RU2069391C1

RU2069391C1 - Toroidal field winding of pulsed thermonuclear machine

Info

Publication number: RU2069391C1
Application number: RU9393017409A
Authority: RU
Inventors: В.В. Филатов
Original assignee: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1996-11-20

Abstract

FIELD: pulsed magnetic fields; electromagnetic systems of thermonuclear machines. SUBSTANCE: toroidal field winding of pulsed thermonuclear machine has external hollow conducting structure 1 of toroidal shape and vessel 2 contacting the former and filled with liquid metal 6; internal vessel coaxial relative to external structure accommodates metal rod 3 mounted for displacement along main center line of external structure. The latter is, essentially, single solid chamber with central bore to receive internal vessel with liquid metal and rod. EFFECT: improved design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике импульсных магнитных полей и предназначено для использования в электромагнитной системе термоядерной установки. The invention relates to techniques for pulsed magnetic fields and is intended for use in the electromagnetic system of a thermonuclear installation.

Известны обмотки тороидального поля (ОТП), содержащие проводящую конструкцию тороидальной формы, выполненную сплошной намоткой электрического провода, либо составленную из массивных целых витков клиновидного сечения [1] Однако в такой ОТП затруднен монтаж и демонтаж внутри нее узлов термоядерной установки, например вакуумной камеры, а также невозможно размещение внутри ОТП катушек тоpоидального магнитного поля для повышения их эффективности. Known windings of a toroidal field (OTP) containing a conductive structure of a toroidal shape, made by continuous winding of an electric wire, or composed of massive whole turns of a wedge-shaped cross-section [1] However, in such an OTP it is difficult to assemble and disassemble the nodes of a thermonuclear installation, for example, a vacuum chamber, and it is also impossible to place toroidal magnetic field coils inside the OTP to increase their efficiency.

Известны ОТП импульсных термоядерных установок, содержащие внутреннюю и наружную проводящие конструкции, которые электрически и механически связаны между собой электрическими контактами (разъемными соединениями) [2] Для создания тороидального магнитного поля в обмотке пропускается электрический ток, который приводит к нагреву проводника ОТП. Поскольку при заданных размерах установки поперечное сечение внутренней конструкции ОТП ограничено, то максимальная температура достигается во внутреннем центральном сечении ОТП. Значения полного тока ОТП и длительности импульса тока ограничены предельно допустимой температурой. Кроме того, вследствие давления магнитного поля наружная конструкция ОТП растягивается, а усилие передается через электрические контакты на внутреннюю конструкцию ОТП, повышая уровень механических напряжений в самом узком сечении обмотки. При этом снижается надежность работы электрических контактов. Known OTP of pulsed thermonuclear installations, containing internal and external conductive structures that are electrically and mechanically interconnected by electrical contacts (detachable connections) [2] To create a toroidal magnetic field in the winding an electric current is passed, which leads to heating of the OTP conductor. Since at a given installation size the cross section of the internal structure of the OTP is limited, the maximum temperature is reached in the inner central section of the OTP. The values of the total current of the OTP and the duration of the current pulse are limited by the maximum permissible temperature. In addition, due to the pressure of the magnetic field, the external structure of the OTP is stretched, and the force is transmitted through electrical contacts to the internal structure of the OTP, increasing the level of mechanical stresses in the narrowest section of the winding. This reduces the reliability of the electrical contacts.

Известны ОТП импульсных термоядерных установок, содержащие емкость с жидким металлом, которая используется в качестве внутренней проводящей конструкции ОТП, при этом жидкий металл выполняет функции скользящего электрического контакта [3] Однако из-за относительно плохой электропроводности жидкого металла весьма велики резистивные потери мощности в обмотке, что приводит к проблемам теплоотвода и ограничивает возможность повышения тока и тороидального поля в обмотке. Кроме того, из-за МГД-эффектов, вызванных наличием в установке магнитного поля, значительно возрастает мощность, необходимая для прокачки жидкого металла вдоль главной оси тора. Known OTP of pulsed thermonuclear installations containing a container with liquid metal, which is used as the internal conductive structure of OTP, while the liquid metal acts as a sliding electrical contact [3] However, due to the relatively poor electrical conductivity of the liquid metal, the resistive power losses in the winding are very large, which leads to heat sink problems and limits the possibility of increasing the current and the toroidal field in the winding. In addition, due to the MHD effects caused by the presence of a magnetic field in the setup, the power required to pump liquid metal along the main axis of the torus increases significantly.

Задачей изобретения является снижение потребляемой мощности для обмотки, содержащей наружную полую проводящую конструкцию тороидальной формы и контактирующую с ней внутреннюю емкость, заполненную жидким металлом. Задача решается тем, что во внутренней емкости соосно наружной конструкции размещен металлический стержень, при этом наружная конструкция и внутренняя емкость выполнены и установлены с возможностью перемещения стержня вдоль главной оси симметрии наружной конструкции. The objective of the invention is to reduce the power consumption for a winding containing an external hollow conductive structure of a toroidal shape and in contact with it an internal container filled with liquid metal. The problem is solved in that a metal rod is placed in the inner container coaxially of the outer structure, while the outer structure and the inner container are made and installed with the possibility of moving the rod along the main axis of symmetry of the outer structure.

Технический результат заключается в том, что проводимость твердого материала стержня, например меди, существенно больше проводимости жидкого металла, например натрия или галлия, что снижает потребляемую мощность. По сравнению со скоростью жидкого металла скорость стержня меньше, но это компенсируется тем, что объемная теплоемкость стержня больше, и кроме того, это ослабляет нежелательные МГД-эффекты при движении в магнитном поле. The technical result is that the conductivity of the solid material of the rod, such as copper, is significantly higher than the conductivity of a liquid metal, such as sodium or gallium, which reduces power consumption. Compared to the speed of liquid metal, the speed of the rod is less, but this is compensated by the fact that the volumetric heat capacity of the rod is greater, and in addition, it reduces the undesirable MHD effects when moving in a magnetic field.

Задачей изобретения является также снижение массы наружных силовых конструкций ОТП. Задача решается тем, что наружная конструкция обмотки выполнена в виде единой сплошной камеры с центральным отверстием, в котором размещается внутренняя емкость обмотки. The objective of the invention is also to reduce the mass of the external power structures of the OTP. The problem is solved in that the outer structure of the winding is made in the form of a single continuous chamber with a central hole in which the inner capacity of the winding is placed.

Технический результат заключается в том, что наружная конструкция ОТП, представляющая собой единую сплошную полую камеру сферической или эллиптической формы, имеет при заданной толщине наибольшую прочность под внутренним магнитным давлением. Центральное отверстие при этом укреплено штуцером, которым является внутренняя емкость конструкции. Дополнительных силовых элементов типа обжимающих колец или стягивающих шпилек в наружной конструкции не требуется. The technical result is that the outer structure of the OTP, which is a single continuous hollow chamber of a spherical or elliptical shape, has at the given thickness the greatest strength under internal magnetic pressure. The central hole is reinforced with a fitting, which is the internal capacity of the structure. No additional force elements such as compression rings or tightening pins are required in the external structure.

Сечение ОТП изображено на приведенном чертеже. The cross section of the OTP is shown in the drawing.

Обмотка имеет наружную конструкцию в виде сплошной бронзовой камеры 1, состоящей из двух полусфер с отверстиями, которые укреплены штуцерами. Штуцеры связаны сильфоном и образуют герметичную внутреннюю емкость 2. Внутри емкости 2 размещен медный стержень 3. Вдоль оси стержня 3 емкость 2 имеет патрубки 4, в которых установлены поршни 5. Полости между стержнем 3 и поршнями 5, а также зазор между емкостью 2 и стержнем 3 заполнены жидким галлием 6 (Т_пл=29^oC). Этот зазор с жидким галлием представляет собой жидкометаллический скользящий электрический контакт 7 так, что камера 1 связана электрически с жидким металлом и стержнем емкости 2. На патрубках 4 крепятся трубы 8 для прокачки хладагента. Наружные фланцы полусфер стянуты между собой изолированными шпильками через электроизоляционную прокладку 9 и присоединены к источнику тока.The winding has an external structure in the form of a solid bronze chamber 1, consisting of two hemispheres with holes that are strengthened by fittings. The fittings are connected by a bellows and form a sealed internal container 2. Inside the container 2, a copper rod 3 is placed. Along the axis of the rod 3, the container 2 has nozzles 4 in which the pistons 5 are installed. The cavities between the rod 3 and the pistons 5, as well as the gap between the container 2 and the rod 3 filled with liquid gallium 6 (T _PL = 29 ^o C). This gap with liquid gallium is a liquid-metal sliding electrical contact 7 so that the chamber 1 is electrically connected to the liquid metal and the rod of the tank 2. On the nozzles 4 are attached pipes 8 for pumping refrigerant. The outer hemispherical flanges are pulled together by insulated studs through an insulating gasket 9 and connected to a current source.

В начале импульса тока поршни 5 приводятся в движение и создают разность давлений жидкого галлия 6 на концах стержня 3. Это вызывает движение стержня и галлия. Ток источника проходит по фланцу и стенке полусферы камеры 1 и попадает через заполненный тонки слоем галлия зазор (жидкометаллический скользящий контакт) в медный стержень 3, после чего возвращается к источнику через другую полусферу. At the beginning of the current pulse, the pistons 5 are driven and create a pressure difference of liquid gallium 6 at the ends of the rod 3. This causes the movement of the rod and gallium. The source current passes through the flange and the hemisphere wall of chamber 1 and enters through a thinly filled gallium layer gap (liquid metal sliding contact) into the copper rod 3, after which it returns to the source through another hemisphere.

Давление тороидального магнитного поля внутри камеры 1 воспринимается полусферами камеры, а стержень 3 и емкость 2 с сильфоном не испытывают со стороны полусфер осевого растягивающего усилия. Импульс тока продолжается до тех пор, пока стержень 3 находится в пределах внутренней емкости 2. Тепло, выделившееся из-за резистивных потерь, отводится через галлий к хладагенту, который циркулирует в трубах 9. Во время следующего импульса тока стержень 3 движется в противоположном направлении. The pressure of the toroidal magnetic field inside the chamber 1 is perceived by the hemispheres of the chamber, and the rod 3 and the container 2 with a bellows do not experience axial tensile forces from the hemispheres. The current pulse continues until the rod 3 is within the internal capacity 2. The heat released due to resistive losses is removed through gallium to the refrigerant that circulates in the pipes 9. During the next current pulse, the rod 3 moves in the opposite direction.

При одинаковой плотности тока 55 МА/м² в поперечном сечении внутренней конструкции обмотки, одинаковой высоте камеры 3 м и одинаковой предельно допустимой температуре обмотки 95^oC максимальная длительность импульса тока в прототипе составляет 4,5 с, а в заявляемом изобретении она определяется лишь длиной стержня и составляет 6,1 с при скорости стержня 0,68 м/с и при его полной длине 7 м.With the same current density of 55 MA / m ² in the cross section of the internal structure of the winding, the same height of the chamber 3 m and the same maximum permissible temperature of the winding 95 ^o C, the maximum duration of the current pulse in the prototype is 4.5 s, and in the claimed invention it is determined only by the length the rod and is 6.1 s at a rod speed of 0.68 m / s and with its full length of 7 m

Claims

1. The winding of the toroidal field of a pulsed thermonuclear installation, containing an external hollow conductive structure of a toroidal shape and in contact with it an internal capacitance filled with liquid metal, characterized in that a metal rod is placed in the inner capacitance coaxially of the outer structure, while the outer structure and inner capacitance are made and mounted to move the rod along the main axis of symmetry of the outer structure.

2. The winding according to claim 1, characterized in that the outer structure is made in the form of a single continuous chamber with a central hole.