JP2010237222A - プラズマ電子生成システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁場反転配位(Field Reversed Configuration:FRC)の磁気トポロジーにおける融合制御、および融合生成物エネルギーを直接電力に変換するためのシステムおよび装置である。プラズマイオンをFRC内に閉じ込め、外部に印加した磁場を調整することによって発生させた深いエネルギー井戸内に、プラズマ電子を静電気的に閉じ込めることが好ましい。本構成では、イオンおよび電子は、それらが衝突時に核力によって互いに融合することによって、環状ビームの形態で現れる融合生成物を形成するように、十分な密度および温度を有することが可能である。エネルギーは、融合生成物が逆サイクロトロン変換器の電極を螺旋状に通過するときに融合生成物から取り出される。
【選択図】図21B
Description
本発明は、概して、プラズマ物理学の分野に関し、特に、プラズマを閉じ込めて核融合を可能にし、融合生成物から電力にエネルギーを変換するための方法および装置に関する。
融合とは、2つの軽い核が組み合わさって、より重い核を形成するプロセスである。融合プロセスは、高速移動する粒子の形態で相当なエネルギー量を放出する。原子核は、それに含まれる陽子によって正電気を帯びているので、それらの間には、反発する静電気的な力、すなわちクーロン力が存在する。2つの核を融合させるためには、この反発バリアに打ち勝たなければならないが、これは、クーロン力に打ち勝って核を融合するのに十分強力な核力になるように、2つの核を十分に近づけたときに生じるものである。核がクーロン力に打ち勝つために必要なエネルギーは、それらの熱エネルギーによって与えられるものであるが、非常に高くなければならない。例えば、温度が少なくとも104eV程度(約100万K(ケルビン)相当)であれば、その溶融速度を適用することができる。融合反応の測度は、温度の関数であり、反応度と呼ばれる量によって特徴づけられる。D(重水素)−T(トリチウム)反応の反応度は、例えば、30keV乃至100keVの幅広いピークを有する。
D+D→He3(0.8MeV)+n(2.5MeV)
D+T→α(3.6MeV)+n(14.1MeV)
D+He3→α(3.7MeV)+p(14.7MeV)および
p+B11→3α(8.7MeV)
が挙げられる。ここで、Dは重水素、Tはトリチウム、αはヘリウム核、nは中性子、pは陽子、Heはヘリウム、B11はボロン−11をそれぞれ示す。
各式のカッコ内の数は、融合生成物の運動エネルギーを示す。
であり、異常輸送では、古典輸送よりも封じ込め時間がさらに短くなる。この関係では、所与の量のプラズマに対する封じ込め時間を、プラズマが核融合反応を起こすための時間よりも長くなければならない、という要件によって、どのくらいの大きさのプラズマを融合反応炉内に存在させなければならないかを決定する。したがって、古典移送の条件は、融合反応炉におけるものよりも望ましく、初期のプラズマをより小さくできる。
に増加した。既存の融合反応炉概念の1つに、トカマクがある。この30年間、融合に対する取り組みは、D−T燃料を使用したトカマク反応炉に重点を置いている。これらの取り組みは、国際熱核融合実験炉(International Thermonuclear Experimental Reactor:ITER)において頂点に達した。トカマクによる最近の実験では、古典移送、
は、最小のプラズマ寸法をメートルからセンチメートルに減じることができる場合に可能である。これらの実験は、プラズマを10乃至30keVの温度に加熱するために、エネルギービーム(50乃至100keV)の注入を伴う。W.HeidbrinkおよびG.J.Sadler、34 Nuclear Fusion 535(1994)を参照のこと。これらの実験では、エネルギービームのイオンは、減速されて古典的に拡散するが、熱的なプラズマは変則的に速く拡散し続けたことが観察された。これは、エネルギービームイオンが大きな旋回半径を有すること、すなわち、イオンジャイロ半径よりも短い波長(λ<ai)の変動の影響を受けないことにある。この短い波長の変動は、サイクル全体を平均化して、相殺する傾向がある。しかし、電子は、さらに小さな旋回半径を有するので、変動および移送に変則的に反応する。
本発明は、磁場反転トポロジーを有する磁場における融合制御、および融合生成物エネルギーの電力への直接変換を容易にするシステムに関する。前記システムは、本願明細書ではプラズマ発電(Plasma−Electric power Generation:PEG)システムと称するが、実質的にイオンおよび電子の異常輸送を減じるか、または排除する傾向のある閉じ込めシステムを有する融合反応炉を備えることが好ましい。加えて、PEGシステムは、融合生成物のエネルギーを高効率で直接電力に変換する反応炉に連結されたエネルギー変換システムを含む。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
第一および第二端部を有する円筒チャンバー壁と、
該第一および第二端部の間に、それらと間隔を隔てて、該チャンバー壁に沿って軸方向に延在する複数の絶縁回路と
を備える、反応チャンバー。
(項目2)
上記複数の絶縁回路は、上記チャンバー壁内に形成されたスロットを含む、項目1に記載のチャンバー。
(項目3)
上記チャンバー壁は、金属で形成される、項目1に記載のチャンバー。
(項目4)
上記複数の絶縁回路は、上記スロットに挿入された絶縁材を含む、項目2に記載のチャンバー。
(項目5)
上記絶縁材は、セラミック材である、項目4に記載のチャンバー。
(項目6)
上記チャンバー内に、上記絶縁材を覆うように配置された複数のシュラウドをさらに備える、項目4に記載のチャンバー。
(項目7)
上記スロットを覆うように延在する密封板をさらに備える、項目4に記載のチャンバー。
(項目8)
上記絶縁材は、上記密封板に連結される、項目7に記載のチャンバー。
(項目9)
上記密封板と上記チャンバー壁との間にシールを形成するための手段をさらに備える、項目7に記載のチャンバー。
(項目10)
上記密封板は、ガラス繊維材料で形成される、項目9に記載のチャンバー。
(項目11)
上記チャンバー内に一方向性の磁場を発生させるための、該チャンバーに連結された磁場発生器をさらに備える、項目1に記載のチャンバー。
(項目12)
上記磁場発生器は、上記チャンバー壁の周辺部の方位角方向に延在する複数の磁場コイルを含む、項目11に記載のチャンバー。
(項目13)
上記複数の磁場コイルは、互いに平行して配向される、項目12に記載のチャンバー。
(項目14)
上記複数の磁場コイルは、第一組および第二組のミラーコイルを含む、項目12に記載のチャンバー。
(項目15)
上記チャンバー壁と同心円状に延在するベータトロンフラックスコイルをさらに備える、項目11に記載のチャンバー。
(項目16)
上記ベータトロンフラックスコイルは、上記チャンバー壁の外側に位置する、項目15に記載のチャンバー。
(項目17)
上記ベータトロンフラックスコイルは、複数の平行な巻線コイルを含む、項目15に記載のチャンバー。
(項目18)
上記チャンバー壁の縦軸に直交し、かつ半径方向に間隔を置いた1つ以上のイオンビーム注入器をさらに備える、項目1に記載のチャンバー。
(項目19)
上記イオンビーム注入器は、該イオンビーム注入器によって放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目18に記載のチャンバー。
(項目20)
チャンバーの中央平面に向かう背景プラズマの環状の雲を形成するための、プラズマ供給源をさらに備える、項目1に記載のチャンバー。
(項目21)
上記チャンバー壁の第一および第二端部に連結されたエネルギー変換器をさらに備える、項目1に記載のチャンバー。
(項目22)
上記エネルギー変換器は、それらの間に縦方向のスペースを備えた、軸方向に延在する複数の電極を含む、項目21に記載のチャンバー。
(項目23)
上記複数の電極の周辺部に延在する複数の磁場コイルをさらに備える、項目22に記載のチャンバー。
(項目24)
第一および第二イオンコレクターおよび第一および第二電子コレクターをさらに備える、項目23に記載のチャンバー。
(項目25)
ショックコイルと、
該ショックコイルに連結されたラバルノズルと
を備える、プラズマ発生システム。
(項目26)
上記ショックコイルは、環状円盤型の本体と、該本体の表面に取り付けられた平行な巻きワイヤーのコイルとを備える、項目25に記載のプラズマ発生システム。
(項目27)
上記コイルは、単巻きコイルである、項目26に記載のプラズマ発生システム。
(項目28)
上記コイルは、マルチストランドコイルである、項目27に記載のプラズマ発生システム。
(項目29)
上記コイルのワイヤーは、上記本体の外側半径に隣接して角度的に間隔をあけた点から始まり、該本体の表面を一周して該本体の内側半径で終わる、項目27に記載のプラズマ発生システム。
(項目30)
上記コイルのワイヤーは、上記本体の周辺部から始まる、項目29に記載のプラズマ発生システム。
(項目31)
上記本体は、該本体の内側半径を形成するハブを備える、項目26に記載のプラズマ発生システム。
(項目32)
上記ラバルノズルは、上記ハブに連結された環状円盤型のノズルアームを備える、項目31に記載のプラズマ発生システム。
(項目33)
上記ハブに面する上記アームの表面は、該ハブの表面とともに環状ガスプレナムおよび伸縮ノズルを形成する、項目32に記載のプラズマ発生システム。
(項目34)
上記ハブ内に形成され、上記ガスプレナムと連通する複数のガス流路をさらに備える、項目33に記載のプラズマ発生システム。
(項目35)
上記複数のガス流路とともに配列された、複数のバルブシートを有するバルブシートリングをさらに備える、項目34に記載のプラズマ発生システム。
(項目36)
上記本体に連結されたシュラウドをさらに備える、項目26に記載のプラズマ発生システム。
(項目37)
低インダクタンスショックコイルの平行な巻きワイヤーのコイルに中性ガスを分配するステップと、
該コイルの巻線に電圧を加えるステップと、
該ガスをイオン化してプラズマを生成するステップと
を含む、プラズマの発生方法。
(項目38)
上記形成したプラズマを上記ショックコイルから放出するステップをさらに含む、項目37に記載の方法。
(項目39)
上記コイルに電圧を加えるステップは、該コイルの全てのワイヤーへの電圧の印加を含む、項目37に記載の方法。
(項目40)
上記コイルに電圧を加えるステップは、第一組のワイヤーへの電圧の印加と、所定の時間の後の第二組のワイヤーへの電圧の印加とを含む、項目37に記載の方法。
(項目41)
上記プラズマを放出するステップは、環状プラズマの放出を含む、項目38に記載の方法。
(項目42)
主軸を有するチャンバーと、
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの中央領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
ショックコイルと、該チャンバー内に配置されたラバルノズルとを備えたプラズマ発生器と、
該チャンバー内で方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと
を備える、プラズマ発電システム。
(項目43)
上記チャンバーは、
第一および第二端部を有する円筒状チャンバー壁と、
該第一および第二端部の間かつそれらと間隔を隔てて、該チャンバー壁に沿って軸方向に延在する複数の絶縁回路と
を備える、項目42に記載のシステム。
(項目44)
上記ショックコイルは、環状円盤型の本体と、該本体の表面に取り付けられた平行な巻きワイヤーのコイルとを備える、項目42に記載のシステム。
(項目45)
上記コイルは、単巻コイルである、項目44に記載のシステム。
(項目46)
上記コイルのワイヤーは、本体の外側半径において角度的に間隔をあけた点から始まり、該本体の表面を一周して該本体の内側半径で終わる、項目45に記載のシステム。
(項目47)
上記コイルのワイヤーは、本体の周辺部から始まる、項目46に記載のシステム。
(項目48)
上記本体は、該本体の内側半径を形成するハブを備える、項目44に記載のシステム。
(項目49)
上記ラバルノズルは、上記ハブに連結された環状円盤型のノズルアームを備える、項目48に記載のシステム。
(項目50)
上記ハブに面する上記アームの表面は、該ハブの表面とともに環状ガスプレナムおよび伸縮ノズルを形成する、項目49に記載のシステム。
(項目51)
上記ハブ内に形成され、上記ガスプレナムと連通する複数のガス流路をさらに備える、項目50に記載のシステム。
(項目52)
上記複数のガス流路とともに配列された、複数のバルブシートを有するバルブシートリングをさらに備える、項目51に記載のシステム。
(項目53)
上記本体に連結されたシュラウドをさらに備える、項目44に記載のシステム。
(項目54)
上記チャンバー内に電力変換システムをさらに備える、項目42に記載のシステム。
(項目55)
上記電力変換システムは、上記チャンバーの第一端部領域内に円筒状表面を形成する、複数の半円筒電極を備える、項目54に記載のシステム。
(項目56)
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた2つより多い電極を備える、項目55に記載のシステム。
(項目57)
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目56に記載のシステム。
(項目58)
上記チャンバーの第二端部領域内に円筒状表面を形成する、第二の複数の半円筒電極であって、
該第二の複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた2つより多い電極を備えた第二の複数の半円筒電極と、
該チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの該第二端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第三磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第三磁場発生器の間に入り、該第二の複数の電極の第一端部に隣接した第二の電子コレクターと、
該第二の複数の電極の第二端部に隣接して配置した第二のイオンコレクターと
をさらに備える、項目57に記載のシステム。
(項目59)
容器に連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目58に記載のシステム。
(項目60)
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目59に記載のシステム。
(項目61)
チャンバー内で磁場反転配位の磁場を形成する方法であって、
チャンバー内に磁気ガイド領域を発生させるステップと、
低インダクタンスショックコイルの平行な巻きワイヤーのコイルに中性ガスを分配するステップと、
該ショックコイルのコイルの巻線に電圧を加えるステップと、
該ガスをイオン化してプラズマを生成するステップと、
該ガイド領域の磁力線に沿って、該ショックコイルから該チャンバーに形成されたプラズマを放出するステップと、
該チャンバー内で方位角電場を発生させ、該プラズマを回転させて、該プラズマを囲むポロイダル自己磁場を形成させるステップと、
該プラズマの回転エネルギーを増加させて、該ガイド領域の大きさに打ち勝つレベルまで、該自己電場の大きさを増加させるステップと、
磁場反転配位(FRC)トポロジーを有する磁場において該ガイド領域の磁力線と該自己電場とを結合するステップと
を含む、方法。
(項目62)
上記コイルに電圧を加えるステップは、該コイルの全てのワイヤーへの電圧の印加を含む、項目61に記載の方法。
(項目63)
上記コイルに電圧を加えるステップは、第一組のワイヤーへの電圧の印加と、所定の時間の後の第二組のワイヤーへの電圧の印加とを含む、項目61に記載の方法。
(項目64)
上記プラズマを放出するステップは、環状プラズマの放出を含む、項目62に記載の方法。
(項目65)
上記ガイド領域を発生させるステップは、上記チャンバーの周辺部に延在する複数の磁場コイルおよびミラーコイルへの電圧の印加を含む、項目61に記載の方法。
(項目66)
上記ガイド領域の大きさを増加させて、回転プラズマを所定の半径で保持するステップをさらに含む、項目61に記載の方法。
(項目67)
上記方位角電場を発生させるステップは、上記チャンバー内でベータトロンフラックスコイルに電圧を加えて、上記コイルを通り抜ける電流を増加させることを含む、項目61に記載の方法。
(項目68)
上記回転プラズマの回転エネルギーを増加させるステップは、上記コイルを通り抜ける電流の変化率を増加させることを含む、項目67に記載の方法。
(項目69)
上記フラックスコイルを通り抜ける電流の変化率を増加させて、融合レベルの回転エネルギーまで上記回転プラズマを加速するステップをさらに含む、項目68に記載の方法。
(項目70)
上記チャンバー内に静電気的井戸を発生させるステップをさらに含む、項目61に記載の方法。
(項目71)
上記静電気的井戸を調整するステップをさらに含む、項目70に記載の方法。
(項目72)
上記静電気的井戸を調整するステップは、上記ガイド領域の大きさの操作を含む、項目71に記載の方法。
(項目73)
融合レベルのエネルギーのイオンビームを上記FRCに注入して、該FRC内でベータトロン軌道内に該ビームを閉じ込めるステップをさらに含む、項目69に記載の方法。
(項目74)
上記イオンビームを注入および閉じ込めるステップは、
該イオンビームを中和するステップと、
該中和されたイオンビームから電気分極を排出するステップと、
該中和されたイオンビームに、上記印加された磁場によるローレンツ力を働かせて、該イオンビームをベータトロン軌道に曲げるステップと
をさらに含む、項目73に記載の方法。
(項目75)
上記FRC内にイオンを磁気的に閉じ込めて、上記静電気的井戸内に静電気的に電子を閉じ込めるステップをさらに含む、項目73に記載の方法。
(項目76)
融合生成物イオンを形成するステップをさらに含む、項目75に記載の方法。
(項目77)
環状ビーム内の上記FRCから上記融合生成物イオンを出射させるステップをさらに含む、項目76に記載の方法。
(項目78)
主軸を有するチャンバーと、
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの中央領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
該チャンバーの中央領域に連結されたRF駆動システムと、
該チャンバー内に方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと
を備える、プラズマ発電システム。
(項目79)
上記RF駆動システムは、四重極サイクロトロンを備える、項目78に記載のシステム。
(項目80)
上記四重極サイクロトロンは、円筒状表面を形成する4つの半円筒電極を備える、項目79に記載のシステム。
(項目81)
上記RF駆動システムは、双極子サイクロトロンを備える、項目78に記載のシステム。
(項目82)
上記双極子サイクロトロンは、円筒状表面を形成する4つの半円筒電極を備える、項目81に記載のシステム。
(項目83)
上記RF駆動システムは、上記チャンバーおよび上記導電コイルの周辺部に隣接する軸方向に延在する磁場変調コイルを備える、項目78に記載のシステム。
(項目84)
上記チャンバー内に電力変換システムをさらに備える、項目78に記載のシステム。
(項目85)
上記電力変換システムは、上記チャンバーの第一端部領域内に円筒状表面を形成する複数の半円筒電極を備える、項目84に記載のシステム。
(項目86)
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた2つより多い電極を備える、項目85に記載のシステム。
(項目87)
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目86に記載のシステム。
(項目88)
上記チャンバーの第二端部領域内に円筒状表面を形成する、第二の複数の半円筒電極であって、該第二の複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた2つより多い電極を備えている、第二の複数の半円筒電極と、
該チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第三磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第三磁場発生器の間に入り、該第二の複数の電極の第一端部に隣接した第二の電子コレクターと、
該第二の複数の電極の第二端部に隣接して配置した第二のイオンコレクターと
をさらに備える、項目87に記載のシステム。
(項目89)
容器に連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目88に記載のシステム。
(項目90)
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目89に記載のシステム。
(項目91)
回転プラズマの周辺部にFRCを発生させるステップと、
該回転プラズマ内のイオンの方位角速度と同じ方向に回転する電位波を発生させるステップと
を含む、FRC内のイオンおよび電子を駆動する方法。
(項目92)
上記電位波を発生させるステップは、円筒状表面を形成する複数の細長い電極への電圧の印加を含む、項目91に記載の方法。
(項目93)
上記複数の細長い電極は、細長いサイクロトロンを形成する、項目92に記載の方法。
(項目94)
上記サイクロトロンは、四重極サイクロトロンである、項目92に記載の方法。
(項目95)
上記サイクロトロンは、双極子サイクロトロンである、項目92に記載の方法。
(項目96)
上記電位波に中性イオンを注入するステップをさらに含む、項目91に記載の方法。
(項目97)
注入された中性イオンを上記電位波内に閉じ込めるステップをさらに含む、項目92に記載の方法。
(項目98)
上記閉じ込められたイオンの運動量およびエネルギーを増加させるステップをさらに含む、項目97に記載の方法。
(項目99)
主軸と、第一および第二端部とを有するチャンバーと
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバー内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
該チャンバー内に方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと、
該チャンバーの第一端部に連結されたエネルギー変換システムと、
該チャンバーの第二端部に連結された磁気ノズルと
を備える、プラズマ発電および推進システム。
(項目100)
上記エネルギー変換システムは、円筒状表面を形成する複数の半円筒電極を備える、項目99に記載のシステム。
(項目101)
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた2つより多い電極を備える、項目100に記載のシステム。
(項目102)
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、上記エネルギー変換システム内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目101に記載のシステム。
(項目103)
上記チャンバーに連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目102に記載のシステム。
(項目104)
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目103に記載のシステム。
(項目105)
上記チャンバーに連結された熱電変換器をさらに備える、項目104に記載のシステム。
(項目106)
上記チャンバーに連結されたブレイトン熱エンジンをさらに備える、項目105に記載のシステム。
(項目107)
上記ブレイトン熱エンジンは、
熱交換器と、
該熱交換器に連結されたターボ発電機と、
該熱交換器およびターボ発電機に連結された圧縮器と、
該圧縮器およびターボ発電機に連結された放熱器と
をさらに備える、項目106に記載のシステム。
(項目108)
上記ターボ発電機に連結された電力貯蔵装置をさらに備える、項目107に記載のシステム。
(項目109)
上記電力貯蔵装置は、バッテリーを備える、項目108に記載のシステム。
(項目110)
上記電力貯蔵装置は、燃料電池を備える、項目108に記載のシステム。
(項目111)
第一および第二端部を有するチャンバー内に回転プラズマの周辺部にFRCを発生させるステップと、
該チャンバーの該第一および第二端部から融合生成物イオンの環状ビームを放出するステップと、
該第一端部から放出された該融合生成物イオンのエネルギーを電力に変換するステップと、
該第二端部から放出された該融合イオンのエネルギーをスラストに変換するステップと
を含む、方法。
(項目112)
上記第一端部から放出された上記融合生成物イオンのエネルギーを電力に変換するステップは、
それらの間に複数の細長い間隙を形成する、互いに間隔を置いた複数の半円筒電極で形成された略円筒状キャビティ内で、螺旋状経路に沿って該イオンを注入することと、
該注入されたイオンの軸方向のエネルギーの実質的に全てを回転エネルギーに変換することと、
該キャビティ内に多極電場を形成し、該電場は3つ以上の極を備えることと、
該イオンエネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換することと
を含む、項目111に記載の方法。
(項目113)
振動電位を上記複数の電極に印加するステップをさらに含む、項目112に記載の方法。
(項目114)
上記電場を形成するステップは、上記複数の間隙と交わるように方位角電場を発生させることを含む、項目112に記載の方法。
(項目115)
上記イオンを減速させるステップをさらに含む、項目112に記載の方法。
(項目116)
磁気カスプを介して環状ビームを導くステップをさらに含む、項目112に記載の方法。
(項目117)
上記電子が上記磁気カスプの磁力線に追従するときに、上記環状ビームから電荷中和電子を収集するステップをさらに含む、項目112に記載の方法。
(項目118)
上記イオンのエネルギーの実質的な部分が電気エネルギーに変換されたときに、該イオンを収集するステップをさらに含む、項目117に記載の方法。
(項目119)
上記複数の電極は、少なくとも4つの電極を備える、項目112に記載の方法。
(項目120)
上記磁気カスプを発生させるステップをさらに含む、項目116に記載の方法。
(項目121)
上記磁気カスプを発生させるステップは、
第一および第二磁場を発生させるステップであって、該第一磁場および該第二磁場の磁力線が対向して延在するステップと、
該第一磁場および該第二磁場を結合するステップと
を含む、項目120に記載の方法。
(項目122)
上記第二端部から放出された融合イオンのエネルギーをスラストに変換するステップは、有向の粒子の流れとして環状の融合イオンビームの焦点を定めることを含む、項目111に記載の方法。
(項目123)
上記チャンバーからの電磁放出を電力に変換するステップをさらに含む、項目122に記載の方法。
(項目124)
上記チャンバーから放射された熱を電力に変換するステップをさらに含む、項目122に記載の方法。
ドリフトの電場および方向を示す。
図1は、本発明による封じ込めシステム300の好適な一実施態様を示す。封じ込めシステム300は、チャンバー壁305を備え、その中に閉じ込めチャンバー310を画定する。チャンバー310は、円筒状であり、チャンバー310の中心に沿って主軸315を備えることが好ましい。本封じ込めシステム300の融合反応炉への適用に関しては、チャンバー310の内部に真空または略真空を生じさせる必要がある。ベータトロンフラックスコイル320は、チャンバー310内に位置し、主軸315と同心である。ベータトロンフラックスコイル320は、直流に適応した電流担送媒体を備え、図に示されるように、好ましくは、複数の独立したコイルの平行な巻線を備えて、さらに好ましくは、およそ4つの独立したコイルの平行な巻線を備えて長いコイルを形成する。当業者は、ベータトロンコイル320を介した電流が、実質的に主軸315の方向に、ベータトロンコイル320内部に磁場をもたらすものと理解されよう。
上述のように、CBFRの封じ込めシステムの適用には、チャンバー内部に真空または略真空を生じさせる必要がある。中性燃料とプラズマ燃料との間の相互作用(分散、荷電交換)によって、常にエネルギーの損失経路が現れるので、反応チャンバー内の残留密度を制限することが重要である。さらに、十分に真空にされなかったチャンバーから得られる不純物は、動作中の副反応を汚染し、またこれらの不純物を通してシステムを燃焼させなければならないので、起動中に過剰なエネルギーを消耗させることになりうる。
図3は、FRC70の磁場を示す図である。システムは、その軸78に対して円筒対称性を有する。FRCには、磁力線の2つの領域、開放領域80および閉鎖領域82が存在する。この2つの領域を分割する面は、セパラトリックス84と呼ばれる。FRCは、磁場が零になる円筒状ヌル面86を形成する。FRCの中央部88において、磁場は、軸方向にはそれほど変化しない。端部90において、磁場は、軸方向にかなり変化する。中心軸78に沿った磁場は、FRC内で方向を反転するが、磁場反転配位(FRC)における「反転」という用語の由来である。
プラズマ層106(図5を参照のこと)は、イオンの反磁性方向102に、ヌル面86の周辺部にエネルギーイオンビームを注入することによって、FRC内に形成することができる。(異なるFRCおよびプラズマリングの形成方法は下記に詳述する。)循環プラズマ層106では、ほとんどのイオンは、ベータトロン軌道112(図6を参照のこと)を有し、エネルギーがあり、非断熱である。したがって、それらのイオンは、異常輸送を生じさせる、短波長の変動の影響を受けない。
式1において、Zはイオンの原子番号であり、miはイオンの質量であり、eは電子電荷であり、B0は印加磁場の大きさであり、cは光速である。この関係には、印加磁場B0、電子の角速度ωe、およびイオンの角速度ωiの3つの自由パラメータがある。これらのうちの2つがわかっていれば、3つ目を式1から決定することができる。
この場合、Vi=ωir0であり、ここで、Viはイオンの注入速度であり、ωiはイオンのサイクロトロン周波数であり、r0はヌル面86の半径である。このビーム内の電子の運動エネルギーは、電子の質量meが、イオンの質量miよりもかなり小さいので無視される。
上記表におけるωeの値は、式1に基づいて決定されたものである。ωe>0は、式1においてΩ0>ωiを意味し、その結果、電子がそれらの逆反磁性方向に回転することが理解され得る。図11Bは、B0およびωe同一の値の組に対する電位(V)を示す。図11Aおよび11Bの横軸は、FRC軸78からの距離を表し、グラフにおいてcmで示される。電場および電位は、ωeに大きく依存する。
ドリフトが優勢であれば、ドリフト軌道は反磁性方向内に回転する。勾配ドリフトが優勢であれば、ドリフト軌道は逆反磁性方向内に回転する。これを図13Aおよび13B示す。図13Aは、180°衝突に起因する、ベータトロン軌道からドリフト軌道への移行を示し、これは、点172で生じる。
ドリフトが優勢であるので、ドリフト軌道は反磁性方向に回転し続ける。図13Bは、別の180°衝突を示すが、この場合、静電場は弱く、勾配ドリフトが優勢である。したがって、ドリフト軌道は、逆反磁性方向内に回転する。
ドリフトよりも優勢であった。したがって、大角度の衝突によって作り出される全てのドリフト軌道は、移動時間の後、失われた。これらの実験により、イオンの拡散速度が、古典的拡散の推定値によって予測される速度よりも速いことが報告された。
ドリフトは勾配ドリフトよりも優勢であり、ドリフト軌道は反磁性方向に回転する。これは、図13Aに関連して上記したものである。これらの軌道が、FRCの端部に到達するとき、これらは、ローレンツ力によって、閉鎖端磁場領域に反射して戻される。したがって、それらは、システム内に閉じ込められたままである。
ドリフトが勾配ドリフトよりも優勢であるように、充分に強力とすることが可能である。したがって、システムの静電場は、このイオン損失機構(これはミラーデバイスにおける損失円錐と類似している)を排除することによって、イオン輸送を回避する。
FRCの形成に使用される従来のプロシージャは、主にシータピンチ領域の反転プロシージャを用いる。この従来の方法では、中性ガス裏込めチャンバーを囲む外部コイルによって、バイアス磁場が印加される。これが生じると、ガスがイオン化され、バイアス磁場はプラズマ内で凍結される。次に、外部コイル内の電流を急速に反転させて、対向させて配向した磁力線を以前に凍結した磁力線と接続して、FRCの閉じたトポロジーを形成する(図3を参照のこと)。この形成プロセスは、ほぼ経験的であり、FRCの形成を制御する手段はほとんど存在しない。この方法は、再現性が不十分であり、調整能力がない。
である。一次元モデルにおいて、プラズマ電流による磁場は、Bp=(2π/c)ipであり、ここで、ipは、単位長さあたりの電流である。この磁場反転の要件は、ip>eV0/πr0αi=0.225kA/cmであり、ここで、B0=69.3Gであり、そして
である。周期リングのモデルについて、Bzは、軸座標<Bz>=(2π/c)(Ip/s)(sは、リングの間隔である)で平均化され、s=r0である場合、このモデルは、ip=Ip/sを有する一次元モデルと同じ平均磁場を有する。
上述の閉じ込めシステム300内にFRCを形成する好適な方法は、本願明細書において、複合ビーム/ベータトロン技術と呼ばれる。この手法では、プラズマイオンの低エネルギービームと、ベータトロンフラックスコイル320を使用するベータトロン加速とを組み合わせる。
閉じ込めシステム300内でFRCを形成する別の好適な方法を、本願明細書においてベータトロン形成技術と呼ぶ。本技術は、ベータトロン誘導電流の直接駆動に基づいて、ベータトロンフラックスコイル320を使用して循環プラズマビーム335を加速する。本技術の好適な実施態様では、図1に示される閉じ込めシステム300を使用するが、低エネルギーイオンビームの注入は必ずしも必要ではない。
・真空チャンバー寸法:直径約1m、長さ1.5m
・ベータトロンコイル半径:10cm
・プラズマ軌道半径:20cm
・真空チャンバー内で作り出された平均外部磁場は、最高100ガウスであり、ランプアップ期間が150μs、ミラー比が2:1であった(供給源:外部コイルおよびベータトロンコイル)
・背景プラズマ(実質的に水素ガス)は、平均密度約1013cm−3、運動温度10eV未満で特徴付けられた
・この構成の寿命は、実験において貯蔵された総エネルギーによって制限され、概ね約30μsであった。
上述のベータトロンおよびビーム/ベータトロンFRC形成技術は、どちらもフラックスコイル320を介した、エネルギーの背景プラズマへの供与に依存する。変圧器と同様に、フラックスコイルは、変圧器の一次巻線の機能を果たし、プラズマは、二次巻線の機能を果たす。本誘導システムが効率的に機能するためには、プラズマが良好な導電体であることが不可欠である。
荷電電圧:約10乃至25kV、分割供給する
電流:組み合わせた全ての巻線を介して最高約50kAの総電流
パルス/上昇時間:最高約2マイクロ秒
ガス圧力:約−20乃至50psi
プレナムサイズ:バルブにつき約0.5乃至1cm3、すなわち:1ショットにつき約4乃至8cm3の総ガス量
例示的な一実施態様では、入力作動パラメータは、以下の通りであった:
荷電電圧:12乃至17kV 分割供給、すなわち:−12kV乃至+12kV
電流:3ストランドの一群につき2乃至4.5kA、すなわち:組み合わせた全ての巻線を介して16乃至36kAの総電流
パルス/上昇時間:1乃至1.5マイクロ秒
ガス圧力:−15乃至30psi
プレナムサイズ:バルブにつき0.5乃至1cm3、すなわち:1ショットにつき4乃至8cm3の総ガス量
上述のパラメータを使用した誘導プラズマ供給源1010の動作方法によって発生されるプラズマは、以下の好都合な特性を有する:
密度:〜4×1013cm−3
温度:〜10乃至20eV
環状スケール:直径〜40乃至50cm
軸方向のドリフト速度:〜5乃至10eV
供給源1010の形状および配向により、現れるプラズマの形状が環状になり、FRCに形成されるべき回転プラズマの環状部に等しくなる傾向のある直径を有する。本PEGシステムでは、2つの当該の誘導プラズマ供給源1010を、チャンバー310のどちらかの軸方向端部に配置して、同時に発射させることが好ましい。2つの形成プラズマの分布は、チャンバー310の中央の方に軸方向にドリフトし、そこには、次いで上述のようにフラックスコイル320によって加速されるプラズマの環状の層が形成される。
ロトマク(rotomak)と呼ばれるRF電流駆動は、電流が主に電子によって担送されるFRCに用いられている。それは、2つのフェーズドアンテナによって作り出される、回転する半径方向の磁場を伴う。電子は、回転磁力線に対して磁化および凍結される。これにより、イオンの電子とのクーロン衝突によって、そのイオンが加速されて電流が減じられるまで、その電流が保持される。しかし、ロトマクは、無期限に電流を保持するのには適さないが、数ミリ秒であれば良好である。
四重極RF駆動システムを図21Aおよび21Bに示す。RF駆動装置は、チャンバー310内に位置して、それらの間に間隙1114を有する4つの方位角方向に対称な電極1112を有する、四重極サイクロトロン1110を備える。四重極サイクロトロン1110は、イオンの方位角速度と同じ方向だが、それより速く回転する電位波を作り出すことが好ましい。適切な速度のイオンを、この電位波に閉じ込めて、定期的に反射させることができる。このプロセスによって燃料イオンの運動量およびエネルギーが増加し、この増加が衝突によって閉じ込められていない燃料イオンに運ばれる。燃料プラズマ335からの燃料イオンは、あらゆる好都合な速度で中性燃料を注入することによって置き換えることができる。
プラズマの応答は、誘電テンソルによって説明することができる。電場は、電荷保存式による電荷分離を作り出す、プラズマ電流を作り出す。
の式は、電子が小さなジャイロ半径を有し、電場がΩe=eB/mc(ジャイロ周波数)に比較して、ゆっくりと変化するものと仮定して導出される。この近似度は、ヌル面の近くで分解される。特性軌道は、ドリフト軌道から、電場、すなわちr=r0のヌル面の近くで
波
νw=rωiであれば、波エネルギーは変化しない。νw>rωiまたはΔνw>0であれば、波エネルギーは減少する;Δνw<0であれば、波エネルギーは増加する。これは、ランダウ減衰の解釈に類似している。最初のΔνw>0の場合、波よりも遅く進むイオンの方が、速く進むイオンよりも多い。したがって、波エネルギーが減少する。逆に、Δνw<0場合、波エネルギーは増加する。前者の場合は、四重極サイクロトロンによるイオンのエネルギーおよび運動量の保存に適用する。これが、電流駆動である。後者の場合は、変換器の基準を提供する。式(22)および(24)を使用して、融合反応器の条件に対する適用性を評価することができる。
電流駆動に関して、電力Piは、周波数ωiでイオンに運搬されることが好ましく、電力Peは、周波数ωeで電子に運搬されることが好ましい。これは、電子とイオンとの間のクーロン相互作用を補い、イオンの速度を減じて、電子の速度を増加させる(電力運搬の非存在かでは、クーロン衝突によって、電子とイオンに同じ速度がもたらされ、電流はもたらされない)電子およびイオンの平衡を保持する平均電場は、次式で与えられる:
は抵抗/ユニット長さである。Ne、N1、N2は電子およびイオンの線密度:
Ne=N1Z1+N2Z2であり、Z1、Z2はイオンの原子番号である;t1eおよびt2eは、イオンから電子への運動量移動時間である。平均電場は、準中性および電荷に対する
重要なことに、上述の閉じ込めシステム300などの内側にFRCを形成するためのこれら2つの技術は、内部で核融合を起こすために好適な特性を有するプラズマを生じさせることができる。より詳しくは、これらの方法によって形成されたFRCは、あらゆる所望のレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速することができる。これは、融合の適用および古典的な高エネルギー燃料ビームの閉じ込めに重要である。したがって、閉じ込めシステム300では、高エネルギーのプラズマビームを、融合反応を起こすために十分な時間にわたって捕捉して閉じ込めることが可能となる。
平均イオン温度:約30乃至230keV、好ましくは約80乃至230keV
平均電子温度:約30乃至100keV、好ましくは約80乃至100keV
燃料ビーム(注入されるイオンビームおよび循環プラズマビーム)のコヒーレントエネルギー:約100keV乃至3.3MeV、好ましくは約300keV乃至3.3MeV
総磁場:約47.5乃至120kG、好ましくは約95乃至120kG(約2.5乃至15kG、好ましくは約5乃至15kGの磁場を外部から印加する)
古典的閉じ込め時間:燃料の燃焼時間より長く、好ましくは約10乃至100秒
燃料イオン密度:約1014乃至1016cm−3未満、好ましくは約1014乃至1015cm−3
総融合電力:好ましくは約50乃至450kW/cm(チャンバー長1cmあたりの電力)。
融合生成物は、主にヌル面86付近の電力コアにおいて発生するが、このヌル面から、融合生成物が、セパラトリックス84に向かう拡散によって発生する(図3および5を参照のこと)。これは、電子との衝突によるものである(イオンとの衝突は、質量中心を変化させないので、磁力線を変化させないからである)。それらの高い運動エネルギー(融合生成物イオンは、燃料イオンよりはるかに高いエネルギーを有する)により、融合生成物は、セパラトリクッス84を容易に横断することができる。融合生成物がセパラトリクッス84を超えると、これらは、イオン−イオン衝突からの散乱を経るという条件で、開放端磁場80に沿って離れることができる。この衝突プロセスは拡散をもたらさないが、イオン速度ベクトルの方向を変更できるので、このイオン速度ベクトルの方向は、磁場に平行である。これらの開放端磁場80は、コアのFRCトポロジーを、FRCトポロジーの外側に供給される均一な印加磁場と接続する。生成物イオンは、異なる磁力線上に発生し、エネルギーの分布をたどる。好都合に、生成物イオンおよび電荷中和電子は、燃料プラズマの両方の端部から回転環状ビーム状で発生する。例えば、50MWデザインのp−B11反応に関しては、これらのビームは、半径が約50cmで、厚さが約10cmである。セパラトリックス84の外側に見出される強力な磁場(一般的に、約100kG)において、生成物イオンは、大部分のエネルギー生成物イオンについて、最小値約1cmから最大値約3cmまで変化する、ジャイロ半径の関連分布を有する。
本発明の直接エネルギー変換システムは、図22Aおよび23Aに示される、衝突ビーム融合反応炉(CBFR)410の(部分的に示された)電力コア436に連結された逆サイクロトロン変換器(ICC)420を備え、プラズマ発電システム400を形成する。第二ICC(図示せず)は、CBFR410の左に対称的に配置することが可能である。磁力カスプ486は、CBFR410とICC420との間に位置し、CBFR410およびICC420の磁場が合流するときに形成される。
cm3である。当該の密度に対して、磁気カスプ486は電子とイオンを分離する。電子は、電子コレクター490への磁力線をたどり、イオンは、カスプ486を通過するが、イオン軌道は、ICC420の長さに沿った実質的に螺旋状の経路をたどるように修正される。イオンが、共振回路(図示せず)に接続された電極494を螺旋状に通過するときに、これらのイオンからエネルギーが取り出される。垂直エネルギーの損失は、電極に494の近くを最初に循環する最も高いエネルギーのイオンに対して最大であり、電場は最も強い。
にほぼ等しい回転エネルギーで、磁場カスプ486に到達する。イオンが磁気カスプ486に到達するときの、イオンのエネルギーおよびイオンの初期半径r0の分布が存在する。しかし、初期半径r0は、初期速度v0にほぼ比例する傾向がある。半径方向の磁場および半径方向のビーム速度は、方位角方向にローレンツ力を作り出す。カスプ486における磁場は、粒子エネルギーを変化させないが、初期の軸方向の速度
図28は、100MWの反応炉を示す図である。一部切り取った発生器の図は、均一な磁場を印加するための超伝導コイルおよび磁場反転トポロジーを有する磁場を形成するためのフラックスコイルを備えた、融合電力コア領域を示す。融合電力コア領域の隣接する対向端部は、融合生成物の運動エネルギーの電力への直接変換のためのICCエネルギー変換器である。図29に、当該のリアクターのための支援装置を示す。
太陽系の(およびそれを超えた)探査には、最良の利用可能な化学的または電気的推進システムをはるかに凌ぐ推進能力が必要である。高度な推進アプリケーションのために、本発明は、デザインの簡潔さ、高いスラスト、高い特定のインパルス、高い特定の出力密度、低いシステム質量、およびほとんどまたは全く放射能を作り出さない燃料などに最も期待が持てるものである。
Converter:TEC)870によって、電気エネルギーに変換される。TEC870によって変換されない制動放射エネルギーは、ブレイトンサイクル熱エンジン880に渡される。廃熱は、宇宙空間に捨てられる。出力制御サブシステム(810、図32を参照のこと)は、電気および熱エネルギーの全ての供給源および受け手を監視して、システムの動作を安定して状態に保ち、また、独立したエネルギー源(燃料電池、バッテリーなど)を提供して、宇宙船および推進システムを非動作状態から起動させる。融合生成物は、荷電のα粒子であるので、システムは、多量の放射線および中性子シールドの使用を必要とせず、したがって、他の原子力宇宙推進システムに比較して、システムの質量を著しく低減することで特徴付けられる。
特定のインパルス、Isp 1.4x106s
スラスト電力、PT 50.8MW
スラスト電力/合計出力電力、PT/P0 0.51
スラスト、T 28.1N
スラスト/合計出力電力、T/P0 281mN/MW。
合計質量/合計電力、MT/P0 0.33x10−3kg/W
スラスト/質量、T/MT 0.85×10−3N/kg。
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