ОПОРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ВТСП-МАГНИТОВ
SUPPORT STRUCTURES FOR HTSC-MAGNETS

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к опорным конструкциям для магнитов и, в частности, к опорным конструкциям для магнитов, содержащих высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), и, в частности, для магнитов, используемых для обеспечения полоидального и тороидального поля для токамаков.
Предпосылки изобретения
Сверхпроводящий магнит представляет собой электромагнит, образованный из катушек сверхпроводящего материала («катушек поля»). Поскольку эти катушки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут переносить большие токи с нулевыми потерями (хотя будут некоторые потери от несверхпроводящих компонентов) и могут в связи с этим достигать гораздо более сильных полей, чем обычные электромагниты.
Сверхпроводимость возникает только в некоторых материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, определяемой критической температурой сверхпроводника (наивысшей температурой, при которой материал является сверхпроводником в нулевом магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наибольшим магнитным полем, в котором материал является сверхпроводником при 0 К). Температура сверхпроводника и присутствующее магнитное поле ограничивают ток, который может переноситься сверхпроводником без перехода сверхпроводника в резистивное состояние.
Вообще говоря, существуют два типа сверхпроводящего материала. Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) имеют критические температуры ниже 30 К - 40 К, а высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют критические температуры выше 30 К - 40 К. Многие существующие ВТСП-материалы имеют критические температуры выше 77 К, что позволяет использовать жидкий азот для охлаждения.
Поскольку магниты требуют охлаждения до низких температур, они обычно содержатся в криостате, предназначенном для минимизации нагрева магнита. Такой криостат обычно содержит вакуумную камеру, чтобы минимизировать нагрев вследствие конвекции или теплопроводности, и может содержать один или более теплозащитных экранов при температурах, промежуточных между температурой магнита и внешней температурой, чтобы минимизировать нагрев излучением.
Все опорные конструкции магнита охлаждаются до максимально низкой температуры, чтобы уменьшить тепловую нагрузку на катушку поля и, таким образом, охлаждение, необходимое для самой катушки поля. В частности, любой компонент, который прикрепляется к магниту, охлаждается для уменьшения теплопередачи вследствие теплопроводности, и любой компонент в пределах прямой видимости для катушки поля должен быть охлажден для уменьшения теплопередачи вследствие излучения.
Для некоторых конструкций магнита, таких как катушки тороидального поля для плазменной камеры токамака, электромагнитные нагрузки на магнит могут быть очень высокими. Собственное поле катушки тороидального поля создает силу, которая действует в плоскости каждой катушки тороидального поля и действует изнутри каждой катушки поля (то есть из вакуумного сосуда в плазменной камере) наружу. Несмотря на то, что на катушке поля нет чистой силы от собственного поля, влияние электромагнитных сил представляет собой сильное внутреннее напряжение катушки поля. На практике можно считать, что катушки тороидального поля постоянно находятся под внешним давлением, которое стремится подтолкнуть их к «разрыву».
В дополнение к собственному полю взаимодействие между током катушки тороидального поля и полоидальным полем (создаваемым током плазмы) в токамаке создает нагрузку, перпендикулярную плоскости катушки поля, которая работает на скручивание магнита тороидального поля противоположными тороидально направленными силами. Эта сила меньше той, что создается собственным полем, но она часто пульсирует, что может накладывать дополнительное напряжение на опорные конструкции.
Опорные конструкции для противодействия электромагнитным силам катушек тороидального поля имеют форму межкатушечных конструкций и кожухов катушек, которые увеличивают как жесткость, так и прочность узла магнита. Эти конструкции содержатся в охлажденном объеме криостата, содержащего магнит, чтобы избежать переноса тепла на магнит.
Сущность изобретения
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения обеспечена опорная конструкция для катушки поля, содержащей высокотемпературный сверхпроводник, ВТСП. Опорная конструкция содержит внутренний элемент переноса нагрузки, выполненный с возможностью прикрепления на одном концу к катушке поля, а на другом конце к внутренней поверхности вакуумного сосуда, содержащего катушку поля, и выполненный с возможностью поддержки катушки поля против электромагнитных сил, действующих на катушку поля. По меньшей мере часть внутреннего элемента переноса нагрузки выполнена с возможностью оставаться при комнатной температуре во время работы ВТСП-магнита.
На практике при работе конец внутреннего элемента переноса нагрузки, прикрепленный к катушке поля, может находиться практически при той же температуре, что и катушка поля (например, около 30 К), а другой конец может находиться при комнатной температуре, поэтому с большой вероятностью будет градиент температуры вдоль внутреннего элемента переноса нагрузки. Может быть так, что часть внутреннего элемента переноса нагрузки охлаждается или что внутренний элемент переноса нагрузки не охлаждается.
Опорная конструкция может содержать внешний опорный элемент, выполненный с возможностью поддержки внутреннего опорного элемента. Внешний опорный элемент может быть объединен с вакуумным сосудом или прикреплен к наружной поверхности вакуумного сосуда. Внешняя опорная конструкция не охлаждается.
Внутренний элемент переноса нагрузки может быть выполнен с возможностью прикрепления к верхней внутренней поверхности вакуумного сосуда и к верхней части катушки поля. Внутренний элемент переноса нагрузки может содержать слоистый материал (например, стекловолокнистый эпоксидный материал), причем плоскость слоистого материала перпендикулярна оси нагрузки внутреннего элемента переноса нагрузки. Альтернативные материалы включают в себя однонаправленные волокна стекла, углерода, кевлара, зилона, расположенные в направлении нагрузки и заделанные в эпоксидную смолу с лентами, намотанными вокруг, чтобы сдерживать разрывные напряжения. Металлические трубы также могут использоваться с подходящими установленными противоизгибными лентами.
Катушка поля может быть катушкой тороидального поля (например, для удержания плазмы в токамаке), причем внутренний элемент переноса нагрузки выполнен с возможностью прикрепления к возвратной ветви катушки тороидального поля.
В соответствии с одним вариантом осуществления предлагается криостат для катушки поля с ВТСП, содержащий опорную конструкцию, как описано выше, и вакуумный сосуд, вмещающий внутренний опорный элемент и катушку поля. Криостат может дополнительно содержать теплозащитный экран, расположенный между вакуумным сосудом и катушкой поля, и систему охлаждения для охлаждения теплозащитного экрана (необязательно с использованием жидкого азота) до промежуточной температуры между температурой катушки поля и температурой вакуумного сосуда. Система охлаждения также может использоваться для охлаждения внутренней части внутреннего элемента переноса нагрузки. Внутренний элемент переноса нагрузки может проходить через теплозащитный экран.
В соответствии с одним вариантом осуществления обеспечен сверхпроводящий магнит, содержащий криостат, как описано выше, катушку поля с ВТСП и систему охлаждения, выполненную с возможностью охлаждения катушки поля до температуры ниже критической температуры ВТСП, при этом внешний опорный элемент не охлаждается непосредственно системой охлаждения.
В соответствии с одним вариантом осуществления предлагается термоядерный реактор, содержащий криостат, как описано выше, катушку тороидального поля с ВТСП, к которому прикреплен внутренний элемент переноса нагрузки, две или более катушек полоидального поля с ВТСП, плазменную камеру сферического токамака и систему охлаждения, выполненную с возможностью охлаждения катушек тороидального и полоидального полей до температуры ниже критической температуры ВТСП. Внутренний элемент переноса нагрузки не должен охлаждаться непосредственно системой охлаждения. Второй внутренний элемент переноса нагрузки может быть прикреплен к катушке полоидального поля. Внешние опоры криостата не охлаждаются системой охлаждения.
В соответствии с одним вариантом осуществления предлагается сверхпроводящий магнит. Сверхпроводящий магнит содержит катушку поля, систему охлаждения, вакуумный сосуд и внутренний элемент переноса нагрузки. Катушка поля содержит ВТСП. Система охлаждения предназначена для охлаждения катушки поля до температуры ниже критической температуры ВТСП. Вакуумный сосуд содержит катушку поля. Внутренний элемент переноса нагрузки выполнен с возможностью прикрепления на одном конце к катушке поля, а на другом конце к внутренней поверхности вакуумного сосуда, содержащего катушку поля, и выполнен с возможностью поддержки катушки поля против электромагнитных сил, действующих на катушку поля. По меньшей мере часть внутреннего элемента переноса нагрузки выполнена с возможностью оставаться при комнатной температуре во время работы катушки поля.
Краткое описание чертежей
Некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематическое изображение примерной катушки поля с ВТСП, криостата и опорной конструкции; и
фиг.2 представляет собой схематическое изображение поддерживаемой катушки тороидального поля ВТСП.
Подробное описание
Ввиду больших сил, приложенных к катушке тороидального поля во время работы, опорные конструкции внутри холодного объема могут быть неудовлетворительными для катушек тороидального поля с сильным полем и/или малым радиусом. Ввиду имеющейся необходимости в уровне техники поддерживать электромагнитные опорные конструкции холодными невозможно эффективно переносить силы от катушек тороидального поля к внешним опорам, но вместо этого на прочность самих опорных конструкций возлагается поддержка катушек поля. Это особая проблема, поскольку нагрузки на катушки тороидального поля не являются осесимметричными (вращательно симметричными относительно центральной колонны), что затрудняет проектирование опорных конструкций, которые могут содержаться в холодном объеме.
В отличие от обычного подхода к построению сверхпроводящих магнитов предполагается, что опоры катушки тороидального поля с ВТСП могут быть оставлены неохлажденными без существенной разницы для тепловой нагрузки магнита. Это может быть сделано, поскольку затраты на удаление избыточного тепла при рабочих температурах ВТСП (обычно около 30 К) намного меньше затрат на удаление тепла при рабочих температурах НТСП (обычно около 4 К). Дополнительное тепло увеличит мощность, необходимую для поддержания магнита холодным, но позволит значительно упростить дизайн опорных конструкций и уменьшит требуемые размеры криостата, вакуумного сосуда и теплозащитных экранов (поскольку им придется вмещать лишь сам магнит, а не еще и опоры).
Использование опор комнатной температуры особенно привлекательно для приложений с уже высокой тепловой нагрузкой, таких как термоядерные реакторы - тепловая нагрузка от такого реактора гораздо больше, чем избыточная тепловая нагрузка ввиду опор комнатной температуры, и поэтому система охлаждения может легко справиться с дополнительным теплом.
Кроме того, большинство обычных сверхпроводящих магнитов являются осесимметричными. Любые нагрузки, вызванные электромагнитными силами, могут содержаться в холодном объеме.
В противоположность этому катушки тороидального поля, используемые для содержания плазмы в термоядерном реакторе типа токамака, не являются осесимметричными и имеют очень сложные распределения напряжений. В частности, при нормальной работе токамака собственное поле катушки тороидального поля приводит к распределению сил, действующему наружу в плоскости катушки.
Опорная конструкция для катушки поля содержит внутренний элемент переноса нагрузки, который соединяется с магнитом и внутренней поверхностью вакуумного сосуда криостата. Опорная конструкция также может содержать внешний опорный элемент, который соединяется с наружной поверхностью вакуумного сосуда в месте, соответствующем точке, в которой прикреплен внутренний элемент переноса нагрузки, и несет нагрузку, оказываемую внутренним элементом переноса нагрузки. Внешний опорный элемент может быть объединен с вакуумной камерой, например, в качестве дополнительного армирования для конструкции вакуумного сосуда.
Нагрузки, выдерживаемые внутренним элементом переноса нагрузки, могут включать в себя гравитационные нагрузки (то есть из-за веса конструкции магнита) и/или электромагнитные нагрузки (то есть из-за электромагнитных сил, действующих на конструкцию магнита). Ожидается, что при работе магнита тороидального поля электромагнитные нагрузки будут значительно выше гравитационных нагрузок.
Фиг.1 показывает примерную катушку поля с ВТСП, криостат и опорную конструкцию в соответствии с вариантом осуществления. Катушка 11 поля с ВТСП охлаждается до 30 К системой охлаждения (не показана) и находится внутри вакуумного сосуда 12, который находится при комнатной температуре (около 300 К). Между катушкой поля с ВТСП и вакуумным сосудом находится теплозащитный экран 13, который охлаждается также системой охлаждения (не показана). Это охлаждение может быть до 77 К, например, жидким азотом (или водородом, или гелием).
Указанные температуры приведены только в качестве примера. Катушка поля с ВТСП может быть охлаждена до любой температуры ниже критической температуры магнита (в зависимости от приложения), а теплозащитный экран может находиться при любой температуре между температурой вакуумного сосуда и температурой катушки поля с ВТСП. Несколько теплозащитных экранов могут быть обеспечены при убывающих температурах между вакуумным сосудом и катушкой поля с ВТСП. Также понятно, что «комнатная температура» может не означать строго 300 К, но предназначена охватывать любую температуру выше примерно 270 К.
Катушка поля с ВТСП поддерживается внутренними элементами 14 и 15 переноса нагрузки. Нижний внутренний элемент 14 переноса нагрузки соединяется с основанием магнита и с основанием вакуумного сосуда. Верхний внутренний элемент 15 переноса нагрузки соединяется с верхней частью магнита и с верхней внутренней поверхностью вакуумного сосуда. Оба внутренних элемента 14 и 15 переноса нагрузки проходят через теплозащитный экран, и в опорах будет присутствовать градиент температуры от комнатной температуры, где они соединены с вакуумным сосудом 12, до рабочей температуры ВТСП, где они соединены с катушкой 11 поля с ВТСП. Внутренние элементы переноса нагрузки переносят нагрузки, возникающие в результате электромагнитных сил на катушке поля, на вакуумный сосуд. Нагрузки от электромагнитных сил обычно будут в плоскости катушки поля и наружу от катушки поля (с некоторыми тороидальными нагрузками от взаимодействия между током в катушке тороидального поля и полоидальным полем).
Внешняя опора 16 прикреплена к наружной верхней поверхности вакуумного сосуда 12, чтобы нести нагрузку, оказываемую верхним внутренним элементом 15 переноса нагрузки. Внешняя опора 16 и верхний внутренний элемент 15 переноса нагрузки могут быть прикреплены только к вакуумному сосуду 12, или они могут быть прикреплены друг к другу с помощью конструкций, которые проходят через вакуумный сосуд 12, при условии, что такие конструкции сохраняют герметичность вакуумного сосуда 12. Например, один или более болтов могут прикреплять внутренний элемент 15 переноса нагрузки к внешней опоре 16 через отверстия в вакуумном сосуде 12, и герметик может быть обеспечен между внутренним элементом 15 переноса нагрузки и вакуумным сосудом 12 и/или между внешней опорой 16 и вакуумным сосудом 12, чтобы избежать утечек через отверстия для болтов. В качестве дополнительного примера внутренние элементы переноса нагрузки и внешние опорные элементы могут вместе содержать стойку, которая проходит через вакуумный сосуд (то есть с секциями внутри, выступающими в качестве внутренних элементов переноса нагрузки, и частями снаружи, выступающими в качестве внешних опорных элементов). Внешняя опора выдерживает нагрузки, оказываемые внутренними элементами переноса нагрузки на вакуумный сосуд.
Внешняя опора может быть обеспечена в виде рамы или другой конструкции 16 снаружи вакуумного сосуда, как показано на Фиг.1, или может быть объединена с вакуумным сосудом, например, путем использования армированного вакуумного сосуда, выполненного с возможностью выдерживать нагрузки, переносимые внутренними элементами переноса нагрузки. Внешняя опора может содержать комбинацию армирования для вакуумного сосуда и опорных конструкций снаружи вакуумного сосуда.
Понятно, что элементы переноса нагрузки, проходящие через теплозащитный экран, обычно соединены с ним термически. Это может быть сделано с помощью гибких соединений так, что механическая нагрузка по-прежнему переносится на комнатную температуру, но часть проводимого тепла удаляется при более высоких температурах, где это более эффективно. Например, промежуточное тепловое соединение может термически (но не механически) соединять внутренний элемент переноса нагрузки с температурным экраном жидкого азота. Это накладывает высокую тепловую нагрузку, но это не имеет значения, потому что охлаждение при 77 К является недорогим. Это позволяет секциям внутреннего элемента переноса нагрузки, близким к катушке с ВТСП, находиться при пониженной температуре, снижая тепловую нагрузку при низкой температуре, где охлаждение является более дорогостоящим. Промежуточное тепловое соединение может содержать металлическую пластину между двумя теплоизолирующими блоками, которые составляют внутренний элемент переноса нагрузки.
Оба внутренних элемента 14 и 15 переноса нагрузки служат для поддержки катушки 11 поля. Направление силы на каждом внутреннем элементе переноса нагрузки определяет ось нагрузки для этого элемента.
Внутренние элементы 14 и 15 переноса нагрузки могут представлять собой любую подходящую несущую конструкцию и могут быть из любого достаточно прочного немагнитного материала. Конструкция внутренних элементов переноса нагрузки и их прикрепление к катушке поля будут зависеть от формы катушки поля, но это вполне входит в рамки обычных проектных работ для специалиста в области техники, в особенности ввиду того, что охлаждение для опор учитывать не требуется (в отличие от обычных охлаждаемых опор).
Например, как показано на Фиг.2, где катушка 21 поля представляет собой катушку тороидального поля с центральной колонной и множеством возвратных ветвей, внутренние элементы 24 и 25 переноса нагрузки могут быть колоннами, прикрепленными к верхней и нижней частям центральной колонны. Внутренние элементы 24 и 25 переноса нагрузки могут быть выполнены из слоистого материала, причем листы слоев перпендикулярны оси нагрузки. Один подходящий слоистый материал образован из многослойных стекловолокнистых эпоксидных листов G10 или G11. Дополнительные внутренние элементы 27 переноса нагрузки могут быть прикреплены к возвратным ветвям. Эти дополнительные элементы 27 переноса нагрузки особенно полезны для поддержки катушки поля против электромагнитных сил. Внутренние элементы переноса нагрузки проходят через теплозащитный экран 23 к вакуумному сосуду 22. Внешняя опорная рама 26 также может быть обеспечена для выдерживания нагрузки от внутренних элементов 27, 25 переноса нагрузки, причем земля выступает в качестве внешней опоры для внутреннего элемента 24 переноса нагрузки. Опять же, эта внешняя рама 26 полезна для обеспечения поддержки против очень значительных электромагнитных сил, действие которых испытывает катушка тороидального поля. Понятно, что аналогичная схема может быть обеспечена для катушки полоидального поля (не показана на Фиг.2).
Как упомянуто выше, такие опоры могут использоваться для термоядерного реактора, такого как реактор типа сферического токамака. Сферический токамак содержит тороидальную плазменную камеру, катушку тороидального поля, как описано выше, и по меньшей мере две катушки полоидального поля, которые являются катушками кругового поля в плоскости, перпендикулярной центральной колонне. При подходящей дополнительной опоре для плазменной камеры и катушек полоидального поля опорная конструкция, показанная на Фиг. 2, может быть использована для такого реактора. Например, катушка полоидального поля и плазменная камера могут быть обеспечены дополнительными внутренними элементами переноса нагрузки, которые соединяют их с вакуумной камерой, они могут быть механически соединены с катушкой тороидального поля и поддерживаться теми же опорными элементами, которые поддерживают катушку тороидального поля, или может быть использована некоторая комбинация двух подходов. Имеется относительно меньшее преимущество использования опорных конструкций на катушке полоидального поля, поскольку силы на катушке полоидального поля обычно меньше, чем силы на катушке тороидального поля и, как правило, осесимметричны.