ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ТОКАМАКА Российский патент 1998 года по МПК G21B1/00 H05H1/12 

Изобретение относится к экспериментальным установкам управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к сферическим токамакам.

Известна электромагнитная система (ЭМС) сферического токамака MAST, содержащая соленоид (индуктор), намотанный вокруг центрального опорного элемента, и обмотки полоидального и тороидального магнитных полей, расположенные на тороидальной разрядной камере [1].

В конструкциях ЭМС токамаков обмотки тороидального поля (ОТП) разъемными витками [1] традиционно выполняются в виде дугообразных витков, устанавливаемых вокруг центрального опорного элемента. Центральный опорный элемент, как правило, состоит из токопроводящих стержней, электрическое соединение с которыми дугообразных витков образует необходимые тороидальные витки для образования тороидального поля. Причем между концами витков и поверхностью стыков опорного элемента должен обеспечиваться по всей длине стыка надежный электрический контакт, на который действуют электромагнитные (пондеромоторные) силы. Электрические токи в ОТП достигают в зависимости от энергетических параметров установки 50-500 кА. Для этого используется развитие электрических контактных поверхностей в месте стыка, установка между стыками специальных контактных материалов или элементов, а также установка контактных токовых перемычек.

В токамаках ввиду необходимости съемности центрального индуктора, а в сферических токамаках еще и из-за малого аспектного отношения (близкое расположение плазмы к центральной оси установки) весьма ограничено пространство, в котором было бы возможно размещать дополнительные контактные материалы и элементы с развитыми контактными площадями.

Известна ЭМС токамака, содержащая магнитопровод с цилиндрическим центральным сердечником, катушки тороидального поля в корпусах, опирающихся на сердечник, бандажное кольцо из диэлектрического материала радиального крепления катушек, охватывающее центральный сердечник, причем корпуса катушек снабжены выступами, кольцо охватывает выступы корпусов катушек с радиальным зазором, в котором размещены спаренные встречно направленные клинья, опирающиеся соответственно на выступы корпусов катушек и на кольцо, причем один из каждой пары клиньев с помощью крепежного элемента прикреплен к корпусу катушки тороидального поля [2].

В этой ЭМС обеспечено надежное радиальное крепление катушек (витков) ОТП и устранены вихревые токи в бандажном кольце. Однако этой конструкции присущи упомянутые выше недостатки, связанные с проблемами обеспечения надежного электрического контакта между концами витков ОТП и центральным опорным элементом. Из-за действия пондеромоторной силы, которая возникает после включения установки типа токамак, контактный стык изгибается и растягивается в плоскости витка ОТП, что приводит к раскрытию стыка и, следовательно, к частичному нарушению электрического контакта, перегреву контактной области и снижению надежности работы ЭМС установки.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения надежного электрического контакта между выступами витков ОТП и электрическими контактными поверхностями центрального опорного элемента в условиях действия пондеромоторных сил.

Сущность изобретения заключается в ЭМС токамака, содержащей центральный опорный элемент с электрическими контактными поверхностями в верхней и нижней его части, витки ОТП, которые опираются на центральный опорный элемент и которые снабжены выступами, наружный кольцевой бандаж из диэлектрического материала, охватывающий выступы витков с радиальным зазором, в котором размещены встречно направленные клинья, опирающиеся соответственно на выступы витков и на наружный бандаж, в которой одна из сторон выступов витков совмещена с электрическими контактными поверхностями центрального опорного элемента, который снабжен внутренним бандажом, охватывающим его без радиального зазора, при этом внутренний бандаж распространен до электрических контактных поверхностей, а наружный бандаж и клинья распространены вдоль зоны протяженности контактных поверхностей, перекрывая по высоте внутренний бандаж.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности работы ЭМС установки типа токамак, путем гарантированного устранения раскрытия стыков за счет перекрытия по высоте внутреннего и наружного бандажей и поджатия выступа витка по всей высоте наружного бандажа встречно направленными клиньями.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение конструкции ЭМС токамака; на фиг. 2 изображен в разрезе участок стыка витков ОТП с центральным опорным элементом.

ЭМС термоядерной установки токамак (фиг. 1) выполнена следующим образом. На тороидальной разрядной камере 1 расположены обмотки 2 полоидального магнитного поля и обмотка 3 тороидального магнитного поля. Индуктор 4 установлен на центральном опорном элементе 5. На концах витков ОТП выполнены выступы 6, которыми витки опираются на центральный опорный элемент. В верхней и нижней частях центрального опорного элемента выполнены электрические контактные поверхности 7, с которыми совмещена опорная сторона выступов. На выступы витков ОТП наложен с радиальным зазором наружный кольцевой бандаж 8, выполненный из диэлектрического материала, например из высокомодульного волокна СВМ. В зазоре установлены встречно направленные клинья 9. Величина радиального зазора определяется конструктивно и составляет, как правило, ЗО-60 мм. На центральном опорном элементе 5 в зоне между индуктором и контактной поверхностью 7 установлен без радиального зазора внутренний бандаж 10 (фиг. 2), также выполненный из высокомодульного волокна (для обеспечения механической прочности) и распространяющийся вплоть до электрических контактных поверхностей 7. Высота кольца наружного бандажа 8 и длина клиньев 9 выбраны так, чтобы они были распространены вдоль зоны протяженности электрических контактных поверхностей 7 и перекрывали по высоте внутренний бандаж 10. В зоне опирания клиньев 9 на наружный бандаж 8, установлена металлическая прокладка 11, служащая для защиты бандажа при перемещении клина и снижения коэффициента трения. На периферии стыка установлена дополнительная металлическая контактная перемычка 12 с элементами крепления к опорному элементу 5 и к выступам 6, например, болтами 13, для устранения скачка падения напряжения на контакте (т.е. выполнено потенциальное шунтирование контакта).

При сборке ЭМС наружным бандажом 8 и клиньями 9 обеспечивают прижимающее усилие на контактные стыки между опорным элементом 5 и выступами 6 витков ОТП. При подаче электропитания включаются обмотки полоидального и тороидального магнитных полей, в которых начинает протекать электрический ток по заданной программе. При этом ток в витках ОТП замыкается посредством контактных поверхностей 7 и незначительно через дополнительные перемычки 12 и через тело центрального опорного элемента 5. К моменту зажигания плазмы во внутреннем пространстве разрядной камеры 1 наводится вихревая ЭДС и создается необходимая конфигурация полоидального магнитного поля. При этом возникающая пондеромоторная сила стремится раскрыть контактный стык между опорным элементом 5 и выступами 6 витков ОТП, чему противодействует усилие, созданное клиньями 9 и бандажом 8 по всей длине контактного стыка. Причем усилие поджатия выступа 6 витка ОТП, сохраняется и на участке, где нет контактного стыка, т. е. на участке перекрытия по высоте наружным бандажом 8 внутреннего бандажа 10. При этом происходит следующее: виток, под действием пондеромоторных сил деформируется и изгибается на участке перекрытия бандажей из-за все равно существующей деформации бандажа. Но за счет специально рассчитанной жесткости бандажа 8 (толщина, модуль материала) и величины перекрытия по высоте наружным бандажом внутреннего бандажа, обеспечивается условие, что радиальная деформация выступа при действующих пондеромоторных усилиях происходит только на участке перекрытия наружным бандажом внутреннего бандажа. Причем эта деформация переменна по величине и спадает к нулю в точке начала электрического контакта, т.к. наружный бандаж нагружается пондеромоторной силой только по краю (торцу)[3].

Таким образом, такое перекрытие бандажей по высоте обеспечивает сведение к нулю величины радиальной деформации в зоне электрического контакта и обеспечивает гарантированное сохранение усилия поджатия контактных поверхностей без нарушения электрического контакта, а дополнительная контактная перемычка 12, соединяющая опорный элемент 5 с выступами 6 снижает возможность искрения в контакте за счет шунтирования электрического потенциала на нем.

Источники информации.

1. A.C.Darke etal, MAST:A Mega Amp. Spherical Tokamak-Fusion Technology 1994. Proceedings of the 18-th Simposium on Fusion Technology, Karlsruhe, Germany, 22-26 August 1994; North-Holland, 1995, vol.1, p.799-802.

2. Авторское свидетельство N745282, G 21 B 1/00, заяв. 22.01.78, опубл. БИ N13,1983.

3. Справочник машиностроителя. В 6-ти томах, т.3, M.: Машгиз, 1962.

Изобретение относится к экспериментальным установкам управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к сферическим токамакам. Витки обмотки тороидального поля электромагнитной системы токамака опираются на центральный опорный элемент и снабжены выступами. Наружный кольцевой бандаж из диэлектрического материала, охватывающий выступы витков с радиальным зазором, снабжен встречно направленными клиньями. Клинья опираются соответственно на выступы витков и на наружный бандаж. Одна из сторон выступов витков совмещена с электрическими контактными поверхностями центрального опорного элемента, который снабжен внутренним бандажом, охватывающим его без радиального зазора. Внутренний бандаж распространен до электрических контактных поверхностей, а наружный бандаж и клинья распространены вдоль зоны протяженности контактных поверхностей, перекрывая по высоте внутренний бандаж. Данное выполнение обеспечивает надежный электрический контакт между выступами витков обмотки тороидального поля и электрическими контактными поверхностями центрального опорного элемента условиях действия пондеромоторных сил. 2 ил.

Электромагнитная система токамака, содержащая центральный опорный элемент с электрическими контактными поверхностями в верхней и нижней его части, витки обмотки тороидального поля, которые опираются на центральный опорный элемент и которые снабжены выступами, наружный кольцевой бандаж из диэлектрического материала, охватывающий выступы витков с радиальными зазором, в котором размещены спаренные встречно-направленные клинья, опирающиеся соответственно на выступы витков и на наружный бандаж, отличающаяся тем, что одна из сторон выступов витков совмещена с электрическими контактами поверхностями центрального опорного элемента, который снабжен внутренним бандажом, охватывающим его без радиального зазора, при этом внутренний бандаж распространен до электрических контактных поверхностей, а наружный бандаж и клинья распространены вдоль зоны протяженности электрических контактных поверхностей, перекрывая по высоте внутренний бандаж.