Гвинтова тороїдальна магнітна система

Корисна модель відноситься до термоядерної техніки, а, саме, до конструкції магнітних систем тороїдальних плазмових пасток і може бути використаний в термоядерних установках з гвинтовою магнітною системою типу стеларатор. Такі гвинтові тороїдальні магнітні системи (ГТМС) служать для утримання (термоізоляції) високотемпературної плазми при дослідженнях з проблеми керованого термоядерного синтезу (КТС). Область магнітного поля, що утримує плазму, в даному випадку це область замкнутих магнітних поверхонь (ОЗМП), знаходиться всередині вакуумного об'єму, охопленого гвинтовими обмотками, і плазма має вигляд тороїдального шнура. З огляду на розширення діапазону досліджуваних параметрів плазми неабияке значення має здатність ГТМС забезпечити керування положенням плазмового шнура, тобто положенням ОЗМП відносно, наприклад, стінок вакуумної камери чи її окремих компонентів. Відомі ГТМС термоядерних установок стелараторного типу - торсатронів (дивись, наприклад, [1] стор.111). Основу магнітної системи торсатрона складають потужні гвинтові обмотки з числом заходів l. Звичайно l=1, 2 чи 3. Кожний з l заходів укладено за певним законом з певним напрямком навивання на поверхні тора. Такою поверхнею може бути поверхня тороїдальної вакуумної камери (наприклад, у таких установках, як: С, Сиріус, Ураган-1, Ураган-2М) або поверхня тороїдальної несучої конструкції. В останньому випадку магнітна система цілком розміщається всередині вакуумної камери великого об'єму (установки: Кристал-2, Ураган-3М, LHD). До основних параметрів ГТМС належать: великий радіус тора Rв, кут його повороту j (тороїдальний кут), малий радіус тора rв, кут його повороту q (полоїдальний кут). Заходи зміщені відносно один одного по куту q у середньому на величину 2p/l. Кожний з l заходів може мати m=2pRв/L число кроків заходу на довжині тора, де L - довжина кроку заходу. Звичайно, число m не більше 10 і однакове для всіх заходів. Застосовують два види гвинтових ліній на торі, вздовж яких укладають заходи гвинтової обмотки: а) закон циліндричного гвинта, б) закон рівнонахильного гвинта. Гвинтова лінія, нанесена на поверхню тора по обраному закону, є базовою гвинтовою лінією. Вздовж базової гвинтової лінії здійснюється монтаж несучої конструкції обмотки заходу, наприклад, у вигляді гвинтового короба (жолоба). Згодом він заповнюється струмопровідними ізольованими один від одного витками, що утворюють обмотку заходу. Струми в обмотках заходів у торсатроні рівні по величині й односпрямовані. Для одержання ОЗМП всередині об'єму, охопленого гвинтовою обмоткою, у торсатроні необхідно компенсуюче магнітне поле. У найпростішому випадку воно створюється за допомогою компенсуючої обмотки, що складається, звичайно, з однієї чи кількох пар кільцеподібних обмоток, які охоплюють гвинтову обмотку. Для керування положенням ОЗМП застосовують коректуюче магнітне поле. Воно створюється коректуючою обмоткою, аналогічною до компенсуючої, але розрахованою на струми приблизно в 100 разів менші. Тому коректуючі обмотки звичайно містяться в одному корпусі з компенсуючими обмотками, і можуть розглядатися як мала їх частина, обладнана окремими струмоприймачами. Зміна величини (напрямку) коректуючого магнітного поля (струму в обмотках) призводить до зміни положення ОЗМП вздовж екваторіальної (медіанної) площини тора. Розглянемо магнітну систему найбільшої у світі плазмової пастки стела-раторного типу - торсатрона LHD [2], створеного в Японії. В основі його надпровідної магнітної системи, розміщеної у великій вакуумній камері, лежить гвинтова обмотка з числом заходів l=2, (m=5), що укладені по рівнонахильному закону на тороїдальній поверхні (Rв=3,9м, rв=0,75м) несучої конструкції. До складу системи входить також, принаймні, одна пара кілець компенсуючої обмотки з вбудованою коректуючою обмоткою. За допомогою компенсуючої обмотки створюється ОЗМП всередині об'єму, охопленого гвинтовою обмоткою. За допомогою коректуючої обмотки можливе переміщення ОЗМП вздовж екваторіальної площини тора. Експерименти показали, що при цьому істотно змінюються параметри досліджуваної плазми [3]. Подальше розширення діапазону параметрів досліджуваної плазми може бути пов'язане з можливістю переміщення ОЗМП у напрямку перпендикулярному до екваторіальної площини тора. Ніякі з відомих ГТМС, у тому числі і в торсатроні LHD, не можуть забезпечити реалізацію такої можливості. Як прототип розглянемо ГТМС торсатрона, запропонованого в ННЦ ХФТІ [4]. У її складі міститься основна гвинтова обмотка 2 (дивись фіг.1) з числом заходів l=3. У цьому торсатроні для створення ОЗМП 1 всередині об'єму, охопленого основною гвинтовою обмоткою, запропоновано компенсуючу обмотку виконати у вигляді допоміжної гвинтової обмотки 3. Як видно з фіг.1, ця обмотка має збільшене число заходів (l=4), а напрямок навивання протилежний щодо основної гвинтової обмотки. У порівнянні зі звичайними кільцеподібними компенсуючими обмотками, така конструкція компенсуючої обмотки дозволяє зменшити об'єм створюваного нею магнітного поля, що трохи підвищує коефіцієнт використання електричної енергії, яка споживається ГТМС. Деяка мала частина допоміжної гвинтової обмотки з окремими струмоприймачами може відігравати роль коректуючої обмотки. Для підтримки глибини регулювання положенням ОЗМП у торсатроні, прийнятому за прототип, збережені і звичайні кільцеподібні коректуючі обмотки 4. Недоліком ГТМС торсатрона, прийнятого за прототип, є те, що жодна з коректуючих обмоток не дає можливості змістити ОЗМП у напрямку перпендикулярному до екваторіальної площини тора. Тому величина діапазону досліджуваних параметрів плазми залишається на рівні звичайного торсатрона. Крім того, збільшення числа заходів і, особливо, зміна напрямку навивання допоміжної гвинтової обмотки в порівнянні з основною істотно утруднює і без того обмежений у торсатронах доступ до робочого об'єму, тобто до плазми. Ця обставина вкрай негативно позначається на можливостях систем діагностики плазми, засобів її створення і нагрівання. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити ГТМС так, щоб стало можливим переміщення ОЗМП перпендикулярно до екваторіальної площини тора при найменшому обмеженні доступу до робочого об'єму плазмової пастки. Задача вирішується шляхом додавання у магнітну систему гвинтової обмотки, укладеної певним чином на поверхні тора. Вирішення задачі дозволить розширити діапазон варійованих параметрів плазми в дослідженнях з КТС. Поставлена задача вирішується пропонуємою ГТМС, що, так само як і ГТМС, яка прийнята за прототип, містить основну гвинтову обмотку і допоміжну гвинтову обмотку. На відміну від прототипу в запропонованій ГТМС, принцип укладання допоміжної обмотки полягає в тому, що кожному з l заходів основної гвинтової обмотки приведено у відповідність один захід допоміжної гвинтової обмотки. Відповідність виражається в тому, що кожний з l заходів допоміжної гвинтової обмотки укладено на поверхні тора вздовж допоміжної базової гвинтової лінії, будь-яка точка якої віддалена на однакову відстань, яка відраховується в одному і тому ж напрямку від основної базової гвинтової лінії відповідного заходу основної гвинтової обмотки вздовж паралелі тора, проведеної через цю точку. Дослідження впливу різних законів укладення заходів допоміжної гвинтової обмотки на положення ОЗМП відносно екваторіальної площини тора проводилися за допомогою чисельного моделювання. У результаті тривалих досліджень було винайдено, що допоміжна гвинтова обмотка, укладена на поверхні тора відповідно до вищенаведеного принципу, дозволяє створювати таку конфігурацію магнітного поля, яка забезпечує можливість переміщення ОЗМП у напрямку перпендикулярному до екваторіальної площини тора. Сутність корисної моделі пояснюється графічними матеріалами. На фіг. 1 показана схема ГТМС торсатрона, прийнятого за прототип. На фіг. 2 представлена схема розрахункового варіанта моделі пропонуємої ГТМС торсатрона. На фіг. 3 зображені перерізи області замкнутих магнітних поверхонь у пропонуємій ГТМС при відсутності струму в допоміжній обмотці. На фіг. 4 зображені перерізи області замкнутих магнітних поверхонь у пропонуємій ГТМС при наявності струму в допоміжній обмотці. Можливість реалізації винаходу розглянемо на прикладі ГТМС торсатрона (дивись фіг.2) з наступними параметрами: Rв=1, rв=0,25 (тут і далі по тексту всі довжини приведені в одиницях Rв), jий кут, q - полоїдальний кут. Область магнітного поля, яке утримує плазму, (ОЗМП) позначена на фігурі позицією 1. Основна гвинтова обмотка складається з 2-х заходів (l=2, m=5), укладених на поверхні тора вздовж базових гвинтових ліній 2а і 2в (фіг.2) по циліндричному закону. Базовій лінії основної гвинтової обмотки 2а поставлена у відповідність базова лінія допоміжної гвинтової обмотки 3а, і, відповідно, лінії 2в - лінія 3в. Будь-яка точка ліній 2а і 2в відстоїть від відповідних точок базових гвинтових ліній 3а і 3в на відстань d=0,35. Ця відстань відраховується від базової гвинтової лінії в напрямку збільшення кута j уздовж паралелі тора, проведеної через цю точку. Зі схеми (фіг.2) можна бачити, що ця відстань однакова, наприклад, як для найменшої (малий екватор), так і для найбільшої (великий екватор) паралелей тора. ГТМС містить також одну пару кільцеподібних компенсуючих обмоток, 4 з вбудованими кільцевими коректуючими обмотками. Вбудовані обмотки на фіг.2 не показані. Розглянемо запропоновану ГТМС у роботі. У випадку, коли тороїдальна поверхня, на якій укладені гвинтові обмотки, є поверхнею несучої конструкції, магнітна система торсатрона цілком розміщується всередині великого вакуумного об'єму. Після одержання робочого вакууму в цьому об'ємі через основну гвинтову обмотку, укладену вздовж базових ліній 2а і 2в, і через компенсуючі обмотки 4 пропускають електричні струми в співвідношенні, що забезпечує одержання області замкнутих магнітних поверхонь в об'ємі, охопленому основною і допоміжною гвинтовими обмотками. У цій області за допомогою засобів створення і нагрівання плазми одержують плазмовий шнур 1, що є об'єктом досліджень. Далі, для керування положенням плазмового шнура вздовж екваторіальної площини в межах об'єму, охопленого гвинтовими обмотками, пропускають струм по вбудованим кільцевим коректуючим обмоткам (на фіг.2 не показані). І, нарешті, для керування положенням плазмового шнура в осьовому, перпендикулярному до екваторіальної площини, напрямку в межах об'єму, охопленого гвинтовими обмотками, пропускають струм по заходах допоміжної гвинтової обмотки, що укладені вздовж базових ліній 3а і 3в. В результаті останньої операції реалізується можливість подальшого розширення діапазону досліджуваних параметрів плазми. Розрахунки показали, що помітного зміщення ОЗМП можна досягти при струмі в допоміжній обмотці в 10-100 разів меншому, ніж струми в компенсуючій та основній гвинтових обмотках. З огляду на цю обставину, а також на те, що в пропонованій ГТМС допоміжна гвинтова обмотка має ту ж заходність і той самий напрямок навивання, як і в основній гвинтовій обмотці, можна зробити висновок про те, що допоміжна гвинтова обмотка не призведе до значного обмеження доступу до робочого об'єму. На фіг.3 і 4 зображена отримана шляхом розрахунків ОЗМП у пропонованій ГТМС у різних по тороїдальному куту j перерізах: j=0°, 9°, 18° у межах одного періоду магнітного поля. На фіг.3 зображено перерізи ОЗМП для режиму з відключеною допоміжною обмоткою, тобто характерні для звичайного торсатрона. Видно, що ОЗМП розташована симетрично відносно екваторіальної площини тора. На фіг.4 зображено перерізи ОЗМП для режиму з включеною допоміжною обмоткою, коли величина струму в її заходах складає 0,03 величини струму в заходах основної гвинтової обмотки. Видно, що всі перерізи ОЗМП зміщені вгору відносно екваторіальної площини тора на відстань приблизно 0,1а. При зміні напрямку струму в допоміжних обмотках ОЗМП зміщується вниз. Такого ж ефекту без зміни напрямку струму можна досягти за допомогою допоміжної гвинтової обмотки, для якої відлік відстані d буде зроблений у протилежному (проти кута j) напрямку. Розрахунки також показують, що при накладанні магнітного поля допоміжної гвинтової обмотки положення ОЗМП уздовж екваторіальної площини не змінюється. Таким чином, вищевикладене підтверджує можливість переміщення області плазми перпендикулярно екваторіальної площини тора, завдяки магнітному полю, що створюється за допомогою допоміжної гвинтової обмотки, укладеної за описаним вище принципом. Використання такої обмотки в експериментальних установках по дослідженню проблем з КТС, наприклад, таких як УРАГАН-2М и LHD дозволить значно розширити діапазон досліджуваних параметрів плазми. Джерела інформації: 1. Е.Д. Волков, В.А.Супруненко, А.А.Шишкін. Стеларатор. Київ, Наукова Думка, 1983. 2. O.Motojima. Status of LHD project and construction. A Collection of Papers Presented at the IAEA Technical Committee Meeting on Stellarators and Other Helical Confinement Systems at Garching, Germany 10-14 May 1993, IAEA,Vienna, Austria, 1993, 41. 3. H. Yamada, К. Y. Watanabe, K. Yamazaki, et al. Energy confinement and thermal transport characteristics of net current free plasmas in the Large Helical Device. Nucl.Fusion, 41 (2001) 901. 4. Георгиевский А.В., Зисер В.Е., Погожев Д.П., Сергеев Ю.Ф. ВАНТ, Сер. Физика плазмы и проблемы управляемого термоядерного синтеза, 1973, вып.1, с.12-13. Авт. свід. СРСР №433908 МПК Н05Н1/16 1976р. (прототип).