ТОРОИДАЛЬНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА С ВЫТЯНУТЫМ СЕЧЕНИЕМ ПЛАЗМЫ Российский патент 1995 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза, в частности к проблеме конструирования вакуумной камеры и бланкета тороидальных установок, предназначенных для проведения реакции ядерного синтеза, и может быть использовано, например, при создании установок токамак.

Известен проект тороидальной термоядерной установки с вытянутым сечением плазмы, которая содержит катушки магнитной системы, тороидальную вакуумную камеру и вложенные в нее секции бланкета, формирующие совместно с камерой сдвоенные петли пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура. Сдвоенные петли образованы хорошо проводящими пластинами (плакировкой) из медного сплава, прикрепленными к лицевым, боковым и тыльным стенкам секций внешнего бланкета и к ближайшей поверхности массивных секторов вакуумной камеры [1].

Недостатки этой конструкции обусловлены высокой наведенной активностью медных сплавов под действием нейтронного облучения и различными коэффициентами теплового расширения плакировки и конструктивной стали. Различие коэффициентов теплового расширения создает технологические проблемы при выполнении конструкционных и монтажных сварных соединений в секциях бланкета и секторах камеры, а также при отжиге и обезгаживании этих конструкций. Уменьшается степень надежности всей установки, работаю- щей в условиях циклических тепловых и импульсных электродинамических нагрузок.

Известны установки томакак с сильно вытянутым сечением плазмы, состоящие из катушек магнитной системы, тороидальной вакуумной камеры и вложенных в нее секций бланкета. Плазма в этих установках неустойчива к смещениям по вертикали. Ее быстрые смещения замедляются так называемыми седловыми петлями пассивной стабилизации, которые формируются хорошо проводящими пластинами (плакировкой) из медного сплава, прикрепленными к лицевым и боковым стенкам секций внешнего бланкета. При быстрых смещениях плазмы по вертикали в конструкциях бланкета индуцируются вихревые токи, основная часть которых протекает по плакировке. На лицевых стенках секций бланкета эти токи текут преимущественно в тороидальном, а на боковых стенках - в полоидальном направлениях. Вихревые токи на смежных боковых поверхностях секций бланкета имеют примерно равные величины и встречные направления, так что быстрые изменения магнитного поля происходят только в зазорах между этими поверхностями [2].

Основные недостатки такой конструкции связаны с большой кратностью электрического секционирования бланкета по обходу тора: N = 48. При возрастании кратности секционирования происходит быстрая деградация стабилизирующих свойств пассивных петель, обусловленная увеличением балластной индуктивности зазоров между секциями бланкета. Необходимые параметры пассивной стабилизации удается обеспечить лишь при ограничении допустимой величины этих зазоров в пределах нескольких миллиметров, что создает большие трудности при изготовлении и монтаже конструкций бланкета с длиной сопрягаемых поверхностей порядка 10 м. Дополнительные сложности связаны с высокой наведенной активностью медных сплавов под действием нейтронного облучения и с различными коэффициентами теплового расширения плакировки и конструкционной стали. Высокая активируемость медных сплавов ухудшает радиационную обстановку при проведении ремонтных работ и существенно удорожает захоронение радиоактивных отходов. Различие в коэффициентах теплового расширения плакировки и конструкционной стали создает большие технологические проблемы при выполнении конструкционных и монтажных сварных соединений в секциях бланкета и секторах камеры, а также при отжиге и обезгаживании этих конструкций. Поскольку установка работает в условиях циклических тепловых и импульсных электродинамических нагрузок, то существует опасность отслоения плакировки, что снижает уровень надежности всего реактора. По этим же техническим и технологическим причинам признано проблематичным изготовление пассивных петель из низкоактивируемых алюминиевых сплавов, так как эти сплавы имеют худшую электропроводность, значительно большие коэффициенты теплового расширения и меньшую прочность.

Изобретение решает задачу уменьшения количества плакировок (вплоть до полного отказа от них) в конструкции с седлообразными петлями пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура.

Сущность изобретения состоит в том, что в тороидальной термоядерной установке с вытянутым сечением плазмы, содержащей магнитную систему, тороидальную вакуумную камеру, внутри которой установлены секции бланкета, и седлообразные петли пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура, сформированные на лицевой и боковых стенках каждой секции бланкета, петли на смежных боковых стенках секций бланкета образованы оpебренными смежными поверхностями секций, формирующими зигзагообразные электроизолирующие зазоры, при этом ребра выполнены из конструкционного материала бланкета и ориентированы в полоидальном направлении. Ребра могут быть выполнены прямолинейной формы и ориентированы в вертикальном направлении, что является частным случаем полоидальной ориентации.

На фиг. 1 показано горизонтальное сечение токамака с седловыми петлями пассивной стабилизации и с оребрением боковых стенок секций внешнего бланкета; на фиг. 2 и 3 - эскизы двух смежных секций внешнего бланкета с оребрением их боковых стенок.

Тороидальная термоядерная установка состоит из катушек 1 магнитной системы, тороидальной вакуумной камеры 2 и вложенных в нее секций 3 бланкета. Боковые стенки секций внешнего бланкета имеют оребрение. Ребра 4 (фиг. 1 и 2) выполнены из конструкционного материала бланкета, например из нержавеющей стали, и лишены плакировки из хорошо проводящих сплавов. Ребра сориентированы в полоидальном направлении и формируют зигзагообразные электроизолирующие зазоры. На фиг. 3 представлен вариант ориентировки ребер в вертикальном направлении. Ребра 5 в этом варианте имеют прямолинейную форму, также выполнены из конструкционного материала бланкета и формируют зигзагообразные электроизоляционные зазоры.

При работе установки в результате быстрых смещений плазмы по вертикали в секциях 3 бланкета индуцируются вихревые токи. При наличии оребрения основная часть этих токов протекает по ребрам 4, 5 секций бланкета. Главная причина протекания большей части вихревых токов по ребрам 4 или 5 состоит в том, что в ребрах сосредоточено основное электрическое сечение (и проводимость) контуров вихревых токов. Эффект сканирования вихревых токов при этом играет второстепенную роль. Это справедливо и для прототипа, где ток распределяется между плакировкой и стальной стенкой примерно в соответствии с соотношением их проводимостей при незначительном влиянии скин-эффекта. Необходимые характеристики системы пассивной стабилизации достигаются за счет ограничения величины электрических зазоров δ_эл (фиг. 1) и обеспечения достаточно высокой электропроводности пассивных петель. Параметр δ_эл определяется как расстояние между средними линиями тока в смежных проводящих стенках и ограничивается величиной δ_эл≅ 10 мм. В конструкции прототипа постоянная времени пассивных петель достигается при толщине плакировки из медного сплава не менее 5 мм. Одно из условий сохранения необходимых характеристик пассивных петель при каких-либо изменениях их конструкции состоит в неувеличении индуктивности зазоров:
L_з= μ_o ∫(δ_эл/h)dl где l и h - соответственно длина и ширина зазора, т. е. его размеры вдоль и поперек линий электрического тока. Замена плакировки конструкций их оребрением означает увеличение параметра h в несколько раз (в типичной ситуации в 5-7 раз). При сохранении прежней величины L_з это позволяет во столько же раз увеличить размеры электрических зазоров (δ_эл≅ 150-200 мм вместо δ_эл≅ 30 мм). В рассматриваемых условиях эффективное электрическое сечение пассивных петель возрастает пропорционально произведению h ˙δ_эл. С учетом пропор- циональной зависимости δ_эл и h имеет место квадратичная зависимость электрического сечения пассивных петель от параметра h. Поэтому оказывается возможным за счет оребрения конструкций с возрастанием h в 5-7 раз использовать материал, имеющий в 25-50 раз большее удельное сопротивление, чем медные сплавы, т.е. либо уменьшить площадь или толщину плакировки оребренных стальных поверхностей боковых стенок медными или алюминиевыми сплавами, либо полностью отказаться от такой плакировки.

Таким образом, в конструкции с седловыми петлями пассивной стабилизации достигается уменьшение количества или исключение использования плакировок из медных сплавов в конструкциях бланкета и камеры, что позволяет снизить стоимость исходных материалов и изготовления этих конструкций, улучшить радиационную ситуацию при проведении ремонтных работ и демонтаже установки, уменьшить стоимость захоронения радиоактивных отходов и экологическую опасность установки. Кроме того, изобретение позволяет снизить внутренние термонапряжения в стенках секций бланкета, а также упростить технологические проблемы их изготовления и сборки, включая выполнение конструкционных и монтажных сварных соединений, операций отжига и обезгаживания и т.п. Повышается и общая надежность работы установки за счет исключения возможности отслоения плакировки под действием термонапряжений и больших электродинамических нагрузок, возникающих при срыве тока плазмы.

Использование: при конструировании бланкета термоядерного реактора токамака. Сущность изобретения: в тороидальной термоядерной установке с вытянутым сечением плазмы, содержащей магнитную систему, тороидальную вакуумную камеру и вложенные в нее секции бланкета, формирующие петли пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура, стенки секций бланкета в зоне размещения пассивных петель выполнены с оребрением. Ребра имеют одинаковую ориентировку, выполнены из конструкционного материала бланкета и формируют зигзагообразные электроизолирующие зазоры. Петли пассивной стабилизации выполнены седловыми, оребренными выполнены смежные боковые стенки секций бланкета, а ребра на боковых стенках бланкета сориентированы в полоидальном либо в вертикальном направлении. В конструкции установки с седловыми петлями пассивной стабилизации достигается уменьшение количества или исключение использования плакировок из медных сплавов в конструкциях бланкета и камеры, что позволяет снизить стоимость исходных материалов и изготовления этих конструкций, улучшить радиальную ситуацию при проведении ремонтных работ и демонтаже установки, уменьшить стоимость захоронения радиоактивных отходов и экологическую опастность установки. Кроме того, изобретение позволяет снизить внутренние термонапряжения в стенках секций бланкета, упростить технологические проблемы их изготовления и сборки и повысить общий уровень надежности установки за счет исключения возможности отслоения плакировки под действием термонапряжений и больших электродинамических нагрузок, возникающих при срыве тока плазмы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ТОРОИДАЛЬНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА С ВЫТЯНУТЫМ СЕЧЕНИЕМ ПЛАЗМЫ, содержащая магнитную систему, тороидальную вакуумную камеру, в которой установлены секции бланкета, и седлообразные петли пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура, сформированные на лицевой и боковых стенках каждой секции бланкета, отличающаяся тем, что петли на смежных боковых стенках секций бланкета образованы оребренными смежными поверхностями секций, формирующими зигзагообразные электроизолирующие зазоры, при этом ребра выполнены из конструкционного материала бланкета и ориентированы в полоидальном направлении. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ребра выполнены прямолинейной формы и ориентированы в вертикальном направлении.