ВВЕДЕНИЕ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В РАЗРАБОТКАХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ
Мощные импульсные источники тока всегда привлекали интерес исследователей в самых разнообразных областях прикладной физики. Сильные магнитные ноля и магнитное удержание плотной плазмы, инерциальный термоядерный (ТЯ) эксперимент и электродинамическое ускорение макротел, создание сверхзвуковых плазменных потоков и сильноточных электронных пучков - это лишь малая доля из существующего многообразия развивающихся направлений физического эксперимента, где в успех в значительной мерс определяется возможностями используемой мощной импульсной техники.
Собственно говоря, по этой причине большинство международных физических научных симпозиумов и конференций уделяют проблемам развития и совершенствования мощных импульсных устройств электропитания огромное внимание. 'Гаковы международные конференции по генерации мегагауссных полей, проводимые поочередно в США и России, международная конференция «Puise Power», проводимая регулярно учеными США, европейские и американские симпозиумы по технологии электромагнитных ускорителей, российская конференция по сильноточной электронике с участием иностранных ученых и многие другие.
Для инженера-физика, начинающего свой научный путь в быстропротекающсм импульсном эксперименте, например, с плазменного разряда, с искрового разряда в жидкой среде или с экспериментов с импульсными магнитными полями при индукции В> 20 Тл, вряд ли может быть понятно, насколько сложны электрофизические проблемы получения высоких и сверхвысоких мощностей. Зачастую возможное решение этих проблем лежит в области, выходящей за рамки современного уровня техники и технологии. Обращаясь к периоду 15-летней давности, приведем в таблице 1 некоторые сведения о потреб носіях в импульсной электрической мощности для предполагаемых ТЯ реакторов разного типа [1 ]. За истекшее время получено зажигание реакции на токамаке JET (Калэм, Англия) и завершена разработка первой версии токамака ИТЕР. Однако на импульсных направлениях, где существуют высокие мощностные и энергетические пороги для получения положительного эффекта
2
WI}|/W%7>1, успехи fie столь значительны. В частности лайнерные варианты с магнитным удержанием перешли в программу МАГО (в США - программа MTF) (3,4), ориентированную на удержание замагниченой плазмы материальной стенкой и реализуемую пока на взрывных установках. Новая концепция инерциальных систем с нагревом мишени низкотемпературным (100-200 эВ) излучением плазмы (АНГАРА, PBFA2) (5,6] потребовала очень больших токов с величиной 1~ 20 MA при напряжении 10 MB, получение которых и сейчас представляет значительные трудности.
Таблица 1
Тип термоядерной системы Характ. время импульса, с Энергия в имульсе, Дж Мощность, Вт Индукция магн. поля, Тл
Инерциальный ТЯ синтез и РЭП ю-8 І07 (5.107) 1015 -
Имп магн. системы (лайнеры и 0 -линчи) КГ* ю9- ю13 10п-1012 10
Квазистационарные системы (токамаки и стеллараторы) 10 ю10 108-109 5-10
По-видимому, в близком будущем верхняя планка необходимой электрической мощности импульсных ТЯ установок может быть поднята на порядок величины. Это может быть связано не столько с принципиальной проблемой получения ТЯ реакции, сколько с рациональными и экологически чистыми технологиями се использования. Например, в настоящее время уже оценивается применение безнейтронных циклов реакции ( Э+ ^Нс, р+пВ) (2], которые требуют для осуществления ядерной реакции в плазме температуры нагрева 90-100 кэВ вместо ЮкэВ для обычного Т) цикла.
Увеличение температуры в 10 раз приведет к значительному увеличению мощности излучения плотной плазмы (и в континууме, и из-за примесей), и потребует согласовать мощность, вводимую в плазму или сжимаемую «мишень» с ростом се потерь.
Разработки в области импульсных источников питания выродились в настоящее время в ряд самостоятельных направлений электрофизических исследований. Каждое из них соответствует некоторому выбранному принципиальному
3
решению импульсной системы, а также соответствует определенному диапазону в шкале выводимых в нагрузку энергии \\^я и мощности Рм.
В ряду разрабатываемых и совершенствуемых импульсных систем индуктивные накопители энергии, которым в основном посвящена диссертационная работа, занимают определенную нишу. С целью представления общей ситуации ниже предлагается короткий обзор достижений в разработке импульсных источников питания различного типа. Выбор тина схемотехнического решения и конструкции импульсного источника тока для питания конкретного опытного устройства-нагрузки всегда является результатом многофакторного анализа ожидаемых выходных параметров и условий работы.
/. Общие характеристики источников импульсной электрической энергии.
Импульсный источник электрической энергии имеет в своем составе минимальный набор устройств, показанный на рис. 1.: первичный источник напряжения или тока, накопитель энергии (аккумулятор), коммутатор или переключатель цепи нагрузки.
Рис. 1 Общая структура импульсного источника электрической энерг ии
Нагрузка - потребитель импульсного тока хотя и не входит в комплекс источника, но в значительной мере определяет рабочий режим импульсной системы, г.е. величину тока, напряжения и длительность импульса. Являясь частью разрядного конту ра (или частью системы передачи электромагнитной энергии) она в существенной мере определяет мощность, развиваемую импульсным источником. Поэтому всегда необходима процедура оптимизация всей разрядной цепи, известная обычно под названием “согласования” нагрузки. Исключение составляет случай, когда внутренний импеданс источника во много раз превышает импеданс нагрузки, и не влияет на величину и форму' тока. Последний случай встречается сравнительно редко, но его используют, когда нужно выдержать форму тока, независимо от различных особенностей происходящих процессов. Такой прием, обусловленный
4
необходимостью проведения сравнительных исследований электрического разряда, использован, например, в экспериментах, описанных в 7 главе диссертационной работы.
Вероятно, не надо пояснять, что в представленном наборе устройств определяющим являегся аккумулятор. Для него есть три характерных параметра, по кот орым различные накопители можно сравнить между собой:
• время т0 , в течение которого накопитель может хранить энергию, полученную от первичного источника,
• удельная энергоемкость м' запасенной энергии,
• удельная мощность р, которую накопитель может отдать при импульсном разряде на нагрузку в оптимальном случае.
Удельные величины мы будем использовать для характеристики как объемных параметров накопителей, так и весовых. В последнем случае будем снабжать их подстрочным индексом:
2. Емкостные накопители.
Автору в течение многих лет довелось работать в различных областях импульсного плазменного эксперимента. На основании собственного опыта он с полным основанием может заявить, что емкостной накопитель энергии в лабораторных условиях является наиболее распространенным и удобным источником тока. Самым ответственным элементом конденсатора является изоляция между накопительными обкладками. В большинстве импульсных конденсаторов изоляция обкладок выполнена из бумаги с масляной пропиткой и работает при напряженности электрических полей В » 100-120 МВ/м. На рис.2 показана зависимость предпробойной величины Е от толщины бумажной изоляции.
5
Рис.2 Зависимость прслпробойной величины напряженности электрического ПОЛЯ от толщины бумажно-масляной изоляции.
Это определяет максимальную объемную плотность запасенной энергии в диэлектрике \у = е*:0Е2/2 - 250-500 кДж м‘3 при относительной диэлектрической проницаемости с — 3-5, а также оптимальную величину разности потенциалов 10 кВ на обкладках конденсатора. При специальной отбраковке материалов, использовании пакета изоляции (4-5 слоев) с дополнительными синтетическими пленками и высококачественной пропитке жидким диэлектриком значение величины комбинированной бумажно-пленочной изоляции может быть увеличено в 2-3 раза [7). Замена минерального масла на касторовое, которое при отличном качестве пропитки бумаги образует химические связи с целлюлозой, в 80-х годах стало общим правилом. Это позволило получить тс конденсаторы, которые сегодня составляют основу эксплуатируемых мощных сильноточных батарей. Их конструктивная (корпус, выводы, краевые участки пакетов снижают параметры) удельная энергоемкость в 2-3 раза меньше указанной выше величины.
Некоторые данные о серийно изготавливаемых конденсаторах приведены в таблице 2. При малых токах утечки (10-50 мкА/модуль) конденсаторы обладают прекрасным показателем хранения энергии: т0 * десятки мин и очень высокой удельной мощностью, которая даже для сравнительно низковольтных тилов достигает величин р = 100 Мвт м ’3.
ТАБЛИЦА 2
Тип ; конденсатора Напряже- ние кВ Емкость мкФ Энергия кДж Ресурс имп. Удельная энергия Дж/м' (Дж/г) Макс ток кА Исто- чник данных
ИК-6-140 6 150 2,7 104 98(0,03) 50 *
( 1 і ИКМ-25-І2 25 12 3,75 5. 10 і 60(0,03) 250 4
! ИКМ -50-3 50 3 .3,75 _ . 5 .10і 60(0.03) 250 *
І И1С-100-0,4 100 0,4 2.0 2.103 90 (0.07) 50 I *
КМ-30-10 30 10 4,5 104 65 (-) 400 *
ІСМК-60-2 60 2 3,6 10- 160 ( -) 300 *
ЕС (США) 20 15 з.о 75 (-) і (23]
СО-11148 (Англия) 100 0.6 3,0 2. 104 55 (-) - [23]
Конденсаторы с форсированным режимом работы (апериодический разряд)
і \ І VI« а V 1 ■ И КМ-50-6 1 і * • * иі 50 6 7,5 > 103 110(0,06) - 1 122) **
\ | ИКМ-50-12 I 50 12 15 > ІО2 220 (0.13) - 122| **
• ИК М-50-27 50 27 33 <500 490 (0.22) •• і
і ! ИКМ-100-1.2 100 1.2 6 >102 270 (0,20) ** —І
ИКМ-100-2.4 100 ■: 12 <500 540 (0,40) 1 **■ , І
ММ #32511 24 175 2.10і 920 (0.6) І [24] 1
Аєгоуох (США) 8 *** 50 Юя - (0.7) 7,5 1 1251
АегоУОх (США) »** - 0,5) 2.5 і (4вІ І
Конденсаторы с «молекулярном» изоляцией
12Г111-15/0.001 14. КГ3 7 >10* 2400(1.3) 12 *
24 ПП-30/0,004 26 ІО’3 **** 40 >103 3100(1,5) 8 4
Примечания * - Данные заводских инструкций для конденсаторов, изготовленных в России ** - Мелкосерийное производство (разработка ВЭИ , Москва),
***- конденсаторы с квазибиполярным режимом разряда (не выше 10-20% гока прямото направления) г
**** - величина емкости зависит от напряжения.
7
Известно, что фирма “Максвелл” (США) выпускает конденсаторы с удельной энергоемкостью до 1 МДж/м’ . Однако стоит отметить, что такой напряженный режим работы изоляции резко отрицательно сказывается на ресурсе работы конденсаторов. Этот момент является особенно острым при компоновке энергоблока из большого числа элементов. В России считается приемлемым гарантированный Заводами- изготовителями ресурс работы отдельного конденсатора 10 ООО импульсов па предельных параметрах
В последнее десятилетие велись интенсивные работы по созданию энергоемких конденсаторов с большой удельной энергоемкостью (I кДж/кг), но с ограниченным разрядным током (до 10 кА). Они базируются на пленочной изоляции с металлическим слоем, наносимым с помощью способа «рулонной» технологии. Фирма Aerovox Inc. выпускает конденсаторы (см таблицу 2) с «сегментированным» напылением токопроводящего слоя. Каждый сегмент слоя защищен от токов короткого замыкания сформированным на поверхности пленки плавким предохранителем, поэтому конденсатор самозащищсн ог аварии при пробое. При 10і импульсах фирма г арантирует падение емкости из-за внутренних пробоев не более чем на 2%.
Также развиваются работы по конденсаторам особого типа, имеющим новый тип изоляции, называемой “молекулярной". Такая изоляция формируется с помощью специальной электрохимической технологии в очень тонком слое па поверхности раздела проводников с различным типом проводимости. Большая напряженность электрического ноля позволяет подмять на порядок удельный энергозапас. Тем не менее, такие конденсаторы (это название здесь применено условно) имеют значительное внутреннее сопротивление, а разрядные токи не превышают единиц кА, что ограничивает их разрядную мощность. Кроме того, в отличие от масляных конденсаторов здесь допустим только однополярный импульс тока во избежание разрушения изоляции. В России налажено мелкосерийное производство этих накопительных устройств. Их параметры также помешены в таблице 2. Низкая удельная мощность конденсаторов этого типа обычно требует использования в составе импульсного источника дополнительного каскада обострения мощности. Им может являться магнитный накопитель энерг ии.
8
3. Индуктивные накопители энергии.
3.1 Характеристики индукттных накопителем.
Индуктивный накопитель энергии представляет собой катушку (в простейшем случае соленоид), заряжаемую от внешнего источника тока. Его удельную энергоемкость можно получить, исходя из прочности проводников обмотки, которая удерживает давление магнитного поля. Предположим, что обмотка соленоида на рис.З достаточно тонкая (порядка 0,1 от радиуса катушки) и выполнена из обычной
и ^
стали или бронзы с пределом текучести 0,-3.10' Ы м ".
Рис.З Поперечное сечение накопительной магнитной катушки Чтобы не допустить разрыва обмотки надо удовлетворить очевидному соотношению:
а, (1г/г > В2 /(2 рл) = XV (I)
Соответствующая максимальная удельная энергоемкость для выбранного нами .материала мгыаке = 6 10' Дж м‘3 . Последняя величина почти на 4 порядка превышает удельный энергозапас конденсаторов, в чем и заключается привлекательность их использования.
Однако за высокую удельную энергоемкость приходится платить снижением величины другого важного параметра - т0 . Положим, что соленоидапьиая обмотка на рис. 2 содержит п витков, а ее длина 1 значительно превышает радиус г.
9
Пусть удельное сопротивление материала обмотки р>0, иона будет нагреваться при
зарядке.
Тогда ее индуктивность Г и сопротивление К легко оценить:
|л<, я г :п2 //; К=2я г п2 р / (/ бг),
а затем определить т0:
Т(, г (1г! (2р).
Для катушки с радиусом 1м при р-1,7 КГ* Ом м (техническая медь) будем иметь т,> =3 с За эго время начальная амплитуда тока в катушке уменьшится в с раз, и три четверти начальной энергии будет превращено в тепло. Поэтому цикл зарядки такой катушки должен быть коротким, таким, чтобы время зарядки удовлетворяло условию Г- < То . Очевидно, что мощность источника зарядки должна быть достаточно велика для индуктивного накопителя с теплой резистивной обмоткой. 11а практике для этих целей используют либо зарядку от преобразователей, питаемых от специальной трансформаторной подстанции, подключенной к ЛЗП, либо электромашинные генераторы ударного действия с маховиками.
В практике физического эксперимента известны примеры использования индуктивных накопителей различного масштаба с запасом энергии от десятков кДж до сотен МДж. Первые часто служат обостритслями мощности для емкостных источников тока. Такой прием впервые был использован Мезонье [8] и получил дальнейшее развитие в технике импульсных термоядерных установок [9,10]. Самый крупный импульсный магнитный накопитель в мире был разработан в НИИЭФА и построен в России (ГНЦ ТРИНИТИ) для токамака ГСП с адиабатическим сжатием плазмы. Катушка накопителя - электромагнит тороидального типа, ее эскиз приведен на рис.4 вместе с фрагментом обмотки токамака 'ГСП, максимальная величина индукции магнитного поля, в которой на малом радиусе может достигать 20 Тл.
10
(
Рис.4 Поперечный разрез индуктивного накопителя ТИН-900 для питання тороидальной обмогки токамака ТСІ1 (Т-14).
Запас энергии в 32 катушках около 900 МДж при максимальном генерируемом токе во вторичной обмотке до 1,8 МЛ. Характерная величина длительности фронта тока в нагрузке- электромагните токамака (проектная) около 30 мс при полной длительности импульса около 0,5 с [11]. Для зарядки такого крупного накопителя используются два генератора переменного тока (модернизированный вариант турбогенератора типа ТКД-200 для электростанции), снабженные дополнительно пил натри чески ми маховиками с весом около 100 тн (см. рис. 5). Такой накопитель, а точнее импульсный энергокомплекс является уникальным сооружением, и в настоящее время рассматриваются альтернативные варианты его использования. Поскольку резистивные индуктивные накопители в основном используют зарядные устройства на базе электромашин с маховиками, анализ их удельных весовых характеристик и аналогичных характеристик маховиков целесообразно провести по единой схеме.
11
Т'спгротор ТКД-290
Махони/-
Рис.5 Общим вил одного из 4-х генераторов ТКД-200 с инерционным накопителем
Удельная энергия чу*. для соленоида с поперечным сечением на рис.2 \\ь = \ч’ У/М, где V и М объем и масса катушки. Если у - удельный вес материала обмотки, то из (I) получим:
\у3) ~ а, с1г/г [ лг2 /(2 г сїг у)] = 1/2 о/у.
Это выражение имеет общий характер для различных устройств, энегосодержание которых определено выдерживаемыми механическими напряжениями в материале. В частности, рассматривая рис.2, как вращающимся обод маховика, и полагая, что механические напряжения от в материале обода обеспечивают центростремительное ускорение при угловой скорости вращения 74, получим запасенную на единицу длины маховика кинетическую энергию:
\У*ПН= у (ґтзг /2)Аг 2лг, с максимальной величиной тя, оирсделснной из аналогичного (I) соотношения:
С7/Лг< у Лг г( ш2).
Комбинируя два последних выражения с величиной погонного веса обода Р=уДг 2тгг, получим, как и в [7], что с точностью до некоторого коэффициента к*<1, отражающего геометрию маховика (наше условие Дг«г - часгный случай), чуь = к(- О)/ у, , где ст3 и У) относятся к высокопрочным материалам маховиков. Для легированных сталей а \! у кДж/кг. Для электропроводных материалов обмоток накопителей на
основе меди величина чу на порядок меньше. Для алюминия и его сплавов а/ у
12
—24 клж/кт, поэтому из него изготавливается большинство катушек магнитных накопителей.
Из приведенных оценок видно, что использование тандема магнитный накопитель- машина с маховиком оправдано высокими и соответствую!цими по порядку величины удельными характеристиками компонентов.
3.2 Схемы индуктивных накопителей и коммутаторы тока.
Собственно индуктивный накопитель знергни является промежуточным звеном в цепи передачи импульса энергии к нагрузке и выполняет обычно две функции - I. усиление мощности импульса; 2. согласование импульсного источника с нагрузкой, причем не только по заданному току и напряжению, но и по КПД использования энергии.
Простейшая схема индуктивного накопителя показана на рис.6, где О - генератор зарядного тока, 3 - замыкатель нагрузки, а К- выключатель, обеспечивающий переключение тока в нагрузку Z.
Рис 6 Простейшая схема включения индуктивного накопителя и нафузки (рельсогрон).
13
Обычно формирование коротких импульсов тока не требует выключения генератора при выводе -энергии в нагрузку ввиду его малого импеданса. Исполнение замыкателя тока может быть различным б зависимости от величины разрядных токов г? длительности импульса.
Разновидности их конструкций в достаточной степени отработаны в процессе создания и эксплуатации мощных емкостных накопителей энергии. Используются разрядники различных типов, замыкатели с твердотельной разрушаемой изоляцией, в последнее время применяют удобные в работе, но дорогие и пока менее надежные Iюлупроводниковые тиристоры.
Ключевым элементом схемы является выключатель, прерывающий ток за время тк , меньшее времени Т)| вывода энергии в нагрузку. Для обострения мощности и к раз индуктивным накопителем на рис.6 необходимо, чтобы разрядное напряжение Ыц па нагрузке в к раз было больше напряжения зарядки накопителя от генератора С. Такое напряжение и« ^ 10' и<; возникает на разрыве контактов выключателя, поэтому “гашение” тока и предохранение от пробоя контактного промежутка составляет известную проблему Быстродействие срабатывания выключателя с одной стороны определяется его конструкцией, а с другой стороны типом и параметрами нагрузки, однако высокий К1Щ передачи энергии в нагрузку можно получить только при условии Тк« Тц. Это условие имеет фундаментальный смысл для импульсных систем [12], подробный анализ данного вопроса содержится во второй главе работы.
В отличие от нагрузки-электромагнита, где тк = тц и максимальная величина КПД<0,25 [13], в рельсотронном ускорителе на рис.6 время тк ввода тока определяется начальным индуктивным импедансом канала, а время т1{ - динамикой ускорения, поэтому условие -^«Тц может быть удовлетворено, а КПД теоретически может быть большим. Однако повышение быстродействия выключателя требует усложнения его конструкции, и на практике используются двух- и грехступенчатые выключатели с параллельными нормально включенными контактами. Это позволяет при повышении быстродействия выключения тока минимизировать энергию привода, необходимую для быстрого механического перемещения контактов.
14
Например, в 114] для коммутации токов 1(> *500 кА использовался двухступенчатый размыкатель с пневмоприводом первой ступени и токопроводящей мембраной во второй ступени, которая разрушалась взрывом детонирующего шнура. В [15] были приведены результаты успешных испытаний выключателя тока с дополнительной третьей ступенью в виде электрически взрывающегося проводника при переключениии токов ~ 100 кА за более короткие времена тк “КГ* с.
Принципиальные проблемы при создании сильноточных выключателей тока маг нитных накопителей разрешимы с помощью целого ряда опробованных приемов. Один из них заключается в использовании сменных контактных групп, принудительно разрушаемых с помощью взрывных (или электровзрывных) приводных элементов. Однако разработка конструкции и доводка выключателей под конкретные параметры индуктивного накопителя и импульсной нагрузки это достаточно длительная и дорогостоящая работа. Вместе с тем существует пока неразрешенная проблема работы таких выключателей в частотно-периодическом режиме. Ранее предлагались и опробовались конструкции с периодическим размыканием контактов вращающимся ротором [16]. Для генерации короткой серии импульсов магнитный накопитель можно снабдить системой параллельных коммутаторов, которые полностью перезаряжаются после окончания серии. Прототип такого устройства представлен в [17] и представляет собой универсальный коммутатор, содержащий кассету для 6 (или более) независимо срабатывающих выключателей. Каждый из них снабжен отдельным управляемым замыкателем, осуществляющим присоединение к потенциальной шине. Приводные элементы взрывного типа изготовлены из отрезков детонирующего шнура (содержание ВВ ~ 0,15 кг м'1). Система запуска позволяла управлять как одновременным, так и последовательным стартом выключателей. Проведены испытания при коммутации тока 2,1 МА из накопителя в рельсотрон при напряжении до 5 кВ. В этих опытах была получена кинетическая энергия снаряда №' -2,5 Мдж, а пробой размыкателя наблюдался при вылете снаряда из канала и зажигании “свободной” дуги на выходе ускорительного канала.
Попытки другими способами обеспечить периодичность работы магнитных накопителей были связаны с использованием промышленных выключателей
15
многоразового действия, например. серийно выпускаемых вакуумных
выключателей [18]. Однако такие выключатели не рассчитаны на большие токи, и при этом в схему индуктивного накопителя нужно включать усилитель тока нагрузки.
В практике физического эксперимента нашли применение два типа магнитных накопителей с усилением тока наг рузки: I. накопители с трансформаторной схемой и 2 секционированные катушки с умножением тока (по принципу обращенного генератора Маркса) Вариант, показанный на рис.7 - с вторичной трансформаторной обмоткой.
Здесь прерывание тока осуществляется по первичной цепи, при этом магнитный поток “перехватывается” вторичной понижающей обмоткой. Выключатель прерывает ток в первичной обмотке при повышенном напряжении, определяемом коэффициентом трансформации. К конструкции и исполнению катушки накопителя в данном варианте предъявляются высокие требования но двум причинам. Паразитная индуктивность Ь,„ соответствующая магнитному потоку рассеяния обмоток является дополнительной нагрузкой для коммутаторов тока, которые должны рассеять при отключении соответствующую дополнительную энергию А\У,» = Ь,, 1'/2. Поэтому геометрия обмоток должна быть оптимизирована, а зазор между обмотками предельно уменьшен. С друтой стороны в этом зазоре должна размещаться высоковольтная изоляция, разделяющая потенциалы обмоток. Учитывая значительные ударные электродинамические нагрузки на катушки, которые
Рис. 7 Индуктивный накопитель с трансформаторным усилением тока
16
возникают при зарядке и выводе энергии, эти требования противоречивы и удовлетворяются при достижении некоторого компромисса. По аналогичной схеме выполнен накопитель 'ГСП на рис.4, однако при столь больших размерах катушек ({V 4 м) влияние зазоров оказалось относительно мало. При выборе этой схемы усиления тока следует учитывать, «по весовые характеристики накопителя ухудшаются примерно вдвое из-за добавочной массы намотки. Здесь также необходимо предусмотреть некоторый дополнительный первоначальный запас энергии из-за неполной магнитной связи обмоток. В большинстве случаев величина коэффициента связи не превышает 0,85 и может быть увеличена лишь при использовании специальной технологии чередования намотки первичных и вторичных витков 119].
В схеме рис.8 усиление тока осуществляется переключением обмоток катушек Ь|-Ьк после зарядки из последовательного соединения в параллельное с последующим срабатыванием выключателей И]-Им .
Очевидно, что конструктивно она сложнее, чем трансформаторная, однако использование большого числа коммутирующих модулей делает систему более “гибкой”. Здесь можно получить произвольную величину тока в нагрузке 7, начиная от величины зарядного тока 1о и до Ы10 в зависимости от числа приводимых в действие модулей. Кроме того, при определенной последовательности их включения есть возможность формировать желаемым образом форму тока в нагрузке, например, в канале рельсотрона или другом электромагнитном устройстве [21]. Ранее автором
г
Рис. 8 Индуктивный накопитель с умножением тока.
17
работы были предложены новые принципиальные решения по эффективному использованию таких схем магнитных накопителей для питания токамаков (12,20 ] и мошимх импульсных электромагнитов Дальнейшее развитие таких систем питания мы будем рассматривать в основном тексте.
4. Взрывомагнитные генераторы токов.
В отличие от рассмотренных выше накопителей энергии, которые являются промежуточным звеном между источником энергии и нагрузкой взрывомагнитный генератор производит электрическую энергию, используя вложенный в него заряд топлива - взрывчатого вещества. Для импульсных источников питания используются два различных типа устройств: 1. Магнитокумулятивный (МК) и 2.
Магнитогидролинамический (МІ Д) взрывные генераторы.
Принцип действия МК-генератора, впервые предложенного А.Д.Сахаровым, заключается в осуществлении быстрой деформации индуктивности с начальным магнитным потоком, в результате которой индуктивность уменьшается, а увеличивающийся ток переключается в цепь нагрузки. В зависимости от импеданса нагрузки начальная индуктивность контура МК-генератора может быть различной. Она определяется исходной геометрией деформируемой обмотки: полосковая линия, коаксиальные проводники или спираль с коаксиальным обратным токопроводом.
Форму деформируемой части контура всегда стремятся выполнить наиболее простой, чтобы избежать его разрывов или развития гидродинамических неустойчивостей в самом проводнике. Последнее часто приводит к появлению поверхностных волн и ‘‘захвату” части магнитного потока в зоне схождения проводников С помощью МК-генераторов можно получать даже очень большие токи с рекордной амплитудой [27] (50 MA не является здесь пределом), поэтому их используют для питания практически всего спектра наїрузок от ускорителей макротел до плазменных пинчей. В настоящее время все чаще используют последовательно разметенные МК генераторы, включенные в последовательную каскадную схему усиления тока.
18
На рис.9 приведена типичная схема МК-геиератора полоскового типа для рсльсотрона. аналогичная гой, которая была использованной в работе [281. Здесь один пі электродов полосковой линии выполнен из отожженной меди и залит слоем огкердевшей взрывчатки. Старт МК генератора осуществляется с помощью детонатора, расположенного на конце полосковой линии, противоположном выводам нагрузки. С зтой же стороны предварительно подается импульс тока "зарядки" генератора, обеспечивающий начальный магнитный поток.
Сразу после старта ввод тока “зарядки” закорачивается. Скорость распространения волны детонации вдоль заряда обычно составляет 5-7 км с’1. Это позволяет привести в соответствие скорость волны схождения полосковой линии, распространяющейся вдоль генератора, и скорость движения снаряда в рельсотроне При лом можно обеспечить желаемую форму импульса тока для разгона снаряда Например, профилирование величины зазора и ширины полосковой линии позволяет получить перемешгую погонную индуктивность Ь<; генератора, согласованную с режимом разгона снаряда постоянным током. Коэффициент усиления тока генератора но отношению к току, создающему начальный магнитный поток, может превышать 10‘ а коэффициент усиления энергии -несколько десятков. Для снижения габаритов и энергоемкости источника затравочного тока возможно использование двухкаскадного МК-генератора с предварительной ступенью. Ввиду использования взрывчатки с удельной энергоемкостью более 4 МДж/кг МК-геператор отличается очень высокими
19
удельными параметрами. В |27] приведено значение объемной энергии \\ > 2.10У Дж м\ а XV), может быть более 50 кДж/кг при сравнительно простом и технологически доступном устройстве.
Несмотря на ограниченный КПД МК-генератора, который для разных их типов находится в рамках 0,12-0,20 его использование целесообразно и экономически полностью оправдано для ключевых экспериментов с большими энергиями, токами и мощностями. К сожалению, полная уничтожаемость генератора, а зачастую и нагрузки делает невозможным его широкое использование в систематических исследовательских работах. Установка лабораторных взрывозащитных камер на 3 порядка снижает величину параметра \у(, , а стоимость изготовления сменных генераторов согласно простым оценкам может сравняется со стоимостью альтернативного генератора уже при числе рабочих импульсов, равном 100. По оценке средняя удельная стоимость генерируемой с помощью МК импульсной электрической энергии составляет ~ 1000 $/ МДж.
Магнитогидродинамичсскис (МГД) генераторы принципиально отличаются от магнитокумулятивных (МК) генераторов тем, что имеют воспроизводимую токовую арматуру, в которой наводится ЭДС при ее движении в магнитном поле. В МГД генераторах роль движущегося проводника исполняет горячий, частично ионизованный газ. Движение его обеспечивается давлением продуктов детонации (или горения) сменного заряда, в тело которого обычно добавлены легкоионизуемые присадки соединений щелочных металлов. Длительность генерируемых импульсов зависит от типа и количества срабатывающего топлива и находится в диапазоне от 10 мке до 3 с. Неразрушае.мость МГД генератора обусловлена работой при умеренных магнитных полях, индукция которых не должна превышать 15-20 Тл, однако при этом удельные параметры генератора становятся близки к параметрам лучших емкостных накопителей. Поэтому их применение оправдано в тех случаях, когда по условиям эксплуатации нет возможности использовать стационарные первичные источники энергии для зарядки накопителей, а МГД генераторы приспособлены к работе в режиме самовозбуждения. Это реализовано, например, в крупных МГД машинах для исследований земной коры с
20
помощью электромагнитного зондирования (29]. Исследования лабораторных источников подобного типа ведутся в течение последних 20 лет (30,31]. Однако, как показывают эксперименты и расчеты, при использовании резистивной магнитной системы возбуждения трудно рассчитывать на КПД этих генераторов, превышающий величину 0,03-0,05, а энерг ия, передаваемая в нагрузку, примерно в 1,5 раза превышает энергию магнитного ноля возбуждения (32]. Поэтому по удельным энергетическим показателям вряд ли взрывной МГД генератор может быть лучше, чем индуктивный накопитель, однако он сохраняет такое важное преимущество, как способность к периодической работе при минимальной подготовке к каждому импульсу.
Оригинальная комбинация совмещения МГД генератора с рельсотронным ускорителем была предложена и разрабатывалась в работе [33] Здесь планировалось совместить канал МГД и канал рельсотрона для организации подпора задней границы магнитного ускоряющего “поршня" скоростным потоком проводящего газа. Известны эксперименты [34] и проекты [35,36,37] взрывных МГД генераторов с неразрушаемой твердотельной арматурой, близких тю концепции к МК устройствам. Однако эти машины, в ряду мощных импульсных источников тока еще не заняли определенного места.
5. Электромашины-компулъсаторы.
Выше уже отмечалось, что по удельному запасу энергии инерционные накопители обладают высокими показателями. Униполярные генераторы с ротором-маховиком, имеющим простую конфигурацию, привлекательны для использования в качестве первичных источников тока, но при больших токах (~ МА) имеют малое выходное напряжение. Его типичная величина, достигаемая в быстроходных машинах с частотой вращения ротора - 5000 об мин обычно не превышает 100-150 В. При необходимости повышения напряжения такие генераторы можно включить в последовательную цепь. Так, например, для импульсного питания тороидальной обмотки токамака ГСМ1ТЕХ в Техасском университете смонтирован блок из 6 униполярных генераторов Рекордная величина выходного
21
напряжения ~ 450 В достигнута в очень крупном генераторе 1381 с энергозапасом 1
Гдж.
Однако возможность непосредственного питания ускорителей макротел от электромашины была и остается настолько привлекательной, что появились и в течение последних лет интенсивно исследуются роторные генераторы нового типа -ком пульсаторы. Принцип действия ком пульсатора аналогичен принципу работы МК генератора, т.е. вытеснение магнитного потока из источника в нагрузку при изменении его геометрии и, соответственно, его индуктивности. Однако здесь работа совершается без деформации проводников с током при изменении взаимного расположения двух обмоток электромашины, расположенных на роторе и статоре как показано па рис. 10.
Рис. 10 Два характерных положения обмоток и электромашине типа компульсатор
Высокая мощность машины и передача значительной части энергии при малом угле поворота ротора а (зависит от числа п полюсов я/п) приводит к большим тангенциальным напряжениям в материале магнитопровода. 13 силу этого компульсатор - более напряженная машина, чем обычный генератор ударного действия. Далее, необходимость синхронизации подачи серии импульсов с нагрузкой обуславливает потребность в импульсном питании обмоток возбуждения и его корреляции с углами поворота ротора По этим причинам компульсатор много сложнее, а его удельные параметры ниже, чем у других импульсных электромашин. Например, при расчете на один импульс для униполярной машины [38] \у=15 кДж кг1, а для компульсаторов [39]
22
\у= 0,07-0,2 кД)к/ кг. Таким образом даже для серии из 10 импульсов энергия, выводимая из ком пульса гора на порядок ниже.
Тем не менее, это может окупиться отсутствием дополнительного обострителя мощности типа индуктивного накопителя и, что самое главное, способностью к периодической работе без замены каких-либо элементов ’За достаточно короткое время компульсаторы прошли от стадии макетирования [40,41 ] на уровне энергии 100 кДж до создания рабочих проектов импульсных устройств питания больших (калибр 0,09 м) ускорителей макротел с кинетической энергией 5-7 МДж [42]. В России проблемы компульсаторов исследовались В.Г. Кучинским в НИИЭФА им. Ь'фремова [7].
6. Мощные драйверы на основе ГННов и формирующих линий.
Развитие УТС с «инерциальным» удержанием плазмы стимулировало в 70-х годах приложение значительных усилий к созданию сверхмощных (~10ТВт)
импульсных ускорителей заряженных частиц - электронов и ионов, получаемых в
плазменных диодах. Ярким примером реализации этой достаточно сложной технологии получения большой мощности является комплекс АНГАРА [7| в ТРИ11ИТИ (г. Троицк). Импульсные источники электрической энергии здесь построены по схеме последовательного усиления мощности: первый каскад - генератор Аркадьева-Маркса (зарядное напряжение до ЮОкВ), второй - водяная формирующая линия
(деионозованная очищенная вода), и третий - вакуумная передающая линия. Восемь модулей установки синхронно разряжаются на плазменный эрозионный обостритель тока, позволяя получать на нагрузке ток величиной 3-4 МА с фронтом нарастания 60-70 не при напряжении свыше 2 МВ. За последние 15 лет произошли кардинальные изменения в идеологии нагрева ТЯ мишени, и сейчас во мног их лабораториях мира исследуется микролайнерный способ получения рентгеновского излучения. Это
излучение может абляционным способом сжать и нагреть Э-’Г мишень, как в лазерном варианте УТС.
Надо отметить, что на этом направлении мощной импульсной энергетики получены впечатляющие результаты. Установка следующего поколения РВГА-2 {А) \в] за счет увеличения числа модулей в настоящее время развивает мощность до ЮОТВт, и
23
есть все основания считать, что следующий новый более мощный вариант такого устройства обеспечит зажигание термоядерной мишени. В США обсуждаемый проект установки с током 20 МА и напряжением 10 MB имеет условное название Х-1, а в России - Байкал. Основная и принципиальная трудность увеличения импульсной энергии - размеры водяной формирующей линии, дстигающие 40-50 м из-за ограничения плотности потока электромагнитной энергии и коммутация электрических цепей. Коммутаторы такого устройства должны иметь время включения меньше, чем длительность импульса Такие же требования предъявляются к синхронности работы модулей между собой.
7. Другие источники питания.
Ладим короткую характеристику источникам питания других типов,
которые могут быть использованы в системах энергоснабжения импульсного
физического эксперимента.
7.1 Электрохимические аккумуляторы.
Электрохимические аккумуляторы, подобные тем, что используются в качестве стартерных пусковых источников тока на автомобилях или для питания ходовых
электродвигателей подводных лодок и наземного транспорта давно привлекают внимание инженеров-электрофизиков, работающих с большими токами (43J. Они отличаются большим временем хранения энергии и при правильной эксплоатации постоянно готовы к работе, в отличие от электромашины, требующей цикла
разгона ротора Для ряда приложений весьма важным качеством является
возможность работы в автономном режиме от первичного энергоисточника и способность к периодической работе. Поэтому неоднократно рассматривалась целесообразность их использования для питания магнитных обострителей мощности [44,45]. В последней работе представлен проект очень большою
энергоблока с запасом энергии 500 МДж и ипульсным током до 5 МА. Батарея аккумуляторов BUS (Battery Upgraded Supply) предполагает размещение 5.1 O'*
кислотно-свинцовых аккумуляторов. Схема их соединений выбрана на основе экспериментов [46] из условия получения максимальных токов. Изучены
24
эксплуатационные характеристики отдельного аккумулятора в условиях 10-кратного превышения тока (до 2,5.105А/модуль) относительно номинальной рабочей величины и изменение этих характеристик в процессе периодической работы.
Эти низковольтные источники обладают низкими мощностными характеристиками. Даже усовершенствованная конструкция аккумуляторов (технология “РШ^АЯ”) [47] позволяет получить удельную мощность не более I кВт кг*. В этом отношении аккумуляторы проигрывают конденсаторам с "молекулярной" изоляцией практически на порядок величины. Низкая мощность определила значительный диаметр катушки 0>4,6 м индуктивного накопителя в (451 при зарядном напряжении ~ 200 В.
Можно предположить, что аккумуляторы этого типа, обладая большой энергоемкостью ~ 1 МДж кг 1 (как и другие электрохимические источники -топливные элементы) могут быть эффективны при совместном использовании со сверхпроводящими индуктивными накопителями.
7.2 Криорезистивные и сверхпроводящие индуктивные накопители.
Характеристики индуктивных накопителей энергии могут быть существенно улучшены при охлаждении до температуры -196 °С сжижения азота. Уменьшение активного сопротивления алюминия при этом в 5-7 раз резко снижает требования к мощности зарядного импульса. Работа при температуре жидкого неона или водорода уменьшила бы сопротивление чистого (0,9999) алюминия примерно в 500 раз. Однако следует учесть, что для частотно-периодического режима работы эти оценки не имеют прямого приложения, т.к. время отвода джоулевого тепла от обмотки к хладагенту определяется скоростью тепловой диффузии, т.е. это сравнительно медленный процесс.
Сверхпроводящие магнитные накопители, несмотря на развитую промышленную технологию изготовления намоточных проводов с традиционными материалами (N6X1 и N6 8п) пока не нашли широкого применения в мощной импульсной технике. Эксперименты с быстрым выводом магнитной энергии при сохранении проводимости ограничены скоростью изменения магнитной индукции В<
25
20 T.n c’ :. Это следствие тепловыделения из-за вихревых токов, наводимых в кабеле намотки, и механических деформаций силовой структуры катушки, которые сопровождаются “трением” (friction). Стоит только надеяться, что разрабатываемые в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники окажутся более приемлимыми для питания сильноточных импульсных нагрузок.
Н. Заключение к введению
На диаграмме рис. 1! приведены энергетические характеристики импульсных источников тока, которые обсуждались в данном разделе. Использование тех или иных накопителей энергии зависит от конкретного назначения создаваемой физической установки и условий ее эксплоатации.
Рис 11 ('водная диаграмма энергетических характеристик импульсных источников тока, использующих различную технологию.
Вместе с тем необходимо разделить проблемы создания источников энергии для электрофизических установок утилитарного исследовательского характера и перспективных физических комплексов для получения принципиальных физических результатов. Для первой группы установок определяющими являются технико-
26
экономические аспекты эксплоатации, поэтому они должны аккумулировать оптимальные решения на момент создания.
Эти решения могут быть материализованы в технически совершенные устройства только при соответствующей опытно-конструкторской проработке и вложен и і достаточно ограниченных денежных затрат. Вто| ія группа установок требует особого внимания и тщательной оценки возможности получения принципиально новых результатов на базе освоения нового уровня импульсной энергии V! электрической мощности.
По первой группе в качестве примера приведем реализованные проекты энергоустановок для питания электромагнитных пушек |25] и [48]. Для каждого из них разрабатывались специальные устройства, узлы и элементная база накопителей, обеспечивающих продвижение вправо (увеличение энергозапаса) по диаграмме рис. 12. Продвижение же по оси ординат не требовалось по простой причине: в других приложениях импульсной техники, в частности, в упомянутых ранее термоядерных исследованиях, потолок оказался достаточно высоким.
Для обеспечения энергопитания при решении задач второй группы ситуация по-видимому должна отличаться. Из рассмотренных на диаграмме импульсных источников энергии увеличение энергозапаса не представляет принципиальной проблемы только для индуктивных накопителей. Вместе с тем задачу увеличения мощности можно решить, используя для магнитных накопителей принцип усиления на последовательных каскадах. Для этого уже созданы все предпосылки в виде аналитического обоснования [50,51] и выполненных проверочных экспериментов по высокоэффективной передаче магнитной энергии [52,53]. Эти пионерские научные исследования автора работы ранее нашли свое практическое развитие в эскизном проекте токамака ТСП-2АС ( НИИЭФА, 1986г.), и в настоящее время реализуются в системе питания мощного магнита для получения поля 100 Тл в Гренобле (Франция) [54]. В последнее время в проектируемой в России супермощной установке Байкал [55] предполагается использовать предложенную автором индуктивную каскадную схему усиления мощности. Задача, которая поставленная в процессе написания данной работы, - обосновать возможность и своевременность шага на пути развития
27
индуктивных накопителей энергии: от систем с большим энергозапасом (100 МДж) -к системам с большой .мощностью (>1012 Вт).
О содержании диссертации.
Диссертация содержит 317 страниц текста с 173 рисунками и таблицами, состоит из введения, 8-ми глав и заключения.
В первой главе описан созданный при участии автора индуктивный накопитель ТИМ-1 с 30-ти секционной обмоткой, представлены выполненные разработки и испытания 3-х ступенчатых выключателей тока, описаны эксперименты по ускорению л айн ера-макета (О;,~10см) на испытательном (50 кЛ) стенде и полномасштабный эксперименте лайнером (П)л=30см, 1МА), проведенный с использованием ТИН-1.
Вторая глава содержит анализ работы выключателей тока магнитного накопителя на нагрузки различных типов, энергетический анализ многоступенчатой коммутации. Рассмотрены особенности переключения тока в катушку с лайнером, когда напряжение на ускоряющем узле имеет коммутационный и ускоряющий максимумы напряжения. Исследованы условия оптимального согласования ускоряющего соленоида с накопителем. Приведено аналитическое решение задачи коммутации тока терморезистором на постоянную индуктивность и на лайнерный узел
Третья глава посвящена обоснованию возможности высокоэффективной передачи магнитной энергии между индуктивностями без использования промежуточных согласующих емкостных импедапсов (без преобразования энергии). Аналитически показано, что в накопительных системах с умножением тока, содержащих N секций, можно организовать дискретное многошаговое преобразование схемы, при котором потери энергии уменьшаются в N раз, и процесс передачи становится слабодиссипативным. Для модульных систем процесс передачи энергии любого вида имеет общий характер, и не противоречит законам сохранения, представленным в Лагранжевой форме. Здесь же проведена оптимизация порядка переключений секций магнитного накопителя для получения наивысших КПД (-70-80%). Приведено экспериментальное подтверждение справедливости аналитических выводов, которое было получено на 3 и !5 - секционном накопителе при коммутации
28
энергии \\\,- 100 кДж. Аналитически сформулирован принцип «управления» потоком электромагнитной энергии, объединяющий процесс передачи в системах ИН с различной структурой в рамках одной модели.
В четвертой г лаве содержится обобщение теории слабодиссипативных систем. Автор провел анализ различных вариантов систем передачи энергии, выделил необходимые и достаточные безразмерные параметры, характеризующие состояние М-секиионной системы на каждом шаге и рассмотрел произвольно меняющиеся во времени интервалы между последовательным во времени срабатыванием выключателей. В результате оставшийся минимум параметров, который автор назвал «метрикой» системы передачи представляет последовательность N чисел, в которых целая часть есть определенный экспериментатором порядок преобразования цепей накопителя (или нагрузочной индуктивности), а дробная часть - описывает отклонение работы выключателей от идеальной последовательности их работы. Отклонение обусловлено как особенностями работы самих коммутаторов тока, так и статистическим разбросом во время их работы. Разработаны соответствующие программы расчета характеристик передачи магнитной энергии и показаны результаты численного моделирования.
В главе 5 рассмотрено формирование импульса тока с плоской вершиной в камере токамака типа ГСП. Проведено сравнение эффективности обычного способа формирования тока с длительностью т, сравнимого с постоянной времени т„= Ь„/Кп обмотки токамака и способа с дискретным переключением секционированных обмоток. Показано, что КПД использования энергии накопителя во втором случае возрастет вдвое. Далее рассматриваются вопросы получения большой мощности, обоснована идеология каскадною индуктивного усилителя мощности для
импульсных плазменных нагрузок. Последняя из типичных задач - получение больших токов - рассмотрена на примере специально выбранной и оптимизированной модульной структуры ИН.
Глава 6 посвящена описанию двух перспективных приложений развития предложенного автором направления в индуктивных импульсных мощных источниках тока. В нервом из них на основе накопителя ТИН-900 и дополнительного индуктивного
29
- Київ+380960830922