Abstract:
Aus der langjährigen Forschung im Bereich der magnetischen Eingrenzung sind Stellaratoren und Tokamaks entstanden, die starken und ungleichmäßigen Magnetfelder zum Einfangen der Plasmapartikel nutzen und es ihnen ermöglichen, sich frei auf bestimmten Wegen zu bewegen. Die Tokamaks haben durch ein einfacheres Spulendesign, verschachtelte magnetische Oberflächen und die Fähigkeit, mit positiver magnetischer Scherung zu arbeiten, an Bedeutung gewonnen. Derzeit plant die Europäische Union (EU), ihre Studien über Tokamak auf Demonstrationskraftwerke (EU-DEMO) auszudehnen, der Strom erzeugen können. ... mehrZiel dieser Studie ist es, ein Konzept für die Ringkernfeldspule (TF-Spule) für zukünftige Kraftwerke mit dem Systemcode PROCESS zu entwickeln. Ziel dieser Studie ist es, ein Konzept für die Toroidalfeldspule (TF-Spule) für zukünftige Kraftwerke mit dem Systemcode PROCESS zu entwickeln.
Der PROZESS-Code gibt bestimmte Informationen wie die ungefähre Form der TF-Spule, die Fläche des Wickelpakets, das Magnetfeld an der Plasmaachse. Ausgehend vom Eingang wird das Wickelpaket der TF-Spule entworfen. Zum Beispiel, wenn die Pancake-Wicklung gegenüber der Lagen-Wicklung bevorzugt wird. Zum Beispiel, wenn die Pancake-Wicklung gegenüber der Lagen-Wicklung bevorzugt wird. Die erste Lage, die der Plasmawärme zugewandt ist, wird angesammelt, da sie sich im Hochfeldbereich befindet, wodurch der Magnet mit einer geringeren Betriebsmarge arbeitet. Der Leiter der Pancake-Wicklung ist jedoch in Umfangsrichtung und nicht entlang der Achse eines Magneten gewickelt und jedes Modul ist separat gewickelt und elektrisch in Reihe geschaltet. Der wesentliche Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass die Temperatur im Hochfeldbereich am niedrigsten ist, da sich der Heliumeinlass im Hochfeldbereich des Wickelpakets und der Auslass im Niederfeldbereich befindet. Das Wicklungspaket mit der elektrischen Schaltung ist in Reihe geschaltet und die hydraulische Schaltung ist parallel geschaltet.
Aus dem PROZESS-Code wird überprüft, ob das Magnetfeld an der Plasmaachse gleich dem erforderlichen Magnetfeld ist. Das Spitzenmagnetfeld wird auch zur Bestimmung des Arbeitspunktes des Leiters berechnet. Die 3D Elektromagnetische Simulation wird mit dem Präprozessor TOKEF und dem Code EFFI durchgeführt. Codes zur Magnetfeldberechnung einer allgemeinen dreidimensionalen Stromverteilung, die Formulierungen verwenden, die auf einer fadenförmigen Annäherung und der endlichen Leitergröße basieren. Diese Codes werden durch eine Reihe von verteilten Filamenten unter Verwendung der EFFI-Formel, die aus dem Bio-Savart Gesetz für die Volumenstromverteilung abgeleitet wurde, approximiert.
Die Statik der TF-Spule bestimmt die Spannungen im Spulengehäuse und im Wickelpaket. Der Bereich mit den höchsten Spannungen liegt in der Mittelebene des inneren Schenkels, was durch eine ähnliche Analyse mit dem Spulenmagnetsystem JT-60SA TF bestätigt wird. In der EU DEMO führt die TF-Spule hohe Ströme (in MA) und erzeugt hohe Felder. Die TF-Spule ist daher hohen magnetischen Drücken und Kräften ausgesetzt. Um die Spannungen im Wickelpaket und am Gehäuse zu untersuchen, werden in COMSOL und ANSYS verschiedene Methoden zur Analyse der Spannungen am Gehäuse, des Lösens des Wickelpakets und der Spannungen in Isolationsbauteilen betrachtet.
Ein wichtiger Fehler, der bei der Konstruktion supraleitender Magnete zu berücksichtigen ist, ist der Übergang von der supraleitenden zur normal leitenden Phase, dem sogenannten Quench. Da im normal leitenden Modus der elektrische Widerstand des Supraleitermaterials hoch ist, erzeugt die Einführung von Kupfer als elektrischer Ableiter für den Stromfluss eine Joule-Erwärmung. Der Magnet muss durch Anschluss eines externen Widerstandes parallel zum Magneten entladen werden, um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden. Die maximal zulässige adiabatische Hotspot-Temperatur, wie sie vom International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) festgelegt wurde, ist auf 150 K begrenzt, wobei alle Materialien im Leiter berücksichtigt werden, d.h. Supraleiter, Kupfer, Helium, Edelstahlmantel und Isolierung. Um die Quenchausbreitung zu simulieren, wird eine externe Heizung in den Supraleiter eingesetzt und überprüft, wie die Ausbreitung ist und welche maximale Temperatur sie während der Entladungszeit erreicht.
Abstract (englisch):
Sustained research in magnetic confinement has given rise to Stellarators and Tokamaks, which utilise strong and non-uniform magnetic fields for trapping the plasma particles and enables them to move freely along specified paths. The Tokamaks have gained prominence due to simpler coil design, nested magnetic surfaces and ability to operate with positive magnetic shear. Currently, European Union (EU) is planning to extend its studies on Tokamak towards demonstration powerplant (EU-DEMO) that can generate electricity. The aim of this study is to develop a conceptual design for the toroidal field coil (TF coil) for future power plants using PROCESS system code.
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The PROCESS code gives certain output like, the approximate shape of TF coil, area of winding pack, magnetic field at plasma axis. From the input, winding pack of the TF coil is designed. For example, in case where pancake winding is preferred over the layer winding. The first layer facing plasma heat is accumulated since it is in high field region, as a result of which, the magnet operates at lower operating margin. However, the conductor of pancake winding is wound in a circumferential direction rather than along the axis of a magnet and each module is wound separately and jointed electrically in series. The basic advantage in this method is that the temperature is lowest in the high field region since the helium inlet is located in the high field region of the winding pack and the outlet at the low field region. The winding pack comprising the electrical circuit is connected in series and hydraulic circuit is connected in parallel.
From the PROCESS code it is checked whether the magnetic field at plasma axis is equal to the required magnetic field. The peak magnetic field is also calculated for defining the operating point of the conductor. 3D Electromagnetic simulation is carried out using the pre-processor TOKEF and the code EFFI. Codes for magnetic field calculation of a general three-dimensional current distribution, that use formulations based on a filamentary approximation and the conductor finite size. These codes are approximated by set of distributed filaments using EFFI formula derived from Bio-Savart law for volume current distribution.
The structural analysis of the TFC determines the stresses in the coil casing and in the winding pack. The area with the highest stresses occurs in the midplane of the inboard leg that is confirmed by a similar analysis done with the JT-60SA TF coil magnet system. In EU DEMO, the TFC carries high currents (in MA) and produces high fields. The TFC is hence subjected to high magnetic pressure and forces. To examine the stresses in the winding pack and at the casing, various methods are considered in COMSOL and ANSYS to analyse stress at casing, debonding of the coil winding pack and stresses in insulation components.
One important failure that has to be taken care of in the superconducting magnet design is the transition from the superconducting to normal conducting phase known as quench. Since, in normal conducting mode, the electrical resistance of the superconductor material is high, introducing copper as an electrical diverter for the flow of current, generates joule heating. The magnet has to be discharged by connecting an external resistance parallel to the magnet to avoid excessive temperature rise. The maximum allowable adiabatic hotspot temperature as laid by International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) limits to 150 K, considering all materials in the conductor, i.e., superconductor, copper, helium, stainless steel jacket, and insulation. To simulate quench propagation, an external heater is placed in the superconductor and checked how the propagation is and what is the maximum temperature that it attains during discharge time.
