ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТОКАМАКА С ОДНИМ РАЗРЫВОМ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Предложенное решение относится к области управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к сферическим токамакам.
Известна упрощенная сегментированная система катушек для генерации тороидального магнитного поля в реакторе-токамаке [1] и предложен способ ее изготовления. В предложенной конструкции каждая катушка тороидального поля разделена на два или более сегмента. Особенности данной конструкции следующие. Каждая катушка тороидального поля состоит из внутреннего (ближайшего к центральной вертикальной оси токамака) сегмента и внешнего (наиболее удаленного от этой оси) сегмента. Внутренний сегмент С-образной формы состоит из нескольких элементов, имеющих участки различной конфигурации. В сечении, перпендикулярном вертикальной оси, сегмент имеет клиновидную форму. На концевых участках этого сегмента имеются механические и электрические соединения с внешним сегментом катушки тороидального поля. Внешний сегмент имеет I-образную форму. В сечении, перпендикулярном вертикальной оси, этот сегмент имеет квадратную форму. Внутренние и внешние сегменты могут быть выполнены из разных материалов, например из медных или алюминиевых сплавов. Описана конструкция опор, удерживающая катушку тороидального поля от опрокидывания под действием электромагнитных сил. Изложена последовательность сборки конструкции, которая рекомендована к применению в реакторе-токамаке. Предложенная конструкция позволит уменьшить поглощение нейтронов в катушках тороидального поля и увеличить их поглощение в бланкете. К недостатку конструкции можно отнести значительное количество механических электрических контактов, в которых могут возникать электрические дуги, и, как следствие деградацию поверхности контактов.
Известно решение: метод и устройство для изготовления катушек тороидального поля реактора-токамака [2]. Описывается устройство для изготовления внутренней, внешней и боковых металлических поверхностей сегмента катушки тороидального поля, который в сечении имеет прямоугольную форму. Концевые части сегментов соединяются между собой и образуют спиральную катушку, которая окружает плазменную камеру реактора-токамака. Конструкция устройства такова, что позволяет изготовлять отдельно внутреннюю и внешнюю поверхности сегмента катушки тороидального поля. С помощью числового программного устройства сегментам придается любая желаемая форма. В работе дается детальное описание предложенного устройства. Недостатком конструкции может оказаться сложность самой конструкции и сложность ее изготовления, что может отрицательно сказаться на ее надежности.
Также известно решение, в котором предложены составные катушки для генерации тороидального магнитного поля и метод их изготовления [3]. Составные катушки тороидального поля собираются из отдельных сегментов. Каждый сегмент может быть выполнен из меди (медных сплавов) или алюминия (алюминиевых сплавов). Узел соединения соседних сегментов должен обеспечивать высокую механическую прочность конструкции и обладать низким электрическим сопротивлением. Этот узел может быть разъемным или сварным. Использование алюминия или алюминиевых сплавов в конструкции сегмента улучшает баланс нейтронов и уменьшает ядерный нагрев катушек тороидального поля и температурный градиент в них. Уменьшается также активация конструкционных материалов. В качестве медных сплавов могут использоваться сплав меди с бериллием, меди с бериллием и никелем, меди с бериллием и магнием, цирконием и хромом. В качестве алюминиевых сплавов могут использоваться сплавы, армированные углеродными композитами. Система охлаждения КТП выполнена так, что теплоноситель течет не внутри катушек, а снаружи их, что облегчает ее ремонт. К недостаткам конструкции могут быть отнесены сложная форма поверхности контактов, что может повлиять на надежность электрического соединения, а также выбранная система охлаждения катушек (снаружи), которая может не обеспечить необходимых коэффициентов теплоотдачи.
Известно также техническое решение, см. [4]. Данное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.
В указанном решении витки обмотки тороидального поля электромагнитной системы токамака опираются на центральный опорный элемент и снабжены выступами. Наружный кольцевой бандаж из диэлектрического материала, охватывающий выступы витков с радиальным зазором, снабжен встречно направленными клиньями. Одна из сторон выступов витков совмещена с электрическими контактными поверхностями центрального опорного элемента, который снабжен внутренним бандажом, охватывающим его без радиального зазора. Внутренний бандаж распространен до электрических контактных поверхностей, а наружный бандаж и клинья распространены вдоль зоны протяженности контактных поверхностей, перекрывая по высоте внутренний бандаж.
Однако, надежность конструкции недостаточна, системы охлаждения катушек не обеспечивают необходимых коэффициентов теплоотдачи, конструкция электрических соединений сложна в исполнении и обслуживании.
Технический результат состоит в оптимизации электрических соединений (исключением сложных геометрических форм), повышение их надежности, системы охлаждения катушек (снаружи), с обеспечением необходимых коэффициентов теплоотдачи, что достигается за счет замены электрических контактов сварными соединениями и исключением обратного витка, компенсирующего поля токов в соединительных элементах магнитной системы.
Указанный технический результат обеспечен предложенной совокупностью существенных признаков.
Электромагнитная система токамака с одним разрывом для подключения системы электропитания, 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.
Осуществление предложенного решения состоит в формировании новой конфигурации тороидальной электромагнитной системы сферического токамака.
Предложение поясняют иллюстрации.
На Фиг.1. - Общий вид электромагнитной системы.
На Фиг.2. - Базовый элемент конструкции электромагнитной системы - виток тороидальной катушки в состоянии перед сваркой.
Позициями обозначены.
1 - виток, 2 - наружный кольцевой бандаж, 3 - разрыв для подключения системы электропитания, 4 - электроизоляция, 5 - канал охлаждения витка, 6 - опорный элемент.
Единая сварная обмотка выполняется с одним разрывом для подключения системы электропитания (фиг.1, позиция 3). Тороидальная магнитная система состоит из нескольких (4-40) витков. Каждый виток 1 выполнен из цельной шины переменного поперечного сечения. В области центрального столба магнитной системы предполагается установка подвижного в вертикальном направлении соленоида (индуктора) для генерации тока плазмы. Для этого в центральном столбе имеется отверстие. Была принята конструкция обмотки тороидального поля с «перекрученным» центральным столбом (фиг.2, позиция 1), которая упрощает конструкцию, устраняет контакты и необходимость использования соединений катушек и обратного витка. Между витками 1 в центральном столбе имеется электроизоляция 4. Для компенсации воздействия опрокидывающих сил в конструкции катушек тороидального поля предусмотрены наружные кольцевые бандажи (фиг.1, позиция 2), которые электроизолированы от обмоток (фиг.1, позиция 4). Для компенсации воздействия сжимающих сил предлагается использовать опорный элемент в виде кольца, электроизолированый от катушек (фиг.2, позиция 6).
Обмотка охлаждается водой, текущей по каналам, показанным на фиг.2, позиция 5. Материалы катушек - медь (медный сплав), алюминий (алюминиевый сплав). Возможно также в качестве материала использовать бериллий. Но в этом случае в качестве теплоносителя предлагается использовать жидкий азот для уменьшения электрического сопротивления катушек и, соответственно, потребляемой электроэнергии.
В качестве метода изготовления катушек можно предложить сварку из крупногабаритных литых частей.
Список литературы
1. Lofstedt Hakan N. Simplified segmented magnetic coil assembly for generating a toroidal magnetic field and the method of making same. Patent USA №4472344 Issued on September 18, 1984.
2. DiMartino Michelangelo. Method and apparatus for fabricating fusion reactor coils. Patent USA №4436461 Issued on March 13, 1984.
3. Perkins Roger G., Trujillo Stephen M. Composite coils for toroidal field coils and method of using same. Patent USA №4530812 Issued on July 23, 1985.
4. Патент РФ №2107338, МПК 6 G21B 1/00, H05H 1/12, - ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТОКАМАКА. Заявка: 96118014/25, 10.09.1996. Опубликовано: 20.03.1998.