Центральный соленоид омического нагрева плазмы

Изобретение относится к технике, связанной с физикой плазмы и проблемой управляемого ядерного синтеза, и применяется в качестве индуктора токамака. Техническим результатом изобретения является создание конструкции центрального соленоида омического нагрева плазмы (ЦСОН), обеспечивающей снижение эксплуатационных нагрузок, возможность демонтажа ЦСОН с центральной колонны, получение более однородного магнитного поля. ЦСОН содержит четыре слоя проводников с внутренними каналами охлаждения. Каждый слой выполнен отдельно с четырьмя заходами в каждом слое. Все шестнадцать проводников соединены последовательно, а узлы соединения расположены на торцевых поверхностях коммутационных колодок ЦСОН. Изолированные слои проводников вставляют один в другой. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике, связанной с физикой плазмы и проблемой управляемого ядерного синтеза, и применяется в качестве индуктора токамака.

Центральный соленоид омического нагрева (ЦСОН) предназначен для генерации переменного магнитного потока через контур, охватываемый плазменным витком. ЦСОН должен обеспечивать подъем плазменного тока и поддержание его на стационарном уровне в течение заданного времени, выдерживая действующие механические и тепловые нагрузки.

Для сокращения интервала времени между запусками токамака ЦСОН должен иметь сечение проводника, оптимальное для заданного значения силы тока и минимальных габаритных размеров при условии соблюдения требуемого теплового режима.

Для повышения технологичности изготовления соленоида при намотке и изоляции витков ЦСОН длина проводника должна быть минимальной, что не потребует применения специального технологического оборудования и оснащения.

Известна конструкция ЦСОН (Гусев В.К., Шаховец К.Г., ОК-Ридж, 12-16 октября 1992 г. Международный симпозиум), представляющая собой спиральный проводник с внутренним каналом охлаждения, намотанный на технологическую оправку в один заход в два слоя.

Однако единый длинный проводник создает проблему охлаждения - во избежание перегрева воды ее скорость необходимо увеличивать, что приводит к росту гидравлических потерь и возникновению кавитационной эрозии каналов охлаждения.

Для компенсации гидравлических потерь и сохранения расхода в единицу времени необходимо увеличивать мощность насосных установок, возможности которых в настоящее время позволяют перемещать воду со скоростью не более 10...12 м/сек, или разрабатывать новые способы охлаждения проводников.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ЦСОН установки Mast (A.W.Morris and T.N.Todd for the MAST Team. UKAEA Fusion, Culham Scientre, UKAEA/EURATOM Fusion Association 1997), представляющий собой цилиндрическую 4-слойную конструкцию, состоящую из 8 спиральных проводников с внутренними каналами охлаждения с двумя заходами в каждом слое, причем проводники намотаны непосредственно на центральную колонну изделия.

В данной конструкции ЦСОН соединение проводников "по току" - последовательно-параллельное, "по воде" - параллельное, при этом узлы соединения проводников находятся на торцах.

Основными недостатками конструкции ЦСОН установки MAST являются:

- намотка проводника непосредственно на центральную колонну, что исключает возможность контроля изоляции на внутренней поверхности ЦСОН и на центральной колонне;

- после намотки конструкция становится неразъемной и ремонт межвитковой и межслойной изоляции затруднен;

- последовательно-параллельная схема питания требует более сложного управляемого источника питания с обратными связями для выравнивания токов в параллельных ветвях схемы.

Изобретение направлено на создание конструкции ЦСОН, обеспечивающей:

- снижение эксплутационных нагрузок за счет минимизации токов в узлах коммутации, идущих поперек магнитного поля;

- возможность демонтажа ЦСОН с центральной колонны для ремонта или замены;

- взаимозаменяемость ЦСОН и центральной колонны;

- повышение дискретности коммутации проводников по воде, что упрощает технологию изготовления проводников, намотки и изоляции витков, а также снижение гидравлических потерь;

- более однородное магнитное поле за счет последовательного соединения проводников.

Технический результат достигается тем, что конструкция ЦСОН установки КТМ состоит из четырех слоев проводников с внутренними каналами охлаждения, в каждом из которых находятся четыре проводника в форме спирали, которые собираются между собой свинчиванием после нанесения изоляции и соединены последовательно.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема ЦСОН с условно снятой верхней крышкой: входная клемма 1, выходная клемма 2, коммутационная колодка 3, трубка системы охлаждения 4, спиральный проводник 5, изоляция 6, нижняя крышка 7, канал охлаждения 8.

Заявляемый ЦСОН отличается от прототипа тем, что каждый слой проводников собирают отдельно из четырех проводников и все проводники соединяют последовательно.

Заявляемый ЦСОН представляет собой цилиндрическую четырехслойную конструкцию общей высотой 3132 мм с наружным диаметром 562 мм и внутренним диаметром 310 мм с четырьмя заходами в каждом слое, 16 спиральных проводников 5 намотаны послойно и имеют последовательное соединение для однородного распределения электрического тока. Каждый проводник 5 охлаждается автономно, коммутация витков по воде - параллельная. Проводники ЦСОН выполнены из серебряной бронзы (бескислородная медь с добавкой 0,1% серебра) с электрической проводимостью 101,5% по сравнению с чистой медью, электроизоляция витков и слоев ЦСОН - из полимерных композиционных материалов на основе полиамидных или эпоксидных связующих, обеспечивающих длительную работу при 300-400°С или при 150-170°С во втором случае. Узлы соединения проводников расположены на торцевых поверхностях ЦСОН, что позволяет уменьшить динамическое воздействие магнитного поля на перемычки между витками ЦСОН.

На торцевых поверхностях ЦСОН выполнены шлицевые канавки для механического восприятия силовых нагрузок на перемычки со стороны магнитного поля (паяное соединение обеспечивает только электрический контакт). Коммутационные колодки 3 (перемычки) (8 шт.), имеющие выступы для шлицевого соединения и отверстия для системы водоохлаждения, припаяны к соответствующим поверхностям проводников ЦСОН. Подводящие трубки 4 системы охлаждения установлены в отверстия коммутирующих колодок 3.

Соленоид работает следующим образом: ток подается на клемму 1. Опускаясь по нисходящим (проводники первого и третьего слоя с левой навивкой условно названы нисходящими) проводникам первого (нумерация слоев соленоида - от центра к периферии) слоя и поднимаясь по восходящим (проводники второго и четвертого слоя с правой навивкой условно названы восходящими) проводникам второго слоя, ток проходит все восемь спиральных проводников первого и второго слоев, соединенных последовательно при помощи колодок 3, расположенных на верхнем и нижнем торцах соленоида. По колодке 3, расположенной между клеммами 1 и 2, ток переходит на третий и четвертый слои. Аналогично ток проходит восемь спиральных проводников третьего и четвертого слоев, соединенных последовательно при помощи колодок 3, расположенных на верхнем и нижнем торцах соленоида. Затем ток выходит на клемму 2.

Таким образом, ток, обходя все шестнадцать последовательно соединенных спиральных проводников, совершает 16×n оборотов в направлении, указанном на чертеже стрелкой (n - количество витков в каждом проводнике), т.е. эквивалентное число витков соленоида - 16×n.

Поскольку коммутируются колодками только концы проводников, расположенные в непосредственной близости друг от друга, то длина участков колодок 3, где ток идет поперек магнитного поля, минимальна, следовательно, минимальна и сила, действующая на колодки со стороны магнитного поля.

Вода подается на каждый из шестнадцати проводников независимо по трубкам 4, расположенным на верхнем торце, а отводится по аналогичным трубкам, расположенным на нижнем торце соленоида. Скорость воды - 1 м/сек (до 5 м/сек при необходимости).

Заявляемый ЦСОН представляет собой целый самостоятельно выполняемый узел и обеспечивает удобство (технологичность) сборки и ремонта; снижение эксплуатационных нагрузок за счет минимизации токов в узлах коммутации, идущих поперек магнитного поля, более однородное магнитное поле за счет только последовательной схемы коммутации всех четырех заходов спиральных проводников в 4-х слоях.

Центральный соленоид омического нагрева плазмы, содержащий проводники с внутренними каналами охлаждения, намотанные в четыре слоя, узлы соединения которых расположены на торцевых поверхностях коммутационных колодок, отличающийся тем, что проводники намотаны с четырьмя заходами в каждом слое и соединены последовательно.