ЭЛЕКТРОМАГНИТ НА СВЕРХПРОВОДНИКАХ Российский патент 2025 года по МПК H01F6/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электромагнитам, содержащим сверхпроводящий материал. В частности, но не исключительно, оно относится к электромагнитам для использования в плазменных камерах, таких как камеры, используемые в термоядерных реакторах на основе токамака, например, к электромагнитам, используемым в центральной колонне катушки тороидального поля для плазменной камеры токамака.

Уровень техники

Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля, высокого плазменного тока и, обычно, большим объемом плазмы и значительным сопутствующим нагревом, чтобы предоставлять горячую, устойчивую плазму. Это предоставляет возможность токамакам создавать такие условия, что может происходить синтез ядер. Сопутствующий нагрев (например, посредством десятков мегаватт инжекции пучка нейтральных частиц высокой энергии H, D или T) является необходимым, чтобы увеличивать температуру до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения ядерного синтеза и/или для поддержания плазменного тока.

Проблемой является то, что, вследствие большого размера, больших магнитных полей и высоких плазменных токов, которые, как правило, требуются, затраты на строительство и эксплуатационные расходы являются высокими, а инженерное обеспечение должно быть надежным в эксплуатации, чтобы справляться с большими накопленными энергиями, присутствующими и в магнитных системах, и в плазме, которая имеет риск «разрушения» - мегаамперные токи уменьшаются до нуля в течение нескольких тысячных секунды при сильной нестабильности.

Ситуация может быть улучшена посредством сжатия кольцеобразного тора традиционного токамака до его предела, имеющего внешний вид яблока с удаленной сердцевиной – «сферический» токамак (ST). Первая реализация этой идеи в токамаке START в Кулхэме, Великобритания, продемонстрировала огромное увеличение эффективности - магнитное поле, требуемое для сдерживания горячей плазмы, может быть уменьшено на коэффициент 10. Кроме того, стабильность плазмы улучшается, а затраты на сооружение уменьшаются.

Чтобы получать реакции термоядерного синтеза, требуемые для экономичной генерации мощности (т.е., гораздо больше мощности выводится по сравнению с вводимой мощностью), традиционный токамак должен быть огромным, так что время удержания энергии (которое приблизительно пропорционально объему плазмы) может быть достаточно большим, так что плазма может быть достаточно горячей для возникновения термоядерного синтеза.

WO 2013/030554 описывает альтернативный подход, подразумевающий использование компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с небольшим относительным удлинением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и предоставляет возможность генерации полезной эффективной мощности в гораздо меньшей установке. Однако, требуется центральная колонна небольшого диаметра, которая представляет трудности для проектирования резервуара для удержания плазмы и ассоциированных магнитов.

Магнитные катушки на токамаке могут быть разделены на две группы. Катушки полоидального поля являются горизонтальными круглыми катушками, намотанными со своим центром, лежащим на центральной колонне токамака, и создают полоидальное поле (т.е., поле, которое является по существу параллельным центральной колонне). Катушки тороидального поля наматываются вертикально через центральную колонну, и вокруг внешней стороны плазменной камеры («обратные ветви»), чтобы создавать тороидальное поле (т.е., поле, которое является круглым вокруг центральной колонны). Сочетание полоидальных и тороидальных полей создает спиральное поле в плазменной камере, которое удерживает плазму ограниченной.

Электрические токи, требуемые в тороидальном поле, являются очень большими. Для компактного сферического токамака центральная колонна должна быть небольшой в диаметре, насколько возможно. Это представляет конфликтующие требования, поскольку плотность тока, которая может быть достигнута, даже со сверхпроводящими материалами, является ограниченной.

Большие электрические токи, в сочетании с большими магнитными полями в токамаке, создают большие силы Лоренца, которые могут деформировать или иначе повреждать части токамака.

Сверхпроводящие материалы типично делятся на «высокотемпературные сверхпроводники» (HTS, ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (LTS, НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или сплавами металлов, чья сверхпроводимость может быть описана теорией БКШ (Бардина - Купера - Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже приблизительно 30 К. Поведение ВТСП-материала не описывается посредством теории БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше приблизительно 30 К (хотя следует отметить, что физические различия в сверхпроводящем действии и составе, а не критическая температура, определяют ВТСП- и НТСП-материал). Наиболее часто используемыми ВТСП являются «купратные сверхпроводники» - керамики на основе купратов (составов, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO, или ReBCO (где Re - это редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают в себя пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).

ReBCO типично изготавливается в качестве лент, которые имеют, как правило, толщину приблизительно 100 микрон и включают в себя подложку (типично, электрополированный сплав Хастеллой приблизительно 50 микрон толщиной), на которую наносится посредством IBAD, магнетронного распыления или другого подходящего метода последовательность буферных слоев, известных как буферный пакет приблизительно толщиной 0,2 микрона. Эпитаксиальный ReBCO ВТСП-слой (нанесенный посредством MOCVD или другого подходящего способа) покрывает буферный пакет и типично имеет толщину 1 микрон. 1-2-микронный слой серебра наносится на ВТСП-слой посредством распыления или другого подходящего способа, и медный слой стабилизатора наносится на ленту посредством электролитического осаждения или другим подходящим способом, который часто полностью обволакивает ленту.

Подложка обеспечивает механическую опору, которая может подаваться по производственной линии и предоставлять возможность наращивания последующих слоев. Буферный пакет требуется, чтобы предоставлять биаксиально текстурированный кристаллический шаблон, на котором необходимо выращивать ВТСП-слой, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, которая повреждает его сверхпроводящие свойства. Слой серебра требуется, чтобы обеспечивать переход низкого сопротивления от ReBCO к слою стабилизатора, а слой 105 стабилизатора обеспечивает путь переменного тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (входит в «обычное» состояние).

Коммерчески доступные ВТСП-ленты начинают деградировать при внутренних механических напряжениях больше примерно 400 МПа.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является предоставление центральной колонны для катушки тороидального поля, которая устраняет или по меньшей мере облегчает проблемы, описанные выше.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставляется электромагнит, содержащий один или более каналов. Каждый канал имеет предусмотренный в нем проводящий элемент, содержащий один или более слоев сверхпроводящего материала для проведения электрического тока по оси канала. Проводящий элемент выполняется с возможностью касаться боковых стенок канала через первую и вторую скошенные поверхности, которые наклонены относительно друг друга, так что сила, смещающая проводящий элемент в направлении, перпендикулярном оси (например, внутрь канала), создает противоположные силы контакта на скошенных поверхностях, которые действуют, чтобы сжимать проводящий элемент в направлении с компонентом, перпендикулярным силе.

Электромагнит может быть сконфигурирован таким образом, что механическое напряжение, создаваемое во время работы электромагнита, не превышает пороговое механическое напряжение, ассоциированное со сверхпроводящим материалом. Пороговое механическое напряжение может быть, например, определено на основе деградации ВТСП-материала и/или ухудшения способности ВТСП-материала функционировать в качестве сверхпроводника.

Один или каждый канал может быть «открытым» каналом, так что проводящий элемент не окружается стенками канала. Альтернативно, канал может быть «закрытым», так что стенки канала окружают проводящий элемент, например, канал может быть сквозным отверстием в опорном элементе.

В некоторых случаях, электромагнит может иметь центральную ось, при этом оси одного или более каналов размещаются параллельно центральной оси. В этом случае, один или более слоев сверхпроводящего материала выполняются с возможностью проводить электрический ток параллельно центральной оси. Сила, смещающая проводящий элемент в направлении, перпендикулярном оси, может быть направлена к центральной оси.

Каждый проводящий элемент может содержать один или более пакетов лент на высокотемпературных сверхпроводниках, ВТСП, причем каждая ВТСП-лента включает в себя слой ВТСП-материала, протягивающийся вдоль канала. ВТСП-материал может быть ReBCO.

Каждый проводящий элемент может содержать клинообразный элемент, предусмотренный между пакетом ВТСП-лент и одной из боковых стенок канала, причем первая скошенная поверхность предусматривается на клинообразном элементе. Клинообразный элемент может быть прикреплен к пакету ВТСП-лент.

Клинообразный элемент содержит поверхность в соприкосновении с пакетом, которая является по существу перпендикулярной слоям ВТСП-материала.

Для одного или более проводящих элементов острый угол между первой скошенной поверхностью и поверхностью в соприкосновении с пакетом может быть больше 1 градуса, больше 3 градусов или больше 5 градусов.

Каждый проводящий элемент может содержать другой клинообразный элемент, присоединенный к одному или более пакетам ВТСП-лент, причем вторая скошенная поверхность предусматривается на другом клинообразном элементе.

Коэффициент статического трения между каждой из скошенных поверхностей проводящего элемента и боковыми стенками канала может быть от 0,1 до 0,3, или больше 0,3, или больше 0,4.

Каждый из проводящих элементов может быть залитым.

Электромагнит может дополнительно содержать опорный элемент, причем каналы предусматриваются в опорном элементе. Опорный элемент может содержать одно или более сквозных отверстий, проходящих в направлении, имеющем компонент, параллельный одному или более каналам. Одно или более сквозных отверстий могут располагаться рядом с одной или более боковыми стенками канала. Одно или более сквозных отверстий могут быть использованы для охлаждения электромагнита.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предоставляется центральная колонна для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака. Центральная колонна содержит множество электромагнитов согласно первому аспекту настоящего изобретения. Каналы являются разнесенными вокруг центральной оси, и один или более слоев сверхпроводящего материала размещаются для проведения электрического тока параллельно центральной оси. Сила является радиальной силой, смещающей проводящий элемент по направлению к центральной оси.

Каналы могут быть предусмотрены в едином опорном элементе.

Центральная колонна может содержать одно или более отверстий через один или каждый опорный элемент, каждое отверстие проходит параллельно центральной оси. Одно или более отверстий могут быть расположены радиально снаружи радиально внутренней кромки проводящего элемента. Отверстия могут быть использованы для охлаждения центральной колонны, например, посредством протекания охлаждающей текучей среды через отверстия. Несмотря на одно или более отверстий, катушка(и) тороидального поля могут быть задействованы без причинения деформации центральной колонны в результате более низких внутренних механических напряжений в центральной колонне по сравнению с известными конструктивными решениями центральных колонн.

Один или каждый опорный элемент может содержать один или более съемных угловых сегментов, каждый угловой сегмент содержит один или более из множества каналов.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предоставляется центральная колонна для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака. Центральная колонна содержит опорный элемент, имеющий множество каналов, разнесенных вокруг центральной оси. Каждый канал имеет предусмотренный в нем проводящий элемент, содержащий один или более слоев сверхпроводящего материала для проведения электрического тока параллельно центральной оси. Проводящий элемент выполняется с возможностью касаться боковых стенок канала посредством первой и второй скошенных поверхностей, которые наклонены относительно друг друга, так что радиальная сила, смещающая проводящий элемент по направлению к центральной оси, формирует противоположные силы контакта на скошенных поверхностях, которые действуют, чтобы сжимать проводящий элемент в направлении с компонентом, перпендикулярным радиальной силе.

Каждый проводящий элемент может содержать один или более пакетов лент на высокотемпературных сверхпроводниках, ВТСП, каждая ВТСП-лента включает в себя слой ВТСП-материала, протягивающийся параллельно центральной оси.

ВТСП-материал может быть ReBCO.

Слои ВТСП-материала в каждом пакете могут быть по существу перпендикулярны радиальной линии, проходящей от центральной оси в плоскости, поперечной центральной оси и проходящей через соответствующий проводящий элемент.

Что касается одного или более проводящих элементов, острый угол между первой скошенной поверхностью и радиальной линией может быть больше 1 градуса, больше 3 градусов или больше 5 градусов.

Каждый проводящий элемент может содержать клинообразный элемент, присоединенный к пакету ВТСП-лент, первая скошенная поверхность предусматривается на клинообразном элементе. Каждый проводящий элемент может содержать другой клинообразный элемент, присоединенный к одному или более пакетам ВТСП-лент, вторая скошенная поверхность предусматривается на другом клинообразном элементе.

Коэффициент статического трения между каждой из скошенных поверхностей проводящего элемента и боковыми стенками канала может быть от 0,1 до 0,3, или больше 0,3, или больше 0,4.

Центральная колонна может содержать одно или более отверстий сквозь опорный элемент, проходящих параллельно центральной оси. Одно или более отверстий могут быть расположены радиально снаружи радиально внутренней кромки проводящего элемента.

Опорный элемент может содержать один или более съемных угловых сегментов, каждый угловой сегмент содержит один или более из множества каналов.

Проводящий элемент может быть залитым.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предоставляется катушка тороидального поля для токамака, катушка тороидального поля содержит центральную колонну согласно первому, второму или третьему аспекту.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предоставляется токамак, содержащий катушку тороидального поля согласно четвертому аспекту.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1A является схематичным видом поперечного сечения токамака;

Фиг. 1B является схематичным видом осевого сечения центральной колонны токамака на фиг. 1;

Фиг. 2 является видом осевого сечения углового сегмента центральной колонны катушки тороидального поля;

Фиг. 3 является схематичным видом осевого сечения части углового сегмента центральной колонны катушки тороидального поля согласно настоящему изобретению;

Фиг. 4 является графиком результатов вычисления методом конечных элементов (FEM) радиального напряжения (нормального напряжения) для различных углов клина и коэффициентов трения;

Фиг. 5 является контурным изображением, показывающим механическое напряжение, полученное в результате FEM-вычисления; и

Фиг. 6 является контурным изображением механического напряжения по Мизесу, вычисленного в результате FEM-вычисления.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1A показывает вертикальное сечение через сферический токамак 100, содержащий катушки 101 тороидального поля, катушки 103 полоидального поля и тороидальную плазменную камеру 105, расположенную в катушках 101 тороидального поля. Токамак 100 также содержит центральную колонну 107, которая проходит через центры плазменной камеры 105 и катушки тороидального 101 и полоидального 103 поля. Каждая из катушек 101 тороидального поля содержит прямую секцию 109, которая проходит по оси A-A' центральной колонны 107, и изогнутую секцию 111, которая электрически соединяется с каждым из двух концов прямой секции 109, чтобы формировать замкнутый контур.

Фиг. 1B показывает осевое сечение центральной колонны 107, рассматриваемое по оси A-A'. Токамак 100 в этом примере содержит 12 катушек 101 тороидального поля, и соответствующие прямые фрагменты 109 каждой из катушек 101 тороидального поля разнесены под углом вокруг оси A-A' центральной колонны 107 в равноугольной компоновке. Центральная колонна содержит опорный элемент 113, изготовленный из меди (хотя могут быть использованы другие металлы и/или сплавы), который проходит по оси A-A' и который имеет множество каналов 115, в которых размещаются прямые секции 109 катушек 111 тороидального поля. Прямые секции 109, каждая, содержат многослойную компоновку отрезков ВТСП-ленты, протягивающейся вдоль центральной колонны 107, и выполняются с возможностью касаться друг друга посредством своих соответствующих граней. ВТСП-слои лент идут параллельно оси A-A'.

Фиг. 2 является осевым сечением углового сегмента центральной колонны 107, показывающим один из прямых фрагментов 109 одной из катушек 101 тороидального поля. В этом примере прямой фрагмент 109 содержит шесть пакетов ВТСП-лент 201A-F, с четырьмя внутренними пакетами 201B-E, имеющими одинаковую толщину друг с другом (т.е., одинаковую длину в направлении по радиальной линии B-B' центральной колонны 107, которая проходит через центр прямого фрагмента 109 и является поперечной лентам), предусмотренными между двумя внешними пакетами 201A, F, каждый из которых имеет меньшую толщину по сравнению с внутренними пакетами 201B-F. Пакеты 201A-F связываются друг с другом с помощью своих выровненных радиально наружных кромок. Каждый канал 115 имеет профиль поперечного сечения, который соответствует контуру (т.е., форме периметра в поперечном сечении канала 115, перпендикулярном линии A-A') соответствующей прямой секции 109 катушки 101 тороидального поля.

В использовании пакеты ВТСП-ленты 201A-F переносят осевой электрический ток в азимутальном магнитном поле и, следовательно, испытывают силу 203 Лоренца, действующую по направлению к центру колонны 107 (т.е., в радиальном направлении, указанном прерывистой линией B-B'). Эти силы Лоренца действуют радиально на ВТСП-ленты 201A-F, чтобы сжимать их относительно опорного элемента 113 центральной колонны 107, тем самым, создавая силы 205 контакта между радиально внутренними кромками пакетов ВТСП-ленты 201A-F и стенками канала 115. Сочетание силы 203 Лоренца и сил 205 контакта, следовательно, создает сжимающее напряжение в ВТСП-ленте 201A-F, которое может повреждать ВТСП-ленты 201A-F или иначе уменьшать их способность переносить большие электрические токи.

Фиг. 3 является аналогичной фиг. 2 за исключением того, что она показывает центральную колонну 300, в которой клинообразные элементы 301A-D прикрепляются к внешним граням пакетов 201A, B, 201E, 201F, чтобы формировать наружные в круговом направлении фрагменты прямых фрагментов 109 катушек 101 тороидального поля. Каналы 115 сквозь опорный элемент 113 являются укрупненными, чтобы размещать увеличенный размер прямых фрагментов 109. Клинообразные элементы 301A-D в этом примере являются треугольными призмами, которые протягиваются с трансляционной симметрией параллельно оси A-A'. Треугольники, которые формируют поперечное сечение клинообразных элементов, могут быть по существу прямоугольными треугольниками, и клинообразные элементы могут быть размещены так, что наибольшая, наружная грань каждой призмы (т.е., гипотенуза поперечного сечения треугольника) направлена от ВТСП-лент 201A-F, при этом более узкий (заостренный) конец призмы располагается радиально внутри более широкого конца призмы (т.е., стороны треугольника, наиболее отдаленной от самого острого угла треугольника). Т.е., клинообразные элементы 301A-D сужаются радиально внутрь в направлении B-B'. Каждый из каналов 115 также сужается радиально внутрь, так что боковые стенки канала 115 являются параллельными соответствующим наружным граням клинообразных элементов 301A-D. Фактически, боковые стенки канала 115 прилегают к соответствующим наружным граням клинообразных элементов 301A-D. В этом примере угол 305 клина (внутренний угол между двумя наибольшими гранями клинообразного элемента 301A-D на более узком конце призмы) равен 5 градусам.

В использовании сила 203 Лоренца, действующая радиально на прямую секцию 109 ВТСП-лент 201A-F, создает силы 303 контакта между наружной гранью клинообразных элементов 301A-D и боковыми стенками канала 115. Силы 303 контакта ориентируются по нормали к наружной грани клинообразных элементов 301A-D, т.е., силы 303 контакта имеют радиальный компонент (направленный по радиальной оси B-B') и круговой компонент (направленный к радиальной оси B-B'). Клинообразные элементы 301A-D, следовательно, предоставляют механизм, в результате чего радиальное напряжение в центральной колонне 101 заменяется на кольцевое напряжение, т.е., радиальное напряжение в центральной колонне уменьшается, в то время как кольцевое напряжение увеличивается. Этот обмен предоставляет возможность пакетам ВТСП-лент 201A-F проводить более высокие токи без причинения механического повреждения ВТСП-ленте.

Фиг. 4 показывает график результатов вычисления методом конечных элементов (FEM) радиального напряжения, создаваемого в пакетах ВТСП-лент 201A-F, когда токамак эксплуатируется с током 28 МА, проходящим через центральную колонну 101. Этот ток ведет к пиковому магнитному полю 26,9 Т на радиально наружных кромках ВТСП-лент 201A-F. Магнитное поле затухает монотонно от центральной колонны 101 и имеет величину 4 Т на расстоянии 1,4 м от центральной колонны 101. Нанесенные на график результаты показывают радиальное напряжение в МПа (вертикальная, Y-ось) в катушках как функцию коэффициента трения (горизонтальная, X-ось) между наружной гранью клинообразных элементов 301A-B и соответствующими боковыми стенками канала 115.

Два самых верхних набора точек 401, 403 данных (показаны как заполненные круги) указывают вычисленное радиальное напряжение во внешних пакетах 201A, F для углов клина, равных 1 градусу и 5 градусам, соответственно (один и тот же угол клина используется для каждого клинообразного элемента 301A-D). Эти результаты показывают, что радиальное напряжение является более низким для большего угла клина, и что для обоих углов увеличение коэффициента трения уменьшает радиальное напряжение монотонно на прогрессивно меньшие величины. Аналогичные результаты (не показаны) получаются для других углов в диапазоне от 1 градуса до 5 градусов, при этом вычисленные радиальные напряжения имеют значения, которые являются промежуточными между радиальными напряжениями для наборов точек 401, 403 данных. Углы больше 5 градусов могут также быть использованы, например, углы вплоть до чего-либо из 10 градусов, 30 градусов, 45 градусов или 60 градусов. В зависимости от желаемого радиального напряжения коэффициент трения может изменяться от 0,1 до 0,3 или от 0,2 до 0,4 или больше 0,4, например, до 1,0.

Два самых нижних набора точек 405, 407 данных (показаны как заполненные треугольники) указывают вычисленное радиальное напряжение во внутренних пакетах 201B-E для углов клина, равных 1 градусу и 3 градусам, соответственно (один и тот же угол клина используется для каждого клинообразного элемента 301A-D). Вычислительное радиальное напряжение уменьшается монотонно с увеличением коэффициента трения для угла клина, равного 1 градусу (точки 405 данных), но достигает минимального значения при коэффициенте трения 0,2 для угла клина, равного 3 градусам. Вычисления радиального напряжения для углов клина, равных 2, 4 и 5 градусам предоставляют значения, которые, в общем, находятся между значениями, полученными для углов клина, равных 1 и 3 градусам.

Целевое максимальное радиальное напряжение 350 МПа во внешних пакетах ВТСП-ленты 201A, F может быть достигнуто с помощью коэффициента трения, равного 0,3, и углов клина более 1 градуса.

Фиг. 5 и 6 показывают контурные изображения вычисленного радиального напряжения и вычисленного напряжения по Мизесу в осевом сечении центральной колонны 300, вычисленного для угла клина, равного 3 градусам, и коэффициента трения, равного 0,3. Вычисление выполняется для одной половины углового сегмента, показанного на фиг. 3 для эффективности вычисления, при этом пограничные условия применяются, чтобы навязывать симметрию FEM-решения относительно симметрии центральной колонны 300.

Радиальное напряжение в пакетах ВТСП-лент 107 вычисляется как меньшее чем 400 МПа. Максимальные значения радиального напряжения для каждого из пакетов ВТСП-ленты 201A-C находятся на радиально внутренних гранях пакетов с вычисленными значениями 272,4 МПа для пакета 201A, 313,43 МПа для пакета 201B и 327,51 МПа для пакета 201C.

Вычисленное напряжение по Мизесу в опорном элементе 113 находится, главным образом, ниже примерно 240 МПа рядом с клинообразными элементами 301A, B. Это является достаточно низким, так что необязательно охлаждающие отверстия могут быть предусмотрены в этой части центральной колонны 300, т.е., между каналами 115 и проходящие параллельно оси A-A', без чрезмерного ослабления центральной колонны.

Хотя вышеприведенное описание сфокусировано на центральной колонне, содержащей ВТСП-ленту, другие формы ВТСП-материала, такие как провода, могут также быть использованы, или НТСП-материалы могут быть использованы вместо, или в дополнение к, ВТСП-материалу. ВТСП-ленты могут быть «залиты», например, посредством заключения пакета ВТСП-лент в припой.

Хотя настоящее открытие поясняется примером центральной колонны для катушки тороидального поля (такой как для плазменной камеры токамака), множество других вариантов применения являются возможными, которые не затрагивают катушки тороидального поля. Например, электромагниты могут быть использованы в аэрокосмических вариантах применения, включены в летательный аппарат, беспилотные летательные аппараты, спутники, космический аппарат, летательные аппараты с ракетным двигателем и автономные исследовательские аппараты. Фактически, будет понятно, что использование скошенных поверхностей/клинообразных элементов, описанных выше, может быть использовано, в общем, для уменьшения (или, по меньшей мере, перераспределения) механического напряжения на электрическом проводнике, прижимаемом к опорному элементу. Такое использование скошенных поверхностей/клинообразных элементов является особенно полезным для сверхпроводящих (НТСП и/или ВТСП) материалов, которые деградируют или работают менее эффективно при механических напряжениях выше порогового значения.

Изобретение относится к электромагниту на сверхпроводниках, содержащему один или более каналов, и может использоваться в плазменных камерах, таких как камеры, используемые в термоядерных реакторах на основе токамака, в центральной колонне катушки тороидального поля. Каждый канал имеет предусмотренный в нем проводящий элемент, содержащий один или более слоев сверхпроводящего материала для проведения электрического тока вдоль оси канала. Проводящий элемент выполняется с возможностью касаться боковых стенок канала посредством первой и второй скошенных поверхностей, которые наклонены относительно друг друга, так что сила, смещающая проводящий элемент в направлении, перпендикулярном оси, создает противоположные силы контакта на скошенных поверхностях, которые действуют, чтобы сжимать проводящий элемент в направлении с компонентом, перпендикулярным упомянутой силе. Техническим результатом является предотвращение деформации центральной колонны и деградации сверхпроводящих материалов. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электромагнит, содержащий один или более каналов, причем каждый канал имеет предусмотренный в нем проводящий элемент, содержащий один или более слоев сверхпроводящего материала для проведения электрического тока вдоль оси канала, проводящий элемент выполнен с возможностью касаться первой и второй боковых стенок канала посредством соответствующих первой и второй скошенных поверхностей, которые наклонены относительно друг друга, так что сила, смещающая проводящий элемент в направлении, перпендикулярном оси, создает противоположные силы контакта на первой и второй скошенных поверхностях, которые действуют, чтобы сжимать проводящий элемент в направлении с компонентом, перпендикулярным упомянутой силе.

2. Электромагнит по п. 1, при этом каждый проводящий элемент содержит один или более пакетов лент на высокотемпературных сверхпроводниках, ВТСП, причем каждая ВТСП-лента включает в себя слой ВТСП-материала, протягивающийся вдоль оси канала.

3. Электромагнит по п. 2, при этом ВТСП-материал является ReBCO.

4. Электромагнит по п. 2 или 3, при этом каждый проводящий элемент содержит первый клинообразный элемент, предусмотренный между пакетом ВТСП-лент и первой боковой стенкой канала, причем на первом клинообразном элементе предусматривается первая скошенная поверхность.

5. Электромагнит по п. 4, при этом первый клинообразный элемент прикреплен к пакету ВТСП-лент.

6. Электромагнит по п. 4 или 5, при этом первый клинообразный элемент содержит поверхность в соприкосновении с пакетом, которая является перпендикулярной слоям ВТСП-материала.

7. Электромагнит по п. 6, при этом для одного или более проводящих элементов острый угол между первой скошенной поверхностью и поверхностью в соприкосновении с пакетом больше 1 градуса.

8. Электромагнит по п. 7, при этом каждый проводящий элемент содержит второй клинообразный элемент, предусмотренный между пакетом ВТСП-лент и второй боковой стенкой канала, причем на втором клинообразном элементе предусматривается вторая скошенная поверхность.

9. Электромагнит по любому из предшествующих пунктов, при этом коэффициент статического трения между каждой из скошенных поверхностей проводящего элемента и соответствующими боковыми стенками канала равен 0,1-0,3.

10. Электромагнит по любому из предшествующих пунктов, при этом каждый из проводящих элементов является залитым.

11. Электромагнит по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий опорный элемент, причем каналы предусматриваются в опорном элементе, опорный элемент содержит одно или более сквозных отверстий, проходящих в направлении, имеющем компонент, параллельный одному или более каналам.

12. Электромагнит по п. 11, при этом одно или более отверстий располагаются рядом с одной или более боковыми стенками канала.

13. Центральная колонна для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака, причем центральная колонна содержит множество электромагнитов по любому из предшествующих пунктов, каналы разнесены с интервалом вокруг центральной оси, и один или более слоев сверхпроводящего материала размещаются для проведения электрического тока параллельно центральной оси, при этом сила является радиальной силой, смещающей проводящий элемент по направлению к центральной оси.

14. Центральная колонна по п. 13, при этом каналы предусматриваются в едином опорном элементе.

15. Центральная колонна по п. 13 или 14, содержащая одно или более отверстий через один или каждый опорный элемент, каждое отверстие проходит параллельно центральной оси.

16. Центральная колонна по п. 15, при этом одно или более отверстий располагаются радиально снаружи радиально внутренней кромки проводящего элемента.

17. Центральная колонна по любому из пп. 13-16, при этом один или каждый опорный элемент содержит один или более съемных угловых сегментов, каждый угловой сегмент содержит один или более из множества каналов.

18. Центральная колонна для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака, причем центральная колонна содержит опорный элемент, имеющий множество каналов, разнесенных вокруг центральной оси, каждый канал имеет предусмотренный в нем проводящий элемент, содержащий один или более слоев сверхпроводящего материала для проведения электрического тока параллельно центральной оси, проводящий элемент выполняется с возможностью касаться первой и второй боковых стенок канала посредством соответствующих первой и второй скошенных поверхностей, которые являются наклоненными относительно друг друга, так что радиальная сила, смещающая проводящий элемент по направлению к центральной оси, создает противоположные силы контакта на первой и второй скошенных поверхностях, которые действуют, чтобы сжимать проводящий элемент в направлении с компонентом, перпендикулярным радиальной силе.

19. Катушка тороидального поля для токамака, причем катушка тороидального поля содержит центральную колонну по любому из пп. 13-18.

20. Токамак, содержащий катушку тороидального поля по п. 19.