Введение к работе
Актуальность темы. Мощные импульсные источники тока всегда +привлекали интерес исследователей в самых разнообрашмх обдасчях прикладной физики. Сильные магнитные поля и магнитное удержание плотной плазмы, инерциальный термоядерный эксперимент и электродинамическое .ускорение макротел, создание сверхзвуковых плазменных потоков и сильноточных элеетронных ігучков - это лишь малая доля из существующего многообразия развивающихся направлений физического эксперимента, где успех в значительной мере определяется возможностями, предоставляемыми мощной имггульсной техникой.
Среди используемых " в экспериментальной практике источников тока запас энергии которых и развиваемая мощность показаны на диаграмме рис.1, индуктивные накопители (ИН) выделяются большим .энергозапасом. Накопление 10-20 МДж или даже 100 МДж энергии в магнитных системах широко используется в практике эксплуатации ТЯ систем с магнитным удержанием. В обмотках крупных токамаков тина JET (Калэ.ч, Англия) запас
і»' ш' ю* и* in" \\(Дж)
Рис.1 Сводная диаграмма энергетических характеристик импульсных иснушикон шм использующих различную технологию.
магнитной энергии достигает 3-4 ГДж. Однако источники питания на основе индуктивных накопителей предназначены для генерации импульсной энергии и вывода ее во внешнюю нагрузку. Мощный вывод энергии из ИН представляет значительную сложность не только из-за необходимости прерывать большие токи, но и по ряду других причин, имеющих фундаментальный электрофизический характер. В частности, если нагрузка - это также магнитная сильноточная система, то считалось, что известное ограничение на величину КПД < 0,25 передачи магнитной энергии делает нецелесообразным использование ИН. Надо отметить, что в большинстве случаев в мощных электрофизических установках приходится иметь дело с нагрузкой такого типа. Целью работы является анализ фундаментальных ограничений, обоснование возможности гювого высокоэффективного метода вывода магнитной энергии, его экспериментальная проверка, разработка общей теории систем с дискретным процессом передачи магнитной энергии, разработка алгоригмов для численного расчета процесса вывода энергии из ИН со сложной структурой и магнитной конфигурацией, исследование путей радикального увеличения мощности систем с ИН, разработка предложений для использования ИН в перспективных сверхмощных электрофизизических установках.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что: і Впервые был создан и введен в действие 30-секционяый индуктивный накопитель с умножением тока и запасом энергии 18 МДж, на котором проведены эксперименты по ускорению лайнера и проведен системный анализ согласования индуктивного накопителя, системы коммутации тока и ускоряющей лайнер катушки. г Впервые аналитически обоснована возможность высокоэффективной передачи магнитной энергии в дискретном многошаговом процессе преобразования соединений индуктивных контуров и проведены
эксперименты по импульсной передаче магнитной энергии накопителя с
эффективностью, близкой к 50%. з. Разработана теория систем высокоэффективной передачи магнитном энергии а. Впервые обоснована и предложена каскадная схема построения мощного
импульсного источника тока на индуктивных накопителях 5. Проведен системный анализ согласования каскадного индуктивною
источника тока с мультимегаджоульным Плазменным Фокусом с током до 30
МЛ и анализ возможностей больших накопителей типа і ИН-900 для питания
супердрайвера БАЙКАЛ. 6 Впервые выполнен цикл сравнительных ресурсных испытаний 4-х
эрозйонноегойких материалов в идентичных условиях сильноточного
милисекундного разряда рельсового ускорителя. 7. Впервые обоснована возможность эффективного питания рельсогрона с
длинным ускорительным каналом от индуктивных накопителей с
распределенным вводом тока по длине капала и показана возможность
осуществления режима выключения с паузой тока, которая автоматически
обеспечивается при разгоне снаряда без применения дополнительных
устройств. я. Впервые в І'оесии раїработана 3-х мерная программа расчетов
электродинамического ускорения и тепловых процессов и рельсоїроие с
металлическим скользящим якорем
Научная н практическая пепиосп. pafiori.i заключается в том. чк>
предложенный автором электрофизический подход к импульсным мощным
ИИ и успешные эксперименты обосновали целесообразность ранний» повою
направлення в создании мощных сильноточных импульсных не разрушаемых
источников тока на основе магнитных секционированных накопителен.
Разработанные автором , теоретические основы нмік.іи ниі;
слабодиссииагивной передачи магнитной энергии сосг-.и.! <нн
фундаментальный вклад в развитие мошной импульсной зечники. .*
разработанные предложения по каскадным мшиитным усилителям мощности уже нашли конкретное применение в обсуждаемых крупных электрофизических проекгах типа БАЙКАЛ.
Результаты работы могут быть использованы в ТРИНИТИ, ВНИИЭФ, НИИЭФАим. Д.В.Ефремова, МИФИ, ИВТ РАН. Автор выносит на защиту:
-
Результаты аналитических и экспериментальных исследований по изучению режимов ускорения металлических лайнеров с разделением максимумов коммутационного и ускоряющего напряжения на ускоряющем соленоиде при питании его от ИН
-
Результаты аналитических и экспериментальных исследований по высокоэффективной передаче магнитной энергии из ИН.
-
Обобщенную теорию процесса передачи магнитной энергии, объединяющую секционированные ИН с различной структурой и различным порядком коммутации токов.
-
Разработанную концепцию мощных каскадных импульсных источников тока на системе секционированных ИН, использованную в эскшных проектах установок «Плазменный Фокус» ««Байкал».
-
Оптимизированную систему питания большого рельсотрона с мшиитным поршнем типа «бегущая волна» и соответствующие предложения по
. коммутации тока.
-
Результаты экспериментов по ресурсным испытаниям зрозиопностойких электродных материалов.. }
-
Рсзулыаты первых в России совместных экспериментальных и численных трехмерных исследований работы рельсотрона.
Апробация работы. і
Автором опубликовано более 70 печатных работ, из которых 48 посвящено теме диссертации. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 1 и 2 всесоюзных конференциях по
импульсным источникам питания (Юрмала, 1984г., Свердловск, 1985 г.), на 3 и 4 всесоюзных конференциях по инженерным проблемам ТЯ реакторов (Ленинград, 1984 и 1986гг.), на I и II всесоюзных семинарах "по динамике сильноточных дуг в магнитном поле (Новосибирск, 1990 и 1991гг.), на 5 и 6 европейских симпозиумах по технологии электромагнитных ускорителей (Тулуза, Франция, 1995г., Гаага, Голландия, 1997г.), па международной конференции по генерации мегагауссных полей (Саров, 1996г.), на международной конференции ICOPS (Сан-Диего, США, 1997г.), на 9 национальной американской конференции по электромагнитным ускорителям (Единбург, Англия, 1998г.), а также на научных семинарах ИВТЛН, МИФИ, РНЦКИ, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ИЯФ (Новосибирск).
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах: «Электричество», «Известия АН СССР, Сер.:Энергетика и транспорт», «Приборы и техника эксперимента», «Вопросы атомной науки и техники», «IEEE Transactions on magnetics», «Математическое моделирование», в сборнике «Преобразование различных видов энергии в электрическую» и вестнике МГТУ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка цитируемой литературы. Принята сквозная нумерация литературных ссылок, параграфов и рисунков. Диссертация содержит 315 страниц текста, включающего 173 рисунка. Перечень библиографических ссылок имеет 193 наименования. Содержание работы. 1. Эксперименты по разгону лайнеров ог индуктивных накопителен.
Похожие диссертации на Физические механизмы при выводе магнитной энергии из индуктивных накопителей в мощных импульсных системах
