DE2604294A1

DE2604294A1 - Kernverschmelzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2604294A1
Application number: DE19762604294
Authority: DE
Inventors: Takamasa Fujinaga; Yoshiyasu Ito; Yoshiaki Kazawa; Masato Nagao; Keizou Wase
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-02-05
Filing date: 1976-02-04
Publication date: 1976-08-26
Also published as: GB1501352A; US4303473A; DE2604294C3; JPS5189994A; DE2604294B2; JPS5743879B2

Description

Priorität: 5. Februar 1975, Japan, Nr. 14 366

Kerr

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernverschmelzungsvorrichtung, insbesondere für torusförmige Tokamak-Kernverschmelzungsreaktoren, insbesondere auf deren Vakuummantel.

Beim torusförmigen Kernverschmelzungsreaktor, bei dem das Plasma elektromagnetisch umschlossen wird, wird das Plasma in einen Vakuumgehäuse erzeugt, das auf hohes Vakuum evakuiert ist.

Das Vakuumgehäuse ist unter Verwendung nicht-magnetischer Metalle torusförmig ausgebildet. Das Vakuumgehäuse ist mit Poloid-Wicklungen oder ringförmigen Wicklungen versehen, deren Windungen parallel zur Torusachse verlaufen, und mit Toroid-Wicklungen, die in Torusrichtung gewickelt und angeordnet sind.

Als Poloid-Wicklungen sind horizontale Feldwicklungen, die horizontale Magnetfelder erzeugen, um das im Vakuumgehäuse

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erzeugte Plasma in Vertikalrichtung zu steuern, vertikale Feldwicklungen, die vertikale Magnetfelder erzeugen, um das Plasma -in Horizontalrichtung zu steuern, mehrpolige* Feldwicklungen, die das Plasma so steuern, daß es selbst einen kreisförmigen Querschnitt erhält, Primärwicklungen, die das Plasma durch schnelle Änderung der durch dasselbe fließenden Ströme erzeugen, und magnetische Begrenzungswicklungen vorgesehen, die das Plasma so steuern, daß es die innere Wandung des Vakuumgehäuses nicht berühren kann.

-Als Toroid-Wicklungen sind toroidf örmige -Feldwicklungen vorgesehen, die den kreisförmigen Querschnitt des Vakuum-"mantels umschließen und das Plasma in dem Vakuumgehäuse einschließen und begrenzen.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Erzeugung des Plasmas und seiner Umschließung müssen die oben erwähnten verschiedenen Wicklungen so nahe an dem Raum, in dem das Plasma erzeugt wird, angeordnet werden als möglich. Die Wand des Vakuumgehäuses muß daher so dünn wie möglich ausgeführt werden.

Andererseits muß die Wand so stark sein, daß sie bei der Piasrc

Plasmaerzeugung ein hohes Vakuum (mehr als 10 Torr) aus-

Wichtiger ist, daß die Wandkonstruktion den starken elektromagnetischen Kräften standhält, die im Betrieb durch die Wicklungen erzeugt werden. Wird die Wand des Vakuumgehäuses durch solche externen Kräfte deformiert, so berührt sie das Plasma und schmilzt, so daß das Vakuum zu-, sammenbricht und die Wicklungen zerstört werden.

Bei der Bestimmung der Stärke des Vakuumgehäuses müssen also die gegensätzlichen Forderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades der Plasmaerzeugung und der Stabilität gegenüber äußeren Kräften beachtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile

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der "bekannten Kernverschmelzungsvorrichtungen zu vermeiden und insbesondere eine Kernverschmelzungsvorrichtung zu schaffen, deren Vakuumgehäuse von der Konzentration lokaler Beanspruchungen entlastet ist, die infolge externer Kräfte im Vakuumgehäuse entstehen. Ferner soll der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung dadurch verbessert werden, daß die Poloid- und die Toroid-Wicklungen näher am Vakuumgehäuse angeordnet v/erden.

Bei der erfindungsgemäßen Kernverschmelzungsvorrichtung ist die Biegesteifigkeit der Gehäusewand des Vakuumgehäuses in dessen Kreisquerschnitt veränderlich, und zwar derart, daß sie vom inneren zum äußeren Umfang des Kreisquerschnitts ansteigt.

Eine Konstruktion, bei der die Biegesteifigkeit vom inneren zum äußeren Umfang des Vakuummantels ansteigt, kann dadurch erreicht werden, daß die Stärke der Wandung allmählich ansteigt. ι

Die Wandstärke kann vom inneren zum äußeren Umfang stetig oder stufenweise erhöht werden. Vorzugsweise wird die Wandstärke an der inneren Umfangsseite im wesentlichen gleichmäßig gehalten, so daß sich der Raumfaktor der Wicklungen erhöht, und die Wandstärke derart verändert, daß sie vom Grenzteil zwischen dem inneren und dem äußeren Umfang zur Außenseite hin stetig oder stufenförmig ansteigt.

Durch die ansteigende Biegesteifigkeit der Wandung im Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses von. dessen inneren zum äußeren Umfang kann die Wandstärke auf der inneren Umfangsseite gering gehalten werden, ohne die Stärke des Vakuumgehäuses zu verschlechtern. Dieser Vorteil ist nicht mit einer Abnahme des Innendurchmessers des Torus verbunden, so daß die Raumfaktoren der Poloid- und der Toroid-Wicklungen erhöht werden können.

Außerdem können die Wicklungen näher an den Plasmaerzeu-

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τ«

gungsraum gerückt werden.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Plasmaerzeugung ist es zweckmäßig,· den elektrischen Widerstand der Wandung des Vakuumgehauses hoch zu wählen.

Das heißt, zur wirksamen elektromagnetischen Kopplung zwischen Plasma und den jeweiligen Wicklungen müssen die durch die jeweiligen Wicklungen erzeugten Magnetflüsse mit dem Vakuümgehäuse so verbunden sein, daß die durch die Gehäusewand fließenden Induktionsströme vermindert werden.

Zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Wand des Vakuumgehäuses wird dieses vorzugsweise aus einem einzelnen Körper aus Balgen oder einem kombinierten Körper aus "Balgen und Ringen "aufgebaut, um so den elektrischen Widerstand der Gehäusewandung in Poloidrichtung zu erhöhen .

Auch auf ein solches, wenigstens zum Teil mit Balgen aufgebautes Vakuumgehäuse ist die Erfindung derart anwendbar, daß die Höhe der Spitzen der Balgen am äußeren Umfang größer als am inneren Umfang des Kreisquerschnittes des Vakuumgehäuses ist. Bei aus Balgen und Ringen aufgebautem Vakuumgehäuse braucht entweder nur die Höhe der Spitzen bzw. Falten der Balgen oder die Stärke des Ringes in der oben beschriebenen Weise verändert zu werden.

Die Querschnittsform des Vakuumgehäuses im Kreisquerschnitt kann außer kreisförmig auch oval, kürbisförmig oder elliptisch sein. Bei einem Gehäuse,· dessen Querschnitt nicht kreisförmig ist, kann, wenn die magnetischen Begrenzungswicklungen innerhalb des Vakuumgehäuses angeordnet werden sollen, der Installationsraum leicht gewonnen werden. Darüberhinaus kann bei ovalem oder kürbisförmigem Querschnitt die magnetische Begrenzungswicklung auf einem Teil des kleinen Radius der Krümmung angeordnet werden. Das Plasma kann daher auf einem Teil mit großem

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Krümmungsradius erzeugt werden, was einen großen Plasmadurchmesser zur Folge hat.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die scheiaatische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kernverschmelzungsvorrichtung;

Fig. 2 den Querschnitt H-II der Fig. 1;

Fig. 3 den Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Vakuumgehäuses längs eines Kreisquerschnitts bzw. Radius desselben;

Fig. 4 den Vertikalschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels ..des Vakuumgehäuses;

.Fig. 5 die Draufsicht auf einen Teil eines vierten Ausführungsbeispiels des Vakuumgehäuses, das aus Balgen und Ringen aufgebaut ist;

Fig. 6 den Vertikalschnitt VI-VI der Fig.5;

Fig. 7 einen Transversalschnitt eines Teils eines balgenförmigen Vakuumgehäuses; und

Fig. 8

und 9 Teilscnnitte von Ausführungsbeispielen der Balgen,

Fig. 1 bis 3 zeigen ein torusförmiges Vakuumgehäuse 1. Torusmittelpunkt und Gehäusemittelpunkt fallen in einem Punkt 0 zusammen.

Das Vakuumgehäuse 1 ist hohl; sein Inneres ist mittels einer Vakuumpumpe auf ein hohes Vakuum evakuiert.

Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Vakuumgehäuse 1 ist an seinem äußeren Umfang 1b, an der dem inneren Umfang 1a gegenüberliegenden Seite mit einem vorspringenden Wulst 1c versehen, so daß die Querschnittsform in einem Kreisquerschnitt insgesamt kürbis- oder flaschenkürbisförmig ist. Der Wulst 1c dient zur Anordnung einer magnetischen Begrenzungseinrichtung innerhalb des Vakuumgehäuses 1.

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In Torusrichtung des Vakuumgehäuses 1 ist rings um einen Kreisquerschnitt eine große Anzahl von Poloid-Wicklungen 2 angeordnet. Ferner ist in Toroidrichtung des Vakuumge^- häuses 1 eine große Anzahl von Toroid-Wicklungen 3 angeordnet, und zwar derart, daß sie den Umfang des Kreisquerschnitts umgeben.

Fig. 2 zeigt das im Vakuumgehäuse 1 erzeugte und begrenzte Plasma 4.

Die Wandstärke des Vakuumgehäuses 1 ist veränderlich, und zwar steigt sie zwischen den Punkten A-F vom kleinsten Durchmesser A der inneren Umfangsseite 1a des Torus zum größten Durchmesser F des äußeren Umfangs 1b allmählich an.

Genauer, die Wandstärke h_AB der inneren Umfangsseite la, die vom Punkt A bis zu einem Zwischenpunkt B verläuft, ist innerhalb eines dem Außendruck standhaltenden Stärkebereichs so klein wie möglich.

Dagegen wird die Wandstärke h-p« von dem Zwischenpunkt B zu einem Zwischenpunkt C und die Wandstärke h^p vom Punkt C zum Punkt F stetig stärker.

In diesem Fall kann die Wandstärke auch vom Punkt C bis in die Nähe des Punktes D stetig ansteigen und vom Punkt D bis zum Punkt F entsprechend der Stärke am Punkt D konstant bleiben.

Dadurch, daß die Wandstärke des Vakuumgehäuses 1 an der äußeren Umfangsseite 1b größer als an der inneren Umfangsseite 1a ist, kann die Biegesteifigkeit des Vakuumgehäuses 1 erhöht werden. Das Vakuumgehäuse 1 kann so aufgebaut werden, daß es gegenüber dem Außendruck steif ist, ohne daß die Wandstärke am inneren Umfang 1a groß sein müßte.

Es ist daher möglich, einen zur Anordnung der Wicklungen ausreichenden Raum auf der inneren Durchmesserseite des Vakuumgehäuses 1 zu gewinnen, der näher am Torusmittelpunkt liegt.

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Darüberhinaus können die Wicklungen in der Nähe des Plasmas 4 angeordnet werden, so daß der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung erhöht werden kann.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung auf ein Vakuumgehäuse 11 angewandt ist, dessen Querschnitt im Kreisquerschnitt im wesentlichen kreisförmig ist.

Bei dieser Ausführungsform ist die Wandstärke h^-g zwischen den Punkten A und B am inneren Umfang 11a gleichmäßig und klein, während sie zwischen den Punkten C und F an der äußeren Umfangsseite 11b gleichmäßig und um ein Mehrfaches grosser ist als die Stärke h^r,. Am Übergang zwischen den Punkten B und C bzw. der inneren und äußeren Umfangsseite 11a -bzw- -11b nimmt die .Wandstärke-IWi -allmählich, im-wesentlichen stetig zu.

Auch bei dieser Ausführungsform ist die Gehäusewand zum Torusmittelpunkt O hin dünner, so daß Raum zur Anordnung der Wicklungen gewonnen und der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung erhöht wird. Darüberhinaus ist die Biegesteifigkeit des■Vakuumgehäuses hoch, so daß verhindert wird, daß es infolge elektromagnetischer Kräfte oder infolge des atmosphärischen Druckes deformiert wird.

Fig. 5 und 6 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem das Vakuumgehäuse 21 aus metallischen Balgen 22 und metallischen Ringen 23 aufgebaut ist. Bei dem Vakuumgehäuse 21 kann die Wandlänge und damit der elektrische Widerstand in Torusrichtung des Gehäuses erhöht werden. Hierdurch werden die durch die Gehäusewand fließenden Ströme verringert.

Bei Anwendung der Erfindung auf das Vakuumgehäuse 21 kann die Biegesteifigkeit desselben derart erhöht v/erden, daß die -Stärke des Metallringes 23 am äußeren Umfang 23b grosser als die Stärke an seiner inneren Umfangsseite 23a ist,

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daß die Höhe dp öer Spitzen der metallischen Balgen 22 an der äußeren Umfangsseite 22b größer als die Höhe m. der Spitzen an der inneren Umfangsseite 22a ist, oder daß diese Maßnahmen miteinander kombiniert werden.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist die Balgenstärke am äußeren Umfang 31b eines ein Vakuumgehäuse 31 bildenden Balgens größer als die am inneren Umfang 31a, so daß die Biegesteifigkeit des Vakuumgehäuses erhöht wird.

Der in Fig. 7 .gezeigte Balgenaufbau kann bei den Balgen 22 der Fig. 5 und 6 angewendet werden.

Was die Balgenkonstruktion betrifft, so kann ein Balgen 40 mit U-förmigem Querschnitt gewählt werden, dessen Spitzen und Täler durch Formen eines einteiligen Metallrohrs gebildet sind (Fig. 8). Ebenso kann ein geschweißter Balgen 50 verwendet werden, bei dem die inneren und äußeren Kanten gepreßter ringplattenförmiger Teile 51 miteinander durch Schweißnähte 52 verbunden sind.

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Claims

P_a t e_n_t_a_n_s_g_r__ü_c_h_e

J Kernverschmelzungsvorrichtung mit einein torusf örmigeri Vakuumgehäuse, um das Toroid- und Poloid-Wicklungen gewickelt sind, und dessen Innenraum unter einem hohen Vakuum gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegesteifigkeit der Gehäusewand in einem Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses 1 vom inneren Umfang (la) zum äußeren Umfang (1b) des Kreisquerschnittes zunimmt.
2. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Gehäusewand im Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses (1) vom inneren Umfang (1a) zum äußeren Umfang (it>) des Kreisquerschnittes zunimmt.
3. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke'der Gehäusewand am inneren Umfang (1a) des Kreisquerschnittes im wesentlichen gleichmäßig ist, und daß die Stärke von einem Grenzteil (B, C) zwischen dem inneren Umfang (1a) und dem äußeren Umfang (1Td) zum letzteren hin stetig zunimmt.
4. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichnet, daß die Stärke der Gehäusewand am inneren Umfang (ib) des Kreisquerschnittes im wesentlichen gleichmäßig ist, und daß die Stärke von einem Grenzteil zwischen dem inneren Umfang und dem äußeren Umfang zum letzteren hin stufenweise erhöht ist.
5. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form im Kreisquerschnitt des Vakuummantels (1) kreisförmig ist.

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6. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form im Kreisquerschnitt des Vakuum^häuses im wesentlichen elliptisch ist, wobei die Hauptachse in Radialrichtung des Torus verläuft.
7. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form im Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses im wesentlichen flaschenkürbisförmig ist, wobei ein kleinerer Durchmesser an der äußeren Umfangsseite (ib) angeordnet ist.
8. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Form im Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses im wesentlichen oval ist, wobei die schmalere Seite an der äußeren Umfangsseite (1b) liegt.
9. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse (31) wenigstens zum Teil aus einem Balgen aufgebaut

. ist.
10. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 'dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse (21) aus einander abwechselnden und miteinander verbundenen Balgen (22) und Ringen (23) aufgebaut ist.
11. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Falten der Balgen im Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses (21, 31) vom inneren zum äußeren Umfang des Kreisquerschnitts größer wird.
12. Kernverschmelzungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Ringe (23) im Kreisquerschnitt des Vakuumgehäuses (21) vom inneren zum äußeren Umfang größer wird.

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