ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ ТИПА "ТОКАМАК Российский патент 1994 года по МПК G21B1/00 H05H1/02 H01F7/20 

Изобретение относится к экспериментальным установкам управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы типа токамак.

При конструировании токамаков решается задача удобного для эксплуатации размещения и надежного механического закрепления обмоток тороидального и полоидального магнитных полей, располагаемых на тороидальной вакуумной камере. В практике существуют два варианта относительного расположения тороидальных и полоидальных обмоток.

По первому варианту (например, в установке РДХ) электромагнитная система содержит обмотку тороидального поля, выполненную из блоков тороидального поля, внутри которой размещены обмотки полоидального поля [1].

Такое расположение обмоток позволяет получить необходимую величину полоидального поля без существенного форсажа тока в них, снизить остроту проблемы механических нагрузок на полоидальные обмотки, что дает возможность отказаться от силовых каркасов для их крепления. Однако при таком расположении обмоток затрудняется доступ к полоидальным обмоткам с целью их обслуживания и ремонта. Повреждение катушек в этих обмотках приводит к необходимости практически полной разборки электромагнитной системы токамака, снятию блоков тороидального поля, что влечет значительные трудовые и временные затраты.

Этот недостаток отсутствует в другом конструктивном решении электромагнитной системы (токамаки ТМ-3 и Т-10), где полоидальные катушки снабжены силовым каркасом и размещены на силовых корпусах обмотки тороидального поля [2]. Для обеспечения нормальной работы токамака конструкция силового каркаса катушек должна исключить образование короткозамкнутого контура во избежание шунтирования плазменного шнура в вакуумной камере, т.е. должна иметь по крайней мере один диэлектрический разъем по диаметру. Силовой каркас полоидальных катушек в известных устройствах представляет собой цилиндр из прочной немагнитной стали, разрезанный по образующей в диаметральной плоскости на два полуцилиндра, к краям которых прикреплены фланцы. Полуцилиндры охватывают катушку и соединены фланцами через изолирующую прокладку с помощью электрически изолированных болтов.

Необходимость силового каркаса вызвана отдалением полоидальных катушек от зоны плазмы, что требует увеличения токов в этих обмотках. При этом пропорционально квадрату тока возрастают механические нагрузки, воздействующие на полоидальные катушки и передаваемые на силовой каркас. В крупных токамаках с сильными магнитными полями разрывающее усилие, действующее в поперечном сечении обечайки силового каркаса, может достигать десятков и сотен тонн, и это усилие полностью воспринимается крепежными деталями (болтами) с диэлектрическими элементами (шайбами, втулками, прокладкой). Эти диэлектрические элементы обладают существенно более низкими механическими характеристиками по сравнению с металлом каркаса. В этом случае очевидна необходимость существенного увеличения опорных поверхностей диэлектрических элементов и соответственно фланцев. Следовательно, увеличится и азимутальный размер блока катушек в зоне разреза каркаса, что ограничено размещением в этих местах других элементов установки, в частности откачных и диагностических патрубков вакуумной камеры.

Кроме того, наличие в силовом каркасе в зоне разъема диэлектрических элементов снижает его механическую прочность и надежность.

Изобретение направлено на создание электромагнитной системы, в которой катушки полоидального поля доступны для осмотра, обслуживания и ремонта, имеют надежный силовой каркас, выдерживающий большие механические нагрузки, характерные для токамаков с сильными магнитными полями, и не препятствующий размещению проходных патрубков вакуумной системы.

Для этого в электромагнитной системе токамака, содержащей блоки обмотки тороидального магнитного поля, снабженные силовыми корпусами электромагнитных катушек и электроизолированные друг от друга, и электромагнитные катушки полоидального магнитного поля, установленные в силовом каркасе с внешней стороны блоков обмотки тороидального магнитного поля, силовой каркас катушек полоидального поля выполнен в виде электроизолированных одна от другой скоб, изготовленных из высокопрочного немагнитного металла, каждая из которых охватывает катушку или группу катушек полоидального магнитного поля по периметру их поперечного сечения по крайней мере с трех сторон, при этом скобы установлены на блоках обмотки тороидального магнитного поля в радиальном направлении, вертикальные стойки скоб жестко закреплены на силовых корпусах блоков.

В конкретном исполнении количество силовых скоб выбирают равным числу блоков обмотки тороидального поля или меньшим в кратное число раз, вертикальные стойки скоб установлены в уступах, выполненных в корпусах катушек тороидального поля; вертикальные стойки могут быть установлены относительно уступов с зазором, а в образованных таким образом кольцевых пазах размещены парные встречные клинья; скобы установлены по азимуту полоидальной катушки с воздушными промежутками между ними; скобы по горизонтальным плоскостям скреплены между собой в единый конструктивный узел диэлектрическими элементами, например стеклотекстолитовыми кольцами; в скобы вмонтированы нажимные элементы, например винты и клинья, подпрессовывающие катушки полоидального поля.

При таком выполнении электромагнитные силы, возникающие в полоидальных катушках при работе электромагнитной системы, воздействуют не на крепежные элементы с диэлектрическими деталями разъема силового каркаса, как в прототипе, а распределяются на ряд дискретных скоб, закрепленных на каркасах катушек тороидального поля. Прочность такого силового каркаса, а следовательно, и надежность электромагнитной системы, определяется количеством силовых скоб, жесткостью крепления их в корпусах катушек тороидального поля, плотностью прилегания полоидальных катушек к скобам, регулируемого в процессе эксплуатации нажимными элементами, встроенными в скобы. В результате отсутствия фланцев (и разъема) на силовом каркасе полоидальных катушек отпадает необходимость использования диэлектрических элементов (шайб, прокладок), снижающих прочность силового каркаса, отсутствуют трудности при размещении проходных патрубков вакуумной системы, а закрепление стоек скоб в уступах корпусов катушек тороидального поля и скрепление скоб диэлектрическими кольцами обеспечивают высокую технологичность конструкции. Наличие азимутальных воздушных промежутков между скобами снижает металлоемкость силового каркаса и улучшает условия естественного охлаждения электромагнитной системы за счет лучшей циркуляции воздуха.

Таким образом изобретение позволяет повысить надежность электромагнитной системы установки токамак и улучшить условия ее эксплуатации.

На фиг.1 изображена предложенная система, общий вид; на фиг.2 - то же, вид в плане; на фиг. 3-5 - примеры установки парных встречных клиньев и нажимных элементов, встроенных в силовые скобы каркаса.

Электромагнитная система содержит катушки тороидального поля 1, заключенные в силовые корпусы 2, и расположенные на них полоидальные катушки 3 в силовых каркасах. Силовые каркасы набраны из отдельных скоб 4 и 5, которые охватывают полоидальные катушки по поперечному сечению. Скобы 4 имеют П-образную форму и целесообразны для отдельных катушек или их блоков, скобы 5 имеют Ш-образную форму и целесообразны для концентрических катушек или их блоков. Вертикальные стойки 6 скоб установлены в радиальном направлении в уступах 7, выполненных в корпусах 2. Скобы 4, 5 скреплены с корпусами 2 с помощью болтов 8.

По другому варианту крепления скоб (см. фиг.3) стойки 6 установлены с некоторым зазором относительно уступов 7, образуя кольцевые пазы 9. В пазах размещены парные встречные клинья 10 и крепление стоек осуществлено их расклиниванием относительно уступов 7 в силовых корпусах 2. Скобы 4 или 5 могут быть объединены в единый конструктивный узел с помощью накладных диэлектрических колец 11, установленных на наружной горизонтальной плоскости набора скоб. В скобы 5 или 4 могут быть встроены нажимные элементы: винты 12 (см. фиг.4) или клинья 13 с винтами 12 (см. фиг.5) для подпрессовки катушек в скобах.

При подключении электромагнитной системы к электропитанию из-за взаимодействия токов катушек полоидального поля 3 с собственным магнитным полем на катушки 3 действуют радиальные электромагнитные силы, направленные от центра установки к ее периферии, которые передаются на вертикальные стойки 6 скоб 4 или 5, закрепленные в уступах 7 винтами 8 или с помощью клиньев 10, и через них - на силовые корпуса 2 катушек тороидального поля. Частота расположения вертикальных стоек скоб по азимуту установки определяет напряженно-деформированное состояние полоидальных катушек 3. Изменением числа скоб в силовом каркасе можно добиться приемлемых механических напряжений в элементах полоидальных катушек, не ведущих к снижению работоспособности этих катушек и электромагнитной системы в целом. Максимальное число скоб в силовом каркасе определяется числом корпусов катушек тороидального поля. В известных конструкциях электромагнитных систем токамаков принимается от 12 до 32 блоков тороидального поля.

В процессе работы из-за эффекта ползучести изоляционных материалов полоидальных катушек 3 ослабляется первоначальная запрессовка в скобах 4 или 5. Для компенсации ослабления запрессовки подтягивают винты 12, воздействующие на катушки непосредственно (см. фиг.4) или через клинья 13 (см. фиг. 5).

Использование: в термоядерном синтезе, в частности в электромагнитной системе токамака. Сущность изобретения: система содержит катушки 1 тороидального поля, заключенные в силовые корпуса 2, и расположенные на них полоидальные катушки 3, помещенные в силовые каркасы. Последние набраны из отдельных скоб 4 и 5, которые охватывают полоидальные катушки 3 по поперечному сечению. Вертикальные стойки 6 скоб установлены в радиальном направлении в уступах 7, выполненных в корпусах 2. Скобы 4 и 5 жестко закреплены в корпусах 2 с помощью болтов. Количество скоб 4 и 5 равно или кратно числу блоков обмотки тороидального поля. Это обеспечивает надежность системы и улучшает условия ее эксплуатации. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ ТИПА "ТОКАМАК", содержащая блоки обмотки тороидального магнитного поля, снабженные силовыми корпусами электромагнитных катушек и электроизолированные друг от друга, и электромагнитные катушки полоидального магнитного поля, установленные на силовом каркасе с внешней стороны блоков обмотки тороидального магнитного поля, отличающаяся тем, что силовой каркас катушек полоидального магнитного поля выполнен в виде электроизолированных одна от другой скоб, изготовленных из высокопрочного немагнитного металла, каждая из которых охватывает катушку или группу катушек полоидального магнитного поля по периметру их поперечного сечения по крайней мере с трех сторон, при этом скобы установлены на блоках обмотки тороидального магнитного поля в радиальном направлении, а вертикальные стойки скоб жестко закреплены на силовых корпусах блоков. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки скоб установлены в гнездах, образованных в силовых корпусах блоков. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что вертикальные стойки скоб установлены с зазорами относительно уступов, а в образованных зазорами кольцевых пазах размещены парные встречно установленные клинья. 4. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что скобы установлены в азимутальном направлении вдоль каждой катушки полоидального магнитного поля с образованием воздушных промежутков между соседними скобами. 5. Система по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что количество скоб равно или кратно количеству блоков обмотки тороидального магнитного поля. 6. Система по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что скобы скреплены между собой диэлектрическими элементами в единый конструктивный узел. 7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрических элементов использованы кольца, изготовленные из стеклотекстолита. 8. Система по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что скобы снабжены нажимными элементами, контактирующими с катушками полоидального магнитного поля. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что нажимные элементы выполнены в виде винтов или клиньев.