Conceptual Design of High Temperature Superconducting Toroidal Field Coils for Future Fusion Power Plants

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. Ziel 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