Индуктор токамака Советский патент 1984 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к термоядерным реакторам синтеза, а более конкретно - к термоядерным установкам типа токамак, предназначенным для удержания и нагрева плазмы при исследованиях управляемых термоядерных реакций.

Известны безжелезные (воздушные) индукторы токамаков, имеющие в своем составе обмотки нагрева плазмы, по которым пропускается ток с целью создания изменяющегося во временя магнитного потока, которьй, замыкаясь вокруг тороидальной разрядной камеры с ионизованным газом, индуцирует вихревое электрическое поле, в результате чего происходит электрический пробой в газе и образуется плазменный шнур. Протекающий по плазме ток производит ее нагрей до высоких температур tOБезжелезные индукторы требуют больших затрат мощности на проведение магнитного потока по магнитной цепи и создают нежелательные магнитные поля рассеяния в зоне плазменного шнура и вокруг установки. Для повышения экономичности установки и уменьшения полей рассеяния применяют индукторы с ферромагнитным замкнутым магнитопроводом.

Известен также индуктор токамака состоящий-из магнитопровода переменного сцепления с центральным кругльи сердечником, обмоток предварительного намагничивания и нагрева плазмы, расположенных на магнитопроводе r2J.

Диаметр центрального сердечника магнитопровода, с целью улучшения одного из главных параметров установки - уменьшения аспектового отношения R/« (где аир - соответственно малый и большой радиусы плазменного шнура), сделан минимально возможным по условиям прохождения потока через сердечник а размеры поперечного сечения балок и отсек замкнутого магнитопровода выбраны в 1,5-2 раза больше поперечного сечения сердечника, чтобы сопротивление магнитному потоку, проходящему через эти участки,быпо незначительным.

Конечная температура нагрева плазмы зависит от длительности протекания в ней нагревающего ее потока, которая, в свою очередь

зависит от величины изменяющегося магнитного потока, связанного с плазменным шнуром. Величина этого магнитного потока зависит от значений начальной и конечной индукций в сердечнике, и потому может быть увеличена за счет предварительного намагничивания при помощи специальной обмотки. При прохождении тока по обмотке индуктора происходит перемагничивание сердечника. При этом за счет размагничивающего действия тока плазмы индукция в сердечнике постоянного сечения не одинакова по высоте. В зоне расположения обмоток индуктора сердечник магнитопровода насьщается, в то время как в центральной области сердечник железо далеко от насьпцения. Увеличить индукцию средней части цилиндрического сердечника и, тем самым, увеличить магнитный поток, проходящий через сердечник и сцепляющийся с плазмой, на сколько-нибудь существенную величину при локальных насыщениях сердечника в зоне расположения обмоток практически невозможно без значительных дополнительных энергозатрат. Увеличивать же магнитньлй поток за счет увеличения диаметра сердечника нежелательно в связи с ухудшением в этом случае аспектового отношения R/(3 и уменьшением пространства для размещения конструктивных элементов установки. Кроме того, увеличение индукции насьш;ения в сердечнике с постоянным сечением приводит к нежелательному возрастанию полей рассеяния в области плазменного шнура.

Цель изобретения - ликвидахщя неравномерного насьпцения сердечниками, увеличение полезного магнитного потока, уменьшение полей рассеяния в зоне плазменного шнура, упрощение конструкции сердечника и упрощение изготовления и монтажа установки.

Это достигается тем, что сердечник магнитопровода вьтолнен с радиусом, изменяющимся в зависимости от высоты сердечника симметрично в обе стороны от медианной плоскости по

(1)

где - радиус сердечника в медианной плоскости магнитопровода} 2 - расстояние по высоте

сердечника, отсчитьшае- мое от медианной плоскости;

BO - максимальная индукция в сердечнике в медианной плоскости;

Ь. (Z) - средняя индукция потока расстояния на границе воздух-железо на расстоянии Z от медианной плоскости. Кроме того, сердечник выполнен со ступенчато-изменяющимся радиусом причем шаг ступени по высоте Z выбран таким, чтобы приращение по радиусу составляло на каждом шаге (0,003-0,1) TO в зависимости от индукций Brp(Zl потока рассеяния и, кроме того, сердечник выполнен из набора отдельных элементов. На фйг.1 изображен предлагаемый индуктор, общий вид; на фиг.2 - то же, в другом исполнении.

На магнитопроводе 1 переменного по длине силовой линии поперечного сечения размещены обмотка 2 нагрева и обмотка 3 предварительного намагничивания магнитопровода. Магнитопровод содержит сердечник 4 переменного по высоте сечения с радиусом, определяеьаге законом (1),блока 5 и стойки 6.

В другом исполнении (фиг.2) сердечник выполнен из набора цилиндрических элементов, радиус и высота которьк изменяются ступенчато в соответствии с законом (1),причем

шАг ступени по высоте соответствует приращению радиуса на величину (0,03-0,1)Гд в зависимости от индукции потока рассеяния Bpp(z|. Предлагаемый индуктор работает следующим образом.

Обмотка 3 предварительного намагничивания замыкается на источник питания (на чертеже не показано), и производится намагничивание магнитопровода 1 например, до значений индукции 8-0 л- 1,9 Т, Производится, наполнение лайнера (на чертеже не показано) смесью изотопов водорода .и предварительная ионизация газовой смеси. Обмотка 2 нагрева плазмы замыкается на иcтovник питания, и проходящий по обмотке ток создает магнитный поток в магнитопроводе, перемагничивающий его до положительных значений индукции. При изменении магнитного потока образуется вихревая ЭДС, приложенная к плазме, в которой происходит пробой и начинает протекать ток по образовавшемуся плазменному тороидальному шнуру.

Предлагаемая.форма исполнения сердечника позволяет выравнять индукцшо в сердечнике и, тем самым, снизить магнитное сопротивление магнитопровода, что, в свою очередь, дает возможность увеличить магнитный поток, проходящий по сердечнику, примерно на 40% (при индукции в центре сердечника 1,9 Т) без дополнительного увеличения ампер-витков обмоток индуктора. При этом уменьшается уровень рассеяния полей, связанных с выпучиванием с сердечника в местах его насьпцения.

Ф14г.1

f 5

Л

1. ИНДУКТОР ТОКАМАКА, сос- ТОЯ1ЦИЙ из магнитопровода переменного сечения с центральным круглым сердечником, обмоток предварительного намагничивания и нагрева плазмы, расположенных на магнитопроводе, отличающийся тем, что, 'с целью ликвидации неравномерного насыщения сердечника, увеличения полезного магнитного потока и уменьшения полей рассеяния в зоне плазменного шнура, сердечник магнитопровода с радиусом, изменяющимся в зависимости от высоты сердечника симметрично в обе стороны от медианной плоскости по закону^^гр(^^^с^^tcUi*«^on+-8о-^где':ов.6^(Z)радиус сердечника в медианной плоскости магнитопровода; расстояние по высоте сердечника, отсчитываемое в обе стороны от медианной плоскости} максимальная индукция в сердечнике в меди'ан-НОЙ ПЛОСКОСТИ',средняя индукция потока рассеяния на границе воздух-железо на расстоянии Z от медианной плоскости.2.Индуктор ПОП.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, сердечник выполнен со ступенчато изменяюпщмся радиусом, причем шаг ступени по высоте 2 выбран таким, чтобы" приращение по радчусу составляло на каждом шаге

.f