ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТОКАМАКА

Полезная модель относится к области управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к компактным и сферическим токамакам, у которых ограничен внутренний диаметр и недостаточно места для полноценной защиты центрального столба.
Известна конструкция [Патент США №3,301,937 «LIQUID NITROGEN COOLED BERYLLIUM SUPERCONDUCTOR»] электротехнического оборудования - статора электродвигателя и обмотки трансформатора, изготовленных из бериллия, в котором используется охлаждение отдельных узлов жидким азотом. При этом масса и объем электрического оборудования может значительно быть уменьшены и их эффективность увеличена в случае поддержания проводников при низкой температуры. Это происходит из-за уменьшения электросопротивления при низких температурах.
Известно техническое решение - сверхпроводящий магнитный накопитель энергии [Патент США №5,160,911 «Toroidal constant-tension superconducting energy storage units»], в котором накопление энергии обеспечивается в тороидальной магнитной катушке таким образом, что индуцированное магнитное поле, возникает только внутри тора, создаваемого обмотками. Снаружи величина магнитного поля имеет очень низкое значение. Сверхпроводящий магнит представляет собой обмотку, включающую в себя охлаждающий канал, в котором течет теплоноситель - (возможны различные варианты) при криогенной температуре.
Известно также техническое решение - электромагнитная система токамака с одним разрывом для подключения системы электропитания [Патент на полезную модель №125427 от 27.02.2013], 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. Данное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному Недостатком данной системы является значительный уровень поглощения нейтронов в медных обмотках, а также существенное потребление электроэнергии.
Техническим результатом является уменьшение паразитного поглощения нейтронов, увеличение размножения нейтронов, и, таким образом, увеличение общего количества нейтронов в системе, а также снижение электрической мощности, необходимой для работы магнитной системы.
Для достижения указанного результата предложена электромагнитная система токамака, включающая витки обмотки тороидального поля, опирающиеся на центральный опорный элемент и наружный кольцевой бандаж, электрические соединения, систему охлаждения витков с каналами для прохода теплоносителя, при этом витки обмотки тороидального поля выполнены из бериллия, система охлаждения выполнена в виде входного и выходного коллекторов, охватывающих снаружи витки обмотки и соединенных с каналами для прохода теплоносителя трубками, а в качестве охлаждающего теплоносителя используют теплоноситель при температуре ниже 100 К. Кроме того:
- в качестве охлаждающего теплоносителя используют жидкий азот или жидкий воздух,
- в качестве охлаждающего теплоносителя используют газообразные гелий или неон.
Кроме того, каналы проходят через витки обмотки,
Кроме того, в каждой обмотке выполнен один центральный канал,
Кроме того, каналы расположены снаружи витков обмотки.
Общий вид электромагнитной системы показан на фигуре 1.
Позициями обозначены:
1 - виток обмотки тороидального магнитного поля из бериллия, 2 - верхняя опорная плита, 3 - нижняя опорная плита, 4 - распорка, 5 - центральный столб, 6 - опорный элемент.
На фигуре 2 дана зависимость электрического сопротивления от температуры для алюминия, бериллия и меди
Из фигуры 2 видно, что электропроводность бериллия при температуре жидкого азота ~80 К ниже, чем у меди и алюминия при данной температуре и значительно ниже, чем у этих же материалов при комнатной температуре
На фигурах 3 и 4 показаны схемы охлаждения витков обмотки 1 для варианта расположения каналов (двух) внутри каждой обмотки. На этих фигурах следующие обозначения: позиция 7 - входной коллектор; 8 - выходной коллектор; 9 - трубка подвода теплоносителя от коллектора к каналу обмотки; 10 - поток теплоносителя. Витки обмотки тороидального поля электромагнитной системы токамака 1 изготавливаются из бериллия. Обмотки размещаются между нижней 3 и верхней 2 опорами, которые вместе с распорками 4 образуют силовую конструкцию. Изготовление отдельных витков происходит путем литья или при помощи порошковой технологии. Подключение к ним системы охлаждающего теплоносителя осуществляется в произвольной внешней области каждого витка с помощью входного 7 и выходного 8 коллекторов, охватывающих все витки обмотки. К каждому каналу охлаждения поток теплоносителя 5 направляется по отдельной трубке 9. Каналы могут быть выполнены внутри обмоток, их может быть несколько, или один центральный. Каналы могут располагаться и снаружи обмотки.
В качестве теплоносителя могут быть использованы жидкий воздух (температура кипения при атмосферном давлении 79 К), жидкий азот (77 К), а также газообразные гелий, неон и др. Применение жидких теплоносителей предпочтительней, так как у них лучше теплофизические свойства.
Бериллий является уникальным материалом т.к. из всех металлов имеет наименьшее сечение поглощения тепловых нейтронов (в 267 раз меньше, чем железо и в 400 раз меньше, чем медь). Это качество вместе с большим сечением рассеяния и высокой температурой плавления делает его перспективным конструкционным материалом. Бериллий используется в ядерной технике как замечательный замедлитель и отражатель. Высокое значение отношения прочности к плотности в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью значительно улучают перспективы его использования в качестве конструкционного материала.
Применение жидкого воздуха привлекательно по экономическим соображениям, так как его наличие ничем не ограничено.
Применение азота (в том числе и жидкого) как охладителя в высоковольтном электротехническом оборудовании может оказаться выгодным, поскольку азот:
1) Повсеместно доступен (объемное содержание в воздухе ~78%) и может без особых затруднений производиться на месте;
2) Относительно дешев (жидкий азот почти в 3 раза дешевле минерального масла и в 100 раз дешевле жидкого гелия);
3) Не загрязняет окружающую среду;
4) Химически слабо активен;
5) Является хорошим электроизолятором (т.е. может одновременно выполнять функции охладителя и электроизоляции).
Таким образом, преимуществами данного устройства будут следующие.
- Уменьшение электрического сопротивления более чем в 20 раз по сравнению с медными ОТП, охлаждаемыми водой.
- Увеличение теплопроводности материала катушки более 4 раз.
- Значительное улучшение нейтронно-физических характеристик.