JP6855374B2 - 高性能frcを形成し維持するシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本明細書に記載された実施形態は、一般に磁気プラズマ閉じ込めシステムに関し、より
詳細には、優れた安定性ならびに粒子、エネルギーおよび磁束閉じ込めをもつ、磁場反転
配位の形成および維持を促進するシステムおよび方法に関する。
磁場反転配位(FRC)は、コンパクト・トロイド(CT)として公知の磁気プラズマ
閉じ込めトポロジーの分類に属する。FRCは、主にポロイダル磁場を示し、自然発生の
トロイダル磁場がない、または少ない(M.Tuszewski、Nucl.Fusio
n 28、2033(1988)参照)。このような構造の魅力は、構築および維持が容
易なその単純な形状、エネルギーの抽出および灰の除去を促進する無制限の自然ダイバー
タ、ならびに非常に高いβ(βはFRC内部の平均磁場圧力に対する平均プラズマ圧力の割合である)、すなわち、高出力密度である。高いβ特性は、経済運用、ならびにD−He3およびp−B11などの進化した非中性子燃料の使用に有利である。
ラズマを生成する(A.L.HoffmanおよびJ.T.Slough、Nucl.F
usion 33、27(1993)(非特許文献1)参照)。この変形形態は、シータ
ピンチ「源」内に生成されたプラズマが、概ね即座に一端から出て閉じ込めチャンバの中
に放出される移動トラッピング方法である。次いで移動するプラズモイドは、チャンバの
端部で2つの強いミラーの間に閉じ込められる(例えば、H.Himura、S.Oka
da、S.Sugimoto、およびS.Goto、Phys.Plasmas 2、1
91(1995)(非特許文献2)参照)。一旦閉じ込めチャンバに入ると、ビーム入射
(中性または中和された)、回転磁場、RFまたはオーム加熱などの様々な加熱および電
流駆動方法を適用してもよい。源と閉じ込め機能のこの分離は、潜在的な将来の核融合炉
に対して重要な工学的利点を提供する。FRCは、非常に堅固であり、動的形成、移動、
および激しい捕捉事象に耐性があることが判明している。さらに、FRCは、好ましいプ
ラズマ状態を担う傾向を示す(例えば、H.Y.Guo、A.L.Hoffman、K.
E.Miller、およびL.C.Steinhauer、Phys.Rev.Lett
.92、245001(2004)(非特許文献3)参照)。他のFRCの形成方法、す
なわち、逆向きのヘリシティをもつスフェロマックの融合(例えば、Y.Ono、M.I
nomoto、Y.Ueda、T.Matsuyama、およびT.Okazaki、N
ucl.Fusion 39、2001(1999)(非特許文献4)参照)、ならびに
これもさらに安定性を提供する、回転磁場(RMF)を用いて電流を駆動することによる
(例えば、I.R.Jones、Phys.Plasmas 6、1950(1999)
(非特許文献5)参照)発展が過去10年に著しく進歩を遂げた。
Fluids 9、1010(1966)(非特許文献6)参照)がさらに著しく発展し
た。すなわち、閉じ込めチャンバの対向する端部で2つの個別のシータピンチが、同時に
2つのプラズモイドを生成し、プラズモイドを互いに向かって高速度で加速させ、次いで
プラズモイドは、閉じ込めチャンバの中央で衝突し、複合FRCを形成するために融合す
る。今までで最大のFRC実験の1つの構築および成功した作動において、従来の衝突融
合法は、安定して長持ちし、高磁束、高温のFRCを生成することを示した(例えば、M
.Binderbauer、H.Y.Guo、M.Tuszewskiら、Phys.R
ev.Lett.105、045003(2010)(非特許文献7)参照)。
スのすぐ外側の開いた磁力線上の環状縁層からなる。縁層は、FRCの長さを超えて集結
してジェットになり、自然ダイバータを提供する。FRCトポロジーは、磁場反転ミラー
プラズマのトポロジーと一致する。しかし、著しい違いは、FRCプラズマが約10のβ
を有することである。固有の低い内部磁場は、FRCの短半径に匹敵する、若干の生来の
動的粒子集団、すなわち、大きいラーモア半径をもつ粒子を提供する。これは、衝突融合
実験において生成された安定性などの過去および現在のFRCの安定性の合計に、少なく
とも部分的に寄与すると思われるこれらの強い動的効果である。
、対流損失によって支配されてきた。粒子は、セパラトリックス体積から主に径方向外方
に拡散し、次いで縁層において軸方向に損失される。したがって、FRC閉じ込めは、閉
じた磁力線領域と開いた磁力線領域の両方の特性に依存する。セパラトリックスから出た
粒子の拡散時間は、τ⊥は約a2/D⊥(aは約rs/4であり、ここでrsは中心セパ
ラトリックスの半径である)と見積もられ、D⊥は、特性FRC拡散率であり(例えば、
D⊥は約12.5ρieであり、ρieはイオンジャイロ半径を表し)、外部印加磁場で
評価される。縁層の粒子閉じ込め時間
は、基本的に過去のFRC実験における軸方向通過時間である。定常状態において、径方
向の粒子損失と軸方向の粒子損失との間の均衡は、セパラトリックスの密度勾配長さδ、
約
をもたらす。FRC粒子閉じ込め時間は、セパラトリックスで実質的な密度を有する過去
のFRCに対して
と見積もられる(例えば、M.TUSZEWSKI、「Field Reversed
Configurations(磁場反転配位)」、Nucl.Fusion 28、2
033(1988)参照)。
不安定性を制御するために外部多極を使用する必要があったことである。このような方法
で、通常の外部印加された四重極磁場は、これらの不安定モードの成長を抑えるために、
必要な磁気を回復する圧力を提供した。この技法は熱バルクプラズマの安定制御に充分で
ある一方で、高い動的大軌道の粒子集団が通常の熱プラズマと組み合わされる場合、この
技法は、より動的なFRCまたは進化したハイブリッドのFRCに対して深刻な問題を有
する。これらのシステムでは、このような多極磁場に起因する軸対称の磁場の歪みは、正
準角運動量の保存を損失する結果、無衝突の確率的拡散を介して劇的に高速な粒子損失を
もたらす。したがって、いかなる粒子の拡散も高めることなく、安定制御を提供する新規
の解決策は、これらの今まで調査されなかった進歩したFRCの概念の、より高い潜在性
能を利用するために重要である。
材料研究、中性子X線撮影、および断層撮影のため)、コンパクト光子源(化学生産およ
び処理のため)、質量分離および濃縮システム、および将来のエネルギー生成のための軽
核の融合用炉心を含む、あらゆる種々の用途への経路として定常状態FRCを使用するた
めに、FRCの閉じ込めおよび安定性を改良することが望ましい。
よび維持を促進するシステムおよび方法を対象とする。この新しい高性能のFRCパラダ
イムによれば、本システムは、多くの新規の発想と、粒子、エネルギーおよび磁束のFR
C閉じ込めを劇的に向上させ、かつ負の副作用のない安定制御を提供する手段を組み合わ
せる。
ンチ形成部分、およびその形成部分を超えた、中性密度および不純物汚染を制御するため
の2つのダイバータ・チャンバによって包囲された中央閉じ込め容器を含む。磁気システ
ムは、FRCシステムの構成要素に沿って軸方向位置にある一連の疑似直流コイル、閉じ
込めチャンバのいずれかの端部と隣接した形成部分との間の疑似直流ミラー、ならびに、
各形成部分と、ダイバータに向かって磁束表面の焦点を合わせるために、追加のガイド磁
場を生成するダイバータとの間に小型の疑似直流ミラーコイルを備えるミラープラグを含
む。形成部分は、FRCをその場で形成し、次いで加速し入射する(静的形成)、または
形成し同時に加速する(動的形成)ことが可能な、モジュラーパルス電力形成システムを
含む。
は、ビーム注入器は、中性粒子を中央平面に向かって注入するように角度付けられる。ビ
ーム注入器を中央平面に向かって角度付け、軸方向ビーム位置を中央平面に近接させるこ
とは、注入周期の間、FRCプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム−
プラズマ結合を改良する。ゲッタリングシステムもまた、軸方向プラズマガンと同様に含
まれる。バイアス電極もまた、開磁束面の電気バイアスのために提供される。
含む、FRCの包括的プラズマパラメータは、中性ビームがプラズマの中に注入され、ペ
レットが、適切な粒子燃料補給を提供する間、減衰を伴わずに、実質的に持続可能である
。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
逆磁場構成(FRC)を伴う磁場を生成および維持するための方法であって、
閉じ込めチャンバ内にプラズマを中心としてFRCを形成するステップと、
前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度において、高速中性原子のビームを中性ビーム注入器からFRCプラズマの中に注入することによって、減衰を伴わずに、前記FRCを一定またはほぼ一定値に維持し、コンパクト・トロイドプラズマを前記FRCの中に注入するステップと、
を含む、方法。
(項目2)
前記チャンバを中心として延在する準直流コイルを用いて、前記チャンバ内に磁場を生成するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記チャンバの対向する端部を中心として延在する準直流ミラーコイルを用いて、前記チャンバの対向する端部内にミラー磁場を生成するステップをさらに含む、項目1および2に記載の方法。
(項目4)
前記FRCを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの端部に結合される形成区分内に形成FRCを形成するステップと、前記形成FRCを前記チャンバの中央平面に向かって加速させ、前記FRCを形成するステップとを含む、項目1から3に記載の方法。
(項目5)
前記FRCを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの第2の端部に結合される第2の形成区分内に第2の形成FRCを形成するステップと、前記第2の形成FRCを前記チャンバの中央平面に向かって加速させるステップとを含み、2つの形成FRCは、前記FRCを形成するように融合する、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記FRCを形成するステップは、前記形成FRCを前記チャンバの中央平面に向かって加速させながら、形成FRCを形成するステップと、形成FRCを形成し、次いで、前記形成FRCを前記チャンバの中央平面に向かって加速させるステップとのうちの1つを含む、項目4および5に記載の方法。
(項目7)
前記FRCの磁束面を前記形成区分の両端部に結合される複数のダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、項目5に記載の方法。
(項目8)
前記FRCの磁束面を前記形成区分の一端に結合される1つのダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、項目4に記載の方法。
(項目9)
前記FRCの磁束面を前記形成区分と反対の前記チャンバの端部に結合される第2のダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、項目8に記載の方法。
(項目10)
前記形成区分およびダイバータを中心として延在する準直流コイルを用いて、前記形成区分およびダイバータ内に磁場を生成するステップをさらに含む、項目7から9に記載の方法。
(項目11)
準直流ミラーコイルを用いて、前記形成区分と前記ダイバータとの間にミラー磁場を生成するステップをさらに含む、項目7および10に記載の方法。
(項目12)
前記形成区分と前記ダイバータとの間の狭窄部を中心として延在する準直流ミラープラグコイルを用いて、前記形成区分と前記ダイバータとの間の狭窄部内にミラープラグ磁場を生成するステップをさらに含む、項目11に記載の方法。
(項目13)
前記チャンバに結合される鞍形コイルを用いて、前記チャンバ内に磁気双極子場および磁気四重極場のうちの1つを生成するステップをさらに含む、項目1から12に記載の方法。
(項目14)
ゲッタリングシステムを用いて、前記チャンバの内部表面、形成区分、およびダイバータを調整するステップをさらに含む、項目1から13に記載の方法。
(項目15)
前記ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの1つを含む、項目14に記載の方法。
(項目16)
プラズマを軸方向に搭載されるプラズマガンから前記FRCの中に軸方向に注入するステップをさらに含む、項目1から15に記載の方法。
(項目17)
前記FRCの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップをさらに含む、項目1から16に記載の方法。
(項目18)
前記FRCの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、前記FRCの開磁束面群に電位分布を印加するステップを含む、項目17に記載の方法。
(項目19)
逆磁場構成(FRC)を伴う磁場を生成および維持するためのシステムであって、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合される第1および第2の直径方向に対向するFRC形成区分であって、FRCを生成し、前記FRCを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのモジュール式形成システムを備える、形成区分と、
前記第1および第2の形成区分に結合される第1および第2のダイバータと、
前記第1および第2のダイバータ、前記第1および第2の形成区分、および前記閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第1および第2の軸方向プラズマガンと、
前記閉じ込めチャンバに結合され、前記閉じ込めチャンバの縦軸に対して直角未満の角度において、中性原子ビームを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって注入するように配向される、複数の中性原子ビーム注入器と、
前記閉じ込めチャンバ、前記第1および第2の形成区分、ならびに前記第1および第2のダイバータの周囲に位置付けられる、複数の準直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第1および第2の形成区分との間に位置付けられる、第1および第2の準直流ミラーコイルのセットと、前記第1および第2の形成区分と前記第1および第2のダイバータとの間に位置付けられる、第1および第2のミラープラグとを備える、磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバならびに前記第1および第2のダイバータに結合される、ゲッタリングシステムと、
生成されたFRCの開磁束面を電気的にバイアスするための1つまたはそれを上回るバイアス電極であって、前記閉じ込めチャンバ、前記第1および第2の形成区分、ならびに前記第1および第2のダイバータのうちの1つまたはそれを上回るもの内に位置付けられる、前記1つまたはそれを上回るバイアス電極と、
前記閉じ込めチャンバに結合される、2つまたはそれを上回る鞍形コイルと、
前記閉じ込めチャンバに結合される、CT注入器と、
を備える、システム。
(項目20)
前記システムは、FRCを生成し、中性原子ビームが前記FRCの中に注入される間、減衰を伴わずに、前記FRCを一定またはほぼ一定値に維持するように構成される、項目19に記載のシステム。
(項目21)
前記ミラープラグは、前記第1および第2の形成区分のそれぞれと前記第1および第2のダイバータとの間に第3および第4のミラーコイルのセットを備える、項目19に記載のシステム。
(項目22)
前記ミラープラグはさらに、前記第1および第2の形成区分のそれぞれと前記第1および第2のダイバータとの間の通路内の狭窄部の周囲に巻着されたミラープラグコイルのセットを備える、項目19および20に記載のシステム。
(項目23)
伸長管は、石英ライナを伴う石英管である、項目19−22に記載のシステム。
(項目24)
前記形成システムは、パルス式パワー形成システムである、項目19−23に記載のシステム。
(項目25)
前記形成システムは、複数のストラップアセンブリの個々の1つに結合され、前記第1および第2の形成区分の伸長管の周囲に巻着された前記複数のストラップアセンブリの個々の1つのコイルのセットを励起する、複数のパワーおよび制御ユニットを備える、項目19−24に記載のシステム。
(項目26)
前記複数のパワーおよび制御ユニットの個々の1つは、トリガおよび制御システムを備える、項目25に記載のシステム。
(項目27)
前記複数のパワーおよび制御ユニットの個々の1つの前記トリガおよび制御システムは、前記FRCが、形成され、次いで、注入される、静的FRC形成、または前記FRCが、同時に、形成および平行移動される、動的FRC形成を可能にするように同期可能である、項目26に記載のシステム。
(項目28)
前記複数の中性原子ビーム注入器は、1つまたはそれを上回るRFプラズマ源中性原子ビーム注入器と、1つまたはそれを上回るアーク源中性原子ビーム注入器とを備える、項目19−27に記載のシステム。
(項目29)
前記複数の中性原子ビーム注入器は、前記FRCの区分線内に標的捕捉ゾーンを伴って、前記FRCに対して接線方向にある注入経路とともに配向される、項目19−28に記載のシステム。
(項目30)
前記ゲッタリングシステムは、前記閉じ込めチャンバならびに前記第1および第2のダイバータのプラズマに面した表面をコーティングする、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの1つまたはそれを上回るものを備える、項目19−29に記載のシステム。
(項目31)
バイアス電極は、開磁力線に接触するように前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられる、1つまたはそれを上回る点電極、方位角的に対称方式において遠端磁束層を充電する、前記閉じ込めチャンバと前記第1および第2の形成区分との間の環状電極のセット、前記第1および第2のダイバータ内に位置付けられ、複数の同心磁束層を充電する、複数の同心積層電極、および開磁束を奪取する、前記プラズマガンのアノードのうちの1つまたはそれを上回るものを含む、項目19−30に記載のシステム。
(項目32)
逆磁場構成(FRC)を伴う磁場を生成および維持するためのシステムであって、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合される第1および第2の直径方向に対向するFRC形成区分と、
前記第1および第2の形成区分に結合される第1および第2のダイバータと、
複数のプラズマガン、1つまたはそれを上回るバイアス電極、ならびに第1および第2のミラープラグのうちの1つまたはそれを上回るものであって、前記複数のプラズマガンは、前記第1および第2のダイバータ、前記第1および第2の形成区分、ならびに前記閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第1および第2の軸方向プラズマガンを含み、前記1つまたはそれを上回るバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第1および第2の形成区分、ならびに前記第1および第2のダイバータのうちの1つまたはそれを上回るもの内に位置付けられ、前記第1および第2のミラープラグは、前記第1および第2の形成区分と前記第1および第2のダイバータとの間に位置付けられる、複数のプラズマガン、1つまたはそれを上回るバイアス電極、ならびに第1および第2のミラープラグのうちの1つまたはそれを上回るものと、
前記閉じ込めチャンバならびに前記第1および第2のダイバータに結合される、ゲッタリングシステムと、
前記閉じ込めチャンバに結合され、前記閉じ込めチャンバの軸に対して直角に配向される、複数の中性原子ビーム注入器と、
前記閉じ込めチャンバ、前記第1および第2の形成区分、ならびに前記第1および第2のダイバータの周囲に位置付けられる、複数の準直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第1および第2の形成区分との間に位置付けられる、第1および第2の準直流ミラーコイルのセットとを備える、磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバに結合されたCT注入器と、
を備え、
前記システムは、FRCを生成し、中性ビームがプラズマの中に注入される間、減衰を伴わず前記FRCを維持するように構成される、システム。
(項目33)
前記システムは、FRCを生成し、中性原子ビームが、前記FRCの中に注入される間、減衰を伴わずに、前記FRCを一定またはほぼ一定値に維持するように構成される、項目32に記載のシステム。
(項目34)
前記ミラープラグは、前記第1および第2の形成区分のそれぞれと前記第1および第2のダイバータとの間に第3および第4のミラーコイルのセットを備える、項目32および33に記載のシステム。
(項目35)
前記ミラープラグはさらに、前記第1および第2の形成区分のそれぞれと前記第1および第2のダイバータとの間の通路内の狭窄部の周囲に巻着される、ミラープラグコイルのセットを備える、項目32−34に記載のシステム。
(項目36)
前記第1および第2のダイバータと、前記第1および第2の形成区分と、前記閉じ込めチャンバとに動作可能に結合される、第1および第2の軸方向プラズマガンをさらに備える、項目32−35に記載のシステム。
(項目37)
前記閉じ込めチャンバに結合される、2つまたはそれを上回る鞍形コイルをさらに備える、項目32−36に記載のシステム。
(項目38)
前記形成区分は、FRCを生成し、それを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのモジュール式形成システムを備える、項目32−37に記載のシステム。
(項目39)
バイアス電極は、開磁力線に接触するように前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられる、1つまたはそれを上回る点電極、方位角的に対称方式において、遠端磁束層を充電する、前記閉じ込めチャンバと前記第1および第2の形成区分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層を充電するように前記第1および第2のダイバータ内に位置付けられる、複数の同心積層電極、および開磁束を奪取する、前記プラズマガンのアノードのうちの1つまたはそれを上回るものを含む、項目32−38に記載のシステム。
た概要および以下に提供される好ましい実施形態の詳述と共に、本発明の原理を説明し教
示する働きをする。
ために図を通して同じ参照番号で概ね表されていることに留意されたい。また図は、本明
細書に記載された様々な実施形態の説明を容易にすることを意図するに過ぎないことにも
留意されたい。図は、必ずしも本明細書に開示された教示のすべての態様を説明せず、特
許請求の範囲を限定するものではない。
子、エネルギーおよび磁束閉じ込めを伴って、高性能逆磁場構成(FRC)の形成および
維持を促進する、システムおよび方法を対象とする。そのような高性能FRCは、コンパ
クト中性子源(医療用同位体生産、核廃棄物浄化、材料研究、中性子X線撮影、および断
層撮影のため)、コンパクト光子源(化学生産および処理のため)、質量分離および濃縮
システム、ならびに将来のエネルギー生成のための軽核の融合用炉心を含む、あらゆる種
々の用途への経路を提供する。
るかどうかを評価するために調査されてきた。これらの努力は、本明細書に説明された高
性能のFRCパラダイムの画期的な発見および発展をもたらした。この新しいパラダイム
によれば、本システムおよび方法は、多くの新規の発想と、図1に示したように、FRC
閉じ込めを劇的に向上させ、かつ負の副作用のない安定制御を提供する手段を組み合わせ
る。以下により詳細に論じるように、図1は、以下に説明する(図2および3参照)FR
Cシステム10における粒子閉じ込めを示し、FRCを形成し維持するために従来のレジ
ームCRによる作動に対して、また他の実施形態で使用されるFRCを形成し維持するた
めに従来のレジームによる粒子閉じ込めに対して、FRCを形成し維持するための高性能
のFRCレジーム(HPF)により作動する。本開示は、FRCシステム10の革新的な
個々の構成要素および方法、ならびにそれらの集合効果の概要を説明し詳述する。
真空システム
図2および3は、本FRCシステム10の概略を示す。FRCシステム10は、2つの
直径方向に対向する磁場反転シータピンチ形成部分200、およびその形成部分200を
超えた、中性密度および不純物汚染を制御するための2つのダイバータ・チャンバ300
によって包囲された中央閉じ込め容器100を含む。本FRCシステム10は、超高真空
を収容するように構築されており、一般的な基準圧10〜8トルで作動する。このような
真空圧は、嵌合構成要素、金属Oリング、高純度の内壁の間のダブルポンプの嵌合フラン
ジを使用し、ならびに物理的および化学的洗浄に続き、24時間250℃での真空焼成お
よび水素グロー放電洗浄などの、組立て前にすべての部分を最初に慎重に表面調整する必
要がある。
たパルス電力形成システムを備えているが、標準磁場反転シータピンチ(FRTP)であ
る。各形成部分200は、超高純度石英の2ミリメートルの内壁を特色とする、標準純度
工業グレードの石英管から作成される。閉じ込めチャンバ100は、ステンレス鋼から作
成されて、複数の径方向および接線方向のポートが可能になる。また閉じ込めチャンバ1
00は、以下に説明される実験の時間スケール上で磁束保存器として働き、高速過渡磁場
を制限する。真空は、ドライスクロール粗引きポンプ、ターボ分子ポンプおよびクライオ
ポンプのセットを備える、FRCシステム10内に生成され維持される。
磁気システム400は、図2および3に示されている。図2は、他の特徴の中でとりわ
け、FRCシステム10によって生産可能なFRC450に関する、FRC磁束および密
度等高線(径方向および軸方向座標の関数として)を示す。これらの等高線は、FRCシ
ステム10に対応するシステムおよび方法をシミュレーションするために開発されたコー
ドを使用して、二次元抵抗性Hall−MHD数値シミュレーションによって獲得された
ものであり、測定された実験データとよく合致する。図2に見られるように、FRC45
0は、セパラトリックス451の内側のFRC450の内部453で、閉じた磁力線のト
ーラス、およびセパラトリックス451のすぐ外側の開いた磁力線452上の環状縁層4
56からなる。縁層456は、FRCの長さを超えて集結してジェット454になり、自
然ダイバータを提供する。
めチャンバ100、形成部分200およびダイバータ300に沿って、特に軸方向位置に
ある一連の疑似直流コイル412、414、および416を含む。疑似直流コイル412
、414、および416は、疑似直流スイッチング電源によって供給され、閉じ込めチャ
ンバ100、形成部分200およびダイバータ300内に約0.1Tの基本磁気バイアス
磁場を生成する。疑似直流コイル412、414、および416に加えて、主磁気システ
ム410は、閉じ込めチャンバ100のいずれかの端部と隣接した形成部分200との間
に疑似直流ミラーコイル420(スイッチング電源によって供給される)を含む。疑似直
流ミラーコイル420は、最高5までの磁気ミラー比を提供し、平衡形状制御のために単
独で活性化されることが可能である。加えて、ミラープラグ440は、それぞれの形成部
分200とダイバータ300との間に位置付けられる。ミラープラグ440は、小型の疑
似直流ミラーコイル430およびミラープラグコイル444を備える。疑似直流ミラーコ
イル430は、ミラープラグコイル444を通過して短い直径の通路442に向かって磁
束表面455の焦点を合わせるために、追加のガイド磁場を生成する3つのコイル432
、434および436(スイッチング電源によって供給される)を含む。ミラープラグコ
イル444は、短い直径の通路442を中心に巻き付き、LCパルス電力回路によって供
給され、最高4Tまでの強いミラー磁場を生成する。このコイル配置全体の目的は、堅く
束ね、磁束表面455および端部に流れるプラズマジェット454を、ダイバータ300
の遠隔チャンバ310に導くことである。最後に、サドルコイル「アンテナ」460のセ
ット(図15参照)は、中央平面の各側面上に2つずつ、閉じ込めチャンバ100の外側
に配置され、直流電源によって供給される。サドルコイル・アンテナ460を、回転不安
定性の制御および/または電子電流制御のために、約0.01Tの準静的磁気双極子また
は四重極磁場を提供するように構成することができる。サドルコイル・アンテナ460は
、印加電流の方向に依存して、中央平面に対して対称または反対称のいずれかである、磁
場を柔軟に提供できる。
パルス電力形成システム210は、修正シータピンチ原理に基づいて作動する。それぞ
れが形成部分200の1つに電力を供給する、2つのシステムが存在する。図4〜6は、
形成システム210の主な構築ブロックおよび配置を示す。形成システム210は、個々
のユニット(=スキッド)220からなるモジュラーパルス電力配置から構成され、スキ
ッド220のそれぞれは、形成石英管240を中心に巻き付くストラップアセンブリ23
0(=ストラップ)のコイル232のサブセットを活性化する。各スキッド220は、コ
ンデンサ221、インダクタ223、高速大電流スイッチ225および関連トリガー22
2ならびにダンプ回路224から構成される。全体で、各形成システム210は、350
〜400kJの容量エネルギーを保存し、この容量エネルギーは、最高35GWまでの電
力を提供してFRCを形成し加速する。これらの構成要素の協調された作動は、最先端の
トリガーおよび制御システム222および224を介して達成され、それによって各形成
部分200上の形成システム210間のタイミングを同期することが可能になり、スイッ
チングジッタを数十ナノ秒に最小化する。このモジュラー設計の利点は、その柔軟な作動
である。すなわち、FRCをその場で形成でき、次いで加速し照射する(=静的形成)、
または形成し同時に加速する(=動的形成)ことができる。
中性原子ビーム600が、FRCシステム10上に展開され、加熱および電流駆動を提
供し、高速粒子圧力を発生させる。図3A、3B、および8に示されるように、中性原子
ビーム注入器システム610および640を構成する、個々のビーム線は、標的捕捉ゾー
ンが十分に区分線451(図2参照)の範囲内にあるように、衝突パラメータを用いて、
中心閉じ込めチャンバ100の周囲に位置し、高速粒子をFRCプラズマに対して接線方
向に(かつ、中心閉じ込め容器100内の対称長軸に対して垂直または直角である角度で
)注入する。各注入器システム610および640は、20〜40keVの粒子エネルギ
ーを用いて、最大1MWの中性ビームパワーをFRCプラズマの中に注入可能である。シ
ステム610および640は、正イオン多開口抽出源に基づき、幾何学的集束、イオン抽
出グリッドの慣性冷却、および差動ポンプを利用する。異なるプラズマ源の使用は別とし
て、システム610および640は、主に、側方および上方注入能力をもたらす、その個
別の搭載場所を満たすようなその物理的設計によって区別される。これらの中性ビーム注
入器の典型的構成要素は、側方注入器システム610に関する図7に具体的に図示される
。図7に示されるように、各個々の中性ビームシステム610は、端部を被覆する磁気遮
蔽614とともに、入力端部(これは、システム640内のアーク源で代用される)にR
Fプラズマ源612を含む。イオン光学源および加速グリッド616は、プラズマ源61
2に結合され、ゲート弁620は、イオン光学源および加速グリッド616と中和装置6
22との間に位置付けられる。偏向磁石624およびイオンダンプ628は、中和装置6
22と出口端部における照準デバイス630との間に位置する。冷却システムは、2つの
低温冷凍機634と、2つのクライオパネル636と、LN2シュラウド638とを備え
る。本柔軟性のある設計は、広範囲のFRCパラメータにわたる動作を可能にする。
接線方向に注入するが、角度Aは、中心閉じ込め容器100内の対称長軸に対して90°
未満であるものである。ビーム注入器615のこれらのタイプの配向は、図3Cに示され
る。加えて、ビーム注入器615は、中心閉じ込め容器100の中央平面の両側のビーム
注入器615が、その粒子を中央平面に向かって注入するように配向されてもよい。最後
に、これらのビームシステム600の軸方向位置は、中央平面により近接するように選定
されてもよい。これらの代替注入実施形態は、より中心における燃料補給選択肢を促進し
、ビームのより優れた結合および注入される高速粒子のより高い捕捉効率を提供する。さ
らに、角度および軸方向位置に応じて、ビーム注入器615の本配列は、FRC450の
軸方向伸長および他の特性のより直接的かつ独立した制御を可能にする。例えば、ビーム
を容器の対称長軸に対して浅角Aで注入することは、より長い軸方向伸展およびより低い
温度を伴うFRCプラズマを作成するであろう一方、より垂直な角度Aで取り上げること
は、軸方向により短いが、より高温のプラズマにつながるであろう。本方式では、ビーム
注入器615の注入角度Aおよび場所は、異なる目的のために最適化されることができる
。加えて、ビーム注入器615のそのような角度付けおよび位置付けは、より高いエネル
ギーのビーム(概して、より少ないビーム分散を伴う、より多くのパワーを堆積させるた
めにより好ましい)が、そうでなければ、そのようなビームを捕捉するために必要となる
であろうものより低い磁場の中に注入されることを可能にすることができる。これは、高
速イオン軌道スケールを判定するのが、エネルギーの方位角成分(容器の対称長軸に対す
る注入角度が一定ビームエネルギーで低減されるにつれて、徐々に小さくなる)という事
実に起因する。さらに、中央平面に向かって角度付けられた注入および中央平面に近接す
る軸方向ビーム位置は、注入周期の間、FRCプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小
しても、ビーム−プラズマ結合を改良する。
新しい粒子を照射し、FRCの粒子インベントリをより良好に制御する手段を提供する
ために、12バレルペレット照射装置700(例えば、I.Vinyarら、「Pell
et Injectors Developed at PELIN for JET,
TAE, and HL−2A(JET、TAE、およびHL−2Aに対してPELI
Nで開発されたペレット照射装置)」第26回Fusion Science and
Technology Symposium(核融合科学技術シンポジウム)の報告書、
9月27日〜10月1日(2010)参照)がFRCシステム10上に利用される。図3
は、FRCシステム10上のペレット照射装置700の配置を示す。円筒形ペレット(D
は約1mm、Lは約1〜2mm)は、FRCに速度150〜250km/sの範囲で照射
される。個々のペレットはそれぞれ、約5×1019の水素原子を含み、これはFRCの
粒子インベントリに匹敵する。
中性ハロガスは、すべての閉じ込めシステムにおいて深刻な問題であることは周知であ
る。電荷交換および再利用(壁からの低温の不純物材料の放出)プロセスは、エネルギー
および粒子閉じ込めに壊滅的な影響を与える可能性がある。加えて、縁部におけるまたは
縁部付近のいかなる高濃度の中性ガスも、照射された大きい軌道(高エネルギー)の粒子
(大きい軌道は、FRCトポロジーの規模の軌道、または少なくとも特性磁界勾配長さス
ケールよりはるかに大きい軌道半径を有する粒子を指す)の耐用期間を即座に喪失させる
、または少なくとも大幅に短くする、すなわち、これは、補助ビーム加熱を介する融合を
含め、すべてのエネルギープラズマの適用に弊害をもたらす。
て制御または低減できる手段である。この目的を達成するために、本明細書に提供された
FRCシステム10は、チタニウム(Ti)およびリチウム(Li)成膜システム810
および820を利用し、閉じ込めチャンバ(または容器)100およびダイバータ300
のプラズマ対向面をTiおよび/またはLiの薄膜(厚さ数十マイクロメートル)で被覆
する。被覆は蒸着技法により達成される。中実のLiおよび/またはTiは、被覆を形成
するために近傍表面上に蒸着され、かつ/または昇華されまた噴霧される。源は、ガイド
ノズル(Liの場合)822を備える原子炉、またはガイドシュラウド(Tiの場合)8
12を備える中実の加熱球である。Li蒸着システムは、通常、連続モードで作動するが
、Ti昇華装置は、普通はプラズマ作動の間に断続的に作動される。これらのシステムの
作動温度は、速い蒸着速度を得るために600℃を超える。良好な壁被覆を達成するため
に、複数の戦略的に配置された蒸着/昇華システムが必要とされる。図9は、FRCシス
テム10におけるゲッタリング蒸着システム810および820の好ましい配置を詳しく
示す。被覆は、ゲッタリング表面ならびに有効なポンプの原子および分子の水素種(Hお
よびD)として作用する。また被覆は、炭素および酸素などの他の通常の不純物をかなり
の水準で低減する。
上述のように、FRCシステム10は、図2および3に示したように、ミラーコイル4
20、430、および444のセットを利用する。ミラーコイル420の第1のセットは
、閉じ込めチャンバ100の2つの軸方向端部に配置され、主磁気システム410の閉じ
込めコイル412、414および416から単独に活性化される。ミラーコイル420の
第1のセットは、主に融合中にFRC450を進め軸方向に包含する助けとなり、持続し
ている間に平衡成形制御を提供する。第1のミラーコイルセット420は、中央閉じ込め
コイル412によって生成された中央閉じ込め磁場より名目上高い磁場(約0.4〜0.
5T)を生成する。ミラーコイル430の第2のセットは、3つの小型の疑似直流ミラー
コイル432、434および436を含み、形成部分200とダイバータ300との間に
配置され、一般的なスイッチ電源によって駆動される。ミラーコイル432、434およ
び436は、より小型のパルスミラープラグコイル444(容量電源によって供給される
)および物理的収縮部442と一緒に、狭い低ガス伝導通路を非常に高い磁場(約10〜
20msの立上り時間で2〜4T)で提供する、ミラープラグ440を形成する。最も小
型のパルスミラーコイル444は、閉じ込めコイル412、414および416のメート
ルプラススケールの孔およびパンケーキ型設計に比べて、小型の径方向寸法、20cmの
孔および同様の長さである。ミラープラグ440の目的は、以下のように多種多様である
。(1)コイル432、434、436および444を堅く束ね、磁束表面452および
端部に流れるプラズマジェット454を、遠隔ダイバータ・チャンバ300に導く。これ
は、排出粒子がダイバータ300に適切に到着し、中央FRC450の開いた磁力線45
2領域からダイバータ300までずっと追跡する、連続した磁束表面455が存在するこ
とを確実にする。(2)FRCシステム10における物理的収縮部442は、それを通っ
てコイル432、434、436および444が磁束表面452およびプラズマジェット
454を通過することができ、ダイバータ300内に着座するプラズマガン350からの
中性ガス流を妨げる。同じように、収縮部442は、形成部分200からダイバータ30
0へのガスの逆流を防止し、それによってFRCの起動を開始するときに、FRCシステ
ム10全体に導入しなければならない中性粒子の数が低減する。(3)コイル432、4
34、436および444によって生成された強い軸方向のミラーは軸方向の粒子損失を
低減し、それによって開いた磁力線上の平行な粒子拡散係数が低減する。
ダイバータ300のダイバータ・チャンバ310内に装着されたガン350からのプラ
ズマ流は、安定性および中性ビーム性能を向上させることを意図する。ガン350は、図
3および10に示したように、ダイバータ300のチャンバ310の内側の軸上に装着さ
れ、プラズマ流をダイバータ300内の開いた磁力線452に沿って、閉じ込めチャンバ
100の中心に向かって生成する。ガン350は、ワッシャー積層チャネル内に高濃度ガ
ス放出で作動し、5〜10msに完全にイオン化されたプラズマを数キロアンペア生成す
るように設計されている。ガン350は、出力プラズマ流を閉じ込めチャンバ100内の
所望のサイズのプラズマに一致させる、パルス磁気コイルを含む。ガン350の技術パラ
メータは、5〜13cmの外径、および最高10cmまでの内径を有するチャネルを特徴
とし、ガンの内部磁場は0.5〜2.3Tで、400〜600Vで10〜15kAの放電
電流を提供する。
めチャンバ100に流入することができる。ミラープラグ440を通るプラズマ移動の効
率は、ガン350とプラグ440との間の距離を低減し、プラグ440をより広く短くす
ることによって高まる。妥当な条件下で、ガン350はそれぞれ、約150〜300eV
および約40〜50eVの高いイオン温度および電子温度で、2〜4Tのミラープラグ4
40を通り約1022プロトン/sを送達する。ガン350は、FRCの縁層456の著
しい燃料補給および改良されたFRC全体の粒子閉じ込めを提供する。
0からプラズマ流に吹き入れることが可能である。この技法により、照射されたプラズマ
密度を数倍に高めることができる。FRCシステム10では、ミラープラグ440の側部
のダイバータ300上に搭載されたガスボックスは、FRCの縁層456の燃料補給、F
RC450の形成、およびプラズマ磁力線短絡を向上させる。
えた作動が可能であることを考慮すると、広いスペクトルの作動モードが利用可能である
ことがすぐにわかる。
開いた磁束表面の電気バイアスは、方位E×B運動を起こす径方向電位を提供すること
ができ、方位E×B運動は、開いた磁力線プラズマの回転、ならびに速度シアを介して実
際のFRCコア450を制御するための、ノブを回すのに類似した制御機構を提供する。
この制御を達成させるために、FRCシステム10は、機械の様々な部分に配置された様
々な電極を戦略的に利用する。図3は、FRCシステム10内の好ましい場所に位置付け
られたバイアス電極を示す。
C450の縁部において特定の開いた磁力線452に接触させる、閉じ込めチャンバ10
0内の点電極905、(2)方位が対称的な形で遠端磁束層456に帯電させるための、
閉じ込めチャンバ100と形成部分200との間の環状電極900、(3)複数の同心磁
束層455(それによって層の選択は、ダイバータ磁場を調節するためにコイル416を
調節することによって制御可能であり、その結果、適切な電極910上で所望の磁束層4
56を終了する)に帯電させるための、ダイバータ300内の同心電極910の積層、お
よび最後に(4)プラズマガン350自体(これは、FRC450のセパラトリックス付
近で内部の開いた磁束表面455を遮断する)の陽極920(図10参照)。図10およ
び11は、これらの一部に対するいくつかの典型的な設計を示す。
流電源によって駆動される。電極のサイズおよびどの磁束表面が交差しているかに依存し
て、電流をキロアンペア範囲で引くことができる。
良好に開発された磁場反転シータピンチ技法の後に、FRCシステム10上の標準プラ
ズマ形成が続く。FRCを開始するための通常のプロセスは、定常状態作動のために疑似
直流コイル412、414、416、420、432、434および436を駆動するこ
とにより開始する。次いでパルス電力形成システム210のRFTPパルス電力回路は、
パルス高速磁場反転コイル232を駆動して、形成部分200内に約−0.05Tの一時
的な逆バイアスを生成する。この点で、9〜20psiの所定の量の中性ガスを、形成部
分200の外端上に配置されたフランジにおいて方位角に配向されたパフ弁のセットを介
して、(北および南の)形成部分200の石英管チャンバ240によって画定された2つ
の形成容積の中に照射する。次に、小さいRF(約数百キロヘルツ)の磁場を、石英管2
40の表面上のアンテナのセットから生成して、中性ガス柱内に局所シードイオン化領域
(local seed ionization region)の形でプレプレイオン
化(pre−pre−ionization)を生成する。これに続いて、パルス高速磁
場反転コイル232を駆動する電流上にシータリング変調を加え、これによりガス柱のよ
り広範囲のプレイオン化がもたらされる。最後に、パルス電力形成システム210の主要
パルスパワーバンクを燃やして、最高0.4Tまでの順方向バイアス磁場を生成するため
にパルス高速磁場反転コイル232を駆動する。このステップは、順方向バイアス磁場が
形成管240の全長に亘って均一に生成されるように(静的形成)、または連続蠕動磁場
変調が、形成管240の軸に沿って達成されるように(動的形成)、時系列にすることが
できる。
形成プラズマに容易に送達されたマルチギガワットのパルス電力は、高温のFRCを生成
し、次いで高温のFRCは形成部分200から順方向磁場(磁場蠕動)の時系列の装着、
または形成管210(閉じ込めチャンバ100に向かって軸方向を指す、軸方向の磁場勾
配を形成する)の軸方向の外端近傍のコイルセット232の最後のコイル内の一時的に増
加した電流のいずれかの適用によって、形成部分200から照射される。そのように形成
され、加速された2つ(北および南)の形成FRCは、より大きい直径閉じ込めチャンバ
100に拡大し、この場合、疑似直流コイル412は、順方向バイアス磁場を生成して、
径方向の拡大を制御し平衡外部磁束を提供する。
FRCは衝突する。衝突中、北および南の形成FRCの軸方向の運動エネルギーは、FR
Cが単一のFRC450に最終的に融合すると、大きく熱化される。プラズマ診断の大き
いセットは、FRC450の平衡を調査するために閉じ込めチャンバ100の内で利用可
能である。FRCシステム10内の通常の作動条件は、セパラトリックスの半径が約0.
4mおよび軸方向に約3m延在する化合したFRCを生成する。さらなる特性は、約0.
1Tの外部磁場、約5×1019m−3のプラズマ密度および最高1keVまでの合計プ
ラズマ温度である。いかなる持続もなしに、すなわち中性ビーム照射または他の補助手段
によって加熱および/または電流駆動なしに、これらのFRCの耐用期間は、本来の特性
構成減衰時間の約1msに制限される。
図12は、FRC450のシータピンチ融合プロセスの力学を示すために、セパラトリ
ックスの半径rsに近づく、排除磁束半径rΔФの通常の時間発展を示す。2つ(北およ
び南)の個々のプラズモイドは、同時に生成され、次いでそれぞれの形成部分200から
出て超音速vz約250km/sで加速され、中央平面近傍でz=0で衝突する。衝突中
、プラズモイドは軸方向に圧迫し、続いて即座に径方向および軸方向に拡大し、最後に融
合してFRC450を形成する。融合するFRC450の径方向および軸方向の力学の両
方は、詳しく示した密度プロファイルの測定およびボロメータに基づいた断層撮影によっ
て証明される。
されている。FRCは、t=0で開始される。機械の軸方向の中央平面における排除磁束
半径は、図13(a)に示されている。このデータは、磁気プローブのアレイから得られ
、閉じ込めチャンバのステンレス鋼壁のすぐ内側に配置され、これは軸方向磁場を測定す
る。鋼壁は、この放出の時間スケール上の良好な磁束保存器である。
3(b)に示されている。垂直(y)FRC変位を考慮すると、ボロメータの断層撮影に
よって測定されたように、アーベル逆変換は図13(c)の密度等高線をもたらす。初め
の0.1ms間に一部の軸方向および径方向のスロッシング後、FRCは、中空密度プロ
ファイルを有して定着する。このプロファイルは極めて平坦であり、必要に応じて通常の
二次元FRC平衡により実質的な密度を軸上にもつ。
図13(d)に示されている。
ァイルによって見積もられる)の形状が、レーストラック型から楕円形に次第に進化する
ことを示す。図14に示されたこの進化は、2つのFRCから単一のFRCへの段階的な
磁気再結合に一致する。実際に、概算は、この特定の場合では、最初の2つのFRC磁束
の約10%が、衝突中に再結合すると示唆している。
14に見られ、ほとんどの対流エネルギー損失は、FRC閉じ込めより優先されることを
示唆する。セパラトリックスの内側のプラズマ圧力は、外部磁気圧力より急速に低減する
ので、端部領域における磁力線張力は、FRCを軸方向に圧迫し、軸方向および径方向の
平衡を回復する。図13および14に論じた放出に対して、FRCの磁束、粒子インベン
トリ、および熱エネルギー(それぞれ、約10mWb、7×1019粒子、および7kJ
)は、FRC平衡が低下するように見えたとき、最初のミリ秒後におよそ1桁低減する。
図12〜14における例は、いかなる持続もなしにFRCを減衰する特性である。しか
し、いくつかの技法は、FRCシステム10に展開されて、さらにFRC閉じ込め(内部
コアおよび縁層)をHPFレジームに向上させ、閉じ込めを持続させる。
まず、高速(H)中性を8個の中性ビーム照射装置600からビーム内のBzに垂直に
照射する。高速中性のビームは、北および南の形成FRCが閉じ込めチャンバ100内で
融合した瞬間から1つのFRC450の中に照射される。高速イオンは電荷交換によって
主に生成され、FRC450の方位電流に加えるベータトロン軌道(FRCトポロジーの
スケール上または特性磁場勾配長さスケールよりはるかに長い主要半径を有する)を有す
る。放出のわずか後(照射の0.5〜0.8ms後)、充分に大きい高速イオン集団は、
内部FRCの安定性および閉じ込め特性を著しく向上させる(例えば、M.W.Bind
erbauerおよびN.Rostoker、Plasma Phys.56、part
3、451(1996)参照)。さらに、持続の観点から、中性ビーム照射装置600
からのビームも、電流を駆動しFRCプラズマを加熱する主な手段である。
する。放出の初期の間、高速イオンの通常の軌道の平均減速時間は0.3〜0.5msで
あり、これは著しいFRCの主に電子の加熱をもたらす。高速イオンは、内部FRC磁場
が本質的に低いので(0.1Tの外部軸方向磁場に対して平均約0.03T)、セパラト
リックスの外側の径方向の偏位を大きくする。高速イオンは、中性ガス濃度がセパラトリ
ックスの外側で高過ぎた場合、電荷交換損失に対して弱いはずである。したがって、FR
Cシステム10上に展開した壁ゲッタリングおよび他の技法(とりわけガス制御に寄与す
るプラズマガン350およびミラープラグ440など)は、端中性を最小にし、高速イオ
ン電流の必要な構築を可能にする。
電子がより高温でFRCの耐用期間がより長い、超高速イオン集団がFRC450内に
構築される際、冷凍のHまたはDペレットは、ペレット照射装置700からFRC450
の中に照射されて、FRC450のFRC粒子インベントリを持続させる。予想されるア
ブレーション時間スケールは充分に短いので、かなりのFRC粒子源を提供する。またこ
の速度は、個々のペレットをより小さい片に砕くことにより、照射された片の表面積を拡
大することによって増大させることができるが、ペレット照射装置700のバレルまたは
照射管内で、また閉じ込めチャンバ100に入る前に、閉じ込めチャンバ100の中に入
る直前に照射管の最後の部分の曲げ半径を締め付けることにより、ペレットと照射管の壁
との間の片を増加させることによってステップを達成できる。12バレル(照射管)の燃
焼順序および速度、ならびに粉砕を変化させる恩恵により、ペレット照射システム700
を調整して、まさに所望のレベルの粒子インベントリの持続を提供することができる。そ
の結果、これはFRC450内の内部動圧ならびにFRC450の持続作動および耐用期
間を維持する役に立つ。
子は完全にイオン化される。次いで得られた低温のプラズマ構成要素は、本来のFRCプ
ラズマにより衝突して加熱される。所望のFRC温度を維持するために必要なエネルギー
は、ビーム照射装置600により最終的に供給される。この意味で、ペレット照射装置7
00は中性ビーム照射装置600と一緒に、定常状態を維持しFRC450を持続するシ
ステムを形成する。
ペレット注入器の代替として、主に磁場反転配位(FRC)プラズマに燃料補給するために、コンパクト・トロイド(CT)注入器が提供される。CT注入器720は、磁化同軸プラズマガン(MCPG)を含み、該プラズマガンは、図21に示されているように、同軸円筒形内側電極722および同軸円筒形外側電極724と、内側電極726に対して内部に配置されたバイアスコイルと、CT注入器720の放電部の反対側の端部上の電気遮断728とを含む。ガスは、内側電極722と外側電極724との間の空間の中にガス注入ポート730を通して注入され、スフェロマック状プラズマは、放電によってそこから発生させられ、ローレンツ力によってガンから押し出される。図22Aおよび22Bに示されているように、一対のCT注入器720は、閉じ込め容器100の中央平面の近くに、かつその両側で閉じ込め容器100に結合され、CTを閉じ込め容器100内の中央FRCプラズマの中に注入する。CT注入器720の放出端部は、中性子ビーム注入器615と同様に閉じ込め容器100の縦軸に対してある角度で、閉じ込め容器10の中央平面に向けられる。
定常状態の電流駆動を達成し、必要なイオン電流を維持するために、電子イオン摩擦力
(衝突イオン電子運動量移動からもたらされる)に起因する電子スピンを防止するまたは
著しく低減することが望ましい。FRCシステム10は、外部印加された静磁場双極子ま
たは四重極磁場を介して、電子遮断を提供する革新的な技法を利用する。これは、図15
に示した外部サドルコイル460を介して実現される。サドルコイル460から横方向に
印加された径方向の磁場は、回転するFRCプラズマ内の軸方向の電界を誘導する。得ら
れる軸方向の電子電流は、径方向の磁場と相互作用して、電子上に方位遮断力Fθ=−σ
Veθ<|Br|2>を生成する。FRCシステム10における典型的な条件に対して、
プラズマ内部に必要な印加された磁場双極子(または四重極磁場)は、適切な電子遮断を
提供するために約0.001Tのみであることが必要である。約0.015Tの対応する
外部磁場は充分に小さいので、多くの高速粒子損失あるいは閉じ込めに悪影響をもたらす
ことはない。事実、印加された磁場双極子(または四重極磁場)は、不安定性の抑制に寄
与する。接線中性ビーム照射と軸方向プラズマ照射を組み合わせて、サドルコイル460
は、電流の維持および安定性に関して追加レベルの制御を提供する。
ミラープラグ440内のパルスコイル444の設計により、適度(約100kJ)の容
量エネルギーで高磁場(2〜4T)の局所発生が可能になる。FRCシステム10のこの
作動の通常の磁場形成に対して、形成容積内のすべての磁力線は、図2における磁力線に
よって示唆されたように、ミラープラグ440で収縮部442を通過し、プラズマ壁の接
触は起きない。さらに、疑似直流ダイバータ磁気416と連動してミラープラグ440を
、磁力線をダイバータ電極910の上に導く、または磁力線を端部カスプ配位(図示せず
)内で燃焼させるように、調節することができる。後者は安定性を向上させ、平行な電子
熱伝導を抑圧する。
イバータ300の中へのガス逆流が、プラグの少量のガスコンダクタンス(わずか500
L/s)によって著しく低減するので、FRC形成中に石英管に吹き入れられる重水素ガ
スのより良好な利用が可能になる。形成管210内部の残りの吹き入れられたガスのほと
んどは、急速にイオン化される。加えて、ミラープラグ440を通って流れる高密度プラ
ズマは、有効な中性イオン化、ひいては有効なガス障壁を提供する。結果として、FRC
縁層456からダイバータ300内に再利用されたほとんどの中性は、閉じ込めチャンバ
100に戻らない。加えて、プラズマガン350の作動に関連した中性は(以下に論じる
ように)、ダイバータ300に大部分が閉じ込められることになる。
(プラグ/閉じ込め磁場)が20〜40の範囲で、北と南のミラープラグ440の間の長
さが15mで、縁層粒子閉じ込め時間
は、最高10倍まで増加する。向上する
は、FRC粒子閉じ込めを容易に増加させる。
軸方向損失
によって均衡がとられたと仮定すると、
が得られ、そこからセパラトリックス密度勾配長さを
と書き換えることができる。式中、rs、Lsおよびnsはそれぞれ、セパラトリックス
半径、セパラトリックス長さおよびセパラトリックス密度である。FRC粒子閉じ込め時
間は、
であり、式中、τ┴=a2/Dであり、a=rs/4である。物理的に、
が向上すると、δが増加し(セパラトリックス密度勾配およびドリフトパラメータが低減
し)、したがってFRC粒子損失が低減する。FRC粒子閉じ込めにおける全体の向上は
、nsが
と共に増加するので、概ね二次方程式より若干少ない。
における著しい向上はまた、縁層456が大幅な安定(すなわち、n=1のフルート、フ
ァイアホース、または開放システムに特有の他のMHDの不安定性がない)を維持するこ
とも必要とする。プラズマガン350の使用は、この好ましい縁部の安定性を提供する。
この意味では、ミラープラグ440およびプラズマガン350は、有効な縁部制御システ
ムを形成する。
プラズマガン350は、磁力線短絡によりFRC排除ジェット454の安定性を向上さ
せる。プラズマガン350からのガンプラズマは、方位角運動量なしに生成され、これは
FRC回転不安定性の制御に有用であることがわかる。したがって、ガン350は、より
古い四重極の安定化技術を必要としない、FRCの安定性を制御する有効な手段である。
結果として、プラズマガン350は、高速粒子の有益な効果を利用する、または本開示に
概要を述べたように、進化したハイブリッド運動FRCレジームに近づくことを可能にす
る。したがって、プラズマガン350により、FRCシステム10がまさに電子遮断に適
切だが、FRCの不安定性を引き起こす、かつ/または劇的な高速粒子拡散をもたらすは
ずである閾値より低い、サドルコイル電流で作動されることが可能になる。
を著しく向上できる場合、供給されたガンプラズマは、縁層粒子損失速度(約1022/
s)に匹敵するはずである。FRCシステム10内のガンを生成したプラズマの耐用期間
は、ミリ秒の範囲である。実際には、密度ne約1013cm−3およびイオン温度約2
00eVのガンプラズマが、端部ミラープラグ440の間に閉じ込められるとみなしてい
ただきたい。トラップ長さLおよびミラー率Rは、それぞれ約15mおよび20である。
クーロン衝突によるイオン平均自由行程は、λii約6×103cmであり、λiiIn
R/R<Lであるので、イオンはガス動的レジーム内に閉じ込められる。このレジームに
おけるプラズマ閉じ込め時間は、τgd約RL/2Vs約2msであり、式中、Vsはイ
オン音速である。比較のために、これらのプラズマパラメータに対する古典的イオン閉じ
込め時間は、τc約0.5τii(lnR+(lnR)0.5)約0.7msであるはず
である。異常横拡散は、原則としてプラズマ閉じ込め時間を短縮してもよい。しかし、F
RCシステム10では、ボーム拡散速度を前提とする場合、ガンプラズマに対する見積も
られた横閉じ込め時間は、τ⊥>τgd約2msである。それ故、ガンは、FRC縁層4
56の著しい燃料補給、および全体が改良されたFRC粒子閉じ込めを提供するはずであ
る。
れによってFRCの起動、移動および閉じ込めチャンバ100への融合に使用可能になる
。tが約0でオンする場合(FRC主要バンク開始)、ガンプラズマは、この動的に形成
され融合されたFRC450を持続する役に立つ。形成FRCから、およびガンから組み
合わせた粒子インベントリは、中性ビームの捕捉、プラズマの加熱、および長い持続に充
分である。tが−1〜0msの範囲でオンする場合、ガンプラズマは、プラズマで石英管
210を充填できる、または石英管の中に吹き入れたガスをイオン化でき、したがって、
吹き入れたガスを低減する、または恐らく0でさえあるFRC形成が可能になる。後者は
、逆バイアス磁場の高速拡散が可能になるために、充分に低温の形成プラズマが必要な場
合がある。tが<−2msでオンする場合、プラズマ流は、形成の約1〜3m3の磁力線
容積ならびに形成部分200の閉じ込め領域および目標プラズマ密度がわずか1013c
m−3である閉じ込めチャンバ100を充填することができ、FRCの到達前に中性ビー
ムの構築が充分に可能である。次いで形成FRCを形成し、得られる閉じ込め容器プラズ
マの中に移動できる。このような方法で、プラズマガン350は、広範囲の作動条件およ
びパラメータレジームが可能である。
縁層456内の径方向電界の制御は、FRCの安定性および閉じ込めに様々な方法で有
利である。FRCシステム10に展開した革新的なバイアス構成要素の恩恵により、電位
の様々な意図的な分散を閉じ込めチャンバ100内の中央閉じ込め領域の充分に外側の領
域から機械全体に亘って開いた磁束表面の群に印加することができる。このような方法で
、径方向磁場を、FRC450のすぐ外側の縁層456を横切って生成することができる
。次いでこれらの径方向電界は、縁層456の方位回転を修正し、E×B速度シアによっ
てその閉じ込めをもたらす。次いで縁層456とFRCコア453との間のあらゆる差動
回転を、シアによりFRCプラズマの内側に移動できる。結果として、縁層456を制御
することは、FRCコア453に直接影響を与える。さらに、プラズマ回転における自由
エネルギーも不安定性に関与できるので、この技法は、不安定性の開始および成長を制御
する直接手段を提供する。FRCシステム10では、適切な縁バイアスは、開いた磁力線
の移動および回転、ならびにFRCコア回転の有効な制御を提供する。様々な提供された
電極900、905、910および920の場所および形状により、磁束表面455の異
なる群の制御が異なる独立した電位で可能になる。このような方法で、多様な異なる電界
構成および強度を認識でき、それぞれはプラズマ性能に対する異なる性質の影響をもつ。
が、FRCプラズマの充分に外側から影響を与えることができる、すなわち、いかなる物
理的な構成要素も中央高温プラズマ(中央高温プラズマは、エネルギー、磁束および粒子
の損失に深刻な影響をもつはずである)に接触させる必要がないという事実である。これ
は、HPFの概念の性能およびすべての潜在用途に対して主要な有利な影響を有する。
中性ビームガン600からのビームによる高速粒子の照射は、HPFレジームを可能に
する重要な役割を果たす。図16はこの事実を示す。示されているのは、FRCの耐用期
間がビームパルスの長さにどのように関連するかを示す曲線のセットである。すべての他
の作動条件は、この研究を含むすべての放出に対して一定に保たれる。データは、多くの
照射に亘って平均し、したがって、通常の挙動を表す。ビーム期間が長いほど、より長く
存続するFRCを生成させることが極めて明白である。この証拠ならびにこの研究中の他
の診断を見ると、ビームは安定性を高め、損失を低減することを実証している。ビームパ
ルス長さとFRCの耐用期間との間の相互関係は、ビームトラッピングがある種のプラズ
マサイズ未満で効力がないので、すなわち、照射されたビームのすべての物理的サイズに
おけるFRC450の収縮が、捕捉されるまたはトラッピングされるわけではないので、
完全ではない。FRCの収縮は、主に、放電の間のFRCプラズマからの正味エネルギー
損失(放電のほぼ中間で約4MW)が、特定の実験設定に関して、中性ビーム(約2.5
MW)を介してFRCの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。
ビームを容器100の中央平面により近接する場所に位置させることは、これらの損失を
低減させ、FRC寿命時間を延長させる傾向となるであろう。
時間関数としてFRC450の耐用期間を示す典型的な曲線族を示す。すべての場合にお
いて、ビーム電力の一定の適度の量(約2.5MW)が、各放出の全期間照射される。各
曲線は、構成要素の異なる組合せを表す。例えば、ミラープラグ440、プラズマガン3
50またはゲッタリング・システム800からのゲッタリングのいずれもなしにFRCシ
ステム10を作動させると、回転の不安定性の急激な発生およびFRCトポロジーの損失
をもたらす。ミラープラグ440のみを加えると、不安定性の発生を遅らせ、閉じ込めを
増加させる。ミラープラグ440とプラズマガン350の組合せを利用すると、さらに不
安定性を低減し、FRCの耐用期間を増加させる。最後にガン350およびプラグ440
の上にゲッタリング(この場合Ti)を加えると、最良の結果を得る、すなわち、得られ
るFRCは、不安定性がなく、最長の耐用期間を示す。構成要素の完全な組合せが最良の
効果を生み出し、最良の目標条件をもつビームを提供することが、この実験証明から明ら
かである。
示す。図1は、従来のレジームとHPFレジームとの間のFRCシステム10における粒
子閉じ込め時間の変化を示す。見てわかるように、これは、HPFレジームにおいて5倍
をはるかに超えて改良されている。加えて、図1は、従来のFRC実験前の粒子閉じ込め
時間に対して、FRCシステム10における粒子閉じ込め時間を詳しく示す。これらの他
の機械に関して、FRCシステム10のHPFレジームは、5倍〜ほぼ20倍に閉じ込め
を改良してきた。最後に最も重要なことだが、HPFレジームにおけるFRCシステム1
0の閉じ込めスケーリングの本質は、すべての以前の測定とは劇的に異なる。FRCシス
テム10におけるHPFレジームの確立前に、様々な実証的スケーリング則が、以前のF
RC実験における閉じ込め時間を予測するためにデータから導き出された。これらのすべ
てのスケーリング則は、割合R2/ρiに主に依存する。式中、Rは磁場のない半径(機
械の物理的スケールの粗測)であり、ρiは外部印加磁場において評価されたイオン・ラ
ーモア半径(印加磁場の粗測)である。従来のFRCにおける長い閉じ込めは、大型機械
のサイズおよび/または高磁場のみで可能であることが図1から明らかである。従来のF
RCレジームCRにおいてFRCシステム10を作動することは、図1に示したように、
これらのスケーリング則に従う傾向がある。しかし、HPFレジームは非常に優れており
、はるかに良好な閉じ込めが、大型機械のサイズまたは高磁場なしに達成可能である。よ
り重要なことには、HPFレジームは、CRレジームに比べて低減したプラズマサイズを
もつ、改良された閉じ込め時間をもたらすことも図1から明らかである。また、同様の傾
向は、以下に説明するように磁束およびエネルギー閉じ込め時間にも見られ、その上、磁
束およびエネルギー閉じ込め時間は、FRCシステム10において3〜8倍を超えて増加
した。したがって、HPFレジームの進歩は、FRCシステム10におけるFRC平衡を
持続し維持するために、わずかなビーム電力、より低い磁場およびより小さいサイズの使
用、ならびに未来のより高エネルギーの機械の使用が可能になる。これらの改良に関連し
て、作動および構築費用を下げ、ならびに工学の複雑さを減らす。
ム放出からのデータを時間関数として示す。図18(a)は、中央平面での排除磁束半径
を示す。これらのより長い時間スケールに対して、誘導鋼鉄壁は、もはや磁束保存器のよ
うに良好ではなく、壁の内部にある磁気プローブは、鋼鉄を通る磁束拡散を適切に構成す
る壁の外側のプローブで増大される。図13に示したように、従来のレジームCRにおけ
る通常の性能と比較して、HPFレジームの作動モードは、400%を超える長い耐用期
間を示す。
度等高線と共に、図18(b)に示されている。従来のFRCレジームCRと比較して、
図13に示したように、プラズマは、非常に安定した作動を示し、パルス全体を通してよ
り不活発である。またピーク濃度は、HPF照射においてわずかに低く、これは、図18
(d)に示したように、より高い合計プラズマ温度(最高2倍まで)の結果である。
はそれぞれ、0.5ms、1msおよび1msである。放出への基準時間1msで、保存
されたプラズマエネルギーは2kJであるが、損失は約4MWであり、この目標を中性ビ
ーム持続に非常に適合させる。
HPF体系の全利点を要約する。図19から分かるように、t=0.5ms、すなわち、
t≦0.5msおよびt>0.5msの前後で測定された測定値に基づいて、磁束閉じ込
め(同様に、粒子閉じ込めおよびエネルギー閉じ込め)は、所与の区分線半径(rs)に
対して電子温度(Te)のほぼ2乗に伴って変化する。Teの正の指数(負の指数ではな
い)に伴う本強スケーリングは、閉じ込めが、典型的には、電子温度のある指数に反比例
する、従来のトカマクによって呈されるものと完全に反対である。本スケーリングの現れ
は、HPF状態および大軌道(すなわち、FRCトポロジのスケールおよび/または少な
くとも特性磁場勾配長スケール上の軌道)イオン集団の直接的結果である。基本的には、
本新しいスケーリングは、高動作温度に実質的に有利に働き、比較的に中程度のサイズの
炉を可能にする。
入を使用する、FRC持続または定常状態が、達成可能であって、プラズマ熱エネルギー
、総粒子数、プラズマ半径および長さ、ならびに磁束等の包括的プラズマパラメータが、
実質的減衰を伴わずに、合理的レベルで持続可能であることを意味する。比較のために、
図20は、プロットAには、時間の関数としてのFRCシステム10内の代表的HPF体
系放電からのデータを、プロットBには、FRC450が、中性ビームパルスの持続時間
を通して、減衰を伴わずに持続される、時間の関数としてのFRCシステム10内の投影
された代表的HPF体系放電のデータを示す。プロットAに関しては、約2.5〜2.9
MWの範囲内の総パワーを伴う中性ビームが、約6msの活性ビームパルス長のために、
FRC450の中に注入された。プロットAに描写される反磁性寿命時間は、約5.2m
sであった。より最近のデータは、約7.2msのプラズマ反磁性寿命時間が、約7ms
の活性ビームパルス長を用いて達成可能であることを示す。
ム捕捉が、あるプラズマサイズを下回ると非効率的となるため、完璧ではない、すなわち
、FRC450の物理的サイズが収縮するにつれて、注入されるビーム全てが、奪取およ
び捕捉されることはない。FRCの収縮または減衰は、主に、放電の間のFRCプラズマ
からの正味エネルギー損失(放電のほぼ中間で−4MW)が、特定の実験設定に関して、
中性ビーム(約2.5MW)を介してFRCの中に給送される総パワーより幾分大きいと
いう事実に起因する。図3Cに関して記載のように、ビーム注入が中性ビームガン600
から中央平面に向かって角度付けられることによって、注入周期の間、FRCプラズマが
収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム−プラズマ結合を改良する。加えて、適切
なペレット燃料補給は、必要プラズマ密度を維持するであろう。
ムガン600からの総ビームパワーを使用して行われたシミュレーションの結果であって
、中性ビームは、約15keVの粒子エネルギーを伴うH(または、D)中性粒子を注入
するものとする。ビームのそれぞれによって注入される等価電流は、約110Aである。
プロットBに関して、デバイス軸に対するビーム注入角度は、約20°、標的半径0.1
9mであった。注入角度は、範囲15°〜25°内で変更されることができる。ビームは
、方位角的に並流方向に注入されるものとする。中性ビーム運動量注入からの正味側方力
ならびに正味軸方向力は、最小限にされるものとする。プロットAと同様に、高速(H)
中性粒子が、北側および南側形成FRCが閉じ込めチャンバ100内で融合する瞬間から
、中性ビーム注入器600から1つのFRC450の中に注入される。
の多次元ホールMHDソルバ、エネルギー性ビーム成分および全散乱プロセスのための完
全動態学的モンテカルロベースのソルバ、ならびに全プラズマ種に対して結合された輸送
方程式集合を使用して、双方向損失プロセスをモデル化する。輸送成分は、実験的に較正
され、実験データベースに対して広範囲にわたってベンチマークされる。
ムパルスの長さとなるであろう。しかしながら、重要となる相関プロットBは、ビームが
オフにされると、プラズマまたはFRCが、その前ではなく、その時間において、減衰し
始めることを示すことに留意することが重要である。減衰は、ビーム支援ではない(おそ
らく、ビームオフ時間を約1ms超える)、放電中に観察され、単に、固有の損失プロセ
スによって駆動されるプラズマの特性減衰時間の反映であるものと類似するであろう。
され、本明細書に詳述された。しかし、本発明は開示された特定の形または方法に限定さ
れないが、逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に収まる、すべての
修正形態、均等物および代替形態を網羅するものであることを理解されたい。
説明されている。しかし、これらの具体的な詳述は、本開示の教示を実施するために必要
とはされないことが、当業者には明らかになろう。
るために、具体的にかつ明確に列挙されていないようなやり方で組み合わされていること
がある。エンティティの群のすべての階級区分または表示は、本来の開示目的のため、な
らびに特許請求の範囲の主題を限定する目的のために、あらゆる可能な中間値または中間
エンティティを開示することも明白に留意されたい。
書に記載された実施形態は、解明のためであり、本開示の主題を限定するとみなされるべ
きではないことを理解されたい。様々な修正形態、使用、置換、組合せ、改良、生産方法
が、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、当業者に明らかであるはずである。
例えば、本明細書に記載されたプロセス行為の具体的な順序および組合せは、特定の指定
がない限り例示に過ぎず、本発明を、異なるもしくは追加のプロセス行為、またはプロセ
ス行為の異なる組合せもしくは順序を使用して実施することができることを、読者は理解
するべきである。別の例として、一実施形態のそれぞれの特徴を、他の実施形態に示され
た他の特徴と混合または整合することができる。当業者に公知の特徴およびプロセスを、
要望通りに同様に組み合わせてもよい。加えてまた明らかに、特徴を要望通りに加えても
よく、または差し引いてもよい。したがって、本発明は、添付された特許請求の範囲およ
びそれらの均等物を考慮する以外に限定されない。
Claims (39)
- 逆磁場構成(FRC)を有する磁場を生成および維持するための方法であって、前記方法は、
閉じ込めチャンバ内にプラズマを中心としてFRCを形成するステップであって、前記FRCは、包括的プラズマパラメータを特定する値を有する、ステップと、
前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かう角度で、高速中性原子のビームを中性ビーム注入器からFRCプラズマの中に注入することによって、減衰を伴わずに、前記FRCの値を一定に維持し、前記閉じ込めチャンバの前記中央平面に向かう角度で、コンパクト・トロイド(CT)プラズマを第1のCT注入器および第2のCT注入器から前記FRCの中に注入するステップと
を含み、
前記第1のCT注入器および前記第2のCT注入器は、前記閉じ込めチャンバの前記中央平面の反対側に位置付けられており、
前記包括的プラズマパラメータは、プラズマ熱エネルギーと、総粒子数と、プラズマ半径と、プラズマ長さと、磁束とを含む、方法。 - 前記チャンバを中心として延在する準直流コイルを用いて、前記チャンバ内に磁場を生成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記チャンバの対向する端部を中心として延在する準直流ミラーコイルを用いて、前記チャンバの対向する端部内にミラー磁場を生成するステップをさらに含む、請求項1または請求項2に記載の方法。
- 前記FRCを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの端部に結合された形成区分内に形成FRCを形成するステップと、前記形成FRCを前記チャンバの前記中央平面に向かって加速させることにより、前記FRCを形成するステップとを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FRCを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの第2の端部に結合された第2の形成区分内に第2の形成FRCを形成するステップと、前記第2の形成FRCを前記チャンバの前記中央平面に向かって加速させるステップとを含み、2つの形成FRCは、前記FRCを形成するように融合する、請求項4に記載の方法。
- 前記FRCを形成するステップは、前記形成FRCを前記チャンバの前記中央平面に向かって加速させながら、形成FRCを形成するステップと、形成FRCを形成し、次いで、前記形成FRCを前記チャンバの前記中央平面に向かって加速させるステップとのうちの1つを含む、請求項4または請求項5に記載の方法。
- 前記FRCの磁束面を前記形成区分の端部に結合された複数のダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記FRCの磁束面を前記形成区分の端部に結合された1つのダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記FRCの磁束面を前記形成区分と反対の前記チャンバの端部に結合された第2のダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 前記形成区分およびダイバータを中心として延在する準直流コイルを用いて、前記形成区分およびダイバータ内に磁場を生成するステップをさらに含む、請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
- 準直流ミラーコイルを用いて、前記形成区分と前記ダイバータとの間にミラー磁場を生成するステップをさらに含む、請求項7または請求項10に記載の方法。
- 前記形成区分と前記ダイバータとの間の狭窄部を中心として延在する準直流ミラープラグコイルを用いて、前記形成区分と前記ダイバータとの間の狭窄部内にミラープラグ磁場を生成するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記チャンバに結合された鞍形コイルを用いて、前記チャンバ内に磁気双極子場および磁気四重極場のうちの1つを生成するステップをさらに含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- ゲッタリングシステムを用いて、前記チャンバの内部表面、形成区分の内部表面、ダイバータの内部表面を調整するステップをさらに含む、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの1つを含む、請求項14に記載の方法。
- 軸方向に搭載されるプラズマガンからプラズマを前記FRCの中に軸方向に注入するステップをさらに含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FRCの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップをさらに含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FRCの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、前記FRCの開磁束面群に電位分布を印加することを含む、請求項17に記載の方法。
- 逆磁場構成(FRC)を有する磁場を生成および維持するためのシステムであって、前記システムは、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合された第1のFRC形成区分および第2のFRC形成区分であって、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分は、互いに直径方向に対向し、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分は、モジュール式形成システムを含み、前記モジュール式形成システムは、FRCを生成し、前記FRCを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのものである、第1のFRC形成区分および第2のFRC形成区分と、
前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分に結合された第1のダイバータおよび第2のダイバータと、
前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分と前記閉じ込めチャンバとに動作可能に結合された第1の軸方向プラズマガンおよび第2の軸方向プラズマガンと、
前記閉じ込めチャンバに結合された複数の中性原子ビーム注入器であって、前記複数の中性原子ビーム注入器は、前記閉じ込めチャンバの縦軸に対して直角未満の角度で、中性原子ビームを前記閉じ込めチャンバの前記中央平面に向かって注入するように配向されている、複数の中性原子ビーム注入器と、
磁気システムであって、前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分、前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータの周囲に位置付けられた複数の準直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分との間に位置付けられた第1の準直流ミラーコイルおよび第2の準直流ミラーコイルのセットと、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分と前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとの間に位置付けられた第1のミラープラグおよび第2のミラープラグとを含む、磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバと前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとに結合されたゲッタリングシステムと、
生成されたFRCの開磁束面を電気的にバイアスするための1つ以上のバイアス電極であって、前記1つ以上のバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分、前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータのうちの1つ以上の中に位置付けられている、1つ以上のバイアス電極と、
前記閉じ込めチャンバに結合された2つ以上の鞍形コイルと、
前記閉じ込めチャンバの前記中央平面に向かう角度で、前記閉じ込めチャンバに結合された第1のコンパクト・トロイド(CT)注入器および第2のコンパクト・トロイド(CT)注入器と
を備え、
前記第1のCT注入器および前記第2のCT注入器は、前記閉じ込めチャンバの前記中央平面の反対側に位置付けられている、システム。 - 前記システムは、FRCを生成するように構成されており、前記FRCは、包括的プラズマパラメータを特定する値を有し、前記システムは、中性原子ビームが前記FRCの中に注入される間、減衰を伴わずに、前記FRCの値を一定に維持するように構成されており、前記包括的プラズマパラメータは、プラズマ熱エネルギーと、総粒子数と、プラズマ半径と、プラズマ長さと、磁束とを含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記ミラープラグは、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分のそれぞれと前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとの間に第3のミラーコイルおよび第4のミラーコイルのセットを含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記ミラープラグは、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分のそれぞれと前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとの間の通路内の狭窄部の周囲に巻着されたミラープラグコイルのセットをさらに含む、請求項19または請求項20に記載のシステム。
- 伸長管は、石英ライナを有する石英管である、請求項19〜22のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記形成システムは、パルス式パワー形成システムである、請求項19〜23のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記形成システムは、複数のパワーおよび制御ユニットを含み、前記複数のパワーおよび制御ユニットは、複数のストラップアセンブリの個々の1つに結合され、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分の伸長管の周囲に巻着された前記複数のストラップアセンブリの個々の1つのコイルのセットを励起する、請求項19〜24のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記複数のパワーおよび制御ユニットの個々の1つは、トリガおよび制御システムを含む、請求項25に記載のシステム。
- 前記複数のパワーおよび制御ユニットの個々の1つの前記トリガおよび制御システムは、静的FRC形成または動的FRC形成を可能にするように同期可能であり、前記静的FRC形成では、前記FRCが形成され、次いで、注入され、前記動的FRC形成では、前記FRCが、同時に、形成され平行移動される、請求項26に記載のシステム。
- 前記複数の中性原子ビーム注入器は、1つ以上のRFプラズマ源中性原子ビーム注入器と、1つ以上のアーク源中性原子ビーム注入器とを含む、請求項19〜27のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記複数の中性原子ビーム注入器は、前記FRCの区分線内に標的捕捉ゾーンを伴って、前記FRCに対して接線方向にある注入経路とともに配向されている、請求項19〜28のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ゲッタリングシステムは、前記閉じ込めチャンバならびに前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータのプラズマに面した表面をコーティングする、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの1つ以上を含む、請求項19〜29のいずれか一項に記載のシステム。
- バイアス電極は、開磁力線に接触するように前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられている1つ以上の点電極、方位角的に対称方式において遠端磁束層を充電するように前記閉じ込めチャンバと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層を充電するように前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータ内に位置付けられている複数の同心積層電極、開磁束を奪取する前記プラズマガンのアノードのうちの1つ以上を含む、請求項19〜30のいずれか一項に記載のシステム。
- 逆磁場構成(FRC)を有する磁場を生成および維持するためのシステムであって、前記システムは、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合された第1のFRC形成区分および第2のFRC形成区分であって、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分は、互いに直径方向に対向する、第1のFRC形成区分および第2のFRC形成区分と、
前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分に結合された第1のダイバータおよび第2のダイバータと、
複数のプラズマガン、1つ以上のバイアス電極、第1のミラープラグおよび第2のミラープラグのうちの1つ以上であって、前記複数のプラズマガンは、前記第1のダイバータおよび第2のダイバータと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分と前記閉じ込めチャンバとに動作可能に結合された第1の軸方向プラズマガンおよび第2の軸方向プラズマガンを含み、前記1つ以上のバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分、前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータのうちの1つ以上の中に位置付けられており、前記第1のミラープラグおよび前記第2のミラープラグは、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分と前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとの間に位置付けられている、複数のプラズマガン、1つ以上のバイアス電極、第1のミラープラグおよび第2のミラープラグのうちの1つ以上と、
前記閉じ込めチャンバと前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとに結合されたゲッタリングシステムと、
前記閉じ込めチャンバに結合された複数の中性原子ビーム注入器であって、前記複数の中性原子ビーム注入器は、前記閉じ込めチャンバの軸に対して直角に配向されている、複数の中性原子ビーム注入器と、
磁気システムであって、前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分、前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータの周囲に位置付けられている複数の準直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分との間に位置付けられている第1の準直流ミラーコイルおよび第2の準直流ミラーコイルのセットとを含む、磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かう角度で、前記閉じ込めチャンバに結合された第1のコンパクト・トロイド(CT)注入器および第2のコンパクト・トロイド(CT)注入器と
を備え、
前記第1のCT注入器および前記第2のCT注入器は、前記閉じ込めチャンバの前記中央平面の反対側に位置付けられており、
前記システムは、FRCを生成することと、中性ビームがプラズマの中に注入される間、減衰を伴わず前記FRCを維持することとを行うように構成されている、システム。 - 前記システムは、FRCを生成するように構成されており、前記FRCは、包括的プラズマパラメータを特定する値を有し、前記システムは、中性原子ビームが前記FRCの中に注入される間、減衰を伴わずに、前記FRCの値を一定に維持するように構成されており、前記包括的プラズマパラメータは、プラズマ熱エネルギーと、総粒子数と、プラズマ半径と、プラズマ長さと、磁束とを含む、請求項32に記載のシステム。
- 前記ミラープラグは、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分のそれぞれと前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとの間に第3のミラーコイルおよび第4のミラーコイルのセットを含む、請求項32または請求項33に記載のシステム。
- 前記ミラープラグは、前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分のそれぞれと前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータとの間の通路内の狭窄部の周囲に巻着されたミラープラグコイルのセットをさらに含む、請求項32〜34のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分と前記閉じ込めチャンバとに動作可能に結合された第1の軸方向プラズマガンおよび第2の軸方向プラズマガンをさらに備える、請求項32〜35のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記閉じ込めチャンバに結合された2つ以上の鞍形コイルをさらに備える、請求項32〜36のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分は、モジュール式形成システムを含み、前記モジュール式形成システムは、FRCを生成し、それを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのものである、請求項32〜37のいずれか一項に記載のシステム。
- バイアス電極は、開磁力線に接触するように前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられている1つ以上の点電極、方位角的に対称方式において、遠端磁束層を充電するように前記閉じ込めチャンバと前記第1のFRC形成区分および前記第2のFRC形成区分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層を充電するように前記第1のダイバータおよび前記第2のダイバータ内に位置付けられている複数の同心積層電極、開磁束を奪取する前記プラズマガンのアノードのうちの1つ以上を含む、請求項32〜38のいずれか一項に記載のシステム。
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