ОБОЛОЧКА ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ СФЕРИЧЕСКОГО ТОКАМАКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к реакторам ядерного синтеза, а, именно к реакторам типа токомак, предназначенным для получения энергии с использованием управляемого термоядерного синтеза.

Известные вакуумные камеры токомаков в основании имеют форму классического тора. Недостатком таких камер является то, что объем заключенной в них плазмы незначителен по отношению к объему камеры и в еще большей степени по отношению к объему реактора.

Значительные преимущества были получены на токомаках сферической формы [1]
Наиболее близкой к предложенному решению является оболочка вакуумной камеры токомака, описанная в статье [2] Эта оболочка состоит из наружного и внутреннего цилиндров одинаковой высоты. Наружный и внутренний цилиндры сопрягаются снизу и сверху двумя одинаковыми куполообразными поверхностями вращения. При этом форма сечения оболочки плоскостью, проходящей через ее главную ось, приближается к эллиптической, а форма внешних обводов оболочки приближается к сферической.

Недостатком данной оболочки является сложность ее формы и изготовления, а также недостаточный запас механической прочности и устойчивости.

Изобретение направлено на решение задачи упрощения конструкции и изготовления оболочки вакуумной камеры токомака, а также повышение механической прочности ее оболочки.

Для решения этой задачи предложена оболочка вакуумной камеры сферического токомака, включающая наружный экваториальный цилиндрический пояс с отверстиями и внутренний полый цилиндр, имеющие общую ось симметрии, совпадающую с главной осью симметрии камеры, два идентичных элемента оболочки, сопрягающие между собой экваториальный пояс и цилиндр сверху и снизу и соединенные сними сваркой, в которой каждый элемент, сопрягающий пояс и цилиндр, выполнен в виде полого усеченного сферического сегмента и сопряженного с ним раструба, оси симметрии которых совпадают с главной осью симметрии вакуумной камеры, причем сферический сегмент сопряжен с экваториальным поясом, а раструб с внутренним цилиндром, экваториальный пояс выполнен с переменной толщиной, максимальной в центральной части пояса, высота внутреннего полого цилиндра превосходит высоту экваториального пояса, а отношение максимальной толщины пояса к толщине полого цилиндра больше; чем половина отношения их диаметров.

Предложен также способ изготовления оболочки вакуумной камеры токомака, заключающейся в получении экваториального пояса полого цилиндра путем гибки каждого из них из плоских листов и последующей сварки, штамповании элементов оболочки, сопрягающих пояс и цилиндр, дополнительной токарной обработке для получения высоты экваториального пояса, меньшей чем высота полого внутреннего цилиндра, а отношения толщины экваториального пояса к толщине полого цилиндра большим половины отношения их диаметров, в выполнении отверстий в экваториальном поясе после его сварки, в использовании в качестве элементов оболочки сопрягающих экваториальный пояс и полый цилиндр сферического сегмента и раструба, причем сферический сегмент приваривают к экваториальному поясу, раструб приваривают к полому внутреннему цилиндру, а сварку для окончательного замыкания оболочки производят стыковым соединением с использованием подкладных колец для принудительного формирования обратной стороны шва, а подкладные кольца вводят до сварки и выводят после нее через отверстия в поясе.

Значительная толщина пояса увеличивает прочность пояса и позволяет применить на конечном этапе его изготовления обработку резанием, что обеспечивает высокую точность его размеров. Прочность пояса и точность его размеров и формы позволяет использовать его как базовый элемент при соединении сваркой частей оболочки. Тем самым повышается точность сборки и сварки, что позволяет уменьшить размеры изготовления оболочек. Прочность пояса дает возможность сделать в нем отверстия для патрубков до сварки всей оболочки, что позволяет провести сварку наружных швов с применением подкладных элементов для принудительного формирования обратной стороны шва и этим исключить образование в швах каналов.

На чертеже представлено сечение оболочки плоскостью, проходящей через ее главную ось симметрии.

Оболочка состоит из внутреннего цилиндра 1 и экваториального цилиндрического пояса 2, которые сопрягаются с помощью примыкающих к цилиндру 1 сверху и снизу идентичных раструбов 3 и примыкающих к экваториальному поясу 2 идентичных полых усеченных сферических сегментов 4. Внутренний цилиндр 1, экваториальный пояс 2, раструбы 3 и сферические сегменты 4 имеют общую ось симметрии, совпадающую с главной осью симметрии камеры. Торцы пояса 2 имеют утонения 5 для образования стыковочных мест под сварку. Пояс 2 имеет также отверстия 6 для диагностических патрубков. Пояс 2 выполнен с переменной толщиной стенок, максимальной в его центральной части, где толщина стенки пояса превышает толщину стенки полого цилиндра 1 более чем в половину отношения наружного диаметра пояса 2 к наружному диаметру цилиндра 1. Высота пояса определяется размерами отверстий 6, предназначенных для установки диагностических патрубков. Высота внутреннего полого цилиндра превосходит высоту экваториального пояса.

Оболочку изготавливают следующим образом.

Внутренний цилиндр 1 и экваториальный пояс 2 изготавливают гибкой плоских листов соответствующей толщины и свариванием продольных швов. После этого они могут подвергаться обработке резанием цилиндр 1 для получения заданной длины, а пояс 2 также для получения заданных наружного и внутреннего диаметров и точной цилиндрической формы.

Затем в поясе 2 выполняют отверстия 6 для установки патрубков, а на торцах пояса 2 делают утонения 5 под сварку со сферическими сегментами 4.

Далее к поясу приваривают верхний и нижний сферические сегменты 4, а к цилиндру 1 приваривают верхний и нижний раструбы 3. При этом сварку сегментов 4 с поясом 2 осуществляют с помощью съемных подкладных колец, которые обеспечивают принудительное формирование обратной стороны шва. Сварка раструбов 3 с цилиндром 1 не требует применения подкладочных элементов, так как данные швы являются для оболочки внутренними.

Далее пояс 2 с приваренными к нему сегментами 4 и цилиндр 1 с приваренными к нему раструбами 3 с помощью специальных приспособлений устанавливают друг относительно друга в положения, обеспечивающие замыкание оболочки, то есть цилиндр с приваренными раструбами устанавливают внутри пояса с приваренными сегментами.

Затем через отверстия 6 в поясе 2 вводят подкладные съемные элементы под места стыковых раструбов 3 и сегментов 4 и производят сварку указанных стыков с принудительным формированием обратных сторон швов, после чего вынимают через отверстия в поясе 2 указанные подкладочные элементы. Таким образом производится окончательное замыкание оболочки вакуумной камеры.

Использование: плазменная техника, в реакторах типа токамак, предназначенных для получения энергии с использованием управляемого термоядерного синтеза. Сущность изобретения: оболочка вакуумной камеры сферического токамака содержит наружный экваториальный цилиндрический пояс с отверстиями и внутренний полый цилиндр, имеющие общую ось симметрии, совпадающую с главной осью симметрии камеры, и два идентичных элемента оболочки, сопрягающие между собой экваториальный пояс и цилиндр сверху и снизу. Каждый элемент, сопрягающий пояс и цилиндр, выполнен в виде полого усеченного сферического сегмента и сопряженного с ним раструба, оси симметрии которых совпадают с главной осью симметрии вакуумной камеры. Сферический сегмент сопряжен с экваториальным поясом, а раструб - с внутренним цилиндром. Экваториальный пояс выполнен с переменной толщиной, максимальной в центральной части пояса. Отношение максимальной толщины пояса к толщине полого цилиндра больше, чем половина отношения их диаметра. Способ изготовления оболочки вакуумной камеры токамака заключается в получении экваториального пояса и полого цилиндра путем гибки каждого из них из плоских листов и последующей сварки, штампования элементов оболочки, сопрягающих пояс и цилиндр, и окончательного замыкания оболочки путем сварки, а также в выполнении отверстия в поясе для установки диагностических патрубков. Отверстия в экваториальном поясе для установки диагностических патрубков выполняют после его сварки, а сварку для окончательного замыкания оболочки производят стыковым соединением с использованием подкладочных колец для принудительного формирования обратной стороны шва. Подкладочные кольца вводят до сварки и выводят после нее через отверстия в поясе. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Оболочка вакуумной камеры сферического токамака, включающая наружный экваториальный цилиндрический пояс с отверстиями и внутренний полый цилиндр, имеющие общую ось симметрии, совпадающую с главной осью симметрии камеры, и два идентичных элемента оболочки, сопрягающие между собой экваториальный пояс и цилиндр сверху и снизу и соединенные с ними сваркой, отличающаяся тем, что каждый элемент, сопрягающий пояс и цилиндр, выполнен в виде полого усеченного сферического сегмента и сопряженного с ним раструба, оси симметрии которых совпадают с главной осью симметрии вакуумной камеры, причем сферический сегмент сопряжен с экваториальным поясом, а раструб с внутренним цилиндром, экваториальный пояс выполнен с переменной толщиной, максимальной в центральной части пояса, причем высота внутреннего полого цилиндра превосходит высоту экваториального пояса, а отношение максимальной толщины пояса к толщине полого цилиндра больше, чем половина отношения их диаметров. 2. Способ изготовления оболочки вакуумной камеры токамака, заключающийся в получении экваториального пояса и полого цилиндра путем гибки каждого из них из плоских листов последующей сварки, штамповании элементов оболочки, сопрягающих пояс и цилиндр, и окончательного замыкания оболочки путем сварки, а также в выполнении отверстий в поясе для установки диагностических патрубков, отличающийся тем, что дополнительной токарной обработкой получают высоту экваториального пояса меньшую, чем высота полого внутреннего цилиндра, а отношение толщины экваториального пояса к толщине полого цилиндра большим половины отношения их диаметров, отверстия в экваториальном поясе для установки диагностических патрубков выполняют после его сварки, в качестве элементов оболочки, сопрягающих экваториальный пояс и полый внутренний цилиндр, используют сферический сегмент и раструб, сферический сегмент приваривают к экваториальному поясу, раструб приваривают к полому внутреннему цилиндру, а сварку для окончательного замыкания оболочки производят стыковым соединением с использованием подкладных колец для принудительного формирования обратной стороны шва, причем подкладные кольца вводят до сварки и выводят после нее через отверстия в экваториальном поясе.