DE3421940C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Toroid-Spulen-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Derartige Toroid- Spulen-Anordnungen sind aus der JP-OS 53-72 993 bekannt und werden für die Kernfusion verwendet.

Ein bekanntes torusförmiges Kernfusionsgerät ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Es besitzt eine Vielzahl von Toroid-Spulen 1, einen Vakuumbehälter 2, Luftkern-Strom-Transformator- Spulen 3 und Poloid-Spulen 4. Der Vakuumbehälter 2 hat einen trapezförmigen Querschnitt. Ein Plasma P ist in ihm durch ein Magnetfeld eingeschlossen, und zwar in Toroid-Rich­ tung, Poloid-Richtung und vertikaler Richtung. Die Toroid-Spulen 1 sind ringartig geschlossen, etwa in Form eines "D", wodurch die Form des Plasmas P angenähert wird. Das Plasma wird durch einen elektrischen Strom aufge­ heizt, der von einer in dem Plasma P induzierten Span­ nung erzeugt wird, wodurch der magnetische Fluß in den Luft-Kern-Strom-Transformator-Spulen 3 verändert wird, welche in der Nähe des Vakuumbehälters 2 ange­ ordnet sind.

Bei einem toroidförmigen Magnetfeldgenerator des torus­ förmigen Kernfusionsgerätes 27 läßt man generell große Ströme in gleicher Richtung durch eine Vielzahl von Spulen fließen, welche auf einem torusförmigen Kreis liegen. Hierdurch wird das torusförmige Magnetfeld er­ zeugt. In den Toroid-Spulen werden sehr große elek­ tromagnetische Kräfte erzeugt, die zu einer Wechsel­ wirkung zwischen dem Magnetfeld und den Spulenströmen führen. Die elektromagnetische Kraft wirkt als Expan­ sionskraft F, welche die Spulen generell expandiert. Diese Kraft ist so verteilt, daß sie in Richtung zur Innenseite des Torus groß ist und in Richtung zur Außen­ seite des Torus kleiner wird. Es entsteht daher eine Kraft Fr (Zentripetalkraft), die die mehreren Toroid- Spulen als Ganzes in Richtung auf das Zentrum drückt. Weiterhin läßt man große elektrische Ströme in den Poloidalspulen fließen, welch letztere benachbart zu den Toroid-Spulen angeordnet sind und welche ein poloidales Magnetfeld erzeugen, durch welches das Plasma aufgeheizt wird und die Form und die Lage des Plasmas gesteuert wird. Das poloidale Magnetfeld schneidet hier­ bei die durch die Toroid-Spulen fließenden elektrischen Ströme, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die die Toroid- Spulen nach außen an ihrer Oberfläche umkehrt bzw. dreht. Bei dem torusförmigen Kernfusionsgerät bleibt das Problem, wie man die in den Toroid-Spulen erzeugten elektromagnetischen Kräfte abstützt bzw. abfängt und wie man die in den Toroidspulen erzeugten (mechanischen) Spannungen minimiert.

Zur Lösung dieses Problems ist ein Gerät gemäß den Fig. 3 bis 5 aus der eingangs genannten Schrift bekannt.

Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, werden die Toroid-Spulen 1, die jeweils aus einem in mehreren Windungen aufgewickelten Leiter bestehen, in Spulen­ stützrahmen 5 a, 5 b gehalten. Diese Rahmen 5 a, 5 b sind aus nicht-magnetischem Material, wie z. B. rostfreiem Stahl oder einer festen Aluminiumlegierung, die die intensive elektromagnetische Kraft, die in den Toroid-Spulen 1 erzeugt wird, aushält bzw. aufnimmt. Die Spulenstütz­ rahmen 5 a, 5 b sind an ihren oberen und unteren Ab­ schnitten mittels Bolzen 8 über Stützfüße 6 fest an einem Gestell 7 befestigt, so daß alle Kräfte wie das Gewicht der Toroid-Spulen 1, thermische Kräfte, die elektromagnetische Kraft F, die Zentripetalkraft Fr und die Drehkraft F _Q aufgenommen werden. Weiterhin sind keilartige Kopplungsabschnitte 5 c vorgesehen, die die Zentripetalkraft Fr abfangen, und zwar an Stellen der Keilabschnitte 1 a am inneren Endteil der Toroid- Spulen 1. Die in den Spulenstützrahmen 5 a, 5 b unter­ gebrachten Toroid-Spulen 1 werden mit einer Vielzahl von Spulen in toroidaler Richtung angeordnet. Sodann wird auf die Rückseite der Spulen eine Kraft aufgebracht, und zwar unter Verwendung hydraulischer Kolben-Zylinder- Anordnungen oder ähnlichem, wobei die Spulenstützrahmen 5 b auf der zur Mitte hinweisenden Seite liegen. Dies erfolgt zu dem Zweck, die Toroid-Spulen 1 in ihre korrekte radiale Form zu bringen. Danach werden die Spulenstützbeine 6 befestigt und mittels der Bolzen 8 an dem Gestell 7 gesichert, so daß die keilförmigen Flächen des keilartigen Kopplungsabschnittes 5 c an der Innenseite der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b in innigem Kontakt zueinander stehen. Die Zentripetalkraft Fr wird hierdurch über die keilförmigen Flächen korrekt aufge­ nommen. Weiterhin wird die in Fig. 6 dargestellte Dreh­ kraft F _Q von Querriegeln bzw. Profilträgern 9 a, 9 b auf­ genommen, welche eine Drehung abfangen. Diese Träger 9 a, 9 b liegen zwischen den Spulenstützrahmen 5 a und 5 b, wie aus Fig. 5 zu erkennen.

In den letzten Jahren wurden allerdings die Kernfusions­ geräte vergrößert, was auch zu größeren Feldstärken des Magnetfeldes und damit zu größeren elektromagne­ tischen Kräften führte. Dies erschwerte es, die Zentri­ petalkraft Fr und die Drehkraft F _Q abzufangen. Es wurden daher Anstrengungen unternommen, den Keileffekt gegen die Zentripetalkraft Fr beizubehalten, und zwar basierend auf den Keilflächen der keilartigen Kopplungsabschnitte 5 c. In dem Maße, wie die Spulen größer wurden und ihre Gesamthöhe anwuchs, wurde es allerdings schwieriger, beim Aufbau der Spulen die erforderliche Präzision ein­ zuhalten. Trotz der Tatsache, daß die Spulen von hydrau­ lischen Kolben-Zylinderanordnungen gedrückt und durch Bolzen gesichert wurden, ist die Druckkraft Ft für die Spulen lediglich in der Nähe der Spulenstützbeine 6 wirksam. Das heißt, daß es nicht länger möglich ist, die Druckkraft Ft über die gesamte Spulenhöhe aufrecht zu halten. Um die Drehkraft F _Q zu verringern, wurden weiterhin die Querriegel bzw. Träger 9 a, 9 b vorgesehen, die eine Drehung verhindern sollen. Dadurch wurden je­ doch Öffnungen 10 zum Beobachten des Plasmas unmöglich. Folglich wurde die Drehkraft F _Q nicht von der gesamten Oberfläche der Spulen abgestützt. Weiterhin wurde der Abstand 1 (Fig. 5) zwischen den keilartigen Kopplungs­ abschnitten 5 c und den Querriegeln 9 a vergrößert, so daß größere mechanische Spannungen auf die geraden Spulenabschnitte ausgeübt wurden. Auch sind die Keil­ flächen der keilartigen Kopplungsabschnitte 5 c nicht in der Lage, die Druckkraft Ft abzufangen, und folglich bringen sie nicht mehr die erforderliche Steifigkeit gegen die Drehkraft F _Q . Selbst wenn man versucht, die Querriegel zum Verhindern der Drehung in der Nähe der Keilflächen anzuordnen, können nur sehr dünne bzw. schwache Querriegel eingebaut werden, da die Anzahl der Toroid-Spulen in den letzten Jahren stark angewachsen ist. Es ist nämlich nicht möglich, zum Befestigen von sehr schwachen Drehverhinderungs-Querriegeln an den Spulenstützrahmen 5 a Bolzen zu verwenden. Folglich ist es schwierig, die auf die geraden Spulenabschnitte wirkenden mechanischen Spannungen zu verringern.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die obenerwähnten Nachteile beseitigt werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Toroid-Spulen-Anordnung zu schaffen, bei welcher durch die Drehkraft F _Q verursachte mechanische Spannungen verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung aus­ führlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 einen schematischen Querschnitt bzw. eine Draufsicht eines torusförmigen Gerätes für die Kernfusion;

Fig. 3 und 4 einen Querschnitt einer herkömmlichen Toroid-Spulen-Anordnung bzw. eine Drauf­ sicht auf dessen wesentliche Teile;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die wesentlichen Teile von bekannten Querriegeln, die die Dreh­ kraft aufnehmen;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Drehkraft, die in den geraden Abschnitten der Toroid- Spulen erzeugt wird; und

Fig. 7 und 8 eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht der Hauptteile einer Toroid-Spulen-Anord­ nung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeich­ nen gleiche bzw. einander entsprechende Teile.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 wird ein bevor­ zugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Toroid- Spule. Ein Abschnitt R der Spule außerhalb deren gerad­ linigem Abschnitt ist in radialer Richtung verlängert, wobei die Spulenstützrahmen 5 a, 5 b, welche die Toroid- Spule 1 enthalten, ebenfalls eine Ausbildung längs des Ab­ schnittes R, der außerhalb des geraden Abschnittes der Toroid-Spule 1 ist, besitzen. Das Bezugszeichen 11 be­ zeichnet ein Verstärkungsteil, das mit keilförmigen Kopplungsabschnitten 5 c der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b ver­ schweißt ist, wobei dieses durch Schleifen einer dicken Platte oder durch Schmieden hergestellt ist. Das Ver­ stärkungsteil 11 ist an dem Abschnitt R außerhalb des geraden Abschnittes der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b gelegen und hat eine solche Form, daß die keilförmigen Kopplungs­ abschnitte 5 c in radialer Richtung gedehnt werden. Das Verstärkungsteil 11 besitzt weiterhin Keilnuten bzw. Nuten 11 a, 11 b zum Ankoppeln der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b sowie Ausnehmungen 11 c zum Befestigen der Spulenstütz­ rahmen 5 a, 5 b. Die Nut 11 a ist breit, während die Nut 11 b schmal ist, wobei ein Paar dieser Nuten eine gestufte Keilnut bildet. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen in die Nuten 11 a, 11 b eingesetzten Keil, der die Spulenstütz­ rahmen 5 a und 5 b miteinander verkoppelt, wobei dieser Keil eine gestufte Form hat. Das Bezugszeichen 13 be­ zeichnet Bolzen, die in das Verstärkungsteil 11 einge­ schraubt sind und zwar in die Ausnehmungen 11 c, wodurch die Spulenstützrahmen 5 a und 5 b fest miteinander verbunden werden.

Die Wirkungsweise der Toroid-Spulen-Anordnung nach der Erfindung wird im folgenden beschrieben.

Mehrere Toroid-Spulen 1 sind direkt auf dem Gestell radial angeordnet, wobei die Keilflächen der keilartigen Kopplungsabschnitte 5 c der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b in innigem Kontakt miteinander stehen. Von der Rückseite der Spulen her wird von einer hydraulischen Kolben- Zylinderanordnung eine Kraft aufgebracht, so daß die Zentripetalkraft über die Keilflächen vollständig aufge­ nommen wird. Bei diesem Zustand wird der Keil 12 in die Keilnuten 11 a und 11 b eingesetzt, um benachbarte Spulen­ stützrahmen 5 a bzw. 5 b miteinander zu verbinden. Hier­ durch wird ein gegenseitiges Gleiten bzw. Verschieben der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b verhindert. Die benachbarten Spulenstützrahmen 5 a, 5 b werden dann durch die Bolzen 13 fest miteinander verbunden. Der oben beschriebene Mon­ tagevorgang wird sukzessive in Torusrichtung ausgeführt, um die Toroid-Spulen 1 fest zu lagern. Bei der so aufge­ bauten Toroid-Spulen-Anordnung bilden die keilförmigen Kopplungsabschnitte 5 c der Spulenstützrahmen 5 a, 5 b eine Konstruktion, die sich aufgrund der Verstärkungsteile 11 in radialer Richtung erstreckt. Aufgrund der Befestigung- und Haltekräfte der Keile 12 und der Bolzen 13 sind die gerade verlaufenden Abschnitte der Spulen fester miteinan­ der verbunden, als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Weiterhin wird der gleiche Effekt erhalten wie bei Dreh- Verhinderungs-Querriegeln, die in der Nähe der Abschnitte angebracht sind, welche außerhalb des geraden Abschnittes der Spule liegen. Folglich kann mit der Erfindung die Drehkraft F _Q stark verringert werden. Da die Drehkraft F _Q verringert ist, kann auch die mechanische Spannung in der Nähe der geraden Spulenabschnitte verringert werden.

Obwohl bei obigem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, daß die Verstärkungsteile 11 zwischen den Spulenstütz­ rahmen 5 a angeordnet sind, sei darauf hingewiesen, daß die Verstärkungsteile 11 auch in dem oberen oder dem unteren Abschnitt der Spulenstützrahmen 5 a angeordnet sein können, wobei die gleichen Effekte erhalten werden.

Claims (3)

1. Toroidspulenanordnung, bei der eine Vielzahl von Spulen torusförmig angeordnet ist, mit einer Vielzahl von Spulenstützrahmen (5 a, 5 b), die in ihrem Innenraum jeweils eine Toroidspule (1) aufnehmen, welche um eine Mittelachse in einer radialen Anordnung liegen und gerade verlaufende Bereiche parallel zur Mittel­ achse aufweisen, wobei die Spulenstützrahmen (5 a, 5 b) an ihren radial inneren Endabschnitten mit keilförmigen Kopplungsabschnitten (5 c) anliegend fixiert sind, und mit Haltemitteln, die einer radialen Bewegung der Spulenstützrahmen (5 a, 5 b) durch die Zentripetalkraft entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Haltemittel Verstärkungsteile (11) aufweisen, die an die gerade verlaufenden Bereiche angrenzen und die keilförmigen Kopplungsabschnitte (5 c) in radialer Richtung nach außen verlängern,
• - daß die Verstärkungsteile (11) in ihren Seitenwänden gegenüberliegende Keilnuten (11 a, 11 b) haben, die Keile (12) zur gegenseitigen Fixierung von benachbarten Ver­ stärkungsteilen (11) gegen Verschiebungen der jeweils benachbarten Spulenstützrahmen (5 a, 5 b) aufnehmen, und
• - daß die Verstärkungsteile (11) in ihren Seitenwän­ den Ausnehmungen (11 c) haben, die Schraubbolzen (13) zur starren Verbindung mit dem jeweils seitlich daneben­ liegenden Verstärkungsteil (11) des nächsten Spulen­ stützrahmens (5 a, 5 b) aufnehmen.

2. Toroidspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilnuten (11 a, 11 b) in den Verstärkungsteilen (11) unterschiedliche Breite haben und eine stufenförmige Keilnut bilden und daß die eingesetzten Keile (12) einen komplementären stufenförmigen Querschnitt besitzen.

3. Toroidspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsteile (11) in den oberen und unteren Bereichen der aufrecht stehenden Anordnung der Spulen­ stützrahmen (5 a, 5 b) vorgesehen sind.