СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКАРКАСНОГО РАВНОПРОЧНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОЛЕНОИДА Российский патент 1995 года по МПК H01F6/06 

Изобретение относится к электротехнике в области конструирования сверхпроводящих соленоидов, может быть использовано при создании сверхпроводящих электрических обмоток термоядерных реакторов-токамаков.

Известен способ изготовления бескаркасного сверхпроводящего соленоида путем наружного бандажирования цилиндрическим держателем намотанной на каркас катушки с последующим изъятием каркаса [1] Обжатие катушки цилиндрическим держателем осуществляется с заданным усилием. В результате улучшается теплопередача, предотвращаются смещение катушки при заведении в нее тока в режиме сверхпроводимости и возможные при этом повреждения изоляции.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления сверхпроводящего соленоида путем намотки его на вспомогательный сердечник, который затем заменяется на основной сердечник, предварительно охлажденный до низкой температуры [2] Последующее выравнивание температур соединенных элементов сопровождается растяжением и уплотнением витков соленоида, что улучшает теплопередачу и предотвращает нарушение изоляции при заведении в систему рабочего тока.

Конструктивные особенности термоядерных реакторов-токамаков (плотная компановка, максимальное радиальное сближение элементов конструкции с целью оптимального использования электромагнитных полей, значительное количество откачных и диагностических патрубков, выводных концов и электрических разъемов) не представляют возможным использование сверхпроводящих соленоидов, изготовленных любым из рассмотренных способов (наружный цилиндрический бандаж в первом случае, сердечник внутри соленоида во втором).

Кроме того, данные технические предложения не решают задачи создания равнопрочного соленоида.

Предлагается способ изготовления бескаркасного равнопрочного сверхпроводящего соленоида путем создания внутреннего радиального давления, отличающийся тем, что давление создается в соответствии с соотношением
P₁= 1 < P<P₂= σ_тln , где Р₁ первое критическое давление;
Р₂ второе критическое давление;
σт предел текучести;
а внутренний радиус соленоида;
b наружный радиус соленоида, а по достижению в его внутренних витках упругопластического состояния давление снимается.

В результате обеспечивается получение равнопрочного по сечению соленоида, увеличение ресурса соленоида из-за снижения максимальных действующих окружных напряжений, увеличение запаса по критическому току для сверхпроводника, отсутствие взаимного смещения витков за счет более плотного их обжатия.

Практически такое давление можно обеспечить, например, с помощью устройства, приведенного на фиг. 1. Внутрь соленоида 1, расположенного на плоскости, вставляются конические вкладыши 2, образующие совместно с прессом 3 клиновое соединение. В зависимости от выбранного угла клина определенное вертикальное перемещение пресса создает необходимое радиальное давление. Величина давления выбирается из условия обязательного достижения части внутренних витков пластического состояния.

После снятия давления внутренние витки, находящиеся в состоянии пластической деформации, оказываются сжатыми (т.е. окружные напряжения <0) и играют роль жесткой опоры, эквивалентную роли охлаждаемого сердечника в прототипе. Наружные витки, находящиеся вне действия пластических деформаций, растянуты, т. е. >0. Все витки сжаты в радиальном направлении (т.е. радиальные напряжения σ_ro<0) и обеспечивают тем самым монолитность структуры соленоида.

На фиг.2 представлен характер распределения остаточных окружных () и радиальных (σ_ro) напряжений в соленоиде после снятия внутреннего радиального давления.

Заведение тока в соленоид сопровождается возникновением пондеромоторных сил. Типичное распределение окружных и радиальных σ_ro напряжений от этих сил в витках соленоида изображено на фиг.3 пунктиром.

Полученные напряжения суммируются с остаточными , за счет чего происходит выравнивание окружных напряжений по радиусу и обеспечивается равнопрочность соленоида. Суммарные напряжения σ_rΣ=σ_ro+σ_rn создают радиальное обжатие витков соленоида. Распределение суммарных напряжений изображено на фиг.3 сплошными линиями.

Осуществление предлагаемых в описании действий с соблюдением количественных признаков, выраженных интервалом подбора давления внутри соленоида Р₁<Р<Р₂, позволяет в значительной мере увеличить ресурс сверхпроводящего соленоида в связи с уменьшением действующих окружных напряжений в сверхпроводнике, увеличить радиальное обжатие, предотвращающее расслоение и взаимное проскальзывание витков соленоида, увеличить запас по отношению к критическому току. Последнее связано с дополнительным увеличением продольной деформации внутренних витков соленоида, получивших предварительно пластическую деформацию при нагружении давлением. Известно, что критический ток I_k в сверхпроводниках "cable in conduit" возрастает с увеличением деформации вплоть до ε0,6-0,8% где ε относительная деформация проводника (см. фиг.4).

Использование: в установках управляемого термоядерного синтеза с магнитным удерживанием плазмы. Сущность изобретения: способ заключается в создании в бескаркасном сверхпроводящем соленоиде внутреннего радиального давления в рамках, определяемых соотношением: P₁=1/2σ_т·(1-a²b²)<P<P₂=σ_тln b/a, где P₁ - первое критическое давление; P₂ - второе критическое давление, σ_т - предел текучести; a - внутренний радиус соленоида, B - наружный радиус соленоида, а по достижении в его внутренних витках упругопластического состояния давление снимают, в результате чего обеспечивается получение равнопрочного по сечению сверхпроводящего соленоида, увеличение его ресурса, увеличение запаса по критическому току для сверхпроводника,отсутствие взаимного смещения витков соленоида. 4 ил.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКАРКАСНОГО РАВНОПРОЧНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОЛЕНОИДА путем создания внутреннего радиального давления, отличающийся тем, что давление в соленоиде создают в соответствии с соотношением

где P₁ первое критическое давление;
P₂ второе критическое давление;
σ_т предел текучести;
a внутренний радиус соленоида;
b наружный радиус соленоида,
и по достижении в его внутренних витках упругопластического состояния давление снимают.