Comparison of superconducting magnets with mechanical support elements placed inside tours

Abstract

The open space inside torus of superconducting magnetic devices, as against a fusion device, may be used for placing elements of mechanical support structure. The toroidal systems with O-shaped and racetrack-shaped coils and support elements inside torus are investigated in this paper. Two problems are solved proposed magnets configurations: elimination of bending moments in the support system and ensuring uniform mechanical stress in all support elements. Support system requirements as well as the volume of a superconducting winding and sizes of toroidal system are analyzed. The racetrack-shaped torus support system requirements are approximately the same as corresponding values for O-shaped torus with spokes and for traditional systems with geometrically more complicated banded Dshaped coils. The volume of superconducting winding of toroidal system with racetrack coils is considerably lesser in comparison with O - shaped coils and approaches to theoretical minimum for D-shaped torus. Also, the toroidal magnet with racetrack coils has minimal radial sizes as compared with other researched configurations.

Розглянуто тороїдальні магнітні системи, внутрішній об’єм яких використовується для розміщення там елементів механічної утримуючої системи. Досліджено системи з котушками круглої і рейстрекової форм. Запропонованo утримуючу систему, у якій відсутні згинаючі моменти і забезпечено однакові значення механічних напруг в елементах конструкції. Проведено аналіз розмірів тороїдальних соленоїдів і об’ємів надпровідної обмотки та матеріалу механічної утримуючої системи. Показано, що об’єм утримуючої системи практично однаковий для соленоїдів із стяжками для котушок як рейстрекової, так і круглої форм, а також для більш складних за геометрією D-подібних котушок, для яких необхідним є механічний бандаж навколо периметру котушок. Об’єм надпровідної обмотки для накопичувачів з рейстрековими котушками є значно меншим, ніж з круглими і наближається до теоретичного мінімуму, який мають тороїдальні соленоїди з D-подібними котушками. Показано, що тороїдальні магнітні системи з рейстрековими котушками мають найменші радіальні розміри порівняно з іншими досліджуваними конфігураціями.

Рассмотрены тороидальные магнитные системы, внутренний объем которых используется для размещения там элементов механической удерживающей системы. Исследованы системы с катушками круглой и рейстрековой форм. Предложена конфигурация удерживающей системы, у которой отсутствуют изгибающие моменты и обеспечены одинаковые механические напряжения в элементах конструкции. Проведен анализ размеров тороидальных соленоидов и объемов сверхпроводящей обмотки и материала механической удерживающей системы. Показано, что объем удерживающей системы практически одинаковый для соленоидов со стяжками для катушек как рейстрековой, так и круглой форм, а также для более сложных по геометрии D-образных катушек, для которых необходим также механический бандаж вокруг периметра катушек. Объем сверхпроводящей обмотки для накопителей с рейстрековыми катушками является значительно меньшим, чем с круглыми и приближается к теоретическому минимуму, который реализуется в тороидальных соленоидах с D-образными катушками. Показано, что тороидальные магнитные системы с рейстрековыми катушками имеют наименьшие радиальные размеры по сравнению с другими исследованными конфигурациями.