BR112021023088B1

BR112021023088B1 - SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND ACCELERATING MAGNETIZED PLASMA

Info

Publication number: BR112021023088B1
Application number: BR112021023088-2A
Authority: BR
Inventors: Stephen James Howard; Douglas Harvey Richardson; Michel Georges Laberge; Merritt Wayne Reynolds; Aaron Matthew Froese; Kelly Bernard Epp; Martin Clifford Wight; Yakov Gofman
Original assignee: General Fusion Inc
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2024-05-07

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA GERAR E ACELERAR PLASMA MAGNETIZADO. Um método e sistema para gerar e acelerar de forma estável plasma magnetizado compreende ionizar um gás injetado em um gerador de plasma e gerar um campo magnético de formação para formar um plasma magnetizado com um campo poloidal fechado, gerando um campo poloidal reverso atrás do plasma magnetizado e tendo a mesma direção de campo que uma borda posterior do campo poloidal fechado e tendo uma direção de campo oposta do campo magnético de formação e gerando um campo toroidal de empurramento que empurra o campo poloidal reverso contra o campo poloidal fechado, acelerando assim o plasma magnetizado através de um acelerador de plasma a jusante a partir do gerador de plasma. O campo poloidal reverso serve para evitar a reconexão do campo magnético de formação e campo poloidal fechado após o plasma magnetizado ser formado, o que permitiria que o campo toroidal de empurramento se misturasse com o campo poloidal fechado e causasse instabilidade e confinamento de plasma reduzido.SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND ACCELERATING MAGNETIZED PLASMA. A method and system for stably generating and accelerating magnetized plasma comprises ionizing a gas injected into a plasma generator and generating a forming magnetic field to form a magnetized plasma with a closed poloidal field, generating a reverse poloidal field behind the magnetized plasma. and having the same field direction as a trailing edge of the closed poloidal field and having an opposite field direction from the forming magnetic field and generating a pushing toroidal field that pushes the reverse poloidal field against the closed poloidal field, thereby accelerating the plasma magnetized through a plasma accelerator downstream from the plasma generator. The reverse poloidal field serves to prevent reconnection of the forming magnetic field and closed poloidal field after the magnetized plasma is formed, which would allow the pushing toroidal field to mix with the closed poloidal field and cause instability and reduced plasma confinement.

Description

CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD

[001] A presente divulgação diz respeito geralmente a um sistema e método para gerar plasma magnetizado e, mais particularmente, a um sistema e método para produzir uma configuração de campo magnético em um dispositivo de plasma para facilitar o confinamento de plasma durante a formação de plasma e a aceleração de plasma.[001] The present disclosure relates generally to a system and method for generating magnetized plasma and, more particularly, to a system and method for producing a magnetic field configuration in a plasma device to facilitate plasma confinement during the formation of plasma and plasma acceleration.

ANTECEDENTESBACKGROUND

[002] A menos que indicado de outra forma na presente invenção, os materiais descritos nesta seção não são estado da técnica das reivindicações neste pedido e não são admitidos como estado da técnica pela inclusão nesta seção.[002] Unless otherwise indicated in the present invention, the materials described in this section are not prior art of the claims in this application and are not admitted as prior art by inclusion in this section.

[003] O plasma é um estado da matéria similar ao gás, no qual pelo menos parte das partículas são ionizadas. A presença de partículas carregadas que se movem livremente (por exemplo, íons positivos e elétrons negativos) torna o plasma eletricamente condutor. O plasma com um campo magnético forte o suficiente para influenciar o movimento das partículas carregadas é chamado de plasma magnetizado. O campo magnético dentro do plasma pode confinar as partículas de plasma e impedi-las de atingir as paredes de um vaso por um período prolongado de tempo se as linhas de campo magnético estiverem configuradas para voltarem a si mesmas em órbitas fechadas (possivelmente de comprimento infinito). O volume ocupado pelo plasma pode ter a forma de um toro, de modo que uma linha de campo magnético fechada orbite em um percurso circular ou helicoidal na superfície de uma camada toroidal particular dentro do volume do plasma. O campo magnético fechado atua como um isolante térmico extremamente bom, mantendo um gradiente de temperatura de muitos milhões de graus Kelvin por cm entre o núcleo quente de plasma e a temperatura da parede do vaso. O campo magnético usado para confinar as partículas de plasma pode ser criado e mantido por alguma combinação de correntes elétricas externas fluindo em bobinas e paredes condutoras, bem como correntes fluindo dentro do próprio plasma. O intervalo de dispositivos de confinamento magnético possíveis é parametrizado pelo grau de compensação entre o uso de correntes externas e internas para fornecer o campo magnético. Stellarators são dispositivos que usam bobinas inteiramente externas para criar o campo magnético quase sem corrente de plasma. Os tokamaks têm campos predominantemente de origem externa, mas dependem da corrente do plasma para aquecer o plasma e controlar a torção das linhas de campo helicoidal. Dispositivos de Estrição de Campo Reverso (RFP) dependem de correntes de plasma internas significativas criadas pela ação do transformador de um núcleo de fluxo dependente do tempo que atravessa o orifício central do vaso toroidal. Em dispositivos Toroide Compacto (CT), o campo magnético fechado é produzido inteiramente a partir de correntes de plasma internas, portanto, um plasma de CT é referido como sendo um plasma autocontido. Um plasma de CT pode ser ainda mais estabilizado e impedido de se expandir por estar contido em um invólucro condutor ou um campo magnético gerado externamente; no entanto, essas fontes externas não são responsáveis por gerar a parte fechada do campo magnético que confina diretamente o plasma. Por ser autocontido, um plasma de CT pode ser formado em um local e, em seguida, transladado para outro local sem interromper sua capacidade de confinamento.[003] Plasma is a state of matter similar to gas, in which at least part of the particles are ionized. The presence of freely moving charged particles (e.g. positive ions and negative electrons) makes the plasma electrically conductive. Plasma with a magnetic field strong enough to influence the movement of charged particles is called magnetized plasma. The magnetic field within the plasma can confine plasma particles and prevent them from reaching the walls of a vessel for an extended period of time if the magnetic field lines are configured to loop back on themselves in closed orbits (possibly of infinite length). ). The volume occupied by the plasma may be shaped like a torus, so that a closed magnetic field line orbits in a circular or helical path on the surface of a particular toroidal layer within the plasma volume. The closed magnetic field acts as an extremely good thermal insulator, maintaining a temperature gradient of many million degrees Kelvin per cm between the hot plasma core and the temperature of the vessel wall. The magnetic field used to confine plasma particles can be created and maintained by some combination of external electrical currents flowing in conductive coils and walls, as well as currents flowing within the plasma itself. The range of possible magnetic confinement devices is parameterized by the degree of compensation between the use of external and internal currents to provide the magnetic field. Stellarators are devices that use entirely external coils to create the magnetic field with almost no plasma current. Tokamaks have fields that are predominantly external in origin, but rely on plasma current to heat the plasma and control the twist of the helical field lines. Reverse Field Narrowing (RFP) devices rely on significant internal plasma currents created by the transformer action of a time-dependent flux core passing through the central orifice of the toroidal vessel. In Compact Toroid (CT) devices, the closed magnetic field is produced entirely from internal plasma currents, therefore a CT plasma is referred to as being a self-contained plasma. A CT plasma can be further stabilized and prevented from expanding by being contained in a conductive enclosure or an externally generated magnetic field; however, these external sources are not responsible for generating the closed part of the magnetic field that directly confines the plasma. Because it is self-contained, a CT plasma can be formed in one location and then transferred to another location without disrupting its confinement capacity.

[004] Existem duas direções distintas do campo magnético na superfície de um toro de plasma: uma direção poloidal que percorre o percurso curto ao redor do toro, passando através do orifício central enquanto o faz, e uma direção toroidal que segue o percurso mais longo, circulando o eixo de simetria rotacional do toro. Qualquer campo de vetor axissimétrico (como o campo magnético de equilíbrio) que existe ao longo do volume do toro pode ter o vetor em cada local descrito como a soma dos componentes toroidal e poloidal.[004] There are two distinct directions of the magnetic field at the surface of a plasma torus: a poloidal direction that takes the short path around the torus, passing through the central hole as it does so, and a toroidal direction that takes the longer path , circling the axis of rotational symmetry of the torus. Any axisymmetric vector field (such as the equilibrium magnetic field) that exists throughout the volume of the torus can have the vector at each location described as the sum of the toroidal and poloidal components.

[005] Para o campo magnético de um toro de plasma, o componente poloidal do campo magnético é criado pela corrente elétrica que atravessa o núcleo circular do plasma na direção toroidal. O campo magnético também pode ter um componente toroidal em um determinado ponto no espaço se houver uma corrente elétrica fluindo na direção poloidal na superfície de um toro que envolve o ponto em questão. Desse modo, correntes poloidais próximas à borda do plasma dão origem a campos magnéticos toroidais dentro do núcleo do plasma, e correntes toroidais próximas ao núcleo do plasma dão origem a campos magnéticos poloidais próximos à borda do plasma. Uma determinada linha de campo magnético dentro de um equilíbrio axissimétrico envolverá a superfície de um subtoro particular e não se moverá para fora dele, o que significa que a quantidade de fluxo poloidal encerrado por cada círculo toroidal naquela superfície será uma constante; portanto, nos referimos a isso como uma superfície de fluxo (fluxo [Webers] = força do campo magnético [Tesla] vezes área [metros2]). O grau de ligação topológica dos dois componentes do fluxo magnético é chamado de helicidade magnética e é proporcional ao produto do fluxo magnético poloidal total e a quantidade de fluxo magnético toroidal que está contido nele. Por último, quando nos referimos a uma superfície como sendo semelhante a um toro, queremos dizer que ela pode ter uma seção transversal no plano poloidal que não é necessariamente exatamente circular. Qualquer curva fechada suave (sem autointerseções) pode ser usada como a seção transversal poloidal e revolucionada em torno de um eixo z para criar uma superfície semelhante a um toro ou toroide.[005] For the magnetic field of a plasma torus, the poloidal component of the magnetic field is created by the electric current that passes through the circular core of the plasma in the toroidal direction. The magnetic field can also have a toroidal component at a given point in space if there is an electric current flowing in the poloidal direction on the surface of a torus surrounding the point in question. Thus, poloidal currents near the plasma edge give rise to toroidal magnetic fields within the plasma core, and toroidal currents near the plasma core give rise to poloidal magnetic fields near the plasma edge. A given magnetic field line within an axisymmetric equilibrium will wrap around the surface of a particular subtorus and will not move away from it, meaning that the amount of poloidal flux enclosed by each toroidal circle on that surface will be a constant; therefore, we refer to this as a flux surface (flux [Webers] = magnetic field strength [Tesla] times area [meters2]). The degree of topological connection of the two components of the magnetic flux is called magnetic helicity and is proportional to the product of the total poloidal magnetic flux and the amount of toroidal magnetic flux that is contained within it. Lastly, when we refer to a surface as being torus-like, we mean that it may have a cross-section in the poloidal plane that is not necessarily exactly circular. Any smooth closed curve (no self-intersections) can be used as the poloidal cross-section and revolved about a z-axis to create a surface similar to a torus or torus.

[006] Toroides Compactos (CTs) podem ser divididos em duas subcategorias principais; Spheromak e Configuração Reversa de Campo (FRC). O campo magnético de um plasma Spheromak tem fluxos magnéticos poloidal e toroidal, ligados para dar helicidade significativa. É tipicamente próximo a um estado mínimo de energia relaxado, onde a corrente elétrica flui apenas paralelamente às linhas do campo magnético e pode ser magnetohidrodinâmica (MHD) estável contra instabilidades disruptivas. O campo de um FRC é quase totalmente poloidal e tem quase zero de helicidade.[006] Compact Toroids (CTs) can be divided into two main subcategories; Spheromak and Field Reverse Configuration (FRC). The magnetic field of a Spheromak plasma has poloidal and toroidal magnetic fluxes, linked to give significant helicity. It is typically close to a relaxed energy minimum state where electrical current flows only parallel to magnetic field lines and can be magnetohydrodynamically (MHD) stable against disruptive instabilities. The field of an FRC is almost completely poloidal and has almost zero helicity.

[007] A capacidade de isolamento térmico do campo magnético de um equilíbrio de MHD axissimétrico é teoricamente muito alta, mas pode ser reduzida significativamente se as flutuações de plasma causarem um desvio desse equilíbrio. Uma vez que o percurso das partículas carregadas em um campo magnético está confinado a percursos helicoidais alinhados com as linhas de campo, deve-se tomar muito cuidado para garantir que as linhas do campo magnético corram nas direções toroidal e poloidal, mas não ao longo da direção radial para evitar uma rota direta do núcleo até a borda do plasma. A razão de campo toroidal para poloidal em uma superfície de fluxo pode ser melhor descrita traçando uma linha de campo e contando o número de voltas toroidais que ela completa antes de completar uma volta poloidal e este número é chamado de "fator de segurança", anotado pela variável q. Como isso varia na direção radial dentro do plasma é descrito pela função chamada de perfil q, e a forma exata do perfil q é um fator primário na determinação da estabilidade MHD do plasma. Por exemplo, quando o fator de segurança assume valores exatamente racionais q = p onde m e n são inteiros (normalmente o pior para pequenos valores de {m, n} menores ou iguais a 3), então cada linha de campo em uma superfície de fluxo fecha exatamente sobre si mesma após um comprimento de percurso finito relativamente curto. Então, perturbações de deslocamento de linhas de campo vizinhas adicionam-se construtivamente em fase umas com as outras, e se outras condições forem satisfatórias, isso leva a um desvio crescente da simetria axial (uma instabilidade) localizada na região próxima à superfície de q racional. Se várias dessas regiões instáveis se sobrepõem, então os deslocamentos da linha de campo magnético para longe das superfícies de fluxo originais se combinam através de todas as superfícies e uma única linha de campo pode então vagar do núcleo de plasma quente para frente e para trás na direção radial, eventualmente serpenteando por todo o percurso para a borda fria, e reduz bastante o confinamento de energia térmica do plasma, agindo como um percurso quase direto para o calor fluir do núcleo para a borda do plasma.[007] The thermal insulation capacity of the magnetic field of an axisymmetric MHD balance is theoretically very high, but can be significantly reduced if plasma fluctuations cause a deviation from this balance. Since the path of charged particles in a magnetic field is confined to helical paths aligned with the field lines, great care must be taken to ensure that the magnetic field lines run in the toroidal and poloidal directions, but not along the radial direction to avoid a direct route from the core to the edge of the plasma. The toroidal to poloidal field ratio on a flow surface can best be described by drawing a field line and counting the number of toroidal turns it completes before completing a poloidal turn and this number is called the "safety factor", noted by the variable q. How this varies in the radial direction within the plasma is described by the function called the q profile, and the exact shape of the q profile is a primary factor in determining the MHD stability of the plasma. For example, when the factor of safety takes exactly rational values q = p where m and n are integers (typically worst for small values of {m, n} less than or equal to 3), then each field line on a flow surface closes exactly on itself after a relatively short finite path length. Then, displacement perturbations from neighboring field lines add constructively in phase with each other, and if other conditions are satisfied, this leads to an increasing deviation from axial symmetry (an instability) located in the region near the surface of rational q . If several of these unstable regions overlap, then the magnetic field line displacements away from the original flux surfaces combine across all the surfaces and a single field line can then wander from the hot plasma core back and forth across the surface. radial direction, eventually snaking all the way to the cold edge, and greatly reduces the thermal energy confinement of the plasma, acting as an almost direct path for heat to flow from the core to the plasma edge.

SUMÁRIOSUMMARY

[008] Em um aspecto, um sistema para gerar e acelerar plasma magnetizado é fornecido. O sistema compreende um gerador de plasma para gerar um toroide de plasma magnetizado e um acelerador de plasma acoplado de maneira fluida ao gerador de plasma para acelerar esse toroide de plasma magnetizado para certas distâncias. O acelerador é posicionado a jusante a partir do gerador de plasma de modo que uma extremidade a jusante do gerador de plasma e uma extremidade a montante do acelerador definam em conjunto uma lacuna de aceleração e uma região de relaxamento. Uma fonte de potência está em comunicação elétrica com o gerador de plasma e o acelerador de plasma está configurado para fornecer um pulso de potência através do mesmo. Um gerador de campo magnético de formação, como um conjunto de bobinas ou ímãs permanentes, é usado para fornecer um campo magnético de formação no gerador de plasma. Um gerador de campo poloidal reverso, como uma ou mais bobinas adicionais ou ímãs permanentes, é posicionado nas proximidades da lacuna de aceleração para fornecer um campo magnético poloidal reverso através da lacuna de aceleração. Um componente radial do campo poloidal reverso é oposto a uma direção do campo poloidal de formação, de modo que quando a fonte de potência fornece um pulso de corrente através do acelerador, o campo magnético poloidal reverso é empurrado para a região de relaxamento atrás do plasma magnetizado e está, então, na mesma direção radial para uma borda posterior de um campo poloidal fechado de plasma, mas oposta à direção do campo poloidal de formação no gerador de plasma.[008] In one aspect, a system for generating and accelerating magnetized plasma is provided. The system comprises a plasma generator to generate a magnetized plasma toroid and a plasma accelerator fluidly coupled to the plasma generator to accelerate this magnetized plasma toroid to certain distances. The accelerator is positioned downstream from the plasma generator such that an end downstream of the plasma generator and an end upstream of the accelerator jointly define an acceleration gap and a relaxation region. A power source is in electrical communication with the plasma generator and the plasma accelerator is configured to deliver a pulse of power therethrough. A forming magnetic field generator, such as a set of coils or permanent magnets, is used to provide a forming magnetic field in the plasma generator. A reverse poloidal field generator, such as one or more additional coils or permanent magnets, is positioned in the vicinity of the accelerating gap to provide a reverse poloidal magnetic field across the accelerating gap. A radial component of the reverse poloidal field is opposite to a direction of the forming poloidal field, so that when the power source delivers a pulse of current through the accelerator, the reverse poloidal magnetic field is pushed into the region of relaxation behind the plasma. magnetized and is therefore in the same radial direction to a trailing edge of a closed poloidal plasma field, but opposite to the direction of the forming poloidal field in the plasma generator.

[009] De acordo com outro aspecto, é fornecido um método para gerar e acelerar plasma magnetizado compreendendo: ionizar um gás em um gerador de plasma e gerar um campo magnético de formação; gerar um toroide de plasma magnetizado com um campo poloidal fechado que se move do gerador de plasma para uma região de relaxamento; gerar um campo poloidal reverso atrás do toroide de plasma magnetizado, o campo poloidal reverso tendo uma mesma direção de campo que uma borda posterior do campo poloidal fechado e tendo uma direção de campo oposta do campo magnético de formação; e gerar um campo toroidal de empurramento que empurra o campo poloidal reverso contra o campo poloidal fechado, acelerando assim o toroide de plasma magnetizado através de um acelerador de plasma a jusante a partir do gerador de plasma.[009] According to another aspect, a method for generating and accelerating magnetized plasma is provided comprising: ionizing a gas in a plasma generator and generating a forming magnetic field; generating a magnetized plasma toroid with a closed poloidal field that moves from the plasma generator to a region of relaxation; generating a reverse poloidal field behind the magnetized plasma toroid, the reverse poloidal field having the same field direction as a trailing edge of the closed poloidal field and having an opposite field direction from the forming magnetic field; and generating a pushing toroidal field that pushes the reverse poloidal field against the closed poloidal field, thereby accelerating the magnetized plasma toroid through a plasma accelerator downstream from the plasma generator.

[010] Mais particularmente, o método pode compreender enviar um primeiro pulso de corrente para o gerador de plasma para ionizar o gás e criar o campo poloidal fechado e enviar um segundo pulso de corrente para o acelerador de plasma para gerar o campo toroidal de empurramento. Após a geração no gerador de plasma e antes da aceleração no acelerador de plasma, o toroide de plasma magnetizado pode se expandir e se estabilizar na região de relaxamento.[010] More particularly, the method may comprise sending a first pulse of current to the plasma generator to ionize the gas and create the closed poloidal field and sending a second pulse of current to the plasma accelerator to generate the toroidal pushing field. . After generation in the plasma generator and before acceleration in the plasma accelerator, the magnetized plasma toroid can expand and stabilize in the relaxation region.

[011] O campo poloidal reverso pode ser gerado através de uma lacuna de aceleração entre uma extremidade a jusante do gerador de plasma e uma extremidade a montante do acelerador de plasma. Gerar o campo poloidal reverso pode compreender a geração de um fluxo poloidal reverso no intervalo de 0,1-0,25*ΦCT, em que ΦCT é um fluxo poloidal total do toroide de plasma magnetizado.[011] The reverse poloidal field can be generated through an acceleration gap between a downstream end of the plasma generator and an upstream end of the plasma accelerator. Generating the reverse poloidal field may comprise generating a reverse poloidal flux in the range of 0.1-0.25*ΦCT, where ΦCT is a total poloidal flux of the magnetized plasma toroid.

[012] O gerador de plasma pode compreender um canal de formação de plasma anular e o método pode compreender ainda injetar o gás no canal de formação de plasma e formar o toroide de plasma magnetizado, tal como um toroide compacto ou um tokamak esférico. O gás pode compreender qualquer um ou uma mistura de hidrogênio, isótopos de hidrogênio, neon, argônio, criptônio, xenônio e hélio. O acelerador de plasma pode compreender também um canal anular afunilado e o método pode compreender adicionalmente comprimir e aquecer o toroide de plasma enquanto acelera através do canal anular afunilado.[012] The plasma generator may comprise an annular plasma formation channel and the method may further comprise injecting the gas into the plasma formation channel and forming the magnetized plasma toroid, such as a compact toroid or a spherical tokamak. The gas may comprise any or a mixture of hydrogen, hydrogen isotopes, neon, argon, krypton, xenon and helium. The plasma accelerator may also comprise a tapered annular channel and the method may further comprise compressing and heating the plasma toroid while accelerating through the tapered annular channel.

[013] De acordo com outro aspecto, é fornecido um sistema para gerar e acelerar um toroide de plasma magnetizado compreendendo um gerador de plasma, um acelerador de plasma, pelo menos um gerador de campo magnético poloidal reverso e pelo menos uma fonte de potência. O gerador de plasma compreende eletrodos ionizantes operáveis para ionizar um gás e pelo menos um gerador de campo magnético de formação operável para gerar um campo magnético de formação. O acelerador de plasma é acoplado de maneira fluida ao gerador de plasma e compreende eletrodos aceleradores operáveis para gerar um campo toroidal de empurramento. Uma extremidade a jusante do gerador de plasma e uma extremidade a montante do acelerador de plasma em conjunto definem uma lacuna de aceleração e uma região de relaxamento, e o gerador de campo magnético poloidal reverso é operável para gerar um campo poloidal reverso através da lacuna de aceleração. A região de relaxamento pode ser configurada para que o toroide de plasma magnetizado se expanda e se estabilize nela. A pelo menos uma fonte de potência é eletricamente acoplada aos eletrodos ionizantes e aos eletrodos aceleradores. A pelo menos uma fonte de potência é operável para: gerar um toroide de plasma magnetizado com um campo poloidal fechado que se move do gerador de plasma para a região de relaxamento em que o campo poloidal reverso está atrás do toroide de plasma magnetizado e tem uma mesma direção de campo que uma borda posterior do campo poloidal fechado e tem uma direção de campo oposta do campo magnético de formação; e gerar o campo toroidal de empurramento para empurrar o campo poloidal reverso contra o campo poloidal fechado, acelerando assim o toroide de plasma magnetizado através do acelerador de plasma. O gerador de campo magnético de formação e o gerador de campo magnético poloidal reverso podem, cada um, compreender uma ou mais bobinas magnéticas ou ímãs permanentes.[013] According to another aspect, there is provided a system for generating and accelerating a magnetized plasma toroid comprising a plasma generator, a plasma accelerator, at least one reverse poloidal magnetic field generator and at least one power source. The plasma generator comprises ionizing electrodes operable to ionize a gas and at least one forming magnetic field generator operable to generate a forming magnetic field. The plasma accelerator is fluidly coupled to the plasma generator and comprises operable accelerator electrodes to generate a toroidal thrust field. A downstream end of the plasma generator and an upstream end of the plasma accelerator together define an acceleration gap and a relaxation region, and the reverse poloidal magnetic field generator is operable to generate a reverse poloidal field across the polarization gap. acceleration. The relaxation region can be configured so that the magnetized plasma toroid expands and stabilizes in it. The at least one power source is electrically coupled to the ionizing electrodes and the accelerating electrodes. The at least one power source is operable to: generate a magnetized plasma toroid with a closed poloidal field that moves from the plasma generator to the relaxation region in which the reversed poloidal field is behind the magnetized plasma toroid and has a same field direction as a trailing edge of the closed poloidal field and has an opposite field direction from the forming magnetic field; and generating the pushing toroidal field to push the reverse poloidal field against the closed poloidal field, thereby accelerating the magnetized plasma toroid through the plasma accelerator. The forming magnetic field generator and the reverse poloidal magnetic field generator may each comprise one or more magnetic coils or permanent magnets.

[014] O material ferromagnético pode ser posicionado em cada lado da lacuna de aceleração para aumentar o campo poloidal reverso através da lacuna de aceleração. O material ferromagnético pode compreender pelo menos um anel, disco anular ou série de segmentos espaçados circunscrevendo o eletrodo interno dos eletrodos aceleradores ou eletrodos ionizantes. Por exemplo, pode haver um disco anular posicionado em uma extremidade a montante de um eletrodo interno dos eletrodos aceleradores e um anel anular posicionado em uma extremidade a jusante de um eletrodo interno dos eletrodos ionizantes. O número e a localização do pelo menos um gerador de campo magnético poloidal reverso podem ser selecionados para gerar um fluxo poloidal reverso de 0,1- 0,25*ΦCT, em que ΦCT é o fluxo poloidal total do toroide de plasma magnetizado. Por exemplo, o gerador de campo magnético de formação pode compreender três bobinas magnéticas de formação e o gerador de campo poloidal reverso pode compreender uma bobina magnética poloidal reversa.[014] Ferromagnetic material can be positioned on each side of the acceleration gap to increase the reverse poloidal field across the acceleration gap. The ferromagnetic material may comprise at least one ring, annular disk or series of spaced segments circumscribing the inner electrode of the accelerating electrodes or ionizing electrodes. For example, there may be an annular disk positioned at an upstream end of an internal electrode of the accelerating electrodes and an annular ring positioned at a downstream end of an internal electrode of the ionizing electrodes. The number and location of the at least one reverse poloidal magnetic field generator can be selected to generate a reverse poloidal flux of 0.1-0.25*ΦCT, where ΦCT is the total poloidal flux of the magnetized plasma toroid. For example, the forming magnetic field generator may comprise three forming magnetic coils and the reverse poloidal field generator may comprise one reverse poloidal magnetic coil.

[015] Os eletrodos ionizantes podem ser anulares e definir um canal de formação de plasma anular que produz o toroide de plasma magnetizado, como um toroide compacto ou um tokamak esférico. Os eletrodos aceleradores podem ser anulares e definir um canal de propagação anular que se afunila para dentro a partir de uma entrada para uma saída.[015] The ionizing electrodes can be annular and define an annular plasma formation channel that produces the magnetized plasma toroid, such as a compact toroid or a spherical tokamak. Accelerator electrodes may be annular and define an annular propagation channel that tapers inward from an inlet to an outlet.

[016] A pelo menos uma fonte de potência pode compreender pelo menos um banco de capacitores e ser operável para fornecer um primeiro pulso de corrente para o gerador de plasma e um segundo pulso de corrente para o acelerador de plasma.[016] The at least one power source may comprise at least one capacitor bank and be operable to supply a first pulse of current to the plasma generator and a second pulse of current to the plasma accelerator.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF FIGURES

[017] Ao longo dos desenhos, os números de referência podem ser reutilizados para indicar a correspondência entre os elementos referenciados. Os desenhos são fornecidos para ilustrar modalidades de exemplo descritas na presente invenção e não se destinam a limitar o escopo da divulgação. Tamanhos e posições relativas de elementos nos desenhos não são necessariamente desenhados em escala. Por exemplo, as formas de vários elementos e ângulos não são desenhados em escala e alguns desses elementos são arbitrariamente aumentados e posicionados para melhorar a legibilidade do desenho.[017] Throughout the drawings, reference numbers can be reused to indicate correspondence between referenced elements. The drawings are provided to illustrate exemplary embodiments described in the present invention and are not intended to limit the scope of the disclosure. Sizes and relative positions of elements in drawings are not necessarily drawn to scale. For example, the shapes of various elements and angles are not drawn to scale and some of these elements are arbitrarily enlarged and positioned to improve the legibility of the drawing.

[018] As FIGURAS 1(a)-(c) são vistas laterais em corte transversal esquemáticas de uma porção de um sistema para gerar e acelerar plasma magnetizado de acordo com uma modalidade da invenção, e compreendem um gerador de campo poloidal reverso, a porção ilustrada sendo anular em torno do eixo A.[018] FIGURES 1(a)-(c) are schematic cross-sectional side views of a portion of a system for generating and accelerating magnetized plasma in accordance with an embodiment of the invention, and comprise a reverse poloidal field generator, a illustrated portion being annular around axis A.

[019] As FIGURAS 2(a)-(d) são vistas laterais esquemáticas de seção transversal de uma porção de um sistema para gerar e acelerar plasma magnetizado sem um gerador de campo poloidal reverso, usado em testes experimentais.[019] FIGURES 2(a)-(d) are schematic cross-sectional side views of a portion of a system for generating and accelerating magnetized plasma without a reverse poloidal field generator, used in experimental tests.

[020] A FIGURA 3(a) ilustra um exemplo de uma simulação de computador de uma configuração de campo magnético poloidal de formação sem um campo magnético poloidal reverso usando o sistema mostrado nas FIGURAS 2(a)-(d).[020] FIGURE 3(a) illustrates an example of a computer simulation of a forming poloidal magnetic field configuration without a reverse poloidal magnetic field using the system shown in FIGURES 2(a)-(d).

[021] A FIGURA 3(b) ilustra um exemplo de uma simulação de computador de uma configuração de campo magnético poloidal de formação e uma configuração de campo magnético poloidal reverso através de uma lacuna de aceleração, usando o sistema mostrado nas FIGURAS 1(a)-(c).[021] FIGURE 3(b) illustrates an example of a computer simulation of a forming poloidal magnetic field configuration and a reverse poloidal magnetic field configuration across an accelerating gap, using the system shown in FIGURES 1(a )-(w).

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES ESPECÍFICASDETAILED DESCRIPTION OF SPECIFIC MODALITIES

[022] Como mencionado na presente invenção antes, uma maioria do campo magnético no plasma magnetizado é criada por correntes que fluem no próprio plasma e/ou na parede de uma câmara de conservação de fluxo. A estrutura do campo magnético fechado confina a energia térmica do plasma suprimindo o trânsito de calor e partículas do núcleo do plasma até sua borda. Alguns dos principais fatores que afetam a vida útil e a estabilidade do plasma são uma configuração de fluxo magnético de formação de plasma, tempo de válvula de gás, tempo de decomposição de plasma, temperatura de plasma, densidade e nível de impurezas indesejadas, perfil de pulso de corrente e tamanho e geometria do dispositivo de plasma. Um meio principal de limitar o transporte de calor é controlar a estabilidade do MHD por meio do controle do perfil q. O perfil q é indiretamente controlado através uma combinação de controle de correntes de plasma internas, projeto da geometria do plasma e controle das correntes que fluem na parede do vaso e dos eletrodos.[022] As mentioned in the present invention before, a majority of the magnetic field in the magnetized plasma is created by currents flowing in the plasma itself and/or in the wall of a flow conservation chamber. The closed magnetic field structure confines the thermal energy of the plasma, suppressing the transit of heat and particles from the plasma core to its edge. Some of the main factors that affect plasma lifetime and stability are plasma forming magnetic flux setting, gas valve time, plasma decomposition time, plasma temperature, density and level of unwanted impurities, current pulse and size and geometry of the plasma device. A primary means of limiting heat transport is to control the stability of the MHD through controlling the q profile. The q profile is indirectly controlled through a combination of controlling internal plasma currents, designing the plasma geometry, and controlling the currents flowing in the vessel wall and electrodes.

[023] As modalidades descritas na presente invenção dizem respeito a um sistema e método para gerar e acelerar de forma estável o plasma magnetizado. Modalidades do método compreendem ionizar um gás injetado em um gerador de plasma e gerar um campo magnético de formação para formar um plasma magnetizado com um campo poloidal fechado, gerando um campo poloidal reverso atrás do plasma magnetizado e tendo a mesma direção de campo como uma borda posterior do campo poloidal fechado e tendo uma direção de campo oposta do campo magnético de formação e gerando um campo toroidal de empurramento que empurra o campo poloidal reverso contra o campo poloidal fechado, acelerando assim o plasma magnetizado através de um acelerador de plasma a jusante a partir do gerador de plasma. O campo poloidal reverso serve para evitar a reconexão do campo magnético de formação e campo poloidal fechado após o plasma magnetizado ser formado, o que permitiria que o campo toroidal de empurramento se misturasse com o campo poloidal fechado e causasse instabilidade e confinamento de plasma reduzido.[023] The modalities described in the present invention concern a system and method for generating and stably accelerating magnetized plasma. Embodiments of the method comprise ionizing a gas injected into a plasma generator and generating a forming magnetic field to form a magnetized plasma with a closed poloidal field, generating a reverse poloidal field behind the magnetized plasma and having the same field direction as an edge. back of the closed poloidal field and having a field direction opposite to the forming magnetic field and generating a toroidal pushing field that pushes the reverse poloidal field against the closed poloidal field, thereby accelerating the magnetized plasma through a downstream plasma accelerator to from the plasma generator. The reverse poloidal field serves to prevent reconnection of the forming magnetic field and closed poloidal field after the magnetized plasma is formed, which would allow the pushing toroidal field to mix with the closed poloidal field and cause instability and reduced plasma confinement.

[024] As modalidades do sistema são mostradas nas FIGS. 1(a)-(c) e 3(b). Mais particularmente, as FIGS. 1(a) e (b) ilustram esquematicamente uma porção de um sistema 10 para gerar e acelerar um toroide de plasma magnetizado 11, tal como um toroide compacto (CT) ou um tokamak esférico ou uma combinação dos mesmos, em que a porção ilustrada é anular em torno do eixo A. O sistema 10 compreende um gerador de plasma anular 12 e um acelerador anular 14 que está posicionado a jusante a partir do gerador de plasma 12 de modo que uma extremidade a jusante do gerador de plasma 12 e uma extremidade a montante do acelerador 14 em conjunto definem uma lacuna de aceleração 13 e uma região de relaxamento 22. Por exemplo, o sistema 10 pode ser baseado em uma pistola Marshall de dois estágios para formar o toroide de plasma 11 no gerador de plasma 12 (1° estágio) e acelerar tal toroide de plasma 11 no acelerador 14 (2° estágio). O gerador de plasma 12 compreende um eletrodo de formação interno geralmente tubular 15 e um eletrodo externo geralmente tubular 16 coaxial e circundando o eletrodo de formação interno 15 (coletivamente, “eletrodos ionizantes”). Os eletrodos ionizantes 15, 16 definem um canal de formação de plasma anular 17 entre os mesmos. Um gerador de campo magnético de formação que compreende uma série de bobinas magnéticas de formação 18 são dispostas em torno do eletrodo externo 16 e/ou dentro do eletrodo de formação interno 15 e são acoplados a uma fonte de potência (não mostrada) (FIG. 1(c) omite as bobinas magnéticas de formação 18 para melhorar a clareza da apresentação). Alternativamente, o gerador de campo magnético de formação pode compreender um ou mais ímãs permanentes (não mostrados). A série de bobinas magnéticas de formação 18 é fornecida a fim de criar um campo magnético de formação poloidal inicial 19 que cruza radialmente entre os eletrodos ionizantes 15, 16. Por exemplo, as bobinas magnéticas de formação 18 podem ser solenoides CC. As linhas de campo magnético do campo magnético de formação 19 podem ser direcionadas para fora do eletrodo de formação interno 15 e para o eletrodo externo 16. Em uma implementação, o campo magnético de formação 19 pode ser configurado de modo que as linhas de campo magnético sejam direcionadas radialmente para dentro através do eletrodo externo 16 para o eletrodo de formação interno 15 sem se afastar do escopo da invenção.[024] Embodiments of the system are shown in FIGS. 1(a)-(c) and 3(b). More particularly, FIGS. 1(a) and (b) schematically illustrate a portion of a system 10 for generating and accelerating a magnetized plasma toroid 11, such as a compact toroid (CT) or a spherical tokamak or a combination thereof, wherein the illustrated portion is annular about axis A. The system 10 comprises an annular plasma generator 12 and an annular accelerator 14 which is positioned downstream from the plasma generator 12 such that one end downstream of the plasma generator 12 and an end upstream of the accelerator 14 together define an acceleration gap 13 and a relaxation region 22. For example, the system 10 may be based on a two-stage Marshall gun to form the plasma toroid 11 in the plasma generator 12 (1 th stage) and accelerate such plasma toroid 11 in accelerator 14 (2nd stage). The plasma generator 12 comprises a generally tubular inner forming electrode 15 and a generally tubular outer electrode 16 coaxial to and surrounding the inner forming electrode 15 (collectively, “ionizing electrodes”). The ionizing electrodes 15, 16 define an annular plasma forming channel 17 therebetween. A forming magnetic field generator comprising a series of forming magnetic coils 18 are disposed around the outer electrode 16 and/or within the inner forming electrode 15 and are coupled to a power source (not shown) (FIG. 1(c) omits the magnetic forming coils 18 to improve clarity of presentation). Alternatively, the forming magnetic field generator may comprise one or more permanent magnets (not shown). The array of forming magnetic coils 18 is provided in order to create an initial poloidal forming magnetic field 19 that crosses radially between the ionizing electrodes 15, 16. For example, the forming magnetic coils 18 may be DC solenoids. The magnetic field lines of the forming magnetic field 19 may be directed away from the inner forming electrode 15 and toward the outer electrode 16. In one implementation, the forming magnetic field 19 may be configured so that the forming magnetic field lines are directed radially inwardly through the outer electrode 16 to the inner forming electrode 15 without departing from the scope of the invention.

[025] A fim de formar o toroide de plasma 11, um anel de válvulas de gás de ação rápida igualmente espaçadas (não mostradas) dispostas em torno do eletrodo externo 16 é fornecido para injetar simetricamente uma quantidade predeterminada de gás no canal de formação de plasma 17. As válvulas podem ser válvulas eletromagnéticas, válvulas piezoelétricas ou quaisquer outras válvulas adequadas ou uma combinação das mesmas. A quantidade de gás injetado através das válvulas pode ser determinada por um tempo de abertura das válvulas, ou por meio de um plenum de volume conhecido preenchido com gás de pressão conhecido. O gás pode ser hidrogênio e/ou seus isótopos (deutério, trítio), hélio, neon, argônio, criptônio, xenônio ou qualquer outro gás adequado ou uma mistura de qualquer um desses gases. Por exemplo, o gás pode ser uma mistura de gás deutério-trítio 50/50.[025] In order to form the plasma toroid 11, a ring of equally spaced fast-acting gas valves (not shown) arranged around the external electrode 16 is provided to symmetrically inject a predetermined amount of gas into the plasma formation channel. plasma 17. Valves may be electromagnetic valves, piezoelectric valves or any other suitable valves or a combination thereof. The amount of gas injected through the valves can be determined by an opening time of the valves, or by means of a plenum of known volume filled with gas of known pressure. The gas may be hydrogen and/or its isotopes (deuterium, tritium), helium, neon, argon, krypton, xenon or any other suitable gas or a mixture of any of these gases. For example, the gas may be a 50/50 deuterium-tritium gas mixture.

[026] O sistema 10 compreende ainda uma fonte de potência compreendendo uma primeira fonte de potência 28a (mostrada na Fig. 1(a) apenas) que pode, por exemplo, incluir pelo menos um banco de capacitores e preferencialmente dois ou mais bancos de capacitores, e que é operável para fornecer pulsos de corrente para o gerador de plasma 12. Além disso, o sistema 10 compreende uma segunda fonte de potência 28b (mostrada na Fig. 1(a) apenas) compreendendo pelo menos um banco de capacitores e preferencialmente dois ou mais bancos de capacitores para fornecer pulsos de corrente para eletrodos de aceleração do acelerador 14. Por exemplo, as primeira e segunda fontes de potência 28a, 28b em uma configuração podem ser configuradas para fornecer energia de 0,5 - 5 MJ no gerador de plasma 12 e/ou acelerador 14. Uma vez que o gás preencheu o canal de formação de plasma 17, a primeira fonte de potência 28a pode ser acionada e uma corrente pode ser descarregada entre os eletrodos ionizantes 15, 16. Por exemplo, a primeira fonte de potência 28a pode, em uma configuração, fornecer pulsos de 10-40 kV entre os eletrodos ionizantes 15, 16. Em outra configuração ampliada, as primeira e segunda fontes de potência 28a, 28b podem ser configuradas para fornecer energia de 0,5 - 50 MJ no gerador de plasma 12 e/ou acelerador 14, e a primeira fonte de potência 28a pode fornecer pulsos de 10 - 100 kV entre os eletrodos ionizantes 15, 16. A tensão aplicada entre os eletrodos ionizantes 15, 16 atua para ionizar o gás e formar um plasma inicial. A corrente que flui através do plasma inicial em uma direção principalmente radial ao longo das linhas do campo magnético de formação 19 aumenta ainda mais a temperatura e a densidade do plasma. Tal corrente cria um campo magnético toroidal no plasma atrás da camada de corrente, e o gradiente da pressão magnética exercerá uma força de Lorentz = J x B que empurra o plasma para frente na direção axial em direção ao acelerador 14. À medida que o plasma se move para frente, ele interage com o campo magnético de formação 19, distorcendo e esticando as linhas de campo até que o plasma em avanço se liberte através de um processo de reconexão magnética, formando assim o toroide de plasma 11 com um campo magnético toroidal herdado do campo magnético toroidal devido à corrente, e um campo poloidal fechado 25 devido à interação do plasma com o campo magnético de formação original 19 e possível amplificação de fluxo poloidal causada por efeitos dinâmicos de plasma.[026] The system 10 further comprises a power source comprising a first power source 28a (shown in Fig. 1(a) only) which may, for example, include at least one capacitor bank and preferably two or more capacitor banks. capacitors, and which is operable to supply current pulses to the plasma generator 12. Furthermore, the system 10 comprises a second power source 28b (shown in Fig. 1(a) only) comprising at least one capacitor bank and preferably two or more capacitor banks for supplying current pulses to accelerator acceleration electrodes 14. For example, the first and second power sources 28a, 28b in one configuration may be configured to supply energy of 0.5 - 5 MJ in the plasma generator 12 and/or accelerator 14. Once the gas has filled the plasma forming channel 17, the first power source 28a can be activated and a current can be discharged between the ionizing electrodes 15, 16. For example, the first power source 28a may, in one configuration, provide pulses of 10-40 kV between the ionizing electrodes 15, 16. In another enlarged configuration, the first and second power sources 28a, 28b may be configured to provide power of 0 .5 - 50 MJ in the plasma generator 12 and/or accelerator 14, and the first power source 28a can provide pulses of 10 - 100 kV between the ionizing electrodes 15, 16. The voltage applied between the ionizing electrodes 15, 16 acts to ionize the gas and form an initial plasma. The current flowing through the initial plasma in a mainly radial direction along the forming magnetic field lines 19 further increases the temperature and density of the plasma. Such a current creates a toroidal magnetic field in the plasma behind the current layer, and the magnetic pressure gradient will exert a Lorentz = J x B force that pushes the plasma forward in the axial direction toward the accelerator 14. As the plasma moves forward, it interacts with the forming magnetic field 19, distorting and stretching the field lines until the advancing plasma is released through a process of magnetic reconnection, thus forming plasma toroid 11 with a toroidal magnetic field inherited toroidal magnetic field due to current, and a closed poloidal field 25 due to plasma interaction with the original forming magnetic field 19 and possible poloidal flux amplification caused by plasma dynamic effects.

[027] A extremidade a jusante do gerador de plasma 12 está acoplada de maneira fluida ao acelerador 14. O acelerador 14 compreende um eletrodo de aceleração interno 20 coaxial com o eletrodo externo 16 (coletivamente, “eletrodos de aceleração”). O eletrodo externo 16 e o eletrodo de aceleração interno 20 definem um canal de propagação anular 21. Nesta modalidade, uma extremidade a jusante do eletrodo de formação interno 15 e uma extremidade a montante do eletrodo de aceleração interno 20 em conjunto definem a lacuna de aceleração 13. Em outras modalidades, a lacuna de aceleração 13 pode ser formada no eletrodo externo 16 sem se afastar do escopo da invenção. Quando o toroide de plasma 11 formado no gerador de plasma 12 entra na região de relaxamento 22 (vide Fig. 1(b)), ele se expande ligeiramente e as linhas do campo magnético se reconectam, de modo que o toroide de plasma 11 pode se estabilizar antes de ser acelerado para baixo no acelerador 14 em direção à sua saída. Quando a segunda fonte de potência 28b descarrega um segundo pulso de corrente entre o eletrodo de aceleração interno 20 e o eletrodo externo 16, o toroide de plasma 11 é acelerado axialmente a jusante do acelerador 14 devido a um campo toroidal de empurramento 24 que é gerado devido à corrente fluindo entre o eletrodo de aceleração interno 20 e o eletrodo externo 16. O campo toroidal de empurramento 24 é referido como um “campo toroidal de empurramento”, uma vez que está localizado atrás do toroide de plasma 11 e empurra o toroide de plasma 11 para baixo no acelerador 14 em direção à sua saída. O acelerador 14 pode ter uma configuração afunilada se estreitando em direção à saída de modo que quando o toroide de plasma 11 é acelerado para baixo no acelerador 14, ele é ao mesmo tempo comprimido e aquecido. Por exemplo, a segunda fonte de potência 28(b) pode fornecer 20 - 100 kV através do acelerador 14 para acelerar e, em alguns casos, comprimir o toroide de plasma 11 para baixo do acelerador 14.[027] The downstream end of the plasma generator 12 is fluidly coupled to the accelerator 14. The accelerator 14 comprises an internal acceleration electrode 20 coaxial with the external electrode 16 (collectively, “acceleration electrodes”). The outer electrode 16 and the inner accelerating electrode 20 define an annular propagation channel 21. In this embodiment, a downstream end of the inner forming electrode 15 and an upstream end of the inner accelerating electrode 20 together define the accelerating gap. 13. In other embodiments, the acceleration gap 13 may be formed in the external electrode 16 without departing from the scope of the invention. When the plasma toroid 11 formed in the plasma generator 12 enters the relaxation region 22 (see Fig. 1(b)), it expands slightly and the magnetic field lines reconnect, so that the plasma toroid 11 can stabilize before being accelerated down at throttle 14 towards its exit. When the second power source 28b discharges a second pulse of current between the inner accelerating electrode 20 and the outer electrode 16, the plasma toroid 11 is accelerated axially downstream of the accelerator 14 due to a toroidal pushing field 24 that is generated due to the current flowing between the inner accelerating electrode 20 and the outer electrode 16. The pushing toroidal field 24 is referred to as a “pushing toroidal field” since it is located behind the plasma toroid 11 and pushes the plasma toroid 11. plasma 11 down on throttle 14 towards its exit. The accelerator 14 may have a tapered configuration tapering towards the outlet so that when the plasma toroid 11 is accelerated downwards at the accelerator 14, it is both compressed and heated. For example, the second power source 28(b) may supply 20 - 100 kV through the accelerator 14 to accelerate and, in some cases, compress the plasma toroid 11 below the accelerator 14.

[028] Um gerador de campo poloidal reverso compreendendo uma ou mais bobinas 32 (“bobina magnética poloidal reversa”) é operável para gerar um campo poloidal reverso 30 através da lacuna de aceleração 13 que serve para evitar a reconexão do campo magnético de formação poloidal 19 e o campo poloidal fechado 25. A direção deste campo poloidal reverso 30 é configurada para estar na mesma direção que a borda posterior do campo poloidal fechado 25 do toroide de plasma 11, mas oposta à direção do campo magnético de formação poloidal 19 (o termo “borda posterior” significa a extremidade a montante do campo poloidal fechado, que é o lado esquerdo do campo poloidal fechado como mostrado na Fig. 1(b)). O fato de que o campo poloidal reverso 30 através da lacuna de aceleração 13 tem uma polaridade reversa (direcionada a partir do eletrodo de formação interno 15, através da lacuna 13 e para o eletrodo de aceleração interno 20) do que o campo magnético de formação poloidal 19 na região de formação é a razão pela qual tal campo poloidal reverso 30 é referido como um campo magnético poloidal “reverso”. Qualquer plasma que é empurrado através da lacuna de aceleração 13 para o eletrodo externo 16 e borbulha para a região de relaxamento 22 devido ao campo toroidal de empurramento 24 gerado pelo pulso de aceleração, terá um campo poloidal reverso 30 que está na mesma direção que o borda posterior do campo poloidal fechado 25 do toroide de plasma 11, mas oposta à direção do campo magnético de formação 19 (vide FIG. 1(b)). Assim, o plasma borbulhando para fora da lacuna de aceleração 13 com um campo poloidal reverso 30 não se reconectará com o campo poloidal fechado 25 do toroide 11, evitando assim a difusão do campo toroidal de empurramento 24 para o toroide de plasma 11. O campo toroidal de empurramento 24 precisará se difundir primeiro através do campo poloidal reverso 30 antes de entrar na camada externa do toroide de plasma 11, atrasando assim o aumento do q perto da borda e mantendo o toroide de plasma 11 estável por mais tempo.[028] A reverse poloidal field generator comprising one or more coils 32 (“reverse poloidal magnetic coil”) is operable to generate a reverse poloidal field 30 across the acceleration gap 13 which serves to prevent reconnection of the poloidal forming magnetic field 19 and the closed poloidal field 25. The direction of this reverse poloidal field 30 is configured to be in the same direction as the trailing edge of the closed poloidal field 25 of the plasma toroid 11, but opposite to the direction of the poloidal forming magnetic field 19 (the The term “back edge” means the upstream end of the closed poloidal field, which is the left side of the closed poloidal field as shown in Fig. 1(b)). The fact that the reverse poloidal field 30 across the accelerating gap 13 has a reverse polarity (directed from the inner forming electrode 15, through the gap 13 and to the inner accelerating electrode 20) than the forming magnetic field poloidal 19 in the formation region is the reason why such a reverse poloidal field 30 is referred to as a “reverse” poloidal magnetic field. Any plasma that is pushed through the acceleration gap 13 to the external electrode 16 and bubbles into the relaxation region 22 due to the toroidal pushing field 24 generated by the acceleration pulse, will have a reverse poloidal field 30 that is in the same direction as the trailing edge of the closed poloidal field 25 of the plasma toroid 11, but opposite to the direction of the forming magnetic field 19 (see FIG. 1(b)). Thus, the plasma bubbling out of the acceleration gap 13 with a reverse poloidal field 30 will not reconnect with the closed poloidal field 25 of the toroid 11, thus preventing diffusion of the pushing toroidal field 24 into the plasma toroid 11. The field pushing toroid 24 will need to first diffuse through the reverse poloidal field 30 before entering the outer layer of plasma toroid 11, thus delaying the increase in q near the edge and keeping plasma toroid 11 stable for longer.

[029] As bobinas magnéticas poloidais reversas 32 do gerador de campo poloidal reverso são acopladas a uma fonte de potência (não mostrada) e os parâmetros do campo poloidal reverso 30 podem ser ajustados ajustando a corrente através das bobinas magnéticas poloidais reversas 32, de modo que o campo poloidal reverso gerado 30 está na direção oposta ao campo magnético de formação 19 gerado pelas bobinas magnéticas de formação 18. Alternativamente, o gerador de campo poloidal reverso pode compreender um ou mais ímãs permanentes (não mostrados) em vez de bobinas eletromagnéticas.[029] The reverse poloidal magnetic coils 32 of the reverse poloidal field generator are coupled to a power source (not shown) and the parameters of the reverse poloidal field 30 can be adjusted by adjusting the current through the reverse poloidal magnetic coils 32, so that the generated reverse poloidal field 30 is in the opposite direction to the forming magnetic field 19 generated by the forming magnetic coils 18. Alternatively, the reverse poloidal field generator may comprise one or more permanent magnets (not shown) instead of electromagnetic coils.

[030] Em uma implementação, ilustrada na FIG. 1(c), um material ferromagnético, tal como um aço inoxidável de grau 430, pode ser colocado em ambos os lados da lacuna de aceleração 13 para aumentar a quantidade de campo poloidal reverso 30 atravessando através da lacuna de aceleração 13. Por exemplo, o material ferromagnético pode ser um anel ferromagnético circunscrevendo a extremidade a montante do eletrodo de aceleração interno 20 e/ou um disco anular 34b circunscrevendo a extremidade a jusante do eletrodo de formação interno 15. Alternativamente, o material ferromagnético pode compreender uma série de segmentos ferromagnéticos espaçados (não mostrados) circunscrevendo uma ou ambas da extremidade a montante do eletrodo de aceleração interno 20 e da extremidade a jusante do eletrodo de formação interno 15. A quantidade do campo poloidal reverso 30 depende do fluxo poloidal total do plasma e pode estar em um intervalo de 0,1-0,25*ΦCT, onde ΦCT é o fluxo poloidal total do plasma. Por exemplo, para CT com ΦCT = 300 mWb, o fluxo poloidal reverso pode ser de cerca de ΦRP = 30 - 75 mWb. Isto é apenas para fins ilustrativos e para o toro de plasma com fluxo poloidal maior ou menor do que 300 mWb, o fluxo reverso do campo poloidal reverso 30 através da lacuna de aceleração 13 pode ser, consequentemente, configurado para ter valores menores ou maiores. Os parâmetros ΦCT de fluxo poloidal do CT e os parâmetros ΦRP de fluxo reverso podem ser controlados por um número e posição das bobinas magnéticas de formação 18 e bobinas magnéticas poloidais reversas 32 e a corrente fluindo através de tais bobinas magnéticas de formação e poloidal reversa 18, 32.[030] In one implementation, illustrated in FIG. 1(c), a ferromagnetic material, such as a 430 grade stainless steel, can be placed on both sides of the acceleration gap 13 to increase the amount of reverse poloidal field 30 passing through the acceleration gap 13. For example, The ferromagnetic material may be a ferromagnetic ring circumscribing the upstream end of the internal accelerating electrode 20 and/or an annular disk 34b circumscribing the downstream end of the internal forming electrode 15. Alternatively, the ferromagnetic material may comprise a series of ferromagnetic segments. spaced (not shown) circumscribing one or both of the upstream end of the internal accelerating electrode 20 and the downstream end of the internal forming electrode 15. The amount of the reverse poloidal field 30 depends on the total poloidal flow of the plasma and may be in a range 0.1-0.25*ΦCT, where ΦCT is the total plasma poloidal flow. For example, for CT with ΦCT = 300 mWb, the reverse poloidal flux can be about ΦRP = 30 - 75 mWb. This is for illustrative purposes only and for plasma torus with poloidal flux greater or less than 300 mWb, the reverse flux of the reverse poloidal field 30 through the acceleration gap 13 may accordingly be configured to have smaller or larger values. The CT poloidal flux ΦCT parameters and the reverse flux ΦRP parameters may be controlled by a number and position of the forming magnetic coils 18 and reverse poloidal magnetic coils 32 and the current flowing through such forming and reverse poloidal magnetic coils 18 , 32.

[031] Experimentos conduzidos em General Fusion, Inc. (Burnaby, Canadá) sistemas de geração e de aceleração de plasma com e sem um gerador de campo poloidal reverso tem indicado que a configuração do campo magnético de formação 19 tem uma influência significativa na estabilidade e confinamento de plasma durante a formação e aceleração, e a ausência do gerador de campo poloidal reverso pode permitir que o campo toroidal de empurramento se misture com o campo poloidal fechado e cause instabilidade e confinamento de plasma reduzido.[031] Experiments conducted at General Fusion, Inc. (Burnaby, Canada) plasma generation and acceleration systems with and without a reverse poloidal field generator have indicated that the configuration of the forming magnetic field 19 has a significant influence on stability and plasma confinement during formation and acceleration, and the absence of the reverse poloidal field generator may allow the pushing toroidal field to mix with the closed poloidal field and cause instability and reduced plasma confinement.

[032] Com referência às Figs 2(a)-(c), um experimento foi conduzido com um sistema de geração e aceleração de plasma sem um gerador de campo poloidal reverso, e verificou-se que quando a configuração do campo magnético de formação 19 forneceu mais linhas de campo abertas na frente do plasma (após a lacuna de aceleração 13, na região de relaxamento 22), o toroide de plasma produzido 11 tinha uma configuração mais compacta e maior vida útil de temperatura no gerador de plasma 12. No entanto, tal configuração do campo de formação 19 estava impedindo uma boa aceleração do toroide de plasma 11. Uma razão para o desempenho de aceleração relativamente pobre pode ser que o campo toroidal de empurramento 24 pode escapar ao longo das linhas de campo abertas na frente do toroide de plasma 11, entre o toroide de plasma 11 e a linha de campo aberta (vide FIG. 2(a)), então, em vez de empurrar o toroide de plasma 11 para baixo, ele sopra tais linhas de campo abertas enquanto a maior parte do toroide de plasma 11 permanece na região de relaxamento 22.[032] With reference to Figs 2(a)-(c), an experiment was conducted with a plasma generation and acceleration system without a reverse poloidal field generator, and it was found that when the formation magnetic field configuration 19 provided more open field lines in front of the plasma (after the acceleration gap 13, in the relaxation region 22), the produced plasma toroid 11 had a more compact configuration and longer temperature lifetime in the plasma generator 12. However, such a configuration of the forming field 19 was preventing good acceleration of the plasma toroid 11. One reason for the relatively poor acceleration performance may be that the toroidal pushing field 24 may escape along the open field lines in front of the plasma toroid 11, between the plasma toroid 11 and the open field line (see FIG. 2(a)), then, instead of pushing the plasma toroid 11 downward, it blows such open field lines while the Most of the plasma toroid 11 remains in the relaxation region 22.

[033] Também foi notado que durante a formação do toroide de plasma 11 que parte do plasma (gás ionizado) escapou através da lacuna de aceleração 13 para o eletrodo de formação interno 15. Assim, quando o segundo pulso de corrente (aceleração) foi descarregado, o fluxo toroidal de empurramento do campo toroidal de empurramento 24 empurrou tal plasma para frente, distorcendo as linhas do campo magnético de um campo magnético de formação poloidal 19a na lacuna de aceleração 13 e através da lacuna de aceleração 13, borbulhando-o para fora na região de relaxamento 22 atrás do toroide de plasma 11 (vide FIG 2(c)). As linhas de campo magnético do campo magnético de formação poloidal 19a através da lacuna de aceleração 13 são direcionadas do eletrodo de aceleração interno 20 para o eletrodo de formação interno 15. Como o campo magnético de formação poloidal 19a está em uma direção oposta da borda posterior do campo poloidal fechado 25 do toroide de plasma 11, o campo magnético de formação poloidal 19a, e poloidal fechado 25 se reconectaram, abrindo um percurso livre 26 para o campo toroidal de empurramento 24 entrar na borda do plasma ou, possivelmente, até mesmo para o núcleo do toroide de plasma 11, inflando-o com fluxo toroidal extra em vez de empurrar o toroide de plasma 11 para baixo do acelerador 14 (vide FIG. 2(d)). Neste caso, o campo toroidal de empurramento 24 se misturou com o campo poloidal fechado de plasma 25 e produziu um toroide de plasma 11 com uma configuração oca, uma vez que o campo toroidal de empurramento 24 que flui no toroide de plasma 11 empurrará o campo poloidal fechado de plasma 25 para fora. Na configuração oca do toroide de plasma 11, mais corrente de plasma fluí perto da borda do plasma do que no núcleo, produzindo assim instabilidades dentro do plasma que podem destruir o confinamento de plasma. A mistura do campo toroidal de empurramento 24 com o campo poloidal fechado 25 do toroide de plasma 11 eleva o q perto da borda, mudando o perfil de q do plasma e produzindo instabilidade do plasma que pode destruir o confinamento do plasma. A mistura do campo toroidal de empurramento 24 com o campo poloidal fechado 25 foi medida por sensores de campo magnético de superfície (não mostrados) posicionados ao longo do comprimento do gerador de plasma 12 e do acelerador 14. Os sensores indicaram que o campo toroidal de empurramento 24 aumentou ao mesmo tempo que o campo poloidal fechado 25 aumentou, indicando que os campos toroidal e poloidal fechado 24, 25 foram misturados. Então, conforme o toroide de plasma 11 passou por tais sensores, o campo poloidal fechado 25 reduziu e o campo toroidal de empurramento 24 aumentou devido ao campo toroidal de empurramento 24 atrás do toroide de plasma 11.[033] It was also noted that during the formation of the plasma toroid 11 that part of the plasma (ionized gas) escaped through the acceleration gap 13 to the internal forming electrode 15. Thus, when the second current pulse (acceleration) was discharged, the pushing toroidal flux of the pushing toroidal field 24 pushed such plasma forward, distorting the magnetic field lines of a poloidally forming magnetic field 19a in the acceleration gap 13 and through the acceleration gap 13, bubbling it towards outside in the relaxation region 22 behind the plasma toroid 11 (see FIG 2(c)). The magnetic field lines of the poloidal forming magnetic field 19a through the acceleration gap 13 are directed from the inner accelerating electrode 20 to the inner forming electrode 15. Since the poloidal forming magnetic field 19a is in a direction opposite to the trailing edge of the closed poloidal field 25 of the plasma toroid 11, the poloidal forming magnetic field 19a, and closed poloidal 25 have reconnected, opening a free path 26 for the pushing toroidal field 24 to enter the edge of the plasma or possibly even to the core of the plasma toroid 11, inflating it with extra toroidal flow rather than pushing the plasma toroid 11 below the accelerator 14 (see FIG. 2(d)). In this case, the toroidal pushing field 24 has mixed with the closed poloidal plasma field 25 and produced a plasma toroid 11 with a hollow configuration, since the toroidal pushing field 24 flowing in the plasma toroid 11 will push the toroidal pushing field 24 closed poloidal plasma 25 out. In the hollow plasma toroid configuration 11, more plasma current flows near the edge of the plasma than in the core, thus producing instabilities within the plasma that can destroy plasma confinement. Mixing the pushing toroidal field 24 with the closed poloidal field 25 of the plasma toroid 11 raises the q near the edge, changing the q profile of the plasma and producing plasma instability that can destroy plasma confinement. The mixing of the pushing toroidal field 24 with the closed poloidal field 25 was measured by surface magnetic field sensors (not shown) positioned along the length of the plasma generator 12 and the accelerator 14. The sensors indicated that the toroidal pushing field 24 Pushing 24 increased at the same time as the closed poloidal field 25 increased, indicating that the toroidal and closed poloidal fields 24, 25 were mixed. Then, as the plasma toroid 11 passed such sensors, the closed poloidal field 25 reduced and the pushing toroidal field 24 increased due to the pushing toroidal field 24 behind the plasma toroid 11.

[034] É teorizado que tentar acelerar esse toroide de plasma oco 11 (que contém muito fluxo toroidal), por exemplo, aumentando a potência do acelerador, aumenta a chance de efeitos de sopro. Um sopro pode ocorrer quando a pressão magnética da corrente de empurramento levanta o toroide de plasma 11 do eletrodo de aceleração interno 20, permitindo que o fluxo de empurramento toroidal do campo toroidal de empurramento 24 se expanda à frente do toroide de plasma 11. Assim, se o pulso de corrente através do acelerador 14 é moldado de tal forma que o campo toroidal de empurramento 24 gerado é gerado muito rápido, ele pode levantar o toroide de plasma 11 "para cima" em direção ao eletrodo externo 16 e passar “sob” o plasma apenas na superfície do eletrodo de aceleração interno 20.[034] It is theorized that trying to accelerate this hollow plasma toroid 11 (which contains a lot of toroidal flux), for example, by increasing the power of the accelerator, increases the chance of blowing effects. A puff may occur when the magnetic pressure of the pushing current lifts the plasma toroid 11 from the internal accelerating electrode 20, allowing the toroidal pushing flow from the toroidal pushing field 24 to expand in front of the plasma toroid 11. Thus, If the current pulse through the accelerator 14 is shaped in such a way that the toroidal pushing field 24 generated is generated very quickly, it can lift the plasma toroid 11 "up" towards the external electrode 16 and pass "under" the plasma only on the surface of the internal acceleration electrode 20.

[035] Referindo-se agora às FIGS. 3(a) e (b), as simulações foram realizadas de um sistema de geração e aceleração de plasma com e sem um gerador de campo poloidal reverso, usando código aberto de análise de elemento finito FEMM (disponível em David Meeker, [email protected]). A FIG. 3(a) ilustra uma configuração de campo magnético que fornece apenas o campo magnético de formação poloidal 19 e nenhum campo poloidal reverso 30. O campo magnético de formação 19 é gerado usando três bobinas magnéticas de formação 18, a saber, primeira, segunda e terceira bobinas magnéticas de formação 18a, 18b, 18c. Menos ou mais do que três bobinas magnéticas de formação 18 podem ser usadas para fornecer o campo magnético de formação poloidal 19. A corrente que flui através de cada uma das bobinas magnéticas de formação 18 é cuidadosamente ajustada e predeterminada dependendo dos parâmetros do plasma. A FIG. 3(b) mostra uma confirmação de campo magnético em que o campo magnético de formação 19 é gerado com três bobinas magnéticas de formação 18 e o campo poloidal reverso 30 é gerado usando uma bobina magnética poloidal reversa 32. O anel ferromagnético 34a e o disco anular 34b também são fornecidos para aumentar a quantidade de campo poloidal reverso 30 atravessando através da lacuna de aceleração 13. Conforme indicado pelas setas, a direção do campo poloidal reverso 30 é oposta à direção do campo magnético de formação 19. Os técnicos no assunto entenderiam que mais de uma bobina magnética poloidal reversa 32 pode ser adicionada para ajustar a configuração e os parâmetros do campo poloidal reverso 30 através da lacuna de aceleração 13. As uma ou mais bobinas magnéticas poloidais reversas 32 podem ser posicionadas apenas à esquerda da lacuna de aceleração 13 (como mostrado na FIG. 3(b)) e perto do eixo de simetria, de modo que eles possam alterar a configuração do campo magnético de modo que as linhas do campo magnético sejam movidas em direção ao lado esquerdo da lacuna do acelerador. Os parâmetros do fluxo de corrente através das bobinas magnéticas de formação 18 e bobina(s) magnética(s) poloidal reversa(s) 32 podem ser predefinidos dependendo dos parâmetros predeterminados do toroide de plasma 11 e dos parâmetros da primeira e da segunda fonte de potência 28a, 28b.[035] Referring now to FIGS. 3(a) and (b), simulations were performed of a plasma generation and acceleration system with and without a reverse poloidal field generator, using open source FEMM finite element analysis (available from David Meeker, dmeeker@ieee .org). FIG. 3(a) illustrates a magnetic field configuration that provides only the poloidal forming magnetic field 19 and no reverse poloidal field 30. The forming magnetic field 19 is generated using three forming magnetic coils 18, namely, first, second and third forming magnetic coils 18a, 18b, 18c. Fewer or more than three forming magnetic coils 18 can be used to provide the poloidal forming magnetic field 19. The current flowing through each of the forming magnetic coils 18 is carefully adjusted and predetermined depending on the parameters of the plasma. FIG. 3(b) shows a magnetic field confirmation in which the forming magnetic field 19 is generated with three forming magnetic coils 18 and the reverse poloidal field 30 is generated using a reverse poloidal magnetic coil 32. The ferromagnetic ring 34a and the disc rings 34b are also provided to increase the amount of reverse poloidal field 30 traversing through the acceleration gap 13. As indicated by the arrows, the direction of the reverse poloidal field 30 is opposite to the direction of the forming magnetic field 19. Those skilled in the art would understand that more than one reverse poloidal magnetic coil 32 can be added to adjust the configuration and parameters of the reverse poloidal field 30 across the acceleration gap 13. The one or more reverse poloidal magnetic coils 32 can be positioned just to the left of the acceleration gap 13 (as shown in FIG. 3(b)) and close to the axis of symmetry, so that they can change the magnetic field configuration so that the magnetic field lines are moved toward the left side of the accelerator gap. The parameters of the current flow through the forming magnetic coils 18 and reverse poloidal magnetic coil(s) 32 can be preset depending on the predetermined parameters of the plasma toroid 11 and the parameters of the first and second source of power 28a, 28b.

[036] As modalidades de um sistema para geração de plasma e sistema de aceleração podem ser usadas para geração de plasma de alta densidade de energia adequado para aplicações em geradores de nêutrons, fusão nuclear, remediação de resíduos nucleares, geração de nucleotídeos médicos, para pesquisa de materiais, para imageamento remoto da estrutura interna de objetos por meio de radiografia e tomografia de nêutrons, gerador de raios-x, etc.[036] Embodiments of a plasma generation system and acceleration system can be used to generate high energy density plasma suitable for applications in neutron generators, nuclear fusion, nuclear waste remediation, generation of medical nucleotides, for materials research, for remote imaging of the internal structure of objects using radiography and neutron tomography, x-ray generator, etc.

[037] Embora elementos, modalidades e aplicações particulares da presente divulgação tenham sido mostrados e descritos, será entendido que o escopo da divulgação não é limitado aos mesmos, uma vez que modificações podem ser feitas sem se afastar do escopo da presente divulgação, particularmente em luz dos ensinamentos anteriores. Assim, por exemplo, em qualquer método ou processo divulgado neste documento, os atos ou operações que constituem o método/processo podem ser realizados em qualquer sequência adequada e não estão necessariamente limitados a qualquer sequência divulgada em particular. Elementos e componentes podem ser configurados ou dispostos de forma diferente, combinados e/ou eliminados em várias modalidades. As várias características e processos descritos acima podem ser usados independentemente uns dos outros ou podem ser combinados de várias maneiras. Todas as combinações e subcombinações possíveis se destinam a cair dentro do escopo desta divulgação. Referência ao longo desta divulgação a “algumas modalidades”, “uma modalidade” ou semelhantes, significa que uma característica particular, estrutura, etapa, processo ou características descritas em conexão com a modalidade estão incluída em pelo menos uma modalidade. Assim, as aparições das frases “em algumas modalidades”, “em uma modalidade” ou semelhantes, ao longo desta divulgação não se referem necessariamente à mesma modalidade e podem se referir a uma ou mais modalidades iguais ou diferentes. Na verdade, os novos métodos e sistemas descritos na presente invenção podem ser incorporados em uma variedade de outras formas; além disso, várias omissões, adições, substituições, equivalentes, rearranjos e mudanças na forma das modalidades descritas na presente invenção podem ser feitas sem se afastar do espírito das invenções descritas na presente invenção.[037] Although particular elements, modalities and applications of the present disclosure have been shown and described, it will be understood that the scope of the disclosure is not limited thereto, since modifications may be made without departing from the scope of the present disclosure, particularly in light of previous teachings. Thus, for example, in any method or process disclosed herein, the acts or operations constituting the method/process may be performed in any suitable sequence and are not necessarily limited to any particular disclosed sequence. Elements and components can be configured or arranged differently, combined and/or eliminated in various embodiments. The various features and processes described above can be used independently of each other or can be combined in various ways. All possible combinations and subcombinations are intended to fall within the scope of this disclosure. Reference throughout this disclosure to “some embodiments”, “an embodiment” or the like means that a particular feature, structure, step, process or characteristics described in connection with the embodiment are included in at least one embodiment. Thus, the appearances of the phrases “in some embodiments”, “in one embodiment” or similar throughout this disclosure do not necessarily refer to the same embodiment and may refer to one or more of the same or different embodiments. In fact, the novel methods and systems described in the present invention can be incorporated in a variety of other forms; furthermore, various omissions, additions, substitutions, equivalents, rearrangements and changes in form of the embodiments described in the present invention can be made without departing from the spirit of the inventions described in the present invention.

[038] Vários aspectos e vantagens das modalidades foram descritos quando apropriado. Deve ser entendido que não necessariamente todos esses aspectos ou vantagens podem ser alcançados de acordo com qualquer modalidade particular. Assim, por exemplo, deve ser reconhecido que as várias modalidades podem ser realizadas de uma maneira que atinja ou otimize uma vantagem ou grupo de vantagens como ensinado na presente invenção, sem necessariamente atingir outros aspectos ou vantagens como podem ser ensinados ou sugeridos na presente invenção.[038] Various aspects and advantages of the modalities have been described where appropriate. It should be understood that not necessarily all of these aspects or advantages can be achieved according to any particular embodiment. Thus, for example, it should be recognized that the various embodiments may be carried out in a manner that achieves or optimizes an advantage or group of advantages as taught in the present invention, without necessarily achieving other aspects or advantages as may be taught or suggested in the present invention. .

[039] A linguagem condicional usada na presente invenção, como, entre outros, “pode”, “poderia”, “poderia”, “pode”, “por exemplo”, e semelhantes, a menos que especificamente indicado de outra forma, ou de outra forma entendido dentro do contexto como usado, é geralmente destinada a transmitir que certas modalidades incluem, enquanto outras modalidades não incluem, certas características, elementos e/ou etapas. Assim, tal linguagem condicional geralmente não se destina a implicar que características, elementos e/ou etapas são de alguma forma necessários para uma ou mais modalidades ou que uma ou mais modalidades incluem necessariamente lógica para decidir, com ou sem entrada do operador ou aviso, se essas características, elementos e/ou etapas estão incluídos ou devem ser realizados em qualquer modalidade particular. Nenhuma característica única ou grupo de características é necessário ou indispensável para qualquer modalidade em particular. Os termos “compreendendo”, “incluindo”, “tendo” e semelhantes são sinônimos e são usados de forma inclusiva, de forma aberta, e não excluem elementos adicionais, características, atos, operações e assim por diante. Além disso, o termo “ou” é usado em seu sentido inclusivo (e não em seu sentido exclusivo) de modo que quando usado, por exemplo, para conectar uma lista de elementos, o termo “ou” significa um, alguns ou todos os elementos na lista.[039] The conditional language used in the present invention, such as, among others, “may”, “could”, “could”, “might”, “for example”, and the like, unless specifically indicated otherwise, or otherwise understood within the context as used, is generally intended to convey that certain embodiments include, while other embodiments do not include, certain features, elements and/or steps. Thus, such conditional language is generally not intended to imply that features, elements, and/or steps are in any way necessary for one or more embodiments or that one or more embodiments necessarily include logic for deciding, with or without operator input or warning, whether these features, elements and/or steps are included or required to be performed in any particular embodiment. No single feature or group of features is necessary or indispensable for any particular modality. The terms “comprising”, “including”, “having” and the like are synonymous and are used inclusively, openly, and do not exclude additional elements, characteristics, acts, operations and so on. Furthermore, the term “or” is used in its inclusive sense (and not in its exclusive sense) so that when used, for example, to connect a list of elements, the term “or” means one, some, or all of elements in the list.

[040] Linguagem conjuntiva, como a frase “pelo menos um de X, Y e Z”, a menos que especificamente indicado de outra forma, é entendida de outra forma com o contexto usado em geral para transmitir que um item, termo, etc. pode ser X, Y ou Z. Assim, tal linguagem conjuntiva geralmente não se destina a implicar que certas modalidades requerem pelo menos um de X, pelo menos um de Y e pelo menos um de Z para cada um estar presente.[040] Conjunctive language, such as the phrase “at least one of . it may be X, Y, or Z. Thus, such conjunctive language is generally not intended to imply that certain embodiments require at least one of X, at least one of Y, and at least one of Z for each to be present.

[041] Os cálculos, simulações, resultados, gráficos, valores e parâmetros de exemplo das modalidades aqui descritas destinam-se a ilustrar e não a limitar as modalidades divulgadas. Outras modalidades podem ser configuradas e/ou operadas de forma diferente dos exemplos ilustrativos descritos na presente invenção. Na verdade, os novos métodos e aparelhos descritos na presente invenção podem ser incorporados em uma variedade de outras formas; além disso, várias omissões, substituições e mudanças na forma dos métodos e sistemas descritos na presente invenção podem ser feitas sem se afastar do espírito das invenções divulgadas na presente invenção.[041] The calculations, simulations, results, graphs, values and example parameters of the modalities described here are intended to illustrate and not limit the modalities disclosed. Other embodiments may be configured and/or operated differently from the illustrative examples described in the present invention. In fact, the novel methods and apparatus described in the present invention can be embodied in a variety of other forms; Furthermore, various omissions, substitutions and changes in the form of the methods and systems described in the present invention can be made without departing from the spirit of the inventions disclosed in the present invention.

Claims

1. Sistema para gerar e acelerar plasma magnetizado, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um gerador de plasma compreendendo eletrodos ionizantes operáveis para ionizar um gás e um gerador de campo magnético de formação configurado para gerar um campo magnético de formação; um acelerador de plasma acoplado de maneira fluida ao gerador de plasma e compreendendo eletrodos aceleradores operáveis para gerar um campo toroidal de empurramento, uma extremidade a jusante do gerador de plasma e uma extremidade a montante do acelerador de plasma, definindo em conjunto uma lacuna de aceleração e uma região de relaxamento; um gerador de campo poloidal reverso operável para gerar um campo poloidal reverso através da lacuna de aceleração; e pelo menos uma fonte de potência eletricamente acoplada aos eletrodos ionizantes e aos eletrodos aceleradores e operável para: gerar um toroide de plasma magnetizado com um campo poloidal fechado que se move a partir do gerador de plasma para a região de relaxamento em que o campo poloidal reverso está atrás do toroide de plasma magnetizado e tem uma mesma direção de campo que uma borda posterior do campo poloidal fechado e tem uma direção de campo oposta do campo magnético de formação; e gerar o campo toroidal de empurramento para empurrar o campo poloidal reverso contra o campo poloidal fechado, acelerando assim o toroide de plasma magnetizado através do acelerador de plasma.1. System for generating and accelerating magnetized plasma, the system characterized by the fact that it comprises: a plasma generator comprising ionizing electrodes operable to ionize a gas and a forming magnetic field generator configured to generate a forming magnetic field; a plasma accelerator fluidly coupled to the plasma generator and comprising accelerator electrodes operable to generate a toroidal thrust field, an end downstream of the plasma generator and an end upstream of the plasma accelerator, together defining an acceleration gap and a relaxation region; a reverse poloidal field generator operable to generate a reverse poloidal field across the accelerating gap; and at least one power source electrically coupled to the ionizing electrodes and the accelerating electrodes and operable to: generate a magnetized plasma toroid with a closed poloidal field that moves from the plasma generator to the relaxation region in which the poloidal field reverse is behind the magnetized plasma toroid and has the same field direction as a trailing edge of the closed poloidal field and has an opposite field direction from the forming magnetic field; and generating the pushing toroidal field to push the reverse poloidal field against the closed poloidal field, thereby accelerating the magnetized plasma toroid through the plasma accelerator.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gerador de campo magnético de formação compreende pelo menos uma bobina magnética ou pelo menos um ímã permanente.2. System, according to claim 1, characterized by the fact that the forming magnetic field generator comprises at least one magnetic coil or at least one permanent magnet.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gerador de campo poloidal reverso compreende pelo menos uma bobina magnética ou pelo menos um ímã permanente.3. System according to claim 1, characterized by the fact that the reverse poloidal field generator comprises at least one magnetic coil or at least one permanent magnet.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente material ferromagnético posicionado em cada lado da lacuna de aceleração para aumentar o campo poloidal reverso através da lacuna de aceleração.4. The system of claim 1, further comprising ferromagnetic material positioned on each side of the acceleration gap to increase the reverse poloidal field across the acceleration gap.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o material ferromagnético compreende pelo menos um dentre um anel, disco anular e uma série de segmentos espaçados, circunscrevendo uma ou ambas de uma extremidade a montante de um eletrodo interno dos eletrodos aceleradores e uma extremidade a jusante de um eletrodo interno dos eletrodos ionizantes.5. System according to claim 4, characterized by the fact that the ferromagnetic material comprises at least one of a ring, annular disc and a series of spaced segments, circumscribing one or both of an upstream end of an internal electrode of the accelerating electrodes and a downstream end of an internal electrode of the ionizing electrodes.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um número e localização do gerador magnético poloidal reverso são selecionados para gerar um fluxo poloidal reverso de 0,1-0,25*ΦCT, em que ΦCT é o fluxo poloidal total do toroide de plasma magnetizado.6. System according to claim 1, characterized by the fact that a number and location of the reverse poloidal magnetic generator are selected to generate a reverse poloidal flux of 0.1-0.25*ΦCT, wherein ΦCT is the flux total poloidal magnetized plasma toroid.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o gerador de campo magnético de formação compreende três bobinas magnéticas de formação e o gerador de campo poloidal reverso compreende uma bobina magnética poloidal reversa.7. System according to claim 2, characterized by the fact that the forming magnetic field generator comprises three forming magnetic coils and the reverse poloidal field generator comprises a reverse poloidal magnetic coil.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os eletrodos ionizantes são anulares e definem um canal de formação de plasma anular.8. System, according to claim 1, characterized by the fact that the ionizing electrodes are annular and define an annular plasma formation channel.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o toroide de plasma é um toroide compacto ou um tokamak esférico.9. System according to claim 1, characterized by the fact that the plasma toroid is a compact toroid or a spherical tokamak.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a região de relaxamento é configurada para o toroide de plasma se expandir e se estabilizar na mesma.10. System according to claim 1, characterized by the fact that the relaxation region is configured for the plasma toroid to expand and stabilize therein.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que os eletrodos aceleradores são anulares e definem um canal de propagação anular que se afunila para dentro a partir de uma entrada para uma saída.11. System according to claim 1, characterized by the fact that the accelerating electrodes are annular and define an annular propagation channel that tapers inwardly from an inlet to an outlet.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma fonte de potência compreende pelo menos um banco de capacitores e é operável para fornecer um primeiro pulso de corrente para o gerador de plasma e um segundo pulso de corrente para o acelerador de plasma.12. System according to claim 1, characterized by the fact that the at least one power source comprises at least one capacitor bank and is operable to supply a first pulse of current to the plasma generator and a second pulse of current to the plasma accelerator.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o campo poloidal reverso é configurado para inibir a mistura do campo toroidal de empurramento com o campo poloidal fechado.13. System according to claim 1, characterized by the fact that the reverse poloidal field is configured to inhibit mixing of the pushing toroidal field with the closed poloidal field.

14. Método para gerar e acelerar plasma magnetizado, caracterizado pelo fato de que compreende: ionizar um gás em um gerador de plasma e gerar um campo magnético de formação e gerar um toroide de plasma magnetizado com um campo poloidal fechado que se move a partir do gerador de plasma para uma região de relaxamento; gerar um campo poloidal reverso atrás do toroide de plasma magnetizado, o campo poloidal reverso tendo uma mesma direção de campo que uma borda posterior do campo poloidal fechado e tendo uma direção de campo oposta do campo magnético de formação; e gerar um campo toroidal de empurramento que empurra o campo poloidal reverso contra o campo poloidal fechado, acelerando assim o toroide de plasma magnetizado através de um acelerador de plasma a jusante a partir do gerador de plasma.14. Method for generating and accelerating magnetized plasma, characterized by the fact that it comprises: ionizing a gas in a plasma generator and generating a forming magnetic field and generating a magnetized plasma toroid with a closed poloidal field that moves from the plasma generator for a relaxation region; generating a reverse poloidal field behind the magnetized plasma toroid, the reverse poloidal field having the same field direction as a trailing edge of the closed poloidal field and having an opposite field direction from the forming magnetic field; and generating a pushing toroidal field that pushes the reverse poloidal field against the closed poloidal field, thereby accelerating the magnetized plasma toroid through a plasma accelerator downstream from the plasma generator.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o gerador de plasma compreende um canal de formação de plasma anular, e em que formar o plasma magnetizado compreende injetar o gás no canal de formação de plasma anular para formar o toroide de plasma magnetizado.15. The method of claim 14, wherein the plasma generator comprises an annular plasma forming channel, and wherein forming the magnetized plasma comprises injecting the gas into the annular plasma forming channel to form the magnetized plasma toroid.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o toroide de plasma magnetizado é um toroide compacto ou um tokamak esférico.16. Method according to claim 14, characterized by the fact that the magnetized plasma toroid is a compact toroid or a spherical tokamak.

17. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o gás compreende qualquer um ou uma mistura de hidrogênio, isótopos de hidrogênio, néon, argônio, criptônio, xenônio e hélio.17. Method according to claim 14, characterized by the fact that the gas comprises any one or a mixture of hydrogen, isotopes of hydrogen, neon, argon, krypton, xenon and helium.

18. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que após a geração no gerador de plasma e antes da aceleração no acelerador de plasma, o toroide de plasma magnetizado se expande e se estabiliza na região de relaxamento.18. Method according to claim 14, characterized by the fact that after generation in the plasma generator and before acceleration in the plasma accelerator, the magnetized plasma toroid expands and stabilizes in the relaxation region.

19. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente enviar um primeiro pulso de corrente para o gerador de plasma para ionizar o gás e criar o campo poloidal fechado e enviar um segundo pulso de corrente para o acelerador de plasma para gerar o campo toroidal de empurramento.19. The method of claim 14, further comprising sending a first pulse of current to the plasma generator to ionize the gas and creating the closed poloidal field and sending a second pulse of current to the plasma accelerator. plasma to generate the toroidal pushing field.

20. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o campo poloidal reverso é gerado através de uma lacuna de aceleração entre uma extremidade a jusante do gerador de plasma e uma extremidade a montante do acelerador de plasma.20. The method of claim 14, wherein the reverse poloidal field is generated across an acceleration gap between a downstream end of the plasma generator and an upstream end of the plasma accelerator.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que gerar o campo poloidal reverso compreende gerar um fluxo poloidal reverso no intervalo de 0,1-0,25*ΦCT, em que ΦCT é um fluxo poloidal total do toroide de plasma magnetizado.21. Method according to claim 19, characterized by the fact that generating the reverse poloidal field comprises generating a reverse poloidal flux in the range of 0.1-0.25*ΦCT, wherein ΦCT is a total poloidal flux of the toroid magnetized plasma.

22. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o acelerador de plasma compreende um canal anular afunilado e o método compreende adicionalmente comprimir e aquecer o toroide de plasma enquanto acelera através do canal anular afunilado.22. The method of claim 14, wherein the plasma accelerator comprises a tapered annular channel and the method further comprises compressing and heating the plasma toroid while accelerating through the tapered annular channel.