CH663705A5 - Vorrichtung mit einer anordnung von polspulen fuer eine kernfusionsanlage. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer Anordnung von Polspulen versehene Vorrichtung für eine Kernfusionsanlage und insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die in einer Kernfusionsanlage des Ring-Typs verwendet wird, um das Aufheizen des Plasmas zu steuern.

Eine typische Kernfusionsanlage des Ring-Typs umfasst verschiedene Spulen in Verbindung mit einem Vakuumgefäss, um das im Vakuumgefäss erzeugte Plasma zu begrenzen und aufzuheizen. Das Vakuumgefäss hat die Form eines hohlen Ringes und einige Spulen, die als Polspulen bezeichnet werden, erstrecken sich entlang dem Vakuumgefäss in Richtung seiner Polachse, während andere Spulen, die als Ringspulen bezeichnet werden, sich senkrecht zu den Polspulen und zum Gefäss erstrecken und diese in Richtung ihres Ringumfangs umgeben.

Folglich müssen zur Montage der Anlage entweder die Ringspulen oder das Vakuumgefäss und die Polspulen in mindestens zwei Teilstücke zerlegt werden. Im letztgenannten Fall werden die Teilstücke des Gefässes und der entsprechenden Polspulen voneinander getrennt, um dazwischen eine Lücke zu schaffen, die gross genug ist, um die Ringspule durch diese Lücke hindurchzuführen. Das Vakuumgefäss und die Teilstücke der Polspulen werden danach elektrisch und mechanisch über ein kurzes Anschlusselement verbunden, das die Lücke überbrückt und mit den Teilstücken durch mit Schrauben oder Bolzen befestigbare Verbindungsstücke verbunden ist. Ein Beispiel der Schraubverbindung wird in allen Einzelheiten in einem Artikel von R. Allgeyer et al mit dem Titel «The Toroidal and Poloidal Magnetic Field Coils of the ASDEX Tokamat» in der IEEE-Publikation «Proceedings of the Sixth Symposium on Engineering Problems of Fusion Research». Veröffentlichungsnummer 75CH1097-5-NPS, 20. November 1975, Seiten 777-780, beschrieben. Die bekannte Schraubverbindung, die eine gewisse Leiterdicke erfordert, ist jedoch nicht geeignet für die Verwendung in neueren grossen und komplizierten Kernfusionsanlagen, in denen die Windungen des Spulenleiters dünn sind und beispielsweise Querschnittsdimensionen von 4 mm X 125 mm aufweisen, wie es erforderlich ist, um mit den in der Anlage beschränkten Platzverhältnissen auszukommen.

Als andere Lösung beschreibt ein Artikel von M.W.G. Bahr et al mit dem Titel «Silver Brazing Methods for Joining the OH and SF Field coil Turns for the PLT Machine» in der IEEE-Publikation «Proceedings of the Sixth Symposium on Engineering Problems of Fusion Research», Veröffentlichungsnummer 75CH1097-5-NPS, 19. November 1975, Seiten 480-483, ein Beispiel einer Silberhartlot-Verbindung für Teilstücke von Spulenwindungen. Die Silberhartlot-Verbindung ist für neuere Anlagen besser geeignet als die Schraubverbindung, weil keine Bedingung bezüglich der Leiterdicke gestellt wird. Da jedoch die Hartlotverbindung das Aufheizen aller Spulenwindungen der Leiterteilstücke nacheinander auf eine hohe Temperatur erfordert und die starren Leiterteilstücke an ihrem Ort in der Fusionsanlage unverrückbar befestigt sind, haben die während des Hartlötens zwischen den Leitern der Spulenwindungen thermisch erzeugten Dehnungsunterschiede in den starren Leiterteilstücken zur Folge, dass die elektrische Isolation der Spulenleiter beschädigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mit einer Anordnung von Polspulen versehene Vorrichtung für eine Kernfusionsanlage zu schaffen, die keinen während des Hartlötens von der thermischen Dehnung der Spulenleiter verursachten Schaden an der Isolation aufweist und leicht herzustellen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die erfindungsgemässe Vorrichtung gekennzeichnet durch die im Anspruch 1 angegebene Kombination von Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im folgenden werden nun Ausführungsbeipiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht einer typischen Tokamak-Kernfusionsanlage, in welcher die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig.l;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer Anordnung von Polspulen, wobei die elektrische Isolation entfernt wurde;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 und 6 je eine zur Erläuterung der Schritte zum Schaffen der erfindungsgemässen, mit der Anordnung von Polspulen versehenen Vorrichtung dienende, der Fig. 3 entsprechende Seitenansicht; und

Fig. 7 eine Seitenansicht einer anderen erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer Anordnung von Polspulen.

Fig. 1 und 2 zeigen eine typische Kernfusionsanlage des Tokamak-Typs, in welcher eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit einer Anordnung von Polspulen angewendet wurde. Die Kernfusionsanlage umfasst ein ringförmiges Vakuumgefäss 10, in dem ein Plasma 12 erzeugt und aufrechterhalten wird. Um das Plasma 12 im Gefäss 10 zu begrenzen und zu steuern werden eine Mehrzahl von Feld-Ringspulen 14 und eine Mehrzahl von Feld-Polspulen 16 um das Vakuumgefäss 10 vorgesehen. Die Ringspulen 14 erstrecken sich in einer die Polspulen 16 und das Vakuumgefäss 10 umkreisende Ringrichtung. Die Polspulen 16 umfassen Heizspulen, vertikale Feldspulen und Kompensationsspulen, die sich in einer Polrichtung entlang dem Vakuumgefäss 10 und innerhalb der Ringspulen 14 erstrecken. Deswegen werden das Vakuumgefäss 10 und die Polspulen 16 zum Zwecke ihrer Montage innerhalb der Polspulen und der Ringspulen, wie im vorangehenden beschrieben, meist als zwei getrennten Teilstücke hergestellt, und die betreffenden Teilstücke werden in solchem Abstand zueinander befestigt, dass es möglich ist, die Ringspulen 14 durch die dazwischenliegende Lücke hindurchzuführen, um eine leichte Montage zu gewährleisten. Nachdem die Teilstücke des Gefässes und der Polspulen in die sie um5

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gebenden Ringspulen eingeführt und in vorbestimmten Stellungen auf einer geeigneten Befestigungsvorrichtung mechanisch gesichert worden sind, müssen sie elektrisch und mechanisch mittels eines geeignetes Überbrückungs- und Verbindungsstücks miteinander verbunden werden.

Fig. 3 und 4 veranschaulichen eine Ausbildung des erfindungsgemässen Verbindungsstücks der Polspulen. Die Anordnung der Polspulen umfasst mindestens zwei Teilstücke 18 von Polspulen. Jedes Teilstück 18 umfasst eine Mehrzahl von starren Leiterwindungen 20 aus beispielsweise Kupferbarren. Wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht, ist jede Leiterwindung 20 mit einer elektrisch isolierenden innenseitigen Beschichtung 22 versehen, und die isolierten Leiterwindungen 20 sind zum Bilden eines Stapels von Leiterbarren aufeinandergestapelt. Der Stapel von Leiterbarren wird dann mit einer elektrisch isolierenden aussenseitigen Beschichtung 24 versehen.

An den Enden des Spulenteilstücks 18 sind die Leiter Windungen 20 zugänglich, da die innen- und aussenseitigen Isolationen entfernt worden sind, und jedes Ende des Leiterbarrens 20 ist diagonal geschnitten, um eine schräge Endseite 26 zu schaffen. Vorzugsweise ist der freie Raum oder die Lücke zwischen den jeweiligen Endseiten 26 der Leiterbarren 20 breit genug, um die Ringspulea 14 hindurchzuführen. Diese ziemlich breiten Lücken sind durch Überbrückungs- und Verbindungsstücke 28 verbunden, die an den schrägen Endseiten 26 der Leiterbarren 20 mit ihren entsprechend gegenüberliegenden schrägen Endseiten 30 hartgelötet sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlich umfassen die Verbindungsstücke 28 zwei Arten von Teilen, von denen die eine Art aus einem massiven und starren, an seinen beiden Enden mit schrägen Endseiten 30 versehenen Kupferbarren 32 besteht, während die andere Art aus einer elektrisch leitenden, flexiblen Struktur 34 besteht, die ein Paar von elektrisch leitenden Blöcken 36 beispielsweise aus Kupfer und eine die Blöcke verbindende, elektrisch leitende Laminarstruktur 38 mit ziemlich dünnen Bändern beispielsweise aus Kupfer und von beispielsweise 0.05 bis 0.1 mm Dicke umfasst. Den leitenden Blöcken 36 sind schräge Endseiten 30 angeformt, die zu den schrägen Endseiten 26 der Spulenleiter 20 passen. Nachdem diese Verbindungsstücke 28 hartgelötet wurden, wird der hartgelötete Bereich der Spule auf bekannte und nicht dargestellte Weise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen.

Fig. 5 und 6 veranschaulichen die Herstellungsschritte der in Fig. 3 dargestellten Verbindung. Fig. 5 zeigt, dass die flexible Struktur 34 auf eine hohe Temperatur von 700°C bis 800°C geheizt wird, um auf die schrägen Flächen 26 der Endseiten der Leiterwindungen 20 hartgelötet zu werden, nachdem der starre Überbrückungs-Leiterbarren 32 fest auf die Teilstücke 20 der

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Leiterwindung hartgelötet wurde. Im Laufe dieses Hartlötvorgangs wird der massive Leiterbarren 32, der durch Hartlöten auf die Leiterwindungen 20 bereits befestigt worden ist, nicht auf die hohe Temperatur erhitzt, wenn die flexible Verbindungsstruktur 34 geheizt und hartgelötet wird. Somit erscheint eine ziemlich grosse, durch die Temperaturdifferenz verursachte Differenz der thermischen Dehnung zwischen der starren und der flexiblen Verbindungsstruktur 32 bzw. 34. Diese Dehnungsdifferenz, die bei einer bekannten hartgelöteten Verbindungsstruktur nicht aufgefangen werden konnte, weil darin sämtliche Verbindungsstücke starr sind, wird durch die flexible Verbindungsstruktur des erfindungsgemäss gestalteten Verbindungsstücks aufgefangen. Aus Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, dass das flexible Verbindungsstück 34 sich verbiegt, um die thermische Dehnung aufzufangen, wenn es auf eine hohe Hartlöt-Tem-peratur geheizt wird, so dass das andere bereits hartgelötete Verbindungsstück und die darauf angebrachte elektrisch isolierende Beschichtung keiner unerwünschten thermischen Belastung unterworfen werden. Es ist auch ersichtlich, dass die Verbindungsstücke 32 und 34 solche Dimensionen haben, dass sie die Endseiten der Leiterwindungen ohne Auftreten von mechanischer Spannung bei Raumtemperatur verbinden. Wenn alle Leiterwindungen 20 mechanisch und elektrisch durch die Verbindungsstücke 32 und 34 verbunden worden sind, wird jede Leiterwindung an der zugänglichen Stelle mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 22 versehen, und dann wird der Stapel von Leiterwindungen gesamthaft mit der elektrischen Beschichtung 24 versehen, wie im vorangehenden mit Bezug auf Fig. 4 erläutert wurde.

Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass,

weil die erfindungsgemässe mit einer Anordnung von Polspulen versehene Vorrichtung mindestens ein flexibles Verbindungsstück umfasst, die thermisch bedingten Dehnungsdifferenzen, die während des Hartlötens an der elektrischen Isolation der Spulenleiter Schäden verursachen, durch die Verbiegung der in den Verbindungsstücken enthaltenen flexiblen Struktur aufgefangen werden können.

Fig. 7 veranschaulicht eine andere Ausbildung der Erfindung, in welcher die flexiblen Strukturen 40, die ähnlich wie in der Ausbildung nach Fig. 3 und 6 als einer Mehrzahl von Kupferbändern bestehenden Laminarstrukturen ausgebildet sind, in die Leiterwindungen 20 eingefügt werden, statt zwischen den Blöcken 36 wie in der vorangehend beschriebenen Ausbildung eingefügt zu werden. Die Überbrückungs- und Verbindungsstücke 32, die zwischen den Endseiten 26 der Leiterwindungen 20 metallurgisch eingefügt werden, sind alle massive und starre Elemente.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Mit einer Anordnung von Polspulen versehene Vorrichtung für eine Kernfusionsanlage, gekennzeichnet durch mindestens zwei Teilstücke (18) von Polspulen (16), von denen jedes eine Mehrzahl von starren Leiterwindungen (20) um-fasst,

auf diesen Leiterwindungen und auf diesen Teilstücken von Polspulen angebrachte elektrisch isolierende Beschichtungen (22, 24),

eine Mehrzahl von Überbrückungs- und Verbindungsstücken (28) zum elektrischen und metallurgischen Verbinden der Windungsenden (26) der Leiterwidungen zum Bilden einer Mehrzahl von vollständigen Windungen,

und eine elektrisch leitende flexible Struktur (34), die in mindestens eine dieser Leiterwindungen oder eines dieser Verbindungsstücke eingesetzt ist, um die thermische Dehnung der Spulenleiter aufzufangen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Struktur ein Paar von elektrisch leitenden Blöcken (36), die dazu bestimmt und ausgebildet sind, mit entsprechenden Windungsenden der Leiterwindungen verbunden zu werden, und eine flexible Laminarstruktur (38) aus einem elektrisch leitenden Material, die zwischen den leitenden Blöcken angeordnet ist, umfasst.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminarstruktur eine vorbestimmte Anzahl von 0,05 mm bis 0,1 mm dicken Kupferbändern umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstule in eine Mehrzahl von Teilstücken geteilt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polspule einen Durchmesser von 5 bis 10 m aufweist.