ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ КРИОГЕННОГО МАГНИТА
POWER SUPPLY OF A CRYOGENIC MAGNET

Область изобретения
Изобретение относится к источникам питания для сверхпроводящих магнитов.
Предпосылки изобретения
Сверхпроводящий магнит является электромагнитом, образованным из катушек из сверхпроводящего материала. Поскольку катушки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут переносить высокие токи с нулевой потерей (хотя могут быть некоторые потери из-за несверхпроводящих компонентов) и поэтому позволяют достигать сильных полей с более низкими потерями по сравнению с традиционными электромагнитами.
Сверхпроводимость возникает лишь в некоторых материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, определяемой критической температурой сверхпроводника (наивысшей температурой, при которой материал является сверхпроводником в нулевом приложенном магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наивысшее магнитное поле, в котором материал является сверхпроводником при 0К). Температура сверхпроводника и магнитное поле накладывают ограничение на ток, который может переноситься сверхпроводником без того, что сверхпроводник становится резистивным (или "обычным", используется здесь в смысле "несверхпроводящим"). Существуют два типа сверхпроводящего материала: сверхпроводники I рода полностью исключают проникновение магнитного потока и имеют низкое критическое поле, а сверхпроводники II рода позволяют магнитному потоку проникать в сверхпроводник выше нижнего критического поля в локализованных обычных областях, называемых завихрениями потока. Они прекращают быть сверхпроводящими при верхнем критическом поле. Этот признак позволяет использовать их в проводах для изготовления сверхпроводящих магнитов. Предпринимаются значительные усилия, чтобы связывать участки завихрения потока с атомарной решеткой, что улучшает критический ток при более высоких магнитных полях и температурах.
В наиболее широком смысле, существуют две категории сверхпроводников II рода. Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) типично имеют критические температуры (без внешнего магнитного поля) ниже 20К, а высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) типично имеют критические температуры выше 40К. Многие существующие ВТСП-материалы обладают критическими температурами выше 77К, что позволяет использовать жидкий азот для охлаждения. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что НТСП и ВТСП различаются по критериям, отличным от критической температуры, и что ВТСП и НТСП являются терминами, принятыми в уровне техники для определенных классов материалов. Как правило (хотя и не исключительно), ВТСП-материалы являются керамическими, а НТСП-материалы являются металлическими.
Одно применение ВТСП-магнитов заключается в термоядерных реакторах-токамаках. Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля, высокого тока плазмы и, обычно, большого объема плазмы и значительного сопутствующего нагрева, чтобы обеспечить горячую устойчивую плазму с тем, чтобы мог происходить термоядерный синтез. Сопутствующий нагрев (например, посредством десятков мегаватт инжекции пучка нейтральных частиц высокой энергии H, D или T) необходим, чтобы увеличить температуру до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения термоядерного синтеза и/или для поддержания тока плазы.
Чтобы получать реакции термоядерного синтеза, требуемые для экономичной генерации мощности (т.е. больше мощности отводится, чем подводится), традиционный токамак должен быть огромным, так что время удержания энергии (которое приблизительно пропорционально объему плазмы) может быть достаточно большим, так что плазма может быть достаточно горячей для возникновения термоядерного синтеза.
WO 2013/030554 описывает альтернативный подход, подразумевающий использование компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с небольшим относительным удлинением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и предоставляет возможность выработки полезной мощности в гораздо меньшей установке. Однако, необходима центральная колонна небольшого диаметра, что представляет проблемы для проектирования магнита для удержания плазмы.
Главной привлекательной особенностью ВТСП для токамаков является способность ВТСП переносить высокие токи в интенсивных магнитных полях. Это особенно важно в компактных сферических токамаках (ST), в которых плотность магнитного потока на поверхности центральной колонны будет превышать 20 Тл. Вторичной выгодой является способность ВТСП переносить высокий ток в сильном магнитном поле при более высоких температурах по сравнению с НТСП, например ~20 К. Это предоставляет возможность использования более тонкого нейтронного экрана, приводя в результате к более высокому нагреву нейтронами центральной колонны, что исключает работу с использованием жидкого гелия (т.е. при 4,2 К или ниже). Это, в свою очередь, обеспечивает возможность проектирования сферического токамака с основным радиусом плазмы менее чем примерно 2 м, к примеру, примерно 1,4 м, который должен приниматься во внимание; такое устройство возвращало бы небольшой процент своей выходной мощности на криогенное охлаждение.
Тем не менее, такие магниты гораздо больше ранее спроектированных магнитов с использованием ВТСП-материала. Магнит с тороидальным полем (ТП) даже для относительно небольшого токамака будет, несомненно, наибольшим ВТСП-магнитом, построенным к настоящему времени, и представляет большой магнит с высокой накопленной энергией даже по стандартам НТСП.
Электропитание такого магнита представляет значительную техническую проблему. Транспортный ток в большом ВТСП-магните может составлять 50-150 кА. Даже магниты с большим числом витков (и, следовательно, более низким током, но более высокой индуктивностью) могут все еще иметь транспортный ток выше 20 кА. Этот ток должен приноситься внутрь снаружи криостата. В известных магнитах это типично выполняется с помощью проходящих через криостат токовводов, но для столь высоких токов требуемый размер токоввода приводит к тому, что они являются очень громоздкими и дорогостоящими. Это, в частности, имеет место в том случае, когда ток должен направляться от источника питания при комнатной температуре к магниту при температурах в несколько Кельвинов, или даже несколько десятков Кельвинов.
Следовательно, целью этого изобретения является уменьшение размера токовводов, и связанной с ним их стоимости, сложности и утечки тепла в криогенное окружение магнита.
Желательно изготавливать сверхпроводящий магнит с демонтируемыми соединениями в каждом витке, для легкого ремонта, технического обслуживания и замены участков катушки после воздействия нейтронного облучения. Эти соединения будут иметь небольшое сопротивление (порядка наноом). Сверхпроводящий магнит с резистивными соединениями будет потреблять при своей работе небольшую величину мощности - порядка нескольких киловатт. Поэтому любой источник питания должен быть способен подавать его к магниту долговременно. Однако «разгон» ВТСП-магнита с ~2 ГДж накапливаемой энергии с использованием этой низкой мощности занял бы недели, поэтому желателен такой источник питания, который может выдавать как низкую, так и высокую мощность.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен узел магнита. Узел магнита содержит сверхпроводящую катушку, криогенную систему, источник напряжения постоянного тока, импульсный источник питания (ИИП), токовводы и контроллер. Криогенная система содержит теплоизолированный криостат и источник холода, выполненные с возможностью поддерживать сверхпроводящую катушку при рабочей температуре ниже критической температуры сверхпроводника. Источник напряжения постоянного тока является источником, расположенным снаружи криостата. ИИП расположен внутри криостата, охлаждается до той же (или почти той же) температуры, что и магнит, и выполнен с возможностью подавать питание от источника напряжения постоянного тока на сверхпроводящую катушку. ИИП содержит понижающий трансформатор напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки. Токовводы соединяют источник напряжения постоянного тока с ИИП. Контроллер выполнен с возможностью вынуждать ИИП подавать первую величину мощности к магниту для того, чтобы разгонять магнит до рабочего тока, и вторую величину мощности к магниту во время установившегося режима работы магнита, при этом первая величина мощности больше второй величины мощности.
Согласно второму аспекту изобретения предложен узел магнита. Узел магнита содержит сверхпроводящую катушку, криогенную систему, источник напряжения постоянного тока, ИИП, токовводы и контроллер. Криогенная система выполнена с возможностью поддерживать сверхпроводящую катушку при рабочей температуре ниже критической температуры сверхпроводника. Источник напряжения постоянного тока находится при комнатной температуре. ИИП выполнен с возможностью подавать питание от источника напряжения постоянного тока на сверхпроводящую катушку. ИИП содержит понижающий трансформатор напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки. ИИП расположен в области криогенной системы, которая находится при температуре, меньшей комнатной температуры и большей или равной критической температуре сверхпроводника, во время работы криогенной системы. Первый набор токовводов соединяет источник напряжения постоянного тока с ИИП, а второй набор токовводов соединяет ИИП с магнитом. Каждый набор токовводов поддерживает температурный градиент. Контроллер выполнен с возможностью вынуждать ИИП подавать первую величину мощности к магниту для того, чтобы разгонять магнит до рабочего тока, и вторую величину мощности к магниту во время установившегося режима работы магнита, при этом первая величина мощности больше второй величины мощности.
Согласно третьему аспекту изобретения предложен узел магнита. Узел магнита содержит сверхпроводящую катушку, криогенную систему, источник напряжения постоянного тока, ИИП, токовводы и контроллер. Криогенная система содержит криостат и выполнена с возможностью поддерживать сверхпроводящую катушку при рабочей температуре ниже критической температуры сверхпроводника. Источник напряжения постоянного тока находится при комнатной температуре. ИИП выполнен с возможностью подавать питание от источника напряжения постоянного тока на сверхпроводящую катушку. ИИП содержит понижающий преобразователь, имеющий первичную и вторичную обмотки, при этом первичная обмотка находится снаружи криостата, а вторичная обмотка находится внутри криостата. Токовводы соединяют вторичную обмотку с магнитом. Контроллер выполнен с возможностью вынуждать ИИП подавать первую величину мощности к магниту для того, чтобы разгонять магнит до рабочего тока, и вторую величину мощности к магниту во время установившегося режима работы магнита, при этом первая величина мощности больше второй величины мощности.
Согласно четвертому аспекту изобретения предложен способ обеспечения питания сверхпроводящей катушки узла магнита. Узел магнита содержит криостат, в котором предусмотрена сверхпроводящая катушка. Предусматривают ИИП, причем ИИП содержит трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, и вторичная обмотка находится внутри криостата узла магнита. Магнит запитывают посредством подачи первой величины мощности от источника напряжения постоянного тока снаружи криостата к катушке через ИИП. Установившийся режим работы магнита поддерживают посредством подачи второй величины мощности от источника напряжения постоянного тока к катушке через ИИП. Первая величина мощности больше второй величины мощности.
Сверхпроводящая катушка может включать в себя материал-высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП).
Дополнительные варианты осуществления представлены в пункте 2 формулы изобретения и далее.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 является схемой источника питания согласно варианту осуществления;
Фигуры 2A-2D показывают примерные топологии ИИП; и
Фигуры 3 и 4 являются графиками свойств источника питания по фигуре 1;
Фигура 5 является схемой источника питания согласно другому варианту осуществления;
Фигура 6 показывает графики свойств источника питания по фигуре 5.
Подробное описание изобретения
Вместо попытки подавать полный транспортный ток магнита через криостат, ниже представлена система для подачи гораздо более низкого тока (при более высоком напряжении) к находящемуся в криостате импульсному источнику питания (ИИП), который включает в себя понижающий трансформатор и выпрямитель, который затем подает требуемый высокий транспортный ток к магниту. Сам магнит является сверхпроводящим магнитом, который содержит ВТСП, НТСП или сочетание их обоих. Поэтому резистивные токовводы, соединяющие источник питания постоянного тока снаружи криостата, могут быть уменьшены в диаметре, поскольку они должны нести более низкий ток, уменьшая затраты, связанные с самими токовводами и криогенной системой, требуемой для устранения привносимой ими утечки тепла. Токовводы от ИИП к магниту будут холодными и выполненными из сверхпроводника.
Различные топологии ИИП подходят для этого применения. Подходящий ИИП должен включать в себя трансформатор с большим коэффициентом понижения напряжения. Хотя такие топологии ИИП обычно называются "изолированными", трансформатор может быть трансформатором с изолированными или неизолированными обмотками (например, с общим заземлением). Желателен высокий коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. ИИП будет, как правило, содержать один или более дросселей, которые действуют в качестве устройств накопления энергии (в этом варианте осуществления магнит сам является дросселем), активный переключатель, управляемый по внешнему стробирующему сигналу (обычно реализуемый как твердотельный ключ/транзистор, такой как полевой МОП-транзистор (MOSFET) или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), или массив твердотельных ключей), и один или более пассивных переключателей для выпрямления выходного тока, типично в виде диодов. Диоды могут быть заменены активными переключателями, такими как множество MOSFET или IGBT.
Одной возможностью, как показано схематично на фигуре 1, является использование прямого преобразователя, хотя понятно, что эта топология описывается только в качестве примера, и нижеприведенные конструктивные соображения будут применимы к любой подходящей топологии. На фигуре 1 граница 100 обозначает криостат - все в пределах этой границы 100 находится в криогенной среде при 77 К или ниже. Только источник V_dc питания постоянного тока находится снаружи криостата, и он подключен к ИИП токовводами 101. Сопротивление R2 является просто сопротивлением магнита. В идеальном магните оно будет нулевым, но в магните с соединениями между сверхпроводящими секциями или другими слегка резистивными деталями оно, вероятно, должно быть порядка нескольких сотен наноом. Индуктивность, L, будет обычно отдельным компонентом ИИП, но в этом случае может быть использована индуктивность самого магнита. Аналогично, емкость C может быть просто собственной емкостью магнита. Сопротивление R1 и переключатель S1 моделируют активную систему "защиты от нарушения сверхпроводимости" для магнита, которая сбрасывает накопленную энергию магнита в резистивную нагрузку R1, размыкая переключатель S1, если обнаружено локализованное нарушение сверхпроводимости в магните. Вторичная обмотка трансформатора Tr2 и соединительные провода в криостате могут быть изготовлены из сверхпроводника, предпочтительно ВТСП (даже если сам магнит является НТСП - поскольку ИИП может быть при более высокой температуре). Первичная обмотка может быть сверхпроводниковой или медной. ИИП включает в себя контроллер 102, который управляет рабочим циклом переключателя T1, как описано более подробно ниже. Контроллер показан снаружи криостата на фигуре 1, но он может быть расположен в криостате.
Фигура 1 включает в себя фигуры, представляющие свойства примерной системы для использования со сверхпроводящим магнитом, обеспечивающим тороидальное поле в токамаке. Будет понятно, что эти фигуры приведены только в качестве примера для одного варианта осуществления и не должны истолковываться как ограничивающие.
Другие примерные топологии ИИП показаны на фигурах 2A-2D. Фигура 2A показывает прямой преобразователь 201 с двумя переключателями. Фигура 2B показывает двухтактный преобразователь 202. Фигура 2C показывает полумостовой преобразователь 203. Фигура 2D показывает резонансный LLC-преобразователь 204. На фигурах 2B и 2C дросселем L 221, 231 может быть сам магнит. На фигуре 2D магнит будет частью нагрузки (поскольку показанный резонансный LLC-преобразователь не использует дроссель на вторичной стороне). Фигуры 2B, 2C и 2D показывают переключатели 222, 232, 242, но они могут быть заменены транзисторами или эквивалентными твердотельными компонентами. Могут также быть использованы другие топологии ИИП, содержащие транзистор.
Различные компоненты ИИП, как ожидается, должны работать при криогенных температурах. Криогенные переключатели широко известны (например, сверхпроводящие переключатели, которые действуют посредством преднамеренного нарушения сверхпроводимости участка сверхпроводника), но являются медленными и громоздкими. Полупроводниковые компоненты (т.е. диоды D1-D3 и переключатель T1 на фигуре 1, транзистор или, более вероятно, массив транзисторов) были показаны хорошо работающими при криогенных температурах вплоть до 20 К - действительно, они, как правило, имеют лучшие характеристики, чем при комнатной температуре, и, следовательно, являются предпочтительным вариантом для криогенного блока источника питания (PSU).
Трансформатор Tr2 работает тем же способом, что и в типичном прямом преобразователе, хотя является вероятным, что либо обе обмотки, либо по меньшей мере вторичная могут быть выполнены из сверхпроводника, предпочтительно ВТСП, чтобы минимизировать резистивные потери. Потери переменного тока могут быть минимизированы с помощью низкой частоты переключения. В традиционном ИИП частота переключения была бы между 20 кГц и 500 кГц, чтобы обеспечить возможность использования небольшого дросселя. Поскольку дросселем в этом случае является высокомощный сверхпроводящий магнит с индуктивностью в несколько Генри (например, ~4,7 Гн для основного радиуса ТП-магнита 1,4 м с 72 витками на катушку при 28 кА), рабочая частота может быть гораздо более низкой, например, меньшей или равной 1 кГц, меньшей или равной 100 Гц или меньшей или равной 10 Гц. Частота переключения может быть подобрана так, чтобы минимизировать суммарную потерю мощности переменного тока в сверхпроводящем трансформаторе и магните, а также вихревой ток и гистерезисные потери в сердечнике трансформатора. Однако низкие частоты потребуют большего сердечника для того, чтобы трансформатор работал эффективно.
Подходящее соотношение катушек трансформатора будет зависеть от входного напряжения, предоставляемого источником V_dc питания постоянного тока. Для того, чтобы добиться 100% потокосцепления для трансформатора, первичная и вторичная обмотки могут быть совместно намотаны. Обмотки могут быть связаны материалом с высокой магнитной проницаемостью, таким как железо или феррит. Использование такого материала потребует экранирования трансформатора от поля рассеяния магнита, но в случае магнита для удержания плазмы токамака это просто, поскольку тороидальная геометрия является по своей природе самоэкранированной и создает очень небольшое магнитное поле снаружи магнита. Однако, это не тот случай, чтобы полоидальные катушки были также необходимы в термоядерном токамаке. Если используется сердечник, соответствующий выбор материала будет зависеть от выбора частоты переключения. Более высокая частота переключения (например, > 1 кГц) может выиграть от использования феррита по сравнению с железом, вследствие уменьшения потерь на вихревые токи. Альтернативно, трансформатор может быть "с воздушным сердечником", т.е. без твердого сердечника.
В качестве альтернативы наличию токовводов, проходящих через криостат, трансформатор ИИП может быть выполнен так, что первичная обмотка (соединенная с источником V_dc напряжения постоянного тока) находится снаружи криостата, а вторичная обмотка (соединенная с магнитом) находится внутри криостата. Тогда все компоненты ИИП на первичной стороне будут снаружи криостата (например, переключатель T1 для прямого преобразователя), а все компоненты ИИП на вторичной стороне будут внутри криостата. Трансформатор может быть с воздушным сердечником, что приведет в результате к ничтожному дополнительному потоку тепла через криостат вследствие ИИП, но трансформатор будет иметь плохой перенос мощности вследствие низкой связи магнитного потока. Плохой перенос мощности может быть улучшен за счет использования резонансного трансформатора (т.е. такого трансформатора, который использует резонансную индуктивную связь), который известен в данной области техники, например, https://en.wikipedia.org/wiki/Resonant_inductive_coupling. Альтернативно, трансформатор может иметь твердый сердечник (как описано выше), который проходит сквозь стенку криостата.
Фиг. 3 и 4 показывают различные результаты моделирования цепи, показанной на фигуре 1, с входным постоянным током 2 кВ, отношением витков 25:1 в трансформаторе и частотой переключения 10 Гц с коэффициентом заполнения 50% во время разгона (фигура 3) и с коэффициентом заполнения 0,5% во время устоявшегося режима работы (фигура 4 при t<50). Графики показывают:
301, 401 – ток в каждом транзисторе T1 и диоде D1 (т.е. через каждую входную катушку трансформатора Tr2);
302, 402 – ток в каждом из диода D2 и диода D3 (т.е. через выходную катушку трансформатора Tr2);
ток в 303, 403 и напряжение на 304, 404 катушки магнита.
Все эти значения используются только в качестве примера. Фигура 3 показывает магнит во время разгона. Каждый импульс переключателя увеличивает ток в магните - со скоростью примерно 8 А/с. Поскольку сопротивление R2 столь мало, существует только ничтожный спад в токе магнита, когда переключатель T1 выключен. Фигура 4 показывает магнит во время нарушения сверхпроводимости, которое происходит в момент времени t=50.
Фигура 5 показывает схему, используемую для дополнительных моделирований, результаты которых показаны на фигуре 6. ИИП на фигуре 5 имеет топологию полномостового преобразователя. Как и ранее, индуктивность L является сверхпроводящей катушкой магнита, R2 является сопротивлением соединения, а емкости 501, 502 на вторичной стороне являются естественными емкостями компонентов магнита. Фигура 6 показывает ток 601 в первичной катушке трансформатора Tr3, ток 602 в магните и токи 603, 604 в диодах D1 и D2, которые соответствуют токам в соответствующих вторичных обмотках трансформатора Tr2. Отметим, что на фигуре 6 ток через магнит является отрицательным – поэтому нисходящий уклон указывает увеличение тока.
После того как достигнут желаемый ток, коэффициент заполнения снижают, чтобы поддерживать желаемый ток - этого можно добиться посредством контроллера с контуром обратной связи, чтобы отслеживать ток в магните и регулировать коэффициент заполнения соответствующим образом (т.е. увеличивать коэффициент заполнения, если ток падает, и уменьшать коэффициент заполнения, если ток превышает желаемое значение).
Альтернативным способом управления мощностью, выдаваемой на нагрузку, является изменение напряжения, подаваемого источником напряжения постоянного тока, V_dc, при поддерживании коэффициента заполнения одинаковым. В качестве дополнительной альтернативы, подаваемое источником V_dc напряжение и коэффициент заполнения могут изменяться вместе для управления суммарной подаваемой мощностью.
Если в какой-либо части магнита обнаружено локализованное нарушение сверхпроводимости, то подключается сопротивление R1 посредством размыкания переключателя S1, и ток в магните быстро ослабевает, ограничивая опасный нагрев в области с нарушением сверхпроводимости. В этой модели источник питания не отключается, но на практике это было бы сделано при обнаружении нарушения сверхпроводимости.
Термин "криостат" используется выше означающим изолированную камеру, в которой поддерживается криогенная температура, - обычно вакуумный сосуд. Там, где ИИП описывается выше как находящийся "в криостате", это может указывать на нахождение в том же вакуумном сосуде, что и катушка магнита, или в подсоединенном вакуумном сосуде. В качестве альтернативы, ИИП может быть помещен в отдельный криостат, который охлаждается до температуры, промежуточной между комнатной температурой и температурой катушек магнита, или помещен в месте в криостате магнита с такой температурой. Когда ИИП содержит сверхпроводящие (ВТСП или НТСП) компоненты, такие компоненты должны быть охлаждены ниже критической температуры сверхпроводника.
Хотя предпосылки этого изобретения были представлены с точки зрения термоядерного реактора, специалист поймет, что изобретение применяется к любому магниту, содержащему сверхпроводящую катушку, например, магнитам МРТ или магнитам, подходящим для накопления энергии.