CH675791A5

CH675791A5 -

Info

Publication number: CH675791A5
Application number: CH507/88A
Authority: CH
Inventors: Hans Dr Quack; Antonio Dr Angelini
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1990-10-31
Also published as: US4884409A; IT8919150A0; IT1228503B

Description

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CH 675 791 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen von gepulst betriebenen Magnetspulen, insbesondere Toroidspulen, zum Erzeugen sehr starker Magnetfelder auf eine Temperatur im Tief-Temperaturbereich sowie auf die Anwendung des Verfahrens.

Anlagen zum Erzeugen sehr starker Magnetfelder von beispielsweise mehreren Te?L'~

« Forschi mos- •• ' - ^rrëffiéntârteilchen- ï junëfnperaturphysik, der Fusionsund Plasmaforschung, insbesondere auch sog. To-kamak-Anlagen, werden häufig bei Temperaturen im Tieftemperaturbereich betrieben. Ein Tokamak ist eine torusförmige Plasmamaschine, bei dem ein sehr starkes Magnetfeld, das parallel zu ringförmigen Plasmaoberfläche und damit auch zum Strom im Plasma ist, stabilisierend wirkt. Mit dem Tokamak erzielt man hohe Einschlusszeiten von Hochtemperaturplasmas, wie dies in der Kernfusion angestrebt wird. Typisch sind derartige Tokamaks während einigen wenigen, z.B. 3 bis 4 Sekunden gepulst. Die beim Puls erzeugte Wärme kann dabei im Bereich von vielleicht 800 bis 1000 MJ (MJoule) liegen.

Der Betrieb solcher Anlagen im Tieftemperaturbereich hat den Vorteil, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer, dem Werkstoff aus dem die Magnetspulen gefertigt sind, bei diesen Temperaturen kleiner wird. Damit wird die mechanische Belastung der Konstruktion, die als Folge der Ausdehnung bei der Erwärmung entsteht, geringer. Im Pulsbetrieb kann sich die Spulen eines Tokamak um über 100°K erwärmen.

Gleichzeitig wird die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers mit sinkender Temperatur besser, was eine erwünschte, geringere Wärmeentwicklung zur Folge hat.

Gepulst betriebene Anlagen wie sog. Tokamaks, werden bisher, zwischen den einzelnen Pulsen mit flüssigem Stickstoff auf Temperaturen im Bereich von etwa 80°K und bis nahe an den Gefrierpunkt von Stickstoff von 63°K gekühlt. Das Kühlen des Stickstoffs bis in die Nähe seines Gefrierpunkts erfolgt beispielsweise mit Helium.

Einzelheiten zur Kühlung von Tokamaks finden sich beispielsweise in der Publikation «Operational limits of an inertial cooled compact ignition experi-ment» Angelini A. et.al., nach einem Vortrag gehalten an der Tagung des «Technical Committee Meeting and Workshop on Fusion Reactor Design and Technology, 26. Mai bis 6. Juni 1986, in Yalta, UdSSR, oder in der Technical Note No. 1.87.105 PER 1359/87, der Commission of the European Com-munities Joint Research Centre, ISPRA Establishment, «IGNITOR, Cooling of the Toroidal Magnet», A. Angelini, July 19871.

Diese Art der Kühlung mit Flüssiggas ist aber insofern umständlich, als vor jedem Puls das flüssige Kühlmittel/Kühlmedium, d.h. der flüssige Stickstoff oder das andere Flüssiggas, aus den Kühlkanälen entfernt werden muss, da sonst die bei der Erwärmung des Kühlmittels entstehenden, unzulässig hohen Drucke die Anlage beschädigen würden. Zudem ist diese Art der Kühlung mit Stickstoff, dem kostengünstigsten Kühlmittel, auf eine theoretisch tiefste erreichbare Temperatur von 63.2°K, praktisch aber auf sogar nur etwa 70°K beschränkt.

Das neue Kühlverfahren soll hier Abhilfe schaffen. Erfindungsgemäss ist ein derartiges Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes gasförmiges Kühlmedium in einem ersten Kühlkreis durch Kanäle der zu kühlenden Magnetspule ge-füh.i wird,- welches von einem- zweiten Kühlme ]n "einem zweiten Kühlkreis gekühlt wird. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung des Verfahrens zum Kühlen der scheibenförmigen Kupferspulen des Ringmagnets zum Erzeugen der sehr starken Magnetfelder in einem Tokamak.

Die Erfindung schafft ein Kühlverfahren für gepulst betriebene Magnetspulen zum Erzeugen von Magnetfeldern sehr hoher Feldstärke, bei dem das Kühlmittel nicht vor jedem Puls nicht Kühlkanälen entfernt werden muss und der Kühlprozess sogar während dem Puls weiterlaufen kann. Weiter erlaubt das Verfahren auf wirtschaftliche Weise die Kühlung solcher Magnetspulen auf Temperaturen im Bereich des Gefrierpunktes von Stickstoff und tiefer.

Ein Beispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird anhand der Figur näher erläutert. Sie zeigt das schematische Diagramm eines Beispiels einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren und mit Helium und flüssigem Stickstoff arbeitenden Kühlanlage für Magnetspulen. Helium von Raumtemperatur wird zuerst in einem Zweistufen-Kompres-sor 10 mit den beiden Stufen 10' und 10" komprimiert. Der Hochdruck-Heliumstrom wird zuerst in einem Gegenstrom-Wärmetauscher gekühlt. Die dann wird das Helium in den beiden Turboexpandern (Turbinen) 12' und 12" gekühlt und dann durch einen Hilfskühler 13, der beispielsweise einen Helium-Heli-um-Wärmetauscher und einen Flüssig-Stickstoff-verdampfer enthält, geführt.

Das He-Gas erwärmt sich nach dem passieren der Turbinen 12' und 12" im He-He-Wärmetauscher etwas und strömt dann zur ersten Sektion 151 des Ring-Magnets 15. Dort wird der He-Strom durch beispielsweise sechzig parallel geschaltete Kühlkanäle von verschiedenen Ringmagnetsegmenten 1511 geführt, wobei die Magnetsegmente 1511 gekühlt werden und die Wärme vom Kühlhelium aufgenommen und zum Hilfskühler 13 zurückgeführt wird. Wenn das aus den Magnetsegmenten 1511 austretende Helium eine Temperatur von höher als beispielsweise 80°K hat, ist das Bypass-Ventil 161 geschlossen und das Helium wird über den Flüssig-Stickstoff-Verdampfer 17 im Kühlsystem 19 und erst darnach zum weitern Kühlen zurück zum Hilfskühler 13 mit dem He-He-Wärmetauscher zurückgeführt. Das Kühlsystem 19 kann einen selbständigen, hier nicht gezeichneten Stickstoffverflüssiger enthalten. Der Stickstoffverflüssiger könnte aber auch mit dem Heliumverflüssiger gekoppelt sein.

In gleicher Weise durchläuft das He-Kühlmittel nacheinander die Sektionen 152, 153 und 154 des toroidalen Ringmagnets 15, wobei das Helium je nach Austrittstemperatur aus dem jeweiligen Segment

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152, 153 oder 154, ebenfalls über den Flüssig-Stick-stoff-Verdampfer 17 oder direkt durch das jeweilige Bypass-Ventil 162,163 bzw. 164 geleitet wird. Im gezeigten Beispiel gelangt das Helium nach dem Durchlaufen aller vier Sektionen 151, 152, 153 und 154 wieder zum Zweistufen-Kompressor 10. Auf dem Rücklauf zum Kompressor 10 wird das Helium im Wärmetauscher 11 wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Die Steuerung der Bypass-Ventile 161, 162, 163 und 164 erfolgt mit der Steuerelektronik 18, welcher die Sensorsignals der Temperatur-Sensoren 181,182,183 und 184 zugeführt werden.

Sobald die Austrittstemperatur des Heliums bei allen vier Sektionen 151, 152, 153 und 154 tiefer als beispielsweise 70°K ist, wird der Flüssig-Stickstoff-Verdampfer 17 vollständig überbrückt und das Helium wird nur noch im Heliumkühlsystem mit dem He-He-Wärmetauscher im Hilfskühler bzw. im Kompres-sor-Turbinensystem 10, 12, gekühlt. In diesem zweiten Verfahrensschritt des Kühlens ist das Stickstoffkühlsystem 17, 19 nicht mehr wirksam und trägt zur Kühlung des Magnets 15 nichts mehr bei. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, eine Toka-mak-Anlage mit z.B. sog. Bitter-Spulen, oder Spulen eines andern Typs, die eine Masse von beispielsweise etwa 30 t aufweisen, mit Kühlaggregaten bekannter Art in 70 bis 100 Minuten von beispielsweise etwa 170°K auf etwa 60°K zu kühlen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kühlen von gepulst betriebenen Magnetspulen (15), insbesondere Toroidspulen, zum Erzeugen sehr starker Magnetfelder auf eine Temperatur im Tief-Temperaturbereich dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes gasförmiges Kühlmedium in einem ersten Kühlkreis (10,11,12) durch Kanäle der zu kühlenden Magnetspule (15) geführt wird, welches von einem zweiten Kühlmedium in einem zweiten Kühlkreis (19,17) gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siedetemperatur des im ersten Kühlkreis (10, 11, 12) verwendeten Kühlmittels höher als diejenige des Kühlmediums im zweiten Kühlkreis (19,17) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im zweiten Kühlkreis (19,17) ein Flüssiggas ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im zweiten Kühlkreis (19,17) flüssiger Stickstoff ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Kühlmedium im ersten Kühlkreis (10,11,12) Helium, Neon, Wasserstoff oder ein Gemisch von zwei oder mehrerer dieser Gase ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmedium im ersten Kühlkreis (19, 17) unter erhöhtem Druck, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 7 bar zirkuliert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt der zu kühlende Magnet (15) bis auf eine vorwählbare Temperatur im Arbeitstemperatur-Bereich des zweiten Kühlkreises (19, 17) gekühlt wird, und dass der erste Kühlkreis (10, 11, 12), eine Kältemaschine (10,12) aufweist, mit der das Kühlmittel des ersten Kühlkreises (10,11,12) in einem zweiten Verfahrensschritt auf Temperaturen unterhalb des Arbeitstemperatur-Bereichs des zweiten Kühlkreises (19, 17) gekühlt wird, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium bzw. Kühlkreis während mindestens einem Teil des zweiten Verfahrensschritts praktisch unterbrochen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Verfahrensschritt zeitlich überlappen.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreis durch Umleiten des Kühlmediums des ersten Kühlkreises (10,11,12), über einen die Wärmetauschmittel umgehenden Bypass (161, 162, 163, 168) unterbrochen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlstrom während des Pulses aufrecht erhalten bleibt.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 10 zum Kühlen der scheibenförmigen Kupferspulen (1511) des Ringmagnets (15) zum Erzeugen der sehr starken Magnetfelder in einem Tokamak.

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