 жестко закреплены в корпусах 2 с помощью болтов. Количество скоб 4 и 5 равно или кратно числу блоков обмотки тороидального поля. Это обеспечивает надежность системы и улучшает условия ее эксплуатации. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к экспериментальным установкам управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы типа токамак.

При конструировании токамаков решается задача удобного для эксплуатации размещения и надежного механического закрепления обмоток тороидального и полоидального магнитных полей, располагаемых на тороидальной вакуумной камере. В практике существуют два варианта относительного расположения тороидальных и полоидальных обмоток.

По первому варианту (например, в установке РДХ) электромагнитная система содержит обмотку тороидального поля, выполненную из блоков тороидального поля, внутри которой размещены обмотки полоидального поля [1].

Такое расположение обмоток позволяет получить необходимую величину полоидального поля без существенного форсажа тока в них, снизить остроту проблемы механических нагрузок на полоидальные обмотки, что дает возможность отказаться от силовых каркасов для их крепления. Однако при таком расположении обмоток затрудняется доступ к полоидальным обмоткам с целью их обслуживания и ремонта. Повреждение катушек в этих обмотках приводит к необходимости практически полной разборки электромагнитной системы токамака, снятию блоков тороидального поля, что влечет значительные трудовые и временные затраты.

Этот недостаток отсутствует в другом конструктивном решении электромагнитной системы (токамаки ТМ-3 и Т-10), где полоидальные катушки снабжены силовым каркасом и размещены на силовых корпусах обмотки тороидального поля [2]. Для обеспечения нормальной работы токамака конструкция силового каркаса катушек должна исключить образование короткозамкнутого контура во избежание шунтирования плазменного шнура в вакуумной камере, т.е. должна иметь по крайней мере один диэлектрический разъем по диаметру. Силовой каркас полоидальных катушек в известных устройствах представляет собой цилиндр из прочной немагнитной стали, разрезанный по образующей в диаметральной плоскости на два полуцилиндра, к краям которых прикреплены фланцы. Полуцилиндры охватывают катушку и соединены фланцами через изолирующую прокладку с помощью электрически изолированных болтов.

Необходимость силового каркаса вызвана отдалением полоидальных катушек от зоны плазмы, что требует увеличения токов в этих обмотках. При этом пропорционально квадрату тока возрастают механические нагрузки, воздействующие на полоидальные катушки и передаваемые на силовой каркас. В крупных токамаках с сильными магнитными полями разрывающее усилие, действующее в поперечном сечении обечайки силового каркаса, может достигать десятков и сотен тонн, и это усилие полностью воспринимается крепежными деталями (болтами) с диэлектрическими элементами (шайбами, втулками, прокладкой). Эти диэлектрические элементы обладают существенно более низкими механическими характеристиками по сравнению с металлом каркаса. В этом случае очевидна необходимость существенного увеличения опорных поверхностей диэлектрических элементов и соответственно фланцев. Следовательно, увеличится и азимутальный размер блока катушек в зоне разреза каркаса, что ограничено размещением в этих местах других элементов установки, в частности откачных и диагностических патрубков вакуумной камеры.

Кроме того, наличие в силовом каркасе в зоне разъема диэлектрических элементов снижает его механическую прочность и надежность.

Изобретение направлено на создание электромагнитной системы, в которой катушки полоидального поля доступны для осмотра, обслуживания и ремонта, имеют надежный силовой каркас, выдерживающий большие механические нагрузки, характерные для токамаков с сильными магнитными полями, и не препятствующий размещению проходных патрубков вакуумной системы.

Для этого в электромагнитной системе токамака, содержащей блоки обмотки тороидального магнитного поля, снабженные силовыми корпусами электромагнитных катушек и электроизолированные друг от друга, и электромагнитные катушки полоидального магнитного поля, установленные в силовом каркасе с внешней стороны блоков обмотки тороидального магнитного поля, силовой каркас катушек полоидального поля выполнен в виде электроизолированных одна от другой скоб, изготовленных из высокопрочного немагнитного металла, каждая из которых охватывает катушку или группу катушек полоидального магнитного поля по периметру их поперечного сечения по крайней мере с трех сторон, при этом скобы установлены на блоках обмотки тороидального магнитного поля в радиальном направлении, вертикальные стойки скоб жестко закреплены на силовых корпусах блоков.

В конкретном исполнении количество силовых скоб выбирают равным числу блоков обмотки тороидального поля или меньшим в кратное число раз, вертикальные стойки скоб установлены в уступах, выполненных в корпусах катушек тороидального поля; вертикальные стойки могут быть установлены относительно уступов с зазором, а в образованных таким образом кольцевых пазах размещены парные встречные клинья; скобы установлены по азимуту полоидальной катушки с воздушными промежутками между ними; скобы по горизонтальным плоскостям скреплены между собой в единый конструктивный узел диэлектрическими элементами, например стеклотекстолитовыми кольцами; в скобы вмонтированы нажимные элементы, например винты и клинья, подпрессовывающие катушки полоидального поля.

При таком выполнении электромагнитные силы, возникающие в полоидальных катушках при работе электромагнитной системы, воздействуют не на крепежные элементы с диэлектрическими деталями разъема силового каркаса, как в прототипе, а распределяются на ряд дискретных скоб, закрепленных на каркасах катушек тороидального поля. Прочность такого силового каркаса, а следовательно, и надежность электромагнитной системы, определяется количеством силовых скоб, жесткостью крепления их в корпусах катушек тороидального поля, плотностью прилегания полоидальных катушек к скобам, регулируемого в процессе эксплуатации нажимными элементами, встроенными в скобы. В результате отсутствия фланцев (и разъема) на силовом каркасе полоидальных катушек отпадает необходимость использования диэлектрических элементов (шайб, прокладок), снижающих прочность силового каркаса, отсутствуют трудности при размещении проходных патрубков вакуумной системы, а закрепление стоек скоб в уступах корпусов катушек тороидального поля и скрепление скоб диэлектрическими кольцами обеспечивают высокую технологичность конструкции. Наличие азимутальных воздушных промежутков между скобами снижает металлоемкость силового каркаса и улучшает условия естественного охлаждения электромагнитной системы за счет лучшей циркуляции воздуха.

Таким образом изобретение позволяет повысить надежность электромагнитной системы установки токамак и улучшить условия ее эксплуатации.

На фиг.1 изображена предложенная система, общий вид; на фиг.2 - то же, вид в плане; на фиг. 3-5 - примеры установки парных встречных клиньев и нажимных элементов, встроенных в силовые скобы каркаса.

Электромагнитная система содержит катушки тороидального поля 1, заключенные в силовые корпусы 2, и расположенные на них полоидальные катушки 3 в силовых каркасах. Силовые каркасы набраны из отдельных скоб 4 и 5, которые охватывают полоидальные катушки по поперечному сечению. Скобы 4 имеют П-образную форму и целесообразны для отдельных катушек или их блоков, скобы 5 имеют Ш-образную форму и целесообразны для концентрических катушек или их блоков. Вертикальные стойки 6 скоб установлены в радиальном направлении в уступах 7, выполненных в корпусах 2. Скобы 4, 5 скреплены с корпусами 2 с помощью болтов 8.

По другому варианту крепления скоб (см. фиг.3) стойки 6 установлены с некоторым зазором относительно уступов 7, образуя кольцевые пазы 9. В пазах размещены парные встречные клинья 10 и крепление стоек осуществлено их расклиниванием относительно уступов 7 в силовых корпусах 2. Скобы 4 или 5 могут быть объединены в единый конструктивный узел с помощью накладных диэлектрических колец 11, установленных на наружной горизонтальной плоскости набора скоб. В скобы 5 или 4 могут быть встроены нажимные элементы: винты 12 (см. фиг.4) или клинья 13 с винтами 12 (см. фиг.5) для подпрессовки катушек в скобах.

При подключении электромагнитной системы к электропитанию из-за взаимодействия токов катушек полоидального поля 3 с собственным магнитным полем на катушки 3 действуют радиальные электромагнитные силы, направленные от центра установки к ее периферии, которые передаются на вертикальные стойки 6 скоб 4 или 5, закрепленные в уступах 7 винтами 8 или с помощью клиньев 10, и через них - на силовые корпуса 2 катушек тороидального поля. Частота расположения вертикальных стоек скоб по азимуту установки определяет напряженно-деформированное состояние полоидальных катушек 3. Изменением числа скоб в силовом каркасе можно добиться приемлемых механических напряжений в элементах полоидальных катушек, не ведущих к снижению работоспособности этих катушек и электромагнитной системы в целом. Максимальное число скоб в силовом каркасе определяется числом корпусов катушек тороидального поля. В известных конструкциях электромагнитных систем токамаков принимается от 12 до 32 блоков тороидального поля.

В процессе работы из-за эффекта ползучести изоляционных материалов полоидальных катушек 3 ослабляется первоначальная запрессовка в скобах 4 или 5. Для компенсации ослабления запрессовки подтягивают винты 12, воздействующие на катушки непосредственно (см. фиг.4) или через клинья 13 (см. фиг. 5).

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ ТИПА "ТОКАМАК", содержащая блоки обмотки тороидального магнитного поля, снабженные силовыми корпусами электромагнитных катушек и электроизолированные друг от друга, и электромагнитные катушки полоидального магнитного поля, установленные на силовом каркасе с внешней стороны блоков обмотки тороидального магнитного поля, отличающаяся тем, что силовой каркас катушек полоидального магнитного поля выполнен в виде электроизолированных одна от другой скоб, изготовленных из высокопрочного немагнитного металла, каждая из которых охватывает катушку или группу катушек полоидального магнитного поля по периметру их поперечного сечения по крайней мере с трех сторон, при этом скобы установлены на блоках обмотки тороидального магнитного поля в радиальном направлении, а вертикальные стойки скоб жестко закреплены на силовых корпусах блоков.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки скоб установлены в гнездах, образованных в силовых корпусах блоков.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что вертикальные стойки скоб установлены с зазорами относительно уступов, а в образованных зазорами кольцевых пазах размещены парные встречно установленные клинья.

4. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что скобы установлены в азимутальном направлении вдоль каждой катушки полоидального магнитного поля с образованием воздушных промежутков между соседними скобами.

5. Система по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что количество скоб равно или кратно количеству блоков обмотки тороидального магнитного поля.

6. Система по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что скобы скреплены между собой диэлектрическими элементами в единый конструктивный узел.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрических элементов использованы кольца, изготовленные из стеклотекстолита.

8. Система по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что скобы снабжены нажимными элементами, контактирующими с катушками полоидального магнитного поля.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что нажимные элементы выполнены в виде винтов или клиньев.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях (СПД), двигателях с анодным слоем (ДАС), а также в области прикладного применения плазменных ускорителей

Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам (ЭРДУ) на базе плазменного двигателя (ПД) для КА, и может быть использовано для создания ЭРДУ с повышенной надежностью

Изобретение относится к получению плазмы и может быть использовано при создании газоразрядных генераторов и ускорителей плазмы независимо от способа ускорения, газоразрядных плазменных катодов и установок на их основе

Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам (ЭРДУ) на базе стационарных плазменных двигателей (СПД) для КА, и может быть использовано при создании ЭРДУ с повышенным ресурсом и надежностью

Изобретение относится к проблеме управляемого термоядерного синтеза, а именно разработке управляемого термоядерного реактора на базе магнитных ловушек с незамкнутыми в области удержания ионов магнитными силовыми линиями

Изобретение относится к приборостроению в области экспериментальной физики и предназначено предпочтительно для зондовых измерений на борту космических летательных аппаратов

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях (СПД) и двигателях с анодным слоем (ДАС)

Изобретение относится к электроракетной технике и может быть использовано в системах питания электроракетных плазменных двигателей (ЭРПД), плазменных ускорителях, генераторов плазмы

Изобретение относится к экспериментальным термоядерным установкам с магнитным удержанием плазмы, а более конкретно к токамакам с сильным магнитным полем

Индуктор // 609128

Изобретение относится к ядерной физике и физике твердого тела и может быть использовано в ядерной и водородной энергетике, очистке газовых смесей от трития, переработке и накоплении изотопов для аналитических работ и в медицинских целях
Наверх