ТОРОИДАЛЬНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА С ВЫТЯНУТЫМ СЕЧЕНИЕМ ПЛАЗМЫ Советский патент 1995 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза, в частности к проблеме конструирования вакуумной камеры и бланкета тороидальных установок, предназначенных для проведения реакции ядерного синтеза, и может быть использовано например, при создании установок токамак.

Целью изобретения является уменьшение стоимости изготовления конструкций камеры и бланкета, уменьшение стоимости захоронения радиоактивных отходов и экологической опасности установки, упрощение технологии изготовления и сборки, а также повышение надежности работы установки.

На фиг. 1 показано вертикальное сечение токамака со сдвоенными петлями пассивной стабилизации, и с оребрением тыльной стенки секций бланкета и ближайшей поверхности вакуумной камеры; на фиг.2 вертикальное сечение ребер на тыльной стенке бланкета и на вакуумной камере; на фиг.3 эскиз двух смежных секций внешнего бланкета с оребрением тыльных и боковых стенок.

Тороидальная термоядерная установка состоит из катушек магнитной системы 1, тороидальной вакуумной камеры 2 и вложенных в нее секций бланкета 3. Тыльные стенки секций бланкета и ближайшая поверхность вакуумной камеры имеют оребрение. Ребра 4,5 (фиг.2) выполняются из конструкционного материала бланкета и камеры, например, из нержавеющей стали, и лишены плакировки из хорошо проводящих сплавов. Ребра ориентированы в тороидальном направлении и формируют зигзагообразные электроизолирующие зазоры. Оребрение может быть выполнено также и на боковых стенках секций бланкета, при этом ребра 5 (фиг.3) ориентируются в направлении от плазмы к камере. Они также выполнены из конструкционного материала бланкета и формируют зигзагообразные электроизолирующие зазоры. При работе установки в результате быстрых смещений плазмы по вертикали в секциях бланкета 3 и в камере 2 индуцируются вихревые токи. При наличии оребрения основная часть этих токов протекает по ребрам секций бланкета 4, 6 и ребрам камеры 5. Главная причина протекания большей части вихревых токов по ребрам 4, 5, 6 состоит в том, что в ребрах сосредоточено основное электрическое сечение (и проводимость) контуров вихревых токов, и лишь дополнительной причиной является незначительное сканирование вихревых токов. Это же справедливо и для прототипной конструкции [2] где ток распределяется между плакировкой и стальной стенкой примерно в соответствии с соотношением их проводимостей при незначительном влиянии скин-эффекта.

Необходимые характеристики системы пассивной стабилизации достигаются за счет ограничения величины электрических зазоров δ_эл и обеспечения достаточно высокой электропроводности пассивных петель. Параметр δ_эл определяется как расстояние между средними линиями тока в смежных проводящих стенках и ограничивается величиной δ_эл ≅ 30 мм. Необходимая постоянная времени пассивных петель достигается при толщине плакировки из медного сплава не менее δ_эл ≥ 10 мм. Одно из условий сохранения необходимых характеристик пассивных петель при изменении их конструкции состоит в неувеличении индуктивности зазоров: l₃ μ_o ∫ ( δ_эл /h)dl, где l и h соответственно длина и ширина зазора, т.е. его размеры вдоль и поперек линий электрического тока.

Замена плакировки конструкций их оребрением означает увеличение параметра h в несколько раз (в 5-7 раз для проекта [2]). При сохранении прежней величины L₃ это позволяет во столько же раз увеличить размеры электрических зазоров δ_эл ≅ 150-200 мм вместо δ_эл ≅ 30 мм).

В рассматриваемых условиях эффективное электрическое сечение пассивных петель увеличивается пропорционально произведению h δ_эл С учетом связи δ_эл≈ h имеет место квадратичная зависимость электрического сечения пассивных петель от параметра h. Поэтому оказывается возможным за счет оребрения конструкций с возрастанием h в 5-7 раз использовать материал, имеющие в 25-50 раз большее удельное сопротивление, чем медные сплавы, т.е. полностью отказаться от плакировки оребренных стальных поверхностей медными или алюминиевыми сплавами.

Уменьшение количества или исключение использования плакировок из медных сплавов в конструкциях бланкета и камеры позволяет снизить стоимость исходных материалов и изготовления этих конструкций, улучшить радиационную ситуацию при проведении ремонтных работ и демонтаже установки, и уменьшить стоимость захоронения радиоактивных отходов и экологическую опасность установки. Организация пассивных петель за счет оребрения несущих стальных конструкций позволяет снизить внутренние термонапряжения в стенках бланкета и камеры, а также упростить технологические проблемы их изготовления и сборки, включая выполнение конструкционных и монтажных сварных соединений, операций отжига и обезгаживания и т.п. Повышается и общая надежность работы установки за счет исключения возможности отслоения плакировки под действием термонапряжений и электродинамических нагрузок, возникающих при срыве тока плазмы. Оребрение конструкции вакуумной камеры дополнительно увеличивает ее прочность и жесткость, улучшая тем самым условия восприятия электродинамических нагрузок и газокинетического давления.

При отказе от плакировки камеры хорошо проводящими сплавами расширяются возможности по оптимизации конструкции. Так, оказывается возможным применить одновременно перспективные концепции сдвоенных пассивных петель и тонкостенной однородной камеры, что затруднительно при использовании плакировки несущих конструкций хорошо проводящими сплавами, поскольку эта плакировка создавала бы короткозамкнутые тороидальные петли. При оребрении конструкции однородной камеры ее тороидальное сопротивление может регулироваться в широких пределах изменением толщины стенок ребер и, в частности, может быть сохранено близким к сопротивлению камеры в проекте [2]

Использование: инженерные проблемы управляемого термоядерного синтеза, конструирование вакуумной камеры и бланкета тороидальных установок. Сущность изобретения: петли пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура в тороидальной термоядерной установке с вытянутым сечением плазмы образованы оребренными смежными поверхностями тыльных стенок секций бланкета, установленных в вакуумной камере установки, и близлежащией к ним стенки вакуумной камеры. Ребра выполнены из конструкционных материалов бланкета и камеры и ориентированы в тороидальном направлении. Поверхности смежных ребер образуют зигзагообразные электроизолирующие зазоры. Оребрение может быть выполнено также и на боковых смежных стенках секций бланкета. Данное выполнение позволяет уменьшить стоимость захоронения радиоактивных отходов и повысить надежность активных отходов и повысить надежность работы установки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ТОРОИДАЛЬНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА С ВЫТЯНУТЫМ СЕЧЕНИЕМ ПЛАЗМЫ, содержащая тороидальную вакуумную камеру, внутри которой установлены секции бланкета, магнитную систему и электропроводные петли пассивной стабилизации вертикального положения плазменного шнура, сформированные на лицевой, тыльной и боковых стенках каждой секции бланкета и на смежной поверхности камеры и ориентированные в тороидальном направлении, отличающаяся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления и сборки установки, повышения надежности работы установки и уменьшения стоимости захоронения радиоактивных отходов, образующихся в процессе работы установки, петли на тыльных стенках секций бланкета и на ближайшей к ним поверхности камеры образованы оребренными смежными поверхностями, при этом ребра выполнены из конструкционных материалов соответственно бланкета и камеры и ориентированы в тороидальном направлении, причем смежные поверхности ребер в вертикальном сечении камеры образуют зигзагообразные электроизолирующие зазоры. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что петли на боковых стенках секций бланкета образованы оребренными смежными поверхностями стенок, при этом ребра выполнены из конструкционного материала бланкета и ориентированы в направлении от плазменного шнура к стенке камеры, причем смежные поверхности ребер в вертикальном сечении секций бланкета образуют зигзагообразные электроизолирующие зазоры.