RU144824U1

RU144824U1 - MAGNETIC SYSTEM OF THERMONUCLEAR INSTALLATION WITH ELECTRIC INSULATION ELEMENTS

Info

Publication number: RU144824U1
Application number: RU2014113294/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Васильевич Кутеев; Юрий Сергеевич Шпанский
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2014-09-10

Abstract

1. Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами между витками обмотки тороидального поля, которые образуют центральный опорный элемент, отличающаяся тем, что электроизоляционные элементы выполнены разъёмно от витков обмотки тороидального поля, в смежных участках витков тороидального магнитного поля в области поля центрального столба выполнены профилированные пазы для размещения и удержания ответных выступов электроизоляционных элементов, причем пазы и выступы имеют форму "ласточкиного хвоста".2. Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала электроизолирующего элемента используют карбид кремния (SiC).3. Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что электроизоляционные элементы на противоположных сторонах каждого витка расположены таким образом, что при сопряжении соседних витков электроизоляционные элементы не перекрываются.1. The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements between the turns of the toroidal field winding, which form a central support element, characterized in that the electrical insulating elements are detachable from the turns of the toroidal field winding, profiled grooves are made in the adjacent sections of the turns of the toroidal magnetic field in the field of the central column for accommodating and retaining mating protrusions of electrical insulating elements, the grooves and protrusions having a "dovetail" shape .2. The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements according to claim 1, characterized in that silicon carbide (SiC) is used as the material of the insulating element. The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements according to claim 1, characterized in that the insulating elements on opposite sides of each loop are arranged in such a way that when adjacent coils are mated, the electrical insulating elements do not overlap.

Description

Полезная модель относится к области управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и, в частности, к компактным и сферическим токамакам, у которых ограничен внутренний диаметр и недостаточно места для электроизоляции центрального столба (соленоида).The utility model relates to the field of controlled thermonuclear fusion with magnetic plasma confinement and, in particular, to compact and spherical tokamaks, which have a limited internal diameter and insufficient space for electrical insulation of the central column (solenoid).

Известно изобретение «Герметичный кабельный ввод и способ его изготовления» [Патент РФ №2336587]. Это изобретение рекомендовано для использования на объектах атомной энергетики. Оно обеспечивает необходимый уровень безопасности системы локализации аварий на атомной станции. Данные изделия также могут быть использованы как эффективные противопожарные барьеры в кабельных коридорах, а также как вводы-выводы высокочастотных сигналов в различного рода реакторы, работающие в условиях высокотемпературного и радиационного воздействия. Гермовводы изготовлены с применением вакуумных технологий. В конструкции герметичного ввода (ВГКК) применены радиационно-стойкие и негорючие материалы - металлы и керамика, а герметизация соединений обеспечивается прочно-плотными сварными и паяными соединениями (швами). Герметичные вводы изготовлены на основе кабелей в металлической оболочке с минеральной (магнезиальной) изоляцией, с продольной герметичностью при давлении до 20 атм. Торцы кабелей (модулей) дополнительно герметизированы металлокерамическими изоляторами типа ИПН и ИПК. В этих изоляторах соединения металл-керамика выполнены методами вакуум-плотной пайки высокотемпературными припоями.The invention is known "Sealed cable entry and method of its manufacture" [RF Patent No. 2336587]. This invention is recommended for use in nuclear facilities. It provides the necessary level of security for the accident localization system at a nuclear power plant. These products can also be used as effective fire barriers in cable corridors, as well as I / O of high-frequency signals in various kinds of reactors operating under conditions of high-temperature and radiation exposure. Germovvody made using vacuum technology. Radiation-resistant and non-combustible materials such as metals and ceramics are used in the design of the hermetic inlet (VGKK), and the sealing of the joints is ensured by firmly-tight welded and soldered joints (seams). Sealed bushings are made on the basis of cables in a metal sheath with mineral (magnesian) insulation, with longitudinal tightness at a pressure of up to 20 atm. The ends of the cables (modules) are additionally sealed with ceramic-metal insulators of the type IPN and IPK. In these insulators, metal-ceramic compounds are made by vacuum-tight brazing with high-temperature solders.

В изделии применен модульный принцип устройства, который заключается в следующем: каждый кабель в металлической оболочке с герметично заделанными торцами, представляет собой самостоятельный кабель-модуль, то есть, мини герметичный ввод, имеющий двухстороннюю герметичность. Это позволяет, в случае выхода из строя любого кабель-модуля, остальной части герметичного ввода работать без изменения показателей по всем параметрам.The product uses the modular principle of the device, which is as follows: each cable in a metal sheath with hermetically sealed ends represents an independent cable module, that is, a mini hermetic inlet having two-side tightness. This allows, in the event of failure of any cable module, the rest of the sealed input to work without changing the parameters for all parameters.

Гарантированная радиационная стойкость ВГКК - 10¹⁰ рад. и 10¹⁹ нейтр./см²; огневая стойкость 1000°C.Guaranteed radiation resistance VGKK - 10 ¹⁰ rad. and 10 ¹⁹ neutrons / cm ² ; fire resistance 1000 ° C.

Созданная при НПО "Красная звезда" фирма "Элегия", использует стеклоэмалевую изоляцию. Но изоляторы на основе стекла не отвечают требованиям, предъявляемым к гермовводам для АЭС. По этой причине изделия фирмы "Элегия" не могут составить серьезной конкуренции гермовводам серии ВГКК, которые выполнены только из металла и керамики, материалов не подверженных воздействию гамма-излучению, не горючих и пожаростойких.Created by the Krasnaya Zvezda NPO, Elegy uses glass enamel insulation. But glass-based insulators do not meet the requirements for pressure glands for nuclear power plants. For this reason, the Elegia products cannot seriously compete with the VGKK series hermetic seals, which are made only of metal and ceramics, materials not subject to gamma radiation, non-combustible and fireproof.

Известно изобретение Попова В.П., Антоновой И.В., Стась Ф.В., Мироновой Л.В. «Способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе» // Патент РФ №2164719. Приоритет от 27.09.99. Получен 27.03.2001. Разработанный авторами вариант технологии «кремний на изоляторе» и изготовленные по этой технологии подложки обеспечивают полную электрическую изоляцию отдельных приборов на электронном чипе. Это ведет к целому набору достоинств: увеличение быстродействия, снижение энергопотребления, возможность создания радиационно стойких электрических схем и схем, работающих при относительно высоких температурах (вплоть до 350°C). В качестве изолятора используется оксид кремния SiO₂.The invention of Popov V.P., Antonova I.V., Stas F.V., Mironova L.V. “A method of manufacturing a silicon-on-insulator structure” // RF Patent No. 2164719. Priority from 09/27/99. Received March 27, 2001. The silicon-on-insulator technology variant developed by the authors and the substrates made using this technology provide complete electrical isolation of individual devices on an electronic chip. This leads to a whole set of advantages: increased speed, reduced energy consumption, the ability to create radiation-resistant electrical circuits and circuits operating at relatively high temperatures (up to 350 ° C). Silicon oxide SiO _{2 is} used as an insulator.

Известно также техническое решение - электромагнитная система токамака с одним разрывом для подключения системы электропитания [Патент на полезную модель №125427 от 27.02.2013], включающая витки обмотки тороидального поля, опирающиеся на центральный опорный элемент и наружный кольцевой бандаж, электрические соединения, при этом электрические соединения выполнены сваркой, причем сварка отдельных витков в единую конструкцию и подключение к имеющимся в них каналам охлаждающего теплоносителя осуществлены в произвольной внешней области каждого витка, часть витков в области опорного элемента выполнены скрученными на угол, соответствующий периоду электромагнитной системы 2 p/N, где N - количество витков от 4 до 40, витки электрически изолированы друг от друга диэлектрическими или плохо проводящими элементами.A technical solution is also known - an electromagnetic system of a tokamak with one gap for connecting the power supply system [Utility Model Patent No. 125427 of 02.27.2013], including turns of a toroidal field winding, supported by a central support element and an outer ring band, electrical connections, while electrical the connections are made by welding, and the welding of individual turns into a single design and the connection to the channels of the cooling coolant available in them are carried out in an arbitrary external region of each the coil, part of the turns in the region of the support element is twisted by an angle corresponding to the period of the electromagnetic system 2 p / N, where N is the number of turns from 4 to 40, the turns are electrically isolated from each other by dielectric or poorly conducting elements.

Данное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному Недостатком данной системы является недостаточно проработанная конструкция электроизоляции витков катушек тороидального поля в области центрального столба (соленоида).This solution can be considered as a prototype to the claimed. The disadvantage of this system is the insufficiently developed design of the electrical insulation of the turns of the coils of the toroidal field in the region of the central column (solenoid).

Для достижения указанного результата предложена конструкция магнитной системы с электроизолирующими элементами, которые вставляются в специальные пазы в витках тороидального магнитного поля в области поля центрального столба (соленоида). Форма выступов электроизоляционного элемента выполнена в виде «ласточкиного хвоста» для того чтобы элемент держался в пазу, имеющего соответствующую форму. Электроизоляционный элемент обладает высокими радиационной стойкостью и термической стойкостью, большим напряжением пробоя, низким коэффициентом термического расширения, низкой химической активностью и относительно высокой теплопроводностью. В качестве материала электроизолирующего элемента может использоваться карбид кремния (SiC).To achieve this result, a magnetic system design with electrically insulating elements that are inserted into special grooves in the turns of a toroidal magnetic field in the field of the central column field (solenoid) is proposed. The shape of the protrusions of the electrical insulating element is made in the form of a dovetail so that the element is held in a groove having an appropriate shape. The insulating element has high radiation resistance and thermal resistance, high breakdown voltage, low coefficient of thermal expansion, low chemical activity and relatively high thermal conductivity. As the material of the electrically insulating element, silicon carbide (SiC) can be used.

Техническим результатом является:The technical result is:

- упрощение конструкции магнитной системы, включая межвитковую изоляцию;- simplification of the design of the magnetic system, including interturn isolation;

- относительная простота изготовления электроизолирующего элемента;- the relative simplicity of manufacturing an insulating element;

- электроизолирующие элементы имеют достаточно большую поверхность, что способствует более равномерному распределению нагрузки при воздействии электромагнитных (сжимающих) сил;- electrical insulating elements have a sufficiently large surface, which contributes to a more uniform load distribution when exposed to electromagnetic (compressive) forces;

- простота и удобство замены электроизолирующих элементов в случае их выхода из строя.- simplicity and convenience of replacing electrical insulating elements in case of failure.

Последний пункт особенно важен в случае работы в условиях повышенного радиационного фона, когда замену элементов конструкции термоядерной установки возможно производить только с помощью робототехники.The last point is especially important when working in conditions of increased radiation background, when it is possible to replace structural elements of a thermonuclear installation only with the help of robotics.

Указанный технический результат обеспечен следующей совокупностью существенных признаков.The specified technical result is provided by the following set of essential features.

Магнитная система термоядерной установки с электроизоляционными элементами между витками обмотки тороидального поля, которые образуют центральный опорный элемент, причем, электроизоляционные элементы выполнены разъемно от витков обмотки тороидального поля, в смежных участках витков тороидального магнитного поля в области поля центрального столба выполнены профилированные пазы для размещения и удержания ответных выступов электроизоляционных элементов, причем пазы и выступы имеют форму «ласточкиного хвоста». Кроме того:The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements between the turns of the winding of the toroidal field, which form the central support element, moreover, the electrical insulation elements are made detachable from the turns of the winding of the toroidal field, in adjacent sections of the turns of the toroidal magnetic field in the field of the central column, profiled grooves are made for placement and holding reciprocal protrusions of electrical insulating elements, and the grooves and protrusions are in the form of a dovetail. Besides:

- в качестве материала электроизолирующего элемента используют карбид кремния (SiC),- as the material of the insulating element using silicon carbide (SiC),

- электроизоляционные элементы на противоположных сторонах каждого витка расположены таким образом, что при сопряжении соседних витков электроизоляционные элементы не перекрываются.- electrical insulating elements on opposite sides of each turn are arranged so that when pairing adjacent turns, the electrical insulating elements do not overlap.

Предложение поясняется графически.The proposal is illustrated graphically.

- фиг. 1 - общий вид электроизоляционного элемента магнитной системы токамака.- FIG. 1 is a general view of an electrical insulating element of a tokamak magnetic system.

- фиг. 2 - центральный столб (соленоида) обмотки тороидального магнитного поля со вставленными электроизоляционными элементами.- FIG. 2 - the central pillar (solenoid) of the winding of a toroidal magnetic field with inserted electrical insulating elements.

- фиг. 3 - виток обмотки тороидального магнитного поля с пазами для вставки электроизоляционного элемента.- FIG. 3 - coil winding of a toroidal magnetic field with grooves for inserting an electrical insulating element.

- фиг. 4 - виток обмотки тороидального магнитного поля со вставленными электроизоляционными элементами.- FIG. 4 - coil winding of a toroidal magnetic field with inserted electrical insulating elements.

- фиг. 5 - способ и направление вставки (показано стрелкой) электроизоляционного элемента.- FIG. 5 - method and direction of insertion (shown by an arrow) of an electrical insulating element.

Позициями на фигурах обозначены:The positions in the figures indicated:

1 - электроизоляционный элемент,1 - electrical insulating element,

2 - виток обмотки тороидального магнитного поля в области центрального столба (соленоида),2 - coil winding of a toroidal magnetic field in the region of the central column (solenoid),

3 - каналы охлаждения тороидальной магнитной системы,3 - cooling channels of the toroidal magnetic system,

4 - отверстие для центрального столба (соленоида).4 - hole for the central pillar (solenoid).

Обмотка тороидального магнитного поля термоядерной установки состоит из нескольких витков. В области центрального столба магнитной системы (фиг. 2) предполагается установка индуктора (соленоида с вертикальной осью) для генерации тока плазмы. Для этого в центральном столбе имеется отверстие. Между витками 2 в центральном столбе находятся электроизоляционные элементы 1. Они вставляются в предназначенные для них пазы при сборке конструкции магнитной системы. В такой конструкции можно отказаться от опорного элемента, который был предусмотрен в прототипе. Это, во-первых упрощает конструкцию, и во-вторых оставляет больше места для размещения индуктора, что позволит использовать индуктор с большим диаметром. Это, в свою очередь, приведет к увеличению запаса магнитного потока в индукторе и, тем самым, улучшит условия для генерации тока в плазме. Однако при этом воздействие электромагнитных (сжимающих) сил будет восприниматься самими электроизоляционными элементами. Это повышает требования к прочностным свойствам материалов, из которых изготавливаются электроизоляционные элементы. Обмотки охлаждаются теплоносителем, текущим по каналам, показанным на фиг. 2, позиция 3. В качестве материалов катушки можно использовать медь (медный сплав), алюминий (алюминиевый сплав), бериллий. В качестве теплоносителя - воду, жидкий воздух или азот, а также газы при криогенных температурах.The winding of the toroidal magnetic field of a thermonuclear installation consists of several turns. In the area of the central column of the magnetic system (Fig. 2), it is proposed to install an inductor (solenoid with a vertical axis) to generate a plasma current. There is a hole in the central pillar for this. Between the turns 2 in the central pillar are insulating elements 1. They are inserted into the slots designed for them when assembling the design of the magnetic system. In this design, you can abandon the support element, which was provided in the prototype. This, firstly, simplifies the design, and secondly, leaves more space for the inductor, which will allow the use of an inductor with a large diameter. This, in turn, will lead to an increase in the magnetic flux margin in the inductor and, thereby, improve the conditions for the generation of current in the plasma. However, the impact of electromagnetic (compressive) forces will be perceived by the insulating elements themselves. This increases the requirements for the strength properties of the materials from which electrical insulating elements are made. The windings are cooled by the coolant flowing through the channels shown in FIG. 2, position 3. Copper (copper alloy), aluminum (aluminum alloy), beryllium can be used as coil materials. As a coolant - water, liquid air or nitrogen, as well as gases at cryogenic temperatures.

В ходе эксплуатации термоядерной установки могут возникать внештатные ситуации (например, срыв плазмы). При этом возникают кратковременные силы, действующие на конструкцию, величина которых заметно больше сил, действующих при нормальной работе установки. Результатом воздействия этих сил на межвитковую электроизоляцию может стать ее растрескивание, частичное или полное ее разрушение. Предложенная конструкция магнитной системы с электроизоляционными элементами в отличие от систем со сплошной электроизоляцией, позволяет значительно упростить замену этих элементов на новые. Это тем более актуально, что в процессе работы с термоядерной плазмой, материалы установки активируются, и внутри установки возникает повышенный радиационный фон. При этом ремонт и замену отдельных частей установки можно производить только с помощью средств удаленного обслуживания (роботы, манипуляторы и т.д.).During operation of a thermonuclear installation, abnormal situations (for example, plasma disruption) may occur. In this case, short-term forces arise that act on the structure, the magnitude of which is noticeably greater than the forces acting during normal operation of the installation. The result of the influence of these forces on the interturn electrical insulation can be its cracking, its partial or complete destruction. The proposed design of a magnetic system with electrical insulating elements, unlike systems with continuous electrical insulation, can significantly simplify the replacement of these elements with new ones. This is all the more relevant because in the process of working with thermonuclear plasma, the installation materials are activated, and an increased radiation background arises inside the installation. At the same time, repair and replacement of individual parts of the installation can only be done using remote maintenance tools (robots, manipulators, etc.).

Claims

1. The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements between the turns of the winding of the toroidal field, which form a central support element, characterized in that the electrical insulation elements are detachable from the turns of the winding of the toroidal field, profiled grooves are made in adjacent sections of the turns of the toroidal magnetic field in the field of the central column to place and hold the reciprocal protrusions of the electrical insulating elements, and the grooves and protrusions are in the form of a "dovetail".

2. The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements according to claim 1, characterized in that silicon carbide (SiC) is used as the material of the electrical insulating element.

3. The magnetic system of a thermonuclear installation with electrical insulating elements according to claim 1, characterized in that the electrical insulating elements on the opposite sides of each turn are arranged in such a way that when the adjacent turns are paired, the electrical insulating elements do not overlap.