Способ управления термоядерной установкой типа токамак

 

Использование: в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в частности в реакторах типа токамак. Сущность изобретения: способ управления термоядерной установкой типа токамак включает формирование тороидального и полоидального магнитного полей при циклическом заведении токов заданной формы, величины и направления в тороидальную и полоидальную обмотки. В процессе работы установки после расчетного количества рабочих циклов направление тока в обмотке тороидального и полоидального поля меняют на противоположное. За время работы установки может производиться несколько переключений. Все переключения токов производят в процессе осуществления проектного количества рабочих циклов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к реакторам управляемого термоядерного синтеза, в частности к термоядерным установкам типа токамак.

Принцип работы этих установок состоит в формировании и удержании плазмы в тороидальной разрядной камере с помощью тороидального и полоидального магнитных полей, создаваемых электромагнитной системой. Способ управления термоядерной установкой типа токамак включает формирование тороидального и полоидального магнитных полей с помощью создания импульсов тока в обмотке тороидального поля (ОТП) и в обмотке полоидального поля (ОПП). Взаимодействие магнитных полей с токами, протекающими в элементах установки, приводит к появлению объемных пондермоторных нагрузок, действующих на эти элементы. Действие пондермоторных нагрузок носит циклический характер, так как токамаки это установки, которые работают в импульсном режиме. Поэтому одной из основных инженерных проблем, решаемых при проектировании, сооружении и эксплуатации установок типа токамак является обеспечение надежной работы элементов установки в течение всего количества ее рабочих циклов.

Известна установка токамак, в которой тороидальное магнитное поле создается ОТП, состоящей из катушек, равномерно расположенных вокруг центрального индуктора [1] Снаружи ОТП окружена круговыми катушками ОПП. Токонесущие катушки помещены в стальные корпуса и связаны между собой силовыми элементами. Такая механическая структура воспринимает пондермоторные нагрузки, действующие на катушки ОТП. Эти нагрузки, вызывающие в элементах конструкции механические напряжения растяжения и изгиба, имеют две составляющие: тороидальные силы, действующие в плоскости катушки ОТП, и полоидальные силы, действующие перпендикулярно этой плоскости. Циклическое действие этих нагрузок приводит к накоплению механических повреждений в силовых элементах ОТП, при этом механические повреждения, накопленные в наиболее напряженных зонах силовых элементов, и определяют рабочий ресурс ОТП и установки в целом.

Известна установка токамак, в которой тороидальное и полоидальное магнитные поля создаются сверхпроводящей электромагнитной системой [2] ОТП состоит из блоков, охватывающих тороидальную разрядную камеру и равномерно расположенных вокруг центрального соленоида. Каждый блок представляет собой сверхпроводящую катушку, помещенную в стальной силовой корпус. Все блоки ОТП связаны между собой при помощи внешней и внутренней межблочных структур в единую механическую систему, которая воспринимает все пондермоторные нагрузки. При пропускании тока через катушки ОТП в блоках появляются тороидальные силы, лежащие в плоскости блока. Эти силы действуют статически и вызывают в элементах блока механические напряжения растяжения и изгиба, распределенные симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии блока. При этом в элементах разрядной камеры и внутрикамерных устройств пондермоторные нагрузки, а следовательно, и соответствующие механические напряжения отсутствуют. При пропускании тока через катушки ОПП и создании тока в плазменном шнуре появляется полоидальное магнитное поле, которое, взаимодействуя с током в катушках ОТП, приводит к появлению полоидальных сил, приложенных перпендикулярно плоскости блока ОТП. Эти силы действуют циклически и вызывают в элементах блока механические напряжения изгиба, распределенные антисимметрично относительно вертикальной плоскости симметрии блока ОТП. Вследствие этого в конструкции блоков появляются зоны, где за счет циклической составляющей происходит увеличение механических напряжений, и зоны, где происходит их уменьшение. Эти измерения происходят циклически и поэтому предельным состоянием конструкции блока является усталостное разрушение в наиболее нагруженных зонах.

При срывах тока плазмы картина нагружения блок ОТП принципиально не меняется меняются только величины полоидальных сил и соответствующих механических напряжений. Иная картина происходит в разрядной камере и внутрикамерных устройствах в ряде элементов наводятся токи, от взаимодействия которых с магнитным полем появляются пондермоторные силы, действующие на эти элементы. Эти силы действуют циклические напряжения изгиба. Предельным состоянием этих конструкций является также усталостное разрушение в наиболее нагруженных зонах.

Изложенный способ управления термоядерной установкой типа токамак, включающий формирование тороидального и полоидального магнитных полей посредством циклического пропускания токов заданной формы, величины и направления через тороидальную и полоидальную обмотки, обладает следующим недостатком. Поскольку в процессе работы установки остается постоянным направление токов, пропускаемых через тороидальную и полоидальную обмотки, не меняется при этом и направление полоидальных сил, действующих на элементы установки. Поэтому наибольшее накопление механических повреждений, определяющих рабочий ресурс установки, происходит в одних и тех же, а именно в наиболее нагруженных, зонах конструкции. В менее же нагруженных зонах к моменту исчерпания рабочего ресурса накопленные механические повреждения не достигают предельно допустимой величины, т.е. несущая способность конструкционных материалов в данном случае используется не полностью.

Задача изобретения за счет более полного использования несущей способности конструкционных материалов увеличить рабочий ресурс или увеличить надежность работы установки токамак на стадии эксплуатации, а также снизить металлоемкость элементов конструкции на стадии проектирования и сооружения установки.

Для этого в способе управления термоядерной установкой типа токамак, включающем формирование тороидального и полоидального магнитных полей посредством циклического пропускания токов заданной формы, величины и направления через тороидальную и полоидальную обмотки, в процессе работы установки после расчетного количества рабочих циклов в обмотке тороидального и полоидального поля по меньшей мере один раз переключают направление тока на противоположное, при этом число переключений равно по меньшей мере одному.

В результате происходит изменение направления действия полоидальных сил на противоположное, вследствие чего высоконагруженные до указанных переключений зоны элементов при дальнейшей работе разгружаются, а недогруженные догружаются.

Технический результат изобретения заключается в увеличении по сравнению с проектным количества рабочих циклов установки путем выравнивания к моменту исчерпания рабочего ресурса уровня накопленных в элементах конструкции механических повреждений. Если все переключения направления тока в обмотках производят в процессе осуществления проектного количества рабочих циклов, то технический результат будет заключаться либо в возможности снижения металлоемкости элементов конструкции за счет уменьшения их размеров на стадии проектирования и сооружения, либо в увеличении надежности работы установки на стадии ее эксплуатации.

Последовательность операций способа следующая.

После расчетного количества рабочих циклов направление тока в ОТП и ОПП меняют на противоположное.

После дальнейшей наработки такого же количества рабочих циклов производят замену сменных элементов внутрикамерных устройств.

После наработки еще такого же количества рабочих циклов меняют направление тока в ОТП или ОПП на противоположное.

Эти операции повторяют в указанной последовательности до исчерпания рабочего ресурса установки.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения представляет краткое изложение методики расчета величины механических повреждений [3] Накопление усталостное повреждение в общем виде определяется по формуле a ≅ [a_N] (1) где N_i число циклов i-го типа за время эксплуатации; n общее число типов циклов; [N₀]_i допускаемое число циклов i-го типа; а накопленное усталостное повреждение; [a_N] 1 предельное значение накопленного усталостного повреждения.

Очевидно, что усталостное повреждение, накопленное в i-м типе циклов выражается формулой a_i= .

(2) Связь между действующими в элементе конструкции механическими напряжениями и соответствующим допускаемым числом циклов выражается формулой
σ_aF= + ,
(3) где σ_aF амплитуда местных напряжений с учетом концентрации, определяемая по формуле
σ_aF= ,
(4) где σ_max и σ_min максимальное и минимальное напряжения в цикле соответственно;
Е модуль упругости;
е_с характеристика пластичности, определяемая по формуле е_с 0,005 z, (5), где z относительное сужение в поперечного сечения образца при статическом растяжении;
n_σ -2 коэффициент запаса прочности по напряжениям;
m характеристика материала, определяется по таблице, приведенной в [3]
R_-1 предел выносливости материала определяется по таблице, приведенной в [3]
R_m временное сопротивление материала;
r коэффициент асимметрии цикла напряжений, определяемый по формуле
r .

(6)
Из формулы (3) получаем выражение для определения допускаемого числа циклов
[N] .

(7)
Из расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкции известны σ_max и σ_min цикла в наиболее напряженной и соответствующей недогруженной зонах данного элемента.

σ_max и σ_min соответственно максимальное и минимальное напряжения за всю историю нагружения в пределах одного цикла работы установки.

Дальнейшая последовательность действий такова.

По формуле (4) определяется σ_aF1 для наиболее напряженной зоны элемента конструкции.

По формуле (7) определяется [N₀]₁ для этой зоны. Это значение принимается за проектное количество рабочих циклов (проектный ресурс) данного элемента, т.е. N₀[N₀]₁. Ясно, что для наиболее напряженной зоны данного элемента накопленное повреждение в соответствии с формулой (2) а₁ 1.

Таким образом, проектным является такое количество рабочих циклов, при котором без переключений направления тока в ОТП или ОПП максимальное накопленное механическое повреждение в конструкции равно 1.

По формуле (4) определяется σ_aF2 для соответствующей недогруженной зоны данного элемента.

По формуле (7) определяется [N₀]₂ для этой зоны.

По формуле (2) определяется накопленное повреждение для этой зоны
a₂= .

Ясно, что а₂ < 1.

После переключения тока наиболее напряженная зона и соответствующая недогруженная зона данного элемента меняются ролями и к моменту исчерпания ресурса происходит выравнивание накопленных в этих зонах повреждений.

Если переключение тока производить в пределах проектного ресурса N₀, т. е. через 0,5 N₀ циклов, то накопленные в наиболее напряженной и соответствующей недогруженной зонах повреждения будут к моменту исчерпания ресурса одинаковыми и равными
aʹ= .

(8)
Это обеспечивает повышение надежности (увеличение запаса по долговечности), определяемое по формуле
p .

(9)
Подставляя в (9) а' из (8) и учитывая, что а₁ 1, получаем
p .

(10)
При этом, однако, несущая способность конструкционных материалов используется не полностью (а' < 1).

Полное использование несущей способности конструкционных материалов, т. е. увеличение а' до 1, можно обеспечить двумя путями (см. формулу (2)):
уменьшение [N₀] что достигается (см. формулу (7)) за счет увеличения σ_аF (это возможно только на стадии проектирования за счет уменьшения принимаемых в проекте толщин несущих конструкций). Этот путь обеспечивает снижение металлоемкости;
увеличение N₀ (числителя формулы (2)), т.е. увеличение ресурса не только проектируемой или уже спроектированной установки, но и сооруженной или действующей установки.

В этом случае новый ресурс N₁, полученный после переключения тока в ОТП или ОПП, и расчетное количество рабочих циклов, после которого нужно переключать ток, определяются из следующих элементарных соображений.

Обозначим k относительную часть проектного ресурса с первоначальным направлением тока в ОТП или ОПП.

Очевидно, что количество циклов, после которого нужно переключить ток, равно
N kN₀. (11)
При принятом законе суммирования повреждений количество циклов до переключения и после переключения тока равны между собой, поэтому новый ресурс N₁ равен удвоенному kN₀, т.е.

N₁ 2kN₀. (12)
При этом наиболее напряженная зона за период до переключения тока получит повреждение, равное ka₁, а после переключения равное ka₂. Соответствующая недогруженная зона до переключения получит повреждение, равное ka₂, а после переключения равное ka₁. Суммарное же повреждение в обеих зонах должно быть равным 1, т.е.

k(a₁ + a₂) 1. (13)
Из формулы (13) с учетом а₁ 1 определяется k
k .

(14)
Таким образом, расчетным названо количество рабочих циклов между двумя последовательными переключениями направления тока в ОТП или ОПП.

Зная k, можно определить новый ресурс N₁ по формуле (12) и расчетное количество рабочих циклов, после которого нужно переключить ток N по формуле (11).

Изложенную методику проиллюстрируем численным примером. Числовые данные берем для установки-прототипа.

1) Корпус ОТП.

Исходные данные:
z 50% E2,1˙10⁵ MПа; n_σ 2; R_m 1200 МПа.

По формуле (5) определяем
е_с 0,005 z 0,25.

По таблице из [3] определяем:
R_-1 0,54 2˙10^-4 R_m 0,3 R_m 360 МПа;
m 0,36 + 2˙10^-4 R_m 0,6.

а) Наиболее напряженная зона:
σ_max1 420 МПа, σ_min 210 МПа.

По формуле (6) определяем
r₁= 0,5.

По формуле (4) определяем
σ_aF= 105 МПа.

По формуле (7) определяем
[N₀]₁ 10⁵ циклов.

Принимаем [N₀] ₁ за проектное число циклов N₀, в этом случае а₁ 1 (формула(2)).

б) Соответствующая недогруженная зона:
σ_max2 290 МПа, σ_min2 0.

Проведя аналогичные вычисления по формулам (6), (4) и (7), получаем r₂ 0, σ_aF2 145 МПа, [N₀] 2,5˙10⁵ циклов.

По формуле (2) определяем
a₂= 0,4.

По формуле (14) определяем
k 0,714.

По формуле (11) определяем N 0,714 x x10⁵.

По формуле (12) определяем N₁2 ˙0,714˙10⁵ 1,43˙10⁵.

Таким образом, переключение тока в ОТП или ОПП через N kN₀ 0,714˙10⁵ циклов обеспечивает увеличение ресурса корпуса ОТП в 1,43 раза по сравнению с проектным.

2) Разрядная камера.

Исходные данные:
z 50% E 1,8˙10⁵ МПа; n_σ= 2; R_m700 МПа.

По формуле (5) и таблице из [3] определяем е_с 0,25; R_-1 0,4; R_m= 280 МПа; m0,5.

а) Наиболее напряженная зона:
σ_max1 270 МПа, σ_min1 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₁ 0; σ_aF1 135 МПа; [N₀]₁ N₀ 10⁵ циклов, т.е. а₁ 1.

б) Соответствующая недогруженная зона:
σ_max2 232 МПа, σ_min2 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₂ 0; σ_aF2 116 МПа; [N₀]₂ 5˙10⁵ циклов.

По формулам (2), (14), (11) и (12) определяем
а₂ 0,2; k 0,833; N 0,833˙10⁵; N₁1,67˙10⁵.

3) Сменные элементы внутрикамерных устройств.

Исходные данные те же, что и для разрядной камеры, так как здесь используется тот же конструкционный материал.

а) Наиболее напряженная зона:
σ_max1 360 МПа, σ_min1 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₁ 0; σ_aF1= 180 МПа; [N₀]₁ 0,2˙10⁵ циклов.

В этой зоне при N 0,2˙10⁵ накопленное повреждение уже а₁ 1, это и приводит к необходимости замены элементов в процессе работы установки, т.е. ресурс для этих элементов N₀ 0,2˙10⁵.

б) Соответствующая недогруженная зона:
σ_max2 250 МПа; σ_min2 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₂ 0; σ_aF2 125 МПа; [N₀]₂ 2˙10⁵ циклов.

По формулам (2), (14), (11) и (12) определяем
а₂ 0,1; k 0,91; N 0,18˙10⁵; N₁0,360 ˙10⁵.

Очевидно, что количество рабочих циклов N, после которого нужно переключить ток в ОТП или ОПП, равно наименьшему из полученных расчетных величин для корпуса ОТП, разрядной камеры и сменных элементов внутрикамерных устройств. В данном случае это N для сменных элементов внутрикамерных устройств, т. е. первое переключение тока нужно производить через N0,18 ˙10⁵ рабочих циклов.

Вычисления показывает, что применение переключений тока в ОТП или ОПП приводит к увеличению ресурса для корпуса ОТП в 1,43 раза, для разрядной камеры в 1,67 раза, для сменных элементов внутрикамерных устройств в 1,80 раза.

Результаты вычислений иллюстрируются диаграммами, показанными на чертеже, где приведена картина накопления механических повреждений в рассматриваемых элементах реактора для следующих случаев:
I проектный случай (прототип);
II случай увеличения ресурса;
III случай снижения металлоемкости;
IV случай увеличения надежности.

Диаграммы, обозначенные позицией 1 характеризуют процессы в корпусе ОТП, 2 в разрядной камере, 3 в сменных элементах внутрикамерных устройств. Индексом А обозначены моменты замены сменных элементов внутрикамерных устройств, Б моменты переключения тока в ОТП или ОПП.

Анализ результатов и сравнение с прототипом показывают следующее.

В случае увеличения ресурса (II на чертеже) в результате 4-х переключений токов в ОТП или ОПП имеем:
увеличение срока службы корпуса ОТП в 1,43 раза;
такое же увеличение срока службы разрядной камеры при одновременном увеличении надежности (запаса по долговечности) в 1,16 раза;
уменьшение с 5 до 4 требуемого количества сменных элементов внутрикамерных устройств с соответствующим уменьшением количества смен этих комплектов с 4 до 3, при одновременном увеличении общего ресурса в 1,43 раза.

В случае снижения металлоемкости (III чертеже) в результате 3-х переключений токов в ОТП или ОПП имеем:
уменьшение веса корпусов ОТП и оболочки разрядной камеры по оценкам на 10-15%
уменьшение с 5 до 3 требуемого количества комплексов сменных элементов внутрикамерных устройств с соответствующим уменьшением количества смен этих комплектов с 4 до 2 при одновременном увеличении их надежности (запаса по долговечности) в 1,1 раза.

В случае увеличения надежности (IV на чертеже) в результате 3-х переключений токов в ОТП или ОПП имеем:
увеличение надежности (запаса по долговечности) корпуса ОТП в 1,43 раза;
то же для разрядной камеры в 1,67 раза;
уменьшение с 5 до 3 требуемого количества комплектов сменных элементов внутрикамерных устройств с соответствующим уменьшением количества смен этих комплектов с 4 до 2 при одновременном увеличении их надежности (запаса по долговечности) в 1,1 раза.

Формула изобретения

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКОЙ ТИПА ТОКАМАК, включающий формирование тороидального и полоидального магнитных полей посредством циклического пропускания токов заданной формы, величины и направления через тороидальную и полоидальную обмотки, отличающийся тем, что в процессе работы установки после расчетного количества рабочих циклов, определяемого из условия выравнивания количества накопленных в элементах конструкции установки механических повреждений, в обмотке тороидального или полоидального поля переключают направление тока на противоположное, при этом число переключений равно по меньшей мере одному.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все переключения токов производят в процессе осуществления проектного количества рабочих циклов.

РИСУНКИ

Рисунок 1