обмотка для создания тороидального магнитного поля

Формула изобретения

Обмотка для создания тороидального магнитного поля в вакуумной тороидальной камере установок типа токамак, состоящая из витков, равномерно расположенных вокруг тороидальной камеры, и соединительных проводников, электрически связывающих витки между собой, отличающаяся тем, что витки обмотки разделены на четыре группы, составляющие последовательную электрическую цепь, витки, принадлежащие различным группам, пространственно расположены в порядке чередования между собой, при этом в каждой группе витки связаны соединительными проводниками, расположенными по дугам окружности с центром, лежащим на глазной оси симметрии тороидальной камеры, соединительные проводники двух групп расположены под вакуумной камерой, причем направления включения в обмотку соединительных проводников в этих группах противоположны, соединительные проводники двух других групп расположены над вакуумной камерой, а направления включения в обмотку соединительных проводников в этих группах также противоположны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройствам для создания сильных магнитных полей, предназначенных для удержания плазмы в вакуумных тороидальных камерах установок типа токамак.

Известна [1] конструкция обмоток для создания тороидального магнитного поля в вакуумной камере установки типа токамак, представляющая собой несколько последовательно соединенных многовитковых катушек, надетых на тороидальную камеру. Достоинством этого технического решения является относительно небольшая величина тока, создающего тороидальное магнитное поле в вакуумной камере, и то, что благодаря многовитковости катушек соединяющие их провода несущественно искажают создаваемое катушками магнитное поле. Однако ввиду значительных тепловых нагрузок и бомбардировки нейтронами эти катушки разрушаются и со временем требуют замены, для чего применяемая с ними тороидальная камера должна быть разборной, что сильно усложняет конструкцию всего токамака и затрудняет получение в его камере высокого вакуума.

Наиболее близкой к предлагаемой является обмотка для создания тороидального магнитного поля в вакуумной камере установки токамак [2] состоящая из отдельных витков, равномерно размещенных в плоскостях, проходящих через главную ось тороидальной камеры. Каждый виток включает внутренний проводник, проходящий через отверстие вакуумной камеры, внешний проводник, огибающий наружную поверхность вакуумной камеры, проводник-перемычку, соединяющий сверху внутренний и внешний проводники, проводники, соединяющие соседние витки между собой, и включенный последовательно с витками обмотки проводник в форме окружности с центром на главной оси вакуумной камеры, назначением которого является компенсация магнитного поля, создаваемого межвитковыми перемычками обмотки. Однако на практике он дает только частичную компенсацию и вместе с межвитковыми перемычкам обмотки создает в вакуумной камере магнитное поле, несимметричное относительно ее диаметральной плоскости и мешающее удержанию плазмы.

Целью изобретения является уменьшение величины мешающих побочных магнитных полей и повышение механической прочности обмотки, предназначенной для создания тороидального магнитного поля в вакуумной камере установки типа токамак, при сохранении свойств разборности обмотки-прототипа.

Цель достигается тем, что обмотка для создания тороидального магнитного поля в вакуумной тороидальной камере установок типа токамак состоит из витков, равномерно расположенных вокруг тороидальной камеры и соединительных проводников, электрически связывающих витки между собой, витки обмотки разделены на четыре группы, составляющие последовательную электрическую цепь, витки, принадлежащие различным группам, пространственно расположены в порядке чередования между собой, а в каждой группе витки связаны соединительными проводниками, расположенными по дугам окружности с центром, лежащим на главной оси тороидальной камеры, соединительные проводники двух групп расположены под вакуумной камерой, причем направления включения в обмотку соединительных проводников двух других групп расположены над вакуумной камерой, а направления включения их в обмотку в этих группах также противоположны.

Сущность изобретения заключается в следующем. Витки обмотки разделены на четыре группы, причем витки в каждой группе соединены между собой последовательно, а пространственно группы расположены так, что витки, принадлежащие разным группам, чередуются, т.е. за первым витком первой группы следует первый виток второй группы, за которым расположен первый виток третьей группы, далее первый виток четвертой группы, за которым расположен второй виток первой группы и т.д.

Каждый виток является составным (сборным) и включает внутренний проводник, проходящий через отверстие тороидальной камеры, и внешний проводник, огибающий наружную поверхность тороидальной камеры. Витки равномерно расположены вокруг камеры, и каждый из них лежит в одной плоскости с главной осью камеры.

Соединительные проводники каждой группы расположены по дугам окружности с центром, лежащим на главной оси тороидальной камеры, так что у двух групп они расположены под вакуумной камерой, а у двух других над ней. При этом направления включения в обмотку соединительных проводников в группах, соединительные проводники которых расположены под камерой, противоположны друг другу. Аналогично противоположны направления включения в обмотку соединительных проводников в двух других группах витков, соединительные проводники которых расположены над камерой. Благодаря этому мешающие магнитные поля, создаваемые соединительными проводниками, попарно взаимно уничтожаются.

Кроме того, наличие соединительных проводников в верхней части обмотки увеличивает ее механическую прочность по сравнению с прототипом, в котором все соединительные проводники находятся под камерой. Это существенно, так как при огромных величинах протекающего через них тока проводники обмотки испытывают значительные механические нагрузки.

На фиг.1 приведена схема обмотки на 16 витков, смонтированной на вакуумной камере токамака; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 схема соединений витков обмотки (на 16 витков).

Обмотка имеет витки 1-16, входы 17,18, соединительные проводники 19,20, расположенные соответственно под и над вакуумной камерой 21 по дугам окружностей с центрами, лежащими на главной оси тороидальной камеры. Каждый виток обмотки включает внешний проводник 22, огибающий наружную поверхность вакуумной тороидальной камеры 21, внутренний проводник 23, проходящий через отверстие камеры. Проводник-перемычку 24, электрически и механически соединяющую внутренний 23 и внешний 22 проводники одного витка, имеют все витки обмотки, кроме первого, который используется для подключения соединительных проводников, расположенных над вакуумной камерой. Внутренний 23 и внешний 22 проводники лежат в плоскости, проходящей через главную ось камеры 21. Витки 1-16 пространственно расположены равномерно вокруг тороидальной камеры. Витки 1,5,9,13, образуют первую группу, витки 2,6,10,14 вторую группу, витки 3,7,11,15 третью группу, а витки 4,8,12,16 четвертую группу.

Каждый из пpоводников 19,20 соединяет внешний проводник 22 одного витка с внутренним проводником 23 другого. Направления включения в обмотку соединительных проводников 19, расположенных на соседних окружностях под камерой, противоположны. Аналогично направления включения в обмотку соединительных проводников 20, расположенных на соседних окружностях над камерой, также противоположны.

На фиг. 2 видно, что проводники 19, принадлежащие соседним окружностям, расположены в непосредственной близости и разделены лишь тонким изоляционным слоем 25. То же справедливо относительно проводников 20. На фиг. 2 показано, что в десятом витке, который подключен к обмотке соединительными проводниками 19, расположенными под камерой, проводник-перемычка 24 расположен сверху, а в пятнадцатом витке, который подключен к обмотке соединительными проводниками 20, расположенными над камерой, проводник-перемычка 24 расположен снизу. Соединения проводников 22,23 с проводниками-перемычками 24 и соединительными проводниками 19,20 выполнены с помощью болтов 26.

Соединение витков 1-16 проводниками 19, 20 показано на фиг.3, где сплошной линией показаны проводники 20 и проводники-перемычки 24, расположенные над камерой, а пунктирными линиями проводники 19 и проводники-перемычки 24, расположенные под камерой.

Первый вход 17 обмотки подключен снизу к наружному проводнику первого витка, соединительные проводники 19 соединяют последовательно все витки (1,5.9,13) первой группы, обходя главную ось вакуумной камеры по часовой стрелке, а затем обходя проводники (витки 14, 10, 6, 2) второй гнруппы от старших номеров к младшим против часовой стрелки до второго входа 18 обмотки, подключенного снизу к внутреннему проводнику второго витка. Все витки первой и второй групп, кроме одного, допустим первого, который используется для последовательного подсоединения в обмотку третьей и четвертой групп витков, имеют проводники-перемычки 24. Сверху к внутреннему и внешнему проводникам первого витка, образуя последовательное соединение с витками первой и второй групп, подключены витки третьей и четвертой групп. При этом соединительные проводники 20 третьей и четвертой групп обходят главную ось камеры в противоположных направлениях.

Из фиг.3 видно, что при таком порядке соединения обмотка имеет входы на контакты первого и второго витков, соединительные проводники третьей и четвертой групп включены в обмотку в противоположных направлениях (показано стрелками). Аналогично соединительные проводники 19 первой и второй групп включены в обмотку в противоположных направлениях.

Возможны также другие варианты соединения групп между собой, например, следующий. Все витки первой группы соединены под вакуумной камерой соединительными проводниками в кольцо, а в разрыв одного из соединительных проводников включены входы обмотки. Все витки первой группы, кроме первого, имеют проводники-перемычки сверху, а у первого замыкание сверху осуществляется с помощью витков третьей группы, соединенных соединительными проводниками 20. Аналогично в третьей группе имеется виток, который замыкается через витки второй группы, а во второй виток, который замыкается через витки четвертой группы.

Предлагаемая обмотка работает следующим образом.

Источник тока (не показан) подключается к входам 17,18 обмотки, допустим, положительным полюсом к входу 17. По внешним проводникам 22 всех витков ток будет протекать вверх, а по внутренним проводникам 23 вниз. Поэтому магнитные поля всех витков складываются в тороидальное поле. Такой же ток протекает во всех соединительных проводниках обмотки, расположенных как над, так и под вакуумной камерой. Однако, так как соединительные проводники, расположенные одинаково по отношению к вакуумной камере, образуют одинаковые окружности и благодаря включению их в обмотку разных направлениях они имеют противоположные направления протекания тока, а следовательно, их магнитные поля стремятся взаимно друг друга уничтожить. В результате в объеме вакуумной камеры действуют только остаточные мешающие поля от соединительных проводников. В экваториальной плоскости камеры, наиболее важной для работы токамака, остаточные поля верхних и нижних соединительных проводников противодействуют друг другу, дополнительно уменьшая результирующее мешающее поле.

Из фиг.2 видно, что соединительные проводники 19 и 20 в нижней и верхней частях обмотки выполнены в виде прилегающих друг к другу через тонкий слой 25 изоляции проводников. Это определяет резкое уменьшение создаваемого или магнитного поля.

Кроме того, в экваториальной плоскости камеры мешающие магнитные поля верхней и нижней частей обмотки взаимно уничтожаются.

Проведенные расчеты показали, что величина мешающих полей у предлагаемой обмотки уменьшается по сравнению с обмоткой-прототипом более чем в 10 раз.

Структура предлагаемой обмотки, предусматривающая наличие как в ее нижней, так и в верхней части соединительных проводников, обеспечивает ввиду массивности этих проводников в токамаке механическую прочность обмотки. Обмотка обладает свойством разборности, поскольку собирается из отдельных витков, например, с помощью винтовых соединений.

Таким образом, предлагаемая конструкция обмотки снижает величины мешающих побочных магнитных полей в вакуумной камере токамака, особенно в ее экваториальной плоскости.