CH672216A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetspulenanordnung für Fusionsreaktoren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich aus der Broschüre «The JET Project», Culham Laboratory - CR 7938, undatiert, insbesondere Fig. 3, ergibt.

Fusionsreaktoren benötigen im wesentlichen zwei verschiedene und voneinander getrennte Magnetspulensysteme:

— ein Toroidalfeldsystem zum Plasmaeinschluss

— ein Poloidalspulensystem zur ohm'schen Heizung und Stabilisierung des Plasmas.

Eine konventionelle Lösung für diese Spulensysteme ist in der genannten Broschüre, dort Fig. 3, ersichtlich, der Aufbau und die Wirkungsweise im Text auf den Seiten 4 und 6.

Um die Kosten eines Fusionsreaktors niedrig zu halten und hohe magnetische Felder zu erreichen, wird dieser möglichst kompakt gebaut. Damit ergeben sich im Zentrum des Reaktors Platzschwierigkeiten insbesondere für das Poloidalspulensystem und somit bei gegebenen magnetischen Feldern hohe Stromdichten in den Spulen mit daraus resultierenden Energiekosten.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Magnetanordnung der eingangs genannten Gattung anzugeben, das sich durch geringeren Energiebedarf auszeichnet und darüber hinaus einen mechanisch stabilen Aufbau ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.

Der Umschlingungswinkel der Schraubenlinien wird den jeweiligen Bedürfnissen angepasst. Dadurch entsteht — ohne zusätzlichen Platzbedarf — neben dem Toroidalfeld auch ein Po-loidalfeld, mit einer nahe beim Plasma liegenden Durchflutung.

Das gewünschte Magnetfeld kann ausschliesslich nach der oben beschriebenen Art, oder aber in Kombination mit zusätzlichen unabhängigen oder integrierten Toroidal- und Poloidal-feldspulen erzeugt werden. Auf jeden Fall ist der zusätzlich benötigte Poloidalfeldanteil um den von der Helix des Toroidal-feldspulensystems erzeugten Anteil kleiner.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Energieeinsparung, die im Vergleich zur konventionellen Lösung, bei gleichen Parametern des Fusionsreaktors, erreicht wird. Vergleicht man nämlich die Stromverläufe in den Toroidalfeld- und Poloidalfeldspulen eines konventionellen Spulensystems mit denjenigen des oben beschriebenen Systems, so ergibt sich folgendes:

Während der Stromverlauf der Toroidalfeldspulen in beiden Fällen ähnlich ist, wird bei der dieser Erfindung zugrundeliegenden Lösung eine deutliche Reduktion des Stroms beim Po-loidalfeldspulensystem und damit eine entsprechende Energieeinsparung erreicht.

Ein weiterer Vorteil entsteht durch die teilweise Kompensation von magnetischen Kräften zwischen den Toroidal- und Poloidalfeldspulen und der damit verbundenen Reduktion der mechanischen Spannungen in den Spulenleitern und in der Isolation. Zusätzlich werden die bei konventionellen Lösungen entstehenden hohen Zugkräfte im Bereich der inneren Schenkel der Toroidalfeldspulen durch die schraubenförmige Anordnung der Leiter weiter reduziert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer bekannten Magnetanordnung mit räumlich getrennten Toroidal-und Poloidalfeldspulen,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Spule mit 180° Umschlingungswinkel,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform mit 360° Umschlingungswinkel,

Fig. 4 ein Diagramm, in welchem die Stromverläufe in der erfindungsgemässen Spulenanordnung derjenigen in den bekannten Spulen gegenübergestellt sind.

Die bekannte Spulenanordnung nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Toroidalfeldsystem mit einer Vielzahl von Toroidalfeldspulen 1 und einem koaxial zur zentralen Achse 3 des Fusionsreaktors angeordneten Poloidalfeldsystem mit mehreren Poloidalfeldspulen 2.

Die Toroidalfeldspulen I sind gleichmässig über den Umfang einer toroidalen Vakuumkammer 4 verteilt, in welcher das Plasma 5 eingeschlossen ist. Nicht in Fig. 1 eingezeichnet sind die Bauteile des magnetischen Kreises, sofern ein solcher überhaupt vorgesehen ist. Der die Bohrung der Poloidalfeldspule 2 durchsetzende Kern und die sternförmig dazu angeordneten Joche, sind im einzelnen jedoch in Fig. 3 der genannten Broschüre dargestellt und werden deshalb hier nicht weiter beschrieben.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Spulenanordnung schematisch dargestellt. Jede Spule besteht aus einem helixartig gewundenen Innenbügel 6 und einem Aussenbügel 7. Der Umschlingungswinkel der Innenbügel 6 liegt im Beispielsfall bei etwa 180°. Die Enden des Innenbügels 6 sind radial nach aussen abgebogen; diese radialen Fortsätze sind mit 8 bzw. 9 bezeichnet. Die Innen- und Aussenbügel sind über Verbindungsstücke 10, 11 miteinander verbunden. Sie sind im Beispielsfall radial nach aussen verlegt, wo die Kraft- und Platzverhältnisse eine konventionelle Verbindungstechnik, z.B. Löten, Schweissen, Verschrauben etc., erlauben. Die in Fig. 2 nicht eingezeichneten elektrischen Verbindungen erfolgen analog zur bekannten Ausführung am Aussenumfang der Aussenbügel 7.

In Fig. 3 ist eine Spulenanordnung gezeigt, bei welcher der Umschlingungswinkel der Innenbügel 6 360° beträgt. Ansonsten entspricht ihr Aufbau demjenigen der Spulenanordnung nach Fig. 2.

Wie ein Vergleich mit Fig. 1 zeigt, lassen sich derart ausgebildete Spulen ohne nennenswerte Modifikationen am Reaktor in die bekannte Anordnung einbauen.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

672 216

Die Spulenanordnungen nach Fig. 2 und 3 können bei Bedarf ergänzt werden durch zusätzliche Poloidalfeldspulen.

Diese können sowohl im Inneraum der durch die Innenbügel 6 gebildeten Zylinderspule als auch an deren Aussendurchmesser liegen. Die erste Alternative ist in Fig. 2 und 3 schematisch und strichliert eingezeichnet; die zusätzliche Poloidalfeldspule ist dort mit 12 gekennzeichnet. Ebenso können in die Spulenanordnung in den von den Aussenbügeln 7 und Innenbügeln begrenzten Ringraum zusätzliche Toroidalfeldspulen 13 angeordnet werden, wie es in Fig. 2 und 3 beispielsweise angedeutet ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Energieeinsparung, die im Vergleich zur konventionellen Lösung, bei gleichen Parametern des Fusionsreaktors, erreicht wird. In Fig. 4 sind die Stromverläufe in den Toroidalfeld- und Poloidalfeldspulen eines konventionellen Spulensystems (4a) mit denjenigen des oben beschriebenen Systems (4b) verglichen, wobei das Diagramm I den zeitlichen Verlauf des Stromes Ip im Plasma, Diagramm II den zeitlichen Verlauf des Stromes Iror in den Toroidalfeldspulen und Diagramm III den zeitlichen Verlauf des Stromes Ip0j in den Poloidalfeldspulen zeigt.

s Während der Stromverlauf der Toroidalfeldspulen in beiden Fällen ähnlich sit, wird bei der dieser Erfindung zugrunde liegenden Lösung (4b) eine deutliche Reduktion des Stromes beim Poloidalfeldspulensystem und damit eine entsprechende Energieeinsparung erreicht.

io Ein weiterer Vorteil entsteht durch die teilweise Kompensation von magnetischen Kräften zwischen den Toroidal- und Poloidalfeldspulen und der damit verbundenen Reduktion der mechanischen Spannungen in den Spulenleitern und in der Isolation. Zusätzlich werden die bei konventionellen Lösungen ent-15 stehenden hohen Zugkräfte im Bereich der inneren Schenkel der Toroidalfeldspulen durch die schraubenförmige Anordnung der Leiter weiter reduziert.

v

2 Blätter Zeichnungen

Claims (4)

672 216

1. Magnetspulenanordnung für Fusionsreaktoren mit ersten Mitteln zur. Erzeugung eines Toroidalfeldsystems, mit zweiten Mitteln zur Erzeugung eines Poloidalfeldsystems, die beide auf das in einer torusförmigen Vakuumkammer (4) eingeschlossene Plasma (9) wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung aus Spulen aufgebaut ist, die im wesentlichen aus einem die Vakuumkammer (4) umgreifenden Aussenbügel (7) und einem in Form einer Schraubenlinie um die zentrale Achse (3) des Reaktors herum geführten Innenbügel (6) bestehen.

2. Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Innenbügel (6) eine Poloidal-feldspule (12) angeordnet ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem von den Innen- (6) und Aussenbügeln (7) begrenzten Ringraum zusätzliche Toroidal-feldspulen (13) vorgesehen sind.

5. Magnetspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

3. Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Innenbügel (6) von einer zusätzlichen Poloidalfeldspule umgeben ist.

4. Magnetspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschlingungswinkel der Innenbügel zwischen 30° und 360°, vorzugsweise um 180°,

liegt.