ES2658084T3 - Método para formar y mantener una FRC de alto rendimiento - Google Patents

Abstract

Método para generar y mantener un campo magnético con una configuración de campo invertido (FRC) dentro de una cámara de confinamiento (100) de un sistema, comprendiendo el sistema: una primera y segunda secciones de formación (200) de la FRC diametralmente opuestas acopladas a la cámara de confinamiento (100), un primer y segundo desviadores (300) acoplados a la primera y segunda secciones de formación (200), uno o más de entre una pluralidad de cañones de plasma (350), uno o más electrodos de polarización y un primer y segundo embotellamientos especulares (440), incluyendo la pluralidad de cañones de plasma (350) un primer y segundo cañones de plasma axiales (350) operativamente acoplados al primer y segundo desviadores (300), la primera y segunda secciones de formación (200) y la cámara de confinamiento (100), estando dicho uno o más electrodos de polarización situados dentro de una o más de entre las cámaras de confinamiento (100), la primera y segunda secciones de formación (200), y el primer y segundo desviadores (300), estando el primer y segundo embotellamientos especulares (440) situados entre la primera y segunda secciones de formación (200) y el primer y segundo desviadores (300), un sistema de adsorción (800) acoplado a la cámara de confinamiento (100) y al primer y segundo desviadores (300), una pluralidad de inyectores (600) de haz de átomos neutro acoplados a la cámara de confinamiento (100) adyacente a un plano medio de la cámara de confinamiento y orientados para inyectar los haces de átomos neutros hacia el plano medio a un ángulo comprendido entre aproximadamente 15º y 25º menos que la normal al eje longitudinal de la cámara de confinamiento, y un sistema magnético (410) que comprende una pluralidad de bobinas quasi cc (432, 434, 436 y 444) posicionadas alrededor de la cámara de confinamiento (100), la primera y segunda secciones de formación (200), y el primer y segundo desviadores (300), un primer y segundo conjunto de bobinas especulares quasi cc (432, 434, 436 y 444) posicionado entre la cámara de confinamiento (100) y la primera y segunda secciones de formación (200), comprendiendo el método las etapas siguientes: formar una FRC alrededor de un plasma en la cámara de confinamiento, estando el plasma de FRC en una relación espaciada con la pared de la cámara de confinamiento, y mantener la FRC a un valor constante sin extinción o alrededor del mismo inyectando los haces de átomos neutros rápidos de los inyectores de haz neutro al plasma de FRC a un ángulo de aproximadamente 15º a 25º menos que la normal al eje longitudinal de la cámara de confinamiento y hacia el plano medio de la cámara de confinamiento.

Description

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que tienen unas órbitas en la escala de la topología de la FRC o al menos unos radios de órbita mucho mayores que la escala larga del gradiente del campo magnético característico) – un hecho que es perjudicial para todas las aplicaciones de plasma energéticas, incluyendo la fusión por medio del calentamiento del haz auxiliar.

El acondicionamiento de la superficie es un medio mediante el cual los efectos perjudiciales del gas neutro y de las impurezas pueden ser controlados o reducidos en un sistema de confinamiento. Para esto el sistema 10 de la FRC aquí proporcionado emplea unos sistemas de deposición de Titanio y Litio 810 y 820 que recubren las superficies de revestimiento del plasma de la cámara de confinamiento (o vasija) 100 y los desviadores 300 con películas (decenas de micrómetros de espesor) de Ti y/o Li. Los revestimientos se consiguen por medio de técnicas de deposición con vapor. Los Li y/o Ti sólidos se evaporan y/o subliman y se pulverizan sobre las superficies cercanas para formar los revestimientos. Las fuentes son unos hornos atómicos con toberas de guía (en el caso del Li) 822 o esferas de sólidos calentadas con una envolvente de guía (en el caso del Ti) 812. Los sistemas evaporadores de Li operan típicamente en un modo continuo mientras que los sublimadores de Ti son más bien operados intermitentemente entre la operación del plasma. Las temperaturas de operación de estos sistemas están por encima de 600ºC para obtener unas tasas de deposición rápida. Para conseguir un buen recubrimiento de la pared son necesarios múltiples sistemas evaporador/sublimador estratégicamente situados. La Figura 9 detalla una disposición preferida de los sistemas 810 y 820 de deposición por adsorción en el sistema 10 de la FRC. Los revestimientos actúan como superficies de adsorción y bombean de forma efectiva especies hidrogénicas atómicas y moleculares (H y D). Los revestimientos también reducen otras impurezas típicas tales como El Carbono y el Oxígeno a unos niveles insignificantes.

Embotellamientos especulares

Como se ha dicho antes, el sistema 10 de la FRC emplea conjuntos de bobinas especulares 420, 430, y 444 como está mostrado en las Figuras 2 y 3. Un primer conjunto de bobinas especulares 420 está situado en los dos extremos axiales de la cámara de confinamiento 100 y es activado independientemente desde las bobinas de confinamiento 412, 414 y 416 del sistema magnético principal 410. El primer conjunto de bobinas especulares 420 ayuda principalmente a dirigir y contener axialmente la FRC 450 durante la fusión y proporciona un control de configuración de equilibrio durante el mantenimiento. El primer conjunto de bobinas especulares 420 produce nominalmente unos campos magnéticos más altos (alrededor de 0,4 a 0,5 T) que el campo de confinamiento central producido por las bobinas de confinamiento central 412. El segundo conjunto de bobinas especulares 430, que incluye tres bobinas especulares quasi cc compactas 432, 434 y 436, está situado entre las secciones de formación 200 y los desviadores 300 y están impulsados por un suministro de potencia de conmutación común. Las bobinas especulares 432, 434 y 436, junto con las bobinas de embotellamiento especular 444 pulsadas compactas (alimentadas por un suministro de potencia capacitiva) y el estrechamiento físico 442 forman los embotellamientos especulares 440 que proporcionan una trayectoria de conductancia de gas baja y estrecha con unos campos magnéticos muy altos (entre 2 a 4 T con tiempos de subida de aproximadamente 10 a 20 ms). Las bobinas especulares 444 pulsadas más compactas son de unas dimensiones radiales compactas, un diámetro interior de 20 cm y una longitud similar, en comparación con el diámetro interior de metro más escala y diseño de disco de las bobinas de confinamiento 412, 414 y 416. El objeto de los embotellamientos especulares 440 es múltiple: (1) las bobinas 432, 434, 436 y 444 agrupan estrechamente y guían las superficies 452 de flujo magnético y los chorros del plasma de fuga en el extremo a las cámaras desviadoras 300 remotas. Esto asegura que las partículas de escape alcancen los desviadores 300 de forma apropiada y que haya unas superficies 455 de flujo continuo que van desde la zona de líneas de campo abiertas 452 de la FRC central 450 todo el camino hacia los desviadores 300. (2) Los estrechamientos físicos 442 en el sistema 10 de la FRC, a través de las cuales las bobinas 432, 434, 436 y 444 permiten el paso de las superficies 452 de flujo magnético y de los chorros de plasma 454, proporcionan un impedimento al flujo de gas neutro procedente de los cañones de plasma 350 que están en los desviadores 300. En la misma vena los estrechamientos 442 impiden las fugas hacia atrás del gas procedente de las secciones de formación 200 hacia los desviadores 300 reduciendo de este modo el número de partículas neutras que han de ser introducidas en todos el sistema 10 de la FRC cuando comience el arranque de una FRC. (3) Los fuertes espejos axiales producidos por las bobinas 432, 434, 436 y 444 reducen las pérdidas de partículas axiales y de este modo reducen la difusividad de partículas paralelas en las líneas de campo abiertas.

Cañones de plasma axiales

Los flujos de plasma procedente de los cañones 350 montados en las cámaras 310 de los desviadores 300 pretenden mejorar la estabilidad y el rendimiento del haz neutro. Los cañones 350 están montados sobre un eje dentro de la cámara 310 de los desviadores 300 ilustrados en las Figuras 3 y 10 y producen un plasma que fluye a lo largo de las líneas de flujo abiertas 452 en el desviador 300 y hacia el centro de la cámara de confinamiento

100. Los cañones 350 operan en una descarga de gas de alta densidad en un canal de la pila de lavado de gases y están diseñados para generar varios kiloamperios de plasma totalmente ionizado durante 5 a 10 ms. Los cañones 350 incluyen una bobina magnética pulsada que coincide con el flujo del plasma de salida con el tamaño deseado del plasma en la cámara de confinamiento 100. Los parámetros técnicos de los cañones 350 están caracterizados por un canal que tiene un diámetro exterior de 5 a 13 cm y hasta aproximadamente 10 cm

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de diámetro interior y proporcionan una corriente de descarga de 10-15 kA a 400-600 V con un campo magnético interior del cañón de entre 0,5 a 2,3 T.

Los flujos del plasma del cañón pueden penetrar en los campos magnéticos de los embotellamientos especulares 440 y fluir a la sección de formación 200 y la cámara de confinamiento 100. La eficiencia de la transferencia de plasma a través del embotellamiento especular 440 aumenta según disminuye la distancia entre el cañón 350 y el embotellamiento 440 y haciendo el embotellamiento 440 más ancho y más corto. En condiciones razonables los cañones 350 puede cada uno entregar aproximadamente 1022 protones/s a través de los 2 a 4 embotellamientos especulares 440 con unas altas temperaturas de iones y electrones de aproximadamente 150 a 300 eV y aproximadamente 40 a 50 eV, respectivamente. Los cañones 350 proporcionan un reabastecimiento significativo de la capa de borde 456 de la FRC, y un confinamiento de partículas mejorado de la FRC en general.

Para aumentar además la densidad del plasma se podría utilizar una caja de gas para soplar un gas adicional en el flujo del plasma desde los cañones 350. Esta técnica permite un aumento de varias veces de la densidad del plasma inyectado. En el sistema 10 de la FRC, una caja de gas instalada en el lado del desviador 300 de los embotellamientos especulares 440 mejora el reabastecimiento de la capa de borde 456 de la FRC, la formación de la FRC 450, y la interconexión de la línea de plasma.

Dados todos los parámetros de ajuste antes discutidos y también teniendo en cuenta que es posible la operación con sólo uno o ambos cañones, es rápidamente evidente que es accesible un amplio espectro de modos de operación.

Electrodos de polarización

La polarización eléctrica de las superficies de flujo abierto puede proporcionar unos potenciales radiales que dan lugar al movimiento acimutal ExB que proporciona un mecanismo de control, análogo al giro de una perilla, para controlar la rotación del plasma de línea de campo abierta así como el núcleo 450 de la FRC actual por medio de la desviación de la velocidad. Para realizar este control, el sistema 10 de la FRC emplea diversos electrodos situados estratégicamente en varias partes de la máquina. La Figura 3 representa los electrodos de polarización situados en unos lugares preferidos dentro del sistema 10 de la FRC.

En principio hay cuatro clases de electrodos: (1) electrodos de punta 905 en la cámara de confinamiento 100 que hacen contacto con unas líneas de campo abiertas particulares 452 en el borde de la FRC 450 para proporcionar una carga local, (2) electrodos anulares 900 entre la cámara de confinamiento 100 y las secciones de formación 200 para cargar las capas de flujo 456 del borde alejado de una manera acimutalmente simétrica, (3) pilas de electrodos concéntricos 910 en los desviadores 300 para cargar múltiples capas de flujo concéntrico 455 (por lo que la selección de capas es controlable ajustando las bobinas 416 para ajustar el campo magnético del desviador para terminar las capas de flujo deseadas 456 en los electrodos apropiados 910), y finalmente (4) los ánodos 920 (véase la Figura 10) de los cañones de plasma 350 mismamente (que interceptan las superficies 455 de flujo abierto interior cerca de la separatriz de la FRC 450). Las Figuras 10 y 11 muestran algunos diseños típicos para algunos de éstos.

En todos los casos estos electrodos están impulsados por fuentes de potencia pulsada o cc a voltajes de hasta aproximadamente 800 V. Dependiendo del tamaño del electrodo y de qué superficies del flujo son interseccionadas, las corrientes pueden ser llevadas al intervalo del kiloamperio.

Operación no sostenida del sistema de FRC – Régimen convencional

La formación de plasma normal en el sistema 10 de FRC sigue la bien desarrollada técnica de retracción magnética theta de campo invertido. Un proceso típico para arrancar una FRC comienza por impulsar las bobinas quasi cc 412, 414, 416, 420, 432, 434 y 436 para una operación en estado estacionario. Los circuitos de potencia pulsada RFTP de los sistemas de formación 210 de potencia pulsada impulsan a continuación las bobinas 232 de campo magnético invertido rápido pulsadas para crear una polarización temporalmente invertida de aproximadamente -0,05 T en las secciones de formación 200. En este punto se inyecta una cantidad predeterminada de gas neutro a 9-20 psi en los dos volúmenes de formación definidos por las cámaras 240 de tubo de cuarzo de las secciones de formación 200 (norte y sur) por medio de unas válvulas de soplado orientadas acimutalmente en las bridas situadas en los extremos exteriores de las secciones de formación 200. Después se genera un pequeño campo RF (~ cientos de kilohercios) a partir de un conjunto de antenas en la superficie de los tubos de cuarzo 240 para crear una pre-pre-ionización en la forma de zonas de ionización de medio activos local dentro de las columnas de gas neutro. Esto es seguido por la aplicación de una modulación de sonido theta en la corriente que impulsa las bobinas 232 de campo magnético invertido rápido pulsadas, lo cual lleva a una preionización más global de las columnas de gas. Finalmente, los principales bancos de potencia pulsada de los sistemas de formación 210 de potencia pulsada son disparados a las bobinas 232 de campo magnético invertido rápido pulsadas para crear un campo polarizado hacia adelante de hasta 0,4 T. Este paso puede estar secuenciado en el tiempo de modo que el campo polarizado hacia adelante sea generado

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de una operación muy estable. La densidad de pico es también ligeramente inferior en disparos HPF – esto es una consecuencia de la temperatura del plasma total más alta (hasta un factor de 2), como se muestra en la Figura 18(d).

Para la respectiva descarga ilustrada en la Figura 18, los tiempos de confinamiento de la energía, partículas y flujo son 0,5 ms, 1 ms y 1 ms, respectivamente. En un tiempo de referencia de 1 ms en la descarga, la energía del plasma almacenada es 2 kJ mientras que las pérdidas son aproximadamente de 4 MW, lo que hace este objetivo muy adecuado para el sostenimiento del haz neutro.

La Figura 19 resume todas las ventajas del régimen HPF en la forma de una escala del confinamiento del flujo HPF experimental nuevamente establecida. Como puede verse en la Figura 19, basado en medidas tomadas antes y después t = 0,5 ms, esto es t  0,5 ms y t > 0,5 ms, el confinamiento del flujo (y de manera similar, el confinamiento de partículas y el confinamiento de energía) aumenta con aproximadamente el cuadrado de la Temperatura de los electrones (Te) para un determinado radio de separatriz (rs). Este fuerte aumento con una potencia positiva de Te (y no una potencia negativa) es completamente opuesto a la mostrada por los tokamaks convencionales, en los que el confinamiento es típicamente inversamente proporcional a alguna potencia de la temperatura de los electrones. La manifestación de esta escala es una consecuencia directa del estado de HPF y de la gran población de iones orbitales (es decir, las órbitas en la escala de la topología de la FRC y/o al menos la escala de longitud del gradiente del campo magnético característico). Fundamentalmente, este nuevo aumento favorece sustancialmente las altas temperaturas operativas y permite unos reactores de un tamaño relativamente modesto.

Con las ventajas que presenta el régimen HPF, es posible conseguir el mantenimiento o estado estacionario de la FRC impulsada por los haces neutros y utilizando la inyección de pastillas, lo cual significa que los parámetros de plasma globales, tales como energía térmica de plasma, números totales de partículas, radio de plasma y longitud así como flujo magnético son sostenibles a niveles razonables sin extinción sustancial. En comparación, la figura 20 muestra datos en el diagrama A a partir de una descarga de régimen HPF en el sistema FRC 10 en función del tiempo en el que la FRC se mantiene sin extinción a través de la duración del pulso de haz neutral. Para el diagrama A, se inyectaron unos haces neutros con potencia total en el intervalo comprendido entre aproximadamente 2,5 y 2,9 MW en la FRC 450 para una longitud de pulso de haz activo de aproximadamente 6 ms. La duración de vida diagmagnética de plasma representada en el diagrama A era de aproximadamente 5, 2 ms. Los datos más recientes muestran una duración de vida diagmagnética del plasma de aproximadamente 7,2 ms se puede conseguir con una longitud de pulso de haz de aproximadamente 7 ms.

Tal como se explicó anteriormente con respecto a la figura 16, la correlación entre la longitud de pulso de haz y la duración de vida de la FRC no es perfecta dado que el atrapado de haces no resulta eficiente por debajo de un determinado tamaño del plasma, es decir, a medida que se encoge el tamaño físico de la FRC 450, no todos los haces son interceptados y atrapados. La contracción o extinción de la FRC se debe principalmente al hecho de que la pérdida de energía (-4 MW aproximadamente a medio camino a través de la descarga) del plasma de la FRC durante la descarga es algo mayor que la potencia total suministra a la FRC a través de los haces neutros (-2,5 MW) para el plan experimental particular. Tal como se explicó en la figura 3C, la inyección de haz angulado a partir de los cañones de haces neutros 600 hacia el plano medio mejora el acoplamiento de hazplasma, incluso cuando el plasma de la FRC se encoge o por el contrario se contrae axialmente durante el periodo de inyección. Además, el abastecimiento apropiado de pastillas mantendrá la densidad requerida del plasma.

El diagrama B es el resultado de los ciclos de simulación utilizando una longitud de pulso de haz activo de aproximadamente 6 ms y una potencia de haz total a partir de los cañones de haces neutros ligeramente superior a aproximadamente 10 MW, donde los haces neutros inyectarán neutros H (o D) con energía de partículas de aproximadamente 15 keV. La corriente equivalente inyectada por cada uno de los haces es de aproximadamente 110 A. Para el diagrama B, el ángulo de inyección de haz al eje de dispositivo fue de aproximadamente 20º, un radio diana de 0,19 m. El ángulo de inyección pude ser modificado dentro del intervalo comprendido entre 15º y 25º. Los haces deben ser inyectados en la dirección de corriente paralela acimutalmente. Se deben minimizar la fuerza lateral neta así como la fuerza axial neta de la inyección del momento de haz neutro. Como en el diagrama A, los neutros rápidos (H) se inyectan desde los inyectores de haz neutro 600 a partir del momento en que la formación de FRC norte y sur se fusionan en la cámara de confinamiento 100 en una FRC 450.

Las simulaciones de que cuando la base del diagrama B utiliza unos resolutores de hall-MHD multidmensionales (del inglés, multi-dimensional hall-MHD solvers”) para el plasma de fondo y equilibrio, los resolutores basados en Montecarlo totalmente cinéticos (del inglés, fully kinetic Montecarlo based solvers) para los componentes de haz energético y todos los procesos de dispersión, así como un huésped de ecuaciones de transporte acoplado para todas las especies de plasma en procesos de pérdida de modelo interactivos. Los componentes de transporte son empíricamente calibrados y comparados con una base de datos experimental.

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