Necessity of Reliability Enhancement for Forced Cooled Super-Conducting Magnet Systems

Abstract

Сверхпроводящие магниты (СМ) для термоядерных установок последних поколений, как правило, имеют принудительное охлаждение, позволяющее сделать надёжную изоляцию катушек, применяя технологию «вакуумирование-пропитка под давле-нием» (ВПД). Для СМ этого типа характерно большое количество гелиевых, токовых и диагностических коммуникаций вокруг магнита. При быстрых изменениях тока на них наводится высокое напряжение. Эти коммуникации расположены в вакууме криостата, который обеспечивает их изоляцию. Однако вакуум может быть нарушен, и тогда одновременно теряются его тепло-и электроизоляционные свойства. При этом магнит переходит в нормальное состояние, включается защитный вывод тока при высоком напряжении, которое вызывает пробой, переходящий в электрическую дугу. Пробой также может произойти, когда нарушение вакуума сопровождает переход СМ в нормальное состояние по иной причине или когда напряжение на выводах магнита токамака наводится при получении плазмы, управлении её равновесием и формой, росте или срыве тока в ней. Подоб-ные аварии произошли в шести СМ токамаков с принудительным охлаждением 17 раз. Причём все пробои начинались на ком-муникациях, изоляция которых делалась обмоткой изоляционными лентами разных типов, но без применения технологии ВПД, используемой лишь в катушках. Столь многочисленные аварии показывают, что на всех внутренних коммуникациях СМ нужна такая же надёжная изоляция, как на самих катушках. Для этого над ними должны быть установлены вакуумно-плотные зазем-лённые чехлы из нержавеющей стали с зазором, заполненным твёрдым изоляционным материалом, например, по технологии ВПД или замерзшим азотом. Это позволит сделать изоляцию внутренних коммуникаций СМ надёжной и не зависящей от усло-вий в криостате, а также облегчит и ускорит её испытания. Кроме того, чехлы исключат течи гелия в криостат, создавая второй вакуумно-плотный барьер, позволяющий искать и устранять течи гелия на собранном магните, что значительно увеличит на-дёжность магнитной системы и позволит избежать необходимости испытаний всех катушек до сборки.Ключевые слова: сверхпроводящий магнит, надёжность, термоядерная установка, принудительное охлаждение, электрическая изоляция. The latest superconducting magnets (SM) for fusion are generally forced-cooled. This allows to get a reliable magnet coil insulation using "vacuum -pressure impregnation" (VPI) technology. The SM of this type are surrounded with many cryogenic, electric and diagnostic communications. A high voltage is induced on them at fast current variations. They have a good insulation being placed in cryostat vacuum. However in the case of vacuum loss the heat-insulating and electrical insulating performances of the cryostat medium are being lost simultaneously. It results in SM transition into normal state, fast protective current dump at high voltage, breakdown and arc. The same can occur if vacuum loss would accompany SM transition into normal state by any other reason, or when high voltage on magnet leads is induced by plasma initiation or controlling as well as by plas...

Design, Numerical Analysis and Reliability Assessment of the Demo-FNS Superconducting Magnets Thermal Shield

“…Вопросы повышения надёжности СМС для любых термоядерных установок в настоящее время яв-ляются весьма актуальными [1]. По результатам эксплуатации токамаков последнего поколения сделан вывод, что одной из причин многочисленных случаев нарушения вакуума в криостатах установок EAST, KSTAR, SST-1 и др.…”