ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
THERMONUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к термоядерной технике и используется при создании энергетических термоядерных установок типа токамак.
Из уровня техники известен термоядерный реактор, содержащий вакуумный корпус и соединенные с ним посредством гибких опор с крепежными элементами и электрических соединителей защитные модули бланкета (A.Rene Raffray, Mario Merola. Overview of the design and R&D of the ITER blanket system. Fusion Engineering and Design, 87 (2012), page 769-776). Опоры с крепежными элементами осуществляют механическое соединение, а электросоединители - электрическое.
В известном термоядерном реакторе опора предназначена для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора с восприятием сжимающей и растягивающей составляющих от внешней нагрузки. Электрический соединитель предназначен для отведения тока от модуля бланкета к вакуумному корпусу реактора. Для предотвращения протекания по опоре электрического тока на ряд поверхностей нескольких крепежных деталей опоры нанесено электроизоляционное покрытие. Включение в состав опоры электроизоляционного покрытия требует дополнительных технологических операций по нанесению электроизолирующего покрытия, кроме того, на покрытие накладываются условия сохранения целостности и работоспособности в вакууме при меняющихся температурных полях и больших ударных нагрузках, что приводит к усложнению конструкции опоры и необходимости соблюдения ряда требований по обращению с конструктивными элементами с электроизоляционным покрытием на всех этапах жизненного цикла изделия, позволяющих сохранить целостность и электроизоляционные свойства покрытия, и, следовательно, к снижению надежности опорного узла. Кроме того, указанные покрытия не позволяют отводить от модулей бланкета вихревые токи, которые наводятся в модулях при срывах плазмы во время работы термоядерного реактора, и для этих целей требуется использовать специальное устройство - электрический соединитель, который устанавливают между вакуумным корпусом реактора и модулем бланкета с обеспечением контакта соединителя с корпусом и с модулем бланкета. Кроме опор на стороне защитных модулей бланкета, обращенной к вакуумному корпусу, располагаются патрубки подвода и отвода теплоносителя, электроизолирующие накладки, коллекторы теплоносителя, кабели и датчики диагностических систем, таким образом, вся тыльная часть защитного модуля оказывается занятой. Для модулей термоядерного реактора следующего поколения, имеющих не только защитные функции (с воспроизводством трития, с дожиганием долгоживущих актинидов, с обогащением тяжелых элементов, исследовательских, материаловедческих и др.), потребуется подведение соответствующих дистанционно обслуживаемых трактов, на узлы стыковки которых при сохранении текущей схемы крепления модуля места не остается.
Недостатками известного термоядерного реактора являются: необходимость установки электрических соединителей для отведения вихревых токов от модулей бланкета и необходимость введения в состав опор конструктивных элементов с электроизоляционным покрытием.
Необходимость установки электрических соединителей снижает надежность реактора по причине увеличения числа включенных в его состав элементов и создает затесненность на стороне модуля, обращенной к вакуумному корпусу.
Необходимость введения в состав опор конструктивных элементов с электроизоляционным покрытием приводит к снижению надежности реактора, поскольку в составе опорных узлов увеличено число конструктивных элементов и в конструкции части из них должно присутствовать электроизоляционное покрытие, предъявляющее особые требования к конструкции и обращению с ним. Этот недостаток также приводит к увеличенной затесненности в зоне крепления модуля, поскольку конструкция опорных узлов, в составе которых имеются конструктивные элементы с электроизоляционным покрытием, занимает больше места и усложняет конструкцию модулей, в пространствах которых располагаются детали с электроизоляционным покрытием, поскольку поверхности с электроизоляционным покрытием для обеспечения финишной обработки покрытия должны быть только линейчатыми (плоскость, цилиндр, конус) и они требуют особого конструктивного оформления с добавлением канавок, фасок, переходных поверхностей и т.п.
Задачей настоящего изобретения является создание термоядерного реактора, обладающего повышенной надежностью.
Техническим результатом настоящего изобретения является отведение вихревых токов от модуля бланкета термоядерного реактора при одновременном исключении из состава бланкета электрических соединителей и уменьшением затесненности стороны модуля бланкета, обращенной к вакуумному корпусу.
Технический результат достигается тем, что в термоядерном реакторе, содержащем вакуумный корпус и соединенные с ним посредством гибких опор модули бланкета, каждая гибкая опора одним концом закреплена на вакуумном корпусе, а другим - на модуле бланкета.
Согласно изобретению гибкие опоры дополнительно выполняют функции электрических соединителей, при этом опоры выполнены из материала с высокой электропроводностью, а оба закрепленных конца каждой гибкой опоры обращены к модулю бланкета, сама гибкая опора выполнена из двух полых цилиндрических элементов, вложенных один в другой и перфорированных продольными прорезями в части, свободной от креплений, концы полых цилиндрических элементов, противоположные закрепленным концам, соединены электрически и механически.
Выполнение описанных элементов термоядерного реактора указанным образом позволяет исключить применение электроизоляционного покрытия в конструкции опор, а выполнение опоры из материала с высокой электропроводностью позволяет отвести вихревые токи от модуля бланкета термоядерного реактора без использования дополнительного оборудования (электрических соединителей), а также снизить энерговыделение в опоре и соответственно температуру опоры, что в совокупности обеспечивает упрощение конструкции термоядерного реактора и, как следствие, повышение его надежности. Однако при перенесении функций электросоединителя на гибкую опору на нее начинают дополнительно воздействовать поперечные силы, возникающие при взаимодействии тока с магнитным полем реактора. Для компенсации поперечных сил гибкая опора выполняется в виде двух вложенных один в другой перфорированных цилиндрических элементов, что дает возможность организовать встречное течение электрического тока по ним, что, в свою очередь, позволяет скомпенсировать поперечные силы, действующие на опору при взаимодействии тока с магнитным полем реактора, так как результирующее усилие от двух равных противоположно направленных сил будет равно нулю. Компенсация поперечных усилий внутри опоры позволяет снизить уровень напряжений в опоре, увеличив ее нагрузочную способность и надежность.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен термоядерный реактор в части соединения вакуумного корпуса с модулем бланкета (продольный разрез).
Термоядерный реактор содержит вакуумный корпус 1 и модуль бланкета 2, соединенный с ним посредством гибкой опоры 3. Опора 3 одним концом закреплена на модуле бланкета 2 с образованием механического и электрического соединения. Другой конец гибкой опоры 3 соединен с вакуумным корпусом 1 термоядерного реактора. Оба закрепленных конца гибкой опоры 3 обращены к модулю бланкета 2, а сама гибкая опора 3 выполнена из двух полых цилиндрических элементов, вложенных один в другой и перфорированных прорезями, протяженными в осевом направлении в части, свободной от креплений. Концы полых цилиндрических элементов, противоположные закрепленным концам, соединены электрически и механически тем или иным известным способом (например, пайка, сварка, спаяная резьба) либо вся опора выполнена из цельной заготовки. Гибкая опора 3 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например из хромциркониевой бронзы, и дополнительно выполняет функции электрического соединителя.
Заявляемый термоядерный реактор работает следующим образом.
В процессе работы термоядерного реактора на модуль бланкета 2 действуют токи и динамические нагрузки от срывов плазмы. Модуль 2 должен быть надежно закреплен на вакуумном корпусе 1 термоядерного реактора с компенсацией сжимающих и растягивающих составляющих внешней нагрузки. Кроме того, требуется иметь надежный электрический контакт между модулем 2 и корпусом реактора 1 для отведения вихревых токов от модуля 2 к вакуумному корпусу 1.
Гибкая опора 3 выполняет функцию крепления модуля бланкета 2 на вакуумном корпусе 1, при этом сжимающая или растягивающая составляющая усилия внешних нагрузок от модуля бланкета 2 через соединение передается на гибкую опору 3, а от нее через второе соединение - на вакуумный корпус 1 известным из уровня техники способом.
Так как гибкая опора 3 выполнена из материала с высокой электропроводимостью, кроме передачи сжимающей и растягивающей составляющей усилия, она отводит электрический ток от модуля бланкета 2 к вакуумному корпусу 1. Электрический ток от модуля бланкета 2 течет в соединенный с ним цилиндрический перфорированный элемент 4 гибкой опоры 3. От указанного перфорированного элемента 4 ток течет к другому перфорированному элементу 5 через место их соединения. От второго элемента 5 ток течет в вакуумный корпус 1 через место присоединения гибкой опоры. При этом ток течет по близко расположенным перфорированным элементам 4 и 5 во встречных направлениях, что позволяет компенсировать поперечные силы, возникающие при взаимодействии тока с магнитным полем реактора и действующие на опору в целом, т.к. результирующее усилие от двух равных противоположно направленных сил будет равно нулю.
Сжимающая и растягивающая нагрузки воспринимаются перфорированными элементами гибкой опоры 3, поскольку перфорация выполнена прорезями, протяженными в направлении действия этой составляющей нагрузки (в осевом направлении). В направлении, поперечном осевому, опора 3 является податливой (гибкой), поскольку в части, свободной от креплений, перфорированные элементы опоры представляют собой совокупность стержней, имеющих возможность изгибаться.