ДВОЙНЫЕ КАТУШКИ ПОЛОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ Российский патент 2022 года по МПК G21B1/05 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к плазменным камерам токамаков. В частности, изобретение относится к позиционированию катушек полоидального поля относительно катушки тороидального поля.

Предпосылки изобретения

Задача выработки термоядерной энергии очень сложна. Кроме токамаков, предлагалось много альтернативных устройств, однако ни одно еще не дало никаких результатов, сравнимых с лучшими токамаками, действующими в настоящее время, например, термоядерным реактором JET.

Мировые исследования по термоядерному синтезу вступили в новую фазу с началом строительства реактора ITER, самого большого и самого дорогого (около 15 млрд. евро) токамака из когда-либо созданных. Успешный подход к построению коммерческого термоядерного реактора требует получения импульса большой длительности и стабильной работы в сочетании с высокой эффективностью, необходимой для обеспечения экономичности производства электроэнергии. Эти три условия особенно сложно выполнить одновременно, и планируемая программа потребует многих лет экспериментальных исследований на реакторе ITER и других установках термоядерного синтеза, а также теоретических и технологических исследований. По общему мнению, коммерческий термоядерный реактор на основе такого подхода не будет построен до 2050 г.

Для получения реакций ядерного синтеза, необходимых для экономичной выработки энергии (т.е. с получением энергии намного больше затраченной энергии), обычный токамак должен быть настолько большим (как например, реактор ITER), чтобы время удержания энергии (которое приблизительно пропорционально объему плазмы) могло быть достаточно большим для того, чтобы плазма могла быть достаточно горячей для протекания термоядерного синтеза.

В WO 2013/030554 описывается альтернативный подход, предусматривающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Низкое аспектное отношение формы плазмы в сферическом токамаке увеличивает время удержания тепловой энергии и допускает полезную выработку электроэнергии в намного меньшей установке. Однако необходима центральная колонна небольшого диаметра, что создает сложности для проектирования тороидального магнита, необходимого для стабильности плазмы. Чтобы обеспечить достаточную плотность тока для получения необходимых сильных магнитных полей, применяются сверхпроводящие магниты для по меньшей мере катушки тороидального поля (ТП) сферического токамака.

Сверхпроводящие материалы обычно разделяют на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП материалы, например, Nb и NbTi, являются металлами или металлическими сплавами, сверхпроводимость которых можно описать с помощью теории БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, при превышении которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 K. Поведение ВТСП материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 K (хотя следует отметить, что физические различия существуют скорее в работе и составе сверхпроводящих материалов, чем в критической температуре, которые описывают ВТСП материал). Наиболее широко применяемыми ВТСП являются «купратные сверхпроводники», а именно, керамика на основе солей медной кислоты (соединения, содержащие группу оксидов меди), например, BSCCO или ReBCO (где Re означает редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП материалы включают в себя пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборид магния (MgB2).

Соединение ReBCO обычно изготавливают в виде лент со структурой, показанной на фигуре 1. В общем, такая лента 500 обычно имеет толщину около 100 микрометров и включает в себя подложку 501 (обычно электрополированный сплав Хастелой толщиной, приблизительно, 50 микрометров), на который методом IBAD (ионно-лучевое осаждение), магнетронного напыления или другим подходящим методом осаждают последовательность буферных слоев, известных как буферная стопа 502, с толщиной около 0,2 микрометра. Эпитаксиальный слой ВТСП-ReBCO 503 (осажденный методом MOCVD (химического осаждения из паровой фазы металлоорганического соединения) или другим подходящим методом) накрывает буферную стопу и обычно имеет толщину 1 микрометр. Слой 504 серебра толщиной 1-2 микрометра осаждают на ВТСП слой методом напыления или другим подходящим методом, и гальваническим или другим подходящим методом осаждают на ленту слой 505 медного стабилизатора, который часто полностью инкапсулирует ленту.

Подложка 501 обеспечивает механическую опору, которая может подаваться по производственной линии и делает возможным наращивание последовательных слоев. Буферная стопа 502 требуется для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на который наращивают ВТСП слой, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, которая снижает его сверхпроводящие свойства. Слой 504 серебра требуется для обеспечения низкоомной границы раздела между ReBCO и стабилизирующим слоем, и стабилизирующий слой 505 обеспечивает альтернативный путь тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO утрачивает сверхпроводимость (переходит в «нормальное» состояние).

Для формирования проводников с высокой пропускной способностью по току ВТСП ленты можно располагать для формирования кабелей. В каждом кабеле находится несколько лент, и медные стабилизирующие слои всех лент соединяют (обычно, посредством дополнительного медного покрытия). Существуют два общих подхода к формированию кабелей, а именно, ВТСП ленты можно перекрещивать и/или скручивать, или кабели можно располагать стопкой. Перекрещенные или скрученные кабели часто применяют в электромагнитах переменного тока или быстроциклирующих электромагнитах, так как данная конструкция значительно снижает потери ввода-вывода для электромагнита. Расположенные стопкой кабели часто используются в магнитах с медленным изменением магнитного поля, например, катушках ТП токамака, так как это позволяет лентам располагаться относительно локального магнитного поля таким образом, чтобы максимизировать критический ток I_C.

Напряжение на длине ВТСП ленты зависит от транспортного тока I сильно нелинейным способом, что обычно параметризируют следующим образом:

где E₀ =100 нВ/м является заданным критерием критического тока, и n является экспериментальным параметром, который моделирует резкость перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние; n обычно находится в диапазоне 20-50 для ReBCO. В зависимости от значения n, напряжением можно пренебречь для значений I/I_C < ~0,8.

Когда ток в ленте достигает критического тока, ВТСП лента теряет сверхпроводимость. Это может происходить путем либо повышения транспортного тока I, либо снижения критического тока I_C. Снижение критического тока могут вызывать несколько факторов, наиболее значительно, температура, внешние магнитные поля и напряжение. Снижение любого из упомянутых факторов будет повышать стабильность ВТСП ленты.

Сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается узел катушек полоидального поля для применения в токамаке. Узел катушек полоидального поля содержит внутреннюю и внешнюю катушки полоидального поля и контроллер. Внутренняя катушка полоидального поля выполнена с возможностью установки внутри катушки тороидального поля токамака. Внешняя катушка полоидального поля выполнена с возможностью установки снаружи катушки тороидального поля. Контроллер выполнен с возможностью вызывать подачу тока во внутреннюю и внешнюю катушки полоидального поля так, что суммарное магнитное поле, создаваемое внутренней и внешней катушками полоидального поля, имеет нулевое значение на катушке тороидального поля.

В соответствии со вторым аспектом предлагается магнитный узел для применения в токамаке. Магнитный узел содержит узел катушек полоидального поля по первому аспекту и катушку тороидального поля, содержащую высокотемпературный сверхпроводник. Внутренняя и внешняя катушки полоидального поля расположены, соответственно, внутри и снаружи катушки тороидального поля.

В соответствии с третьим аспектом предлагается токамак, содержащий тороидальную плазменную камеру и магнитный узел по второму аспекту.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 - схематическое изображение ВТСП ленты;

Фигура 2 - поперечное сечение токамака в полоидальной плоскости;

Фигура 3 - диаграмма магнитного поля, создаваемого витком проволоки;

Фигура 4 - поперечное сечение примерного токамака; и

Фигура 5 - вид в увеличенном масштабе одного из узлов катушек полоидального поля, показанных на фигуре 4.

Подробное описание

Поперечное сечение одной стороны токамака показано на фигуре 2. Токамак 200 содержит тороидальную плазменную камеру 201, катушку 220 тороидального поля (ТП), имеющую возвратные ветви 221 и центральную колонну 222, и катушки 230, 231, 232, 233, 234, 235 полоидального поля (ПП). Катушка ТП 220 обеспечивает тороидальное магнитное поле внутри плазменной камеры 201. Катушки ПП выполняют различные функции, например, катушки 230 компрессионного слияния (КС) обеспечивают импульс для инициирования плазмы, и диверторные катушки 231, 232 удлиняют зону 202 плазмы во время работы токамака. Катушки ПП можно приблизительно разделить на две группы, из которых первая группа (которая включает в себя катушки КС 230) активизируется только в течение коротких периодов, обычно во время инициализации плазмы, и вторая группа (которая включает в себя диверторные катушки 231) активизируется в течение продолжительных периодов во время работы токамака.

Каждая катушка ПП обычно конструктивно выполнена в виде одного кольца проводника. Проводник может быть либо сверхпроводником, либо нормальным проводником, в зависимости от свойств, требуемых от катушки, например, катушки, которые пропускают переменный ток, обычно будут иметь большие потери, если они будут изготовлены из сверхпроводящего материала, поэтому предпочтительными являются нормально проводящие материалы. Фигура 3 представляет поперечное сечение (по плоскости 300) магнитного поля 301, созданного петлей электрического провода 302. Такая же картина поля будет создаваться каждой катушкой ПП. Как можно видеть, поле вблизи катушки ПП является относительно сильным.

Из фигуры 2 видно также, что некоторые из катушек ПП токамака находятся вблизи катушки ТП. Это означает, что катушки ПП будут прикладывать внешнее магнитное поле к катушке ТП, которое будет снижать критический ток сверхпроводящего материала в катушке ТП.

Для устранения этого эффекта предложена альтернативная конструкция. Данная конструкция показана на фигуре 4 для одного набора диверторных катушек (эквивалентных диверторным катушкам 231 на фигуре 2), но может быть распространена на любые из катушек ПП с подходящими поправками. Фигура 4 представляет примерный токамак 400, содержащий тороидальную плазменную камеру 401 и катушку ТП 420, содержащую центральную колонну 421 и возвратные ветви 422. Токамак 400 содержит также верхний и нижний узлы 430, 440 катушек полоидального поля, каждый из которых содержит внутренние 431, 441 и внешние 432, 442 катушки ПП. Каждый элемент, показанный на фигуре 4, имеет цилиндрическую симметрию относительно центральной колонны 421. Внутри каждого узла, внутренняя катушка ПП 431, 441 располагается внутри катушки ТП 420 (т.е. между катушкой ТП 420 и тороидальной плазменной камерой 401), и внешняя катушка ПП 432, 442 располагается снаружи катушки ТП 420.

Фигура 5 является видом в увеличенном масштабе верхнего узла 430 катушек полоидального поля с представлением магнитного поля, создаваемого внутренней 431 и внешней 432 катушками ПП во время работы, в полоидальной плоскости (для упрощения фигуры поля от других компонентов в токамаке не показаны; но в процессе расчета и во время работы данные поля будут включаться и учитываться). Узел 430 катушек ПП выполнен так, что ток во внутренней и внешней катушках протекает в одном направлении («внутрь страницы» в приведенном примере). Магнитное поле между двумя катушками обнуляется в точке 502, которая располагается между двумя катушками на расстоянии, которое зависит от отношения токов двух катушек. Снаружи двух катушек, в дальней зоне 501, магнитные поля, создаваемые каждой катушкой, будут взаимно усиливаться. Управление током каждой катушки осуществляется так, что поле в дальней зоне 501, создаваемое узлом катушек ПП, является практически таким же, как для одиночной эквивалентной катушки поля на фигуре 2, и таким, что отношение токов двух катушек приводит к обнулению в точке 502 на катушке ТП 420. Это означает, что влияние магнитного поля узла катушек ПП на критический ток катушки ТП значительно ослабляется по сравнению с влиянием эквивалентной одиночной катушки ПП.

Точное местоположение нулевой точки на катушке ТП можно выбрать исходя из конструкции катушки ТП. Например, если на катушке ТП имеются какие-либо «места локального перегрева», в которых обычно будет ожидаться меньшая стабильность или снижение l_C, (например, соединения), то внутренняя 431 и внешняя 432 катушки ПП могут располагаться так, что нулевая точка размещается в месте локального перегрева (например, соединения).

Данная конструкция наиболее предпочтительна для замены катушек ПП, которые действуют постоянно во время работы токамака, и которые расположены вблизи катушек ТП, например, диверторных катушек. Однако данную конструкцию можно также применять для замены других катушек ПП магнита.

Конструкцию можно применять либо для сферического токамака, либо для обычного токамака с большим аспектным отношением.

Двойные катушки полоидального поля содержат внутреннюю и внешнюю катушки полоидального поля и контроллер. Внутренняя катушка полоидального поля выполнена с возможностью установки внутри катушки тороидального поля токамака. Внешняя катушка полоидального поля выполнена с возможностью установки снаружи катушки тороидального поля. Контроллер выполнен с возможностью вызывать подачу тока во внутреннюю и внешнюю катушки полоидального поля так, что суммарное магнитное поле, создаваемое внутренней и внешней катушками полоидального поля, имеет нулевое значение на катушке тороидального поля. Токамак выполнен сферическим и содержит катушки полоидального и тороидального поля. Технический результат – расширение арсенала технических средств. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Магнитный узел для применения в токамаке, содержащий:

узел катушек полоидального поля;

катушку тороидального поля, содержащую сверхпроводящий материал; и

контроллер, причем:

внутренняя катушка полоидального поля установлена внутри катушки тороидального поля;

внешняя катушка полоидального поля установлена снаружи катушки тороидального поля; и

контроллер выполнен с возможностью вызывать подачу тока во внутреннюю и внешнюю катушки полоидального поля так, что суммарное магнитное поле, создаваемое внутренней и внешней катушками полоидального поля, имеет нулевое значение на катушке тороидального поля.

2. Магнитный узел по п. 1, причем каждая катушка полоидального поля содержит высокотемпературный сверхпроводник.

3. Магнитный узел по п. 1, причем катушка тороидального поля содержит соединение, и причем внутренняя и внешняя катушки полоидального поля расположены так, что суммарное магнитное поле, создаваемое внутренней и внешней катушками полоидального поля, имеет нулевое значение на соединении.

4. Токамак, содержащий тороидальную плазменную камеру и магнитный узел по п. 1.

5. Токамак по п. 4, причем токамак является сферическим токамаком.