Способ эксплуатации термоядерной установки типа токамак

 

Использование: в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в частности в установках типа токамак. Способ эксплуатации термоядерной установки типа токамак включает плановые демонтаж и сборку секционированного индуктора, состоящего из нескольких идентичных катушек. Через катушки циклически пропускаются импульсы тока, в результате чего катушки оказываются под действием различных по величине пондермоторных нагрузок. Для увеличения ресурса индуктора на стадии его эксплуатации производят перестановку местами катушек, перегруженных и недогруженных пондермоторными нагрузками. Такие перестановки производят после расчетного количества циклов. Дополнительно отдельные катушки индуктора при демонтажах и сборках переворачивают в вертикальной плоскости на 180 ^o относительно их поперечной горизонтальной оси. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к реакторам управляемого термоядерного синтеза, конкретно к термоядерным установкам типа токамак.

Принцип работы этих установок состоит в формировании и удержании плазмы в тороидальной разрядной камере с помощью тороидального и полоидального магнитных полей, создаваемых электромагнитной системой (ЭМС). Индуктор служит для формирования и омического нагрева плазменного шнура при помощи пропускания по обмотке индуктора импульсного тока. Этот ток, взаимодействуя с собственным магнитным полем индуктора, приводит к появлению объемных пондермоторных нагрузок в обмотке индуктора. Действие этих пондермоторных нагрузок носит циклический характер, так как токамаки это установки, которые работают в импульсном режиме. Поэтому одной из важных инженерных проблем, решаемых при проектировании, сооружении и эксплуатации установок типа токамак, является обеспечение надежной работы индуктора на протяжении всего количества рабочих циклов установки.

Известна конструкция установки токамак, в которой формирование и омический нагрев плазменного шнура осуществляется индуктором, представляющим собой сплошную несекционированную катушку [1] При пропускании импульсов тока через обмотку индуктора в ней появляются объемные пондермоторные силы, вызывающие в элементах конструкции механические напряжения растяжения и сжатия, распределенные неравномерно по высоте катушки. Циклическое действие этих катушек приводит к накоплению механических повреждений в элементах конструкции индуктора, при этом механические повреждения, накопленные в наиболее напряженных зонах индуктора, и определяют его рабочий ресурс.

Известна конструкция установки токамак, в которой формирование и омический нагрев плазменного шнура осуществляется секционированным индуктором, состоящим из идентичных сверхпроводящих катушек [2] Эти катушки при пропускании по ним импульсов тока находятся под действием разных по величине пондермоторных нагрузок. Нагрузки действуют циклически и вызывают в элементах конструкции катушек механические напряжения, меняющиеся по высоте катушек и разные по величине в разных катушках, поэтому предельным состоянием конструкции индуктора является усталостное разрушение в наиболее напряженной зоне наиболее нагруженной катушки.

Изложенный способ эксплуатации термоядерной установки типа токамак, включающий плановые демонтажи и сборки секционированного индуктора, состоящего из ряда идентичных катушек, подвергающихся действию пондермоторных нагрузок в процессе циклического пропускания по ним импульсов тока, обладает следующим недостатком. В процессе работы установки наибольшее накопление механических повреждений, определяющих рабочий ресурс индуктора, происходит в одних и тех же наиболее напряженных зонах наиболее нагруженных катушек. В менее же напряженных зонах менее нагруженных катушек к моменту исчерпания рабочего ресурса накопленные механические повреждения не достигают предельно допустимой величины, т.е. несущая способность конструкционных материалов в данном случае используется не полностью.

Цель изобретения увеличение рабочего ресурса или надежности работы индуктора на стадии его эксплуатации, снижение металлоемкости элементов конструкции на стадии проектирования и изготовления индуктора.

Для этого в способе эксплуатации термоядерной установки типа токамак, включающем плановые демонтажи и сборки секционированного индуктора, состоящего из ряда идентичных катушек, подвергающихся действию пондермоторных нагрузок в процессе циклического пропускания по ним импульсов тока, поставленная задача решается тем, что после расчетного количества рабочих циклов, определяемого выравниванием количества накопленных механических повреждений во всех катушках индуктора, производят по меньшей мере один раз перестановку местами катушек, перегруженных пондермоторными нагрузками, с катушками, недогруженными пондермоторными нагрузками. Наряду с этим при демонтажах и сборках секционированного индуктора по крайней мере одну катушку переворачивают в вертикальной плоскости на 180^о относительно ее поперечной горизонтальной оси. В результате высоконагруженного до указанных перестановок зоны катушек при дальнейшей работе разгружаются, а недогруженные догружаются.

Технический результат заключается в увеличении по сравнению с проектным количества рабочих циклов индуктора путем выравнивания к моменту исчерпания рабочего ресурса уровня накопленных в элементах конструкции механических повреждений. Если перестановки катушек индуктора производить в пределах проектного количества рабочих циклов, то технический результат будет заключаться либо в возможности снижения металлоемкости элементов конструкции за счет уменьшения их размеров на стадии проектирования и изготовления, либо в увеличении надежности работы индуктора на стадии его эксплуатации.

Последовательность операций способа состоит в перестановках катушек, которые производят периодически через расчетное количество рабочих циклов индуктора вплоть до исчерпания его расчетного или проектного рабочего ресурса.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения представляем краткое изложение методики расчета величины механических повреждений, включающее определения понятий: накопленные механические повреждения, расчетное количество рабочих циклов, проектное количество рабочих циклов, катушки, перегруженные и недогруженные пондермоторными нагрузками, максимальное и минимальное напряжения в цикле.

Накопленное усталостное повреждение в общем виде определяется по формуле: a [a_N] (1) где N_i число циклов i-го типа за время эксплуатации; n общее число типов циклов; [N₀]_i допустимое число циклов i-го типа; а накопленное усталостное повреждение; [a_N] 1 предельное значение накопленного усталостного повреждения.

Усталостное повреждение, накопленное в i-ом типе циклов, выражается формулой: a_i= .

(2) Связь между действующими в элементе конструкции механическими напряжениями и соответствующим допускаемым числом циклов выражается формулой: _aF= + ,
(3) где _аF амплитуда местных напряжений с учетом концентрации; амплитуда напряжений определяется известной формулой:
_aF= ,
(4) где _max и _min максимальное и минимальное напряжения в цикле соответственно;
Е модуль упругости;
е_с характеристика пластичности, определяется по формуле:
e_c 0,005z, (5) где z относительное сужение в поперечного сечения образца при статическом растяжении;
n 2 коэффициент запаса прочности по напряжениям;
m характеристика материала, определяется по таблице;
R_-1 предел выносливости материала, определяется по таблице;
R_m временное сопротивление материала;
r коэффициент асимметрии цикла напряжений, определяется по формуле:
r .

(6)
Из формулы (3) получают выражение для определения допускаемого числа циклов:
[N_o] .

(7)
Из расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) индуктора известны _max и _min цикла в характерных зонах всех катушек секционированного индуктора.

_max и _min соответственно максимальное и минимальное напряжения за всю историю нагружения в пределах одного цикла работы индуктора.

Дальнейшая последовательность действий такова.

По формуле (4) определяют _aF для характерных зон всех катушек индуктора.

По формуле (7) определяют [N₀] для характерных зон всех катушек индуктора.

Минимальное значение из найденных [N₀] принимается за проектное количество рабочих циклов (проектный ресурс) N₀.

Для соответствующей зоны накопленное повреждение в соответствии с формулой (2) равно а₁ 1,0 и катушка с этой зоной является наиболее нагруженной.

Таким образом, проектным является такое количество рабочих циклов, при котором без перестановок катушек максимальное накопленное механическое повреждение в наиболее нагруженной катушке равно 1.

По формуле (2) определяют накопленные повреждения для остальных зон всех катушек.

Под катушками, перегруженными пондермоторными силами, понимаются катушки, имеющие накопленные в течение проектного ресурса повреждения, равные а 1. Катушки, недогруженные пондермоторными силами, к этому моменту имеют накопленные повреждения а < 1.

После перестановок катушек в характерных зонах всех катушек к моменту исчерпания ресурса происходит выравнивание накопленных повреждений.

Обозначим k относительную часть проектного ресурса с фиксированным расположением катушек. Перестановки катушек проводятся через равные промежутки, составляющие kN₀ циклов. В течение этого количества циклов характерные зоны всех катушек получат повреждения, равные ka₁; ka₂; ka_n1,
n₁ количество характерных зон индуктора.

Таким образом, расчетным названо количество рабочих циклов между двумя последовательными перестановками катушек.

Полное выравнивание накопленных повреждений в катушках обеспечивается, если количество фиксированных положений катушек будет равно количеству характерных зон индуктора n₁. Это условие выражается формулой:
k a_i= 1,
(8) где а_i расчетное повреждение в i-ой характерной зоне индуктора, которое было бы накоплено в течение проектного ресурса N₀ без перестановок катушек.

Поскольку длительность одного фиксированного положения катушек индуктора составляет kN₀ циклов, и число таких положений равно n₁, то общий новый ресурс будет выражаться формулой:
N₁ n₁kN₀, (9) где k определяется из выражения (8).

П р и м е р. Рассмотрим секционированный индуктор, состоящий из 4-х идентичных катушек (фиг. 1а). В силу симметрии конструкции и нагрузок относительно плоскости А-А (фиг. 1а) рассматриваем 2 катушки.

Исходные данные для всех катушек индуктора:
z 50% E 2,110⁵ МРа; n 2; R_m1200 MPa; n₁ 4.

По формуле (5) определяют:
e_c 0,005, z 0,25
По таблице определяют:
R_-1 (0,54 210^-4 R_m)R_m 0,3R_m360 MPa;
m 0,36 + 210^-4 R_m 0,6.

Напряжения в зонах 1-4 катушек:
1 зона: _max1 312 MPa, _min1 0.

2 зона: _max2= 302 MPa, _min2 0.

3 зона: _max3= 299 MPa, _min3 0.

4 зона: _max4 293 MPa, _min4 0.

По формулам (6), (4), (7) определяют: r₁ 0, _aF1 156 MPa, [N₀]₁ 510⁴ циклов;
r₂ 0, _aF2 151 MPa, [N₀]₂ 8,310⁴ циклов;
r₃ 0, _aF3 149,5 MPa, [N₀]₃ 1010⁴ циклов;
r₄ 0, _aF4= 146,5 MPa, [N_o]₄ 16,6 10⁴ циклов.

За проектный ресурс N₀ принимают минимальный из найденных, т.е. N₀ 510⁴ циклов.

По формуле (2) определяют:
a₁ 1,0; а₂ 0,6; а₃ 0,5; а₄ 0,3.

Из формулы (8) определяют величину k:
k 0,417.

По формуле (9) определяют новый ресурс:
N₁ n₁ kN₀ 40,417N₀1,67N₀ 8,310⁴ циклов.

Результаты вычислений иллюстрируются диаграммами (фиг. 2), где приведена картина накопления механических повреждений в рассматриваемых характерных зонах катушек индуктора для следующих случаев:
I проектный случай;
II случай увеличения ресурса;
III случай снижения металлоемкости;
IV случай увеличения надежности.

Номера диаграмм 1-4 на фиг. 2 соответствуют номерам зон катушек, указанным на фиг. 1а. Индексом А обозначены моменты перестановок катушек. Последовательность перестановок катушек показана на фиг. 1б,в,г.

Анализ результатов показывает, что в результате 3-х перестановок катушек, производимых через равное количество рабочих циклов, происходит следующее.

В случае увеличения ресурса (II на фиг. 2) увеличивается срок службы индуктора в 1,67 раза по сравнению с проектным.

В случае снижения металлоемкости (III на фиг. 2) имеется уменьшение веса силовых элементов индуктора по оценкам на 25-30%
В случае увеличения надежности (IV на фиг. 2) имеется увеличение надежности (запаса по долговечности) индуктора в 1,67 раза.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ ТИПА ТОКАМАК, включающий плановые демонтажи и сборки секционированного индуктора, состоящего из ряда идентичных катушек, подвергающихся действию пондермоторных нагрузок в процессе циклического пропускания по ним импульсов тока, отличающийся тем, что после расчетного количества рабочих циклов, определяемого выравниванием количества накопленных механических повреждений во всех катушках индуктора, производят по меньшей мере один раз перестановку местами катушек, перегруженных пондермоторными нагрузками с катушками, не догруженными пондермоторными нагрузками.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все перестановки катушек производят в процессе осуществления проектного количества рабочих циклов.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при демонтаже и сборках секционированного индуктора по крайней мере одну катушку переворачивают в вертикальной плоскости на 180^o относительно ее поперечной горизонтальной оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2