KR101708088B1 - 펄스화 부하를 사용하는 냉각 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 "토카막 (11)"의 부품 (1)의 펄스화 부하 냉각기를 위한 방법에 관한 것으로, 상기 냉각 장치 (2)의 사용 방법은 헬륨과 같은 작동 유체를 작동 사이클 (3)에 가하고, 토카막 (11)은 상기 방법에 따른 "주기적 및 대칭적" 작동 모드라고 부르는 하나 이상의 작동 모드를 포함하고, 냉각 장치 (2)에 의해 생성된 냉각력은 토카막 (11)이 플라즈마 발생 단계에 있을 때 (Dp)는 비교적 높은 수준으로 증가되는 반면, 토카막 (11)이 더 이상 플라즈마 발생 단계에 있지 않을 때 (Dnp)는 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력이 비교적 낮은 수준으로 감소하고, 토카막 (11)의 "주기적 및 대칭적" 작동 단계 동안, 냉각 장치 (2)의 냉각력은 또한 "주기적 및 대칭적" 유형의 강제 변화에 따라 조절되고, 즉 높은 수준의 냉각의 발생과 낮은 수준의 냉각력의 발생의 각각의 지속 시간은 30％ 이하로 상이하고, 냉각력의 변화는 냉각력의 점진적인 증가 및 감소를 발생시키고, 냉각 장치 (2)에 의해 생성된 냉각력의 증가는 토카막 (11)의 플라즈마 개시 단계 동안, 즉 부품 (1)에 대한 열 부하가 증가하기 전에 생성된 신호 (S)에 응답하여 미리 촉발되는 것을 특징으로 한다.

Description

펄스화 부하를 사용하는 냉각 방법 및 장치{REFRIGERATION METHOD AND APPARATUS WITH A PULSATING LOAD}

본 발명은 펄스 부하 (pulsed load) 냉각 방법 및 냉각기에 관한 것이다.

본 발명은 보다 특히 "토카막 (Tokamak)"의 부품, 즉, 플라즈마를 간헐적으로 생성시키는 설비의 부품을 냉각시키기 위한 펄스 부하 방법에 관한 것으로, 그 방법은 헬륨과 같은 작동 유체에 압축, 냉각 및 팽창, 부품과의 열교환 및 가열을 포함하는 작동 사이클을 실시하는 냉각 장치를 사용하며, 토카막은 "주기 및 대칭" 작동 모드라 불리는 하나 이상의 작동 모드, 즉 2개의 연속 플라즈마 사이에 간격 지속 시간 (Dp)을 두고 소정의 지속 시간 (Dp)의 플라즈마가 주기적으로 발생하는 작동 모드 (간격의 지속 시간은 플라즈마의 지속시간 (Dp)과 30％ 이하로 상이함 (Dnp=Dp±30％)를 포함하고, 상기 방법에 따라 이러한 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력은 토카막이 플라즈마 생성 단계에 있을 때는 비교적 높은 수준으로 증가되는 반면, 토카막이 더 이상 플라즈마 생성 단계에 있지 않을 때는 비교적 낮은 수준으로 감소된다.

본 발명은 보다 특히 토카막의 부품, 즉, 플라즈마를 간헐적으로 생성시키는 설비의 부품을 냉각시키기 위한 펄스 부하 냉각 방법 및 냉각기에 관한 것이다.

토카막 ("Toroidalnaya Kamera c Magnitnymi Katushkami"에 대한 러시아 약어)이란 융합으로부터 에너지를 얻기 위해 필요한 물리적 상태를 생성할 수 있는 설비이다. 특히, 토카막은 플라즈마, 즉, 전기가 흐르는 이온화된 가스를 간헐적으로 생성시킨다.

토카막의 냉각 요구량은 그의 고도로 일시적인 작동 상태에 따라 달라진다. 토카막은 플라즈마를 비연속적으로 반복되는 분출 형태로 생성한다. 플라즈마는 필요에 따라 일정 간격을 두고 주기적으로 또는 불규칙하게 생성된다.

이러한 작동 모드는 이른바 "펄스화 부하" 냉각을 필요로 하며, 즉, 아주 상당한 양의 냉각력이 매우 짧은 기간 동안 (플라즈마 생성 단계 중에) 필요하며, 이와 같은 고도의 냉각 요구량 후에는 냉각이 거의 필요하지 않은 보다 장기간 (다음 플라즈마가 생성될 때까지)이 이어진다.

토카막 냉각기는 따라서 이와 같은 작동 모드의 요구를 충족하도록 설계된다. 따라서, 이들 냉각기는 이른바 "절약형" 모드를 사용하며, 플라즈마 단계 사이의 기간 동안에 액체 헬륨를 생성한다. 생성된 액체 헬륨은 저장조에 저장되어 있다가, 플라즈마 생성 단계 중에 토카막의 부품을 냉각시키기 위해 비등에 의해 소비된다.

2회의 플라즈마 단계 사이의 기간이 충분히 길 때, 다음의 플라즈마 생성 전에 액체 헬륨 저장량이 최대 충전 수준에 이른다. 이어서, 냉각기의 냉각력은 감소될 수 있으며, 따라서 상당량의 동력이 절감된다. 통상의 해결책으로서, 냉각기의 동력은 사이클의 압력을 감소시킴으로써 (즉, 작동 사이클에서 헬륨 압축의 압력 수준을 감소시킴으로써) 최소화시킬 수 있다. 냉각기의 동력은 또한 진동수 변조기가 사용되는 경우 사이클 유속을 변화시켜 감소 또는 증가 (즉, 작동 사이클을 통한 헬륨의 유속을 선택적으로 감소 또는 증가)시킬 수 있다.

가열기는 일반적으로 액체 헬륨 저장조 안에 제공된다. 이 가열기는 액체 수준을 일정하게 유지하거나 적어도 최대 임계값 미만으로 유지시키도록, 과량의 냉각력을 소비시키기 위해 활성화된다.

통상적으로, 새로운 플라즈마가 생성될 때, 냉각기는 수동으로 (작동자에 의해), 또는 가열기의 "가열 곡선"의 함수로서 최대 냉각력을 생성하도록 제조된다.

플라즈마가 소멸되고 요구되는 냉각력이 낮을 때, 냉각기는 보다 적은 냉각력을 생성하는 체계로 자동으로 회귀하는 것이 일반적이며 이때 가열기에는 아무런 동력도 공급되지 않는다.

이러한 작동 모드는 전반적으로 만족할 만하지만, 냉각기에 의한 동력 소비는 여전히 높다.

특정 토카막은 반복적으로 주기적으로 사이클로 플라즈마를 발생함으로써 사인 곡선 모드에 근접한 주기적인 프로파일을 작동하고, 즉 플라즈마 단계 및 플라즈마가 적은 단계는 동일하거나 또는 실질적으로 동일한 지속 시간으로 서로 주기적으로 이어진다.

플라즈마가 온/오프 (on/off) 모드로 발생되지만, 냉각기에 의해 나타낸 열 부하 (즉, 냉각 요건)은 사인 곡선과 유사하다.

통상적으로, 냉각기의 에너지는 작동 유체(예를 들어, 헬륨)의 작동 사이클의 압력 및 유속을 냉각 요건에 부합시킴으로써 조절된다.

간단하게, 이러한 작동 유체를 이하의 기재에서 "헬륨"이라고 부른다. 물론, 이 작동 유체는 이러한 기체에만 단독으로 제한되는 것이 아니며, 임의의 적절한 기체 또는 기체 혼합물을 포함할 수 있다.

고 냉각력 냉각기의 작동 사이클은 매우 흔히 3개의 사이클 압력 수준: 고압 (HP), 중간압 (MP) 및 저압 (BP)을 포함한다. 때때로, 요구되는 경우, 헬륨은 다른 추가 압력 수준으로 가해진다. 예를 들어 작동 사이클은 헬륨이 대기압 미만의 압력(LP)으로 실시되는 단계를 포함할 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 특정 수의 압력 단계에 제한되지 않는다.

고압 헬륨(HP)은 상당한 정도의 압력이 발생하는 시스템, 예를 들어 브레이튼(Brayton) 터빈, 냉각 터빈 또는 주울-톰슨(Joule-Thomson) 밸브에 공급된다.

중간압 (MP) 헬륨은 일반적으로 브레이튼 터빈의 에너지를 제한하는 데 필요하지만, 기술적으로 항상 고압 (HP)과 저압 (BP) 수준 사이의 헬륨을 완벽하게 팽창시킬 수 있는 것으로 아니다.

이어서, 고압 (HP)과 중간압 (MP) 수준 사이의 제한된 팽창이 있다. 중간압 (MP) 수준의 존재는 게다가 헬륨 압축을 단계화함으로써 압축기의 효율을 증가시키는 이점을 가질 수 있다.

최적화된 압력 단계는 이론치

를 사용하여 광범위하게 설계된다. 저압 (BP)은 일부에 대해 헬륨의 포화 압력 및 압축기의 유입 압력에 상응한다. 요구되는 헬륨 온도가 4.3 K 미만인 경우, 포화 압력은 대기압 미만 (LP)이고, 이어서 추가 압축 단계는 대기압 미만의 압력 (LP)과 저압 (BP) 사이에서 필요하다.

본 발명자들은 토카막의 냉각 요건에 적절하게 부합하도록 냉각기의 에너지를 조절하는 것이 어렵고, 일부 작업자들에게 많은 노력을 요구한다는 것을 관찰하였다. 특히, 토카막의 열 부하의 조절을 위해 제어하는 것은 비교적 어렵다. 냉각기의 에너지가 불량하게 제어된다면, 본 발명자들은 완충액에서의 액체 헬륨 수준이 한 사이클로부터 다른 사이클로 일정하게 증가하거나 또는 감소할 수 있다는 것을 관찰하였다. 그 결과, 완충액 탱크에서 액체 헬륨 수준을 초기 상태로 또는 소정의 충전 수준으로 되돌리기 위해서, 가능한 한 최대 및 최소 한계치 사이에서 이러한 농도를 유지하려는 경우 플라즈마 발생 순서를 중단시키는 것이 필요가 있다. 이는 설비의 안전 운전에 필수적이다.

문헌 ["Using Dynamic Simulation to support Helium Refrigerator Process Engineering" Proceedings of ICEC 22 - ICMC 2008, pages 39 - 44, by Dauguet P.; Briend P.; Deschildre C. and Sequeira S.E.]에는 작동 사이클 압력을 일정하게 유지하고 또한 냉각 장치에 의해 소비되는 전력을 일정하게 유지하도록 냉각 장치를 제어하는 냉각 방법이 기재되어 있다.

본 발명의 하나의 목적은 상기한 바와 같은 선행 기술의 단점의 전부 또는 일부를 극복하려는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 선행 기술의 것보다 우수한 냉각 방법 및 냉각기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 또한 청구항 도입부에 주어진 일반적인 정의에 따른 방법은, 본질적으로는, 토카막의 "주기적 및 대칭적" 작동 단계 동안 가압된 "주기적 및 대칭적" 제어, 즉 높은 냉각 수준을 발생시키고 낮은 수준의 냉각력을 발생시키는데 30％ 이하로 상이한 각각의 단계의 경과된 지속 시간을 사용하여 냉각 장치의 냉각력을 조절하고, 냉각력의 점진적인 증가 및 감소를 생성하도록 냉각력을 변화시키고, 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력에 있어서의 증가가 토카막 내에서 상기 플라즈마를 개시하는 단계에서, 즉 성분에 대한 열 부하가 증가하기 전에 생성되는 신호에 응답하여 플라즈마를 예상하여 촉발되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시양태는 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

- 작동 사이클은 토카막의 주기적 및 대칭적 작동 단계 동안 작동 유체에 각각 고압, 중간압 및 저압이 가해지고, 고압 수준 및 중간압 수준 중 적어도 하나는 가해진 "주기적 및 대칭적" 제어를 사용하여 조절, 즉 30％ 이하로 상이한 각각의 지속 시간 동안 압력의 크기가 각각의 높은 값과 낮은 값 사이에서 조절되는 단계를 포함한다;

- 고압 수준 및/또는 중간압 수준은 각각의 소정의 평균 압력 값에 관한 압력의 크기를 조절함으로써 조정된다;

- 압력의 크기 조정은 비례 적분 미분(PID) 폐쇄 회로 제어 중 적어도 하나를 수행하는 전자 로직에 의해 자동적으로 수행된다;

- 압력의 크기 조정은

- 비례 적분 미분(PID) 폐쇄 회로 제어;

- 최소 제곱 평균(LMS) 법칙 또는 선형 이차 조절기(LQR) 제어와 같은 적응 제어를 통한 반복 제어;

- 최소 제곱 평균(LMS) 법칙과 같은 적응 제어 법칙을 통한 반복 제어; 및

- 선형 이차 조절기(LQR) 제어

중 적어도 하나를 수행하는 전자 로직에 의해 자동적으로 수행된다;

- 상기 방법은 냉각 장치가 작동 유체를 액화시키고 이를 사용하여 플라즈마 단계 동안 냉각력을 배출하는 데 사용하기 위해서 완충 저장조에 액화된 유체를 저장하는 적어도 하나의 기간을 포함하고, 고압 수준 및/또는 중간압 및/또는 저압 수준은 완충 저장조에서 측정된 액체 수준의 함수로서 및/또는 액체 수준의 평균값의 함수로서 조절된다;

- 고압 수준 및/또는 중간압 및/또는 저압 수준은 완충 저장조에서 측정된 액체 수준의 제곱 평균 제곱근(RMS) 값의 함수로서 조절된다;

- 고압 수준 및/또는 중간압 수준 및/또는 저압 수준은 완충 저장조에서 액체 수준의 최대 측정치의 함수로서 조절된다;

- 냉각 장치의 냉각력은 한편으로는 플라즈마 단계 동안 소정의 초기 액체 수준으로부터 출발하는 완충 저장조의 액체를 소비하도록 조절되고, 다른 한편으로는 플라즈마 단계 사이에서 상기 초기 액체 수준을 저장조에 회복시키도록 조절된다;

- 저장조 내의 액체 수준의 평균값을 일정하게 유지하도록 냉각 장치의 냉각력이 조절된다;

- 토카막의 주기적 및 대칭적 작동 모드가 성분에 조화로운 열 부하를 적용한다;

- 냉각 장치의 냉각력이 조화 강제 제어(harmonic forced control)를 사용하여 조절된다;

- 토카막은 소정의 지속시간 (Dp)으로 플라즈마를 생성하고, 2개의 연속 플라즈마 사이에 간격의 지속 시간 (Dnp)은 플라즈마 지속 시간 (Dp)의 80％ 내지 120％ 사이에 있고 (Dnp=Dp±20％), 바람직하게는 2개의 연속적인 플라즈마 사이에 간격의 지속 시간 (Dnp)은 플라즈마 지속 시간 (Dp)의 90％ 내지 110％ 사이에 있다 (Dnp=Dp±10％);

- 각각의 소비된 시간은 한편으로는 높은 수준의 냉각을 생성하고, 다른 한편으로는 20％ 이하, 바람직하게는 10％ 이하로 상이한 낮은 수준의 냉각력을 생성한다;

- 신호는 토카막 내에서 관찰될 수 있는 물리적 파라미터에 소정의 변화가 있을 때 생성된다;

- 신호는 토카막 내부 온도의 소정의 증가; 토카막을 플라즈마 생성 단계로 스위칭하기 위한 수동 또는 자동 제어 신호; 압력 및/또는 전류 및/또는 전압 및/또는 자기장 측정과 관련된 전기적 신호; 카메라 또는 하나 이상의 광섬유와 같은 광학적 측정 기기에 의해 전달되는 신호와 같은 물리적 파라미터 중 적어도 하나 이상에서 소정의 변화가 있을 때 생성된다;

- 과도한 열 부하로 냉각기에서 생성된 냉각력의 적어도 일부는 생성된 과도한 액체 헬륨을 증발시키는 가열기를 통해 및/또는 냉각 장치에 의해 압축 스테이션으로 헬륨 출력의 일부를 선택적으로 되돌려 보내는 저온 바이패스(cold bypass) 시스템을 통해 선택적으로 조절된다;

- 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력의 낮은 수준으로의 감소는 부품에 가해진 열 부하에 있어서의 소정의 변화, 즉, 부품의 냉각 요구량에 있어서의 소정의 변화에 응답하여 자동적으로 촉발된다; 또한

- 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력의 감소는 부품과 작동 유체 사이의 열교환을 실행하는 유체 회로 내의 소정의 온도 강하를 나타내는 신호; 저장 탱크 내 액체 헬륨 수준의 증가; 저온 바이패스 (cold bypass)의 개방 임계값; 및/또는 저온 압축기 또는 터빈의 임계 속도 중 적어도 하나에 응답하여 자동적으로 촉발된다.

따라서, 본 발명은 주기적으로 및 대칭적으로, 예를 들어 조화롭게 또는 조화 변화에 가까운 주기적 방식으로 작동 사이클의 고압 (HP), 중간압 (MP) 및 선택적으로 저압 (BP) 및/또는 LP 수준을 강제로 변화시키는 것으로 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명은 냉각기가 즉시적인 관측치가 아니라 조화 영역, 예를 들어

- 완충 저장조에서 측정된 액체 헬륨 수준의 평균값 및/또는;

- 완충 저장조에서 측정된 액체 헬륨 수준의 제곱 평균 제곱근(RMS) 평균;

- 완충 저장조에서 측정된 액체 헬륨 수준의 최대값

에 적합한 관측치로 조절되게 한다.

이어서, 작동 사이클의 압력 (MP 및/또는 HP 및/또는 BP)은 수준의 제곱 평균 제곱근 (RMS) 값의 함수로서 각 평균값에 유사한 크기 조절에 의해 조절된다. 이 용액은 각 플라즈마 생성 사이클 사이에서 완충액 탱크의 액체 헬륨 수준이 그의 초기 상태로 되돌아가고 액체 수준의 평균값이 일정하게 유지되는 것을 보장한다. 이는 냉각기, 따라서 간접적으로 토카막이 일정한 조화 영역에서, 즉 냉각기 및 토카막의 작동 동안 변하는 모든 물리적 파라미터가 일정하거나 또는 실질적으로 일정한 평균값을 갖는 영역에서 중단 없이 연속적으로 운전되는 것을 허용하는 이점을 갖는다.

본 발명은 또한 토카막의 부품의 냉각을 위한 펄스 부하 냉각기에 관한 것일 수 있으며, 냉각기에는 헬륨과 같은 작동 유체에 대한 작동 사이클을 형성하는 회로를 포함하는 냉각 장치가 장착되어 있으며, 냉각 장치의 회로는

- 작동 가스를 압축하기 위한, 적어도 하나의 압축기가 장착되어 있는 스테이션;

- 적어도 하나의 열 교환기 및 압축 스테이션으로부터 배출된 작동 가스를 팽창시키기 위한 적어도 하나의 부품을 포함하는 예비냉각/냉각 유닛;

- 냉각된 작동 유체와 부품 사이의 열 교환을 위한 시스템; 및

- 부품과 열교환된 유체를 압축 스테이션으로 회송하기 위한 시스템을 포함하며,

토카막이 플라즈마 생성 단계에 있을 때 냉각력이 비교적 높은 수준으로 급속히 증가될 수 있도록, 상기 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력의 조절을 실행하는 냉각 장치 제어용 전자 로직 (electronic logic)을 포함하고, 토카막은 플라즈마가 개시될 때마다 트리거 신호를 방출하는 에미터 (emitter)를 포함하고, 전자 로직이 이 신호의 수신시에 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력의 증가를 자동으로 요구하도록 상기 트리거 신호를 수신하는 리시버 (receiver)를 포함하고, 전자 제어 로직이 강제 "주기적 및 대칭적" 제어를 사용하여 상기 신호에 반응하여 냉각 장치의 냉각력을 선택적으로 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

다른 가능한 특징에 따르면:

- 냉각기는 토카막 내에서 관찰될 수 있는 물리적 파라미터의 값을 측정하고, 토카막이 점화되고 있는지를 나타내는 센서를 포함할 수 있고, 상기 센서는 전자 제어 로직에 입력 정보를 제공하기 위하여 에미터에 신호를 전달한다;

- 센서는 토카막의 내부 또는 외부 온도를 감지하는 센서; 토카막을 이른바 "대기 (standby)" 단계에서 플라즈마 생성 단계로 스위칭할 것을 요청하는 수동 또는 자동 명령을 감지하기 위한 스위칭 센서; 및 토카막의 기기 내에 존재하는 임의의 기타 전기 센서 중 적어도 하나를 포함한다;

- 예비냉각/냉각 유닛은 작동 사이클 중에 액화된 유체의 완충 저장조, 저장조의 액화 유체의 일부를 증발시키도록 선택적으로 활성화될 수 있는 가열기, 저장조의 유체와 부품 사이에서 선택적으로 열교환을 수행하기 위한 회로를 포함한다. 냉각기는 부품 상의 열 부하를 측정하는 센서, 즉, 냉각될 부품의 냉각 요구량을 나타내는 양의 값을 측정하는 센서를 포함하며, 상기 부품 상의 열 부하를 측정하는 센서는 전자 제어 로직에 신호를 전달하고, 상기 전자 제어 로직은 부품 상의 열 부하에 있어서 소정의 감소를 나타내는 신호에 응답하여 냉각 장치에 의해 생성되는 냉각력을 비교적 낮은 수준으로 감소시키도록 프로그래밍되어 있다;

- 부품 상의 열 부하를 측정하는 센서는 부품과 작동 유체 사이의 열 교환을 선택적으로 실행하는 유체 회로 내의 온도를 감지하는 센서; 압력 센서; 가열기에 공급되는 전력을 측정하는 수단; 및 저온 압축기 및/또는 터빈의 속도를 측정하는 수단 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명은 또한 상술 또는 후술하는 특징들의 임의의 조합을 포함하는 다른 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.

따라서, 본 발명은 "주기적으로 및 대칭적으로" 작동하는 토카막에 대해서 냉각기의 냉각력이 자동적으로 조절되어 액체 헬륨 소비를 최소화하게 한다. 하기 기재되는 바와 같이, 본 발명은 냉각기의 전체 전력 소비가 감소되게 한다. 본 발명은 특히 최대 냉각력에서의 냉각기의 사용 기간이 감소되게 한다.

본 발명은 엄격하게 사인 곡선 작동 모드에 제한되지 않지만, 이에 유사한, 즉 유사하거나 동일한 지속 시간의 고전력 및 저전력 단계를 갖는, 임의의 주기 영역에 적용가능하다. 예를 들어, 본 발명은 또한 열 부하 신호가 가능하게는 정사각형 주기 파형, 삼각형 주기 파형 또는 반-사인곡선 주기 파형 또는 임의의 다른 주기 파형과 유사한 작동 모드에 적용된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 주어진 하기 기재 로부터 명백해질 것이다.

- 도 1은 본 발명에 따른 토카막 냉각기의 구조 및 작동을 도시하고 있는 부분 개략도이다;

- 도 2는 본 발명의 또 다른 실시양태에 따른 토카막 냉각기의 구조 및 작동을 도시하고 있는 부분 개략도이다;

- 도 3은 동일한 그래프에서, 토카막의 부품에서 열 부하(CT)에서 시간의 함수로서 대표적인 사인 곡선 변화, 및 시간(t)의 함수로서 관련 냉각기의 2개의 사이클 압력 설정 신호 (CC, CH - 각각 정사각형 및 조화 파형)를 나타낸다.

이하, 일반적인 작동 원리를 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 개략적으로 나타낸 냉각기는, 통상적인 방식으로, 냉각 효과를 생성하기 위해 작동 유체에 헬륨을 가하는 작동 사이클로 순환시키는 회로를 포함하는 냉각 장치 (2)를 포함한다.

냉각 장치 (2)의 회로는 헬륨을 압축시키는 적어도 하나의 압축기 (8)가 장착되어 있는 압축 스테이션 (12)을 포함한다. 헬륨은 일단 압축 스테이션 (12)으로부터 나오면 냉각 유닛 (32) (임의로는 예비냉각 유닛 (22)이 장착)으로 들어간다. 냉각/예비냉각 유닛 (22, 32)은 헬륨을 냉각시키기 위해 헬륨과 열교환하는 하나 이상의 교환기 (10)를 포함한다.

냉각/예비냉각 유닛 (22, 32)은 헬륨을 팽창시키기 위한 하나 이상의 터빈 (211)을 포함한다. 바람직하게는, 냉각/예비냉각 유닛 (22, 32)은 브레이튼 (Brayton) 사이클을 이용한다.

헬륨의 적어도 일부는 냉각/예비냉각 유닛 (22, 32)으로부터 배출되기 전에 액화되며, 회로 (4, 7)는 액체 헬륨과 냉각될 토카막 부품 (1) 사이의 선택적 열교환을 실행하기 위해 제공된다. 냉각될 부품 (1)은, 예컨대, 초전도 자석을 사용하여 얻어지는 자기장 발생기, 및/또는 하나 이상의 크라이오펌프 (cryopump)를 포함한다.

열교환 회로 (4, 7)는, 예를 들어, 액화 헬륨 저장량을 저장하기 위한 탱크 (4)와 덕트, 및 부품 (1)과 액체 헬륨 사이의 간접적인 열교환을 실행하는 하나 이상의 교환기를 포함할 수 있다.

부품 (1)과의 열교환 중에 가열된 헬륨의 적어도 일부는 압축 스테이션 (12)으로 회송된다. 압축 스테이션 (12)으로 회송되는 도중에 헬륨은 교환기 (10)를 냉각하는데 사용될 수 있으며, 이는 다시 압축 스테이션 (12)으로부터 배출된 헬륨을 냉각시킨다.

토카막 (11) 내에서 플라즈마가 생성될 때, 부품 (1)에는 보다 높은 열 부하 (즉, 증가된 냉각 요구량)가 가해진다. 따라서, 냉각 장치 (2)의 냉각력은 증가되어야 한다.

냉각기는 냉각 장치 (2)를 제어하기 위한 전자 로직 (15)을 가지며, 이는 특히 상기 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력이 조절될 수 있게 한다. 특히, 전자 로직 (15)은 토카막 (11)이 플라즈마 생성 단계에 있을 때, 이러한 냉각력이 비교적 높은 수준 (예를 들어, 최대 냉각 효과를 제공하는 수준)으로 급속히 증가되게 한다. 마찬가지로, 전자 로직 (15)은 토카막 (11)이 더 이상 플라즈마 생성 단계에 있지 않을 때는, 이러한 냉각력이 비교적 낮은 수준 (예를 들어, 소정의 최소 수준)으로 감소되도록 조절한다.

냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력에 있어서의 변화는 통상적으로는 사이클 압력 P, 즉, 작동 사이클 중에 헬륨에 가해지는 압축 스테이션 (12)의 압력 수준(BP 및/또는 MP 및/또는 HP)을 조정하여 얻어진다.

냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력에 있어서의 변화는 또한 필요에 따라 사이클 유속을 조정하여, 즉, 작동 사이클을 통한 헬륨의 유속을 조정하여 실행될 수 있다.

주기적으로 및 대칭적으로 (특히 사인 곡선 영역을 닯은 조화 영역에서) 플라즈마를 생성하는 토카막의 부품 (1)의 냉각 요건에 부합하기 위해서, 냉각 장치 (2)의 냉각력은 특히 강제 "주기적 및 대칭적" 제어를 사용하여 조절되고, 냉각 장치 (2)에 의해 생성된 냉각력에서의 증가는 부품 (1)에서의 열 부하 효과가 관찰되기 전에 플라즈마를 예상하여 촉발된다. 또한, 바람직하게는 냉각력의 변화는 점진적이고 양자택일적(all-or-nothing) 변화가 아닌 냉각력의 증가와 감소를 생성한다.

냉각력의 증가는 예를 들어 토카막 (11)에서 플라즈마를 발화시키는 단계 동안 생성되는 신호 (S)로 예측된다.

따라서, 선행 기술과는 대조적으로, 본 발명에 따른 냉각기의 장치 (2)의 냉각력의 증가는 액체 헬륨 저장조의 가열기의 가열 곡선에 대한 정보에 응답하여 촉발되는 것이 아니다. 이와는 대조적으로, 저-냉각력 작동 모드와 고-냉각력 작동 모드 사이의 이와 같은 스위칭은 자동이고, 가열기의 가열 곡선에 대한 상대적 정보에 기초하여 예측된다.

특히, 본 발명에 따른 냉각기에서, 토카막 (11)은 플라즈마가 점화되고 있을 때 신호 (S)를 방출하기 위한 에미터를 포함한다 (도 2 참조). 이러한 신호 (S)는 (유선 또는 무선으로) 전자 로직 (15)으로 보내진다. 이러한 목적으로, 전자 로직 (15)은 상기 신호 (S)를 수신하기 위한 리시버를 포함할 수 있다. 이러한 신호 (S)가 수신될 때, 전자 로직 (15)은 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력에 있어서의 증가를 자동적으로 요청한다.

토카막 (11) 내에서 플라즈마가 점화되고 있는 것을 나타내는 신호 (S)는 예를 들어 토카막 (11) 내에서 또는 그의 상류에서 (선행 기술에서와 같이 토카막 (11)의 하류에서는 아님) 관찰될 수 있는 물리적 파라미터에 기초한 것이다.

비제한적으로 예를 들자면, 플라즈마 단계가 시작된 때를 검출하도록 모니터링되는 물리적 파라미터는, 토카막 내부 온도의 임계값; 전기 제어 신호; 토카막을 개시하는 작동자로부터의 수동 제어 신호, 또는 다른 임의의 균등한 수단; 및 압력 및/또는 전류 및/또는 전압 및/또는 자기장 측정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이러한 유리한 특징은 플라즈마 생성 단계의 개시점이 검출될 수 있도록 하며, 토카막의 중심부 (플라즈마 생성 영역)와 냉각기의 열 계면 (냉각될 부품 (1)) 사이에서 열 부하 전달의 시간 상수를 이용할 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 냉각기는 부품 (1)에 대한 증가된 냉각 요구량의 영향이 관찰되기 전에 그를 예측하기 위해 시스템의 관성을 고려한 것이다.

이와 같이, 본 발명에 의해서, 냉각력 체계의 변화는 증가된 열 부하가 나타났을 때 냉각기의 최대 동력이 즉각 이용될 수 있는 방식으로 일어난다.

이는 헬륨 완충액 조에서 열 부하의 효과가 관찰되기 전에 사이클의 압력을 천천히 매끄럽게 변화시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 이러한 예측은 냉각기의 전력 소비를 최적화시킬 수 있고 액체 헬륨 수준의 변화 크기를 제한할 수 있게 한다.

조화 영역의 특정 경우에, 이러한 예측은 또한 단계 진전을 달성할 수 있게 하고, 안정화 효과를 갖고 조절의 강건성을 증가시킨다. 냉각기에서 생성되는 과도한 전력을 보상하기 위해(냉각기에 의해 생성된 전력은 열 부하 효과가 관찰되기 전에 고의로 증가됨), 하나의 해결책은 냉각기에서 소위 저온 바이패스를 제공하는 것으로 이루어질 수 있다.

따라서, 저온 바이패스 (31)는 선택적으로 냉각 유닛 (22)으로부터 압축 스테이션 (12)으로 직접적으로 또는 간접적으로 헬륨의 일부를 선택적으로 회송하기 위해 마지막 터빈의 하류로 제공될 수 있다. 이러한 시스템 (30, 31)은 유리하게도 사이클의 압력 및 유속을 완만하게 한다 (도 2 참조). 또한, 이는 냉각 장치 (12)의 온도 변화의 크기가 제한되게 한다 (이러한 저온 바이패스의 작동 모드는 예를 들어 문헌 WO2009/024705에 기재되어 있음). 이러한 해결책은 또한 가열기의 무시할 수 없는 동력 소비를 제거하고, 냉각 유닛 내의 온도 변화의 크기를 의도적으로 제한할 수 있게 한다.

가열기 및/또는 저온 바이패스를 사용함으로써 과량의 냉각력을 냉각 유닛 (32)의 열교환기의 온도를 감소시키는데 사용할 수 있다. 이는 냉각 유닛 (32) 단계의 터빈을 통한 유속이 감소될 수 있게 한다.

도 2는 비제한적인 대표적인 냉각기 (2)에 대한 상기 작동 모드를 예시한다.

도 2에서 냉각기 (2)의 압축 스테이션 (12)은 2개의 압축기 (8)를 포함한다. 예를 들어 압축기는 3개의 압력 단계: 저압 (BP) 수준 (압축 스테이션 (12)의 유입구에서), 중간압 (MP) 수준 (제1 압축기 (8)의 유출구에서), 및 고압 (HP) 수준 (제2 압축기 (8)의 유출구에서)를 한정한다.

도시되어 있는 바와 같이, 압축 스테이션 (12)은 액체 헬륨을 완충 저장 탱크 (16)로 향하게 하는 덕트 (18)를 포함할 수 있다. 밸브 (17)의 시스템은 작동 회로 (3) 및 완충 저장 탱크 (16) 사이의 헬륨 수송이 조절될 수 있게 한다. 마찬가지로, 통상적인 방식으로, 각각의 밸브가 장착되어 있는 덕트 (19)가 압축된 헬륨의 특정의 압축 단계로의 선택적인 회송을 실행하기 위하여 제공될 수 있다.

압축 스테이션 (12)으로부터 배출된 후에, 헬륨은 예비냉각 유닛 (22)으로 들어가 하나 이상의 교환기 (10)와의 열교환을 통해 냉각되고, 임의로는 터빈 (211) 내에서 팽창된다.

또한, 밸브(120)가 장착된 덕트(20)가 선택적으로 헬륨을 예비냉각 유닛으로부터 압축 스테이션 (12)으로 돌려보내도록 제공될 수 있다.

이어서, 고압 헬륨은 냉각 유닛 (32)으로 들어간다. 헬륨은 하나 이상의 교환기 (10)와의 열교환을 통해 냉각되고, 임의로는 하나 이상의 터빈 (211) 내에서 팽창된다.

상기 설명된 바와 같이, 밸브 (30)가 장착되어 있는 저온 바이패스 덕트 (31)가 팽창된 헬륨을 압축 스테이션 (12)으로 선택적으로 돌려보내도록 제공될 수 있다.

냉각 유닛에서 액화된 헬륨은 주로 저장조 (4)에 저장된다. 이러한 액체 헬륨의 저장조 (4)는 냉각될 부품 (1)과 열교환하도록 의도된 저온 저장조를 형성한다. 냉각은, 예컨대, 펌프 (122)가 장착된 폐쇄-루프 회로 (7)를 통해 일어난다.

이어서, 저장조 (4)로부터 배출된 가열된 헬륨 출력 (예를 들어, 압축기 (14)가 선택적으로 장착된 덕트 (13)을 통해)은 압축 스테이션 (12)으로 회송된다.

회송 중에, 헬륨은 냉각 유닛 (32) 및 예비냉각 유닛 (22)의 교환기 (10)를 냉각시키는데 사용될 수 있다.

(마이크로프로세서를 포함할 수 있는) 전자 로직 (15)은 냉각력을 조절하기 위하여 압축 스테이션 (12)에 연결되어 있다 (다양한 부품: 밸브, 압축기, 터빈 등으로부터의 제어 신호 (C)). 전자 로직 (15)은 또한 냉각 유닛 (32) 및 예비냉각 유닛 (22)에 연결된다 (다양한 부품: 밸브, 터빈, 가열기 등으로부터의 제어 신호 (C)). 특히 전기 로직 (15)은 후자에서 액체 헬륨의 수준을 조절하기 위하여 저장조 (4)의 가열기 (5)를 제어한다.

본 발명에 따르면, 토카막 (11)은 토카막 (11) 내에서 관찰될 수 있는 물리적 파라미터의 값을 측정하며, 플라즈마가 점화되고 있는 때를 나타내는 센서 (111)를 포함할 수 있다 (도 1 참조). 센서 (111)로부터의 신호는 에미터 (112)에 의해 전자 로직 (15)의 리시버에 전달된다.

유리하게는, 냉각기와 부품 (1) 사이를 흐르는 유체를 함유하는 회로 (7) 내의 온도 (T) 센서 (6)도 또한 전자 로직 (15)에 입력 정보를 제공한다. 측정된 온도 (T)가 감소할 때 (즉, 플라즈마 단계 종료로 인하여 냉각 요구량이 감소할 때), 전자 로직 (15)은 냉각력 설정점을 낮추는 것을 요구한다 (C). 물론, 플라즈마 단계의 종료는 임의의 다른 수단, 예컨대, 가열기 (5)의 가열 곡선을 통하여, 토카막 내에서 측정된 파라미터를 통하여, 또는 예컨대, 저온 압축기 또는 터빈 속도와 같은 냉각기에 대하여 내부적인 관찰 사항을 통하여 검출될 수 있다.

특히, 터빈의 속도를 의도적으로 조절하지 않기로 선택된 경우에, 이러한 속도는 요구되는 냉각량에 따라 자연적으로 달라질 것이며, 따라서 액체 헬륨 저장조 (4)에 열 부하가 가해진 것을 나타낼 것이다.

이들 두 가지 파라미터 (플라즈마 단계의 개시를 나타내는 신호 (S), 및 플라즈마 단계 후의 온도)는 피드포워드 (feedforward) 제어 계획에 사용될 수 있으며, 즉,

- 작동 사이클 중 압력 설정점 곡선;

- 임의의 사이클 변조기의 진동수의 제어 곡선 (작동 회로 중 헬륨 유속을 제어하기 위한 것); 및

- 저온 바이패스 (30)가 열리는 정도 중 적어도 하나가, 예컨대, 전자 로직 (15) 안으로 통합된 디지털 컴퓨터에 의해 규정될 수 있다. 디지털 컴퓨터는, 예를 들어, 동력 소비를 적정화할 목적으로 보다 정교한 조절을 얻기 위하여, 단순한 파라미터화할 수 있는 산술 함수 또는 내부 상태 예측 모델을 사용할 수 있다.

플라즈마가 점화되고 있음을 나타내는 신호가 장치 (2, 15)에 의해 수신될 때, 최대 압력 P 설정점이 압축 스테이션 (12)에 주어진다. 이 순간에, 냉각 장치 (2)는 여전히 그의 감소된 작동 모드 내에 있으며, 저온 바이패스 밸브 (30)는 열려 있다 (바이패스 유체 상류의 표준 온도 Tref의 증가).

저온 바이패스가 열려져 있다는 사실은 냉각기의 동력을 제한한다. 압축 스테이션 (12)에 가해지는 실제 압력 및 생성되는 효과는 압축 스테이션 (12)을 조절하기 위해 사용된 디지털 제어 방법에 따라 달라질 것이다. 조절은 미리규정된 내부 모델, 즉 "PID" 제어, 또는 LQR 제어 등과 같은 다변수 제어를 사용할 수 있다.

저장조 (4) 상의 열 부하가 증가할 때, 저온 바이패스 밸브 (30)는 닫힌다. 바이패스의 온도 Tref는 부품 (1)에 최대 냉각력을 공급하도록 감소한다.

압력의 적정 제어가 달성된다. 이에 의해 결과적으로 상당한 동력 절감이 이루어진다.

예를 들어 부품 (1)에 사인 곡선 조화 열 부하를 적용하는 플라즈마를 사용하는 토카막 (11)의 주기적 및 대칭적 작업을 이제 논의할 것이다.

열 부하는 예측될 수 있고, 즉 냉각기에 의해 전달되는 냉각력의 증가는 주기적 정사각형파 베이스 신호를 사용하여 예측될 수 있다.

이러한 베이스 신호는 상류 설정점으로서 사용될 수 있고, 압축 스테이션 (12)로부터 최대 및 최소 압력을 요구한다 (고압 (HP) 및/또는 중간압 (MP) 및/또는 저압 (BP) 각각에 대한 설정점). 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 최대 압력 설정점은 플라즈마가 점화될 때 발생된 신호(S)에 의해 요구된다. 상기 기재된 바와 같이, 최소 압력은 냉각기의 내부 관측치, 예를 들어 온도, 압력, 터빈 속도 또는 저온 중심 압축기 속도에 반응하여 요구될 수 있다.

바람직하게는, 이러한 예측 정사각형파 설정점(도 3 신호 (CC) 참조)은 냉각기 설정(작동 사이클에서의 압력, 유속)에서 유도되는 변화가 매우 갑작스럽기 때문에 직접적으로 사용되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 정사각형파 베이스 제어 신호 (CC)는 점진적인 신호, 예를 들어 유사-조화 신호 (도 3 CH 참조)로 전환된다. 이를 위해서, 설정점 필터는 냉각기를 제어하기 위한 점진적인 신호를 생성하기 위해 사용될 수 있다.

예를 들어, 6번째 정도의 저역(low-pass) 다항 필터는 이러한 정사각형파 베이스 신호 (CC)를 유사-사인 곡선 제어 신호 (CH)로 전환할 수 있다.

이러한 필터의 시간 상수는 부품 (1)에 열 부하와 압력 제어의 단계 차이를 부합하도록 작업자에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 압축 스테이션 (12)의 압력은 냉각 유닛 (32)의 가장 저온 터빈 (211)의 속도로 단계를 이끌 수 있다. 조화 영역에서, 압력 크기가 효과적으로 조절된다면 냉각기 설정점 제어 신호 (CH)와 열 부하 (CT)사이의 차이가 정확하다고 보장하는 것이 중요하고 또한 필수적이다.

도 3은 비제한적인 예의 경우 냉각기 사이클 압력 제어 신호 (CH)가 열 부하 (CT)를 예층하는 것을 나타낸다. 또한, 도 3은 점진적인 냉각기 사이클 압력 제어 신호 (CH)의 강제 주기적 및 대칭적 특성을 예시하고, 즉 도 3은 냉각기의 냉각력이 냉각될 부품 (1)에 대한 열 부하의 예측으로 조화롭고 점진적으로 조절된다는 것을 나타낸다.

단계 차이가 설정된 경우, 전자 로직 (15)은 작동 시아클의 압력 (MP, HP, BP)의 크기 조절을 요구할 수 있다.

고압 (HP) 및 중간압 (MP)의 평균값 및 사이클의 평균값은 바람직하게 작업자에 의해 조절되는 파라미터이다.

이러한 각 평균값 근처의 압력의 크기 변화는 바람직하게는 조절기에 의해 자동으로 조절되는, 예를 들어 전자 로직 (15)에 제공되는 파라미터이다.

이 조절기는 비례 적분 미분 (PID) 제어일 수 있다.

또한, 제어는 조화 영역에서 하나의 변인 공정으로 맞춰진 최소 제곱 평균 (LMS) 법칙과 같은 적응 제어를 통한 반복일 수 있다.

이 조절기의 관측치는 예를 들어 저장조 (4)에 측정된 액체 헬륨 수준의 제곱 평균 제곱근 (RMS) 값일 수 있다.

저장조 (4)에서 측정된 액체 헬륨 수준의 제곱 평균 제곱근 (RMS)를 사용하는 것은 그 자체의 수준 값을 조절하지 않고도 액체 헬륨 충전 수준을 그의 초기 값으로 유지하는 것을 가능하게 한다.

그럼에도 불구하고, 작업자는 RMS 값보다는 오히려 수준의 평균값을 조절하도록 선택할 수 있다. 이어서, 작업자는 크기 조절을 중단해야 한다. 즉, 크기 변동은 일정하게 유지되어야 하고, 사용된 제2 조절기는 크기 변동이 아니라 압력의 크기의 평균값에 대해 작용한다.

액체 헬륨 수준의 원하는 평균값을 얻게되는 경우, 이 모드가 상기 평균 액체 수준을 일정하게 유지되게 할 뿐만 아니라, 냉각기의 평균 전력 소비를 최소화하는 수준 변화의 최적 크기가 결정되기 때문에 크기 조절 모드로 회송하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명은 작업자가 냉각기에 의해 소비되는 전력을 최소화시키는 다양한 조절, 예측 및 조정 공정을 조합한다.

본 발명이 사용하는 압력의 크기 편차를 고려하면, 압축 스테이션 (12)의 밸브를 제어하여 비례 적분 미분 (PID) 조정에 통상적으로 사용되는 것 보다 더 효과적인 제어 방법을 사용하는 것이 필요한 것을 입증할 수 있다.

가능한 한 해결책은 다수의 변수를 사용하는 선형 이차 조절기 (LQR) 제어를 사용하는 것이다. 이러한 제어는 냉각기 내부에 또는 냉각기에서 이용가능한 관측치 (예를 들어, 압력, 온도, 터빈 속도, 저온 압축기 속도 등)를 이용함으로써 사이클 (3)의 헬륨의 압력 (조절된 변수)의 측정 및 변화 (BP 및 MP 사이클에서의 헬륨 유속)의 측정과 연관될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은 단순하게 냉각 요건에 사이클 압력을 부합시키는 것으로 이루어지지 않는다. 이와는 반대로, 강제 주기적 및 대칭적 (조화, 필요하다면) 영역에서 사이클 압력 (특히 HP 및/또는 MP 및 선택적으로 BP)을 조절하는 신중한 결정으로 이루어진다. 냉각기의 사이클 압력은 공급방향 제어 로직을 사용하여 조절될 수 있다 (냉각기의 사이클의 압력의 조절이 냉각기의 냉각력을 조절함).

이 방법의 이점은 평균값 (예를 들어 RMS 값)이 사용되고 조절 관측치의 즉시적인 값이 아닌 점이다. 이는 압력 크기 조절을 가능하게 하고, 조화 영역에 적합한 방법이 예측과 조절의 이점을 조합함으로써 조절기의 전력 소비를 최적화하기 위해 사용되게 한다.

따라서, 본 발명은 토카막이 연속적으로 중단 없이 작동할 수 있으면서도 전력 소비를 최소화시키는 것을 보장한다.

본 발명은 특히 토카막이 주기적으로 및 대칭적으로, 특히 조화 영역에서 플라즈마를 생성할 때 특히 점진적으로, 일련의 플라즈마에 걸쳐 설비의 전체 전력 소비가 감소되는 것을 가능하게 한다.

Claims (15)

1. "토카막 (Tokamak)" (11)의 부품 (1), 즉, 간헐적으로 플라즈마를 생성시키는 설비 (11)의 부품 (1)을 냉각시키기 위한 펄스 부하 방법으로서, 헬륨과 같은 작동 유체에 압축 (12), 냉각 및 팽창 (22, 211), 부품 (1)과의 열교환 (32) 및 가열을 포함하는 작동 사이클 (3)을 실시하는 냉각 장치 (2)를 사용하고, 토카막 (11)은 "주기적 및 대칭적" 작동 모드라 불리는 하나 이상의 작동 모드, 즉, 2개의 연속적인 플라즈마 사이에 간격 지속 시간 (DnP)을 두고 소정의 지속 시간 (Dp)의 플라즈마가 주기적으로 발생하는 작동 모드를 포함하고, 간격의 지속 시간 (Dnp)은 플라즈마의 지속 시간 (Dp)과 30％ 이하로 상이하고(Dnp=Dp±30％), 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력은 토카막 (11)이 플라즈마 생성 단계에 있을 때 (Dp)는 소정의 최대 수준으로 증가되는 반면, 토카막 (11)이 더 이상 플라즈마 생성 단계에 있지 않을 때 (Dnp)는 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력이 소정의 최소 수준으로 감소되며, 토카막 (11)의 "주기적 및 대칭적" 작동 단계 동안, 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력은 강제 "주기적 및 대칭적" 제어를 사용하여 조절되고 (즉, 소정의 최소 수준의 냉각력을 발생시키는 단계의 경과된 지속 시간은 소정의 최대 냉각 수준을 발생시키는 단계의 경과된 지속 시간에 비해 ±30％ 이하로 상이함), 냉각력이 변경되어 냉각력의 점진적인 증가와 감소를 생성하고, 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력에 있어서의 증가는 토카막 (11) 내에서 플라즈마 개시 단계 중에, 즉 성분 (1)에 대한 열 부하가 증가하기 전에, 생성되는 신호 (S)에 응답하여 플라즈마를 예상하여 촉발되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
2. 제1항에 있어서, 작동 사이클 (3)은 작동 유체에 각각 고압 (HP), 중간압 (MP) 및 저압 (BP)을 가하는 단계들을 포함하고, 토카막의 주기적 및 대칭적 작동 단계 동안, 고압 수준 (HP) 및 중간압 수준 (MP) 중 적어도 하나가 강제 "주기적 및 대칭적" 제어를 사용하여 조절, 즉, 압력 (MP, HP)의 크기가 높은 값과 낮은 값 사이에서 조절되고 높은 값과 낮은 값의 각각의 지속 시간이 30％ 이하로 상이한 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
3. 제2항에 있어서, 고압 수준 (HP) 및/또는 중간압 수준 (MP)이 각각의 소정의 평균 압력값에 관한 압력 크기를 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
4. 제3항에 있어서, 압력의 크기의 조절은
   - 비례 적분 미분(PID) 폐쇄 회로 제어;
   - 최소 제곱 평균 (LMS) 법칙과 같은 적응 제어 방법을 통한 반복 제어; 및
   - 선형 이차 조절기(LQR) 제어
   중 적어도 하나를 수행하는 전자 로직에 의해 자동적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 장치 (2)가 작동 유체를 액화시키고 이를 사용하여 플라즈마 단계 동안 냉각력을 배출하는 데 사용하기 위해서 완충 저장조 (4)에 액화된 유체를 저장하는 적어도 하나의 기간을 포함하고, 고압 (HP) 수준 및/또는 중간압 (MP) 및/또는 저압 수준이 완충 저장조 (4)에서 측정된 액체 수준의 함수로서 및/또는 이러한 액체 수준의 평균값의 함수로서 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
6. 제5항에 있어서, 고압 (HP) 수준 및/또는 중간압 (MP) 및/또는 저압 수준이 완충 저장조 (4)에서 측정된 액체 수준의 제곱 평균 제곱근 (RMS) 값의 함수로서 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
7. 제5항에 있어서, 고압 (HP) 수준 및/또는 중간압 (MP) 및/또는 저압 수준이 완충 저장조 (4)의 액체 수준의 최대 측정치의 함수로서 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
8. 제5항에 있어서, 냉각 장치 (2)에 의해 생성된 냉각력이, 한편으로는 플라즈마 단계 동안 소정의 초기 액체 수준으로부터 출발하는 완충 저장조 (4)의 액체를 소비하도록, 다른 한편으로는 플라즈마 단계들 사이에서 상기 초기 액체 수준을 저장조 (4)에 회복시키도록 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
9. 제5항에 있어서, 냉각 장치 (2)의 냉각력이 저장조 (4) 내의 액체 수준의 평균값을 일정하게 유지하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 장치 (2)의 냉각력이 조화 강제 제어 (harmonic forced control)를 이용하여 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 장치에 의해 생성된 냉각력이, 작동 사이클에서 작동 유체의 하나 이상의 사이클 압력의 수준을 제어함으로써 및/또는 작동 사이클에 사용되는 압축기의 회전 속도를 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 생성된 냉각력이 냉각 장치에 의해 소비되는 전력을 직접적으로 또는 간접적으로 변화시킴으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 방법.
13. 헬륨과 같은 작동 유체를 위한 작동 사이클을 형성하는 회로를 포함하는 냉각 장치 (2)가 장착된, 토카막 (11)의 부품 (1)의 냉각을 위한 펄스 부하 냉각기로서, 냉각 장치 (2)의 회로는
    - 작동 가스를 압축하기 위한, 적어도 하나의 압축기 (8)가 장착되어 있는 스테이션 (12);
    - 적어도 하나의 열교환기 (10), 및 압축 스테이션 (2)으로부터 배출된 작동 가스를 팽창시키기 위한 적어도 하나의 부품 (7)을 포함하는 예비냉각/냉각 유닛 (9);
    - 냉각된 작동 유체와 부품 (1) 사이의 열교환을 위한 시스템 (4, 7, 122); 및
    - 부품 (1)과 열교환된 유체를 압축 스테이션 (12)으로 회송하기 위한 시스템 (13, 14, 10)을 포함하며,
    냉각기는 토카막 (11)이 플라즈마 생성 단계에 있을 때 냉각력이 소정의 최대 수준으로 급속히 증가될 수 있도록, 상기 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력의 조절을 실행하는 냉각 장치 (2) 제어용 전자 로직 (15)을 포함하고, 토카막 (11)은 플라즈마의 매 개시시에 트리거 신호 (S)를 방출하는 에미터 (112)를 포함하고, 전자 로직 (15)은 상기 트리거 신호 (S)의 수신시에 냉각 장치 (2)에 의해 생성되는 냉각력에 있어서의 증가를 자동으로 요청하도록 (C) 상기 트리거 신호 (S)를 수신하는 리시버를 포함하고, 전자 로직 (15)은 상기 신호 (S)에 반응하여 강제 "주기적 및 대칭적" 제어를 사용하여 냉각 장치 (2)의 냉각력을 선택적으로 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 냉각기.
14. 제13항에 있어서, 전자 로직 (15)이, 작동 사이클 중에 작동 유체의 적어도 하나의 사이클 압력을 제어함으로써 및/또는 작동 사이클에 사용되는 압축기의 회전 속도를 제어함으로써, 장치에 의해 생성되는 냉각력을 변화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 냉각기.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 전자 로직 (15)이 냉각 장치에 의해 소비되는 전력을 직접적으로 또는 간접적으로 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 부하 냉각기.

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