DE3707474A1 - Magnetspulenanordnung fuer fusionsreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetspulenanord­ nung für Fusionsreaktoren gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

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

Fusionsreaktoren benötigen im wesentlichen zwei verschie­ dene 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 magneti­ schen 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 ge­ nannten Gattung anzugeben, das sich durch geringeren Energiebedarf auszeichnet und darüber hinaus einen me­ chanisch stabilen Aufbau ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Ueberlegung, im zentralen engen Bereich des Fusionsreaktors die Funk­ tionen der beiden Magnetspulensysteme zu kombinieren, d.h. gänzlich oder teilweise miteinander zu verbinden und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strompfade der Toroidalfeldspulen in Form einer Schraubenlinie (Helix) um die zentrale Achse des Reaktors geführt sind. Der Umschlingungswinkel der Schraubenlinien wird den jewei­ ligen Bedürfnissen angepasst. Dadurch entsteht - ohne zusätzlichen Platzbedarf - neben dem Toroidalfeld auch ein Poloidalfeld, 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 Poloidalfeldspulen erzeugt werden. Auf jeden Fall ist der zusätzlich benötigte Poloidalfeldanteil um den von der Helix des Toroidalfeldspulensystems erzeugten Anteil kleiner.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Ener­ gieeinsparung, die im Vergleich zur konventionellen Lö­ sung, bei gleichen Parametern des Fusionsreaktors, er­ reicht wird. Vergleicht man nämlich die Stromverläufe in den Toroidalfeld- und Poloidalfeldspulen eines kon­ ventionellen Spulensystems mit denjenigen des oben be­ schriebenen Systems, so ergibt sich folgendes:

Während der Stromverlauf der Toroidalfeldspulen in bei­ den Fällen ähnlich ist, wird bei der dieser Erfindung zugrunde liegenden Lösung eine deutliche Reduktion des Stroms beim Poloidalfeldspulensystem und damit eine ent­ sprechende Energieeinsparung erreicht.

Ein weiterer Vorteil entsteht durch die teilweise Kompen­ sation von magnetischen Kräften zwischen den Toroidal­ und Poloidalfeldspulen und der damit verbundenen Reduk­ tion der mechanischen Spannungen in den Spulenleitern und in der Isolation. Zusätzlich werden die bei konven­ tionellen Lösungen entstehenden hohen Zugkräfte im Be­ reich der inneren Schenkel der Toroidalfeldspulen durch die schraubenförmige Anordnung der Leiter weiter redu­ ziert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeich­ nung 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 erfindungsge­ mässen Spule mit 180° Umschlingungswinkel,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform mit 360° Umschlin­ gungswinkel,

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 we­ sentlichen aus einem Toroidalfeldsystem mit einer Viel­ zahl von Toroidalfeldspulen 1 und einem koaxial zur zen­ tralen Achse 3 des Fusionsreaktors angeordneten Poloidal­ feldsystem mit mehreren Poloidalfeldspulen 2.

Die Toroidalfeldspulen 1 sind gleichmässig über den Um­ fang einer toroidalen Vakuumkammer 4 verteilt, in welcher das Plasma 5 eingeschlossen ist. Nicht in Fig. 1 einge­ zeichnet 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 erfindungs­ gemässen 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 Platzver­ hältnisse 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 Spulen­ anordnung 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.

Die Spulenanordnungen nach Fig. 2 und 3 können bei Be­ darf ergänzt werden durch zusätzliche Poloidalfeldspulen. Diese können sowohl im Innenraum der durch die Innenbügel 6 gebildeten Zylinderspule als auch an deren Aussendurch­ messer liegen. Die erste Alternative ist in Fig. 2 und 3 schematisch und strichliert eingezeichnet; die zusätz­ liche Poloidalfeldspule ist dort mit 12 gekennzeichnet. Ebenso können in die Spulenanordnung in den von den Aus­ senbügeln 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 Ener­ gieeinsparung, die im Vergleich zur konventionellen Lö­ sung, bei gleichen Parametern des Fusionsreaktors, er­ reicht wird. In Fig. 4 sind die Stromverläufe in den Toroidalfeld- und Poloidalfeldspulen eines konventio­ nellen Spulensystems (4 a) mit denjenigen des oben be­ schriebenen Systems (4 b) verglichen, wobei das Diagramm I den zeitlichen Verlauf des Stromes I _P im Plasma, Dia­ gramm II den zeitlichen Verlauf des Stromes I _Tor in den Toroidalfeldspulen und Diagramm III den zeitlichen Ver­ lauf des Stromes I _Pol in den Poloidalfeldspulen zeigt.

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

Ein weiterer Vorteil entsteht durch die teilweise Kom­ pensation von magnetischen Kräften zwischen den Toroi­ dal- und Poloidalfeldspulen und der damit verbundenen Reduktion der mechanischen Spannungen in den Spulenlei­ tern 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.

Claims (5)

1. Magnetspulenanordnung für Fusionsreaktoren mit ersten Mitteln zur Erzeugung eines Toroidalfeldsystems, mit zweiten Mitteln zur Erzeugung eines Poloidalfeldsy­ stems, die beide auf das in einer torusförmigen Vakuum­ kammer (4) eingeschlossene Plasma (9) wirken, und gegebenenfalls einem dem Poloidalfeldsystem zugeordne­ ten zentralen Magnetkern und damit verbundenen stern­ förmig angeordneten Magnetjochen, welche das Toroidal­ feldsystem samt Vakuumkammer (4) umschliessen, 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, und dass die Innen- und Aussenbügel an den Stirnseiten der Magnetspulenanordnung elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.

2. Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Innenraum der Magnetspulenan­ ordnung eine zusätzliche Poloidalfeldspule (12) ange­ ordnet ist.

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

4. Magnetspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem von den Innen-(6) und Aussenbügeln (7) begrenzten Ringraum zusätzliche Toroidalfeldspulen (13) vorgesehen sind.

5. Magnetspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschlingwinkel der Innenbügel zwischen 30° und 360°, vorzugsweise um 180°, liegt.