KR20230101896A - 플라즈마 가열을 위한 전자 빔을 위한 시스템, 디바이스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 가열을 위한 플라즈마 이미터들을 갖는 긴 펄스의 고출력 전자 빔. 전자 빔은 아크 플라즈마 소스, 가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 효과적인 e-빔 형성, 수송 및 궁극적으로 관심 플라즈마 구속 디바이스로의 주입을 제공하기 위한 자기 시스템을 포함하는 빔라인, 플라즈마 발생기 코일, 플라즈마 이미터 코일, 렌즈 코일 및 빔 수송 코일을 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 11월 9일에 출원된 미국 임시특허출원 No. 63/111,446에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원은 모든 목적을 위해 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술분야
본 명세서에 기술된 실시예는 대체로 전자 빔(electron beam)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 가열을 용이하게 하는 플라즈마 이미터(plasma emitter)를 구비한 긴 펄스의 고출력 전자 빔(long-pulse, high power electron beam)을 위한 시스템, 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
필드 역전된 구성(Field Reversed Configuration, FRC)은 컴팩트 토로이드(compact toroid, CT)로 알려진 자기 플라즈마 구속 토폴로지(magnetic plasma confinement topology)들의 클래스에 속한다. 그것은 주로 폴로이달 자기장(poloidal magnetic field)을 나타내며 제로(zero) 또는 작은 자체 생성 토로이달 자기장(toroidal field)을 소유한다(M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033(1988) 참조). 그러한 구성의 매력은 구축 및 유지관리가 용이한 단순한 기하학적 형상, 에너지 추출과 애쉬(ash) 제거를 용이하게 하는 자연적인 제한되지 않은 다이버터(divertor), 매우 높은 β(β는 FRC 내에서 평균 자기장 압력에 대한 평균 플라즈마 압력의 비율임), 즉 높은 전력 밀도(power density)이다. 높은 β 특성은 경제적인 동작과, D-He3 및 p-B11과 같은 진보된 무중성자(aneutronic) 연료의 사용에 유리하다.
FRC를 형성하는 전통적인 방법은 필드-역전된 쎄타-핀치 기술(field-reversed θ-pinch technology)을 사용하여, 고온 고밀도 플라즈마를 생성한다(A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993) 참조). 이에 대한 변형은 쎄타-핀치 "소스"에서 생성된 플라즈마가 일 단부에서 구속 챔버(confinement chamber)안으로 거의 바로 분출되는 병진이동-트랩핑(translation-trapping) 방법이다. 병진이동하는 플라스모이드(plasmoid)는 그 다음에 챔버의 단부들에 있는 2 개의 강력한 미러(mirror)들 사이에 트랩된다(예를 들어, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995) 참조). 구속 챔버에 들어가면, 빔 주입(beam injection)(중성 또는 중성화된), 자기장 회전, RF 또는 옴 가열(ohmic heating) 등과 같은 다양한 가열 및 전류 구동 방법이 적용될 수 있다. 소스 및 구속 기능의 이러한 분리는 잠재적인 미래의 융합 원자로(fusion reactor)에 대해 주요 엔지니어링(engineering) 이점을 제공한다. FRC는 극히 강건(robust)하고, 동적인 형성, 병진이동, 및 격렬한 포획 이벤트(violent capture event)에 탄성적인 것으로 입증되었다. 더욱이, 이들은 바람직한 플라즈마 상태를 띠는 경향을 보여준다(예를 들어 H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004) 참조). 과거 십 년에 상당한 진척이 이루어져 다른 FRC 형성 방법: 스페로막(spheromaks)을 반대로 지향되는 헬리시티(helicities)와 병합하는 방법(예를 들어 Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, 및 T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001(1999) 참조)과, 회전하는 자기장(rotating magnetic field: RMF)으로 전류를 구동하여(예를 들어 I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999) 참조) 추가적인 안정성을 또한 제공하는 방법이 개발되었다.
이전 FRC 시스템 설계의 결점은 이온-전자 충돌을 통한 전자에 대한 전력 감쇠(power damping) 메커니즘으로 인해 불량한 전자 가열 효율을 갖는 경향이 있는 중성 빔 주입(neutral beam injection) 이외의 효율적인 전자 가열 체제(regime)가 없다는 점이다. 플라즈마의 전자 가열에 대한 한 가지 접근 방식은 전자 빔을 사용하는 것이다. FRC 시스템에서 전자 빔을 사용한 효율적인 전자 가열에는 긴 펄스의 고출력 전자 빔이 필요하다.
긴 펄스의 고출력 전자 빔을 생성하는 데 있어서의 문제는 주로 캐소드 열화(cathode degradation) 및 높은 빔 퍼비언스(perveance)로 인한 상당한 빔 공간 전하 효과(beam space charge effects)와 연관된다. 이전의 많은 응용 분야에서, 캐소드는 고체 물질 또는 소위 플라즈마 이미터를 형성하는 그리드 전극(grid electrode)들의 시스템으로 만들어졌다. 두 경우 모두, 높은 에너지의 입자들이 캐소드의 활성 표면에 충격(bombardment)을 가함으로 인한 높은 열 플럭스(heat fluxes)의 문제가 발생한다. 빔의 공간 전하 효과로 인해 빔 포락선(envelope)이 거리에 따라 빠르게 확대되거나 붕괴될 수 있다. 추가적인 조치를 취하지 않으면 빔 포락선 거동이 또한 빔라인(beamline)을 따른 주변 가스 조건에 극도로 민감해져 최종 목적지로의 빔 전파 및 수송을 제어하는 것을 사실상 불가능하게 한다.
개방형 플라즈마 구속 구성에서의 플라즈마 가열 목적을 위해, 전자 빔의 주입은 플라즈마 구속 설비의 대칭축을 따라 행해질 수 있으며, 이는 자기 플러그(magnetic plug)를 통해 빔을 구속 영역으로 수송하는 것의 문제를 수반한다. 이것은 (빔의) 플라즈마 발생기 디바이스의 자기 시스템뿐만 아니라 전자 빔의 자기 시스템에 대한 많은 특정 요구사항을 부과한다.
언급된 바와 같이, 이전 접근방식의 주된 단점은 낮은 펄스 지속시간 및 낮은 빔 전류를 초래하는 캐소드 열화이다. 고체 물질로 만들어진 캐소드는 가열 및 입자 충격과 연관된 높은 에너지 플럭스를 견딜 수 없다. 따라서, 이전 접근방식에서 펄스 지속시간은 보통 ~100 마이크로초(microseconds)로 제한된다. 같은 이유로 작업 주기의 수도 캐소드 교체가 필요하기 전에 ~100 내지 1000 펄스로 제한된다.
추가적으로, 이전 접근방식에서, 빔 전류의 밀도 및 그에 따른 빔 공간 전하는 빔라인을 설계하는 동안 그리고 빔 수송 동안 공간 전하 효과를 무시할 수 있도록 비교적 작은 값으로 유지된다.
플라즈마 가열을 위한 플라즈마 이미터를 구비한 긴 펄스의 고출력 전자 빔을 가능하게 하는 개선된 시스템, 디바이스 및 방법이 요구된다.
FRC 플라즈마의 플라즈마 가열을 위해 플라즈마 이미터를 구비한 긴 펄스의 고출력 전자 빔을 생성하기 위해 시스템, 디바이스 및 방법의 예시적인 실시예가 제공된다. 예시적인 실시예에서, 전자 빔은 아크(arc) 플라즈마 소스, 가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템(electron optical system), 효과적인 e-빔 형성, 수송 및 궁극적으로 관심 플라즈마 구속 디바이스로의 주입을 제공하기 위한 자기 시스템(magnetic system)을 포함하는 빔라인(beamline), 플라즈마 발생기 코일(plasma generator coil), 플라즈마 이미터 코일(plasma emitter coil), 렌즈 코일(lens coil) 및 빔 수송 코일(beam transport coil)을 포함한다.
본 명세서에 설명된 주제의 다른 시스템, 디바이스, 방법, 특징 및 이점은 다음 도면 및 상세한 설명을 검토할 때 이 분야의 기술자들에게 명백하거나 명백해질 것이다. 그러한 모든 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점은 본 명세서 내에 포함되고, 본 명세서에 설명된 주제의 범위 내에 있고, 첨부된 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다. 청구범위에 그러한 특징들이 명시적으로 기재되어 있지 않는 한, 어떠한 방식으로도 예시적인 실시예의 특징들이 첨부된 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서의 일부로 포함되는 첨부 도면은 현재의 예시적인 실시예를 도시하고, 위에 제공된 전반적인 설명 및 아래에 제공되는 예시적인 실시예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 교시하는 역할을 한다.
도 1은 종래의(conventional) FRC 체제(CR)하에서와 대비하여, 그리고 다른 종래의 FRC 실험들과 대비하여, 고성능(high performance) FRC 체제(HPF)하의 본 FRC 시스템에서의 입자 구속을 도시한다.
도 2는 본 FRC 시스템의 구성요소들 및 본 FRC 시스템에서 생성할 수 있는 FRC의 자기 토폴로지(magnetic topology)를 도시한다.
도 3a는 중앙 구속 용기, 형성 섹션, 다이버터들, 중성 빔, 전극들, 플라즈마 건(plasma gun)들, 미러 플러그(mirror plug)들 및 펠릿 인젝터(pellet injector)의 바람직한 배열을 포함하는, 위에서 본 본 FRC 시스템의 기본 레이아웃을 도시한다.
도 3b는 위에서 본 중앙 구속 용기를 도시하고 중앙 구속 용기의 주 대칭 축에 수직한 각도로 배열된 중성 빔(neutral beams)을 도시한다.
도 3c는 위에서 본 중앙 구속 용기를 도시하고 중앙 구속 용기의 주 대칭 축에 대해 수직보다 작은 각도로 배열되고 중앙 구속 용기의 중간-평면을 향해 입자를 주입하도록 지향되는 중성 빔을 도시한다.
도 3d 및 도 3e는 중앙 구속 용기, 형성 섹션, 내측 및 외측 다이버터들, 중앙 구속 용기의 주 대칭축에 수직보다 작은 각도로 배열된 중성 빔, 전극들, 플라즈마 건들 및 미러 플러그들의 바람직한 배열을 포함하는, 본 FRC 시스템의 대안적인 실시예의 기본 레이아웃의 평면도 및 사시도를 각각 도시한다.
도 4는 형성 섹션들을 위한 펄스 전력 시스템(pulsed power system)의 구성요소의 개략도를 도시한다.
도 5는 개별 펄스 전력 형성 스키드(skid)의 등측 도면(isometric view)을 도시한다.
도 6은 형성 튜브 조립체의 등측 도면을 도시한다.
도 7은 중성 빔 시스템 및 주요 구성요소의 부분 단면 등측 도면을 도시한다.
도 8은 구속 챔버 상의 중성 빔 배열의 등측 도면을 도시한다.
도 9는 Ti 및 Li 게터링(gettering) 시스템의 바람직한 배열의 부분 단면 등측 도면을 도시한다.
도 10은 다이버터 챔버에 설치된 플라즈마 건의 부분 단면 등측 도면을 도시한다. 또한 연관된 자기 미러 플러그와 다이버터 전극 조립체가 보여진다.
도 11은 구속 챔버의 축방향 단부에 있는 환형 바이어스 전극(annular bias electrode)의 바람직한 레이아웃을 도시한다.
도 12는 2 개의 필드 역전된 쎄타 핀치 형성 섹션들에서의 일련의 외부 반자성 루프(diamagnetic loop)들 및 중앙 금속 구속 챔버 내부에 내장된 자기 프로브(magnetic probe)들로부터 획득된 FRC 시스템에서의 배제된 플럭스 반경의 점진적인 변화를 도시한다. 시간은 형성 소스에서 동기화된 필드 역전(synchronized field reversal)의 순간부터 측정되고, 거리(z)는 기계의 축 중간평면에 대해 주어진다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는 본 FRC 시스템에서 대표적인 비-HPF, 비-지속(un-sustained) 방전(discharge)으로부터의 데이터를 도시한다. 중간평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 13a), 중간평면 CO2 간섭계로부터 선-적분된(line-integrated) 밀도의 6 개 코드(chord)(도 13b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨-반전된(Abel-inverted) 밀도 반경방향 프로파일(도 13c), 및 압력 균형으로부터의 전체 플라즈마 온도(도 13d)가 시간의 함수로서 보여진다.
도 14는 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 본 FRC 시스템의 동일한 방전에 대해 선택된 시간에서의 배제된 플럭스 축방향 프로파일을 도시한다.
도 15는 구속 챔버 외부에 장착된 안장 코일(saddle coil)들의 등측 도면을 도시한다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 FRC 수명과 주입된 중성 빔의 펄스 길이의 상관 관계를 도시한다. 도시된 바와 같이, 더 긴 빔 펄스는 더 긴 수명의 FRC를 생성한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 FRC 성능 및 HPF 체제의 달성에 대한 FRC 시스템의 상이한 구성요소들의 개별 및 조합된 효과를 도시한다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 본 FRC 시스템에서 대표적인 HPF, 비-지속 방전으로부터의 데이터를 도시한다. 중간평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 18a), 중간평면 CO2 간섭계로부터 선-적분된 밀도의 6 개 코드(도 18b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨-반전된 밀도 반경방향 프로파일(도 18c), 및 압력 균형으로부터의 전체 플라즈마 온도(도 18d)가 시간의 함수로서 보여진다.
도 19는 전자 온도(Te)의 함수로서 플럭스 구속을 도시한다. 이것은 HPF 방전에 대해 새롭게 확립된 우수한 스케일링(scaling) 체제를 그래픽 표현을 나타낸다.
도 20은 경사지지 않은(non-angled), 그리고 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이에 대응하는 FRC 수명을 도시한다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e는 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이 및 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이에 대응하는 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도, 플라즈마 온도 및 자기 플럭스의 FRC 플라즈마 파라미터들의 수명을 도시한다.
도 22a 및 도 22b는 컴팩트 토로이드(CT) 인젝터의 기본 레이아웃을 도시한다.
도 23a 및 도 23b는 CT 인젝터가 장착된 것을 보여주는 중앙 구속 용기를 도시한다.
도 24a 및 도 24b는 드리프트 튜브(drift tube)가 결합된 CT 인젝터의 대안적인 실시예의 기본 레이아웃을 도시한다.
도 25는 조정 가능한(tunable) 에너지 빔 출력을 위한 중성 빔 시스템 및 주요 구성요소들의 단면 등측 도면을 도시한다.
도 26은 조정 가능한 에너지 빔 출력을 갖는 중성 빔 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 27은 구속 용기(confining vessel, CV) 내의 FRC 플라즈마의 축방향 포지션 제어 메커니즘을 도시하는 개략도이다.
도 28은 일반적인 슬라이딩 모드 제어 방식의 흐름도이다.
도 29는 슬라이딩 모드 축방향 포지션 제어 시뮬레이션의 예들의 합성 그래프이다.
도 30은 슬라이딩 모드 축방향 포지션 제어 시뮬레이션의 예들의 합성 그래프이다.
도 31은 이온 소스로부터 변환된 전자 빔 소스의 개략도이다.
도 32는 플라즈마로부터의 전자 빔 추출 및 가속을 보여주는 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 33은 전자 광학 시스템의 부분 개략도이다.
도 34a 및 도 34b는 중공 빔(hollow beam)을 생성하기 위한 마스크를 갖는 플라즈마 그리드의 실시예의 개략도이다.
도 35는 플라즈마 격납 시스템으로의 축방향 전자 빔 주입을 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 36은 플라즈마 격납 시스템의 다이버터에 설치된 전자 빔을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도면은 반드시 일정 비율로 그려지지는 않았으며 유사한 구조 또는 기능의 요소들은 대체로 도면 전체에서 예시 목적을 위해 유사한 참조 번호로 표시된다는 점에 유의해야 한다. 또한 도면은 본 명세서에 설명된 다양한 실시예의 설명을 용이하게 하기 위한 것일 뿐이라는 점에 유의해야 한다. 도면은 본 명세서에 개시된 교시의 모든 측면을 반드시 기술하지는 않으며 청구범위를 제한하지 않는다.
도 1은 종래의(conventional) FRC 체제(CR)하에서와 대비하여, 그리고 다른 종래의 FRC 실험들과 대비하여, 고성능(high performance) FRC 체제(HPF)하의 본 FRC 시스템에서의 입자 구속을 도시한다.
도 2는 본 FRC 시스템의 구성요소들 및 본 FRC 시스템에서 생성할 수 있는 FRC의 자기 토폴로지(magnetic topology)를 도시한다.
도 3a는 중앙 구속 용기, 형성 섹션, 다이버터들, 중성 빔, 전극들, 플라즈마 건(plasma gun)들, 미러 플러그(mirror plug)들 및 펠릿 인젝터(pellet injector)의 바람직한 배열을 포함하는, 위에서 본 본 FRC 시스템의 기본 레이아웃을 도시한다.
도 3b는 위에서 본 중앙 구속 용기를 도시하고 중앙 구속 용기의 주 대칭 축에 수직한 각도로 배열된 중성 빔(neutral beams)을 도시한다.
도 3c는 위에서 본 중앙 구속 용기를 도시하고 중앙 구속 용기의 주 대칭 축에 대해 수직보다 작은 각도로 배열되고 중앙 구속 용기의 중간-평면을 향해 입자를 주입하도록 지향되는 중성 빔을 도시한다.
도 3d 및 도 3e는 중앙 구속 용기, 형성 섹션, 내측 및 외측 다이버터들, 중앙 구속 용기의 주 대칭축에 수직보다 작은 각도로 배열된 중성 빔, 전극들, 플라즈마 건들 및 미러 플러그들의 바람직한 배열을 포함하는, 본 FRC 시스템의 대안적인 실시예의 기본 레이아웃의 평면도 및 사시도를 각각 도시한다.
도 4는 형성 섹션들을 위한 펄스 전력 시스템(pulsed power system)의 구성요소의 개략도를 도시한다.
도 5는 개별 펄스 전력 형성 스키드(skid)의 등측 도면(isometric view)을 도시한다.
도 6은 형성 튜브 조립체의 등측 도면을 도시한다.
도 7은 중성 빔 시스템 및 주요 구성요소의 부분 단면 등측 도면을 도시한다.
도 8은 구속 챔버 상의 중성 빔 배열의 등측 도면을 도시한다.
도 9는 Ti 및 Li 게터링(gettering) 시스템의 바람직한 배열의 부분 단면 등측 도면을 도시한다.
도 10은 다이버터 챔버에 설치된 플라즈마 건의 부분 단면 등측 도면을 도시한다. 또한 연관된 자기 미러 플러그와 다이버터 전극 조립체가 보여진다.
도 11은 구속 챔버의 축방향 단부에 있는 환형 바이어스 전극(annular bias electrode)의 바람직한 레이아웃을 도시한다.
도 12는 2 개의 필드 역전된 쎄타 핀치 형성 섹션들에서의 일련의 외부 반자성 루프(diamagnetic loop)들 및 중앙 금속 구속 챔버 내부에 내장된 자기 프로브(magnetic probe)들로부터 획득된 FRC 시스템에서의 배제된 플럭스 반경의 점진적인 변화를 도시한다. 시간은 형성 소스에서 동기화된 필드 역전(synchronized field reversal)의 순간부터 측정되고, 거리(z)는 기계의 축 중간평면에 대해 주어진다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는 본 FRC 시스템에서 대표적인 비-HPF, 비-지속(un-sustained) 방전(discharge)으로부터의 데이터를 도시한다. 중간평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 13a), 중간평면 CO2 간섭계로부터 선-적분된(line-integrated) 밀도의 6 개 코드(chord)(도 13b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨-반전된(Abel-inverted) 밀도 반경방향 프로파일(도 13c), 및 압력 균형으로부터의 전체 플라즈마 온도(도 13d)가 시간의 함수로서 보여진다.
도 14는 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 본 FRC 시스템의 동일한 방전에 대해 선택된 시간에서의 배제된 플럭스 축방향 프로파일을 도시한다.
도 15는 구속 챔버 외부에 장착된 안장 코일(saddle coil)들의 등측 도면을 도시한다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 FRC 수명과 주입된 중성 빔의 펄스 길이의 상관 관계를 도시한다. 도시된 바와 같이, 더 긴 빔 펄스는 더 긴 수명의 FRC를 생성한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 FRC 성능 및 HPF 체제의 달성에 대한 FRC 시스템의 상이한 구성요소들의 개별 및 조합된 효과를 도시한다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 본 FRC 시스템에서 대표적인 HPF, 비-지속 방전으로부터의 데이터를 도시한다. 중간평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 18a), 중간평면 CO2 간섭계로부터 선-적분된 밀도의 6 개 코드(도 18b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨-반전된 밀도 반경방향 프로파일(도 18c), 및 압력 균형으로부터의 전체 플라즈마 온도(도 18d)가 시간의 함수로서 보여진다.
도 19는 전자 온도(Te)의 함수로서 플럭스 구속을 도시한다. 이것은 HPF 방전에 대해 새롭게 확립된 우수한 스케일링(scaling) 체제를 그래픽 표현을 나타낸다.
도 20은 경사지지 않은(non-angled), 그리고 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이에 대응하는 FRC 수명을 도시한다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e는 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이 및 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이에 대응하는 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도, 플라즈마 온도 및 자기 플럭스의 FRC 플라즈마 파라미터들의 수명을 도시한다.
도 22a 및 도 22b는 컴팩트 토로이드(CT) 인젝터의 기본 레이아웃을 도시한다.
도 23a 및 도 23b는 CT 인젝터가 장착된 것을 보여주는 중앙 구속 용기를 도시한다.
도 24a 및 도 24b는 드리프트 튜브(drift tube)가 결합된 CT 인젝터의 대안적인 실시예의 기본 레이아웃을 도시한다.
도 25는 조정 가능한(tunable) 에너지 빔 출력을 위한 중성 빔 시스템 및 주요 구성요소들의 단면 등측 도면을 도시한다.
도 26은 조정 가능한 에너지 빔 출력을 갖는 중성 빔 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 27은 구속 용기(confining vessel, CV) 내의 FRC 플라즈마의 축방향 포지션 제어 메커니즘을 도시하는 개략도이다.
도 28은 일반적인 슬라이딩 모드 제어 방식의 흐름도이다.
도 29는 슬라이딩 모드 축방향 포지션 제어 시뮬레이션의 예들의 합성 그래프이다.
도 30은 슬라이딩 모드 축방향 포지션 제어 시뮬레이션의 예들의 합성 그래프이다.
도 31은 이온 소스로부터 변환된 전자 빔 소스의 개략도이다.
도 32는 플라즈마로부터의 전자 빔 추출 및 가속을 보여주는 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 33은 전자 광학 시스템의 부분 개략도이다.
도 34a 및 도 34b는 중공 빔(hollow beam)을 생성하기 위한 마스크를 갖는 플라즈마 그리드의 실시예의 개략도이다.
도 35는 플라즈마 격납 시스템으로의 축방향 전자 빔 주입을 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 36은 플라즈마 격납 시스템의 다이버터에 설치된 전자 빔을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도면은 반드시 일정 비율로 그려지지는 않았으며 유사한 구조 또는 기능의 요소들은 대체로 도면 전체에서 예시 목적을 위해 유사한 참조 번호로 표시된다는 점에 유의해야 한다. 또한 도면은 본 명세서에 설명된 다양한 실시예의 설명을 용이하게 하기 위한 것일 뿐이라는 점에 유의해야 한다. 도면은 본 명세서에 개시된 교시의 모든 측면을 반드시 기술하지는 않으며 청구범위를 제한하지 않는다.
본 주제가 상세히 설명되기 전에, 본 개시는 설명된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 따라서 당연히 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
여기서 제공되는 본 실시예는 입자, 에너지 및 플럭스 구속뿐만 아니라 우수한 안정성을 갖는 FRC의 형성 및 유지를 가능하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 실시예 중 일부는 조정 가능한 빔 에너지 능력을 갖는 중성 빔 인젝터들을 이용하여 상승된 시스템 에너지 및 개선된 지속성(sustainment)을 갖는 FRC의 형성 및 유지를 가능하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 실시예의 일부는 또한 반경방향 및 축방향 모두에서 FRC 플라즈마의 안정성 및 FRC 플라즈마의 평형의 축방향 안정성 특성과 독립적으로 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭축을 따른 FRC 플라즈마의 축방향 포지션 제어를 가능하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 실시예 중 일부는 또한 자기 플라즈마 구속 시스템에서의 플라즈마 가열을 위한 고출력 전자 빔에 관한 것이다.
이러한 추가적인 특징 및 교시 중 많은 것들을 개별적으로 그리고 조합하여 이용하는, 본 명세서에 기술된 실시예의 대표적인 예가 이제 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 이 상세한 설명은 단지 이 분야의 기술자에게 본 교시의 바람직한 측면을 실시하기 위한 추가 세부사항을 교시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 다음의 상세한 설명에 개시된 특징 및 단계의 조합은 가장 넓은 의미의 본 발명을 실시하는 데 필요하지 않을 수 있으며, 대신에 단지 본 교시의 대표적인 예를 구체적으로 설명하기 위해 교시된다.
더욱이, 대표적인 실시예 및 종속항의 다양한 특징은 본 개시의 추가적인 유용한 실시예를 제공하기 위해 구체적이고 명시적으로 열거되지 않은 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 설명 및/또는 청구범위에 개시된 모든 특징들은 실시예 및/또는 청구범위에서의 특징들의 배합과 독립적으로 청구된 주제를 제한하기 위한 목적에서 뿐만 아니라, 원래 개시의 목적에서 서로 개별적으로 그리고 독립적으로 개시되도록 의도되었음이 명시적으로 언급된다. 또한 엔티티들의 그룹들의 모든 값 범위들 또는 표시들은 청구된 주제를 제한하기 위한 목적에서 뿐만 아니라 원래 개시의 목적에서 모든 가능한 중간 값(intermediate value) 또는 중간 엔티티(intermediate entity)를 개시한다는 점이 명시적으로 언급된다.
반경방향 및 축방향 모두에서 FRC 플라즈마의 안정성 및 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭축을 따른 FRC 플라즈마의 축방향 포지션 제어를 가능하게 하는 시스템 및 방법으로 들어가기 전에, 종래 FRC에 비해 우수한 입자, 에너지 및 플럭스 구속뿐만 아니라 우수한 안정성을 갖는 고성능 FRC의 형성 및 유지를 위한 시스템 및 방법에 대한 논의가 제공된다. 그러한 고성능 FRC는 컴팩트한 중성자 소스(의료용 동위원소 생산, 핵폐기물 정화, 재료 연구, 중성자 방사선 촬영 및 단층 촬영용), 컴팩트한 광자 소스(화학 생산 및 처리용), 질량 분리 및 농축 시스템, 및 차세대 에너지 생산을 위한 가벼운 원자핵(light nuclei) 융합을 위한 원자로 코어(reactor core)들을 포함하여 대단히 다양한 응용에 대한 경로를 제공한다.
FRC에 우수한 구속 체제가 있는지 여부를 평가하기 위해 다양한 보조 시스템 및 동작 모드가 조사되었다. 이러한 노력은 본 명세서에 설명된 고성능 FRC 패러다임의 획기적인 발견과 개발로 이어졌다. 이 새로운 패러다임에 따라 본 시스템과 방법은 부정적인 부작용 없이 안정성 제어를 제공할 뿐만 아니라 도 1에 도시된 바와 같은 FRC 구속을 극적으로 개선하기 위한 다수의 새로운 아이디어와 수단을 결합한다. 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 도 1은 FRC를 형성하고 유지하기 위한 종래의 체제(CR)에 따라 동작하는 것과 대비하여, 그리고 다른 실험에서 사용된 FRC를 형성하고 유지하기 위한 종래의 체제에 따른 입자 제한과 대비하여, FRC를 형성하고 유지하기 위한 고성능 FRC 체제(HPF)에 따라 작동하는, 하기에 설명되는 FRC 시스템(10)(도 2 및 도 3 참조)에서의 입자 구속을 도시한다. 본 개시는 FRC 시스템(10)의 혁신적인 개별 구성요소 및 방법과 그 집합적인 효과를 개설 및 상세히 설명할 것이다.
FRC 시스템
진공 시스템
도 2 및 도 3은 본 FRC 시스템(10)의 개략도를 도시한다. FRC 시스템(10)은 2 개의 정반대로 대향된 역전된-필드-쎄타-핀치 형성 섹션들(200)에 의해 둘러싸인 중앙 구속 용기(100) 및, 상기 형성 섹션들(200)을 넘어, 중성 밀도(neutral density) 및 불순물 오염을 제어하기 위한 2 개의 다이버터 챔버들(300)을 포함한다. 본 FRC 시스템(10)은 초고진공을 수용하도록 구축되었고 10-8 토르(torr)의 일반적인 베이스(base) 압력에서 동작한다. 그러한 진공 압력은, 물리적 및 화학적 클리닝에 이어 24 시간 250℃ 진공 베이킹 및 수소 글로(Hydrogen glow) 방전 클리닝과 같은, 조립 전 모든 부품들의 세심한 초기 표면 컨디셔닝뿐만 아니라, 결합(mating) 구성요소들 사이에 이중 펌핑된 결합 플랜지들, 금속 O-링들, 고순도의 내부벽들을 사용할 것을 필요로 한다.
역전된-필드-쎄타-핀치 형성 섹션들(200)은 하기에 상세히 설명된(도 4 내지 도 6 참조) 진보된 펄스 전력 형성 시스템을 구비하긴 하지만, 표준 필드-역전된-쎄타-핀치(field-reversed-theta-pinch, FRTP)들이다. 각각의 형성 섹션(200)은 초순수 석영(ultrapure quartz)의 2 밀리미터(millimeter) 내부 라이닝(lining)을 특징으로 하는 표준 불투명 산업 등급 석영 튜브로 제조된다. 구속 챔버(100)는 스테인리스 스틸로 제조되어 다수의 반경방향 및 접선방향 포트(port)들을 허용하고; 이것은 하기에 설명된 실험의 시간스케일에서 플럭스 보존기(flux conserver)로도 기능하며 고속 자기 과도 현상(transient)을 제한한다. 진공은 드라이 스크롤 러핑 펌프(dry scroll roughing pump)들, 터보 분자 펌프들 및 크라이오 펌프(cryo pump)들의 세트를 갖는 FRC 시스템(10)에서 생성되고 유지된다.
자기 시스템
자기 시스템(400)이 도 2 및 도 3에 도시된다. 도 2는, 특히, FRC 시스템(10)에서 생성 가능한 FRC(450)에 속하는 FRC 자기 플럭스 및 밀도 윤곽(contour)들을 (반경방향과 축방향 좌표의 함수로서) 도시한다. 이들 윤곽은 FRC 시스템(10)에 대응하는 시스템과 방법을 시뮬레이션하도록 개발된 코드를 사용하여 2-D 저항성 홀-MHD 수치 시뮬레이션(2-D resistive Hall-MHD numerical simulation)에 의해 획득되었고, 측정된 실험 데이터와 잘 일치한다. 도 2에 보여지는 바와 같이, FRC(450)는 세파라트릭스(separatrix)(451) 내부의 FRC(450)의 내부(453)에서의 폐쇄된 필드 라인들의 토러스(torus), 및 상기 세파라트릭스(451)의 바로 외부의 개방된 필드 라인(452)들 상의 환형 에지 층(456)으로 구성된다. 에지 층(456)은, FRC 길이를 넘어 제트들(454)로 합쳐져 자연적인 다이버터를 제공한다.
메인 자기 시스템(410)은, 구성요소들을 따라, 즉, FRC 시스템(10)의 구속 챔버(100), 형성 섹션들(200) 및 다이버터들(300)을 따라 특정 축방향 포지션에 위치된 일련의 준(quasi)-dc 코일들(412, 414, 416)을 포함한다. 준-dc 코일들(412, 414, 416)은 준-dc 스위칭 전력 공급장치에 의해 전력 공급되어 구속 챔버(100), 형성 섹션들(200) 및 다이버터들(300)에 약 0.1 T의 기본 자기 바이어스 필드(magnetic bias fields)를 생성한다. 준-dc 코일들(412, 414, 416)에 부가하여, 메인 자기 시스템(410)은 구속 챔버(100)의 양 단부와 인접한 형성 섹션들(200)과의 사이에 (스위칭 전력 공급장치에 의하여 전력 공급되는) 준-dc 미러 코일들(420)을 포함한다. 준-dc 미러 코일들(420)은 최대 5의 자기 미러 비율(magnetic mirror ratios)을 제공하고 평형 셰이핑 제어(equilibrium shaping control)를 위해 독립적으로 에너지 공급될 수 있다. 또한, 미러 플러그들(440)이 각각의 형성 섹션들(200) 및 다이버터들(300) 각각 사이에 포지셔닝된다. 미러 플러그들(440)은 컴팩트한 준-dc 미러 코일들(430) 및 미러 플러그 코일들(444)을 포함한다. 준-dc 미러 코일들(430)은, 추가적인 가이드 필드(guide fields)를 생성하여 자기 플럭스 표면(455)을, 미러 플러그 코일들(444)을 통과하는 작은 직경의 통로(442) 쪽으로 포커싱하는 (스위칭 전력 공급장치에 의해 전력 공급되는) 3 개의 코일들(432, 434, 436)을 포함한다. 작은 직경의 통로(442) 주위를 둘러싸고 LC 펄스 전력 회로부에 의해 전력 공급되는 미러 플러그 코일들(444)은 최대 4 T의 강한 자기 미러 필드를 생성한다. 이러한 전체 코일 배열의 목적은 자기 플럭스 표면(455) 및 단부-스트리밍 플라즈마 제트(454)를 다이버터들(300)의 원격 챔버들(310)로 타이트하게 묶어서 가이드하는 것이다. 마지막으로, 안장 코일 "안테나들"(460)의 세트(도 15 참조)가 구속 챔버(100)의 외부에, 중간-평면의 각각의 측면에 2 개 위치되며, dc 전력 공급장치에 의해 전력 공급된다. 안장-코일 안테나들(460)은 회전 불안정성을 제어하고 및/또는 전자 전류를 제어하기 위해 약 0.01 T의 준-정적인 자기 쌍극자 또는 4중극자 필드를 제공하도록 구성될 수 있다. 안장-코일 안테나들(460)은 인가되는 전류의 방향에 따라 기계의 중간평면에 대해 대칭이거나 반대칭인(antisymmetric) 자기장을 유연하게 제공할 수 있다.
펄스 전력 형성 시스템들
펄스 전력 형성 시스템들(210)은 변형된 쎄타-핀치 원리에서 동작한다. 각각 형성 섹션들(200) 중 하나에 전력을 공급하는 2 개의 시스템이 있다. 도 4 내지 도 6은 형성 시스템들(210)의 메인 빌딩 블록(main building block)들 및 배열을 도시한다. 형성 시스템(210)은 형성 석영 튜브들(240)을 둘러싸는 스트랩 조립체(230)(=스트랩(strap)들)의 코일들(232)의 서브-세트에 각각 에너지를 공급하는 개별 유닛들(=스키드(skid)들)(220)로 구성된 모듈식 펄스 전력 배열로 구성된다. 각각의 스키드(220)는 커패시터들(221), 인덕터들(223), 고속 고전류 스위치들(225) 및 연관된 트리거(trigger)(222) 및 덤프(dump) 회로부(224)로 구성된다. 전체적으로, 각각의 형성 시스템(210)은 350 내지 400 kJ의 용량성 에너지를 저장하며, 이는 FRC를 형성하고 가속시키는 최대 35 GW의 전력을 제공한다. 이들 구성요소들의 조정된(coordinated) 동작은 각각의 형성 섹션(200)에서 형성 시스템들(210) 사이에 동기화된 타이밍을 허용하고 스위칭 지터(jitter)를 수 십 나노초(nanoseconds)로 최소화하는 최첨단 트리거 및 제어 시스템(222, 224)을 통해 달성된다. 이 모듈식 설계의 이점은 유연한 동작에 있다: FRC는 인-사이튜(in-situ) 형성된 후 가속되어 주입(=정적인 형성)되거나 또는 형성됨과 동시에 가속(=동적인 형성)될 수 있다.
중성 빔 인젝터들
중성 원자 빔들(600)이 FRC 시스템(10)에 배치되어 고속 입자 압력을 생성할 뿐만 아니라 가열과 전류 구동을 제공한다. 도 3a, 도 3b 및 도 8에 도시된 바와 같이, 중성 원자 빔 인젝터 시스템들(610, 640)을 포함하는 개별 빔라인들이 중앙 구속 챔버(100) 주위에 위치되고, 타깃 트랩핑 존(target trapping zone)이 세파라트릭스(451)(도 2 참조) 내에 잘 놓이도록 충격 파라미터로 FRC 플라즈마에 접선방향으로 (그리고 중앙 구속 용기(100)의 주 대칭축에 수직으로 또는 그에 직각인 각도로) 고속 입자를 주입한다. 각각의 인젝터 시스템(610, 640)은 최대 1 MW의 중성 빔 전력을 20 내지 40 keV의 입자 에너지를 가지고 FRC 플라즈마로 주입할 수 있다. 시스템(610, 640)은 양이온의 멀티-애퍼처(multi-aperture) 추출 소스들에 기반하고, 기하학적 포커싱, 이온 추출 그리드의 관성 냉각 및 차동 펌핑을 이용한다. 상이한 플라즈마 소스들을 사용하는 것 이외에도, 시스템들(610, 640)은 그 개개의 장착 위치를 충족하여 측면과 상부 주입 능력을 내도록 기본적으로 물리적 설계에 의해 차별화된다. 이 중성 빔 인젝터들의 일반적인 구성요소들은 구체적으로 측면 인젝터 시스템들(610)에 대해 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 개별 중성 빔 시스템(610)은 입력 단부에 RF 플라즈마 소스(612)(이것은 시스템들(640)에서는 아크 소스로 대체됨)를 포함하고 자기 스크린(614)이 그 단부를 커버하고 있다. 이온 광학 소스 및 가속 그리드들(616)이 플라즈마 소스(612)에 결합되고 게이트 밸브(620)가 이온 광학 소스 및 가속 그리드들(616) 및 중성화기(neutralizer)(622) 사이에 포지셔닝된다. 편향 자석(624) 및 이온 덤프(ion dump)(628)가 중성화기(622) 및 출구 단부에 있는 조준 디바이스(630) 사이에 위치된다. 냉각 시스템은 2 개의 크라이오-냉동기들(634), 2 개의 크라이오 패널들(636) 및 LN2 슈라우드(shroud)(638)를 포함한다. 이 유연한 설계는 넓은 범위의 FRC 파라미터들에 걸친 동작을 허용한다.
중성 원자 빔 인젝터들(600)에 대한 대안적인 구성은 고속 입자를 FRC 플라즈마에 접선방향으로 주입하지만 중앙 구속 용기(100)의 주 대칭축에 대해 90°미만의 각도 A를 갖도록 주입하는 것이다. 빔 인젝터들(615)의 이러한 배향 타입이 도 3c에 도시되어 있다. 또한, 빔 인젝터들(615)은 중앙 구속 용기(100)의 중간-평면의 양쪽에 있는 빔 인젝터들(615)이 입자를 중간-평면을 향해 주입하도록 배향될 수 있다. 마지막으로, 이들 빔 시스템들(600)의 축방향 포지션은 중간-평면에 더 가깝게 선택될 수 있다. 이러한 대안적인 주입 실시예는 보다 중앙에 보급하는 옵션(more central fueling option)을 가능하게 하고, 이는 빔들의 더 양호한 결합 및 주입된 고속 입자의 더 높은 트랩핑 효율을 제공한다. 더욱이, 각도 및 축방향 포지션에 따른, 빔 인젝터들(615)의 이러한 배열은 FRC(450)의 축방향 연장 및 기타 특징의 보다 직접적이고 독립적인 제어를 허용한다. 예를 들어, 용기의 주 대칭축에 대해 얕은(shallow) 각도 A로 빔을 주입하면 더 긴 축방향 확장과 낮은 온도를 갖는 FRC 플라즈마가 생성되는 반면, 보다 수직인 각도 A를 선택하면 축방향으로 더 짧지만 더 뜨거운 플라즈마를 생성할 것이다. 이러한 방식으로 빔 인젝터들(615)의 주입 각도 A 및 위치는 상이한 목적을 위해 최적화될 수 있다. 또한, 빔 인젝터들(615)의 이러한 각도결정(angling) 및 포지셔닝은 더 높은 에너지의 빔(이는 대체로 더 적은 빔 발산으로 더 많은 전력을 축적(depositing)하는 데 유리함)이 그렇지 않으면 이러한 빔을 트랩하는 데 필요한 것보다 더 낮은 자기장 안으로 주입되도록 허용할 수 있다. 이는 고속 이온 궤도 스케일(이는 일정한 빔 에너지에서 용기의 주 대칭축에 대한 주입 각도가 감소함에 따라 점진적으로 더 작아짐)을 결정하는 것은 에너지의 방위각 성분이라는 사실 때문이다. 더욱이, 중간-평면을 향하고 중간-평면에 가까운 축방향 빔 포지션들을 갖는 경사진(angled) 주입은 주입 기간 동안 FRC 플라즈마가 수축되거나 아니면 축방향으로 줄어들더라도 빔-플라즈마 결합을 개선한다.
도 3d 및 도 3e를 참조하면, FRC 시스템(10)의 또 다른 대안적 구성은 경사진 빔 인젝터들(615)에 부가하여 내측 다이버터들(302)을 포함한다. 내측 다이버터들(302)은 형성 섹션들(200)과 구속 챔버(100) 사이에 포지셔닝되고, 외측 다이버터들(300)과 실질적으로 유사하게 구성되고 동작한다. 내부에 고속 스위칭 자기 코일들을 포함하는 내측 다이버터들(302)은 형성 FRC가 구속 챔버(100)의 중간-평면을 향해 병진이동할 때 형성 FRC가 내측 다이버터들(302)를 통과하는 것을 가능하게 하도록 형성 프로세스 동안 효과적으로 비활성이다. 형성 FRC가 내측 다이버터들(302)을 통해 구속 챔버(100) 안으로 통과하면, 내측 다이버터들은 활성화되어 외측 다이버터들과 실질적으로 유사하게 동작하고 구속 챔버(100)를 형성 섹션들(200)로부터 격리시킨다.
펠릿 인젝터
새로운 입자를 주입하고 FRC 입자 인벤토리(inventory)를 더 잘 제어하는 수단을 제공하기 위하여, 12-배럴(barrel) 펠릿 인젝터(700)(예를 들어 I. Vinyar et al., "Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A," Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010) 참조)가 FRC 시스템(10)에 이용된다. 도 3은 FRC 시스템(10)에서 펠릿 인젝터(700)의 레이아웃을 도시한다. 원통형 펠릿들(D ~ 1 mm, L ~ 1 내지 2 mm)은 150 내지 250 km/s의 범위의 속도로 FRC에 주입된다. 각각의 개별 펠릿은 FRC 입자 인벤토리에 필적하는 약 5×1019 개의 수소 원자를 포함한다.
게터링 시스템들
중성 할로(halo) 가스는 모든 구속 시스템에서 심각한 문제인 것으로 잘 알려져 있다. 전하 교환 및 재순환(charge exchange and recycling) (벽으로부터 차가운 불순물의 방출) 프로세스들은 에너지 및 입자 구속에 파괴적 효과를 가질 수 있다. 또한, 에지에서 또는 에지 부근에서 중성 가스의 상당한 밀도는 주입된 큰 궤도(고 에너지) 입자(큰 궤도는 FRC 토폴로지의 스케일의 궤도 또는 적어도 특징적인 자기장 구배 길이 스케일보다 훨씬 더 큰 궤도 반경을 가지는 입자를 지칭함) 수명의 즉각적인 손실을 초래하거나 적어도 심각하게 삭감시킨다. 이는 보조 빔 가열을 통한 융합을 포함하여 모든 에너지 플라즈마(energetic plasma) 응용분야에 유해한 사실이다.
표면 컨디셔닝은 중성 가스 및 불순물의 유해한 효과가 구속 시스템에서 제어되거나 감소될 수 있는 수단이다. 이를 위해 본 명세서에 제공된 FRC 시스템(10)은 구속 챔버(또는 용기)(100) 및 다이버터들(300, 302)의 플라즈마를 향하는 표면들을 Ti 및/또는 Li의 필름(수십 마이크로미터 두께)으로 코팅하는 티타늄 및 리튬 퇴적 시스템들(810, 820)을 사용한다. 코팅은 증기 퇴적(vapor deposition) 기술을 통해 달성된다. 고체 Li 및/또는 Ti는 증발되거나 및/또는 승화되어 표면 부근으로 스프레이되어 코팅을 형성한다. 소스들은 가이드 노즐(Li의 경우에)(822)을 갖는 원자 오븐들이거나 또는 가이드 슈라우딩(shrouding)(Ti의 경우에)(812)을 갖는 고체의 가열된 구체들이다. Li 증발기 시스템은 일반적으로 연속적인 모드에서 동작하지만 Ti 승화기는 대부분 플라즈마 동작 사이에 간헐적으로 동작된다. 이들 시스템의 동작 온도는 고속 퇴적 속도(deposition rates)를 얻기 위해 600℃를 초과한다. 우수한 벽 커버리지를 달성하기 위해, 다수의 전략적으로 위치된 증발기/승화기 시스템이 필요하다. 도 9는 FRC 시스템(10)에서 게터링 퇴적 시스템들(810, 820)의 바람직한 배열을 상술한다. 코팅은 게터링 표면으로 작용하고 원자 및 분자 수소 종(H 및 D)을 효과적으로 펌핑한다. 코팅은 또한 탄소 및 산소와 같은 다른 일반적인 불순물을 무시가능한 수준으로 감소시킨다.
미러 플러그들
위에 언급된 바와 같이, FRC 시스템(10)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 미러 코일들(420, 430, 444)의 세트를 사용한다. 미러 코일들(420)의 제1 세트는 구속 챔버(100)의 2 개의 축방향 단부에 위치되고, 메인 자기 시스템(410)의 DC 구속, 형성 및 다이버터 코일들(412, 414, 416)로부터 독립적으로 에너지 공급된다. 미러 코일들(420)의 제1 세트는 병합 동안 FRC(450)를 조향(steer)하고 축방향으로 수용하는 것을 주로 도모하고 지속 동안 평형 셰이핑 제어를 제공한다. 제1 미러 코일 세트(420)는 중앙 구속 코일들(412)에 의해 생성된 중앙 구속 필드보다 명목상(nominally) 더 높은 자기장(약 0.4 내지 0.5 T)을 생성한다. 3 개의 컴팩트한 준-dc 미러 코일들(432, 434, 436)을 포함하는 미러 코일들(430)의 제2 세트는 형성 섹션들(200)과 다이버터들(300) 사이에 위치되고 공통 스위칭 전력 공급장치에 의해 구동된다. 미러 코일들(432, 434, 436)은 (용량성 전력 공급장치에 의해 전력 공급되는) 더 컴팩트한 펄스 미러 플러그 코일들(444) 및 물리적 수축부(442)와 함께, (약 10 내지 20 ms의 상승 시간(rise times)을 갖는 2 내지 4T의) 매우 높은 자기장을 갖는 좁고 낮은 가스 컨덕턴스(conductance) 경로를 제공하는 미러 플러그들(440)을 형성한다. 구속 코일들(412, 414, 416)의 미터-플러스-스케일 보어 및 팬케이크 설계(meter-plus-scale bore and pancake design)에 비해, 가장 컴팩트한 펄스 미러 코일들(444)은 20 cm 및 유사한 길이의 컴팩트한 반경방향 치수의 보어이다. 미러 플러그들(440)의 목적은 복합적이다: (1) 코일들(432, 434, 436, 444)은 자기 플럭스 표면들(452) 및 단부-스트리밍 플라즈마 제트(454)를 타이트하게 묶어서 원격 다이버터 챔버(300)내로 가이드한다. 이것은 배기(exhaust) 입자들이 다이버터들(300)에 적절히 도달하는 것과 중앙 FRC(450)의 개방된 필드 라인(452) 영역으로부터 다이버터들(300)에 이르기까지 트레이스(trace)하는 연속적인 플럭스 표면(455)이 있는 것을 보장한다. (2) FRC 시스템(10)의 물리적 수축부들(442) - 이들을 통해 코일들(432, 434, 436, 444)이 자기 플럭스 표면들(452) 및 플라즈마 제트(454)의 통과를 가능하게 함 - 은 다이버터들(300)에 놓여있는 플라즈마 건들(350)로부터의 중성 가스 흐름에 대한 방해를 제공한다. 동일한 맥락에서, 수축부들(442)은 형성 섹션들(200)로부터 다이버터들(300)로의 가스의 역-스트리밍을 방지하여 FRC의 기동(startup)을 개시할 때 전체 FRC 시스템(10)에 도입되어야 하는 중성 입자의 수를 감소시킨다. (3) 코일들(432, 434, 436, 444)에 의해 생성된 강력한 축방향 미러들은 축방향 입자 손실을 감소시키고, 이에 의해 개방된 필드 라인에 대한 평행 입자 확산성(parallel particle diffusivity)을 감소시킨다.
도 3d 및 도 3e에 도시된 대안적인 구성에서, 로우 프로파일 네킹 코일(low profile necking coil)들(421)의 세트가 내측 다이버터들(302) 및 형성 섹션들(200) 사이에 포지셔닝된다.
축방향 플라즈마 건들
다이버터들(300)의 다이버터 챔버들(310)에 장착된 건들(350)로부터의 플라즈마 스트림은 안정성 및 중성 빔 성능을 개선시키도록 의도된다. 건들(350)은 도 3 및 도 10에 도시된 바와 같이 다이버터들(300)의 챔버(310) 내에 축 상에 장착되어 다이버터(300)의 개방된 플럭스 라인들(452)을 따라 그리고 구속 챔버(100)의 중앙 쪽으로 흐르는 플라즈마를 생성한다. 건들(350)은 와셔-스택 채널(washer-stack channel)에서 고 밀도 가스 방전으로 동작하며, 5 내지 10 ms 동안 수 킬로암페어(kiloamperes)의 완전히 이온화된 플라즈마를 생성하도록 설계된다. 건들(350)은 출력 플라즈마 스트림을 구속 챔버(100)에서의 플라즈마의 원하는 크기와 일치시키는 펄스 자기 코일을 포함한다. 건들(350)의 기술적 파라미터들은 5 내지 13 cm의 외경 및 최대 약 10 cm의 내경을 가지는 채널을 특징으로 하고, 0.5 내지 2.3 T의 건-내부 자기장으로 400-600 V에서 10 내지 15 kA의 방전 전류를 제공한다.
건 플라즈마 스트림은 미러 플러그들(440)의 자기장을 관통하여 형성 섹션(200) 및 구속 챔버(100)로 흐를 수 있다. 미러 플러그(440)를 통한 플라즈마의 전달 효율은 건(350)과 플러그(440) 사이의 거리의 감소에 따라 증가하고 플러그(440)를 더 넓고 더 짧게 하는 것에 의해 증가한다. 합당한 조건 하에서, 건들(350)은 각각, 약 150 내지 300 eV 및 약 40 내지 50 eV의 높은 이온 및 전자 온도를 각각 갖는 2 내지 4 T 미러 플러그들(440)을 통해 초당 대략 1022 개의 양성자(proton)들을 전달할 수 있다. 건들(350)은 FRC 에지 층(456)의 상당한 재보급(refueling), 및 개선된 전체적인 FRC 입자 구속을 제공한다.
플라즈마 밀도를 더 증가시키기 위하여, 가스 박스가 추가적인 가스를 건들(350)로부터 플라즈마 스트림으로 퍼핑(puff)하는데 사용될 수 있다. 이 기술은 주입된 플라즈마 밀도를 수 배 증가시킬 수 있다. FRC 시스템(10)에서, 미러 플러그들(440)의 다이버터(300) 측에 설치된 가스 박스는 FRC 에지 층(456)의 재보급, FRC(450)의 형성, 및 플라즈마 라인 묶기(line-tying)를 개선시킨다.
위에 논의된 모든 조절 파라미터를 고려하고, 하나의 건만으로 또는 두 건 모두로 동작이 가능하다는 것을 또한 고려하면, 다양한 동작 모드들이 접근가능하다는 것을 즉시 알 수 있다.
바이어싱 전극들
개방된 플럭스 표면들의 전기적 바이어싱은 속도 전단(velocity shear)을 통해 실제 FRC 코어(450)뿐만 아니라 개방된 필드 라인 플라즈마의 회전을 제어하기 위해, 노브(knob)를 회전시키는 것과 유사한 제어 메커니즘을 제공하는 방위각의 E×B 운동을 발생시키는 반경방향 전위를 제공할 수 있다. 이 제어를 달성하기 위하여, FRC 시스템(10)은 기계의 여러 부분에 전략적으로 배치된 여러 전극들을 사용한다. 도 3은 FRC 시스템(10) 내의 바람직한 위치에 포지셔닝된 바이어싱 전극들을 묘사한다.
원칙적으로, 4 개의 부류의 전극: (1) 국부적 대전(local charging)을 제공하기 위해 FRC(450)의 에지에 특정 개방된 필드 라인들(452)과 접촉하는 구속 챔버(100) 내의 포인트 전극들(905), (2) 방위각 대칭 방식으로 원위-에지 플럭스 층들(456)을 대전시키기 위한 구속 챔버(100)와 형성 섹션들(200) 사이의 환형 전극들(900), (3) 다수의 동심의 플럭스 층들(455)을 대전시키기 위한 다이버터들(300)에서의 동심의 전극들(910)의 스택들(여기서 층들의 선택은 적절한 전극(910)에서 원하는 플럭스 층들(456)이 종단되도록 다이버터 자기장을 조절하는 코일들(416)을 조절함으로써 제어 가능함), 및 마지막으로 (4) (FRC(450)의 세파라트릭스 근처에 내부 개방된 플럭스 표면들(455)을 차단하는) 플라즈마 건들(350) 자체의 애노드들(920)(도 10 참조)이 있다. 도 10 및 도 11은 이들 중 일부에 대한 일부 일반적인 설계를 도시한다.
모든 경우에 이들 전극은 최대 약 800 V 전압의 펄스 또는 dc 전력 소스에 의해 구동된다. 전극 크기 및 어떤 플럭스 표면들이 교차되는지에 따라 전류는 킬로-암페어(kilo-ampere) 범위에서 인출될 수 있다.
FRC 시스템의 비-지속된 동작 - 종래의 체제
FRC 시스템(10)에서 표준 플라즈마 형성은 잘 발달된 역전된 필드-쎄타-핀치 기술을 따른다. FRC를 기동하기 위한 일반적인 프로세스는 준-dc 코일들(412, 414, 416, 420, 432, 434, 436)을 정상 상태(steady state) 동작으로 구동하는 것에 개시된다. 그 다음 펄스 전력 형성 시스템들(210)의 RFTP 펄스 전력 회로는 형성 섹션들(200)에 약 -0.05 T의 일시적으로 역전된 바이어스를 생성하기 위해 펄스 고속 역전된 자기장 코일들(232)을 구동한다. 이 시점에서 9 내지 20 psi의 미리 결정된 양의 중성 가스가 형성 섹션들(200)의 외측 단부들에 위치된 플랜지들에서 방위각으로 배향된 퍼프-베일(puff-vale)들의 세트를 통해 (북쪽 및 남쪽) 형성 섹션들(200)의 석영-튜브 챔버들(240)에 의해 정의된 2 개의 형성 볼륨 내로 주입된다. 다음으로, 중성 가스 컬럼 내에 국부 시드(seed) 이온화 영역들의 형태로 전-이온화(pre-ionization)를 생성하기 위해 작은 RF(~ 수백 킬로헤르츠(kilo-hertz)) 필드가 석영 튜브들(240)의 표면 상의 안테나들의 세트로부터 생성된다. 이후에 펄스 고속 역전된 자기장 코일들(232)을 구동하는 전류에 쎄타-링잉(theta-ringing) 변조를 적용하고, 이는 가스 컬럼들의 보다 전반적인 전-이온화를 가져온다. 마지막으로, 펄스 전력 형성 시스템들(210)의 메인 펄스 전력 뱅크들은 최대 0.4 T의 순방향 바이어스된 필드를 생성하도록 펄스 고속 역전된 자기장 코일들(232)을 구동하기 위해 점화(fired)된다. 이 단계는 순방향으로 바이어스된 필드가 형성 튜브들(240)의 길이 전체에 걸쳐 균일하게 생성(정적인 형성)되거나 또는 연속적인 연동 필드 변조가 형성 튜브들(240)의 축을 따라 달성(동적인 형성)되도록 시간 순차적일 수 있다.
이 전체적인 형성 프로세스에서, 플라즈마에서의 실제 필드 역전은 약 5 μs 내에서 신속하게 발생한다. 형성중인 플라즈마로 전달되는 멀티-기가와트(gigawatt) 펄스 전력은 용이하게 고온의 FRC를 생성하고, 이는 그 다음에 순방향 자기장의 시간 순차 변조(자기 연동) 또는 형성 튜브(210)의 축방향 외측 단부들 근처의 코일 세트들(232)의 마지막 코일들에서 일시적으로 증가된 전류(축방향으로 구속 챔버(100) 쪽을 향하는 축방향 자기장 구배를 형성함)를 적용하는 것을 통해 형성 섹션들(200)로부터 배출된다. 이렇게 형성되고 나서 가속된 2 개의 (북쪽 및 남쪽) 형성 FRC는 큰 직경의 구속 챔버(100) 내로 팽창되고, 여기서 준-dc 코일들(412)은 반경방향 팽창을 제어하고 평형 외부 자기 플럭스를 제공하기 위해 순방향 바이어스된 필드를 생성한다.
북쪽 및 남쪽 형성 FRC가 구속 챔버(100)의 중간평면 근처에 도달하면, FRC들은 충돌한다. 충돌 동안 북쪽 및 남쪽 형성 FRC의 축방향 운동 에너지는 FRC가 궁극적으로 단일 FRC(450)로 병합될 때 대체로 열적 평형화(thermalized)된다. FRC(450)의 평형을 연구하기 위해 구속 챔버(100)에서 많은 플라즈마 진단 세트가 이용 가능하다. FRC 시스템(10)에서의 일반적인 동작 조건은 세파라트릭스 반경이 약 0.4 m이고 축방향으로 약 3 m 확장되는 복합(compound) FRC를 생성한다. 추가적인 특징은 약 0.1 T의 외부 자기장, 5×1019 m-3의 플라즈마 밀도 및 최대 1 keV의 전체 플라즈마 온도이다. 임의의 지속 없이, 즉, 중성 빔 주입이나 다른 보조 수단을 통한 가열 및/또는 전류 구동 없이, 이러한 FRC의 수명은 고유 특성 구성 감쇠 시간인, 약 1 ms로 제한된다.
비-지속된 동작의 실험 데이터 - 종래의 체제
도 12는 FRC(450)의 쎄타-핀치 병합 프로세스의 동역학을 예시하기 위해, 세파라트릭스 반경 rs을 근사화한 배제된 플럭스 반경 rΔΦ의 전형적인 시간 전개를 보여준다. 2 개의 (북쪽 및 남쪽) 개별 플라스모이드가 동시에 생성되고 나서 개개의 형성 섹션들(200)로부터 초음파 속도 vZ ~ 250 km/s로 가속되어, z = 0의 중간평면 근처에서 충돌한다. 충돌 동안 플라스모이드는 축방향으로 압축되고, 이어서 신속한 반경방향 및 축방향 팽창이 일어나고, 종국적으로 병합되어 FRC(450)을 형성한다. 병합중인 FRC(450)의 반경방향 및 축방향 동역학은 상세한 밀도 프로파일 측정 및 볼로미터 기반 토모그래피(bolometer-based tomography)에 의해 입증된다.
FRC 시스템(10)의 대표적인 비-지속된 방전으로부터의 데이터가 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에서 시간의 함수로 도시된다. FRC는 t = 0에서 개시된다. 기계의 축방향 중간-평면에서 배제된 플럭스 반경이 도 13a에 도시된다. 이 데이터는 축방향 자기장을 측정하는 구속 챔버의 스테인리스 스틸 벽 바로 내부에 위치된 자기 프로브들의 어레이로부터 획득된다. 스틸 벽은 이 방전의 시간 스케일에서 양호한 플럭스 보존기(conserver)이다.
z = 0에 위치된 6-코드 CO2/He-Ne 간섭계로부터 선-적분된 밀도가 도 13b에 도시된다. 볼로메트릭 토모그래피에 의하여 측정된 수직 (y) FRC 변위를 고려하여, 아벨 반전(Abel inversion)은 도 13c의 밀도 윤곽을 산출한다. 처음 0.1 ms 동안 일부 축방향 및 반경방향으로 슬로싱(sloshing)된 후에, FRC는 중공(hollow) 밀도 프로파일로 안정된다. 이 프로파일은 일반적인 2-D FRC 평형에서 요구하는 대로 축상에서 상당한 밀도를 가지면서 꽤 편평하다.
압력 밸런스로부터 도출되고 톰슨 산란 및 분광 측정(Thomson scattering and spectroscopy)과 완전히 일치하는 전체 플라즈마 온도가 도 13d에 도시된다.
전체의 배제된 플럭스 어레이로부터의 분석은 (배제된 플럭스 축방향 프로파일에 의해 근사화되는) FRC 세파라트릭스의 형상이 레이스트랙(racetrack)으로부터 타원형으로 점차적으로 전개되는 것을 나타낸다. 도 14에 도시된 이 전개는, 2 개로부터 단일 FRC로 점차적인 자기 재결합(magnetic reconnection)과 일치한다. 사실, 대략적인 추정은 이 특정 순간에 2 개의 초기 FRC 자기 플럭스들의 약 10 %가 충돌 동안 재결합됨을 시사한다.
FRC 길이는 FRC 수명 동안 3 으로부터 약 1 m에 이르기까지 꾸준히 수축된다. 도 14에서 볼 수 있는 이 수축은, 대부분 대류 에너지 손실이 FRC 구속을 지배함을 시사한다. 세파라트릭스 내부의 플라즈마 압력이 외부 자기 압력보다 더 빠르게 감소하므로, 단부 영역들에서 자기장 라인의 텐션(tension)은 FRC를 축방향으로 압축하여, 축방향 및 반경방향 평형을 회복한다. 도 13 및 도 14에서 논의된 방전에 대해, FRC 자기 플럭스, 입자 인벤토리, 및 열 에너지(각각 약 10 mWb, 7×1019 개의 입자, 및 7 kJ)는 FRC 평형이 진정(subside)되는 것으로 보일 때 처음 밀리초(millisecond)에서 대략 한 자릿수만큼 감소한다.
지속된 동작 - HPF 체제
도 12 내지 도 14에 있는 예들은 임의의 지속 없이 FRC를 감쇠시키는 것이 특징이다. 그러나, HPF 체제에 대한 FRC 구속(내측 코어 및 에지 층)을 더 개선하고 구성을 지속시키기 위해 몇 가지 기술이 FRC 시스템(10)에서 사용된다.
중성 빔
먼저, 고속(H) 중성입자(neutral)들이 8 개의 중성 빔 인젝터들(600)로부터 빔에서의 Bz에 수직으로 주입된다. 고속 중성입자들의 빔은 북쪽과 남쪽 형성 FRC가 구속 챔버(100)에서 하나의 FRC(450)로 병합되는 순간부터 주입된다. 주로 전하 교환에 의해 생성되는 고속 이온들은 FRC(450)의 방위각 전류에 더해지는 베타트론(betatron) 궤도들(FRC 토폴로지의 스케일의 기본 반경을 가지거나 또는 특징적인 자기장 구배 길이 스케일보다 적어도 훨씬 더 큰 기본 반경을 가짐)을 갖는다. 일정 분율(fraction)의 방전 후에 (샷(shot)으로부터 0.5 ~ 0.8 ms 이후), 충분히 큰 고속 이온 집단(population)은 내측 FRC의 안정성 및 구속 특성을 상당히 개선한다(예를 들어 M.W. Binderbauer and N. Rostoker, Plasma Phys. 56, part 3, 451 (1996) 참조). 더욱이, 지속성 관점에서, 중성 빔 인젝터들(600)로부터의 빔은 또한 전류를 구동하고 FRC 플라즈마를 가열하기 위한 1차적인 수단이다.
FRC 시스템(10)의 플라즈마 체제에서, 고속 이온들은 주로 플라즈마 전자들에서 느려진다. 방전의 초기 부분 동안, 고속 이온들의 일반적인 궤도-평균 감속 시간은 0.3 내지 0.5 ms이고, 이는 주로 전자들의 상당한 FRC 가열을 초래한다. 고속 이온들은 내측 FRC 자기장이 본질적으로 낮기 때문에(0.1 T 외부 축방향 필드에 대해 평균 약 0.03 T) 세파라트릭스 외부에서 큰 반경방향 편위(excursion)를 만든다. 고속 이온은 중성 가스 밀도가 세파라트릭스 외부에서 너무 높으면 전하 교환 손실에 취약하다. 따라서, FRC 시스템(10)에서 사용되는 벽 게터링 및 다른 기술들(예를 들어, 특히, 가스 제어에 기여하는 플라즈마 건(350) 및 미러 플러그들(440))은 에지 중성입자들을 최소화하고 요구되는 고속 이온 전류의 빌드-업(build-up)을 가능하게 하는 경향이 있다.
펠릿 주입
더 높은 전자 온도 및 더 긴 FRC 수명을 갖는, 상당한 고속 이온 집단이 FRC(450) 내에 형성될 때, FRC(450)의 FRC 입자 인벤토리를 지속하기 위해 동결된 H 또는 D 펠릿이 펠릿 인젝터(700)로부터 FRC(450) 내로 주입된다. 예상되는 어블레이션(ablation) 시간스케일은 상당한 FRC 입자 소스를 제공하기에 충분히 짧다. 이 레이트는 또한 펠릿 인젝터(700)의 배럴 또는 주입 튜브들에 있는 동안 그리고 구속 챔버(100)에 진입하기 전에 개별 펠릿을 더 작은 파편으로 부수어 주입되는 조각의 표면적을 확대하는 것, 구속 챔버(100) 내로 진입하기 직전에 주입 튜브의 마지막 세그먼트의 굽힘 반경을 타이트하게 함으로써 펠릿과 주입 튜브 벽들 사이의 마찰을 증가시킴으로써 달성될 수 있는 단계에 의해 증가될 수 있다. 12 개 배럴(주입 튜브)의 점화 순서 및 레이트를 변경하고 파편화함으로써, 원하는 수준의 입자 인벤토리 지속만을 제공하도록 펠릿 주입 시스템(700)을 조정하는 것이 가능하다. 결과적으로 이것은 FRC(450)의 내부 운동 압력을 유지하고 FRC(450)의 지속된 동작 및 수명을 유지하는 것을 도모한다.
어블레이션된 원자가 FRC(450)에서 상당한 플라즈마와 만나면, 그것들은 완전히 이온화된다. 얻어진 저온 플라즈마(cold plasma) 구성요소는 고유 FRC 플라즈마에 의해 충돌에 의해(collisionally) 가열된다. 원하는 FRC 온도를 유지하는데 필요한 에너지는 궁극적으로 빔 인젝터들(600)에 의해 공급된다. 이러한 의미에서 펠릿 인젝터들(700)은 중성 빔 인젝터들(600)과 함께 정상 상태를 유지하고 FRC(450)를 지속시키는 시스템을 형성한다.
CT 인젝터
펠릿 인젝터에 대한 대안으로서, 주로 필드-역전된 구성(FRC) 플라즈마를 보급하기 위한 컴팩트한 토로이드(CT) 인젝터가 제공된다. CT 인젝터(720)는 도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이 동축 원통형 내측 및 외측 전극들(722, 724), 내측 전극 내부에 포지셔닝된 바이어스 코일(726) 및 CT 인젝터(720)의 방출부 반대쪽 단부 상의 전기 브레이크(electrical break)(728)를 포함하는 자화 동축 플라즈마-건(magnetized coaxial plasma-gun, MCPG)을 포함한다. 가스는 가스 주입 포트(730)를 통해 내측 전극(722)과 외측 전극(724) 사이의 공간으로 주입되고 방전에 의해 스페로막형(Spheromak-like) 플라즈마가 그로부터 생성되어 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 건으로부터 밀려나간다. 도 23a 및 도 23b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 CT 인젝터들(720)은 CT를 구속 용기(100) 내의 중앙 FRC 플라즈마 내로 주입하기 위해 용기(100)의 중간-평면의 대향 측면들 상에 그리고 근처에 서 구속 용기(100)에 결합된다. CT 인젝터들(720)의 방출 단부는 중성 빔 인젝터들(615)과 유사하게 구속 용기(100)의 길이방향 축에 대해 일정 각도로 구속 용기(100)의 중간-평면을 향해 지향된다.
대안적인 실시예에서, 도 24a 및 도 24b에 도시된 바와 같이, CT 인젝터(720)는 CT 인젝터(720)의 배출 단부에 결합된 가늘고 긴 원통형 튜브를 포함하는 드리프트 튜브(740)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 드리프트 튜브(740)는 튜브 주위에 포지셔닝되고 튜브를 따라 축방향으로 이격된 드리프트 튜브 코일들(742)을 포함한다. 튜브의 길이를 따라 복수의 진단 포트들(744)이 도시되어 있다.
CT 인젝터(720)의 이점은: (1) 주입된 CT마다의 입자 인벤토리의 제어 및 조절 가능성(adjustability); (2) (극저온 펠릿 대신) 따뜻한(warm) 플라즈마가 퇴적됨; (3) 시스템이 연속적인 보급을 허용하기 위해 반복-레이트(rep-rate) 모드에서 동작될 수 있음; (4) 주입된 CT가 내장된 자기장을 전달함에 따라 시스템이 일부 자기 플럭스를 복원할 수도 있다는 것이다. 실험용도를 위한 실시예에서 외측 전극의 내경은 83.1 mm이고 내측 전극의 외경은 54.0 mm이다. 내측 전극(722)의 표면은 전극(722)에서 나오는 불순물을 감소시키기 위해 텅스텐으로 코팅되는 것이 바람직하다. 도시된 바와 같이, 바이어스 코일(726)은 내측 전극(722)의 내부에 장착된다.
최근 실험에서 최대 ~100 km/s의 초음속 CT 병진이동 속도가 달성되었다. 다른 일반적인 플라즈마 파라미터들은 다음과 같다: 전자 밀도 ~5×1021 m-3, 전자 온도 ~30 내지 50 eV, 입자 인벤토리 ~0.5 내지 1.0×1019. CT의 높은 운동 압력은 주입된 플라즈마가 FRC에 깊숙이 침투하여 세파라트릭스 내부에 입자를 퇴적하는 것을 허용한다. 최근 실험에서 FRC 입자 보급은 FRC 입자 인벤토리의 ~10 내지 20 %가 CT 인젝터에 의해 제공되는 결과로 되었고, 이는 FRC 플라즈마를 방해하지 않고 보급이 쉽게 수행될 수 있음을 성공적으로 보여준다.
안장 코일들
정상 상태의 전류 구동을 달성하고 필요한 이온 전류를 유지하기 위해 (충돌 이온 전자 운동량 전달로부터 초래되는) 전자-이온 마찰력으로 인한 전자 스핀업(spin up)을 방지하거나 상당히 감소시키는 것이 바람직하다. FRC 시스템(10)은 외부에서 가해지는 정적인 자기 쌍극자 또는 4중극자 필드를 통해 전자 브레이킹(electron breaking)을 제공하기 위해 혁신적인 기술을 사용한다. 이것은 도 15에 도시된 외부 안장 코일들(460)을 통해 달성된다. 안장 코일들(460)로부터 가로방향 인가되는 반경방향 자기장은 회전하는 FRC 플라즈마에서 축방향 전기장을 유도한다. 그 결과로 생긴 축방향 전자 전류는 반경방향 자기장과 상호작용하여 전자들에 방위각의 브레이킹 힘, 
을 생성한다. FRC 시스템(10)에서의 일반적인 조건에 대해, 플라즈마 내에서 필요한 인가되는 자기 쌍극자(또는 4중극자) 필드는 적절한 전자 브레이킹을 제공하기 위해 0.001 T 정도만 있으면 된다. 약 0.015 T의 대응하는 외부 필드는 눈에 띄는 고속 입자 손실을 일으키지 않거나 아니면 구속에 부정적인 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작다. 사실, 인가되는 자기 쌍극자(또는 4중극자) 필드는 불안정성을 억제하는데 기여한다. 접선방향 중성 빔 주입 및 축방향 플라즈마 주입과 결합하여, 안장 코일들(460)은 전류 유지 및 안정성에 추가적인 수준의 제어를 제공한다.
미러 플러그들
미러 플러그들(440) 내의 펄스 코일들(444)의 설계는 적절한 (약 100 kJ) 용량성 에너지를 갖는 높은 자기장(2 내지 4 T)을 국부적으로 생성할 수 있게 한다. 본 FRC 시스템(10)의 동작을 대표하는 자기장을 형성하기 위하여, 형성 볼륨 내 모든 필드 라인들은 도 2에서의 자기장 라인들에 의해 시사되는 바와 같이 미러 플러그들(440)에서 수축부들(442)을 통과하고, 플라즈마 벽 접촉은 일어나지 않는다. 더욱이, 준-dc 다이버터 자석들(416)과 나란히 있는(in tandem) 미러 플러그들(440)은 필드 라인들을 다이버터 전극들(910)로 가이드하거나, 필드 라인을 단부 커스프 구성(end cusp configuration)(미도시)으로 플래어(flare)하도록 조절될 수 있다. 후자는 안정성을 개선시키고 평행 전자 열 전도를 억제한다.
미러 플러그들(440)은 자체적으로 또한 중성 가스 제어에 기여한다. 다이버터들(300) 내로 역 스트리밍하는 가스는 플러그들의 작은 가스 컨덕턴스(빈약한 500 L/s)에 의해 상당히 감소되므로 미러 플러그들(440)은 FRC 형성 동안 석영 튜브들 내로 퍼핑된 중수소(deuterium) 가스를 더 잘 이용할 수 있게 한다. 형성 튜브들(210) 내 잔류 퍼핑 가스의 대부분은 신속히 이온화된다. 또한, 미러 플러그들(440)을 통해 흐르는 고밀도 플라즈마는 효율적인 중성 이온화, 따라서 효과적인 가스 배리어를 제공한다. 그 결과, FRC 에지 층(456)으로부터 다이버터들(300)에서 재순환되는 중성입자들의 대부분은 구속 챔버(100)로 복귀하지 않는다. 또한, 플라즈마 건들(350)(하기에 논의되는 바와 같이)의 동작과 연관된 중성입자들은 대부분 다이버터들(300)로 구속된다.
마지막으로, 미러 플러그들(440)은 FRC 에지 층 구속을 개선시키는 경향이 있다. 미러 비율(플러그/구속 자기장)이 20 내지 40 범위이고 북쪽 및 남쪽 미러 플러그들(440) 사이의 길이가 15 m인 경우, 에지 층 입자 구속 시간 τ∥은 최대 한 자릿수만큼 증가한다. τ∥를 개선시키는 것은 FRC 입자 구속을 용이하게 증가시킨다.
에지 층(456)으로부터 축방향 손실(τ∥)에 의해 밸런싱된 세파라트릭스 볼륨(453)으로부터 반경방향 확산성(D) 입자 손실을 가정하면, (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/τ∥)을 얻고, 이로부터 세파라트릭스 밀도 구배 길이는 δ = (Dτ∥)1/2로 다시 쓸 수 있다. 여기서 rs, Ls 및 ns는 각각 세파라트릭스 반경, 세파라트릭스 길이 및 세파라트릭스 밀도이다. FRC 입자 구속 시간은 τN = [πrs 2Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(τ⊥τ∥)1/2이고, 여기서 τ⊥ = a2/D이고 a=rs/4이다. 물리적으로, τ∥을 개선시키는 것은 증가된 δ(감소된 세파라트릭스 밀도 구배 및 드리프트 파라미터), 따라서 감소된 FRC 입자 손실을 가져온다. FRC 입자 구속에서의 전체적인 개선은 대체로 어느 정도 2차(quadratic) 미만인데 이는 ns가 τ∥에 따라 증가하기 때문이다.
τ∥의 상당한 개선은 또한 에지 층(456)이 전체적으로 안정적으로 유지될 것(즉, n = 1인 플루트(flute), 소방 호스(firehose), 또는 개방된 시스템을 대표하는 다른 MHD 불안정성이 없는 것)을 요구한다. 플라즈마 건들(350)의 사용은 이 바람직한 에지 안정성을 제공한다. 이러한 의미에서, 미러 플러그들(440) 및 플라즈마 건(350)은 효과적인 에지 제어 시스템을 형성한다.
플라즈마 건들
플라즈마 건들(350)은 라인-묶기에 의하여 FRC 배기 제트(454)의 안정성을 개선시킨다. 플라즈마 건들(350)로부터의 건 플라즈마는 방위각의 각운동량(angular momentum) 없이 생성되고, 이는 FRC 회전 불안정성을 제어할 때 유용한 것으로 밝혀졌다. 따라서 건들(350)은 이전의 4중극자 안정화 기술을 필요로 하지 않고 FRC 안정성을 제어하는 효과적인 수단이다. 그 결과, 플라즈마 건들(350)은 고속 입자의 유리한 효과를 이용하거나 본 개시에서 개요가 설명된 진보된 하이브리드 운동 FRC 체제에 접근하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 플라즈마 건들(350)은 FRC 시스템(10)이 FRC 불안정을 야기하고/하거나 극적인 고속 입자 확산을 가져올 수 있는 문턱값 미만이지만 전자 브레이킹에 적절한 안장 코일 전류로 동작될 수 있게 한다.
위의 미러 플러그 논의에서 언급된 바와 같이, τ∥이 상당히 개선될 수 있다면, 공급되는 건 플라즈마는 에지 층 입자 손실율(~ 1022/s)에 필적할 수 있다. FRC 시스템(10)에서 건-생성된 플라즈마의 수명은 밀리초 범위에 있다. 실제, 단부 미러 플러그(440)들 사이에 구속된, 밀도 ne ~ 1013 cm-3이고 약 200 eV의 이온 온도를 갖는 건 플라즈마를 고려해보자. 트랩 길이 L 및 미러 비율 R은 각각 약 15 m 및 20이다. 쿨롱 충돌로 인한 이온 평균(mean) 자유 경로는 λii ~ 6×103 cm이고, λiilnR/R < L이므로, 이온들은 가스-동적 체제에 구속된다. 이 체제에서 플라즈마 구속 시간은 τgd ~ RL/2Vs ~ 2 ms이고, 여기서 Vs는 이온 음속(ion sound speed)이다. 비교를 위해, 이 플라즈마 파라미터들에 대한 고전적인 이온 구속 시간은 τc ~ 0.5τii(lnR + (lnR)0.5) ~ 0.7 ms이다. 이례적인 가로방향 확산은 원칙적으로 플라즈마 구속 시간을 단축시킬 수 있다. 그러나, FRC 시스템(10)에서, Bohm 확산 속도(diffusion rate)를 가정하면, 건 플라즈마에 대해 추정된 가로방향 구속 시간은 τ⊥ > τgd ~ 2 ms이다. 따라서, 건은 FRC 에지 층(456)의 상당한 재보급, 및 개선된 전체적인 FRC 입자 구속을 제공할 것이다.
더욱이, 건 플라즈마 스트림은 약 150 내지 200 마이크로초 후에 턴온될 수 있고, 이는 FRC 기동, 병진이동, 및 구속 챔버(100)내로의 병합에 사용을 허용한다. 약 t ~ 0 (FRC 메인 뱅크 개시)에서 턴온되면, 건 플라즈마는 이 동적으로 형성되어 병합된 FRC(450)를 지속시키는 것을 도모한다. 형성 FRC로부터 그리고 건들로부터 조합된 입자 인벤토리들은 중성 빔 포획, 플라즈마 가열, 및 긴 지속에 적당하다. -1 내지 0 ms 범위의 t에서 턴온되면, 건 플라즈마는 플라즈마로 석영 튜브들(210)을 채우거나 또는 석영 튜브들 내로 퍼핑된 가스를 이온화시켜서, 감소되거나 심지어 아마도 제로 퍼핑된 가스로 FRC 형성을 가능하게 할 수 있다. 후자는 역전된 바이어스 자기장을 고속으로 확산시키기에 충분히 차가운 형성 플라즈마를 필요로 할 수 있다. t < -2 ms에서 턴온되면, 플라즈마 스트림은 형성 섹션들(200) 및 구속 챔버(100)의 형성 및 구속 영역들의 약 1 내지 3 m3 필드 라인 볼륨을, FRC 도달 전에 중성 빔을 빌드-업하는데 충분한 몇 1013 cm-3의 타깃 플라즈마 밀도로 채울 수 있다. 그런 다음 형성 FRC들이 형성되고 결과적인 구속 용기 플라즈마로 병진이동될 수 있다. 이런 방식으로 플라즈마 건들(350)은 여러 다양한 동작 조건 및 파라미터 체제를 가능하게 한다.
전기적 바이어싱
에지 층(456)에서의 반경방향 전기장 프로파일의 제어는 FRC 안정성 및 구속에 여러 방식으로 유리하다. FRC 시스템(10)에 배치된 혁신적인 바이어싱 구성요소들에 의하여 구속 챔버(100)의 중앙 구속 영역에서 충분히 외부 에어리어로부터 기계 전체에 걸친 개방된 플럭스 표면들의 그룹에 전기 전위의 다양한 의도적인 분배를 적용하는 것이 가능하다. 이런 방식으로 반경방향 전기장은 FRC(450)의 바로 외측 에지 층(456)에 걸쳐 생성될 수 있다. 그런 다음 이들 반경방향 전기장은 에지 층(456)의 방위각 회전을 변경하고 E×B 속도 전단을 통해 그 구속을 수행한다. 에지 층(456)과 FRC 코어(453) 사이에 임의의 차동 회전은 전단(shear)에 의하여 FRC 플라즈마의 내부로 전달될 수 있다. 그 결과, 에지 층(456)을 제어하는 것은 FRC 코어(453)에 직접 영향을 미친다. 더욱이, 플라즈마 회전에서 자유 에너지는 불안정성을 야기할 수 있으므로, 이 기술은 불안정성의 발생(onset)과 성장을 제어하는 직접적인 수단을 제공한다. FRC 시스템(10)에서, 적절한 에지 바이어싱은 FRC 코어 회전뿐만 아니라 개방된 필드 라인의 수송 및 회전을 효과적으로 제어한다. 다양한 제공된 전극들(900, 905, 910, 920)의 위치와 형상은 상이한 그룹들의 플럭스 표면들(455)을 제어하는 것을 가능하게 하고, 상이하고 독립적인 전위들에서 제어하는 것을 가능하게 한다. 이런 방식으로 각각 플라즈마 성능에 상이한 특징적인 영향을 미치는, 다양한 전기장 구성과 강도를 실현할 수 있다.
모든 이들 혁신적인 바이어싱 기술의 주요 이점은 코어 및 에지 플라즈마 거동이 FRC 플라즈마로부터 충분히 외부로부터 영향을 받을 수 있다는 것, 즉 임의의 물리적 구성요소들을 (에너지, 플럭스 및 입자 손실에 심각한 영향을 가질 수 있는) 중앙의 고온 플라즈마와 접촉시킬 필요가 없다는 것이다. 이것은 성능과 HPF 개념의 모든 잠재적 응용에 주된 유익한 영향을 가진다.
실험 데이터 - HPF 동작
중성 빔 건(600)으로부터의 빔을 통한 고속 입자의 주입은 HPF 체제를 가능하게 하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 이러한 사실을 도시한다. FRC 수명이 빔 펄스의 길이와 어떻게 상관되는지를 보여주는 곡선들의 세트가 도시된다. 모든 다른 동작 조건이 이 연구를 포함하는 모든 방전에서 일정하게 유지된다. 데이터는 많은 샷들에 걸쳐 평균되고, 따라서 일반적인 거동을 나타낸다. 빔 지속시간이 길수록 수명이 긴 FRC가 생성된다는 것이 분명하다. 이 연구 동안 다른 진단뿐만 아니라 이러한 증거를 보면, 빔은 안정성을 증가시키고 손실을 감소시킨다는 것을 보여준다. 빔 트랩핑이 특정 플라즈마 크기 미만에서 비효율적이기 때문에, 즉, FRC(450)의 물리적 크기가 수축될 때 주입된 모든 빔이 가로채어지고(intercepted) 트랩되는 것은 아니기 때문에, 빔 펄스 길이와 FRC 수명 사이의 상관관계는 완벽하지 않다. FRC의 수축은 주로 방전 동안 FRC 플라즈마로부터의 순 에너지 손실(방전 전체에 걸쳐 대략 중간에서 ~ 4 MW)이 특정 실험 설정에서 중성 빔을 통해 FRC에 공급되는 총 전력(~2.5 MW)보다 약간 더 크다는 사실에 기인한다. 용기(100)의 중간-평면에 더 가까운 위치에 빔을 위치시키는 것은 이 손실을 감소시키고 FRC 수명을 연장시키는 경향이 있을 것이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 HPF 체제를 달성하기 위한 다양한 구성요소들의 효과를 도시한다. 이것은 FRC(450)의 수명을 시간의 함수로서 도시하는 전형적인 곡선 군을 도시한다. 모든 경우에서 일정하고 적절한 양의 빔 전력(약 2.5 MW)이 각각의 방전의 최대 지속시간 동안 주입된다. 각각의 곡선은 구성요소들의 상이한 조합을 나타낸다. 예를 들어, 미러 플러그들(440), 플라즈마 건들(350) 또는 게터링 시스템들(800)로부터 게터링 없이 FRC 시스템(10)을 동작시키는 것은 회전 불안정성의 신속한 유발 및 FRC 토폴로지의 손실을 초래할 수 있다. 미러 플러그들(440)만을 부가하면 불안정성의 유발이 지연되고 구속이 증가된다. 미러 플러그들(440)과 플라즈마 건(350)의 조합을 사용하면 불안정성이 더 감소되고 FRC 수명이 증가된다. 마지막으로 건(350)과 플러그(440)에 게터링(이 경우에 Ti)을 추가하면 최상의 결과가 나오는데 그 결과로 생긴 FRC는 불안정성이 없어서 최장 수명을 나타낸다. 이 실험 설명으로부터 구성요소들의 완전한 조합이 최상의 효과를 생성하고 최상의 타깃 조건을 갖는 빔을 제공한다는 것이 명백하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 새로이 발견된 HPF 체제는 크게 개선된 수송 거동을 나타낸다. 도 1은 종래의 체제와 HPF 체제 간에 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속 시간의 변화를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, HPF 체제에서는 5 배를 훨씬 초과하여 개선되었다. 또한, 도 1은 이전의 종래의 FRC 실험에서의 입자 구속 시간에 대한 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속 시간을 상세히 설명한다. 이러한 다른 기계들과 관련하여, FRC 시스템(10)의 HPF 체제는 구속을 5 배 내지 20 배 가까이까지 향상시켰다. 마지막으로 그리고 가장 중요한 것으로, HPF 체제에서 FRC 시스템(10)의 구속 스케일링의 특성은 모든 이전의 측정들과는 크게 상이하다. FRC 시스템(10)에서의 HPF 체제의 확립 이전에, 이전의 FRC 실험에서의 구속 시간을 예측하기 위해 데이터로부터 다양한 경험적 스케일링 규칙이 유도되었다. 모든 이들 스케일링 규칙은 주로 비율 R2/ρi에 의존하고, 여기서 R은 자기장 널(magnetic field null)의 반경(기계의 물리적 스케일의 루스 측정(loose measure))이고, ρi는 외부적으로 인가된 필드에서 평가된 이온 라머(larmor) 반경(인가된 자기장에 대한 루스 측정)이다. 도 1로부터 종래의 FRC에서 긴 구속은 큰 기계 크기 및/또는 높은 자기장에서만 가능한 것이 명백하다. 종래의 FRC 체제(CR)에서 FRC 시스템(10)을 동작시키는 것은 도 1에 도시된 바와 같이 이 스케일링 규칙을 따르는 경향이 있다. 그러나, HPF 체제는 대단히 우수하고, 큰 기계 크기 또는 높은 자기장 없이 훨씬 더 우수한 구속이 달성가능함을 보여준다. 보다 중요하게는, 도 1로부터 HPF 체제는 CR 체제에 비해 감소된 플라즈마 크기로 개선된 구속 시간의 결과를 가져오는 것이 명백하다. 하기에 설명된 바와 같이 플럭스 및 에너지 구속 시간에 대해서도 유사한 추세를 볼 수 있으며, 이들은 FRC 시스템(10)에서 3 내지 8 배 넘게 증가했다. 따라서, HPF 체제라는 획기적 발견은 FRC 시스템(10) 및 미래의 더 높은 에너지 기계에서 FRC 평형을 지속시키고 유지하기 위해 적당한 빔 전력, 더 낮은 자기장 및 더 작은 크기의 사용을 가능하게 한다. 이러한 개선 사항과 함께 엔지니어링 복잡성이 감소될 뿐만 아니라 동작 및 구축 비용이 더 낮아질 수 있다.
추가적인 비교를 위해, 도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 FRC 시스템(10)에서 대표적인 HPF 체제 방전으로부터의 데이터를 시간의 함수로서 도시한다. 도 18a는 중간-평면에서 배제된 플럭스 반경을 도시한다. 이러한 더 긴 시간스케일에 대해 전도성 스틸 벽은 더 이상 우수한 플럭스 보존기가 아니며 벽 내부의 자기 프로브들은 스틸을 통한 자기 플럭스 확산을 적절히 고려하기 위해 벽 외부의 프로브들로 보강된다. 종래의 체제(CR)에서의 일반적인 성능에 비해, 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, HPF 체제 동작 모드는 400 % 초과 더 긴 수명을 나타낸다.
선 적분된 밀도 트레이스의 대표적인 코드가 그것의 아벨 반전된 보완(Abel inverted complement)으로 도 18b에 도시되어 있고, 밀도 윤곽은 도 18c에 도시되어 있다. 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, 종래의 FRC 체제(CR)와 비교하여, 플라즈마는 펄스 전체에 걸쳐 더 정적이어서, 매우 안정적인 동작을 나타낸다. 피크 밀도는 또한 HPF 샷에서 약간 더 낮으며 - 이것은 도 18d에 도시된 바와 같이 보다 고온의 전체 플라즈마 온도(최대 2 배)의 결과이다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d에 도시된 개개의 방전에 대해, 에너지, 입자 및 플럭스 구속 시간은 각각 0.5 ms, 1 ms 및 1 ms이다. 방전 시작하고 1 ms 기준 시간에서 저장된 플라즈마 에너지는 2 kJ인 반면 손실은 약 4 MW이어서, 이 타깃을 중성 빔 지속에 매우 적합하게 한다.
도 19는 새로 확립된 실험적 HPF 플럭스 구속 스케일링의 형태로 HPF 체제의 모든 이점들을 요약한다. 도 19에서 알 수 있는 바와 같이, t = 0.5 ms 전후, 즉, t ≤ 0.5 ms 및 t > 0.5 ms에서 취한 측정에 기초하여, 플럭스 구속(및 유사하게 입자 구속 및 에너지 구속)은 주어진 세파라트릭스 반경(rs)에 대해 대략 전자 온도(T e )의 제곱으로 스케일링된다. Te의 양의 거듭제곱(positive power)(그리고 음의 거듭제곱이 아님)을 갖는 이 강력한 스케일링은, 구속이 전형적으로 전자 온도의 몇 거듭제곱에 반비례하는 종래의 토코막(tokomaks)에 의해 보여지는 것과는 완전히 반대이다. 이러한 스케일링의 표현은 HPF 상태와 큰 궤도(즉, FRC 토폴로지의 스케일 및/또는 적어도 특징적인 자기장 구배 길이 스케일의 궤도) 이온 집단의 직접적인 결과이다. 기본적으로, 이 새로운 스케일링은 실질적으로 높은 동작 온도를 지원하고 상대적으로 적절한 크기를 갖는 원자로를 가능하게 한다.
HPF 체제가 제시하는 이점으로, 중성 빔에 의해 구동되는 FRC 지속 또는 정상 상태가 달성 가능하며, 이는 플라즈마 열 에너지, 총 입자 수, 플라즈마 반경 및 길이뿐만 아니라 자기 플럭스와 같은 전반적인 플라즈마 파라미터들이 실질적인 감쇠 없이 합리적인 수준에서 지속 가능함을 의미한다. 비교를 위해, 도 20은 FRC 시스템(10)에서의 대표적인 HPF 체제 방전으로부터의 플롯 A로, 그리고 FRC 시스템(10)에서 예상되는 대표적인 HPF 체제 방전에 대해 플롯 B로 시간의 함수로서 데이터를 나타내고, 여기서 FRC(450)는 중성 빔 펄스의 지속시간 동안 감쇠 없이 지속된다. 플롯 A의 경우, 총 전력이 약 2.5 내지 2.9 MW 범위인 중성 빔이 약 6ms의 활성 빔 펄스 길이에 대해 FRC(450)에 주입되었다. 플롯 A에 도시된 플라즈마 반자성 수명은 약 5.2 ms였다. 보다 최근의 데이터는 약 7.2 ms의 플라즈마 반자성 수명이 약 7 ms의 활성 빔 펄스 길이로 달성될 수 있음을 보여준다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d와 관련하여 위에서 언급한 바와 같이, 빔 트랩핑은 특정 플라즈마 크기 미만에서 비효율적이 되기 때문에, 즉 FRC(450)의 물리적 크기가 수축될 때 주입된 모든 빔이 가로채어지고 트랩되는 것은 아니기 때문에, 빔 펄스 길이와 FRC 수명 사이의 상관관계는 완벽하지 않다. FRC의 수축 또는 감쇠는 주로 방전 동안 FRC 플라즈마로부터의 순 에너지 손실(방전 전체에 걸쳐 대략 중간에서 ~ 4MW)이 특정 실험 설정에서 중성 빔을 통해 FRC로 공급되는 총 전력(-2.5 MW)보다 약간 큰 것에 기인한다. 도 3c와 관련하여 언급된 바와 같이, 중성 빔 건들(600)로부터 중간-평면을 향한 경사진 빔 주입은 FRC 플라즈마가 주입 기간 동안 수축되거나 아니면 달리 축방향으로 줄어들더라도 빔-플라즈마 결합을 개선한다. 또한 적절한 펠릿 보급은 필요한 플라즈마 밀도를 유지시킬 것이다.
플롯 B는 약 6 ms의 활성 빔 펄스 길이와 약 10 MW보다 약간 큰 중성 빔 건들(600)로부터의 전체 빔 전력을 사용하여 실행된 시뮬레이션의 결과이며, 여기서 중성 빔은 약 15 keV의 입자 에너지를 갖는 H(또는 D) 중성입자를 주입할 것이다. 각각의 빔에 의해 주입되는 등가 전류는 약 110 A이다. 플롯 B의 경우 디바이스 축에 대한 빔 주입 각도는 약 20 °, 타깃 반경은 0.19 m이었다. 주입 각도는 15 ° 내지 25 ° 범위 내에서 변경될 수 있다. 빔은 방위각에서(azimuthally) 평행류 방향(co-current direction)으로 주입되어야 한다. 중성 빔 운동량 주입으로부터 순 축방향 힘(axial force)뿐만 아니라 순 측면힘(side force)이 최소화될 것이다. 플롯 A에서와 같이, 북쪽 및 남쪽 형성 FRC가 구속 챔버(100)에서 하나의 FRC(450)로 병합되는 순간부터 중성 빔 인젝터들(600)로부터 고속 (H) 중성입자들이 주입된다.
이 시뮬레이션들은 플롯 B에 대한 기초가 배경 플라즈마 및 평형에 대한 다차원 홀(hall)-MHD 솔버(solver)들, 에너지 빔 구성요소들 및 모든 산란 프로세스들에 대해 완전 운동 몬테-카를로(Monte-Carlo) 기반 솔버들뿐만 아니라, 상호작용을 하는 손실 프로세스들을 모델링하기 위해 모든 플라즈마 종들에 대한 다수의 결합 수송 방정식을 사용하는 것이다. 수송 구성요소들은 경험적으로 교정(calibration)되고 실험 데이터베이스에 대비하여 광범위하게 벤치마킹된다.
플롯 B에 의해 도시된 바와 같이, FRC(450)의 정상 상태 반자성 수명은 빔 펄스의 길이일 것이다. 그러나 플롯 B가 보여주는 주요 상관관계는 빔이 턴 오프되면 플라즈마 또는 FRC가 그 시점에 감쇠하기 시작하지만 이전에는 그렇지 않다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 감쇠는 빔 보조가 없는 방전에서 관찰되는 것 - 아마도 빔 턴 오프 시간보다 1 ms 정도 더 높을 것임 - 및 단순히 본질적인 손실 프로세스들에 의해 유도되는 플라즈마의 특징적인 감쇠 시간의 반영인 것과 유사할 것이다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e를 참조하면, 도면에 예시된 실험 결과는 경사진 중성 빔에 의해 구동되는 FRC 지속 또는 정상 상태의 달성을 나타내며, 즉 자기 플럭스뿐만 아니라 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도, 플라즈마 온도와 같은 전반적인 플라즈마 파라미터들이 NB 펄스 지속시간과의 상관 관계에서 감쇠 없이 일정한 수준으로 지속 가능함을 나타낸다. 예를 들어, 그러한 플라즈마 파라미터들은 기본적으로 ~5+ ms 동안 일정하게 유지된다. 지속 특징을 포함하는 이러한 플라즈마 성능은 NB 펄스지속 시간과 강한 상관관계를 가지며, 축적된 고속 이온들로 인해 NB 종료 후 수 밀리초라도 반자성이 지속된다. 예시된 바와 같이, 플라즈마 성능은 NB 인젝터 및 기타 시스템 구성요소들과 같은 많은 중요 시스템들의 연관된 전력 공급장치에 저장된 유한한 에너지로부터 발생하는 펄스-길이 제약 조건에 의해서만 제한된다.
빔 에너지 조정 가능한 중성 빔
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 8과 관련하여 위에서 언급한 바와 같이, 중성 원자 빔(600)이 고속 입자 압력을 발생시킬 뿐만 아니라 가열 및 전류 구동을 제공하기 위해 FRC 시스템(10)에서 사용된다. 중성 원자 빔 인젝터 시스템들(600)을 포함하는 개별 빔라인들은 중앙 구속 챔버(100) 주위에 위치되고, 도 3c, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 구속 챔버(100)의 중간-평면을 향해 중성 입자들을 주입하도록 경사져 있다.
FRC 지속성을 추가로 개선하고 높은 플라즈마 온도 및 상승된 시스템 에너지로의 FRC 램프-업(ramp-up)을 보여주기 위해, 본 FRC 시스템(10)은 상승된 전력 및 확대된 펄스 길이(예를 들어, 단지 예로서, 최대 30 ms의 펄스 길이를 갖는 약 20+ MW의 전력)의 중성 빔 인젝터(neutral beam injector, NBI) 시스템(600)을 포함한다. NBI 시스템(600)은 유연한, 모듈식 설계를 특징으로 하는 복수의 양이온 기반 인젝터들(615)(도 3d 및 도 3e 참조)을 포함하고, NBI 인젝터들(615)의 서브세트, 예를 들어 여덟(8)개의 NBI 인젝터들(615) 중 네(4)개는 샷 동안 빔 에너지를 초기 낮은 빔 에너지로부터 상승된 빔 에너지로, 예를 들어, 일정한 빔 전류에서 약 15 keV로부터 약 40 keV로 조정하는 능력을 갖는다. NBI 인젝터들(615)의 이러한 능력은 플라즈마 코어(450)의 더욱 효율적인 가열 및 결과적인 가압(pressurization)을 달성하기 위해 바람직하다. 특히, 이 능력은 낮은 에너지 레벨에 비해 피크 에너지 동작 레벨에서 매우 바람직한 성능 개선: 예를 들어, (i) 최대 2 배 더 높은 가열 전력; (ii) 전하 교환 손실이 5 배 가까이 감소함; (iii) 최대 두 배의 가열 효율을 가능하게 한다. 또한, NBI 인젝터들(615)에 의해 생성될 수 있는 연속적으로 가변적인 빔 에너지는 램프-업 프로세스 동안 순간적인 자기 압력 프로파일에 대해 주입된 후 트랩되는 고속 이온들의 궤도 파라미터들의 최적 매칭을 가능하게 한다. 마지막으로, NBI 인젝터들(615)의 빔 에너지 및 전력의 신속한(1 ms 이하 정도) 조정 가능성과 함께 0.1 내지 10 ms 램프-업 지속시간을 허용하는 신속한 램프 레이트(ramp rates)는 추가적인 효과적인 "제어 노브(knob)들", 즉 빔 에너지 및 전력의 변조를 통한 플라즈마 셰이핑 및 능동 피드백 제어를 위해 제어 가능한 특징들을 제공한다.
높은 플라즈마 온도 및 상승된 시스템 에너지로의 램프-업뿐만 아니라 지속성 모두를 위해, FRC(450)의 가열 및 가압을 가능하게 하기 위해 충분한 가열 전력이 필요하다. 충분히 낮은 손실률(loss rate)을 가정하면, 램프-업 레이트는 대부분 임의의 주어진 시간에 NBI 인젝터들(615)에 의해 FRC 코어(450)에 얼마나 많은 전력이 축적될 수 있는지에 대한 함수이다. 따라서 주입 포트를 통한 더 높은 주요 중성 빔 전력이 항상 바람직하다.
더욱이, NBI 인젝터들(615)로 인한 유효 가열 속도(effective heating rate)는 주입된 빔의 특징들과 그 후, 모든 종들의 온도, 전자 및 이온의 밀도, 중성입자 농도 및 FRC 코어(450)에 걸친 자기장의 지속적인 순간 프로파일들 사이의 복잡한 상호작용이다. 이들 중 자기장 프로파일들은 제어 시스템에 의한 램프-업 동안 서브밀리초 시간 스케일로 의도적으로 변경되는 반면, 운동 압력 관련 프로파일들은 주입 프로세스에 의해 축적된 에너지뿐만 아니라 플라즈마 내의 자기 조직화(self-organization) 프로세스 및 난류(turbulence)에서 파생된 본질적인 변화를 통해 진화한다. 빔의 조정 가능성은 이러한 변화하는 조건에 가장 최적으로 적응하기 위한 수단을 제공한다.
예를 들어, 전하 교환 단면적, 즉 중성 원자를 형성하기 위해 고속 이온에 의한 전자 포획 확률은 빔 에너지의 강한 함수이다. 15 내지 40 keV 범위에 대해 주요 전하 교환 레이트는 빔 에너지의 함수로 극적으로 감소한다. 따라서 주어진 필드 레벨에서 플라즈마에서의 에너지 보유는 그러한 필드 레벨에 양립할 수 있는 가장 높은 에너지로 입자를 주입할 때 가장 높다(특히, 이것은 주입된 입자들의 에너지가 구속 시스템의 내측 벽 내에 맞는 트랩된 이온 궤도 반경을 초래할 것을 필요로 함).
전체 가열 효율에 대한 프로파일 효과의 또 다른 예는 전력이 축적되는 위치와 관련이 있다. 더 높은 빔 에너지는 일반적으로 코어에 비해 FRC 주변부에서 상대적으로 더 높은 에너지 축적으로 이어질 것이다. 자기장을 높이지만 빔 에너지를 동일하게 유지하는 것은, 더 타이트한 트랩된 이온 궤도들 및 상응하여 FRC 코어 플라즈마에 대한 더 높은 전력 결합을 결과적으로 초래할 것이다. 이러한 사실은 에너지 보유에도 강한 영향을 미친다 - 예를 들어, 주변에 축적된 에너지는 개방된 필드 라인 구조를 따라 시스템 밖으로 훨씬 더 쉽게 수송되는 반면, 코어에 축적된 에너지는 더 낮은 교차-필드(cross-field) 수송 횟수(times)로 인해 비교적 더 느리게 손실된다. 따라서 자기장 램핑과 빔 에너지의 적절한 증가를 긴밀하게 조정하는 것이 바람직하다.
빔 시스템(600)은 0.1 내지 10 ms 범위에서 전압을 빠르게 램핑하도록 설계된다. 이것은 이온 및 전자 온도를 각각 2 배 및 10 배 증가시키고, 전형적인 거시적 불안정성 성장 시간보다 짧은 시간 스케일에서 그렇게 할 수 있는 잠재력을 제공한다. 따라서 플라즈마 안정성이 근본적으로 증가되고 동작 신뢰성 및 재현성이 향상된다.
0.05 내지 1 ms의 가변 전압 상승 시간은 빔이 능동 피드백 시스템의 부분으로서 이용될 수 있도록 충분히 빠른 응답 시간을 제공한다. 이러한 방식으로, 매크로 및 마이크로 안정성을 제어하기 위해 빔 변조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 빔 에너지를 변경하여 반경방향 전력 축적 프로파일을 순간적으로 시프팅하면(그리고 이에 의해 반경방향 에너지 축적 패턴을 시프팅하면) 불안정한 플라즈마 모드들의 시작을 상쇄할 수 있는 압력 구배에 영향을 줄 수 있다. 도 3d 및 도 3e에 도시된 FRC 시스템(10)은 내부 틸팅(tilting), 회전 속도, 드리프트 파 발달 및 다른 동작 시나리오를 제어하기 위해 신속한 자기(magnetic) 피드백과 함께 이 능력을 활용한다.
도 25는 본 FRC 시스템(10)의 NBI 인젝터(615)의 예시를 도시한다. 예시적인 실시예에서 NBI 인젝터(615)는 아크 드라이버(650); 플라즈마 박스(651); 추출 및 가속 그리드들의 트라이오드(triode) 또는 테트로드(tetrode) 그룹을 포함하는 이온 광학 시스템(652); 조준 짐벌(653); 예를 들어, Ti 아크 증발기와 같은 아크 증발기들(655), 증가된 크라이오펌핑(cryopumping)을 위해 구성된 예를 들어 리브형(ribbed) 표면 구조와 같은 표면 구조를 갖는 크라이오 펌프(656), 및 비-중성화(non-neutralized) 이온을 제거하기 위한 편향 자석(656)을 포함하는 중성화기(654); 및 간헐적 빔 특성화, 진단 및 재교정을 위한 삽입 가능한 열량계(659)를 포함하는 시준 애퍼처(collimating aperture)(658)을 포함하는 것으로 도시된다.
보다 구체적으로 그리고 도 26을 참조하면, 도시된 바와 같이 조정 가능한 빔 시스템의 구현은 바람직하게는 트라이오드 타입 이온 광학 시스템(=IOS)(660)에 기초한다. 아이디어는 가속-감속 방식이다. 도 26에 도시된 바와 같이, 제1 그리드(G1)는 전압(V1)으로 설정되고, 한편 제2 그리드(G2)는 전압(V2)으로 설정되고, 최종 그리드(G3)는 전압(V3)으로 설정된다. 추출된 이온들은 먼저 G1과 G2 사이의 갭을 통해 이동하면서 에너지 E1=e*(V1-V2)로 가속된다(여기서 e는 이온의 전하를 나타냄). 그런 다음 그것들은 E2=E1+e*(V2-V3)가 되도록 G2와 G3 사이의 갭에서 감속된다. 전압은 일반적으로 V1>V2<V3이 되도록 조절된다. 적절한 개별 전력 공급장치들(PS1, PS2, PS3)에 기반하여 그리드 전압은 방출되는 이온들(662)의 출력을 변경하기 위해 펄스 동안 점증적으로(incrementally) 조절될 수 있다. 예를 들어, 수소 원자의 빔 펄스를 시작하기 위해 동작 전압은 V1=15 kV, V2=-25 kV 및 V3=0 V로 조절될 수 있다. 그런 다음 초기 빔 이온은 먼저 40 keV로 가속된 다음 15 keV의 에너지를 갖고 IOS에서 나온다. 나중 펄스에서 전력 공급장치들은 V1=40 kV, V2=-1 kV, V3= 0V를 제공하도록 스위칭될 수 있다. 그러면 두번째 갭에서의 빔 감속은 사실상 없어지고 대략 40 keV의 출력 빔 에너지가 생성된다. 전력 공급장치는 각각 개별적으로 제어할 수 있으며 적절한 전압 변조를 제공한다. 초기 빔 이온은 다수의 표준 아치(arch) 또는 RF 기반 플라즈마 소스(PS)에서 인출된다. IOS(660)로부터 나온 후, 빔 이온들(662)은 중성화기(664)에 존재하는 차가운 중성 가스로부터의 전자들의 전하 교환을 통해 고속 이온들이 중성 이온들로 변환되는 중성화기(664)를 이동한다. 적절한 크라이오 펌핑은 중성화기(664)의 하류 오리피스(orifice)에서 중성 가스가 유출되는 것을 방지한다. 중성화기(664)의 단부에는 또한 비-중성화 고속 이온(663)의 제거를 제공하는 적절한 굽힘 자석(666) 및 고속 이온과 그 에너지를 흡수하기 위한 연관된 이온 덤프(ion dump)(668)가 있다. 그런 다음 나오는 원자 빔(670)은 빔 발산을 감소시키고 원자로의 코어를 향해 잘 시준된 중성 원자들의 스트림을 제공하기 위해 적절한 애퍼처(672)를 통과한다.
대안적인 버전에서, IOS는 테트로드 설계에 기초한다. 이 경우 IOS는 트라이오드 경우에 대해 설명한 것과 동일한 가속-감속 원칙을 갖는 4 개의 그리드로 구성된다. 이 분야의 기술자들은 시스템 구성요소들과 동작 원리 사이의 유사성을 쉽게 인식할 것이다. 네 번째 그리드의 도입으로 추가 미세-조정 가능성과 전반적으로 더 많은 동작 유연성이 제공된다.
본 명세서에 제공된 예시적인 실시예는 미국 임시특허출원 No. 62/414,574에 설명되어 있으며, 이 출원은 여기에 참조로 포함된다.
플라즈마 안정성 및 축방향 포지션 제어
FRC 불안정성에 대한 종래의 해결책은 전형적으로 반경방향으로 불안정한 대가로 축방향으로의 안정성을 제공하거나, 축방향으로 불안정한 대가로 반경방향으로의 안정성을 제공하지만, 동시에 양 방향으로의 안정성은 제공하지 않는다. 첫 번째로, 플라즈마 포지션이 가로방향으로(transversally) 또는 반경방향으로 안정적인 평형은 축방향으로 불안정한 대가로 축대칭인(axisymmetric) 원하는 속성을 갖는다. 전술한 관점에서, 여기에 제공된 실시예는 반경방향 및 축방향 모두에서 FRC 플라즈마의 안정성 및 FRC 플라즈마 평형의 축방향 안정성 속성과 독립적으로 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭축을 따른 FRC 플라즈마의 축방향 포지션 제어를 가능하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러나 축방향 포지션 불안정성은 FRC 플라즈마 축방향 포지션을 제어하는 외부 축대칭 코일들의 세트를 사용하여 적극적으로 제어된다. 시스템 및 방법은 비선형 제어 기술을 사용하고 플라즈마와 동심인 외부 코일들의 세트에 인가되는 전압에 작용함으로써 플라즈마 평형의 안정성 속성과 독립적으로 FRC 플라즈마 축방향 포지션의 피드백 제어를 제공한다.
여기에 제시된 실시예는 축방향 불안정성을 안정화 또는 제어하면서, FRC의 축방향으로 불안정한 평형을 이용하여 반경방향 안정성을 시행한다. 이러한 방식으로, 축방향과 반경방향 모두에서 안정성이 얻어질 수 있다. 제어 방법론은 축방향으로 불안정한 대가로 FRC 플라즈마를 반경방향으로 또는 가로방향으로 안정되게 만들기 위해 외부 또는 평형 자기장을 변경하고, 그런 다음 구속 챔버의 중간-평면 주위에 오버슈팅(overshooting) 및/또는 진동을 최소화하면서 FRC 플라즈마 포지션을 중간-평면을 향해 신속하게 복원하기 위해 반경방향 필드 코일 전류에 작용하도록 설계된다. 이 해결책의 이점은 제어를 위해 필요한 액추에이터들의 복잡성을 감소시킨다는 것이다. 다수의 자유도를 갖는 종래의 해결책과 비교하여, 여기에 제시된 실시예의 방법론은 1 자유도를 갖는 FRC 플라즈마 회전축을 따른 제어 문제로 복잡성을 감소시킨다.
축방향으로 불안정한 플라즈마로 귀결되는 코일 전류 파형, 보급 및 중성 빔 전력의 조합은 플라즈마를 축방향으로 불안정한 상황으로 설정하는 플라즈마 제어 시나리오를 정의한다. 시나리오는 시뮬레이션이나 실험에 대한 사전 지식, 또는 축방향으로 불안정한 평형을 유지하기 위해 제어되는 피드백을 사용하여 미리 프로그래밍될 수 있다. 플라즈마 포지션은 평형의 안정성 속성과 독립적으로 방전 중에 제어되어야 하고, 예를 들어 제어 방식은 축방향으로 안정하거나 축방향으로 불안정한 플라즈마에 대해 한계까지 작용해야 한다. 제어될 수 있는 가장 축방향으로 불안정한 플라즈마는 용기의 스킨 시간(skin time)에 필적하는 성장 시간(growth time)을 가진다.
이제 반경방향 및 축방향 모두에서 FRC 플라즈마의 안정성과 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭축을 따른 FRC 플라즈마의 축방향 포지션 제어를 용이하게 하는 시스템 및 방법으로 되돌아가서, 도 27은 축방향 포지션 제어 메커니즘(510)의 예시적인 실시예를 설명하기 위한 단순화된 방식을 도시한다. 구속 챔버(100) 내에 도시된 회전하는 FRC 플라즈마(520)는 플라즈마 전류(522) 및 축방향 변위 방향(524)을 갖는다. 평형 필드(도시되지 않음)가 예를 들어, 준-dc 코일들(412)(도 2, 도 3a, 도 3d 및 도 3e 참조)과 같은 대칭 전류 구성요소들에 의해 챔버(100) 내에 생성되어 있다. 평형 필드는 축방향 변위 방향(524)으로 순 힘을 생성하지 않지만, 가로방향으로/반경방향으로 또는 축방향으로 안정한 플라즈마를 생성하도록 조정될 수 있다. 본 명세서에 제시된 실시예의 목적을 위해, 평형 필드는 가로방향으로/반경방향으로 안정한 FRC 플라즈마(520)를 생성하도록 조정된다. 위에서 언급된 바와 같이, 이것은 축방향 불안정성을 초래하고, 따라서 축방향 변위 방향(524)으로 FRC 플라즈마(520)의 축방향 변위를 초래한다. FRC 플라즈마(520)가 축방향으로 이동함에 따라 이것은 반대칭인 전류(514, 516), 즉, 구속 챔버(100)의 중간-평면의 각각의 면 상의 구속 챔버(100)의 벽들에서 반대 방향의 전류(514, 516)를 유도한다. FRC 플라즈마(520)는 용기와 또한 외부 코일들 모두에서 이러한 타입의 전류 성분들을 유도할 것이다. 이들 반대칭인 전류 성분들(514, 516)은 토로이달 플라즈마 전류(522)와 상호 작용하는 반경방향 필드를 생성하여 FRC 플라즈마(520)의 이동에 반대되는 힘을 생성하고, 이 힘의 결과는 그것이 플라즈마 축방향 변위를 늦춘다는 것이다. 이러한 전류들(514, 516)은 구속 챔버(100)의 저항으로 인해 시간이 지남에 따라 점차 소멸된다.
중간-평면의 각각의 면 상의 구속 챔버(100) 주위에 배치되는 반경방향 필드 코일들(530, 531)은 코일들(530, 531)에서 반대 방향으로 유도되는 전류들(532, 534)로 인한 추가적인 반경방향 필드 성분을 제공한다. 반경방향 필드 코일들(530, 531)은 격납 용기(100)의 내부 또는 외부에 포지셔닝될 수 있는 축대칭 코일들의 세트를 포함할 수 있다. 반경방향 코일들(530, 531)은 준-dc 코일들(412)과 유사하게 격납 용기(100) 외부에 포지셔닝되는 것으로 도시되어 있다(도 2, 도 3a, 도 3d 및 도 3e 참조). 코일들(530, 531) 각각, 또는 코일들의 세트들은 중간-평면의 반대쪽에 있는 코일들과 상이한 전류를 전달할 수 있지만, 전류들은 격납 용기(100)의 중간-평면에 대해 반대칭이며 중간-평면을 따라 B z ≠ 0, B r = 0인 자기장 구조를 생성한다. 반경방향 필드 코일들(530, 531)은 토로이달 플라즈마 전류(522)와 상호 작용하는 추가 반경방향 필드 성분을 생성하여 축방향 힘을 생성한다. 축방향 힘은 결국 플라즈마를 구속 챔버(100)의 중간-평면을 향해 다시 이동시킨다.
제어 메커니즘(510)은 기계 중간-평면 주위에 오버슈팅 및/또는 진동을 최소화하면서 플라즈마 포지션을 중간-평면을 향해 신속하게 복원하기 위해 반경방향 필드 코일 전류에 작용하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 반경방향 필드 코일들(530, 531), 준-dc 코일들(412), 이들 개개의 전력 공급장치, 및 예를 들어 플라즈마 포지션, 플라즈마 속도 및 능동 코일 전류 측정을 제공하는 자기 센서들과 같은 다른 구성요소들에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함한다. 프로세서는 본 출원에 설명된 계산 및 분석을 수행하도록 구성될 수 있고 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 하나 이상의 메모리를 포함하거나 이에 통신적으로(communicatively) 결합될 수 있다. 그것은 마이크로컨트롤러들, 축소 명령 세트 컴퓨터(reduced instruction set computer, RISC)들, 애플리케이션 특정 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC)들, 논리 회로들 및 본 명세서에 설명된 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 사용하는 시스템들을 포함하는 프로세서 기반 또는 마이크로프로세서 기반 시스템들을 포함할 수 있다. 위의 내용은 예일 뿐이므로, 용어 "프로세서" 또는 "컴퓨터"의 정의 및/또는 의미를 어떤 식으로든 제한하려는 의도가 아니다.
프로세서의 기능은 소프트웨어 루틴들, 하드웨어 구성요소들 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 사용하여 구현될 수 있다. 하드웨어 구성요소들은 예를 들어 집적 회로들 또는 개별 전자 구성요소들을 포함하는 다양한 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 프로세서 유닛은 일반적으로 판독가능한/기록가능한 메모리 저장 디바이스를 포함하고 일반적으로 메모리 저장 디바이스에 기록 및/또는 판독하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어도 포함한다.
프로세서는 컴퓨팅 디바이스, 입력 디바이스, 디스플레이 유닛, 및 예를 들어 인터넷에 액세스하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 컴퓨터 또는 프로세서는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는 통신 버스에 연결될 수 있다. 컴퓨터 또는 프로세서는 또한 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory, RAM) 및 판독전용 메모리(Read Only Memory, ROM)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 또는 프로세서는 또한 하드 디스크 드라이브 또는 플로피 디스크 드라이브, 광학 디스크 드라이브 등과 같은 착탈식 저장 드라이브일 수 있는 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 저장 디바이스는 또한 컴퓨터 프로그램 또는 기타 명령을 컴퓨터 또는 프로세서에 로드하기 위한 다른 유사한 수단일 수 있다.
프로세서는 입력 데이터를 프로세싱하기 위해 하나 이상의 저장 요소에 저장된 명령들의 세트를 실행한다. 저장 요소는 또한 원하거나 필요에 따라 데이터 또는 기타 정보를 저장할 수 있다. 저장 요소는 프로세싱 기계 내의 정보 소스 또는 물리적 메모리 요소의 형태일 수 있다.
반경방향 필드 코일 액추에이터들을 사용하여 축방향으로 안정한 또는 불안정한 FRC 구성의 포지션을 제어하는 문제는 슬라이딩 모드 제어(sliding mode control)로 알려진 비선형 제어 이론의 한 분야를 사용하여 해결된다. 시스템 상태들의 선형 함수(슬라이딩 표면)가 원하는 점근적으로 안정적인(슬라이딩) 거동을 가진 오류 신호로서 기능을 한다. 슬라이딩 표면은 리야프노프 이론(Liapunov theory)을 사용하여 광범위한 FRC 동적 파라미터들에서 점근적 안정성을 나타내도록 설계된다. 그러면 제안된 제어 방식은 슬라이딩 표면에 사용되는 파라미터들을 재조정할 필요 없이 축방향으로 안정한 플라즈마와 불안정한 플라즈마 모두에 대해 사용될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 평형이 FRC 방전의 상이한 단계(phase)들에서 축방향으로 안정한 평형과 축방향으로 불안정한 평형 사이를 이동해야 할 수 있기 때문에 이 속성은 유익하다.
제어 방식(500)의 구성이 도 28에 도시되어 있다. 저역 통과 필터가 원하는 제어 대역폭 내에서 스위칭 주파수를 제한한다. 샘플링과 하나의 샘플 지연을 갖는 신호 송신이 필요한 디지털 제어 루프가 가정된다. 오류 신호(슬라이딩 표면)는 코일 전류, 플라즈마 포지션 및 플라즈마 속도의 선형 조합이다. 플라즈마 포지션과 플라즈마의 속도는 외부 자기 측정에서 얻어진다. 능동 코일 시스템의 전류는 표준 방법으로 측정될 수 있다.
코일 전류 및 플라즈마 포지션은 포지션 제어를 구현하는 데 필요하다. 플라즈마 속도는 성능을 향상시키는 데 필요하지만 선택적이다. 이 오류 신호의 비선형 함수(릴레이 제어 법칙)는 중간-평면 대칭 코일들에 연결된 전력 공급 장치들의 모든 쌍에 대해 이산 전압 레벨들을 생성한다. 중간평면 대칭 코일들은 강도는 같지만 부호는 반대인 릴레이 전압이 공급된다. 이는 중간-평면을 향해 플라즈마 포지션을 복원하기 위한 반경방향 필드 성분을 생성한다.
제어 방식의 실행 가능성을 입증하기 위해, 강체 플라즈마 모델(rigid plasma model)이 플라즈마 동역학을 시뮬레이션하는 데 사용된다. 이 모델은 자석 기하학적 형상을 활용한다. 플라즈마 전류 분포는 플라즈마와 용기만이 고려될 때 2 ms의 성장 시간을 갖는 축방향으로 불안정한 평형에 대응한다. 전력 공급장치들은 일반적으로 800 V 스텝의, 이산 전압 레벨들로 동작하는 것으로 가정된다.
도 29는 축방향으로 20 cm만큼 변위된 플라즈마를 중간-평면으로 다시 가져오기 위해 요구되는 코일 피크 전류 및 램프 레이트들과 함께, 코일들에 인가된 전압들과 플라즈마 포지션 안착 시간들 사이의 관계를 강조하는 몇 가지 플라즈마 제어 시뮬레이션을 도시한다. 이러한 슬라이딩 모드 축방향 포지션 제어 시뮬레이션 예들은 4 쌍의 외부 트림(trim) 코일들을 사용하여 0.3 T에서 실행된다. 200 V(채워진 정사각형), 400 V(채워진 원), 800 V(채워진 삼각형) 및 1600 V(빈 정사각형) 스텝의, 이산 전압 레벨들을 갖는 전력 공급장치들에 대응하는 네 가지 경우가 도시되어 있다. 네 가지 경우 모두 제어 대역폭은 16 kHz이고 샘플링 주파수는 32 kHz이다. 플라즈마 포지션(상단 도면), 가장 바깥쪽 코일 쌍의 전류(중간) 및 코일 전류 램프-레이트(하단)가 도시된다. 플라즈마 변위는 20 cm에 도달할 때까지 불안정하게 성장하도록 허용된다. 이 지점에서 피드백 제어가 적용된다.
시뮬레이션 결과는 다음을 나타낸다:
1. 플라즈마를 5 ms 이내에 중간-평면으로 다시 가져오려면(채워진 정사각형 트레이스), 0.5 MA/s의 코일 램프-업 레이트로 충분하며 200 V 전력 공급장치가 필요하다.
2. 플라즈마를 2.3 ms 이내에 중간-평면으로 다시 가져오려면(채워진 원 트레이스), 1 MA/s의 코일 램프-업 레이트로 충분하며 400 V 전력 공급장치가 필요하다.
3. 플라즈마를 1.3 ms 이내에 중간-평면으로 다시 가져오려면(채워진 삼각형 트레이스), 2 MA/s의 코일 램프-업 레이트로 충분하며 800 V 전력 공급장치가 필요하다.
4. 플라즈마를 1.0 ms 이내에 중간-평면으로 다시 가져오려면(빈 정사각형 트레이스), 4 MA/s의 코일 램프-업 레이트로 충분하며 1600 V 전력 공급장치가 필요하다.
위에서 연구된 세 번째 경우(2 MA/s 램프 레이트 경우)에 대한 모든 트림 코일들에 대한 피크 전류들이 도 30에 트림 코일 포지션의 함수로서 또한 도시되어 있다. 슬라이딩 모드 축방향 포지션 제어 시뮬레이션 예들은 3 가지 레벨(+800V, 0, -800V)을 갖는 전력 공급장치, 16 kHz의 제어 대역폭 및 32 kHz의 샘플링 레이트를 사용하는 4 쌍의 외부 트림 코일들을 사용하여 0.3 T에서 실행된다. 플라즈마를 1.3 ms 이내에 중간-평면으로 다시 가져오려면, 2 MA/s의 코일 램프-업 레이트가 필요하다. 모든 코일 쌍에 필요한 피크 전류는 1.5 kA 미만이다. 필요한 실제 스위칭 주파수(약 2 kHz)는 제어 시스템 대역폭보다 훨씬 낮다.
제어 시스템은 또한 플라즈마 포지션 없이, 코일 전류 및 플라즈마 속도만의 함수인 타깃 표면으로 구현될 수 있다. 이 경우 축방향 포지션 제어 루프는 축방향 동역학의 안정화만을 제공하고, 제어는 제공하지 않는다. 이는 플라즈마가 준안정(metastable) 상태에 있고 그 축을 따라 천천히 드리프트할 수 있음을 의미한다. 그런 다음 포지션 제어는 플라즈마 세파라트릭스와 용기 사이의 플라즈마 갭을 제어하는 추가적인 피드백 루프를 사용하여 제공되고, 따라서 그것은 플라즈마 형상과 포지션 제어를 동시에 수행한다.
유사한 제어 시스템이 사용되는 또 다른 플라즈마 구속 디바이스는 토카막(tokamak)이다. 플라즈마 구속을 유지하기 위해 토카막에서의 플라즈마 전류는 각각 플라즈마 밀도와 토로이달 필드에 대략적으로 비례하는 하한과 상한 사이에서 유지되어야 한다. 높은 플라즈마 밀도에서 동작하려면 플라즈마 전류가 증가되어야 한다. 동시에 폴로이달 필드는 q 안전 계수(safety factor)가 q=2 보다 크도록 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 이는 기계 축 방향을 따라 플라즈마를 연장함(elongating)하여, 경계 자기장을 그것의 안전 한계를 초과하여 증가시키지 않으면서 큰 플라즈마 전류에 적합하게 하는 것(따라서 높은 플라즈마 밀도를 허용하는 것)을 허용하는 것에 의해 달성된다. 이러한 연장된 플라즈마는 기계 축 방향(토카막 용어로 수직(vertical) 방향으로 알려짐)을 따라 불안정하며, 플라즈마 안정화 메커니즘을 또한 필요로 한다. 토카막에서의 수직 플라즈마 포지션 제어는 또한 반경방향 필드 코일들의 세트를 사용하여 복원되며, 따라서 그것은 RFC 포지션 제어 문제와 매우 유사하다. 그러나 토카막과 FRC에서 안정화가 필요한 이유는 상이하다. 토카막에서 플라즈마 수직 불안정성은 큰 플라즈마 전류에서 동작하기 위해 지불해야 하는 패널티이며, 큰 플라즈마 전류는 높은 토로이달 필드와 동작하기 위해 플라즈마 연장을 필요로 한다. FRC의 경우 플라즈마 불안정성은 가로방향 안정성을 얻기 위해 지불되어야 하는 패널티이다. 토카막은 구성을 안정화하는 토로이달 필드를 가지므로, 그것들은 가로방향 안정화가 필요하지 않다.
플라즈마 가열을 위한 전자 빔
도 31 내지 도 36을 참조하면, 자기 플라즈마 구속 시스템에서 플라즈마 가열을 위한 고출력 전자 빔의 예시적인 실시예가 제시된다. 예시적인 실시예에서, 전자 빔은 최대 약 6 내지 10 ms의 펄스 지속시간을 갖는 약 30 kV 가속 전압에서 최대 약 100 내지 120 A의 전자 전류를 제공한다. 전자는 플라즈마 이미터로부터 추출되고 중첩된(nested) 멀티-애퍼처(multi-aperture) 가속 그리드들에 의해 가속된다. 빔은 접지된 드리프트 튜브의 주입 포트로 수송된다. 전자들의 플라즈마 이미터는 높은 자기장을 갖는 플라즈마 구속 시스템들로의 축방향 주입을 위한 조건을 제공하기 위해 외부 축방향 자기장에 침지(immersed)된다. FRC 플라즈마를 가열하기 위한 긴-펄스의 고출력 전자 빔의 생성을 가능하게 하는 플라즈마 이미터들을 갖는 전자 빔 소스의 예시적인 실시예가 여기에서 제시된다.
도 31에 도시된 바와 같이, 전자 빔(750)의 예시적인 실시예는 아크 플라즈마 소스(754), 중첩된 가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템(770), 및 효과적인 e-빔 형성, 수송 및 궁극적으로 관심 플라즈마 구속 디바이스로의 주입을 제공하기 위한 자기 시스템(760)을 포함하는 빔라인을 포함한다. 도 31에 도시된 바와 같이, 자기 시스템(760)은 플라즈마 발생기 코일(762) 및 플라즈마 이미터 코일(764), 및 도 36에 추가로 도시된 바와 같이 빔 수송 코일(766)을 포함한다. 도 31에 도시된 바와 같이, 예를 들어 아크 플라즈마 발생기인, 아크 플라즈마 소스(754)는 플라즈마 챔버(758)의 플라즈마 팽창 볼륨(756) 내에 플라즈마를 생성하도록 위치된다. 빔 추출을 위한 중첩된 가속 그리드들을 갖는 전자 광학 시스템(770)은 플라즈마 챔버(758)에 인접하게 포지셔닝되고, 플라즈마 챔버(758) 및 플라즈마 소스(754)와 함께 정전기 실드(electrostatic shield)(752) 내에 포지셔닝된다.
예시적인 실시예에서, 전자 빔 형성 프로세스는 다음 단계들: 플라즈마 생성, 플라즈마 팽창, 전자 추출 및 가속을 포함한다. 초기 수소 플라즈마는 플라즈마 챔버(758)의 팽창 볼륨(756) 내부에 아크 플라즈마 발생기(754)에 의해 생성된다. 플라즈마 발생기(754)는 플라즈마의 유체역학적 흐름을 형성하여 전자-광학 시스템(770)의 제1 그리드-전극 또는 플라즈마 그리드 전극(772)(도 33 참조)의 표면을 덮는다. 플라즈마 발생 및 플라즈마 팽창은 현대 기술로 비교적 쉽게 달성할 수 있는 반면, 플라즈마로부터의 전자 추출 및 가속 시뮬레이션은 도 32에 도시된 바와 같은 컴퓨터 시뮬레이션으로 달성할 수 있다.
전자 전류는 전자-광학 시스템(770)에서 추출되고 가속되며, 전자-광학 시스템(770)은 가능한 가장 낮은 이미턴스(emittance)를 갖는 전자 빔을 형성하도록 설계된다. 즉, 단일 셀 애퍼처로부터 가장 작은 RMS 각 발산(angular divergence)을 갖는 기본 빔(elementary beam)을 추출하도록 설계된다. 그리드-전극의 각각의 기본 가속 셀은 전체 빔에 작은 전류를 제공한다.
도 33에 도시된 바와 같이, 전자-광학 시스템(770)은 플라즈마 그리드 전극(772), 억제 그리드 전극(774) 및 접지된 그리드 전극(776)을 포함한다. 그리드 전극들(772, 774, 776) 각각은 개별 애퍼처들 또는 셀들(782, 792, 794)의 어레이를 각각 갖는다. 플라즈마 그리드(772)는 플라즈마 챔버(758)의 팽창 볼륨(756)에서 플라즈마와 직접 접촉한다. 이것은 시스템의 가속 전압인 높은 전위를 취하고, 특정 곡선 형상의 플라즈마 이미터 메니스커스(meniscus)를 형성하여 추출 영역에서 빔릿(beamlet)의 초기 포커싱을 제공한다. 각각의 플라즈마 이미터 애퍼처(782)는 플라즈마 그리드(772)의 플라즈마 측면(778)으로부터 확장되는 제1 카운터 보어(counter bore)(783) 및 플라즈마 그리드(772)의 빔 측면(779)으로부터 확장되는 제2 카운터 보어(785)로 형성되고, 빔 포커싱을 위해 빔 축(B)에 대해 정전기적으로 설명된 60 도(degrees)에서 내측 모따기 각도 P(inner chamfer angled P)를 갖는 환형 돌출부(787)를 남기는 특정 형상을 갖는다. 억제 그리드(774)는 마지막(접지된) 그리드(776) 직후에 주변 가스로부터 생성되는 2차 플라즈마로부터의 이온의 역류를 억제하는 역할을 한다. 억제 그리드(774)의 각각의 애퍼처(792)는 빔 형성을 용이하게 하기 위해 정전기 렌즈의 디포커싱 파워(defocusing power)를 감소시키기 위한 0 내지 30 도의 카운터싱크를 포함한다.
접지된 그리드(776)는 빔에 대한 전위 기준점을 제공하기 위해 필요하며 가속 셀의 애노드(anode) 역할을 한다.
전자 빔은 자기 시스템(760)의 코일들(예를 들어, 762, 764, 766 참조)에 의해 형성된 외부 축방향 자기장에서 수송된다. 자기 시스템(760)은 적어도 2 개의 코일을 포함해야 하며 선택적으로 더 많은 코일을 포함할 수 있다.
빔이 자체 자기장을 가진 영역으로 주입될 필요가 있는 경우, 빔 이미터 위에 축방향 자기장을 생성하는 것이 필요하다. 일반화된 운동량 보존으로 인해 빔의 입자는, 캐소드(cathode)에서 상기 입자가 빔 대칭축에 대해 측정되는 입자의 반경방향 좌표 크기의 원 안에 일정 양의 자기 플럭스를 포획했다면, 0이 아닌(non-zero) 축방향 자기장을 갖는 영역에만 들어갈 수 있다.
플라즈마 발생기가 0이 아닌 자기장을 갖는 영역에 위치되는 경우, 외부 필드의 크기에 따라 플라즈마 흐름은 외부 필드의 자기장 라인을 따르는 경향이 있을 수 있다. 상대적으로 균일한 플라즈마 흐름으로 전자-광학 시스템의 첫번째(플라즈마) 전극의 표면을 덮기 위해, 아크 플라즈마 발생기(754)의 애노드 위치 위에 강력한 코일을 배치할 필요가 있을 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 도 34a 및 도 34b에 도시된 바와 같이, 빔은 빔 공간 전하 효과를 완화하고 대체로 빔 동역학을 개선할 중공 빔을 생성하기 위해 플라즈마 이미터 그리드(772)의 마스킹 부분을 포함한다. 도 34a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 육각형 형상의 마스크(784)는 복수의 애퍼처들(782)을 갖는 애퍼처(780)들의 어레이 위의 플라즈마 그리드(772)의 플라즈마 측면(778) 상에 중앙에 포지셔닝된다. 마스크(784)는 중공 또는 환형 형상의 빔의 형성을 용이하게 한다.
보다 균일한 중공 또는 환형 형상의 빔을 위해, 플라즈마 이미터(772)는 이미터 그리드(772) 상에 동일한 내측 및 외측 마스킹 프로파일을 형성하기 위해 제1 마스크(784)와 동일한 형상을 갖는 제2 마스크(786)를 포함할 수 있다.
도 35 및 도 36에 도시된 바와 같이, 플라즈마 격납 시스템, 예를 들어 미러 디바이스의 용기(100)에 빔을 축방향으로 주입할 때, 드리프트 튜브(예를 들어 도 36에 도시된 바와 같은 접지된 드리프트 튜브(755)를 참조)가 없고, 자기장이 필요한 것보다 낮은, 다이버터(300, 302)의 볼륨을 통해 빔을 수송하는 것이 어려울 수 있다. 이 경우 플라즈마 보조된 수송에 의존하는 것이 가능하다. 다이버터 볼륨에 존재하는 플라즈마는 공간 전하와 빔 전류를 보상하여, 보통 다이버터 볼륨과 같은 개방형 공간을 통해 빔이 전파되는 것을 방지하는 효과를 크게 줄이는 결과를 초래한다.
대안적인 예시적 실시예에서, 빔은 플라즈마 캐소드 대신에 LaB6 캐소드로 제조될 수 있다.
종래의 전자 빔에 비해 예시적인 실시예의 전자 빔의 이점은 긴 펄스, 높은 빔 전류 및 열화되지 않는 플라즈마 이미터를 포함한다. 예시적인 실시예들은 고체 물질 캐소드 대신 플라즈마 캐소드를 사용함으로써 캐소드 열화 문제를 극복한다. 플라즈마 이미터는 그리드 전극들의 시스템으로 표현되고 그리드의 각각의 기본 셀은 단일 기본 빔을 형성한다. 플라즈마 이미터는 제한된 수의 사이클을 갖고 특정 수의 펄스 후에 열화되는 고체 캐소드와 대조적으로 거의 무제한의 빔 추출 사이클을 허용한다. 더욱이, 플라즈마 캐소드는 수동 냉각으로 최대 ~1 초의 훨씬 더 긴 펄스 지속시간을 견딜 수 있으며 그리드-전극들의 능동 냉각을 위해 취해진 특별한 조치로 더 오래 견딜 수 있다.
높은 퍼비언스(perveance) 전자 빔의 공간 전하 효과는 빔라인을 따라 외부 자기장을 생성하는 자기 시스템의 설계에 의해 제어될 수 있다. 이는 본 명세서에 제공된 실시예가 조건에 따라 빔 포락선을 조절하고 임의의 추가적인 외부 자기장, 예를 들어 플라즈마 구속 디바이스의 자기장이 있는 상태를 포함하여 필요한 곳으로 빔을 수송할 수 있게 한다.
본 명세서에 제공된 예시적인 실시예는 미국 임시특허출원 No. 63/111446에 설명되어 있으며, 이 출원은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 필드 역전된 구성(FRC) 플라즈마를 생성하고 유지하는 방법으로서, 구속 챔버 내에서 플라즈마 주위에 FRC를 형성하는 단계, 전자 빔 소스로부터 전자 빔을 상기 FRC 플라즈마로 축방향으로 주입하는 단계, 및 상기 구속 챔버의 중간-평면을 향한 각도에서 복수의 중성 빔을 상기 FRC 플라즈마로 주입하는 단계를 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 전자 빔 소스는 아크(arc) 플라즈마 소스, 가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및 전자 빔 형성, 수송 및 FRC 플라즈마로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인을 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 전자 빔 소스는 환형 빔을 발생시키도록 구성된 빔 이미터를 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 빔 이미터는 멀티-애퍼처 이미터 그리드 및 상기 이미터 그리드의 중앙 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 마스크를 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 빔 이미터는 멀티-애퍼처 이미터 그리드, 및 상기 이미터 그리드의 중앙 영역 및 상기 중앙 영역과 이격 관계에 있는 외측 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 제1 마스크 및 제2 마스크를 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 제2 마스크는 제1 마스크의 외측 프로파일 형상과 일치하는 내측 프로파일 형상을 갖는다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 자기 시스템은 플라즈마 발생기 코일, 플라즈마 이미터 코일, 렌즈 코일, 및 빔 수송 코일을 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 전자 빔을 축방향으로 주입하는 단계는 플라즈마를 생성하는 단계, 플라즈마 팽창시키는 단계, 플라즈마로부터 전자를 추출하는 단계, 및 추출된 전자를 가속하는 단계를 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 조정하는 단계를 포함하고, 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지와 상이하다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지보다 높다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 복수의 중성 빔은 주입 샷의 지속시간 동안 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이를 스위칭한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 능동 피드백 플라즈마 제어 시스템으로부터 수신된 피드백 신호에 의해 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 능동 피드백 플라즈마 제어 시스템으로부터 수신된 피드백 신호에 의해 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제어하는 단계는 압력 구배 값을 조절하기 위해 반경방향 빔 전력 축적 프로파일을 조절하기 위해 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 조절하는 것을 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 구속 챔버 주위로 확장되는 준 dc 코일들로 구속 챔버 내에 자기장을 생성하고, 구속 챔버의 대향하는 단부들 주위에 확장되는 준 dc 미러 코일들로 구속 챔버의 대향하는 단부들 내에 미러 자기장을 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, FRC를 형성하는 단계는 구속 챔버에 결합된 대향하는 제1 및 제2 형성 섹션들에 형성 FRC를 형성하는 단계 및 제1 및 제2 형성 섹션들로부터의 형성 FRC를, FRC를 형성하기 위해 두 형성 FRC가 병합되는 구속 챔버의 중간 관통 평면(mid through plane)을 향하여 가속하는 단계를 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 FRC의 자기 플럭스 표면을 제1 및 제2 내측 다이버터들로 가이드하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 필드 역전된 구성(FRC) 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 시스템은 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들에 결합된 제1 및 제2 다이버터들, 제1 및 제2 다이버터들, 제1 및 제2 형성 섹션들 및 구속 챔버에 동작 가능하게 결합된 제1 및 제2 축방향 플라즈마 건들, 구속 챔버에 결합되고 구속 챔버의 길이방향 축에 수직보다 작은 각도로 구속 챔버의 중간-평면을 향하여 중성 원자 빔을 주입하도록 배향된 복수의 중성 원자 빔 인젝터들, 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 주위에 포지셔닝된 복수의 준-dc 코일들, 구속 챔버와 제1 및 제2 형성 섹션들 사이에 포지셔닝된 준-dc 미러 코일들의 제1 및 제2 세트, 및 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 다이버터들 사이에 포지셔닝된 제1 및 제2 미러 플러그들을 포함하는 자기 시스템, 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터들에 결합된 게터링 시스템, 생성된 FRC의 개방된 플럭스 표면을 전기적으로 바이어싱하기 위한 하나 이상의 바이어싱 전극들 - 하나 이상의 바이어싱 전극들은 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상 내에 포지셔닝됨 -, 구속 챔버에 결합된 2 개 이상의 안장 코일들, 및 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상에 축방향으로 결합된 하나 이상의 전자 빔을 포함한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 필드 역전된 구성(FRC) 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 시스템은 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들에 결합된 제1 및 제2 다이버터들, 복수의 플라즈마 건들, 하나 이상의 바이어싱 전극들, 및 제1 및 제2 미러 플러그들 중 하나 이상 - 복수의 플라즈마 건들은 제1 및 제2 다이버터들, 제1 및 제2 형성 섹션들 및 구속 챔버에 동작 가능하게 결합된 제1 및 제2 축방향 플라즈마 건들을 포함하고, 하나 이상의 바이어싱 전극들은 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상 내에 포지셔닝되고, 제1 및 제2 미러 플러그들은 제1 및 제2 형성 섹션들 및 제1 및 제2 다이버터들 사이에 포지셔닝됨 -, 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터들에 결합된 게터링 시스템, 구속 챔버에 결합되고 구속 챔버의 축에 수직으로 배향된 복수의 중성 원자 빔 인젝터들, 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 주위에 포지셔닝된 복수의 준-dc 코일들, 구속 챔버와 제1 및 제2 형성 섹션들 사이에 포지셔닝된 준-dc 미러 코일들의 제1 및 제2 세트를 포함하는 자기 시스템, 및 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상에 축방향으로 결합된 하나 이상의 전자 빔을 포함하고, 여기서 시스템은 FRC를 생성하고 중성 빔이 플라즈마에 주입되는 동안 상기 FRC를 감쇠 없이 유지하도록 구성된다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 전자 빔은 아크 플라즈마 소스, 가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및 e-빔 형성, 수송 및 관심 플라즈마 구속 디바이스로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인을 포함한다.
그렇지만, 본 명세서에서 제공된 예시적인 실시예들은 단지 예시적인 예들로서 의도되며 결코 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 명세서에서 제공된 임의의 실시예와 관련하여 설명된 모든 특징들, 요소들, 구성요소들, 기능들, 및 단계들은 임의의 다른 실시예로부터의 것들과 자유롭게 조합가능하고 치환가능하도록 의도된다. 특정 특징, 요소, 구성요소, 기능 또는 단계가 단지 하나의 실시예와 관련하여 설명되는 경우, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 그 특징, 요소, 구성요소, 기능, 또는 단계는 본 명세서에 설명된 모든 다른 실시예와 함께 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서 이 단락은, 언제라도, 다음의 설명이, 특정의 경우에서, 그러한 조합들 또는 치환들이 가능하다는 것을 명시적으로 언급하지 않더라도, 상이한 실시예들로부터의 특징들, 요소들, 구성요소들, 기능들, 및 단계들을 조합하거나 일 실시예로부터의 특징들, 요소들, 구성요소들, 기능들, 및 단계들을 다른 실시예의 것들과 치환하는 청구항들의 도입에 대한 선행 기반 및 서면 뒷받침으로서 역할한다. 모든 가능한 조합 및 치환의 명시적으로 기재하는 것은, 특히 각각의 모든 그러한 조합 및 치환의 허용 가능성이 이 설명을 읽을 때 이 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 인식될 것임을 고려하면 지나치게 부담이 된다.
많은 경우들에서, 엔티티들은 본 명세서에서 다른 엔티티들에 결합되는 것으로 설명된다. 용어 "결합된" 및 "연결된"(또는 이들의 형태들 중 임의의 것)은 본 명세서에서 상호 교환가능하게 사용되고, 양쪽 경우들에서, 상기 용어들은 2 개의 엔티티의 직접적인(direct) 결합 (임의의 무시할 수 없는(예컨대, 기생적) 개재 엔티티들을 갖지 않음) 및 2 개의 엔티티의 간접적인(indirect) 결합(하나 이상의 무시할 수 없는 개재 엔티티를 가짐)에 대해 통칭적이라는 것이 이해되어야 한다. 엔티티들이 함께 직접적으로 결합된 것으로 도시되거나 임의의 개재 엔티티의 설명 없이 함께 결합된 것으로 설명된 경우, 문맥이 달리 명백히 언급하지 않는 한 그 엔티티들은 함께 간접적으로도 결합될 수 있음이 이해되어야 한다.
실시예들은 다양한 변형들 및 대안적인 형태들이 가능하지만, 이들의 특정 예들이 도면들에 도시되어 있으며 본 명세서에서 상세히 설명된다. 그러나, 이러한 실시예들은 개시된 특정의 형태로 제한되지 않으며, 그와 반대로, 이러한 실시예들은 본 개시의 사상 내에 속하는 모든 변형들, 등가물들, 및 대안들을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 실시예들의 임의의 특징들, 기능들, 단계들, 또는 요소들이 청구항들에 기재되거나 부가될 수 있을 뿐만 아니라, 청구항들의 발명 범위를 그 범위 내에 있지 않은 특징들, 기능들, 단계들, 또는 요소들에 의해 정의하는 부정적인 한정들도 청구항에 기재되거나 부가될 수 있다.
Claims (33)
- 필드 역전된 구성(field reversed configuration, FRC) 플라즈마를 생성하고 유지하는 방법으로서,
구속 챔버(confinement chamber) 내에서 플라즈마 주위에 FRC 플라즈마를 형성하는 단계,
전자 빔 소스로부터 전자 빔(electron beam)을 상기 FRC 플라즈마로 축방향으로 주입하는 단계, 및
상기 구속 챔버의 중간-평면(mid-plane)을 향한 각도에서 중성 빔 인젝터(neutral beam injector)들로부터 고속 중성 원자들의 빔을 상기 FRC 플라즈마로 주입함으로써 상기 FRC 플라즈마를 감쇠없이 일정한 값으로 또는 대략 일정한 값으로 유지하는 단계
를 포함하는, FRC 플라즈마를 생성하고 유지하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 전자 빔 소스는,
아크(arc) 플라즈마 소스,
가속 그리드(grid)들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및
전자 빔 형성, 수송 및 FRC 플라즈마로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인(beamline)
을 포함하는, 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 전자 빔 소스는 환형 빔(annular beam)을 발생시키도록 구성된 빔 이미터(beam emitter)를 더 포함하는, 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 빔 이미터는 멀티-애퍼처 이미터 그리드(multi-aperture emitter grid) 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 마스크를 포함하는, 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 빔 이미터는, 멀티-애퍼처 이미터 그리드, 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역 및 상기 중앙 영역과 이격 관계에 있는 외측 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 제1 마스크 및 제2 마스크를 포함하는, 방법. - 제5 항에 있어서,
상기 제2 마스크는, 상기 제1 마스크의 외측 프로파일 형상과 일치하는 내측 프로파일 형상을 갖는, 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 자기 시스템은,
플라즈마 발생기 코일,
플라즈마 이미터 코일,
렌즈 코일, 및
빔 수송 코일
을 포함하는, 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 전자 빔을 축방향으로 주입하는 단계는,
플라즈마를 생성하는 단계,
상기 플라즈마 팽창시키는 단계,
상기 플라즈마로부터 전자를 추출하는 단계, 및
상기 추출된 전자를 가속하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제1 항 내지 제5 항에 있어서,
상기 고속 중성 원자들의 빔을 주입하는 것은, 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 조정하는 것 - 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이함 -, 또는 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 조정하는 것 - 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이하고, 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지보다 높음 -, 또는 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 조정하는 것 - 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이하고, 상기 복수의 중성 빔은 주입 샷(shot)의 지속시간 동안 상기 제1 빔 에너지와 상기 제2 빔 에너지 사이를 스위칭함 - 중 하나를 포함하는, 방법. - 제1 항 내지 제5 항에 있어서,
상기 챔버 주위로 확장되는 준(quasi)-dc 코일들로 상기 챔버 내에 자기장을 생성하는 단계, 또는 상기 챔버 주위로 확장되는 준-dc 코일들로 상기 챔버 내에 자기장을 생성하고 그리고 상기 챔버의 대향하는 단부들 주위로 확장되는 준-dc 미러(mirror) 코일들로 상기 챔버의 상기 대향하는 단부들 내에 미러 자기장을 생성하는 단계 중 하나를 더 포함하는, 방법. - 제1 항 내지 제5 항에 있어서,
상기 FRC 플라즈마를 형성하는 단계는, 상기 구속 챔버의 대향하는 단부들에 결합된 제1 및 제2 형성 섹션들에서 제1 및 제2 형성 FRC 플라즈마를 형성하는 단계, 및 상기 형성 FRC 플라즈마를 상기 챔버의 중간-평면을 향해 가속시켜 FRC를 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 FRC의 자기 플럭스 표면을 상기 형성 섹션들의 단부들에 결합된 다이버터(diverter)들로 가이드하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 필드 역전된 구성(FRC) 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 시스템으로서,
구속 챔버,
제1 및 제2 형성 섹션들에 결합된 제1 및 제2 다이버터들,
상기 제1 및 제2 다이버터들, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들 및 상기 구속 챔버에 동작 가능하게 결합된 제1 및 제2 축방향 플라즈마 건들,
상기 구속 챔버에 결합되고, 상기 구속 챔버의 길이방향 축에 수직보다 작은 각도로 상기 구속 챔버의 중간-평면을 향하여 중성 원자 빔을 주입하도록 배향된 복수의 중성 원자 빔 인젝터들,
상기 구속 챔버, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 상기 제1 및 제2 다이버터들 주위에 포지셔닝된 복수의 준-dc 코일들, 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 형성 섹션들 사이에 포지셔닝된 준-dc 미러 코일들의 제1 및 제2 세트, 및 상기 제1 및 제2 형성 섹션들과 상기 제1 및 제2 다이버터들 사이에 포지셔닝된 제1 및 제2 미러 플러그(mirror plug)들을 포함하는 자기 시스템,
상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터들에 결합된 게터링(gettering) 시스템,
생성된 FRC의 개방된 플럭스 표면을 전기적으로 바이어싱(biasing)하기 위한 하나 이상의 바이어싱 전극들 - 상기 하나 이상의 바이어싱 전극들은 상기 구속 챔버, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 상기 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상 내에 포지셔닝됨 -,
상기 구속 챔버에 결합된 2 개 이상의 안장 코일(saddle coil)들, 및
상기 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상에 축방향으로 결합된 하나 이상의 전자 빔
을 포함하는, FRC 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 전자 빔은,
아크 플라즈마 소스,
가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및
전자 빔 형성, 수송 및 상기 FRC 플라즈마로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인(beamline)
을 포함하는, 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 전자 빔은 환형 빔을 발생시키도록 구성된 빔 이미터를 더 포함하는, 시스템. - 제15 항에 있어서,
상기 빔 이미터는, 멀티-애퍼처 이미터 그리드 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 마스크를 포함하는, 시스템. - 제15 항에 있어서,
상기 빔 이미터는, 멀티-애퍼처 이미터 그리드, 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역 및 상기 중앙 영역과 이격 관계에 있는 외측 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 제1 마스크 및 제2 마스크를 포함하는, 시스템. - 제17 항에 있어서,
상기 제2 마스크는, 상기 제1 마스크의 외측 프로파일 형상과 일치하는 내측 프로파일 형상을 갖는, 시스템. - 제14 항에 있어서,
상기 자기 시스템은,
플라즈마 발생기 코일,
플라즈마 이미터 코일,
렌즈 코일, 및
빔 수송 코일
을 포함하는, 시스템. - 필드 역전된 구성(FRC) 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 시스템으로서,
구속 챔버,
제1 및 제2 형성 섹션들에 결합된 제1 및 제2 다이버터들,
복수의 플라즈마 건들, 하나 이상의 바이어싱 전극들, 및 제1 및 제2 미러 플러그들 중 하나 이상 - 상기 복수의 플라즈마 건들은 상기 제1 및 제2 다이버터들, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들 및 상기 구속 챔버에 동작 가능하게 결합된 제1 및 제2 축방향 플라즈마 건들을 포함하고, 상기 하나 이상의 바이어싱 전극들은 상기 구속 챔버, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 상기 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상 내에 포지셔닝되고, 상기 제1 및 제2 미러 플러그들은 상기 제1 및 제2 형성 섹션들 및 상기 제1 및 제2 다이버터들 사이에 포지셔닝됨 -,
상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터들에 결합된 게터링 시스템,
상기 구속 챔버에 결합되고 상기 구속 챔버의 축에 수직으로 배향된 복수의 중성 원자 빔 인젝터들,
상기 구속 챔버, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 상기 제1 및 제2 다이버터들 주위에 포지셔닝된 복수의 준-dc 코일들, 및 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 형성 섹션 사이에 포지셔닝된 준-dc 미러 코일들의 제1 및 제2 세트를 포함하는 자기 시스템, 및
상기 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상에 축방향으로 결합된 하나 이상의 전자 빔
을 포함하고,
상기 시스템은, FRC 플라즈마를 생성하고, 중성 빔이 플라즈마에 주입되는 동안 상기 FRC 플라즈마를 감쇠없이 유지하도록 구성되는, FRC 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 시스템. - 제20 항에 있어서,
상기 전자 빔은,
아크 플라즈마 소스,
가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및
전자 빔 형성, 수송 및 상기 FRC 플라즈마로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인
을 포함하는, 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 전자 빔은 환형 빔을 발생시키도록 구성된 빔 이미터를 더 포함하는, 시스템. - 제22 항에 있어서,
상기 빔 이미터는 멀티-애퍼처 이미터 그리드 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 마스크를 포함하는, 시스템. - 제22 항에 있어서,
상기 빔 이미터는, 멀티-애퍼처 이미터 그리드, 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역 및 상기 중앙 영역과 이격 관계에 있는 외측 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 제1 마스크 및 제2 마스크를 포함하는, 시스템. - 제24 항에 있어서,
상기 제2 마스크는, 상기 제1 마스크의 외측 프로파일 형상과 일치하는 내측 프로파일 형상을 갖는, 시스템. - 제22 항에 있어서,
상기 자기 시스템은,
플라즈마 발생기 코일,
플라즈마 이미터 코일,
렌즈 코일, 및
빔 수송 코일
을 포함하는, 시스템. - 전자 빔으로서,
아크 플라즈마 소스,
가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및
전자 빔 형성, 수송 및 관심의 플라즈마 구속 디바이스로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인
을 포함하는, 전자 빔. - 제27 항에 있어서,
상기 전자 빔은,
아크 플라즈마 소스,
가속 그리드들의 시스템을 포함하는 전자 광학 시스템, 및
전자 빔 형성, 수송 및 FRC 플라즈마로의 주입을 행하도록 구성된 자기 시스템을 포함하는 빔라인
을 포함하는, 전자 빔. - 제28 항에 있어서,
상기 전자 빔은, 환형 빔을 발생시키도록 구성된 빔 이미터를 더 포함하는, 전자 빔. - 제29 항에 있어서,
상기 자기 시스템은,
플라즈마 발생기 코일,
플라즈마 이미터 코일,
렌즈 코일, 및
빔 수송 코일
을 포함하는, 전자 빔. - 제29 항에 있어서,
상기 빔 이미터는, 멀티-애퍼처 이미터 그리드 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 마스크를 포함하는, 전자 빔. - 제29 항에 있어서,
상기 빔 이미터는, 멀티-애퍼처 이미터 그리드, 및 상기 멀티-애퍼처 이미터 그리드의 중앙 영역 및 상기 중앙 영역과 이격 관계에 있는 외측 영역에 있는 애퍼처들을 덮는 제1 마스크 및 제2 마스크를 포함하는, 전자 빔. - 제32 항에 있어서,
상기 제2 마스크는, 상기 제1 마스크의 외측 프로파일 형상과 일치하는 내측 프로파일 형상을 갖는, 전자 빔.
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