Импульсный источник питания с энергосодержанием до 20 МДж комплекса ГОЛ-3

• Автор: Меклер, Константин Иванович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 159 с. : ил

Оглавление
страница
Введение
Глава 1. Разработка и проектирование емкостного накопителя энергии
1.1 Основные технические требования к накопителю
1.2 Выбор решений
1.3 Особенности принципиальной схемы
1.4 Конструкция конденсаторной батареи
1.5 Выбор и расчет отдельных элементов накопителя
1.6 Испытания элементов источника энергии
Глава 2. Другие системы импульсного источника питания
2.1 Система зарядки
2.2 Контроль и управление
2.3 Обеспечение электрической безопасности
2.4 Меры противопожарной безопасности
Глава 3. Компьютерное обеспечение функционирования источника питания
3.1 Система автоматизации
3.2 Программное обеспечение
Глава 4. Опыт эксплуатации источника питания
Заключение
Приложения 1, 2, 3,
Приложение иллюстраций
Литература
Введение
Необходимость разработки и создания мощных импульсных источников энергии стала особенно актуальной в 50-х годах в связи с началом исследований по управляемому термоядерному синтезу, как в СССР, так и в ряде зарубежных стран (см., например, [1]). Накопители с запасаемой энергией в десятки, сотни килоджоулей, а затем и в мегаджоульном диапазоне понадобились для генерации мощных импульсов тока в плазменных камерах крупных установок, для питания магнитных систем, создающих сильные и сверхсильные магнитные поля, в мощных импульсных пучковых, лазерных установках и т.п. (см., например, [2],[3-4],[5-6],[7]). Наука и техника в этом направлении интенсивно развивалась около 50 лет, и сейчас такие работы продолжаются во многих лабораториях мира (см., например, [8],[9],[10],[11 ].[ 12]).
Необходимость создания многомегаджоульного импульсного источника энергии возникла в Новосибирском Институте ядерной физики в начале 80-х годов в связи с разработкой и сооружением комплекса ГОЛ-3 [13]. В Институте ядерной физики к тому времени были предложены такие типы открытых ловушек, как классический пробкотрон [14], амбиполярная ловушка [15,16], многопробочная ловушка [17] и газодинамическая ловушка [18].
Как известно, в конце 70-х годов в СССР было принято правительственное решение о дальнейшем развитии термоядерных исследований и сооружении нескольких крупных установок. Это касалось и развития программы открытых ловушек, работы по которым, в частности, велись в то время в ИЯФ под руководством Д.Д.Рюгова. По его предложению для осуществления этой программы было построено специальное здание «ДОЛ». В этом здании предполагалось создать комплекс ГОЛ-3. Другая установка, располагающаяся в этом здании, - это «АМБАЛ-М» [19].

Основной частью комплекса ГОЛ-3 является плазменная установка - длинная открытая ловушка (общая длина до 20 метров) для исследования нагрева плотной плазмы мощным импульсным релятивистским электронным пучком н последующего удержания этой плазмы в магнитном поле, имеющем многоиробочную конфигурацию. Установка и входящий в ее состав импульсный источник энергии сооружались в несколько этапов [20-31].
Учитывая размеры установки: длину 10-20 метров, диаметр плазменной камеры 10 - 15 см и величину магнитного поля на уровне 5 - 10 Т, стало ясно, что для питания магнитной системы установки требуется создание импульсного источника энергии с энергозапасом 10-20 МДж, с надежным и безопасным срабатыванием в течении многих тысяч «выстрелов» при многолетнем проведении физических экспериментов. При этом также требовалось обеспечить удобное управление и надежный контроль и, что не менее важно, хорошую согласованность с работой других систем комплекса ГОЛ-3.
Создание такого импульсного источника энергии и явилось основной задачей диссертанта с середины 80-х годов. Перед началом работы был проанализирован опыт создания мощных импульсных источников энергии в Курчатовском институте [32], в ТРИНИТИ [33], ИСЭ [34] и других лабораториях (институтах), а так же в Новосибирском Институте ядерной физики, на установках ИНАР [35], ГОЛ-1 [36], У-1 [37], ГДЛ [38].
В состав любого импульсного источника питания неизменно входят накопители энергии. Из известных накопителей (емкостные, индуктивные, инерционные и т.д. [39-42]) наиболее подходящими для комплекса ГОЛ-3 (энергия ~20 МДж и длительность импульса -20 мсек) являются емкостные накопители, которые, кроме всего прочего, имеют самый высокий к.п.д. (см. например, [42]).

повреждений электроизоляционным картоном. Такая изоляция обеспечивает пятикратный запас по электрической прочности. Ошиновка стойки (двух секций), содержащей 200 конденсаторов, выполнена такими же вертикальными шинами. Шины стянуты изолированными шпильками М 10 с использованием стеклотекстолитовых прокладок.
Конденсаторы, расположенные в два ряда (см. Рис. 8), присоединены к шинам не жестко для предотвращения механических повреждений, возможных при больших токах, протекающих по шинам. Присоединение к «земляной» шине выполнено медным ленточным проводником, а к потенциальной - специально разработанным плавким предохранителем, представляющим собой тонкий медный провод, определенной длины и толщины (подробнее см. ниже).
Тиристорные ключи (ТК), дроссели (Др), диоды (Д0-Д5) и резисторы (Я1) (см. Рис. 5) расположены наверху стоек. В первоначальном варианте резисторы (ЯЗ) располагались на ограждении высоковольтного блока на отметке 4м, а в дальнейшем они были передвинуты ближе к автоземлителям и в последних версиях отсеков находятся на тех же подставках, что и механические землители и автоземлители. Эти специальные подставки укреплены на лицевой части каждой стойки в пределах прямой видимости при входе в высоковольтную часть конденсаторного отсека. Резисторы (112) установлены по два на разной высоте боковой поверхности каждой стойки. Они изготовлены в виде бескаркасных катушек из высокоомного провода.
Сопротивления Ы1 и 113 (Рис.5) это спирали из нихромовой проволоки, намотанной на асбестовые каркасы. Сечение проволоки рассчитывалось таким образом, чтобы при одном импульсе нагрев резистора Ш не превышал 200 градусов, а 113, которое используется только в нештатных режимах, - 400 градусов.