[发明专利]制冷方法和具有脉冲载荷的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲负载冷却方法和制冷器。

本发明更具体地涉及用于冷却“托卡马克（Tokamak）”的构件——即用于间歇地生成等离子体的设备的构件——的脉冲负载方法，所述方法采用使诸如氦之类的工作流体经历工作循环的冷却装置，所述工作循环包括：压缩；冷却和膨胀；与构件进行换热；以及加热，所述托卡马克包括至少一个称为“周期性和对称的”操作模式的操作模式，即以两个连续的等离子体之间的时长Dp的间隔周期性地产生预设时长Dp的等离子体的操作模式，所述间隔的时长与等离子体的时长Dp最多相差30%（Dnp=Dp±30%），根据所述方法，当托卡马克处于等离子体生成相位时，由冷却装置产生的冷却功率/能力升高到相对高的水平，而当托卡马克不再处于等离子体生成相位时，由冷却装置产生的冷却能力降低至相对低的水平。

本发明更具体地涉及用于冷却托卡马克的构件、即用于间歇地生成等离子体的设备的构件的脉冲负载冷却方法和制冷器。

背景技术

托卡马克（Tokamak，俄语“Toroidalnaya Kamera c Magnitnymi Katushkami”的首字母缩略语）是能够产生从熔融获得功率所需的物理条件的设备。具体地，托卡马克间歇地产生等离子体，即导电的电离气体。

托卡马克的冷却要求取决于它们的高瞬态操作状态。托卡马克在不连续、重复的爆炸中产生等离子体。等离子体按需以规则的间隔或者随机地循环生成。

该操作模式需要所谓的脉冲载荷冷却，即在很短的时间量（在等离子体生成相位期间）需要很大的冷却能力，这种高冷却要求之后为冷却要求低的较长周期（直到生成下一个等离子体）。

托卡马克制冷器因此设计成满足该操作模式的要求。因此，这些制冷器采用所谓的“节约装置”模式，在等离子体之间的周期中产生液氦。所产生的液氦被存储在储器中，所述液氦将通过沸腾被消耗，以在等离子体生成相位期间冷却托卡马克的构件。

当两个等离子体之间的周期足够长时，液氦储器在接下来的等离子体前达到最大充填水平。然后可以降低制冷器的冷却能力，从而节省大量功率。在常规方案中，通过减小循环的压力（即，通过降低氦在其工作循环中的压缩的压力水平）来使制冷器的功率最小化。当使用调频器时，也可以通过改变循环流速来降低或升高制冷器的功率（即，选择性地降低或升高通过工作循环的氦气的流速）。

加热器通常设置在液氦储器中。启用该加热器以便消耗过量的冷却能力，从而保持液位恒定或至少低于最大阈值。

通常，当生成新等离子体时，（由操作人员）手动地或者根据加热器的“加热曲线”来使制冷器产生最大冷却能力。

当等离子体已消失并且所需的冷却能力较低时，制冷器返回产生较小冷却能力的机制通常在未向加热器供给功率时自动实现。

尽管该操作模式总体上合意，但制冷器的功率消耗保持较高。

某些托卡马克通过重复、周期性和循环地生成等离子体来操作，所述等离子体的周期性轮廓接近正弦模式，即，等离子体相位和没有等离子体的相位以相等或基本上相等的时长周期性地更替。

尽管在通/断模式下生成等离子体，但制冷器所具备的热负载（即冷却要求）与正弦波相似。

通常，通过使工作流体（例如氦）的工作循环的压力和流速与冷却要求匹配来调节制冷器的功率。

为了简单起见，在下文的描述中将该工作流体称为“氦”。当然，该工作流体并不仅限于该气体而是可以包括任何合适的气体或气体混合物。

高冷却能力制冷器的工作循环常常包括三个循环压力水平：高压（HP）、中压（MP）和低压（BP）。有时，在需要时，氦承受其它另外的压力水平。例如，该工作循环可以包括其中氦承受低于大气压的压力（LP）的阶段。

然而，根据本发明的方法和装置并不限于特定数量的压力阶段。

高压HP氦被进给到发生相当大程度膨胀的系统，诸如Brayton涡轮机、冷涡轮机或Joule-Thomson阀。

通常需要中压MP氦来限制Brayton涡轮机的功率，所述Brayton涡轮机并非始终在技术上能够使氦在高压HP水平和低压BP水平之间完全膨胀。

于是高压HP水平和中压MP水平之间可能存在受限的膨胀。此外，中压MP水平的存在可以得益于通过对氦压缩进行分级来提高压缩机的效率。

普遍使用理论值来设计最佳压力级。低压BP就其本身而言与氦的饱和压力和压缩机的入口压力对应。当所需的氦温度低于4.3K时，饱和压力为低于大气压（LP），于是在低于大气压的压力LP和低压BP之间需要另外的压缩级。