Постановка и решение задач механики при создании электромагнитной системы токамака

• Автор: Алексеев, Александр Борисович
• Шифр специальности: 01.04.13, 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 312 с. : ил.

1.1 Введение. Назначение, устройство и условия работы ЭМС .

1.2 Конструктивные формы элементов ЭМС. Силовые конструкции.

1.3 Особенности расчета композитных обмоток.

1.4 Исследование напряженнодеформированного состояния силовых консгрукций с использованием глобальных и локальных КЭ моделей
1.5 Применение метода суперпозиции для расчета механической реакции на произвольную комбинацию токов в системе КПП

1.6 Оценка прочности ЭМС в аварийных режимах

1.7 Анализ НДС модельных катушек

1.8 Выводы по главе

Глава 2 Анализ магнитоупругой устойчивости элементов ЭМС

токамака

2.1 Введение. Магнитная жесткость. Потенциальность пондеромоторных сил.

2.2 Система катушек тороидального ноля.
2.2.1 Устойчивость внутренней зоны системы КТИ в случае частичного арочного распора
2.2.2 Устойчивость центральной зоны системы КТП в схеме с опиранием на центральный соленоид
2.3 Система катушек полоидального поля
2.3.1 Устойчивость системы КПП на упругих опорах
2.3.2 Устойчивость КПП в тороидальном поле.
2.3.3 Анализ дополнительных сил и устойчивости внутрикамерных КПП проекта модернизированной установки ТД.
2.4 Применение конечноэлементных расчетных комплексов к анализу магнитоупругой устойчивости
2.5 Выводы по главе
Глава 3 Термонапряжснпое состояние ЭМС при захолаживании
3.1 Введение.
3.2 Температурные поля в КТГ1 при захолаживании
3.2.1 Модель двухфазной гомогенной среды.
3.2.2 Распределение температуры в сверхпроводящей
обмотке.
3.2.3 Распределение температуры в корпусе катушки
3.2.4 Эффективные теплофизические свойства обмотки
3.2.5 Результаты расчета температурных полей.
3.3 Напряженнодеформированное состояние КТП.
3.3.1 Постановка задачи. Расчетная модель
3.3.2 Результаты расчетов
3.4 Анализ захолаживания модельной катушки центрального соленоида ИТЭР и сравнение с экспериментальными
данными
3.5 Выводы по главе
Глава 4 Задачи механики, связанные с изготовлением и сборкой ЭМС
4.1 Исследование влияния отклонений от номинальных размеров и положения элементов системы i на ИДС силовых
конструкций
4.1.1 Введение. Постановка задачи
4.1.2 Расчетные модели и нагрузки
4.1.3 Результаты расчета.
4.2 Оценка остаточных напряжений при гибке проводника
катушки полоидального поля и их влияние на ресурс
4.3 Способ изготовления бескаркасного равнопрочного
сверхпроводящего соленоида.
4.4 Выводы по главе
Глава 5 Разработка и обоснование основных положений Норм
расчета на прочность ЭМС ИТЭР
5.1 Введение.
5.2 Предельные состояния.
5.3 Критерии статической прочности для металлических
элементов
5.4 Критерии циклической прочности для металлических
элементов
5.5 Учет среднего напряжения при расчете роста усталостной
трещины
5.6 Особенности оценки циклической прочности болтов
5.7 Критерии прочности для неметаллических материалов
5.8 Особенности оценки устойчивости
5.9 Выводы по главе
Заключение
Список литературы


Даны практические соотношения, полученные на основе уравнения Уолкера, для конструкционных материалов ЭМС ИТЭР. Особенности оценки циклической прочности болтов ЭМС ИТЭР рассмотрены в шестом разделе. Болты затягиваются при комнатной температуре, а циклически нагружаются при 4К. Благодаря низкотемпературному упрочнению материала болта циклические напряжения в резьбе не ограничиваются пределом текучести. Показано, что в этом случае метод среднего номинального напряжения, который широко используется для анализа циклической прочности элементов конструкций с концентраторами напряжений, работающих при комнатной и повышенных температурах, может дать неправильную, неконсервативную оценку. В разделе даны рекомендации по применению метода остаточных напряжений с учетом специфики циклического нагружения болтовых соединений ЭМС. Критерии прочности для электрической изоляции высоко и низковольтной, а также для конструкционных силовых элементов из неметаллических материалов изложены в седьмом разделе. При назначении критериев механической прочности изоляции учитывается, как е конструкционная роль, так и диэлектрическая функция. В восьмом разделе обсуждаются особенности оценки устойчивости элементов ЭМС токамака. В дополнение к классической потере устойчивости сжатых элементов в Нормах рассматривается возможность
потери соосности системы катушек полоидального ноля и центрального соленоида. Указывается на необходимость учета магнитных жесткостей при анализе устойчивости токонесущих элементов ЭМС. Специфицируется требуемый минимальный коэффициент запаса устойчивости. Этот коэффициент больше чем в обычных нормах, что объясняется особенностями условий работы ЭМС. В последнем разделе каждой главы представлены краткие выводы. В заключении подводятся итоги выполненной работы. Глава 1. Введение. Назначение, устройство и условия работы ЭМС. В соответствии с предназначением ЭМС современного токамака состоит из трех основных элементов центрального соленоида ЦС, системы катушек тороидального ноля КТП и системы катушек полоидального поля КПП, которые обычно выполнены в виде наборов дискретных катушек. КТП соединены последовательно, но ним протекает одинаковый ток. Токи в катушках ЦС и КПП различны и меняются во времени в соответствии с рабочим сценарием. При быстром изменении тока в обмотке ЦС происходит пробой и ионизация рабочего газа в вакуумной камере. Возникает тороидальный плазменный шнур с продольным электрическим током, обеспечивающим омический нагрев плазмы. Центральный соленоид индуктор расположен в центре токамака. Ток в КТП образует продольное магнитное поле, которое вместе с магнитным полем тока плазмы обеспечивает термоизоляцию плазмы от стенок камеры. Устойчивое равновесие плазменного шнура в вакуумной камере обеспечивают КПП. В токамаках применяются как сверхпроводящие ЭМС ИТЭР , 4 и др. МС, работающие при комнатной и повышенных температурах КТМ , ГлобусМ , Т , , и др. На рис. ИТЭР . В ЭМС ИТЭР используется по 6 катушек в ЦС и в системе КПП, а система КТП состоит из катушек. МС охватывает вакуумную камеру с внутрикамерными устройствами. Вс сооружение помещено в криостат, поскольку магнитная система ИТЭР сверхпроводящая и имеет температуру около 4К. Подробное описание МС токамаков имеется в специальной электрофизической литературе 1, 5. В результате взаимодействия токов и магнитных полей на элементы ЭМС действуют пондеромогорные силы , , . Приведм краткое описание этих сил, действующих на основные элементы ЭМС КТП, КПП, ЦС. На каждую КТП действуют силы, расположенные в плоскости катушки, и силы, перпендикулярные плоскости катушки. Силы в плоскости катушки рис. За это распределнные объмные силы, возникающие в результате взаимодействия тороидального магнитного поля с током в токонесущей обмотке КТП. По периметру катушки эти силы изменяются обратно пропорционально расстоянию до центра установки и, в общем случае, вызывают растяжение и изгиб КТП. В сумме они создают на каждую катушку неуравновешенную радиальную силу, направленную к центру установки .