JP5951594B2 - パルス負荷を備えた冷却方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はパルス負荷冷却方法及び冷却装置に関する。

本発明は、さらに、特に、「トカマク」、すなわち断続的にプラズマを生成するための設備の構成機器を冷却するパルス負荷方法であって、その方法は作動サイクルへのヘリウム等の作動流体が供される冷却機を使用するものに関し：圧縮；冷却と膨張；前記構成機器における熱交換；また加熱、そのトカマクは、少なくとも１つの「周期的で対称である」オペレーティング・モードを呼ばれるオペレーティング・モードを備え、すなわち、プリセットされた期間Ｄｐが２つの連続するプラズマの間の期間Ｄｐの間隔で周期的に生成されたオペレーティング・モードであって、間隔の期間がプラズマの期間Ｄｐと高々３０％異なる（Ｄｎｐ＝Ｄｐ±３０％）であり、トカマクがプラズマ生成段階にある場合においては、冷却機によって生成される冷却能が相対的に高レベルへ増加させつつあるのに対し、トカマクがもはやプラズマ生成段階の中にない場合においては、冷却機によって生成される冷却能が、相対的に低レベルへ減少させつつある方法による。

本発明は、より詳しくは、トカマクの構成機器、すなわち断続的にプラズマを生成するための設備の構成機器を冷却するためのパルス負荷冷却方法及び冷却装置に関する。

トカマク（「Ｔｏｒｏｉｄａｌｎａｙａ Ｋａｍｅｒａ ｃ Ｍａｇｎｉｔｎｙｍｉ Ｋａｔｕｓｈｋａｍｉ」のロシアの頭字語）は、融合（ｆｕｓｉｏｎ）からパワーを得るために必要な物理状態を生成することができる設備である。特に、トカマクは断続的にプラズマ、すなわち電気を通す電離気体を生成する。

トカマクを冷却するための必要条件は、それらの非常に一時的な動作状態に依存する。

トカマクは、不連続で、かつ、繰り返された爆発のプラズマを生成する。このプラズマは、要求があり次第、一定間隔もしくはランダムに周期的に生成される。

このオペレーティング・モードは、パルス負荷冷却と呼ばれるものを要求する、すなわち、非常に本質的な冷却能は、非常に短い量の時（プラズマ生成段階中）に必要であり、この高い冷却要求は、冷却の必要がほとんどないより長い期間（次のプラズマが生成されるまで）の後に続く。

したがって、トカマク冷却装置は、このオペレーティング・モードの必要条件を満たすように設計されている。したがって、これらの冷却装置は、プラズマ間の期間に液体ヘリウムを生成する「節約装置（ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）」モードと呼ばれるものを使用する。生成された液体ヘリウムはリザーブ（ｒｅｓｅｒｖｅ）に貯蔵され、プラズマ生成段階中にトカマクの構成機器を冷却するために沸騰することにより消費される。

２つのプラズマ間の期間が十分に長い場合、次のプラズマの前に液体ヘリウムリザーブの最高液面位に到達している。その後、冷却装置の冷却能は縮小され、それによって、相当な量の動力を節約する。通常の解決方法では、冷却装置の力は、サイクルの圧力を下げる（すなわちその作動サイクル中のヘリウムの圧縮の圧力レベルを下げることによる）ことにより最小限にされる。冷却装置の力も、周波数変換器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｒｉａｔｏｒ）を使用する（すなわち、作動サイクルによるヘリウムの流量を選択的に減少させるか増加させる）ことで、サイクル流量を変更することにより減少させるか増加させてもよい。

一般に、ヒータは液体ヘリウムリザーブの中に設けられる。このヒータは液位を一定に保つ、あるいは少なくとも最大閾値以下に保つように超過冷却能を消費するために動作させる。

通常通りに、新しいプラズマが生成される場合、冷却装置は最大の冷凍パワーを（オペレータによる）手動で、あるいはヒータの「加熱曲線」の関数により、生成するために作られる。

プラズマが消滅しており、要求される冷却能がより低い場合、より少ない冷却能を生成する状態への冷却装置の復帰は、パワーがヒータに供給されていない場合、一般に自動的に達成される。

このオペレーティング・モードは全体として満足したものであるが、冷却装置の電源消費は高いままである。

あるトカマクは、正弦波のモードに接近した周期的なプロファイルで、繰り返し、周期的に、周回的にプラズマを生成して稼動する、すなわち、プラズマ過程及びよりプラズマ無し過程は、同一か、実質的に同一の期間で互いに周期的に続く。

プラズマはオン／オフ・モードで生成されるが、冷却装置に見られる熱負荷（すなわち冷却要求）は、正弦波に似ている。

通常、冷却装置の力は、冷却要求に対し、作動流体（例えば、ヘリウム）の作動サイクルの圧力及び流量を一致させることにより制御される。

単純のため、残りの記述において、この作動流体を「ヘリウム」と呼ぶ。もちろん、この作動流体は、このガスのみ制限されず、どんな適切なガスあるいは混合ガスを含んでもよい。

高冷却能の冷却装置の作動サイクルはしばしば３つのサイクル圧力レベルからなる：高圧（ＨＰ）、中圧（ＭＰ）及び低圧（ＢＰ）。時々、要求された時、ヘリウムは他の追加の圧力レベルにさらされる。例えば、作動サイクルは、ヘリウムが大気中より低い圧力（ＬＰ）にさらされる段階を含んでもよい。

しかしながら、本発明による方法及び装置は、圧力ステージの特別の数に制限されていない。

高圧ヘリウムＨＰは、例えばＢｒａｙｔｏｎタービン、冷タービン、ジュール−トムソン弁のような実質的な程度の膨張が生じるシステムに供給される。

高圧ＨＰ及び低圧ＢＰレベルの間のヘリウムを必ずしも技術的に完全に膨張することができるとは限らず、Ｂｒａｙｔｏｎタービンの力を制限するために中圧ＭＰのヘリウムが一般に必要である。その後、高圧ＨＰ及び中圧ＭＰのレベルの間に制限のある膨張があってもよい。

中圧ＭＰのレベルの存在は、ヘリウム圧縮を行なうことにより、コンプレッサの効率を増加させる効果をさらに持ち得る。

最適化された圧力ステージは、理論値ＭＰ＝（ＢＰ×ＨＰ）の平方根を用いて、広く設計されている。低圧ＢＰは、ヘリウムの飽和圧力、及びコンプレッサの入力圧力への部分に対応する。必要なヘリウム温度が４．３ Ｋ未満である場合、飽和圧力は大気圧（ＬＰ）より低く、また、次に、付加的な圧縮ステージは大気圧ＬＰと低圧ＢＰの間で必要である。

本発明者は、トカマクの冷却要求を適切に満たすように冷却装置の力を規制することは困難であり、オペレータ側に多くの努力を要求する、と所見を述べた。特に、トカマクの熱負荷を一定に制御の規則性のためにコントロールすることは、比較的困難である。冷却装置の力が不十分に規制される場合、本発明者は、バッファ中の液体ヘリウム・レベルがあるサイクルから別のサイクルまで絶えず増加するか減少するだろう、と所見を述べた。その結果、可能な限り長い最大と最小の閾値の間において、このレベルを維持しようとして、バッファタンク中の液体ヘリウム・レベルがその初期状態、あるいは与えられた補充レベルに返すことを可能にするためにプラズマ生成のシーケンスを中断することが必要である−これが設備の安全操業に必要である。

「ヘリウム冷却装置プロセスエンジニアリングを支援するために動的シミュレーションの使用」についての記事、ＩＣＥＣ ２２−ＩＣＭＣ ２００８の会議報告書、３９〜４４ページ、Ｄａｕｇｕｅｔ Ｐ、Ｂｒｉｅｎｄ Ｐ、Ｄｅｓｃｈｉｌｄｒｅ Ｃ．及びＳｅｑｕｅｉｒａ Ｓ．Ｅ．は、作動サイクル圧力を一定に保つように、かつ、さらに、冷却器によって電力消費を一定に維持するように制御する冷却方法について記述している。

本発明の１つの目的は、上に触れた先行技術の欠点の全てあるいはいくらかを緩和することである。特に、本発明の目的は、先行技術のものより優れた冷却方法及び冷却装置を提供することである。

このため、本発明による方法、さらに、上記前提部分の中で与えられた総括的な設定によって、トカマクの「周期的で対称である」操作の過程中に、冷却機の冷却能が強制的な「周期的で対称である」制御を使用して規制されるという点で本質的に特徴づけられる、つまり、高い冷却レベルの冷却能を生成し、低レベルの冷却能を生成して費やされたそれぞれの過程の期間は、最大３０％だけ異なり、またその中で、冷却能は漸進的増加・減少を生成するために冷却能は変えられる、また、冷却機によって生成された冷却能の増加は、トカマクにおけるプラズマ開始の１ステップの間に生成された信号に応じて、すなわち、構成機器の熱負荷の増加前に、プラズマを予測して起きる。

さらに、本発明の実施例は、次の特徴の１つ以上を含んでもよい：
−作動サイクルは、周期的で対称な操作のトカマク過程中に作動流体が高圧、中圧及び低圧にそれぞれさらされるステージを備え、次の少なくとも１つの：高圧レベル；そして強制的な「周期的で対称である」制御を使用して調整されている中圧レベル、つまり、圧力の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）は、最大３０％異なるそれぞれの期間のより高く値とより低い値との間で制御される；
−高圧レベル及び／または中圧レベルは、それぞれのプリセットされた平均圧力値についての圧力の振幅の調整により制御され；
−圧力の振幅の調整は、次の少なくとも１つを実行する電子ロジックによって自動的に実行される：比例積分派生（ＰＩＤ）閉ループ・コントロール；
−圧力の振幅の調整は、次の少なくとも１つを実行する電子ロジックによって自動的に実行される：
−比例積分派生（ＰＩＤ）閉ループ・コントロール；
−最小二乗（ＬＭＳ）法則または線形二次のレギュレーター（ＬＱＲ）制御のような適応制御法則による反復制御；
−最小二乗（ＬＭＳ）法則のような適応制御法則による反復制御；そして
−線形二次のレギュレーター（ＬＱＲ）制御；
−この方法は、冷却機が作動流体を液化し、プラズマ過程中に冷却能を解放することでそれを使用する目的でバッファリザーブに液化された流体を格納し、高圧レベル及び／または中圧レベル及びまたはバッファリザーブの中で測定された液位の関数及び／またはこの液位の平均値の関数として調整されている低圧レベルを放つために少なくとも１つの期間を備え；
−高圧レベル及び／または中圧及び／または低圧レベルは、バッファリザーブの中で測定された液位値の二乗平均平方根（ＲＭＳ）の関数にしたがって制御される；
−高圧レベル及び／または中圧レベル及び／または低圧レベルは、バッファリザーブの中の液位の最大の測定値の関数にしたがって制御される；
−冷却機の冷却能は、一方では、バッファリザーブの中の液体をプラズマ過程中に消費するために、プリセットされた最初の液位からスタートし、そして、他方では、リザーブに回復するために、プラズマ過程間の最初の液位に戻すように制御される、；
−冷却機の冷却能はリザーブの中で液位の平均値を一定に維持するように制御される；
−トカマクの周期的で対称なオペレーティング・モードは構成機器に高調波熱負荷を適用する；
−冷却機の冷却能は高調波力制御を用いて規制される；
−トカマクは、プリセットされた期間Ｄｐ、プラズマの期間Ｄｐの８０％と１２０％の間である２つの連続したプラズマの間の期間Ｄｎｐ（Ｄｎｐ＝Ｄｐ±２０％）、及び好ましくはプラズマの期間Ｄｐの９０％と１１０％の間である２つの連続したプラズマの間の期間Ｄｎｐ（Ｄｎｐ＝Ｄｐ±１０％）にプラズマを生成する；
−費やされたそれぞれの回、一方では高レベルの冷却を生成し、及び他方では最大で２０％、好ましくは最大で１０％の違いの低レベルの冷却能を生成して；
−トカマクの中で観測できる物理的パラメータにプリセットされた変化がある場合に、信号は生成される；
−次の物理的パラメータの少なくとも１つのプリセットされた変化がある場合に、信号は生成される：トカマクの内部温度のプリセットされた上昇；トカマクをプラズマ生成段階に切り替えるための手動又は自動制御信号；圧力及び／または電流及び／または電圧及び／または磁界計測に関連した電気信号；あるいは、カメラあるいは１つ以上の光ファイバ等の光学測定器によって供給された信号；
−少なくとも熱負荷より多い冷却装置によって生産された冷却能のうちのいくらかは、生産された過剰の液体ヘリウムを蒸発させるヒータ及び／または圧縮ステーションに熱交換器によるヘリウム出力の一部を選択的に返す冷バイパスシステムによって選択的に制御される；
−冷却機によって生成された冷却能の低レベルへの減少は、構成機器上の熱負荷における予め設定した変化、すなわち構成機器の冷却要求におけるプリセットされた変化に応じて自動的に起きる；そして
−冷却機によって生成された冷却能の減少は、自動的に次の少なくとも１つに応じて起きる：構成機器と作動流体の間の熱交換を確保する流体回路の予め設定した温度減少を示す信号；貯溜タンク中の液体ヘリウムの液位の増加；冷バイパスの開口部閾値；及び／または冷却コンプレッサかタービンの閾値速度。

本発明は、高圧ＨＰ、中圧ＭＰ、任意の低圧ＢＰ及び／または作動サイクルのＬＰレベル低圧ＢＰを強制的に周期的かつ対称的に変えること、例えば調波的、あるいは調波変化に近づく周期的な方法であってもよい。

本発明は、このように、瞬間のオブザーバブルでではなく、次のもののように調波の規則性に適したオブザーバブルで冷却装置が制御されることを可能にする：
−バッファリザーブの中で測定された液体ヘリウム・レベルの平均値及び／または；
−バッファリザーブの中で測定された液体ヘリウム・レベルの平均の二乗平均平方根（ＲＭＳ）；
−バッファリザーブの中で測定された液体ヘリウム・レベルの最大値。

その後、作動サイクルの圧力（ＭＰ及び／またはＨＰ及び／またはＢＰ）は、レベルの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値の関数としてそれぞれの平均値を中心にした振幅調整によって制御されてもよい。この解決法は、各プラズマ生成サイクル間で、バッファタンク中の液体ヘリウム・レベルがその初期状態に返り、この液位の平均値が一定に維持されることを保証する。これは、冷却装置及びそれゆえ間接的にトカマクについて、一定の高調波規則性での中断なしで、連続的に稼動し、すなわち、冷却装置とトカマクの稼動の間に変化する全ての物理的パラメータを一定あるいは実質的に一定の平均値を有するという規則性を可能にする利点を有する。

本発明は、さらに、ヘリウムのような作動流体のための作動サイクルを形成する回路を備えた冷却器を装備した冷却装置であってトカマクの構成機器を冷却するパルス負荷冷却装置に関し、冷却器の回路は、次のものを備えている：
−少なくとも１つのコンプレッサを装備しているステーションであって、作動ガスを圧縮するためのステーション；
−少なくとも１つの熱交換器及び圧縮ステーションから出力された動作ガスを膨張するための少なくとも１つの構成機器を備えている予備冷却／冷却器；
−冷却された作動流体と構成機器との間で熱交換するためのシステム；
そして
−圧縮ステーションへの構成機器で熱交換した流体を戻すためのシステム、
冷却装置は、冷却器によって生み出される冷却能を制御することを実行する冷却器を制御する電子ロジックを備え、トカマクがプラズマ生成過程にある場合、相対的に高いレベルに急速に冷却能を増加させるために、冷却装置は、トカマクは、プラズマが開始される毎のトリガ信号を出力するエミッタを備え、電子ロジックは、この信号を受信中の冷却機によって生成される冷却能の増加を自動的に要求するためのトリガ信号を受け取るレシーバを備え、そして、電子制御ロジックは、前記信号に応じて、強制的な「周期的でかつ対照的である」制御を使用して、選択的に冷却機の冷却能を制御するように設定されている。

他の可能な特徴によって：
−冷却装置は、トカマクの中で観察することができる物理的パラメータの値を測定し、プラズマに達したかどうかを示すセンサを備え、このセンサは、電子制御ロジックに入力を供給する目的でエミッタに信号を供給する；
−センサは、次の少なくとも１つからなる：トカマクの内部又は外部温度を感知するセンサ；手動あるいは自動命令をプラズマ生成段階へ「スタンバイ」段階と呼ばれるものにトカマク・スイッチを要請すると検出するためのスイッチング・センサ；あるいはトカマクの設備の中にある他の電気的なセンサ；
−予冷／冷却器は次のものを備えている：作動サイクル中に液化された流体のバッファリザーブ；リザーブの液化された流体のうちのいくらかを蒸発させるように選択的に活性化することができるヒータ；また、リザーブの流体と構成機器との間の熱交換を選択的に行う回路、冷却装置は、構成機器の熱負荷を測定するセンサを備え、すなわち、センサは構成機器を冷やすための冷却要求の代表値を測定し、構成機器の熱負荷を測定したセンサは、電子制御ロジックに信号を送り、電子制御ロジックは、構成機器の熱負荷をプリセットされた減少を示す信号に応じて相対的に低レベルに冷却器によって生成された冷却能を減少させるようにプログラムされ；そして
−構成機器の熱負荷を測定するセンサが次の少なくとも１つを備え：構成機器と作動流体の間の熱交換を選択的に確実にする流体回路の温度を感知するセンサ；圧力検出器；ヒータに供給される電力を測定するための手段；また冷コンプレッサ及び／または冷却機のタービンの速度を測定するための手段。

本発明はさらに上に、あるいは、下に記述した特徴のどんな組み合わせを備えた代替装置又は方法に関係があってもよい。

本発明は、このように、「周期的に、かつ、対称的に」に稼動するトカマク、「周期的に、かつ、対称的に」に稼動するトカマクにおいて、冷却装置の冷却能を液体ヘリウムの消費を最小限にして、自動的に制御されることを可能にする。後述されるように、本発明は、冷却装置の全面的な電力消費が縮小されることを可能にする。本発明は、特に、その最大の冷却能で冷却装置を使用する期間の長さを縮小することを可能にする。

本発明は、厳密な正弦波のオペレーティング・モードに制限されないが、それに類似したあらゆる周期的な規則性、すなわち、それは類似又は同等の期間の高出力及び低出力の過程に適用可能である。例えば、本発明は、さらに熱負荷信号が矩形波、三角波あるいは半正弦波、あるいは、ている等の他の周期的な波形と恐らく類似した、オペレーティング・モードに適用される。

他の特徴及び利点は下記の記述、与えられた図を参照することで明白になるだろう。

図１は、本発明によるトカマク冷却装置の構成及び動作を部分模式的に示している。 図２は、本発明の別の実施例によるトカマク冷却装置の構成及び動作を部分模式的に示している。 図３は、トカマクの構成機器における時間の関数としての典型的な正弦波である熱負荷ＣＴ及び冷却装置に関連する２つのサイクル圧力設定信号ＣＣ、ＣＨ−それぞれ矩形波及び高調波−を時間（ｔ）の関数（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）として同じグラフに示す。

−ここで、一般的な操作の原理を図１を参照して記述する。

図１に図式化された冷却装置は、従来の方法、すなわち冷却効果を生ずるようにヘリウムを作動サイクルにさらす回路を備えた冷却機２を備えている。

冷却機２の回路は、ヘリウムを圧縮する少なくとも１つのコンプレッサ８を装備した、圧縮ステーション１２を備えている。一旦、圧縮ステーション１２から出力されたヘリウムは、冷却ユニット３２に入る（予備冷却するユニット２２を任意的に伴う）。冷却／予備冷却ユニット２２，３２は、後者を冷却するようにヘリウムで熱交換する１台以上の交換器１０を備えている。

冷却／予備冷却ユニット２２，３２は、ヘリウムの膨張のために１台以上のタービン２１１を備えている。好ましくは、冷却／予備冷却ユニット２２，３２はブレイトンサイクルを使用する。

少なくともヘリウムのうちのいくらかは、冷却／予備冷却ユニット２２，３２から出力される前に液化され、回路４，７は液体ヘリウムと冷却されるトカマク構成機器１の間の選択的な熱交換を確保するために設けられる。冷却される構成機器１は、例えば超伝導磁石を使用して得られた磁界発生器及び／または１つ以上のクリオポンプを備えている。

熱交換回路４，７、例えば、液化されたヘリウムのリザーブを貯蔵するタンク４と、ダクトと、構成機器１と液体ヘリウムの間の間接の熱交換を確保する交換器を含んでもよい。

少なくとも構成機器１で熱交換中に熱せられたヘリウムのうちのいくらかは、圧縮ステーションに戻される。圧縮ステーション１２へ戻される間に、ヘリウムは交換器１０で冷却されてもよく、それは次には圧縮ステーション１２からのヘリウム出力を冷却する。

プラズマがトカマク１１に生成される場合、構成機器１はより高い熱負荷（すなわち増加した冷却要求）にさらされる。したがって、冷却機２の冷却能を増加しなければならない。

冷却装置は冷却機２を制御するための電子ロジック１５を有し、それは前記冷却機２によって生じた冷却能が調整されることを特に可能にする。特に、電子ロジック１５は、トカマク１１がプラズマ生成段階にある場合、この冷却能が急速に増加されて相対的に高レベル（例えば最大の冷却効果を提供するレベル）になることを可能にする。同様に、電子ロジック１５は、トカマク１１がもはやプラズマ生成段階の中にない場合、この冷却能を減少させて相対的に低レベル（例えばプリセットされた最低レベル）へと制御する。

冷却機２によって生じる冷却能の変化は、サイクル圧力Ｐ、すなわちヘリウムが作動サイクル中にさらされる圧縮１２の圧力レベル（ＢＰ及び／またはＭＰ及び／またはＨＰ）の変更により通常通りに得られる。

もしサイクル流量の変更により要求されれば（すなわち、作動サイクルによってヘリウムの流量を変更することによって）、冷却機２によって生じる冷却能における変化も実行されてもよい。

プラズマを周期的かつ対称的に生成する（特に正弦波の規則性に類似した高調波の規則性で）トカマクの構成機器１の冷却要求を満たすために、冷却器２の冷却能は、強制的な「周期的で対称的である」制御を用いた制御と、構成機器１に対する熱負荷の影響が観察される前に、プラズマを予期して生じた冷却機２によって生成された冷却能の増加を使用する。さらに、好ましくは、冷却能の変化は、冷却能の増加及び減少を、漸進的で、全部か零の変化でないように導く。

冷却能の増加は、例えばトカマク１１でプラズマに達する１ステップの間に生成された信号Ｓ経由で予測される。

したがって、先行技術とは対照的に、本発明による冷却装置の装置２の冷却能の増加は、液体ヘリウムリザーブのヒータの加熱曲線についての情報に応じて引き起こされない。これに反して、低い冷却能のオペレーティング・モードと高い冷却能のオペレーティング・モードの間のこのスイッチは、自動的で、また、ヒータの加熱曲線に関する関連情報に関連のして予測される。

特に、本発明による冷却装置では、トカマク１１はプラズマに達している場合（図２参照）に信号Ｓを発するエミッタ１１２を備えている。この信号Ｓは電子ロジック１５に（有線又は無線によって）送られる。このために、電子ロジック１５は前記信号Ｓを受け取るためにレシーバを備えてもよい。この信号Ｓが受け取られる時、電子ロジック１５は自動的に冷却機２によって生じた冷却能の増加を要求する。

トカマクの中でプラズマに達していることを示す信号Ｓは、トカマク１１で、あるいは、トカマク１１の上流（及び先行技術の場合におけるトカマク１１の下流ではない）で観測されるよりも、例えば、物理的パラメータに基づいている。

例えば、制限されることはないが、プラズマ段階がいつスタートしたか検知するようにモニタされた物理的パラメータは、次の少なくとも１つを含んでもよい；トカマクの内部温度用の閾値；電気制御信号；トカマクを開始するオペレータからの手動制御信号、あるいは他の等価な手段；また圧力及び／または電流及び／または電圧及び／または磁界計測。

この有利な特徴は、プラズマ生成段階の始まりが検知されることを可能にし、トカマクの核心（プラズマ生成部位）と冷却装置（冷却される構成機器１）の熱インターフェースとの間の熱負荷の移動の時定数を利用することを可能にする。このように、冷却装置は、構成機器１に対するその影響が観測される前に、増加した冷却要求を予測するためにシステムの慣性を考慮に入れる。

したがって、本発明によって、増加した熱負荷が現われる場合、冷却装置の最大能力が直ちに利用可能なように、冷却能状態の変化が生じる。

ヘリウム・バッファ・バスに対する熱負荷の影響が観察される前に、これはサイクルの圧力をゆっくり滑らかに変えることを可能にする。この発明は、冷却装置の電力消費を最適化し、液体ヘリウム・レベルにおける変化の振幅を制限することをさらに可能にする。 高調波の規則性の特別の場合では、本発明は、さらに位相前進（ｐｈａｓｅ ａｄｖａｎｃｅ）を達成することを可能にし、それは安定効果を持ち、制御の強健さを増加させる。冷却装置（熱負荷の影響が観察される前にゆっくりと増加されている冷却装置によって生産された力）によって生産された余剰出力を補うために、１つの解決法は、冷却装置中の冷バイパスシステムと呼ばれるものが設けられてもよい。

冷バイパス３１は、このように任意に、冷却器２２から圧縮ステーション１２に直接あるいは間接的にヘリウムの一部を選択的に返すように最後のタービンの下流に設けられてよい。

そのようなシステム３０及び３１は、サイクルの圧力及び流量が滑らかにされる（図２参照）ことを有利に可能にする。これは、さらに冷却器１２の温度変化の振幅が制限されることを可能にする（そのような冷バイパスのオペレーティング・モードは、例えば文献ＷＯ２００９／０２４７０５に述べられている）。この解決法は、ヒータの無視できない電源消費を防ぎ、冷却ユニットで温度差の大きさを適切に制限することをさらに可能にする。

ヒータ及び／または冷バイパスの使用は、冷却ユニット３２の熱交換器の温度を下げるためにどんな超過冷却能も使用することを可能にする。これは、冷却器３２のステージのタービンを通る流量を減少させることを可能にする。

図２は、制限されない典型的な冷却装置２用のこのオペレーティング・モードを示す。

図２中の冷却装置の圧縮ステーション１２は２つのコンプレッサ８を備えている。これらのコンプレッサは例えば３つの圧力ステージを定義する：低圧ＢＰレベル（圧縮ステーション１２の入口における）、中圧ＭＰレベル（第１のコンプレッサ８の出口における）及び高圧ＨＰレベル（第２のコンプレッサ８の出口における）。

示されるように、圧縮ステーション１２は緩衝収容タンク１６への液体水素の転換のためにダクト１８を備えるようにしても良い。バルブ１７のシステムは、作動回路３と緩衝収容タンク１６の間のヘリウムの転換を調整することを可能にする。同様に、従来の方法で、それぞれのバルブを装備したダクト１９はある圧縮ステージに圧縮したヘリウムを選択的に戻すことを確保するように提供されてもよい。

圧縮ステーション１２から出力された後に、ヘリウムは、ヘリウムが１台以上の交換器１０を備えた熱交換によって冷やされ、任意にタービン２１１の中で膨張し、予備冷却ユニット２２へ導入される。

バルブ１２０を装備したダクト２０は、予冷ユニットから圧縮ステーション１２に選択的にヘリウムを戻すために提供されてもよい。

その後、高圧ヘリウムは冷却器３２へ導入される。ヘリウムは１台以上の交換器１０を備えた熱交換によって冷やされ、１台以上のタービン２１１で任意に膨張する。

上に説明したように、バルブ３０を装備した冷バイパスダクト３１は圧縮ステーション１２に膨張したヘリウムを選択的に戻すために設けてもよい。液化されたヘリウムは、主としてリザーブ４に貯蔵される。

液体ヘリウムのこのリザーブ４は、冷却される構成機器１における熱交換用の冷却予備を形成する。例えば、冷却はポンプ１２２を装備した閉ループ回路７によって生じる。

その後、リザーブ４からの熱せられたヘリウム出力は、圧縮ステーション１２に（例えばコンプレッサ１４を任意に装備したダクト１３によって）返される。

その戻り中に、ヘリウムは冷却器３２及び予冷ユニット２２の交換器１０を冷やすために使用されてもよい。

電子ロジック１５（それはマイクロプロセッサを含んでもよい）は冷却能（様々な構成機器、バルブ、コンプレッサ、タービン他からの制御信号Ｃ）を制御するために圧縮ステーション１２に接続される。電子ロジック１５も、冷却器３２及び冷却ユニット２２（様々な構成機器、バルブ、コンプレッサ、タービン他からの制御信号Ｃ．）に接続される。電子ロジック１５は、特に後者における液体ヘリウム・レベルを調整するためにリザーブ４のヒータ５を制御する。

本発明によれば、トカマク１１は、トカマク１１で観測できる物理的パラメータの値を測定し、かつ、プラズマにいつ達したかを示すセンサ１１１を備えている。電子ロジック１５のレシーバへのセンサ１１１からの信号は、エミッタ１１２によって中継される。

有利には、冷却装置と構成機器１の間に流れる流体を含んでいる回路７中の温度センサ６は、さらに電子ロジック１５の入力に供給される。測定された温度Ｔが減少する（すなわち、冷却要求がプラズマ過程終了により減少する）場合、電子ロジック１５は、冷却能設定ポイントを低下させるＣを要求する。もちろん、プラズマ過程の終端は、例えば、ヒータ５の加熱曲線によって、トカマク中のパラメータによって、あるいは例えば冷コンプレッサ又はタービンの速度のような冷却装置の他の内部オブザーバブル等の他の手段によっても検知されてもよい。

特に、それがタービンの速度を規制しないために慎重に選ばれる場合、冷却要求に依存してこれらの速度は当然変わるだろう、そして、そのため、液体ヘリウムリザーブ４に適用されている熱負荷を示すだろう。

これらの２つのパラメータ（プラズマ過程の後に、プラズマ過程がスタートしようとしていることを示す信号Ｓ）は、フィードフォワード制御計画で使用されてもよい、つまり次の少なくとも１つ：
−作動サイクル中の圧力設定ポイント曲線；
−任意の回路調整器（作動回路中のヘリウム流量の制御用の）の周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の制御曲線；そして
−冷バイパス３０が開いている程度は、
例えば、電子ロジック１５に統合されて、デジタル・コンピュータによって設定されてもよい。デジタル・コンピュータは、例えば単純なパラメータ化することができる整数論的関数排他的論理和を使用する内部状態予測モデル（ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｒ ｅｌｓｅ ａｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔａｔｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ）により、電源消費を最適化する目的でより良い調整ができる。

プラズマに達していることを示す信号がデバイス２、１５によって受け取られる場合、最大圧力設定値は圧縮ステーション１２へ与えられる。この瞬間では、冷却機２はまだその縮小されたオペレーティング・モードにある。また、冷バイパス弁３０は開いている（バイパスの流体上流の基準温度Ｔｒｅｆの増加）。

冷バイパスが開いているという事実は、冷却装置の力を制限する。圧縮ステーション１２によって加えられた実際の圧力及び影響した結果は、圧縮ステーションを調整するために使用されるデジタル制御方法に依存するだろう。その調整は予め設定された内部モデル、「ＰＩＤ」制御あるいは多変数制御（ＬＱＲ制御等）を使用してもよい。

リザーブ４の上の熱負荷が増加する場合、冷バイパス弁３０は閉まっている。バイパスの温度Ｔｒｅｆは構成機器１に最大の冷却能を供給するように減少する。

その圧力の最適なレギュレーションが得られる。これは多大な省電力に帰着する。

構成機器１に例えば正弦波の高調波熱負荷を適用するプラズマを伴うトカマク１１の周期的で対称的なオペレーションは、今、議論されるだろう。

熱負荷、すなわち、周期的な矩形波基礎信号を使用することで、冷却装置によって運ばれた冷却能の増加は予測されてもよい。

この基礎信号は、圧縮ステーション１２からの最大圧力及び最小圧力を要求した上流のセットポイント（高圧ＨＰ及び／または中圧ＭＰ及び／または低圧ＢＰのそれぞれのセットポイント）として使用されてもよい。

上に見られるように、最大圧力セットポイントはプラズマに達してい時に生成された信号Ｓによって要求される。上に記述されるように、最小圧力は、例えば温度、圧力、タービン速度あるいは冷セントリフューガルコンプレッサー速度のような冷却器の内部の観察（ｏｂｓｅｒｖａｂｌｅ）に対応して要求されてもよい。

好ましくは、冷却装置セッティング（圧力、作動サイクル中の流量）が引き起こす変化が急すぎるので、この予測される矩形波セットポイント（図３の信号ＣＣ参照）は直接的には使用されない。したがって、本発明によれば、矩形波基礎制御信号ＣＣは、漸進的信号、例えば疑似の高調波の信号（図３ＣＨ参照）に変換される。

この目的のために、冷却装置を制御するための漸進的信号を生成するためにセットポイントフィルタを用いてもよい。

例えば、第６度低域通過多項式フィルタは、この矩形波基礎信号ＣＣを疑似の正弦波制御の信号ＣＨに変換してもよい。

このフィルタの時定数は構成機器１上の熱負荷と圧力制御の位相差を一致させるためにオペレーターによって調節されてもよい。例えば、圧縮ステーション１２の圧力は、冷却器３２の最も冷たいタービン２１１の速度を備えた過程へもたらされてもよい。高調波の規則性では、圧力の振幅が有効に調整されることになっている場合、冷却装置セットポイント制御信号ＣＨと熱負荷ＣＴの間の位相差が正確であることを実現することは重要であり、また、必要である。

図３は、限定されない例であり、熱負荷ＣＴを予測する冷却装置サイクル圧力制御信号ＣＨを示す。図３は、さらに進歩的な冷却装置サイクル圧力制御信号ＣＨの強制的な周期的で対称的な性質を示す、すなわち、図３は、冷却される構成機器１の熱負荷を予測して冷却装置の冷却能が調和し、次第に調整されることを示す。

位相差が設定された場合、制御ロジック１５は作動サイクルの圧力ＭＰ、ＨＰ、ＢＰに振幅調整を要求してもよい。

高圧ＨＰ及び中圧ＭＰ、及びサイクルの平均値は、オペレータによって適切に調節されるパラメータである。

これらのそれぞれの平均値のまわりの圧力の振幅変化は、例えば、電子ロジック１５に提供されて、レギュレータによって好ましくは自動的に調整されるパラメータである。

このレギュレーターは比例積分派生（ＰＩＤ）制御でもよい。

その制御は、さらに高調波の規則性での単可変プロセスに適合した最小二乗（ＬＭＳ）法則のような適応制御法則によって反復してもよい。

このレギュレータのオブザーバブルは、例えば、リザーブ４で測定された液体ヘリウム・レベルの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値でもよい。

リザーブ４で測定された液体ヘリウム・レベルの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値の使用は、レベル自体の値を制御せずに、その初期値で液体ヘリウム十分レベルを維持することを可能にする。

しかしながら、オペレータは、ＲＭＳ値ではなくレベルの平均値を制御することを選択してもよい。その後、オペレータは振幅調整を中断しなければならない、すなわち、振幅調整は一定に保たれ、そして２番目のレギュレータ、振幅の変化ではなく、圧力の振幅の平均値によって動作する第２のレギュレーターを用いる。

一旦、液体ヘリウム・レベルの希望の平均値が得られたならば、冷却装置の平均電力消費を最小限にして、この平均液位が一定に保たれることをこのモードは可能にするだけでなく、さらに液面変位の最適な振幅を許可するので、決定されるために振幅調整モードに返ることが望ましい。

したがって、本発明は、オペレータが冷却装置によって消費された力を最小限にすることを可能にする、様々な制御、予期及び調整するプロセスを組み合わせる。

本発明が使用する圧力振幅偏差のために、比例積分派生（ＰＩＤ）制御でそれらが通常通りに使用したより有効な制御方法を使用するために、圧縮ステーション１２のバルブを制御するために必要としてもよい。

１つの可能な解決法は、 線形の二次のレギュレータ（ＬＱＲ）制御を使用することであり、それは多くの変数を使用する。この制御は、内部あるいは冷却装置（圧力、温度、タービン速度、冷コンプレッサ速度等．のような）において利用可能なオブザーバブルの開発により、サイクル３（制御された変数）のヘリウムの圧力の測定、及び、摂動（ＢＰ及びＭＰのサイクルの中のヘリウム流量）の測定の両方を関連させてもよい。

したがって、本発明による方法は冷却要求に単にサイクル圧力を一致させることではない。これに反して、それは、強制的で、周期的で、かつ、対称的である（もし要求されれば高調波）規則性でサイクル圧力（特にＨＰ及び／またはＭＰ及び任意にＢＰ）を制御する慎重な決定から成る。冷却装置のサイクルの圧力は、フィードフォワード制御ロジック（冷却装置の冷却能を制御する冷却装置のサイクルの圧力の制御）を用いて制御される。

この方法の１つの利点は、平均値（例えばＲＭＳ値）が使用され、規則オブザーバブルの瞬時値を用いない。これは圧力振幅調整を可能にし、冷却装置の電力消費を最適化するために、予測と調整の利点を組み合わせることで、高調波の規則性に適した方法が可能となる。

このように本発明は、その電力消費を最小限にすると同時に、トカマクを連続的に、中断なしで稼動できることを保証する。

特に本発明は、特に、トカマクが、特に高調波の規則性で、プラズマを周期的に対称的に生成する場合、設備の全面的な電力消費が縮小されることを可能にする。

Claims (15)

1. 「トカマク」（１１）、すなわち断続的にプラズマを生成するための設備（１１）の構成機器（１）、を冷却するパルス負荷方法であって、該パルス負荷方法は、作動サイクル（３）へのヘリウム等の作動流体が供される冷却機（２）を使用するものであり、
   該パルス負荷方法は、圧縮（１２）、冷却及び膨張（２２、２１１）、構成要素（１）との熱交換（３２）、及び加熱の各工程を備え、
   前記トカマク（１１）が、「周期的で対称」なオペレーティング・モードと呼ばれる少なくとも1つのオペレーティング・モード、すなわち、プリセットされた期間（Ｄｐ）のプラズマが２つの連続するプラズマの間の期間（Ｄｎｐ）の間隔で周期的に生成され、前記間隔の期間（Ｄｎｐ）がプラズマの期間（Ｄｐ）と最大３０％異なる（Ｄｎｐ＝Ｄｐ±３０％）オペレーティング・モードを備え、
   該パルス負荷方法によれば、前記トカマク（１１）がプラズマ生成段階（Ｄｐ）にある場合においては、前記冷却機（２）によって生成される冷却能が相対的に高レベルへ増加されつつあるのに対し、前記トカマク（１１）がもはやプラズマ生成段階の中にない場合（Ｄｎｐ）においては、冷却機（２）によって生成される冷却能が、相対的に低レベルへ減少させつつある、パルス負荷方法において、
   前記トカマク（１１）が「周期的かつ対称的」な制御過程の間は、前記冷却機（２）によって生成される冷却能が、強制的な「周期的かつ対称的」な制御により規制され、すなわち、高レベルの冷却能を生成するに費やされる過程と、低レベルの冷却能を生成するに費やされる過程との各期間は、最大３０％異なり、
   前記冷却能が冷却能の漸進的増加及び漸進的減少を生成するように変えられ、
   かつ、前記冷却機（２）によって生成された冷却能の増加が、前記トカマク（１１）におけるプラズマ開始のステップの間に生成された信号（S）に応じて、すなわち、構成機器（１）の熱負荷の増加前に、プラズマを予測して引き起こされることを特徴とする、パルス負荷方法。
2. 前記作動サイクル（３）は、前記作動流体が高圧（ＨＰ）、中圧（ＭＰ）及び低圧（ＢＰ）にそれぞれさらされるステージを備え、前記トカマクの作動中に、高圧レベル（ＨＰ）及び中圧レベル（ＭＰ）のうちの少なくとも1つが強制的な「周期的で対称」な制御を使用して調整され、すなわち、圧力（ＭＰ、ＨＰ）の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が、最大３０％異なるそれぞれの期間のより高く値とより低い値との間で調整されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 高圧レベル（ＨＰ）及び／または中圧レベル（ＭＰ）は、それぞれのプリセットされた平均圧力値についての圧力の振幅の調整により制御されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記圧力の振幅の調整が、次の少なくとも１つを実行する電子ロジックによって自動的に実行されるものであることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
   −比例積分派生（ＰＩＤ）閉ループ・コントロール；
   −最小二乗（ＬＭＳ）法則のような適応制御法則による反復制御；そして
   −線形の二次のレギュレーター（ＬＱＲ）制御
5. 前記冷却機（２）が前記作動流体を液化し、液化された流体をプラズマ過程中に冷却能を解放するために使用する目的のバッファリザーブ（４）に格納する、少なくとも１つの期間を備えており、高圧レベル（ＨＰ）及び／又は中圧レベル（ＭＰ）及び又は低圧レベルが、前記バッファリザーブ（４）の中で測定された液位の関数として、及び／又はこの液位の平均値の関数として調整されることを特徴とする、請求項２乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記高圧（ＨＰ）レベル、及び又は前記中圧（ＭＰ）レベル、及び又は低圧レベルは、前記バッファリザーブ（４）の中で測定された液位の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値の関数として調整されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記高圧（ＨＰ）レベル、及び又は、前記中圧（ＭＰ）、及び又は低圧レベルは、前記バッファリザーブ（４）の中の液位の最大の測定値の関数として調整されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記冷却機（２）によって生成される冷却能は、一方では、プリセットされた最初の液位からスタートして、前記バッファリザーブ（４）の中の液体をプラズマ過程中に消費するように調整され、他方では、プラズマの過程の間に、前記バッファリザーブ（４）を回復するように調整されることを特徴とする、請求項５乃至７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記冷却機（２）の冷却能は、前記バッファリザーブ（４）の中の液位の平均値を一定に維持するために調整されることを特徴とする、請求項５乃至８の何れか１項に記載の方法。
10. 前記冷却機（２）の冷却能が高調波力制御を使用して調整されることを特徴とする、請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法。
11. 前記冷却機（２）によって生成される冷却能は、作動サイクル中の前記作動流体のサイクル圧力のレベルの制御、及び／又は前記作動サイクル中に、特に圧縮中に、使用されるコンプレッサの回転速度、の少なくとも1つを調整することによって、調整されることを特徴とする、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法。
12. 生成される冷却能は、前記冷却機によって消費される電力を直接あるいは間接的に変えることにより調整されることを特徴とする、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法。
13. トカマク（１１）の構成機器（１）を冷却するパルス負荷冷却装置であって、
    該パルス負荷冷却装置はヘリウム等の作動流体の作動回路を形成する回路を備えた冷却機（２）を具備し、
    前記冷却機（２）の前記作動回路は、
    −少なくとも１つのコンプレッサ（８）を装備するステーションであって、作動ガスを圧縮するための圧縮ステーション（１２）、
    −少なくとも１つの熱交換器（１０）及び前記圧縮ステーション（１２）から出力された作動ガスを膨張するための少なくとも１つの構成機器を備えた予備冷却／冷却器（９）、
    −冷却された前記作動流体と前記構成機器（１）との間で熱交換するためのシステム（４、７、１２２）、及び
    前記構成機器（１）で熱交換した流体を前記圧縮ステーション（１２）へ戻すためのシステム（１３、１４、１０）、を備え、
    該パルス負荷冷却装置は、前記冷却機（２）によって生成される冷却能を調整することを実行する冷却機（２）を制御する電子ロジック（１５）を備え、このことにより、前記トカマク（１１）がプラズマの生成過程にある場合、相対的に高いレベルに急速に冷却能が増加されるパルス負荷冷却装置において、
    前記トカマク（１１）が、プラズマが開始される毎のトリガ信号（Ｓ）を出力するエミッタ（１１２）を備え、前記電子ロジック（１５）が、前記トリガ信号（Ｓ）を受信中の前記冷却機（２）によって生成される冷却能の増加を自動的に要求（Ｃ）するためのトリガ信号（Ｓ）を受け取るレシーバを備え、
    かつ、前記電子ロジック（１５）が、前記トリガ信号（Ｓ）に応じて、強制的な「周期的で対称」な制御を使用して、選択的に前記冷却機（２）の冷却能を制御するように設定されていることを特徴とする、パルス負荷冷却装置。
14. 前記電子ロジック（１５）は、前記冷却機によって生成された冷却能が、作動サイクル中の前記作動流体の少なくとも１つのサイクル圧力を制御することにより、及び／又は、特に圧縮中の作動サイクルで用いられるコンプレッサの回動速度を制御することにより、変化するように構成されることを特徴とする、請求項１３に記載の冷却装置。
15. 前記電子ロジック（１５）は、前記冷却機によって消費される電力を、直接的、又は間接的に調整することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の冷却装置。

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