Постановка и решение задач механики при создании электромагнитной системы токамака (27.09.2010)

Автор: Алексеев Александр Борисович

Алексеев Александр Борисович

Постановка и решение задач механики при создании электромагнитной системы токамака

01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки

01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно - исследовательский институт электрофизической аппаратуры

им. Д.В. Ефремова», г. Санкт-Петербург

Научный консультант: доктор физико-математических наук, с.н.с.

Беляков Валерий Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, проф.

Беляев Александр Константинович,

Институт проблем машиноведения РАН

доктор физико-математических наук , с.н.с.

Пустовитов Владимир Дмитриевич,

РНЦ «Курчатовский институт»

доктор технических наук, проф.

Саксаганский Георгий Леонидович,

НИИЭФА им. Д.В. Ефремова

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита диссертации состоится “_____“_________ 2010 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д201.006.01 Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова в Доме ученых НИИЭФА (196641, г. Санкт-Петербург, пос. Металлострой, ул. Полевая, д. 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА.

Автореферат разослан “____”_________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор техн. наук, проф. И.А. Шукейло.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее перспективных направлений в современной энергетике является создание установок для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Практическая реализация УТС позволит обеспечить человечество фактически неисчерпаемым источником энергии. Среди различных устройств, создающих условия, необходимые для УТС, наибольшее распространение получили установки с магнитным удержанием плазмы - токамаки. В мире построено всего около 300 токамаков, и за последние десятилетия получены обнадеживающие результаты. Первым экспериментальным термоядерным реактором должна стать установка ИТЭР. Эскизное проектирование ИТЭР было начато в 1988 г., в 2005 г. закончилась разработка технического проекта. Соглашение о строительстве ИТЭР было подписано в ноябре 2006 г. Сейчас идет строительство этой установки.

Важнейшим элементом любого токамака является электромагнитная система (ЭМС). Создаваемые этой системой электромагнитные поля служат для формирования и удержания плазмы. В установке ИТЭР будут использованы сверхпроводящие магниты, работающие при температуре жидкого гелия (4,2 К). В исследовательских токамаках меньшего размера, таких как, например, Глобус-М, КТМ применяются медные обмотки.

ЭМС ИТЭР представляет собой гигантское сооружение. Внешний диаметр ЭМС – 25 м, высота – 15 м. Общий вес ЭМС с силовыми конструкциями составляет примерно 10 тысяч тонн. ЭМС состоит из 18 D-образных катушек тороидального магнитного поля (КТП), образующих тор, 6 кольцевых катушек полоидального магнитного поля (КПП), центрального соленоида (ЦС), состоящего из 6 секций, и 18 корректирующих катушек. Тороидальный магнит создает магнитное поле 5,3 Тл на оси плазмы. Максимальная индукция магнитного поля достигает 13 Тл в ЦС, а полная запасенная электромагнитная энергия – 51,4 ГДж. Для сверхпроводящих обмоток используются Nb3Sn и NbTi проводники, обеспечивающие высокую плотность тока.

Одной из важнейших задач при создании ЭМС является выполнение расчетов в обоснование прочности конструкции. ЭМС современного токамака – это сложная, высоконагруженная и, в каждом случае, уникальная конструкция. Расчеты ЭМС токамака включают в себя как традиционную часть ( определение напряженно-деформированного состояния, вызванного механическими и температурными нагрузками, оценку прочности и ресурса, так и такие специфические расчеты, как анализ магнитоупругой устойчивости, термомеханические расчеты захолаживания сверхпроводящих магнитов, анализ термомеханики разъёмных контактных соединений и др. Ввиду особенностей конструкции и условий нагружения такие расчеты представляют собой сложную научно-техническую проблему, требующую развития новых научных методик.

Данная работа посвящена постановке и решению ряда задач механики, стоящих на пути создания ЭМС современных токамаков, прежде всего, таких как ИТЭР.

Во-первых, ЭМС ИТЭР представляет собой пространственную магнитомеханическую конструкцию с токонесущими обмотками и силовыми элементами. В результате взаимодействия электрических токов и создаваемых ими магнитных полей возникают огромные пондеромоторные силы, приводящие к механическому нагружению магнитной системы. Полная радиальная сила на одну КТП составляет 402 MН, а разрывающая вертикальная сила на половину КТП ( 205 MН. Генерируемые системой КПП полоидальные магнитные поля создают дополнительные циклические распределенные силы, действующие на КТП в тороидальном направлении (из плоскости катушки) и стремящиеся опрокинуть систему катушек. Значительные циклические механические нагрузки действуют также на ЦС и КПП. Для восприятия этих нагрузок служат стальные корпуса КТП и дополнительные силовые конструкции. Пондеромоторные силы являются основными определяющими механическими нагрузками при расчетах на прочность ЭМС токамака. В «тёплых» ЭМС большое значение имеют также температурные воздействия. Другие проектные нагрузки, такие как вес или давление хладоагента обычно пренебрежимо малы.

Для оценки статической и циклической прочности конструкции ЭМС необходимо определить напряженно-деформированное состояние (НДС) ЭМС, вызванное действием проектных нагрузок. Для этого необходимо выбрать наиболее подходящие расчетные схемы, построить расчетные модели, приложить внешние нагрузки, определить НДС для всех режимов работы. Таким образом, первая задача состоит в определении напряженно-деформированного состояния и оценке прочности при рабочих режимах, включая аварийные ситуации.

Во-вторых, магнитомеханическое взаимодействие токонесущих элементов может стать также причиной потери устойчивости ЭМС. В исходном состоянии положение элементов ЭМС характеризуется осевой и циклической симметрией. Однако при отклонении от этого состояния возникают дополнительные упругие и электромагнитные силы. Упругие внутренние силы являются стабилизирующими (восстанавливающими) положение равновесия, в то время как электромагнитные силы могут быть стабилизирующими или дестабилизирующими в зависимости от конфигурации системы и направления токов. В случае малых отклонений можно ввести понятие магнитной жесткости. Упругая жесткость всегда положительна. В случае дестабилизирующих магнитных сил, когда эти силы действуют в направлении отклонения, магнитная жесткость отрицательна и возможна потеря устойчивости. Для обеспечения устойчивости система должна иметь достаточно большую упругую жесткость. Вторая задача заключается в анализе магнитоупругой устойчивости ЭМС.

В-третьих, ЭМС крупного современного токамака, такого как ИТЭР, является сверхпроводящей и работает при криогенной температуре около 4,2 К. Захолаживание обмоток и силовых конструкций до рабочей температуры сопровождается возникновением температурных градиентов и механических напряжений. Значительные размеры ЭМС и применение композитных материалов для сверхпроводящих обмоток делает проблему обеспечения прочности при захолаживании весьма актуальной для ИТЭР. Захолаживание с низким темпом приводит к снижению температурных градиентов и напряжений, однако увеличивает продолжительность захолаживания. Необходимо расчетным путем выбрать приемлемый сценарий захолаживания как с точки зрения времени, так и условий прочности. Таким образом, третья рассматриваемая задача состоит в разработке методик расчета температурных полей и исследовании напряженно-деформированного состояния с целью оценки прочности и оптимизации захолаживания ЭМС.

В-четвёртых, невозможно изготовить и собрать элементы ЭМС с абсолютной точностью. Отклонения от идеальной геометрии (искажение формы, неравномерные зазоры, неплотное прилегание сопрягаемых элементов и др.) могут привести к появлению дополнительных напряжений в конструкции ЭМС. Особенно это становится актуальным для крупных токамаков, таких как ИТЭР и KSTAR. Важно не только знать к каким перегрузкам могут привести геометрические отклонения, но и определить границы допустимости этих отклонений, т.к. это влияет на требования к допускам на изготовление и сборку ЭМС. Ясно, что чрезмерное ужесточение этих требований может сильно увеличить стоимость изготовления и сборки. С другой стороны, большие отклонения могут привести к недопустимо высоким механическим напряжениям в конструкции. Кроме этого, в процессе изготовления элементов ЭМС, например, в результате гибки проводника в кожухе проводника возникают остаточные напряжения, которые необходимо учитывать при оценке ресурса конструкции. При этом, внося изменения в традиционные процессы изготовления, можно получить благоприятное распределение остаточных напряжений в конструкции. Следовательно, необходимо исследовать влияние напряжений, связанных с изготовлением и сборкой, на НДС и прочность ЭМС.

И наконец, в-пятых, оценка прочности невозможна без соответствующих нормативных документов. Необходимо сравнить расчетные величины действующих напряжений с допускаемыми значениями. На данный момент не существует специальных норм расчета на прочность ЭМС токамака-реактора. При проектировании и расчете на прочность несверхпроводящих ЭМС экспериментальных установок для исследования управляемого термоядерного синтеза обычно используются нормы и стандарты, разработанные для оборудования атомных энергетических установок. Хотя эти нормы не учитывают особенности нагружения электромагнитными силами, они в достаточной мере задают критерии для предотвращения статических и циклических разрушений, характерных для конструкций, работающих при комнатной и повышенной температуре. Однако сверхпроводящие ЭМС проектов крупных современных установок, таких как ИТЭР, обладают рядом особенностей, которые потребовали разработки специального набора нормативных документов для расчета на прочность.

Таким образом, решение перечисленных задач является актуальным при создании ЭМС установок типа токамак для исследования управляемого термоядерного синтеза.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-технических работ, проводимых в Федеральном унитарном государственном предприятии «НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова», в соответствии с Координационным планом по Государственной научно-технической программе “УТС и плазменные процессы”, а также в соответствии с Федеральной целевой программой “Международный термоядерный реактор ИТЭР” на 2002-2005 гг. (Постановление Правительства РФ № 604 от 21.08.2001), Федеральной целевой научно-технической программой “Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку” на 1999-2001 гг. (Постановление Правительства РФ № 1417 от 01.12.1998) и Федеральной целевой программой “Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку” на 1996-1998 гг. (Постановление Правительства РФ № 1119 от 19.09.1996).

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в постановке и решении следующих задач механики для обоснования прочности при создании ЭМС токамака:


загрузка...