RU2059298C1 - Method of control over thermonuclear plant of tokomak type - Google Patents

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: method refers to reactors of controlled thermonuclear fusion. It involbes formation of toroidal and poloidal magnetic fields with cyclic input of currents of specified shape, value and direction into toroidal and poloidal windings. In process of operation after precalculated number of working cycles direction of current in windings of toroidal and poloidal magnetic field is changes for opposite one. Several changes-over can be performed during operation of plant. All changes-over of current are conducted in process of realization of design number of working cycles. EFFECT: improved efficiency and reliability of control. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к реакторам управляемого термоядерного синтеза, в частности к термоядерным установкам типа токамак. The invention relates to controlled thermonuclear fusion reactors, in particular to tokamak-type fusion plants.

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. The principle of operation of these installations consists in the formation and confinement of plasma in a toroidal discharge chamber using toroidal and poloidal magnetic fields created by an electromagnetic system. A method for controlling a tokamak-type fusion facility involves generating toroidal and poloidal magnetic fields by creating current pulses in a toroidal field winding (OTP) and in a poloidal field winding (OPP). The interaction of magnetic fields with currents flowing in the installation elements leads to the appearance of bulk pondermotor loads acting on these elements. The action of pondermotor loads is cyclical, since tokamaks are installations that operate in a pulsed mode. Therefore, one of the main engineering problems to be solved during the design, construction and operation of tokamak-type installations is to ensure reliable operation of the installation elements throughout the entire number of its operating cycles.

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. A known tokamak installation in which a toroidal magnetic field is created by an OTP consisting of coils evenly spaced around a central inductor [1] Outside of the OTP is surrounded by circular OPP coils. Current-carrying coils are placed in steel cases and are interconnected by power elements. Such a mechanical structure perceives pondermotor loads acting on the OTP coils. These loads, which cause tensile and bending mechanical stresses in structural elements, have two components: toroidal forces acting in the plane of the OTP coil, and poloidal forces acting perpendicular to this plane. The cyclic effect of these loads leads to the accumulation of mechanical damage in the power elements of the OTP, while the mechanical damage accumulated in the most stressed areas of the power elements determines the operating life of the OTP and the installation as a whole.

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. A known tokamak installation in which toroidal and poloidal magnetic fields are created by a superconducting electromagnetic system [2] OTP consists of blocks covering a toroidal discharge chamber and uniformly located around a central solenoid. Each block is a superconducting coil placed in a steel power housing. All OTP blocks are interconnected using external and internal interblock structures into a single mechanical system that accepts all pondermotor loads. When current is passed through the OTP coils, toroidal forces appear in the blocks lying in the plane of the block. These forces act statically and cause tensile and bending mechanical stresses in the block elements distributed symmetrically with respect to the vertical plane of symmetry of the block. Moreover, in the elements of the discharge chamber and intracameral devices, pondermotor loads, and, consequently, the corresponding mechanical stresses are absent. When current is passed through the OPP coils and current is generated in the plasma cord, a poloidal magnetic field appears, which, interacting with the current in the OTP coils, leads to the appearance of poloidal forces applied perpendicular to the plane of the OTP block. These forces act cyclically and cause mechanical bending stresses distributed antisymmetrically relative to the vertical plane of symmetry of the OTP block in the block elements. As a result of this, in the construction of blocks there appear zones where, due to the cyclic component, an increase in mechanical stresses occurs, and zones where they decrease. These measurements take place cyclically and therefore the ultimate state of the block structure is fatigue failure in the most stressed areas.

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. When the plasma current is interrupted, the loading pattern of the OTP block does not fundamentally change; only the magnitudes of the poloidal forces and the corresponding mechanical stresses change. A different picture occurs in the discharge chamber and intracameral devices in a number of elements, currents are induced, from the interaction of which with the magnetic field appear pondermotor forces acting on these elements. These forces act on cyclic bending stresses. The ultimate state of these structures is also fatigue failure in the most loaded zones.

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. The described method for controlling a tokamak-type fusion facility, including the formation of toroidal and poloidal magnetic fields by cyclic transmission of currents of a given shape, magnitude and direction through a toroidal and poloidal winding, has the following disadvantage. Since the direction of the currents passing through the toroidal and poloidal windings remains constant during the operation of the installation, the direction of the poloidal forces acting on the elements of the installation does not change. Therefore, the greatest accumulation of mechanical damage that determines the working life of the installation occurs in the same, namely in the most loaded areas of the structure. In less loaded zones, by the time the working resource is exhausted, the accumulated mechanical damage does not reach the maximum permissible value, i.e. the bearing capacity of structural materials in this case is not fully used.

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. The objective of the invention is due to a more complete use of the bearing capacity of structural materials to increase the working life or increase the reliability of the tokamak installation at the operational stage, as well as reduce the metal consumption of structural elements at the design and construction stage of the installation.

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. To do this, in the control method of a tokamak-type fusion facility, including the formation of toroidal and poloidal magnetic fields by cyclic transmission of currents of a given shape, magnitude and direction through the toroidal and poloidal windings, during operation of the installation after the estimated number of operating cycles in the winding of the toroidal and poloidal field of at least at least once, the current direction is switched in the opposite direction, while the number of switches is at least one.

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. As a result, the direction of action of the poloidal forces changes in the opposite direction, as a result of which the zones of elements that are highly loaded prior to the indicated switching are unloaded during further work, and those underloaded are loaded.

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. The technical result of the invention is to increase compared with the design number of operating cycles of the installation by aligning the level of mechanical damage accumulated in the structural elements by the time the resource is exhausted. If all switching of the current direction in the windings is carried out during the implementation of the design number of operating cycles, the technical result will be either the possibility of reducing the metal consumption of the structural elements by reducing their size at the design and construction stage, or to increase the reliability of the installation at the stage of its operation.

Последовательность операций способа следующая. The sequence of operations of the method is as follows.

После расчетного количества рабочих циклов направление тока в ОТП и ОПП меняют на противоположное. After the estimated number of operating cycles, the direction of the current in the OTP and OPP is reversed.

После дальнейшей наработки такого же количества рабочих циклов производят замену сменных элементов внутрикамерных устройств. After further development of the same number of work cycles, replaceable elements of intracameral devices are replaced.

После наработки еще такого же количества рабочих циклов меняют направление тока в ОТП или ОПП на противоположное. After operating the same amount of working cycles, the current direction in the OTP or OPP is reversed.

Эти операции повторяют в указанной последовательности до исчерпания рабочего ресурса установки. These operations are repeated in the indicated sequence until the installation's working resource is exhausted.

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.To confirm the possibility of carrying out the invention presents a summary of the methodology for calculating the magnitude of mechanical damage [3]
The accumulation of fatigue damage in general is determined by the formula

a ≅ [a _N ]
(1) where N _{i is the} number of cycles of the i-th type during operation;
n total number of cycle types;
[N ₀ ] _i permissible number of cycles of the i-th type;
and accumulated fatigue damage;
[a _N ] 1 limit value of accumulated fatigue damage.

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

.Obviously, the fatigue damage accumulated in the i-th type of cycles is expressed by the formula
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

.(2)
The relationship between the mechanical stresses acting in the structural element and the corresponding permissible number of cycles is expressed by the formula
σ _aF =

+

,
(3) where σ _{aF is the} amplitude of local stresses taking into account the concentration, determined by the formula
σ _aF =

,
(4) where σ _max and σ _{min are the} maximum and minimum stresses in the cycle, respectively;
E modulus of elasticity;
e _{c the} plasticity characteristic determined by the formula e _with 0.005 z, (5), where z is the relative narrowing in the cross section of the sample under static tension;
n _σ -2 safety factor for stresses;
m characteristic of the material is determined by the table given in [3]
R _{-1 the fatigue} limit of the material is determined by the table given in [3]
R _{m the} temporary resistance of the material;
r stress cycle asymmetry coefficient, determined by the formula
r

.

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

]

.(6)
From formula (3) we obtain an expression for determining the permissible number of cycles
[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.(7)
From the calculation of the stress-strain state (SSS) of structural elements, the σ _max and σ _min cycles are known in the most stressed and corresponding underloaded zones of this element.

σ_max и σ_min соответственно максимальное и минимальное напряжения за всю историю нагружения в пределах одного цикла работы установки.σ _max and σ _min, respectively, the maximum and minimum stresses for the entire history of loading within one cycle of the installation.

Дальнейшая последовательность действий такова. The further sequence of actions is as follows.

По формуле (4) определяется σ_aF1 для наиболее напряженной зоны элемента конструкции.By formula (4), σ _aF1 is determined for the most stressed zone of the structural element.

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.By the formula (7), [N ₀ ] _{1 is} determined for this zone. This value is taken as the project number of work cycles (project resource) of this element, i.e. N ₀ [N ₀ ] ₁ . It is clear that for the most stressed zone of this element, the accumulated damage is in accordance with formula (2) a ₁ 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. Thus, the design is the number of duty cycles in which, without switching the current direction in the OTP or OPP, the maximum accumulated mechanical damage in the structure is 1.

По формуле (4) определяется σ_aF2 для соответствующей недогруженной зоны данного элемента.By formula (4), σ _aF2 is determined for the corresponding underloaded zone of this element.

По формуле (7) определяется [N₀]₂ для этой зоны.By the formula (7), [N ₀ ] _{2 is} determined for this zone.

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

.By the formula (2), the accumulated damage for this zone is determined
a ₂ =

.

Ясно, что а₂ < 1.It is clear that a ₂ <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. After switching the current, the most stressed zone and the corresponding underloaded zone of this element change roles, and by the time the resource is exhausted, damage accumulated in these zones is equalized.

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
a′=

.If the current is switched within the design resource N ₀ , i.e., after 0.5 N ₀ cycles, the damage accumulated in the most stressed and corresponding underloaded zones will be the same and equal by the time the resource is exhausted
a ′ =

.

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

.(8)
This provides an increase in reliability (increase in safety margin), determined by the formula
p

.

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

.(9)
Substituting in '(9) a' from (8) and taking into account that a ₁ 1, we obtain
p

.

(10)
При этом, однако, несущая способность конструкционных материалов используется не полностью (а' < 1).(ten)
In this case, however, the bearing capacity of structural materials is not fully used (a '<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.Full use of the bearing capacity of structural materials, i.e., an increase in a 'to 1, can be achieved in two ways (see formula (2)):
a decrease in [N ₀ ] which is achieved (see formula (7)) due to an increase in σ _aF (this is possible only at the design stage due to a decrease in the thickness of the supporting structures adopted in the project). This path provides a reduction in metal consumption;
an increase in N ₀ (the numerator of formula (2)), i.e. increase in the resource of not only the designed or already designed installation, but also of the constructed or existing installation.

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.In this case, the new resource N ₁ obtained after switching the current to OTP or OPP, and the estimated number of duty cycles after which the current needs to be switched, are determined from the following elementary considerations.

Обозначим k относительную часть проектного ресурса с первоначальным направлением тока в ОТП или ОПП. Let k denote the relative part of the project resource with the initial current direction in the OTP or OPP.

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.Obviously, the number of cycles after which you need to switch the current is
N kN ₀ . (eleven)
With the adopted law of summing damage, the number of cycles before and after switching the current are equal, therefore, the new resource N ₁ is equal to twice kN ₀ , i.e.

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.N ₁ 2kN ₀ . (12)
In this case, the most stressed zone for the period before switching current will receive damage equal to ka ₁ , and after switching equal to ka ₂ . The corresponding underloaded zone will receive damage equal to ka ₂ before switching and equal to ka ₁ after switching. The total damage in both zones should be equal to 1, i.e.

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

.k (a ₁ + a ₂ ) 1. (13)
From formula (13), taking into account a ₁ 1, k
k

.

(14)
Таким образом, расчетным названо количество рабочих циклов между двумя последовательными переключениями направления тока в ОТП или ОПП.(14)
Thus, the calculated is the number of duty cycles between two successive switching of the current direction in the OTP or OPP.

Зная k, можно определить новый ресурс N₁ по формуле (12) и расчетное количество рабочих циклов, после которого нужно переключить ток N по формуле (11).Knowing k, it is possible to determine the new resource N ₁ by the formula (12) and the estimated number of duty cycles, after which it is necessary to switch the current N by the formula (11).

Изложенную методику проиллюстрируем численным примером. Числовые данные берем для установки-прототипа. The illustrated methodology is illustrated by a numerical example. We take numerical data for the installation of the prototype.

1) Корпус ОТП. 1) OTP housing.

Исходные данные:
z 50% E2,1·10⁵ MПа; n_σ 2; R_m 1200 МПа.Initial data:
z 50% E2.1 · 10 ⁵ MPa; n _σ 2; R _m 1200 MPa.

По формуле (5) определяем
е_с 0,005 z 0,25.By the formula (5) we determine
e _with 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.According to the table from [3] we determine:
R _-1 0.54 2 · 10 ^-4 R _m 0.3 R _m 360 MPa;
m 0.36 + 2 · 10 ^-4 R _m 0.6.

а) Наиболее напряженная зона:
σ_max1 420 МПа, σ_min 210 МПа.a) The most intense zone:
σ _max1 420 MPa, σ _min 210 MPa.

По формуле (6) определяем
r₁=

0,5.By the formula (6) we determine
r ₁ =

0.5.

По формуле (4) определяем
σ_aF=

105 МПа.By the formula (4) we determine
σ _aF =

105 MPa.

По формуле (7) определяем
[N₀]₁ 10⁵ циклов.By the formula (7) we determine
[N ₀ ] ₁ 10 ⁵ cycles.

Принимаем [N₀] ₁ за проектное число циклов N₀, в этом случае а₁ 1 (формула(2)).We take [N ₀ ] ₁ for the design number of cycles N ₀ , in this case a ₁ 1 (formula (2)).

б) Соответствующая недогруженная зона:
σ_max2 290 МПа, σ_min2 0.b) The corresponding underloaded area:
σ _max2 290 MPa, σ _min2 0.

Проведя аналогичные вычисления по формулам (6), (4) и (7), получаем r₂ 0, σ_aF2 145 МПа, [N₀] 2,5·10⁵ циклов.Having performed similar calculations by formulas (6), (4) and (7), we obtain r ₂ 0, σ _aF2 145 MPa, [N ₀ ] 2.5 · 10 ⁵ cycles.

По формуле (2) определяем
a₂=

0,4.By the formula (2) we determine
a ₂ =

0.4.

По формуле (14) определяем
k

0,714.By the formula (14) we determine
k

0.714.

По формуле (11) определяем N 0,714 x x10⁵.By the formula (11), we determine N 0.714 x x10 ⁵ .

По формуле (12) определяем N₁2 ·0,714·10⁵ 1,43·10⁵.By the formula (12), we determine N ₁ 2 · 0.714 · 10 ⁵ 1.43 · 10 ⁵ .

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.Thus, switching the current in the OTP or OPP through N kN ₀ 0.714 · 10 ⁵ cycles provides an increase in the resource of the OTP case by 1.43 times compared with the design.

2) Разрядная камера. 2) Discharge chamber.

Исходные данные:
z 50% E 1,8·10⁵ МПа; n_σ= 2; R_m700 МПа.Initial data:
z 50% E 1.8 · 10 ⁵ MPa; n _σ = 2; R _m 700 MPa.

По формуле (5) и таблице из [3] определяем е_с 0,25; R_-1 0,4; R_m= 280 МПа; m0,5.By the formula (5) and the table from [3], we determine e _with 0.25; R _-1 0.4; R _m = 280 MPa; m0.5.

а) Наиболее напряженная зона:
σ_max1 270 МПа, σ_min1 0.a) The most intense zone:
σ _max1 270 MPa, 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.By formulas (6), (4) and (7) we obtain
r ₁ 0; σ _aF1 135 MPa; [N ₀ ] ₁ N ₀ 10 ⁵ cycles, i.e. a ₁ 1.

б) Соответствующая недогруженная зона:
σ_max2 232 МПа, σ_min2 0.b) The corresponding underloaded area:
σ _max2 232 MPa, σ _min2 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₂ 0; σ_aF2 116 МПа; [N₀]₂ 5·10⁵ циклов.By formulas (6), (4) and (7) we obtain
r ₂ 0; σ _aF2 116 MPa; [N ₀ ] ₂ 5 · 10 ⁵ cycles.

По формулам (2), (14), (11) и (12) определяем
а₂ 0,2; k 0,833; N 0,833·10⁵; N₁1,67·10⁵.By formulas (2), (14), (11) and (12) we determine
a ₂ 0.2; k 0.833; N, 0.833 · 10 ⁵ ; N ₁ 1.67 · 10 ⁵ .

3) Сменные элементы внутрикамерных устройств. 3) Replaceable elements of intracameral devices.

Исходные данные те же, что и для разрядной камеры, так как здесь используется тот же конструкционный материал. The initial data is the same as for the discharge chamber, since the same structural material is used here.

а) Наиболее напряженная зона:
σ_max1 360 МПа, σ_min1 0.a) The most intense zone:
σ _max1 360 MPa, σ _min1 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₁ 0; σ_aF1= 180 МПа; [N₀]₁ 0,2·10⁵ циклов.By formulas (6), (4) and (7) we obtain
r ₁ 0; σ _aF1 = 180 MPa; [N ₀ ] ₁ 0.2 · 10 ⁵ cycles.

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.In this zone, at N 0.2 · 10 ^{5, the} accumulated damage is already a ₁ 1, which leads to the need to replace elements during the operation of the installation, i.e. the resource for these elements is N ₀ 0.2 · 10 ⁵ .

б) Соответствующая недогруженная зона:
σ_max2 250 МПа; σ_min2 0.b) The corresponding underloaded area:
σ _max2 250 MPa; σ _min2 0.

По формулам (6), (4) и (7) получаем
r₂ 0; σ_aF2 125 МПа; [N₀]₂ 2·10⁵ циклов.By formulas (6), (4) and (7) we obtain
r ₂ 0; σ _aF2 125 MPa; [N ₀ ] ₂ 2 · 10 ⁵ cycles.

По формулам (2), (14), (11) и (12) определяем
а₂ 0,1; k 0,91; N 0,18·10⁵; N₁0,360 ·10⁵.By formulas (2), (14), (11) and (12) we determine
a ₂ 0.1; k 0.91; N, 0.18 · 10 ⁵ ; N ₁ 0.360 · 10 ⁵ .

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.Obviously, the number of duty cycles N, after which it is necessary to switch the current to the OTP or OPP, is the smallest of the calculated values for the OTP housing, the discharge chamber, and interchangeable elements of the in-chamber devices. In this case, this is N for interchangeable elements of intracameral devices, i.e., the first switching of the current must be done through N0.18 · 10 ⁵ operating cycles.

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. The calculations show that the use of current switching in the OTP or OPP leads to an increase in the resource for the OTP case by 1.43 times, for the discharge chamber by 1.67 times, for replaceable elements of intracameral devices by 1.80 times.

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.The calculation results are illustrated by the diagrams shown in the drawing, which shows the accumulation of mechanical damage in the considered elements of the reactor for the following cases:
I design case (prototype);
II case of increasing the resource;
III case of a decrease in metal consumption;
IV case of increased reliability.

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. The diagrams indicated by 1 characterize the processes in the OTP enclosure, 2 in the discharge chamber, 3 in replaceable elements of the intracameral devices. Index A indicates the moments of replacement of interchangeable elements of intracameral devices, B the moments of current switching in the OTP or OPP.

Анализ результатов и сравнение с прототипом показывают следующее. Analysis of the results and comparison with the prototype show the following.

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.In the case of an increase in the resource (II in the drawing) as a result of 4 current switching in the OTP or OPP, we have:
1.43-fold increase in the service life of the OTP housing;
the same increase in the service life of the discharge chamber while increasing reliability (safety margin) by 1.16 times;
a decrease from 5 to 4 of the required number of interchangeable elements of intracameral devices with a corresponding decrease in the number of shifts of these sets from 4 to 3, while increasing the total resource by 1.43 times.

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.In the case of a decrease in metal consumption (III drawing) as a result of 3 switching currents in the OTP or OPP we have:
a decrease in the weight of the OTP housings and the shell of the discharge chamber is estimated at 10-15%
a decrease from 5 to 3 of the required number of complexes of interchangeable elements of intracameral devices with a corresponding decrease in the number of shifts of these sets from 4 to 2 while increasing their reliability (safety margin) by 1.1 times.

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.In the case of increased reliability (IV in the drawing) as a result of 3 current switching in the OTP or OPP we have:
1.43-fold increase in the reliability (safety factor) of the OTP case;
the same for the discharge chamber 1.67 times;
a decrease from 5 to 3 of the required number of sets of interchangeable elements of intracameral devices with a corresponding decrease in the number of shifts of these sets from 4 to 2 while increasing their reliability (safety margin) by 1.1 times.

Claims (2)

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. 1. METHOD FOR CONTROL OF A THERMO-NUCLEAR INSTALLATION OF TYPE TOKAMAK, including the formation of toroidal and poloidal magnetic fields by cyclic transmission of currents of a given shape, magnitude and direction through the toroidal and poloidal windings, characterized in that during operation of the installation after the estimated number of operating cycles determined from the alignment condition the amount of mechanical damage accumulated in the structural elements of the installation, in the winding of a toroidal or poloidal field switch Leniye current is reversed, the number of switches is at least one. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все переключения токов производят в процессе осуществления проектного количества рабочих циклов. 2. The method according to claim 1, characterized in that all switching currents are carried out in the process of implementing the design number of duty cycles.

Images