KR20230165847A - 중성 빔 주입을 통해 높은 에너지 및 온도 frc 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

고성능 필드 역전된 구성(FRC) 시스템은 중앙 구속 챔버, 챔버의 단부에 결합된 다이버터, 챔버 주위에 위치된 중성 빔 주입기, 및 FRC 시스템 컴포넌트를 따라 축 방향으로 위치된 준-dc 코일을 포함하는 자기 시스템을 포함한다.

Description

중성 빔 주입을 통해 높은 에너지 및 온도 FRC 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 시스템 및 방법

본 명세서에 설명된 실시예는 일반적으로 자기 플라즈마 구속 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게, 입자, 에너지 및 플럭스 구속뿐만 아니라 우수한 안정성을 갖는 높은 에너지 및 온도 필드 역전된 구성(Field Reversed Configuration; FRC) 플라즈마를 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

필드 역전된 구성(FRC)은 콤팩트 토로이드(compact toroid; CT)라고 알려진 자기 플라즈마 구속 토폴로지의 부류에 속한다. 이는 주로 포로이달 자기 필드(poloidal magnetic field)를 나타내고 제로 또는 작은 자기 발생 토로이달 필드(self-generated toroidal field)를 갖는다(M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988) 참조). 그러한 구성의 매력은 구성(construction) 및 유지의 편의를 위한 그의 단순한 기하학적 형태, 에너지 추출 및 애시(ash) 제거를 용이하게 하기 위한 자연스러운 비제한된 다이버터(divertor), 및 매우 높은 β(β는 FRC 내부에서의 평균 자기 필드 압력에 대한 평균 플라즈마 압력의 비율임), 즉 높은 전력 밀도이다. 고 β 성질은 경제적인 운용에 그리고 D-He3 및 pB11과 같은 진보된 어뉴트로닉 연료(advanced, aneutronic fuel)의 사용에 유리하다.

FRC를 형성하는 전통적인 방법은 고온 고밀도 플라즈마를 생성하는 필드 역전된 θ-핀치 기술을 사용한다(A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993) 참조). 이것에 대한 변형은 세타-핀치(theta-pinch) "소스"에서 생성된 플라즈마가 일 단부에서 거의 즉각적으로 배출(ejected out)되어 구속 챔버(confinement chamber)로 들어가는 병진이동-포획(translation-trapping) 방법이다. 병진이동하는 플라즈모이드(plasmoid)는 이어서 챔버의 단부에 있는 2개의 강한 미러 사이에 포획된다(예를 들어, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995) 참조). 일단 구속 챔버 내에서, 빔 주입(중성 또는 중성화), 회전 자기 필드, RF 또는 오믹 가열 등과 같은 다양한 가열 및 전류 구동 방법이 적용될 수 있다. 소스 및 구속 기능의 이러한 분리는 잠재적인 미래의 핵융합로에 대한 주요 엔지니어링 이점을 제공한다. FRC는 동적 형성, 병진이동, 및 격렬한 포집 이벤트들에 대해 극히 강건하고 탄력성 있는 것으로 증명되었다. 더욱이, 이들은 바람직한 플라즈마 상태를 취하는 경향을 보인다(예컨대, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004) 참조). 지난 10년 동안 상당한 진보가 이루어져, 다른 FRC 형성 방법: 반대로 지향된 나선도들(helicities)로 스페로막들(spheromaks)을 병합하는 것(예컨대, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, and T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999) 참조) 및 회전 자기 필드(RMF)로 전류를 구동하는 것(예컨대, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999) 참조)을 발전시켰으며, 이는 부가의 안정성을 또한 제공한다.

오래 전에 제안된 충돌-병합 기술(예컨대, D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966) 참조)이 상당히 더 발전되었으며: 구속 챔버의 대향 단부에서 2개의 별개의 세타-핀치는 2개의 플라즈모이드를 동시에 생성하고 플라즈모이드를 고속으로 서로를 향해 가속시키며; 이들은 이어서 구속 챔버의 중심에서 충돌하고 병합하여 복합 FRC(compound FRC)를 형성한다. 지금까지 가장 큰 FRC 실험 중 하나의 구성 및 성공적인 운용에서, 종래의 충돌-병합 방법은 안정적이고 수명이 길며, 고 플럭스, 고온 FRC를 생산하는 것으로 나타났다(예컨대, M. Binderbauer, et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010) 참조). 가장 최근에는, 고전력 중성 빔(NB) 주입(NBI)과 효과적인 에지 바이어싱을 사용하여 상대적으로 높은 온도의 FRC를 장시간 생성하는 빔 구동 FRC 실험에서 충돌-병합 기법을 사용하여 주요한 진전이 이루어졌다(일반적인 플라즈마 파라미터: T_e ~250 eV, T_i ~1 keV, <n_e> ~2-3×10¹³ cm^-3, B_e ~1 kG, 플라즈마 수명 ~30 ms)(예컨대, Gota, H. et al., Nucl. Fusion 57, 116021 (2017); Gota, H. et al., Nucl. Fusion 59, 112009 (2019); 및 Gota, H. et al., Bull. Am. Phys. Soc. 64, UP10.00123 (2019) 참조). 이러한 실험에서, NBI를 위한 타겟 플라즈마는 필드 역전된 세타 핀치(FRTP) 동적 형성 기법(Binderbauer, Phys. Rev. Lett. 105)을 사용하여 두 FRC 플라즈마의 충돌 및 병합에 의해 생성되며, 여기서 병합된 FRC의 포획된 자기 플럭스는 구속 섹션 내에서 외부 자기 필드가 ~1kG인 강체 로터 모델에 기초하여 초기에 ~5mWb이다. 타겟 플라즈마에 >13 MW(샷 동안 빔 에너지를 튜닝함으로써 ~21 MW까지 증가됨)의 고전력 NB를 주입함으로써, 주입된 고속 입자가 포획되고 큰 궤도를 가진 세파라트릭스(separatrix)의 안과 밖으로 이동하여, 고속 이온이 대부분 전형적으로 구속되는 전류 구동을 위해서 뿐만 아니라, 주로 전자를 가열한다. 이 고전력 NBI는 다른 어떤 CT 실험에서도 달성하지 못한 것으로, 빔 구동 FRC 개념의 유효성과 그것의 기술적 준비 상태에 대한 매우 중요한 증명이었다(Gota, Nucl. Fusion 59; Gota, Bull. Am. Phys. Soc. 64).

고플럭스 타겟 FRC 플라즈마를 생성하기 위한 개선된 시스템, 디바이스 및 방법.

본 명세서에는 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템, 디바이스 및 방법의 예시적인 실시예가 제공된다. 예시적인 실시예에서, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 갖는 자기적으로 구속된 플라즈마를 생성하고 유지하기 위한 방법은, 구속 챔버(confinement chamber) 내에서 미러 플라즈마를 형성하는　단계, 미러 플라즈마를 FRC 플라즈마로 전환하기 위해 복수의 중성 빔 주입기(injector)로부터의　고속 중성 원자 빔을 구속 챔버의 중간 평면을 향해 비스듬히 미러 플라즈마로 주입하는 단계, 및 복수의 중성 빔 주입기로부터의 고속 중성 원자 빔을 구속 챔버의 중간 평면을 향해 비스듬히 FRC 플라즈마로 주입함으로써 FRC 플라즈마를 감쇠(decay) 없이 일정한 값(constant value)으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계를 포함한다.

예시적인 실시예에서, 중성 빔 주입기는 초기 전력 레벨로부터 증가된 전력 레벨까지 조정 가능하다.

예시적인 실시예에서, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템은, 구속 챔버; 구속 챔버에 결합된 제1 및 제2 다이버터; 구속 챔버에 결합되고, 구속 챔버의 길이방향 축에 대한 직각(normal)보다 작은 각도로 구속 챔버의 중간 평면을 향해 중성 원자 빔을 주입하도록 배향된 복수의 중성 원자 빔 주입기; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 주위에 위치된 복수의 준-dc 코일을 포함하는 자기 시스템; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치된 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터에 결합된 게터링 시스템; 생성된 FRC 플라즈마의 개방 플럭스 표면을 전기적으로 바이어싱하기 위한 하나 이상의 바이어싱 전극 - 하나 이상의 바이어싱 전극은 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 중 하나 이상 내에 위치됨 - ; 및 구속 챔버에 결합된 두 개 이상의 새들 코일을 포함한다.

본 명세서에 설명된 주제의 다른 시스템, 디바이스, 방법, 피처 및 이점은, 다음 도면 및 상세한 설명을 검토하면 통상의 기술자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 추가적인 시스템, 방법, 피처 및 이점이 이 명세서 내에 포함되고, 본 명세서에 설명된 주제의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구항에 의해 보호되는 것이 의도된다. 예시적인 실시예의 피처는, 청구항에서 그러한 피처의 명시적 언급 없이, 어떠한 방식으로든 첨부된 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서의 일부로서 포함되는 첨부된 도면은, 현재의 예시적인 실시예를 예시하고, 위에서 주어진 일반적인 설명 및 아래에서 주어진 예시적인 실시예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 교시하는 역할을 한다.
도 1은, 종래의 FRC 레짐(conventional regime; CR) 하에서, 및 다른 종래의 FRC 실험에 대한(versus), 고성능 FRC 레짐(HPF) 하에서 FRC 시스템에서의 입자 구속을 예시하고 있다.
도 2는 예시적인 FRC 시스템의 컴포넌트 및 본 FRC 시스템에서 생성가능한 FRC의 자기 토폴로지를 예시하고 있다.
도 3a는 중앙 구속 베셀, 형성 섹션, 다이버터, 중성 빔, 전극, 플라즈마 건, 미러 플러그, 및 펠릿 주입기를 포함하는, 상부로부터 보는 바와 같은 예시적인 FRC 시스템의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 3b는 상부로부터 보는 바와 같은 중앙 구속 베셀을 예시하고, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각인 각도로 배열된 중성 빔을 도시하고 있다.
도 3c는 상부로부터 보는 바와 같은 중앙 구속 베셀을 예시하고 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열되고 중앙 구속 베셀의 중간 평면을 향해 입자를 주입하도록 지향된 중성 빔을 도시하고 있다.
도 3d 및 도 3e는, 각각, 중앙 구속 베셀, 형성 섹션, 내측 및 외측 다이버터, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열된 중성 빔, 전극, 플라즈마 건 및 미러 플러그의 예시적인 배열을 포함하는, 본 FRC 시스템의 예시적인 실시예의 기본 레이아웃의 상면도 및 사시도를 예시하고 있다.
도 3f는, 중앙 구속 베셀, 제1 및 제2 다이버터, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열된 중성 빔, 전극, 플라즈마 건 및 미러 플러그의 예시적인 배열을 포함하는, 본 FRC 시스템의 대안적인 예시적인 실시예의 기본 레이아웃의 사시도를 예시하고 있다.
도 4는 형성 섹션에 대한 펄스 전력 시스템의 컴포넌트의 개략도를 예시하고 있다.
도 5는 개별 펄스 전력 형성 스키드(pulsed power formation skid)의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 6은 형성 튜브 어셈블리의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 7은 중성 빔 시스템의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 8은 중앙 구속 베셀 상의 중성 빔 시스템의 배열의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 9는 중앙 구속 베셀 및 바이버터 상의 Ti 및 Li 게터링 시스템의 배열의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 10은 다이버터 챔버에 설치된 다이버터 전극 어셈블리 및 플라즈마 건을 도시하는 연관된 자기 미러 플러그 및 다이버터의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 11은 구속 챔버의 축방향 단부에서의 환형 바이어스 전극의 예시적인 레이아웃을 예시하고 있다.
도 12는 중앙 금속 구속 챔버 내부에 매립된 2개의 필드 역전된 세타 핀치 형성 섹션 및 자기 프로브에서의 일련의 외부 반자성 루프로부터 획득된 FRC 시스템에서의 배제된 플럭스 반경의 전개(evolution)를 예시하고 있다. 시간은 형성 소스에서의 동기화된 필드 역전의 순간부터 측정되며, 거리 z는 기계의 축방향 중간 평면에 대해 주어진다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는 본 FRC 시스템 상에서의 대표적인 비-HPF(non-HPF), 비-지속 방출(un-sustained discharge)로부터의 데이터를 예시하고 있다. 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 13a), 중간 평면 CO2 간섭계로부터의 선 적분된 밀도의 6개의 코드(chords)(도 13b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨 반전된 밀도 반경방향 프로파일(Abel-inverted density radial profiles)(도 13c), 및 압력 밸런스로부터 전체 플라즈마 온도(도 13d)가 시간의 함수로서 도시되어 있다.
도 14는 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 본 FRC 시스템의 동일한 방출에 대한 선택된 시간에서의 배제된 플럭스 축방향 프로파일을 예시하고 있다.
도 15는 중앙 구속 베셀의 외부에 장착된 새들 코일의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 주입된 중성 빔의 FRC 수명과 펄스 길이의 상관을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 보다 긴 빔 펄스는 보다 긴 수명의 FRC를 생성한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 FRC 성능 및 HPF 레짐의 달성에 대한 FRC 시스템의 상이한 컴포넌트의 개별 및 결합 효과를 예시하고 있다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 본 FRC 시스템 상에서의 대표적인 HPF, 비-지속 방출로부터의 데이터를 예시하고 있다. 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 18a), 중간 평면 CO2 간섭계로부터의 선 적분된 밀도의 6개의 코드(도 18b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨 반전된 밀도 반경 방향 프로파일(도 18c), 및 압력 밸런스로부터 전체 플라즈마 온도(도 18d)가 시간의 함수로서 도시되어 있다.
도 19는 플럭스 구속(flux confinement)을 전자 온도(T_e)의 함수로서 예시하고 있다. 이는 HPF 방출에 대한 새로 확립된 우수한 스케일링 레짐의 그래픽 표현을 나타낸다.
도 20은 비경사진 및 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이에 대응하는 FRC 수명을 예시하고 있다.
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 파라미터의 수명을 예시하고 있다.
도 22a 및 도 22b는 콤팩트 토로이드(CT) 주입기의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 23a 및 도 23b는 CT 주입기가 장착되어 있는 것을 보여주는 중앙 구속 베셀을 예시하고 있다.
도 24a 및 도 24b는 드리프트 튜브(drift tube)가 결합되어 있는 CT 주입기의 예시적인 실시예의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 25는 튜닝가능한 에너지 빔 출력을 위한 컴포넌트를 갖는 중성 빔 시스템의 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 26은 튜닝가능한 에너지 빔 출력을 갖는 중성 빔 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 27은 구속 베셀(confining vessel; CV) 내의 FRC 플라즈마의 축방향 위치 제어 메커니즘을 예시하는 개략도이다.
도 28은 일반 슬라이딩 모드 제어 스킴의 흐름도이다.
도 29는 슬라이딩 모드 축방향 위치 제어 시뮬레이션의 예시의 합성 그래프이다.
도 30는 슬라이딩 모드 축방향 위치 제어 시뮬레이션의 예시의 합성 그래프이다.
도 31은 도 3d 및 도 3e에 도시된 FRC 시스템에 대한 자기 토폴로지 및 밀도 윤곽(density contour)의 스케치이다.
도 32는 도 3f에 도시된 FRC 시스템에 대한 자기 토폴로지 및 밀도 윤곽의 스케치이다.
도 33은 다이버터에 위치된 동심 전극을 예시하는 개략도이다.
도 34는 전극 바이어스 셋업의 그래픽 표현이다.
도 35a, 도 35b, 도 35c, 도 35d 및 도 35e는 FRTP 및 빔 형성 기법에 의해 형성된 FRC 플라즈마에 대한 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도, 및 플라즈마 온도의 FRC 플라즈마 파라미터의 수명을 예시하고 있다.
도 36a, 도 36b, 도 36c, 도 36d 및 도 36e는 빔 형성 FRC 플라즈마에 대한 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도 및 플라즈마 온도의 FRC 플라즈마 파라미터의 수명을 예시하고 있다.
도 37a, 도 37b, 도 37c 및 도 37d는, 도 3f 및 도 32에 대하여(versus), 도 3d, 도 3e 및 도 31에 도시된 FRC 시스템에서 빔 형성된 FRC 플라즈마에 대응하는 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도, 플라즈마 온도 및 자기 플럭스의 FRC 플라즈마 파라미터의 수명을 예시하고 있다.
도 38은 FRTP FRC와 빔 형성 FRC에서의 피크 온도, 즉 전자 온도(T _e ) 및 전체 온도(T _tot )의 비교를 예시하고 있다.
도면이 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 유사한 구조 또는 기능의 요소가 도면 전체에 걸쳐 예시 목적을 위해 비슷한 참조 번호로 일반적으로 표현된다는 점에 유의해야 한다. 도면이 본 명세서에 설명된 다양한 실시예의 설명을 용이하게 하는 것으로만 의도되어 있다는 점에 또한 유의해야 한다. 도면은 본 명세서에 개시된 교시의 모든 양태를 반드시 설명하는 것은 아니며 청구항의 범위를 제한하지 않는다.

본　주제가 상세히 설명되기 전에, 이 개시가 설명된 특정 실시예로　제한되지 않는다는 것이 이해되어야 하며, 이는 물론 다양할 수 있기 때문이다. 본 명세서에 사용된 용어는 단지　특정 실시예를 설명하기 위한 목적일 뿐이며, 본 개시의 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 제한될 것이므로, 제한하는　것이　의도되지　않는다는　것　또한　이해되어야　한다．

본 명세서에 설명된 실시예의 대표적인 예시 - 이 예시는 이러한 추가　피처 및 교시 중 다수를 개별적으로도 그리고　조합하여도 활용함 - 가 이제 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 이 상세한 설명은 단지 본 교시의 바람직한 양태를 실시하기 위한 추가 세부 사항을 본 기술분야의 통상의 기술자에게 교시하는 것으로 의도된 것이며, 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 이하의 상세한 설명에 개시된 피처 및 단계의 조합은 가장 넓은 의미로 발명을 실시하는 데 필요하지 않을 수 있으며, 그 대신에 본 교시의 대표적인 예시를 상세히 설명하기 위해서만 교시되어 있다.

더욱이, 대표적인 예시 및 종속 청구항의 다양한 피처가 본 교시의 추가의 유용한 실시예를 제공하기 위해 구체적으로 그리고 명시적으로 나열되지 않은 방식으로 결합될 수 있다. 이에 더해, 상세한 설명 및/또는 청구항에 개시된 모든 피처가 실시예 및/또는 청구항에서의 피처의 구성들과 무관하게 원래의 개시의 목적을 위해서 뿐만 아니라, 청구된 주제를 제한하는 목적을 위해 서로 개별적으로 그리고 독립적으로 개시되도록 의도된다는 점이 명시적으로 언급된다. 엔티티의 그룹의 모든 값 범위 또는 표시가 원래의 개시의 목적을 위해서뿐만 아니라 청구된 주제를 제한하는 목적을 위해 모든 가능한 중간 값 또는 중간 엔티티를 개시한다는 점 또한 명시적으로 언급된다.

본 명세서에 제공된 예시적인 실시예는 입자, 에너지 및 플럭스 구속뿐만 아니라 우수한 안정성을 갖는 FRC 플라즈마를 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예시적인 실시예 중 일부는 튜닝 가능한 빔 에너지 능력을 갖는 중성 빔 주입기를 활용하여 시스템 에너지가 상승되고 지속성이 개선된 FRC 플라즈마를 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예시적인 실시예 중 일부는 또한, 반경 방향 및 축 방향 모두에서 FRC 플라즈마의 안정성과, FRC 플라즈마 평형의 축 안정성 특성과 무관하게 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭 축을 따라 FRC 플라즈마의 축방향 위치 제어를 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

높은 플럭스 타겟 FRC 플라즈마의 생성 및 유지를 용이하게 하는 시스템과 방법으로 넘어가기 전에, 종래의 FRC에 비해 우수한 입자, 에너지 및 플럭스 구속뿐만 아니라 우수한 안정성을 갖는 고성능 FRC 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 시스템과 방법에 대한 논의가 제공된다. 이러한 고성능 FRC 플라즈마는 콤팩트 중성자 소스(의료적 동위원소 생산, 핵폐기물 정화, 재료 연구, 중성자 방사선 촬영 및 단층 촬영을 위한), 콤팩트 광자 소스(화학적 생산 및 프로세싱을 위한), 질량 분리 및 농축 시스템, 및 차세대 에너지를 위한 가벼운 원자핵의 융합을 위한 원자로 노심(reactor core)을 포함하는 모든 다양한 애플리케이션에 대한 경로를 제공한다.

FRC 플라즈마에 우수한 구속 레짐이 있는지 여부를 평가하기 위해 다양한 보조 시스템과 동작 모드가 조사되었다. 이러한 노력은 획기적인 발견과 본 명세서에 설명된 고성능 FRC 패러다임의 개발로 이어졌다. 이 새로운 패러다임에 따라, 예시적인 시스템과 방법은, 부정적인 부작용 없이 안정성 제어를 제공할 뿐만 아니라 도 1에 예시된 바와 같은 FRC 구속을 극적으로 개선하기 위한 다수의 새로운 아이디어와 수단을 결합한다. 아래에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 도 1은, FRC 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 종래의 레짐(CR)에 따라 동작하는 것과 비교하여, 그리고 다른 실험에서 사용되는 FRC 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 종래의 레짐에 따른 입자 구속과 비교하여, FRC 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 고성능 FRC 레짐(HPF)에 따라 동작하는, 아래에 설명되는 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속을 묘사한다(도 2 및 3 참조). 본 개시는 FRC 시스템(10)의 혁신적인 개별 컴포넌트뿐만 아니라 그들의 집합적 효과를 요약 서술 및 상술할 것이다.

FRC 시스템

진공 시스템

도 2 및 도 3a는 예시적인 FRC 시스템(10)의 개략도를 묘사한다. FRC 시스템(10)은 2개의 정반대로 대향된(diametrically opposed) 역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션(200)에 의해 둘러싸인 중앙 구속 베셀(100) 및, 형성 섹션(200)을 넘어, 중성 밀도 및 불순물 오염을 제어하기 위한 2개의 다이버터 챔버(300)를 포함한다. FRC 시스템(10)은 초고진공을 수용하도록 제작되었고 10^-8 torr의 전형적인 베이스 압력에서 동작한다. 그러한 진공 압력은 메이팅 컴포넌트들 사이의 이중 펌핑된 메이팅 플랜지, 금속 O-링, 고순도 내부 벽의 사용뿐만 아니라, 물리적 및 화학적 클리닝과 그에 뒤이은 24 시간 250 ℃ 진공 베이킹 및 수소 글로 방전 클리닝과 같은, 조립 이전의 모든 부품들의 주의깊은 초기 표면 컨디셔닝을 요구한다.

역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션(200)은, 비록 이하(도 4 내지 도 6 참조)에서 상세히 논의되는 진보된 펄스 전력 형성 시스템을 갖지만, 표준 필드 역전된 세타-핀치(field-reversed-theta-pinchs: FRTPs)이다. 각각의 형성 섹션(200)은 초순수 석영(ultrapure quartz)의 2 밀리미터 내부 라이닝(inner lining)을 특징으로 하는 표준 불투명 산업 등급 석영 튜브로 제조된다. 구속 챔버(100)는 다수의 반경방향 및 접선방향 포트를 허용하기 위해 스테인리스 스틸로 제조되며; 이는 이하에서 설명되는 실험의 시간스케일에서 플럭스 보존기(flux conserver)로서 또한 역할을 하고 고속 자기 과도현상(magnetic transients)을 제한한다. 진공은 드라이 스크롤 러핑 펌프(dry scroll roughing pumps), 터보 분자 펌프 및 크라이오 펌프(cryo pumps)의 세트를 갖는 FRC 시스템(10) 내에서 생성되고 유지된다.

자기 시스템

자기 시스템(400)은 도 2 및 도 3a에 예시되어 있다. 도 2는, 다른 피처보다도, FRC 시스템(10)에 의해 생성가능한 FRC 플라즈마(450)에 관한 FRC 자기 플럭스 및 밀도 윤곽을 (반경방향 및 축방향 좌표의 함수로서) 예시하고 있다. 이러한 윤곽은 FRC 시스템(10)에 대응하는 시스템 및 방법을 시뮬레이션하도록 개발된 코드를 사용하여 2-D 저항 홀-MHD 수치 시뮬레이션(2-D resistive Hall-MHD numerical simulation)에 의해 획득되었으며, 측정된 실험 데이터와 잘 일치한다. 도 2에 보이는 바와 같이, FRC 플라즈마(450)는 세파라트릭스(451) 내부의 FRC 플라즈마(450)의 내부(453)에서의 폐쇄 필드 라인의 토러스, 및 세파라트릭스(451) 바로 외부의 개방 필드 라인(452) 상의 환형 에지 층(456)으로 구성된다. 에지 층(456)은 FRC 길이를 넘어서 제트(454)로 합쳐져 자연스러운 다이버터를 제공한다.

주 자기 시스템(410)은 FRC 시스템(10)의 컴포넌트를 따라, 즉 구속 챔버(100), 형성 섹션(200) 및 다이버터(300)를 따라 특정 축방향 위치에 위치되는 일련의 준-dc 코일(412, 414 및 416)을 포함한다. 준-dc 코일(412, 414 및 416)은 준-dc 스위칭 전력 공급장치에 의해 피드되고 구속 챔버(100), 형성 섹션(200) 및 다이버터(300)에 약 0.1 T의 기본 자기 바이어스 필드를 생성한다. 준-dc 코일(412, 414 및 416)에 더하여, 주 자기 시스템(410)은 구속 챔버(100)의 어느 한 단부와 인접한 형성 섹션(200) 사이에 (스위칭 전력 공급장치에 의하여 피드되는) 준-dc 미러 코일(420)을 포함한다. 준-dc 미러 코일(420)은 최대 5의 자기 미러 비율(magnetic mirror ratios)을 제공하고 평형 셰이핑 제어(equilibrium shaping control)를 위해 독립적으로 에너지를 공급받을 수 있다. 이에 더해, 미러 플러그(440)는 형성 섹션(200) 및 다이버터(300) 각각 사이에 위치된다. 미러 플러그(440)는 콤팩트한 준-dc 미러 코일(430) 및 미러 플러그 코일(444)을 포함한다. 준-dc 미러 코일(430)은 미러 플러그 코일(444)을 통과하는 작은 직경의 통로(442)를 향해 자기 플럭스 표면(455)을 포커싱하기 위한 추가의 가이드 필드를 생성하는 (스위칭 전력 공급장치에 의해 피드되는) 3개의 코일(432, 434 및 436)을 포함한다. 작은 직경의 통로(442) 주위를 감싸고 LC 펄스 전력 회로부에 의해 피드되는 미러 플러그 코일(444)은 최대 4 T의 강한 자기 미러 필드를 생성한다. 이러한 코일 배열 전체의 목적은 자기 플럭스 표면(455) 및 엔드-스트리밍 플라즈마 제트(454)를 타이트하게 번들링하여 다이버터(300)의 원격 챔버(310) 내로 안내하는 것이다. 마지막으로, 새들 코일 "안테나"(460)의 세트(도 15 참조)는 구속 챔버(100)의 외부에, 중간 평면의 각각의 측면에 2개씩, 위치되고, dc 전력 공급장치들에 의해 피드된다. 새들 코일 안테나(460)는 회전 불안정성을 제어하는 것 및/또는 전자 전류 제어를 위해 약 0.01 T의 준-정적 자기 쌍극자 또는 사중극자 필드를 제공하도록 구성될 수 있다. 새들 코일 안테나(460)는, 인가된 전류의 방향에 따라, 기계의 중간 평면에 대해 대칭이거나 반대칭인 자기 필드를 유연하게 제공할 수 있다.

펄스 전력 형성 시스템

도 4 내지 도 6은 형성 시스템(210)의 배열 및 주 빌딩 블록(building blocks)을 예시하고 있다. 펄스 전력 형성 시스템(210)은 수정된 세타-핀치 원리로 동작한다. 각각이 형성 섹션(200) 중 하나에 전력을 공급하는 2개의 시스템이 있다.

형성 시스템(210)은 각각이 형성 석영 튜브(240) 주위를 감싸는 스트랩 어셈블리(230)(=스트랩)의 코일(232)의 서브세트에 에너지를 공급하는 개별 유닛(=스키드)(220)로 구성된 모듈식 펄스 전력 배열로 구성된다. 각각의 스키드(220)는 커패시터(221), 인덕터(223), 고속 고전류 스위치(225) 및 연관된 트리거(222) 및 덤프(dump) 회로부(224)로 구성된다. 전체적으로, 각각의 형성 시스템(210)은, FRC를 형성하고 가속시키기 위해 최대 35 GW의 전력을 제공하는, 350 내지 400 kJ의 용량성 에너지를 저장한다. 이러한 컴포넌트의 조정된(coordinated) 동작은 각각의 형성 섹션(200) 상의 형성 시스템들(210) 사이의 동기화된 타이밍을 허용하고 스위칭 지터를 수십 나노초로 최소화하는 종래 기술의 트리거 및 제어 시스템(222 및 224)을 통해 달성된다. 이러한 모듈식 설계의 이점은 그의 유연한 동작이다: FRC는 인-시츄(in-situ) 형성되고 이어서 가속되어 주입되거나(=정적 형성) 또는 형성됨과 동시에 가속될 수 있다(=동적 형성).

중성 빔 주입기

중성 원자 빔 주입기(600)는 고속 입자 압력을 발생시킬 뿐만 아니라 가열 및 전류 구동을 제공하기 위해 FRC 시스템(10) 상에 배치된다. 도 3a, 도 3b 및 도 8에 도시된 바와 같이, 중성 원자 빔 주입기 시스템(610 및 640)을 포함하는 개별 빔 라인은 중앙 구속 챔버(100) 주위에 위치되고, 타겟 포획 존(target trapping zone)이 세파라트릭스(451)(도 2 참조) 내에 잘 놓이도록 충격 파라미터를 사용하여 FRC 플라즈마에 접선방향으로 (그리고 중앙 구속 베셀(100)의 주 대칭축에 수직으로 또는 그에 직각인 각도로) 고속 입자를 주입한다. 각각의 주입기 시스템(610 및 640)은 최대 1 MW의 중성 빔 전력을 20 내지 40 keV의 입자 에너지를 갖는 FRC 플라즈마 내로 주입할 수 있다. 시스템(610 및 640)은 양이온 다중 애퍼처 추출 소스에 기초하고, 기하학적 포커싱, 이온 추출 그리드의 관성 냉각 및 차동 펌핑(differential pumping)을 활용한다. 상이한 플라즈마 소스를 사용하는 것 이외에, 시스템(610 및 640)은 그 각자의 장착 위치를 충족시켜 측면과 상부 주입 능력을 산출하도록 주로 그들의 물리적 설계에 의해 차별화된다. 측면 주입기 시스템(610)에 대해 이러한 중성 빔 주입기의 전형적인 컴포넌트는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 개별 중성 빔 시스템(610)은 입력단에 있는 RF 플라즈마 소스(612)(이것은 시스템(640)에서 아크 소스로 대체됨)를 포함하고 자기 스크린(614)이 입력단을 커버한다. 이온 광학 소스 및 가속 그리드(616)는 플라즈마 소스(612)에 결합되고 게이트 밸브(620)는 이온 광학 소스 및 가속 그리드(616)와 중성화기(neutralizer)(622) 사이에 위치된다. 편향 자석(624) 및 이온 덤프(ion dump)(628)는 출구단에서 중성화기(622)와 조준 디바이스(aiming device)(630) 사이에 위치된다. 냉각 시스템은 2개의 크라이오 냉동기(cryo-refrigerators)(634), 2개의 크라이오패널(cryopanels)(636) 및 LN2 슈라우드(shroud)(638)를 포함한다. 이러한 유연한 설계는 넓은 범위의 FRC 파라미터에 걸친 동작을 허용한다.

중성 원자 빔 주입기(600)에 대한 대안적인 구성은 고속 입자를 FRC 플라즈마에 접선방향으로, 그러나 중앙 구속 베셀(100)에서의 주 대칭축에 대해 90° 미만의 각도(A)로 주입하는 것이다. 빔 주입기(615)의 이러한 타입의 배향이 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 3f에 도시되어 있다. 이에 더해, 빔 주입기(615)는 중앙 구속 베셀(100)의 중간 평면의 양측에 있는 빔 주입기(615)가 그들의 입자를 중간 평면을 향해 주입하도록 배향될 수 있다. 마지막으로, 이러한 빔 시스템(600)의 축방향 위치는 중간 평면에 보다 가깝게 선택될 수 있다. 이러한 대안적인 주입 실시예는 보다 중앙의 보급(fueling) 옵션을 용이하게 하며, 이는 빔의 보다 양호한 결합 및 주입된 고속 입자의 보다 높은 포획 효율을 제공한다. 게다가, 각도 및 축방향 위치에 따라, 빔 주입기(615)의 이러한 배열은 FRC 플라즈마(450)의 축방향 신장(axial elongation) 및 다른 특성의 보다 직접적이고 독립적인 제어를 허용한다. 예를 들어, 베셀의 주 대칭축에 대해 얕은 각도 A로 빔을 주입하는 것은 보다 긴 축방향 연장 및 보다 낮은 온도를 갖는 FRC 플라즈마를 생성할 것인 반면, 보다 수직인 각도 A를 선택하는 것은 축방향으로 보다 짧지만 보다 고온의 플라즈마를 가져올 것이다. 이러한 방식으로, 빔 주입기(615)의 주입 각도(A) 및 위치는 상이한 목적을 위해 최적화될 수 있다. 이에 더해, 빔 주입기(615)의 이러한 각도형성(angling) 및 위치결정은 (일반적으로 보다 적은 빔 발산으로 보다 많은 전력을 퇴적하는 데 보다 유리한) 보다 높은 에너지의 빔이 그렇지 않았으면 그러한 빔을 포획하는 데 필요하게 될 것보다 더 낮은 자기 필드 내에 주입되는 것을 허용할 수 있다. 이것은 그것이 (일정한 빔 에너지에서 베셀의 주 대칭축에 대한 주입 각도가 감소됨에 따라 점진적으로 보다 작아지게 되는) 고속 이온 궤도 스케일을 결정하는 에너지의 방위각 컴포넌트(azimuthal component)라는 사실에 기인한다. 게다가, 축방향 빔 위치가 중간 평면에 가까운 상태에서 중간 평면을 향한 경사진 주입은, FRC 플라즈마가 주입 기간 동안 축소(shrinks)되거나 다른 방식으로 축방향으로 수축(contracts)되더라도, 빔-플라즈마 결합을 개선한다.

도 3d 및 도 3e로 돌아가면, 또 다른 대안적인 구성에서, FRC 시스템(10)은 경사진 빔 주입기(615)에 더하여 내측 다이버터(302)을 포함하도록 도시된다. 내측 다이버터(302)는 형성 섹션(200)과 구속 챔버(100) 사이에 위치되고, 외측 다이버터(300)와 실질적으로 유사하게 구성되고 동작한다. 고속 스위칭 자기 코일을 그 내부에 포함하는 내측 다이버터(302)는, 형성 FRC가 구속 챔버(100)의 중간 평면을 향해 병진이동할 때 형성 FRC가 내측 다이버터(302)를 통과할 수 있게 하기 위해 형성 프로세스 동안 사실상 비활성이다. 형성 FRC가 내측 다이버터(302)를 통과하여 구속 챔버(100) 내로 일단 들어가면, 내측 다이버터는 외측 다이버터와 실질적으로 유사하게 동작하여 구속 챔버(100)를 형성 섹션(200)으로부터 격리시키도록 활성화된다.

도 3f로 돌아가면, 형성 섹션이 제거된 또 다른 대안적 구성에서, FRC 시스템(10)은 제1 및 제2 다이버터(302) 및 구속 챔버(100)에 결합된 경사진 빔 주입기(615)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 제1 및 제2 다이버터(302)는 구속 챔버(100)의 대향하는 단부에 위치되며, 도 3c에 도시된 다이버터(300) 및 도 3d 및 3e에 도시된 외측 다이버터(300)와 실질적으로 유사하게 구성되고 동작한다.

펠릿 주입기

새로운 입자를 주입하고 FRC 입자 인벤토리(particle inventory)를 보다 잘 제어하기 위한 수단을 제공하기 위하여, 12-배럴(barrel) 펠릿 주입기(700)(예컨대, I. Vinyar et al, "Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A," Proceedings of the 26^th　Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010) 참조)가 FRC 시스템(10) 상에서 활용된다. 도 3은 FRC 시스템(10) 상에서의 펠릿 주입기(700)의 레이아웃을 예시하고 있다. 원통형 펠릿(D ~ 1 mm, L ~ 1 내지 2 mm)은 150 내지 250 km/s의 범위의 속도로 FRC 내로 주입된다. 각각의 개별 펠릿은, FRC 입자 인벤토리와 비슷한, 약 5×10¹⁹개의 수소 원자를 포함한다.

게터링 시스템

중성 할로 가스는 모든 구속 시스템에서 심각한 문제인 것으로 잘 알려져 있다. 전하 교환 및 재순환(charge exchange and recycling)(벽으로부터 저온 불순물 물질의 방출) 프로세스는 에너지 및 입자 구속에 대한 파괴적 효과를 가질 수 있다. 이에 더해, 에지에서의 또는 에지 근방에서의 중성 가스의 임의의 상당한 밀도는 주입된 대궤도(고에너지) 입자(대궤도는 FRC 토폴로지의 스케일의 궤도 또는 적어도 특성 자기 필드 구배 길이 스케일보다 훨씬 더 큰 궤도 반경을 가지는 입자를 지칭함)의 수명의 빠른 손실을 가져오거나 수명을 적어도 심각하게 단축시킬 것이다 - 이는 보조 빔 가열을 통한 융합을 포함하는, 모든 에너지 플라즈마 애플리케이션에 대해 유해한 사실이다.

표면 컨디셔닝은 중성 가스 및 불순물의 유해한 효과가 구속 시스템에서 제어되거나 감소될 수 있는 수단이다. 이를 위해 본 명세서에서 제공된 FRC 시스템(10)은 구속 챔버(또는 베셀)(100)의 플라즈마 직면 표면(plasma facing surfaces) 및 다이버터(300 및 302)를 Ti 및/또는 Li의 막(수십 마이크로미터 두께)로 코팅하는 티타늄 및 리튬 퇴적 시스템(810 및 820)을 이용한다. 코팅은 기상 퇴적 기술들 통해 달성된다. 고체 Li 및/또는 Ti가 증발되고 그리고/또는 승화되며 근방의 표면 상으로 스프레이되어 코팅을 형성한다. 소스는 가이드 노즐(Li의 경우에)(822)을 갖는 원자 오븐이거나 또는 가이드 슈라우딩(guide shrouding)(Ti의 경우에)(812)을 갖는 가열된 고체 구체이다. Li 증발기 시스템은 전형적으로 연속 모드에서 동작하는 반면 Ti 승화기는 대체로 플라즈마 동작 사이에서 간헐적으로 동작된다. 이러한 시스템의 동작 온도는 빠른 퇴적 레이트를 획득하기 위해 600℃ 초과이다. 양호한 벽 커버리지를 달성하기 위해, 다수의 전략적으로 위치된 증발기/승화기 시스템이 필요하다. 도 9는 FRC 시스템(10)에서의 게터링 퇴적 시스템(810 및 820)의 예시적인 배열을 상술한다. 코팅은 게터링 표면으로서 작용하고 원자 및 분자 수소 종(H 및 D)을 효과적으로 펌핑한다. 코팅은 또한 탄소 및 산소와 같은 다른 전형적인 불순물을 미미한 레벨로 감소시킨다.

미러 플러그

앞서 언급된 바와 같이, FRC 시스템(10)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 미러 코일 세트(420, 430, 및 444)를 이용한다. 제1 미러 코일 세트(420)는 구속 챔버(100)의 2개의 축방향 단부에 위치되고, 주 자기 시스템(410)의 DC 구속, 형성 및 다이버터 코일(412, 414 및 416)로부터 독립적으로 에너지를 공급받는다. 제1 미러 코일 세트(420)는 병합 동안 FRC 플라즈마(450)를 스티어링하고 축방향으로 포함하는 것을 주로 돕고 지속 동안 평형 셰이핑 제어를 제공한다. 제1 미러 코일 세트(420)는 중앙 구속 코일(412)에 의해 생성된 중앙 구속 필드보다 명목상 더 높은 자기 필드(약 0.4 내지 0.5 T)을 생성한다. 3개의 콤팩트한 준-dc 미러 코일(432, 434 및 436)을 포함하는, 제2 미러 코일 세트(430)는 형성 섹션(200)과 다이버터(300) 사이에 위치되고 공통 스위칭 전력 공급장치에 의해 구동된다. 미러 코일(432, 434 및 436)은, (용량성 전력 공급장치에 의해 피드되는) 보다 콤팩트한 펄스 미러 플러그 코일(444) 및 물리적 수축부(physical constriction)(442)와 함께, (약 10 내지 20 ms의 상승 시간을 갖는 2 내지 4T의) 매우 높은 자기 필드를 갖는 좁은 저 가스 컨덕턴스 경로를 제공하는 미러 플러그(440)를 형성한다. 가장 콤팩트한 펄스 미러 코일(444)은, 구속 코일(412, 414 및 416)의 미터-플러스-스케일 보어 및 팬케이크 설계(meter-plus-scale bore and pancake design)에 비해, 20 cm 및 유사한 길이의 콤팩트한 반경방향 치수의 보어를 갖는다. 미러 플러그(440)의 목적은 다각적(multifold)이다: (1) 코일(432, 434, 436 및 444)은 자기 플럭스 표면(452) 및 엔드-스트리밍 플라즈마 제트(454)를 타이트하게 번들링하여 원격 다이버터 챔버(300) 내로 안내한다. 이것은 배기(exhaust) 입자가 다이버터(300)에 적절히 도달하는 것과 중앙 FRC 플라즈마(450)의 개방 필드 라인(452) 영역으로부터 다이버터(300)에 이르기까지 트레이스하는 연속 플럭스 표면(455)이 있음을 보장한다. (2) FRC 시스템(10)에서의 물리적 수축부(442) - 이들을 통한 자기 플럭스 표면(452) 및 플라즈마 제트(454)의 통과를 코일(432, 434, 436 및 444)이 가능하게 함 - 는 다이버터(300)에 놓여 있는 플라즈마 건(350)으로부터의 중성 가스 흐름에 대한 방해를 제공한다. 동일한 맥락에서, 수축부(442)는 형성 섹션(200)으로부터 다이버터(300)로의 가스의 역-스트리밍(back-streaming)을 방지하며 그로써 FRC의 기동(startup)을 시작할 때 FRC 시스템(10) 전체에 도입되어야 하는 중성 입자의 수를 감소시킨다. (3) 코일(432, 434, 436 및 444)에 의해 생성된 강한 축방향 미러는 축방향 입자 손실을 감소시키고 그로써 개방 필드 라인 상에서의 평행 입자 확산도(parallel particle diffusivity)를 감소시킨다.

도 3d 및 도 3e에 도시된 대안적인 구성에서, 로우 프로파일 네킹 코일(low profile necking coils)의 세트(421)는 내측 다이버터(302)와 형성 섹션(200) 사이에 위치된다. 도 3f에 도시된 대안적인 구성에서, 미러 코일 세트(420)는 구속 챔버(100)의 2개의 축방향 단부에 위치된다.

축방향 플라즈마 건

다이버터(300) (및 도 3f에 도시된 대안적인 구성의 다이버터(302))의 다이버터 챔버(310)에 장착된 건(350)으로부터의 플라즈마 스트림은 안정성 및 중성 빔 성능을 개선시키도록 의도된다. 건(350)은 도 3 및 도 10에 예시된 바와 같이 다이버터(300)의 챔버(310) 내부의 축 상에 장착되고 다이버터(300)의 개방 플럭스 라인(452)을 따라 구속 챔버(100)의 중심을 향해 흐르는 플라즈마를 생성한다. 건(350)은 와셔-스택 채널(washer-stack channel)에서 고밀도 가스 방출로 동작하며, 5 내지 10ms 동안 수 킬로암페어의 완전히 이온화된 플라즈마(fully ionized plasma)를 생성하도록 설계된다. 건(350)은 구속 챔버(100) 내에서 플라즈마의 원하는 크기를 갖는 출력 플라즈마 스트림과 매칭되는 펄스 자기 코일을 포함한다. 건(350)의 기술적 파라미터는 5 내지 13 cm의 외측 직경과 최대 약 10 cm의 내측 직경을 갖는 채널에 의해 특성화되고, 0.5 내지 2.3 T 사이의 건-내부 자기 필드로 400 내지 600 V에서의 10 내지 15 kA의 방출 전류를 제공한다.

건 플라즈마 스트림은 미러 플러그(440)의 자기 필드를 관통하여 형성 섹션(200) 및 구속 챔버(100)로 흐를 수 있다. 미러 플러그(440)를 통한 플라즈마 전달의 효율은 건(350)과 플러그(440) 사이의 거리의 감소에 따라 증가하고 플러그(440)를 보다 넓게 그리고 보다 짧게 하는 것에 의해 증가한다. 타당한 조건 하에서, 건(350)은, 각각 약 150 내지 300 eV 및 약 40 내지 50 eV의 높은 이온 및 전자 온도를 갖는 2 내지 4 T 미러 플러그(440)를 통해 초당 대략 10²²개의 양성자를 각각 전달할 수 있다. 건(350)은 FRC 에지 층(456)의 상당한 재보급(refueling), 및 개선된 전체적인 FRC 입자 구속을 제공한다.

플라즈마 밀도를 추가로 증가시키기 위하여, 추가의 가스를 건(350)으로부터 플라즈마 스트림으로 퍼핑(puff)하는 데 가스 박스가 활용될 수 있다. 이 기법은 주입된 플라즈마 밀도의 몇 배 증가를 허용한다. FRC 시스템(10)에서, 미러 플러그(440)의 다이버터(300) 측에 설치된 가스 박스는 FRC 에지 층(456)의 재보급, FRC 플라즈마(450)의 형성, 및 플라즈마 라인 타잉(line-tying)을 개선시킨다.

앞서 논의된 모든 조정 파라미터가 주어지면 그리고 단지 하나의 또는 양쪽 건과의 동작이 가능한 것을 또한 고려하면, 광범위한 동작 모드가 액세스가능하다는 것은 즉각 명백하다.

바이어싱 전극

개방 플럭스 표면의 전기적 바이어싱은 속도 전단을 통해 실제 FRC 코어(450)뿐만 아니라 개방 필드 라인 플라즈마의 회전을 제어하기 위해 손잡이를 돌리는 것과 유사한 제어 메커니즘을 제공하는 방위각 E×B 모션을 발생시키는 반경 방향 전위를 제공할 수 있다. 이러한 제어를 달성하기 위하여, FRC 시스템(10)은 기계의 다양한 부분에 전략적으로 배치된 다양한 전극을 이용한다. 도 3은 FRC 시스템(10) 내의 예시적인 위치에 위치된 바이어싱 전극을 묘사하고 있다.

원칙적으로, 4가지 부류의 전극이 있다: (1) 국소적 대전(local charging)을 제공하기 위해 FRC 플라즈마(450)의 에지에서 특정 개방 필드 라인(452)과 접촉하는 구속 챔버(100) 내의 포인트 전극(905), (2) 방위각 대칭(azimuthally symmetric) 방식으로 원위-에지 플럭스 층(far-edge flux layers)(456)을 대전시키기 위한 구속 챔버(100)와 형성 섹션(200) 사이의 환형 전극(900), (3) 다수의 동심 플럭스 층(455)을 대전시키기(charge) 위한 다이버터(300) (및 도 3f에 도시된 대안적인 구성의 다이버터(302))에서의 동심 전극(910)의 스택(여기서, 층의 선택은 적절한 전극(910) 상에서 원하는 플럭스 층(456)을 종단시키도록 다이버터 자기 필드를 조정하기 위해 코일(416)을 조정하는 것에 의해 제어가능함), 및 마지막으로 (4) (FRC 플라즈마(450)의 세파라트릭스 근방에서 내측 개방 플럭스 표면(455)을 차단시키는) 플라즈마 건(350) 자체의 애노드(920)(도 10 참조). 도 10 및 도 11은 이들 중 일부에 대한 일부 전형적인 설계를 도시하고 있다.

모든 경우에서, 이러한 전극은 최대 약 800 V의 전압에서 펄스 또는 dc 전원에 의해 구동된다. 전극 크기 및 어떤 플럭스 표면이 교차되는지에 따라, 전류는 킬로 암페어 범위에서 인출될 수 있다.

FFRC 시스템의 비-지속 동작 - 종래의 레짐

FRC 시스템(10) 상에서의 표준 플라즈마 형성은 잘 발달된 역전된 필드-세타-핀치 기법을 따른다. FRC를 기동시키기 위한 전형적인 프로세스는 준-dc 코일(412, 414, 416, 420, 432, 434 및 436)을 정상 상태 동작으로 구동하는 것에 의해 시작한다. 펄스 전력 형성 시스템(210)의 RFTP 펄스 전력 회로는 이어서 형성 섹션(200)에 약 -0.05 T의 일시적인 역전된 바이어스를 생성하기 위해 펄스 고속 역전된 자기 필드 코일(232)을 구동한다. 이 시점에서, 9 내지 20 psi의 미리 결정된 양의 중성 가스가 형성 섹션(200)의 외측 단부 상에 위치된 플랜지에 있는 방위각 배향된 퍼프 베일(azimuthally-oriented puff-vales)의 세트를 통해 (북쪽 및 남쪽) 형성 섹션(200)의 석영 튜브 챔버(240)에 의해 정의된 2개의 형성 볼륨 내로 주입된다. 다음으로, 중성 가스 칼럼 내에 국소 시드 이온화 영역(local seed ionization regions)의 형태로 사전 이온화(pre-ionization)를 생성하기 위해 작은 RF (~ 수백 킬로헤르쯔) 필드가 석영 튜브(240)의 표면 상의 안테나의 세트로부터 생성된다. 이것에 뒤이어서 펄스 고속 역전된 자기 필드 코일(232)을 구동하는 전류에 세타-링잉 변조(theta-ringing modulation)를 적용하며, 이는 가스 칼럼의 보다 전역적인 사전 이온화를 가져온다. 마지막으로, 펄스 전력 형성 시스템(210)의 주 펄스 전력 뱅크는 최대 0.4 T의 순방향 바이어싱된 필드를 생성하도록 펄스 고속 역전된 자기 필드 코일(232)을 구동하기 위해 점호된다(fired). 이 단계는 순방향 바이어싱된 필드가 형성 튜브(240)의 길이 전체에 걸쳐 균일하게 생성되도록(정적 형성) 또는 연속적 연동 필드 변조가 형성 튜브(240)의 축을 따라 달성되도록(동적 형성) 시간 시퀀싱될(time-sequenced) 수 있다.

이러한 형성 프로세스 전체에서, 플라즈마에서의 실제 필드 역전은, 약 5 μs 내에, 신속하게 발생한다. 형성 중인 플라즈마로 전달되는 다중-기가와트 펄스 전력은 고온 FRC를 즉각 생성하고 고온 FRC는 이어서 순방향 자기 필드의 시간-시퀀싱된 변조(자기 연동) 또는 형성 튜브(210)의 축방향 외측 단부 근방에 있는 코일 세트(232)의 마지막 코일에서의 일시적으로 증가된 전류(구속 챔버(100)를 향해 축방향으로 향하는 축방향 자기 필드 구배를 형성하는 것) 중 어느 하나의 적용을 통해 형성 섹션(200)으로부터 방출된다. 그렇게 형성되고 가속된 2개의 (북쪽 및 남쪽) 형성 FRC는 보다 대직경 구속 챔버(100) 내로 팽창하고, 여기서 반경방향 팽창을 제어하고 평형 외부 자기 플럭스를 제공하기 위해, 준-dc 코일(412)은 순방향 바이어싱된 필드를 생성한다.

북쪽 및 남쪽 형성 FRC가 구속 챔버(100)의 중간 평면 근방에 일단 도달하면, FRC는 충돌한다. 충돌 동안 북쪽 및 남쪽 형성 FRC의 축방향 운동 에너지는 FRC가 궁극적으로 단일 FRC 플라즈마(450)로 병합됨에 따라 대체로 열중성자화된다(thermalized). FRC 플라즈마(450)의 평형을 연구하기 위해 플라즈마 진단(plasma diagnostics)의 큰 세트가 구속 챔버(100)에서 이용가능하다. FRC 시스템(10)에서의 전형적인 동작 조건은 약 0.4 m의 세파라트릭스 반경 및 약 3 m 축방향 익스텐드(axial extend)를 갖는 복합 FRC를 생성한다. 추가의 특성은 약 0.1 T의 외부 자기 필드, 약 5Х10¹⁹ m^-3의 플라즈마 밀도 및 최대 1 keV의 전체 플라즈마 온도이다. 임의의 지속성 없이, 즉, 중성 빔 주입 또는 다른 보조 수단을 통한 가열 및/또는 전류 구동 없이, 이러한 FRC의 수명은 고유 특성 구성 감쇠 시간인, 약 1 ms로 제한된다.

비지속 동작의 실험 데이터 - 종래의 레짐

도 12는 FRC 플라즈마(450)의 세타-핀치 병합 프로세스의 다이내믹스를 예시하기 위해 세파라트릭스 반경 r_s를 근사화하는 배제된 플럭스 반경 r_ΔΦ의 전형적인 시간 전개를 도시하고 있다. 2개의 (북쪽 및 남쪽) 개별 플라즈모이드가 동시에 생성되고 이어서 각자의 형성 섹션(200)로부터 초음속 v_Z ~ 250 km/s로 가속되어, z = 0에 있는 중간 평면 근방에서 충돌한다. 충돌 동안 플라즈모이드는 축방향으로 압축되고, 뒤이어서 신속한 반경방향 및 축방향 팽창이 있고, 종국적으로 병합되어 FRC 플라즈마(450)를 형성한다. 병합 중인 FRC 플라즈마(450)의 반경방향 및 축방향 다이내믹스 둘 다는 상술된 밀도 프로파일 측정 및 볼로미터 기반 단층 촬영(bolometer-based tomography)에 의해 입증된다.

FRC 시스템(10)의 대표적인 비-지속 방출로부터의 데이터가 시간의 함수로서 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시되어 있다. FRC는 t = 0에서 개시된다. 기계의 축방향 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경은 도 13a에 도시되어 있다. 이 데이터는 축방향 자기 필드를 측정하는, 구속 챔버의 스테인리스 스틸 벽 바로 내부에 위치된, 자기 프로브의 어레이로부터 획득된다. 스틸 벽은 이 방출의 시간 스케일에서 양호한 플럭스 보존기이다.

z = 0에 위치된 6-코드 CO₂/He-Ne 간섭계로부터의 선 적분된 밀도가 도 13b에 도시되어 있다. 볼로메트릭 단층 촬영에 의해 측정되는 바와 같은, 수직(y) FRC 변위를 고려하면, 아벨 반전(Abel inversion)은 도 13c의 밀도 윤곽을 산출한다. 처음 0.1 ms 동안 일부 축방향 및 반경방향 슬로싱(sloshing) 이후에, FRC는 중공 밀도 프로파일로 안정된다. 이 프로파일은, 전형적인 2-D FRC 평형에 의해 요구되는 바와 같이, 축 상에서 상당한 밀도를 가지면서 꽤 편평하다.

압력 밸런스로부터 도출되고 톰슨 산란 및 분광 측정(Thomson scattering and spectroscopy measurements)과 완전히 부합하는 전체 플라즈마 온도가 도 13d에 도시되어 있다.

배제된 플럭스 어레이 전체로부터의 분석은 (배제된 플럭스 축방향 프로파일에 의해 근사화되는) FRC 세파라트릭스의 형상이 레이스트랙(racetrack)으로부터 타원형으로 점진적으로 전개되는 것을 나타낸다. 도 14에 도시된 이러한 전개는, 2개의 FRC로부터 단일 FRC로의 점진적인 자기 재접속과 부합한다. 실제로, 대략적인 추정은 이 특정의 순간에 2개의 초기 FRC 자성 플럭스의 약 10%가 충돌 동안 재접속된다는 것을 암시한다.

FRC 길이는 FRC 수명 동안 3 m로부터 약 1 m에 이르기까지 꾸준히 축소된다. 도 14에서 볼 수 있는, 이러한 축소는 대체로 대류 에너지 손실이 FRC 구속을 좌우한다는 것을 암시한다. 세파라트릭스 내부의 플라즈마 압력이 외부 자기 압력보다 더 빠르게 감소함에 따라, 단부 영역에서의 자기 필드 라인 장력(magnetic field line tension)은 FRC를 축방향으로 압축하여, 축방향 및 반경방향 평형을 회복시킨다. 도 13 및 도 14에서 논의된 방출에 대해, FRC 자기 플럭스, 입자 인벤토리, 및 열 에너지(각각, 약 10 mWb, 7Х10¹⁹개의 입자, 및 7 kJ)는, FRC 평형이 침강(subside)하는 것으로 보일 때, 처음 밀리초에서 대략 한 자릿수만큼 감소한다.

지속 동작 - HPF 레짐

도 12 내지 도 14에서의 예시는 임의의 지속성 없이 FRC를 감쇠시키는 것을 특성으로 한다. 그러나, HPF 레짐에 대한 FRC 구속(내측 코어 및 에지 층)을 추가로 개선하고 구성을 지속시키기 위해 FRC 시스템(10) 상에서 몇몇 기법이 배치된다.

중성 빔

먼저, 고속(H) 중성체(neutrals)가 8개의 중성 빔 주입기(600)로부터 빔에서의 B_z에 수직으로 주입된다. 고속 중성체의 빔은 북쪽 및 남쪽 형성 FRC가 구속 챔버(100)에서 하나의 FRC 플라즈마(450)로 병합되는 순간부터 주입된다. 주로 전하 교환에 의해 생성되는 고속 이온은 FRC 플라즈마(450)의 방위각 전류를 증가시키는 (FRC 토폴로지의 스케일의 또는 적어도 특성 자기 필드 구배 길이 스케일보다 훨씬 더 큰 1차 반경을 갖는) 베타트론(betatron) 궤도를 갖는다. 일정 비율(fraction)의 방출 이후에(샷(shot)으로 0.5 내지 0.8 ms 이후에), 충분히 큰 고속 이온 집단은 내측 FRC의 안정성 및 구속 속성을 상당히 개선시킨다(예컨대, M. W. Binderbauer and N. Rostoker, Plasma Phys. 56, part 3, 451 (1996) 참조). 게다가, 지속성 관점에서, 중성 빔 주입기(600)로부터 빔은 또한, 전류를 구동하고 FRC 플라즈마를 가열하기 위한 1차 수단이다.

FRC 시스템(10)의 플라즈마 레짐에서, 고속 이온은 주로 플라즈마 전자들에서 감속된다. 방출의 초기 부분 동안, 주로 전자인, 고속 이온의 전형적인 궤도-평균화된 감속 시간은 0.3 내지 0.5 ms이고, 이는 상당한 FRC 가열을 초래한다. 고속 이온은 세파라트릭스 외부에서 큰 반경방향 이탈(excursion)을 하는데, 그 이유는 내부 FRC 자기 필드가 내재적으로(inherently) 낮기(0.1 T 외부 축방향 필드에 대해 평균적으로 약 0.03 T) 때문이다. 중성 가스 밀도가 세파라트릭스 외부에서 너무 높은 경우, 고속 이온은 전하 교환 손실에 취약할 것이다. 따라서, FRC 시스템(10) 상에 배치되는 (다른 것 중에서도, 가스 제어에 기여하는 플라즈마 건(350) 및 미러 플러그(440)와 같은) 벽 게터링 및 다른 기법은 에지 중성체를 최소화하고 고속 이온 전류의 요구된 축적(build-up)을 가능하게 하는 경향이 있다.

펠릿 주입

보다 높은 전자 온도 및 보다 긴 FRC 수명을 갖는, 상당한 고속 이온 집단이 FRC 플라즈마(450) 내에 축적될 때, FRC 플라즈마(450)의 FRC 입자 인벤토리를 지속하기 위해 냉동된 H 또는 D 펠릿이 펠릿 주입기(700)로부터 FRC 플라즈마(450) 내로 주입된다. 예상된 어블레이션 시간스케일은 상당한 FRC 입자 소스를 제공하기에는 충분히 짧다. 이 레이트는, 구속 챔버(100)에의 진입 바로 전에 주입 튜브의 마지막 세그먼트의 굽힘 반경(bend radius)을 타이트하게 하는 것(tightening)에 의해 주입 튜브의 벽과 펠릿 사이에 마찰력을 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있는 단계인, 펠릿 주입기(700)의 배럴 또는 주입 튜브에 있는 동안 그리고 구속 챔버(100)에 진입하기 전에 개별 펠릿을 보다 작은 단편들로 파쇄하는 것에 의해 주입된 조각의 표면적을 확대하는 것에 의해 또한 증가될 수 있다. 단편화뿐만 아니라 12개의 배럴(주입 튜브) 점호 시퀀스 및 레이트를 변화시키는 것에 의해, 원하는 레벨의 입자 인벤토리 지속성만을 제공하도록 펠릿 주입 시스템(700)을 튜닝하는 것이 가능하다. 차례로, 이것은 FRC 플라즈마(450)에서의 내부 운동 압력과 FRC 플라즈마(450)의 지속 동작 및 수명을 유지하는 것을 돕는다.

어블레이트된 원자가 FRC 플라즈마(450)에서 상당한 플라즈마와 일단 마주치면, 이 원자는 완전히 이온화된다. 결과적인 저온 플라즈마 컴포넌트는 이어서 고유 FRC 플라즈마에 의해 충돌 가열된다(collisionally heated). 원하는 FRC 온도를 유지하는 데 필요한 에너지는 궁극적으로 빔 주입기(600)에 의해 공급된다. 이러한 의미에서, 펠릿 주입기(700)는 중성 빔 주입기(600)와 함께 정상 상태를 유지하고 FRC 플라즈마(450)를 지속시키는 시스템을 형성한다.

CT 주입기

펠릿 주입기의 대안으로서, 주로 필드 역전된 구성(FRC들) 플라즈마를 보급하기 위한, 콤팩트 토로이드(CT) 주입기가 제공된다. CT 주입기(720)는 도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이, 동축 원통형 내측 및 외측 전극(722 및 724), 내측 전극(726) 내부에 위치된 바이어스 코일 및 CT 주입기(720)의 방출부(discharge)와 대향하는 단부 상의 전기 브레이크(electrical break)(728)를 포함하는, MCPG(magnetized coaxial plasma-gun)를 포함한다. 가스는 가스 주입 포트(730)를 통해 내측 및 외측 전극(722 및 724) 사이의 공간 내로 주입되고, 스페로막형 플라즈마(Spheromak-like plasma)는 방출에 의해 그로부터 생성되고 로렌츠 힘에 의해 건으로부터 밀려 나간다. 도 23a 및 도 23b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 CT 주입기(720)는 CT를 구속 베셀(100) 내의 중앙 FRC 플라즈마 내로 주입하기 위해 베셀(100)의 중간 평면의 대향 측면들 근방에서 그리고 이들 상에서 구속 베셀(100)에 결합된다. CT 주입기(720)의 방출 단부는 중성 빔 주입기(615)와 유사하게 구속 베셀(100)의 길이방향 축에 대해 일정 각도로 구속 베셀(100)의 중간 평면을 향해 지향된다.

대안적인 실시예에서, CT 주입기(720)는, 도 24a 및 도 24b에 도시된 바와 같이, CT 주입기(720)의 방출 단부에 결합된 세장 원통형 튜브(elongate cylindrical tube)를 포함하는 드리프트 튜브(740)를 포함한다. 묘사된 바와 같이, 드리프트 튜브(740)는 튜브를 중심으로 배치되고 튜브를 따라 축방향으로 이격된 드리프트 튜브 코일(742)을 포함한다. 복수의 진단 포트(744)가 튜브의 길이를 따라 묘사되어 있다.

CT 주입기(720)의 이점은: (1) 주입된 CT당 입자 인벤토리의 제어 및 조정성(adjustability); (2) (극저온 펠릿 대신에) 따뜻한 플라즈마(warm plasma)가 퇴적됨; (3) 시스템은 연속 보급을 허용하기 위해 반복-레이트 모드(rep-rate mode)로 동작될 수 있음; (4) 주입된 CT가 내장된 자기 필드를 전달할 때 시스템은 또한 약간의 자기 플럭스를 복원할 수 있음이다. 실험 용도를 위한 실시예에서, 외측 전극의 내측 직경은 83.1 mm이고, 내측 전극의 외측 직경은 54.0 mm이다. 내측 전극(722)의 표면은 전극(722)으로부터 나오는 불순물을 감소시키기 위해 바람직하게는 텅스텐으로 코팅된다. 묘사된 바와 같이, 바이어스 코일(726)은 내측 전극(722)의 내부에 장착된다.

최근의 실험에서 최대 ~100 km/s의 초음속 CT 변환 속도가 달성되었다. 다른 전형적인 플라즈마 파라미터는 다음과 같다: 전자 밀도 ~5×10²¹ m^-3, 전자 온도 ~30 내지 50 eV, 및 입자 인벤토리 ~0.5-1.0×10¹⁹. CT의 높은 운동 압력은 주입된 플라즈마가 FRC 내로 깊게 침투하여 세파라트릭스막 내부에 입자를 퇴적시키는 것을 허용한다. 최근의 실험에서 FRC 입자 보급은 FRC 입자 인벤토리의 ~10 내지 20%가 CT 주입기에 의해 제공되는 것을 초래하였으며, 이는 FRC 플라즈마를 방해하지 않고 보급이 쉽게 수행될 수 있음을 성공적으로 보여준다.

새들 코일

정상 상태 전류 구동을 달성하고 요구된 이온 전류를 유지하기 위해, (충돌 이온 전자 모멘텀 전달에 기인하는) 전자-이온 마찰력으로 인해 전자 스핀업(spin up)을 방지하거나 상당히 감소시키는 것이 바람직하다. FRC 시스템(10)은 외부에서 인가되는 정적 자기 쌍극자 또는 사중극자 필드를 통해 전자 브레이킹(electron breaking)을 제공하기 위해 혁신적인 기법을 활용한다. 이것은 도 15에 묘사된 외부 새들 코일(460)을 통해 달성된다. 새들 코일(460)로부터의 횡방향 인가된 반경방향 자기 필드는 회전하는 FRC 플라즈마에 축방향 전기 필드를 유도한다. 결과적인 축방향 전자 전류는 반경방향 자기 필드와 상호작용하여 전자에 대한 방위각 브레이킹 힘, F_θ=-σV_eθ|B_r|²를 생성한다. FRC 시스템(10)에서의 전형적인 조건에 대해, 플라즈마 내부에서의 요구된 인가된 자기 쌍극자(또는 사중극자) 필드는 적절한 전자 브레이킹을 제공하는 데 0.001 T 정도만 필요하다. 약 .015 T의 대응하는 외부 필드는 상당한 고속 입자 손실을 야기하지 않거나 구속에 다른 방식으로 부정적으로 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작다. 사실, 인가되는 자기 쌍극자(또는 사중극자) 필드는 불안정성을 억제하는 데 기여한다. 접선방향 중성 빔 주입 및 축방향 플라즈마 주입과 조합하여, 새들 코일(460)은 전류 유지 및 안정성에 관해 추가의 레벨의 제어를 제공한다.

미러 플러그

미러 플러그(440) 내의 펄스 코일(444)의 설계는 적당한 (약 100 kJ) 용량성 에너지를 갖는 고 자기 필드(2 내지 4 T)의 국소적 생성을 허용한다. FRC 시스템(10)의 본 동작을 대표하는 자기 필드의 형성을 위해, 형성 볼륨 내 모든 필드 라인은, 도 2에서 자기 필드 라인에 의해 암시된 바와 같이, 미러 플러그(440)에서 수축부(442)를 통과하고 플라즈마 벽 접촉은 발생하지 않는다. 게다가, 준-dc 다이버터 자석(416)과 나란히(in tandem) 있는 미러 플러그(440)는 필드 라인을 다이버터 전극(910) 상으로 안내하거나, 단부 커스프 구성(end cusp configuration)(도시되지 않음)으로 필드 라인을 플래어(flare)하도록 조정될 수 있다. 후자는 안정성을 개선시키고 평행 전자 열 전도를 억제한다.

미러 플러그(440)는 자체적으로 중성 가스 제어에 또한 기여한다. 다이버터(300) 내로의 가스 역-스트리밍이 플러그의 작은 가스 컨덕턴스(불충분한 500 L/s)에 의해 상당히 감소되기 때문에, 미러 플러그(440)는 FRC 형성 동안 석영 튜브 내로 퍼핑된 중수소 가스의 보다 나은 활용을 허용한다. 형성 튜브(210) 내부의 잔류 퍼핑된 가스의 대부분은 신속히 이온화된다. 이에 더해, 미러 플러그(440)를 통해 흐르는 고밀도 플라즈마는 효율적인 중성 이온화에 따른 효과적인 가스 장벽을 제공한다. 그 결과, FRC 에지 층(456)으로부터 다이버터(300)에서 재순환되는 중성체의 대부분은 구속 챔버(100)로 복귀하지 않는다. 이에 더해, (이하에서 논의되는 바와 같은) 플라즈마 건(350)의 동작과 연관된 중성체는 대체로 다이버터(300)로 구속될 것이다.

마지막으로, 미러 플러그(440)는 FRC 에지 층 구속을 개선시키는 경향이 있다. 미러 비율(플러그/구속 자기 필드)이 20 내지 40의 범위에 있고, 북쪽 및 남쪽 미러 플러그(440) 사이의 길이가 15 m인 경우, 에지 층 입자 구속 시간 t_∥는 최대 한 자릿수만큼 증가한다. τ_∥를 개선하는 것은 FRC 입자 구속을 쉽게 증가시킨다.

에지 층(456)으로부터 축방향 손실(τ_∥)에 의해 밸런싱된 세파라트릭스 볼륨(453)으로부터 반경방향 확산성(D) 입자 손실을 가정하면, (2πr_sL_s)(Dn_s/δ) = (2πr_sL_sδ)(n_s/τ_∥)을 획득하고, 이로부터 세파라트릭스 밀도 구배 길이는 δ = (Dτ_∥)^1/2로 다시 쓸 수 있다. 여기서 r_s, L_s 및 n_s는, 각각 세파라트릭스 반경, 세파라트릭스 길이 및 세파라트릭스 밀도이다. FRC 입자 구속 시간은 τ_N = [πr_s ²L_s<n>]/[(2πr_sL_s)(Dn_s/δ)] = (<n>/n_s)(τ_⊥τ_∥)^1/2이며, 여기서 τ_⊥ = a²/D, a=r_s/4이다. 물리적으로, τ_∥를 개선시키는 것은 증가된 δ(감소된 세파라트릭스 밀도 구배 및 드리프트 파라미터), 및 이에 따른 감소된 FRC 입자 손실을 가져온다. FRC 입자 구속에서의 전체적인 개선은 일반적으로 얼마간 2차(quadratic) 미만인데 그 이유는 n_s가 τ_∥에 따라 증가하기 때문이다.

τ_∥에서의 상당한 개선은 에지 층(456)이 대단히 안정적으로 유지될 것(즉, n = 1 플루트(flute), 파이어 호스(firehose), 또는 개방 시스템을 대표하는 다른 MHD 불안정성 없음)을 또한 요구한다. 플라즈마 건(350)의 사용은 이러한 바람직한 에지 안정성을 제공한다. 이러한 의미에서, 미러 플러그(440) 및 플라즈마 건(350)은 효과적인 에지 제어 시스템을 형성한다.

플라즈마 건

플라즈마 건(350)은 라인 타잉에 의해 FRC 배기 제트(454)의 안정성을 개선시킨다. 플라즈마 건(350)으로부터의 건 플라즈마는 방위각의 각운동량 없이 생성되고, 이는 FRC 회전 불안정성을 제어하는 데 유용한 것으로 밝혀졌다. 그와 같이, 건(350)은 이전의(older) 사중극자 안정화 기법을 필요로 하지 않고 FRC 안정성을 제어하기 위한 효과적인 수단이다. 그 결과, 플라즈마 건(350)은 고속 입자의 유익한 효과를 이용하거나 본 개시에 요약 서술된 바와 같은 진보된 하이브리드 운동 FRC 레짐에 액세스하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 플라즈마 건(350)은 FRC 시스템(10)이 FRC 불안정성을 야기하고 그리고/또는 극적인 고속 입자 확산을 가져올 임계치 미만이지만 전자 브레이킹에만 적절한 새들 코일 전류로 동작될 수 있게 한다.

위의 미러 플러그 논의에서 언급된 바와 같이, τ_∥이 상당히 개선될 수 있는 경우, 공급되는 건 플라즈마는 에지 층 입자 손실률(~10²²/s)과 비슷할 수 있다. FRC 시스템(10)에서의 건 생성 플라즈마(gun-produced plasma)의 수명은 밀리초 범위에 있다. 실제로, 단부 미러 플러그들(440) 사이에 구속된, n_e ~ 10¹³ cm^-3의 밀도 및 약 200 eV의 이온 온도를 갖는 건 플라즈마를 고려해보자. 트랩 길이(trap length) L 및 미러 비율 R은, 각각 약 15 m 및 20이다. 쿨롱 충돌로 인한 이온 평균 자유 경로는 λ_ii ~ 6×10³ cm이고, λ_iilnR/R < L이기 때문에, 이온은 가스-동적 레짐(gas-dynamic regime)에 구속된다. 이 레짐에서의 플라즈마 구속 시간은 τ_gd ~ RL/2V_s ~ 2 ms이고, 여기서 V_s는 이온 음속(ion sound speed)이다. 비교를 위해, 이러한 플라즈마 파라미터에 대한 고전적인 이온 구속 시간은 τ_c ~ 0.5τ_ii(lnR + (lnR)^0.5) ~ 0.7 ms일 것이다. 변칙적인 횡방향 확산은, 원칙적으로, 플라즈마 구속 시간을 단축시킬 수 있다. 그렇지만, FRC 시스템(10)에서, Bohm 확산 레이트(diffusion rate)를 가정하는 경우, 건 플라즈마에 대해 추정된 횡방향 구속 시간은 τ_⊥ > τ_gd ~ 2 ms이다. 그러므로, 건은 FRC 에지 층(456)의 상당한 재보급, 및 개선된 전체적인 FRC 입자 구속을 제공할 것이다.

게다가, 건 플라즈마 스트림은 약 150 내지 200 마이크로초 내에 턴온될 수 있고, 이는 FRC 기동, 병진이동, 및 구속 챔버(100) 내로의 병합에서의 사용을 허용한다. 약 t ~ 0(FRC 주 뱅크 개시)에서 턴온되는 경우, 건 플라즈마는 이 동적으로 형성되어 병합된 FRC 플라즈마(450)를 지속시키는 데 도움을 준다. 형성 FRC로부터의 그리고 건으로부터 조합된 입자 인벤토리는 중성 빔 포집, 플라즈마 가열, 및 긴 지속성에 적절하다. -1 내지 0 ms 범위의 t에서 턴온되는 경우, 건 플라즈마는 석영 튜브(210)를 플라즈마로 충전하거나 석영 튜브 내에 퍼핑된 가스를 이온화시킬 수 있으며, 이에 따라 감소된 또는 심지어 아마도 제로인 퍼핑된 가스에 의한 FRC 형성을 허용할 수 있다. 후자는 역전된 바이어스 자기 필드의 고속 확산을 허용하기에 충분히 저온인 형성 플라즈마를 요구할 수 있다. t < -2 ms에서 턴온되는 경우, 플라즈마 스트림은 형성 섹션(200) 및 구속 챔버(100)의 형성 및 구속 영역의 약 1 내지 3 m³ 필드 라인 볼륨을, FRC 도달 이전에 중성 빔 축적을 허용하기에 충분한, 몇 10¹³ cm^-3의 타겟 플라즈마 밀도로 충전할 수 있다. 형성 FRC는 이어서 형성되고 결과적인 구속 베셀 플라즈마로 병진이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 플라즈마 건(350)은 매우 다양한 동작 조건 및 파라미터 레짐을 가능하게 한다.

전기적 바이어싱

에지 층(456)에서의 반경방향 전기 필드 프로파일의 제어는 다양한 방식으로 FRC 안정성 및 구속에 유리하다. FRC 시스템(10)에 배치된 혁신적인 바이어싱 컴포넌트에 의해, 구속 챔버(100)에서의 중앙 구속 영역으로부터 충분히 벗어난 구역으로부터 기계 전체에 걸친 개방 플럭스 표면의 그룹에 전위(electric potentials)의 다양한 고의적 분포를 적용하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 반경방향 전기 필드가 FRC 플라즈마(450) 바로 외측의 에지 층(456)에 걸쳐 생성될 수 있다. 이러한 반경방향 전기 필드는 이어서 에지 층(456)의 방위각 회전을 수정하고 E×B 속도 전단을 통해 그의 구속을 초래한다. 에지 층(456)과 FRC 코어(453) 사이의 임의의 차동 회전은 이어서 전단에 의하여 FRC 플라즈마의 내부로 전달될 수 있다. 그 결과, 에지 층(456)을 제어하는 것은 FRC 코어(453)에 직접적으로 영향을 미친다. 게다가, 플라즈마 회전에서의 자유 에너지가 또한 불안정성을 야기할 수 있기 때문에, 이 기법은 불안정성의 유발(onset) 및 성장을 제어하기 위한 직접적인 수단을 제공한다. FRC 시스템(10)에서, 적절한 에지 바이어싱은 개방 필드 라인 수송 및 회전뿐만 아니라 FRC 코어 회전의 효과적인 제어를 제공한다. 다양한 제공된 전극(900, 905, 910 및 920)의 위치 및 형상은 상이한 독립적인 전위에서 상이한 그룹의 플럭스 표면(455)을 제어하는 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 각각이 플라즈마 성능에 대한 상이한 특성 영향을 갖는, 매우 다양한 상이한 전기 필드 구성 및 강도가 실현될 수 있다.

모든 이러한 혁신적인 바이어싱 기법의 주요 이점은, 코어 및 에지 플라즈마 거동이 FRC 플라즈마로부터 충분히 벗어난 곳으로부터 영향을 받을 수 있다는 것, 즉 임의의 물리적 컴포넌트를 (에너지, 플럭스 및 입자 손실에 심각한 영향을 미치게 될) 중앙 고온 플라즈마와 접촉하게 할 필요가 없다는 것이다. 이것은 성능 및 HPF 개념의 모든 잠재적 애플리케이션에 주된 유익한 영향을 가진다.

실험 데이터 - HPF 동작

중성 빔 건(600)으로부터의 빔을 통한 고속 입자의 주입은 HPF 레짐을 가능하게 해주는 데 중요한 역할을 한다. 도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 이러한 사실을 예시하고 있다. FRC 수명이 빔 펄스의 길이와 어떻게 상관되는지를 보여주는 곡선의 세트가 묘사되어 있다. 모든 다른 동작 조건이 이 연구를 포함하는 모든 방출에 대해 일정하게 유지된다. 데이터는 많은 샷에 걸쳐 평균화되고, 따라서 전형적인 거동을 나타낸다. 보다 긴 빔 지속기간이 보다 긴 수명의 FRC를 생성한다는 것이 분명하게 명백하다. 이러한 증거뿐만 아니라 이 연구 동안의 다른 진단을 살펴보면, 빔이 안정성을 증가시키고 손실을 감소시킨다는 것을 보여준다. 빔 포획이 특정 플라즈마 크기 미만에서 비효율적으로 되기 때문에, 빔 펄스 길이와 FRC 수명 사이의 상관은 완전하지 않으며, 즉, FRC 플라즈마(450)가 물리적 크기가 축소될 때, 주입된 빔 전부가 가로채기(intercept)되어 포획되는 것은 아니다. FRC의 축소는 주로 방출 동안 FRC 플라즈마로부터의 순 에너지 손실(방출 전체에 걸쳐 대략 중간에서 ~4 MW)이 특정 실험 설정에 대해 중성 빔(~2.5 MW)을 통해 FRC에 피드되는 총 전력보다 약간 더 크다는 사실로 인한 것이다. 베셀(100)의 중간 평면에 보다 가까운 위치에 빔을 위치시키는 것은 이러한 손실을 감소시키고 FRC 수명을 연장시키는 경향이 있을 것이다.

도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 HPF 레짐을 달성하기 위한 상이한 컴포넌트의 효과를 예시하고 있다. 이는 FRC 플라즈마(450)의 수명을 시간의 함수로서 묘사하는 전형적인 곡선의 패밀리를 도시하고 있다. 모든 경우에서, 일정하고 적절한 양의 빔 전력(약 2.5 MW)이 각각의 방출의 전체 지속기간 동안 주입된다. 각각의 곡선은 컴포넌트의 상이한 조합을 나타낸다. 예를 들어, 임의의 미러 플러그(440), 플라즈마 건(350) 또는 게터링 시스템(800)으로부터 게터링 없이 FRC 시스템(10)을 동작시키는 것은 회전 불안정성의 신속한 유발 및 FRC 토폴로지의 손실을 초래할 수 있다. 미러 플러그(440)만을 추가하는 것은 불안정성의 유발을 지연시키고 구속을 증가시킨다. 미러 플러그(440)와 플라즈마 건(350)의 조합을 활용하는 것은 불안정성을 추가로 감소시키고 FRC 수명을 증가시킨다. 마지막으로, 건(350) 및 플러그(440)의 상부에 게터링(이 경우에 Ti)을 추가하는 것은 최상의 결과들을 산출한다 - 결과적인 FRC는 불안정성이 없고 가장 긴 수명을 나타낸다. 이러한 실험적 시연으로부터 컴포넌트의 모든 조합(full combination)이 최상의 효과를 생성하고 최상의 타겟 조건을 갖는 빔을 제공하는 것은 분명하다.

도 1에 도시된 바와 같이, HPF 레짐은 극적으로 개선된 수송 거동을 나타낸다. 도 1은 종래의 레짐과 HPF 레짐 사이에서 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속 시간의 변화를 예시하고 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이는 HPF 레짐에서 5배 훨씬 초과만큼 개선되었다. 이에 더해, 도 1은 선행기술의 종래의 FRC 실험에서의 입자 구속 시간에 대해 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속 시간을 상술한다. 이러한 다른 기계와 관련하여, FRC 시스템(10)의 HPF 레짐은 5 내지 거의 20배만큼 구속을 개선시켰다. 마지막으로 그리고 가장 중요하게도, HPF 레짐에서의 FRC 시스템(10)의 구속 스케일링의 성질이 모든 선행기술의 측정과는 크게 상이하다. FRC 시스템(10)에서의 HPF 레짐의 확립 이전에, 종래기술의 FRC 실험에서 구속 시간을 예측하기 위해 다양한 경험적 스케일링 법칙이 데이터로부터 유도되었다. 그 스케일링 규칙 전부는 비율 R²/ρ_i에 대체로 의존하며, 여기서 R은 자기 필드 널(magnetic field null)의 반경(기계의 물리적 스케일의 느슨한 척도(loose measure))이고, ρ_i는 외부에서 인가된 필드에서 평가된 이온 라머 반경(인가된 자기 필드의 느슨한 척도)이다. 종래의 FRC에서의 긴 구속이 큰 기계 크기 및/또는 높은 자기 필드에서만 가능한 것이 도 1로부터 분명하다. 종래의 FRC 레짐(CR)에서 FRC 시스템(10)을 동작시키는 것은, 도 1에 표시된 바와 같이, 그 스케일링 규칙을 따르는 경향이 있다. 그러나, HPF 레짐은 매우 우수하고, 큰 기계 크기 또는 높은 자기 필드 없이 훨씬 더 양호한 구속이 달성가능하다는 것을 보여준다. 보다 중요하게도, HPF 레짐이 CR 레짐에 비해 감소된 플라즈마 크기로 개선된 구속 시간을 초래하는 것이 도 1로부터 또한 분명하다. FRC 시스템(10)에서도 3 내지 8배 초과만큼 증가된, 이하에서 설명되는 바와 같은, 플럭스 및 에너지 구속 시간에 대해 유사한 경향이 또한 보인다. 따라서, HPF 레짐의 돌파구(breakthrough)는 적절한 빔 전력, 보다 낮은 자기 필드 및 보다 작은 크기의 사용이 FRC 시스템(10) 및 미래의 보다 고 에너지 기계에서 FRC 평형을 지속하고 유지하는 것을 가능하게 한다. 이러한 개선은 보다 낮은 동작 및 구성 비용뿐만 아니라 감소된 엔지니어링 복잡성과 관련되어 있다.

추가의 비교를 위해, 도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 FRC 시스템(10)에서의 대표적인 HPF 레짐 방출로부터의 데이터를 시간의 함수로서 도시하고 있다. 도 18a는 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경을 묘사하고 있다. 이러한 보다 긴 시간스케일에 대해, 전도성 스틸 벽은 더 이상 그만큼 우수한 플럭스 보존기가 아니며 벽 내부의 자기 프로브는 스틸을 통한 자기 플럭스 확산을 적절히 고려하기 위해 벽 외부의 프로브로 증대된다. 종래의 레짐(CR)에서의 전형적인 성능과 비교하여, 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, HPF 레짐 동작 모드는 400% 초과의 더 긴 수명을 나타낸다.

선 적분된 밀도 트레이스의 대표적인 코드는 도 18b에서는 그의 아벨 반전된 보수(Abel inverted complement)로 도시되고, 도 18c에서는 밀도 윤곽으로 도시되어 있다. 종래의 FRC 레짐(CR)과 비교하여, 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, 플라즈마는 펄스 전체에 걸쳐 보다 정적(quiescent)이고, 매우 안정적인 동작을 나타낸다. 피크 밀도는 또한 HPF 샷에서 약간 더 낮으며 - 이것은 도 18d에 도시된 바와 같이 보다 고온의 전체 플라즈마 온도(최대 2배)의 결과이다.

도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d에 예시된 각자의 방출에 대해, 에너지, 입자 및 플럭스 구속 시간은, 각각, 0.5 ms, 1 ms 및 1 ms이다. 방출로부터의 1 ms의 기준 시간에서, 저장된 플라즈마 에너지는 2 kJ인 반면 손실은 약 4 MW이며, 이는 이 타겟을 중성 빔 지속성에 매우 적합하게 한다.

도 19는 새로 확립된 실험적 HPF 플럭스 구속 스케일링의 형태로 HPF 레짐의 모든 이점을 요약한다. 도 19에서 알 수 있는 바와 같이, t = 0.5 ms 전후, 즉, t ≤ 0.5 ms 및 t > 0.5 ms에서 취해진 측정에 기초하여, 플럭스 구속(및 이와 유사하게, 입자 구속 및 에너지 구속)은 주어진 세파라트릭스 반경(r_s)에 대해 전자 온도(T _e )의 대략 제곱으로 스케일링된다. (네거티브 전력이 아니라) T _e 의 포지티브 전력에 의한 이러한 강한 스케일링은 종래의 토코막(tokomaks)에 의해 나타내어진 것과는 완전히 정반대이고, 여기서 구속은 전자 온도의 일부 전력에 전형적으로 반비례한다. 이러한 스케일링이 나타나는 것은 HPF 상태 및 대궤도(즉, FRC 토폴로지의 스케일 및/또는 적어도 특성 자기 필드 구배 길이 스케일의 궤도) 이온 집단의 직접적인 결과이다. 기본적으로, 이러한 새로운 스케일링은 실질적으로 높은 동작 온도에 유리하고 상대적으로 적당한 크기의 원자로를 가능하게 한다.

HPF 레짐이 나타내는 이점에 따라, 중성 빔에 의해 구동되는 FRC 지속성 또는 정상 상태가 달성가능하고, 이는 플라즈마 열 에너지, 총 입자 수, 플라즈마 반경 및 길이뿐만 아니라 자기 플럭스와 같은 전역 플라즈마 파라미터가 상당한 감쇠 없이 타당한 레벨에서 지속가능하다는 것을 의미한다. 비교를 위해, 도 20은 FRC 시스템(10)에서의 대표적인 HPF 레짐 방출로부터의 플롯 A에서의 데이터를 시간의 함수로서 그리고 FRC 시스템(10)에서의 예상된 대표적인 HPF 레짐 방출에 대한 플롯 B에서의 데이터를 시간의 함수로서 도시하고 있으며, 여기서 FRC 플라즈마(450)는 중성 빔 펄스의 지속기간에 걸쳐 감쇠 없이 지속된다. 플롯 A에 대해, 약 6 ms의 활성 빔 펄스 길이에 대해 약 2.5 내지 2.9 MW의 범위에 있는 총 전력을 갖는 중성 빔이 FRC 플라즈마(450)에 주입되었다. 플롯 A에 묘사된 플라즈마 반자성 수명은 약 5.2 ms였다. 보다 최근의 데이터는 약 7.2 ms의 플라즈마 반자성 수명이 약 7 ms의 활성 빔 펄스 길이로 달성가능하다는 것을 보여준다.

도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d와 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 빔 포획이 특정 플라즈마 크기 미만에서 비효율적으로 되기 때문에, 빔 펄스 길이와 FRC 수명 사이의 상관은 완전하지 않으며, 즉, FRC 플라즈마(450)가 물리적 크기가 축소될 때, 주입된 빔 전부가 가로채기되어 포획되는 것은 아니다. FRC의 축소 또는 감쇠는 주로 방출 동안 FRC 플라즈마로부터의 순 에너지 손실(방출 전체에 걸쳐 대략 중간에서 - 4 MW)이 특정의 실험 설정에 대해 중성 빔(-2.5 MW)을 통해 FRC에 피드되는 총 전력보다 약간 더 크다는 사실로 인한 것이다. 도 3c와 관련하여 언급된 바와 같이, 중성 빔 건(600)로부터 중간 평면을 향한 경사진 빔 주입은, FRC 플라즈마가 주입 기간 동안 축소되거나 다른 방식으로 축방향으로 수축되더라도, 빔-플라즈마 결합을 개선시킨다. 이에 더해, 적절한 펠릿 보급은 필요한 플라즈마 밀도를 유지할 것이다.

플롯 B는 약 6 ms의 활성 빔 펄스 길이 및 중성 빔 건(600)으로부터의 약 10 MM보다 약간 더 큰 총 빔 전력을 사용하여 실행되는 시뮬레이션의 결과이며, 여기서 중성 빔은 약 15 keV의 입자 에너지를 갖는 H(또는 D) 중성체를 주입해야 한다. 빔 각각에 의해 주입되는 등가 전류는 약 110 A이다. 플롯 B에 대해, 디바이스 축에 대한 빔 주입 각도는 약 20°, 타겟 반경 0.19 m였다. 주입 각도는 15° 내지 25° 범위 내에서 변경될 수 있다. 빔은 방위각에서(azimuthally) 평행류 방향(co-current direction)으로 주입되어야 한다. 중성 빔 운동량 주입으로부터의 순 축방향 힘(net axial force)뿐만 아니라 순 측면 힘(net side force)이 최소화될 것이다. 플롯 A에서와 같이, 고속(H) 중성체는 북쪽 및 남쪽 형성 FRC가 구속 챔버(100)에서 하나의 FRC(450)로 병합되는 순간부터 중성 빔 인젝터(600)로부터 주입된다.

시뮬레이션은 플롯 B에 대한 기초가 배경 플라즈마 및 평형에 대한 다차원 홀-MHD 솔버(multi-dimensional hall-MHD solvers), 에너지 빔 컴포넌트 및 모든 산란 프로세스에 대한 완전 운동 Monte-Carlo 기반 솔버(fully kinetic Monte-Carlo based solvers)뿐만 아니라, 상호작용적 손실 프로세스를 모델링하기 위해 모든 플라즈마 화학종에 대한 다수의 결합 수송 식(coupled transport equations)을 사용하는 것이다. 수송 컴포넌트는 경험적으로 캘리브레이션되고 실험 데이터베이스에 대비하여 광범위하게 벤치마킹된다.

플롯 B에 의해 도시된 바와 같이, FRC 플라즈마(450)의 정상 상태 반자성 수명은 빔 펄스의 길이일 것이다. 그러나, 주요 상관 플롯 B가 빔이 턴오프될 때 플라즈마 또는 FRC가 그 때에 감쇠하기 시작하지만 이전에는 그렇지 않다는 것을 보여준다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 감쇠는 빔 보조되지(beam-assisted) 않는 방출에서 관찰되는 것- 아마도 빔 턴 오프 시간보다 1 ms 정도 이상 - 및 단순히 내재적 손실 프로세스에 의해 구동되는 플라즈마의 특성 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 지속성 또는 정상 상태의 달성을 나타내며, 즉, 플라즈마 반경, 플라즈마 밀도, 플라즈마 온도뿐만 아니라 자기 플럭스와 같은 전역 플라즈마 파라미터는 NB 펄스 지속기간과 상관된 감쇠 없이 일정한 레벨에서 지속가능하다. 예를 들어, 그러한 플라즈마 파라미터는 본질적으로 ~5+ ms 동안 일정하게 유지된다. 지속성 피처를 포함한, 그러한 플라즈마 성능은 NB 펄스 지속기간과 강한 상관을 가지며, 반자성이 축적된 고속 이온으로 인한 NB 종단으로부터 수 밀리초 이후에도 지속된다. 예시된 바와 같이, 플라즈마 성능은, NB 주입기뿐만 아니라 다른 시스템 컴포넌트와 같은, 많은 필수 시스템(critical systems)의 연관된 전력 공급장치에 저장된 유한한 에너지로부터 발생하는 펄스 길이 제약조건에 의해서만 제한된다.

중성 빔 튜닝 가능한 빔 에너지

도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 8과 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 중성 원자 빔(600)은 가열 및 전류 구동을 제공하는 것뿐만 아니라 고속 입자 압력을 발생시키기 위해 FRC 시스템(10) 상에 배치된다. 중성 원자 빔 주입기 시스템(600)을 포함하는 개별 빔 라인은 중앙 구속 챔버(100) 주위에 위치되고, 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 3f에 도시된 바와 같이, 중성 입자를 구속 챔버(100)의 중간 평면을 향해 주입하기 위해 경사져 있다.

FRC 지속성을 추가로 개선시키고 높은 플라즈마 온도 및 상승된 시스템 에너지로의 FRC 램프 업(ramp-up)을 보여주기 위해, 예시적인 FRC 시스템(10)은 상승된 전력 및 확장된 펄스 길이, 예컨대, 예시적 목적만을 위해, 최대 30 ms 펄스 길이를 갖는 약 20+ MW의 전력의 중성 빔 주입기(NBI) 시스템(600)을 포함한다. NBI 시스템(600)은 보다 낮은 초기 빔 에너지로부터 상승된 빔 에너지로, 예컨대, 일정한 빔 전류에서 약 15 keV로부터 약 40 keV로 샷 동안 빔 에너지를 튜닝하는 능력을 갖는 NBI 주입기(615)의 서브세트, 예컨대, 8개의 NBI 주입기(615) 중 4개를 갖는 유연한 모듈식 설계를 특징으로 하는 복수의 양이온 기반 주입기(615)(도 3d, 도 3e 및 도 3f 참조)를 포함한다. NBI 주입기(615)의 이러한 능력은 플라즈마 코어(450)의 보다 효율적인 가열(heat-up) 및 결과적인 가압을 달성하는 데 바람직하다. 상세하게는, 이 능력은 저 에너지 레벨에 비해 피크 에너지 동작 레벨에서 매우 바람직한 성능 개선을 가능하게 해준다: 예를 들어, (i) 최대 2배 더 높은 가열 능력(heating power);(ii) 5배 가까운 전하 교환 손실; 및 (iii) 최대 2배의 가열 효율. 이에 더해, NBI 주입기(615)에 의해 생성가능한 연속적으로 가변적인 빔 에너지는 램프 업 프로세스 동안 순간적인 자기 압력 프로파일에 비해 주입되고 이어서 포획된 고속 이온의 궤도 파라미터의 최적 매칭을 가능하게 한다. 마지막으로, NBI 주입기(615)의 빔 에너지 및 전력의 빠른(1ms 이하 정도) 튜닝성(tunability)과 함께 0.1 내지 10 ms 램프 업 지속기간을 허용하는 빠른 램프 레이트는 빔 에너지 및 전력의 변조를 통한 플라즈마의 플라즈마 셰이핑 및 능동 피드백 제어를 위한, 추가의 효과적인 "제어 노브", 즉 제어가능한 피처를 제공한다.

지속성뿐만 아니라 높은 플라즈마 온도 및 상승된 시스템 에너지로의 램프 업 둘 다를 위해, FRC 플라즈마(450)의 가열 및 가압을 가능하게 하기 위해 충분한 가열 능력이 필요하다. 충분히 낮은 손실 레이트를 가정하면, 램프 업의 레이트는 대체로 임의의 주어진 때에 NBI 주입기(615)에 의해 FRC 코어(450)에 얼마만큼의 전력이 퇴적될 수 있는지의 함수이다. 따라서, 주입 포트를 통한 보다 높은 주 중성 빔 전력(principal neutral beam power)이 항상 바람직하다.

더욱이, NBI 주입기(615)로 인한 유효 가열 레이트는 주입된 빔의 특성과 모든 화학종의 온도, 전자 및 이온 밀도, 중성체 농도뿐만 아니라 FRC 코어(450)에 걸친 자기 필드의 영속적 순간 프로파일 사이의 복잡한 상호작용(complex interplay)이다. 이들 중에서, 자기 필드 프로파일은 제어 시스템에 의해 램프 업 동안 서브-밀리초(sub-millisecond) 시간스케일로 의도적으로 변경되는 반면, 운동 압력 관련 프로파일은 플라즈마 내에서의 난류 및 자기 조직화 프로세스뿐만 아니라 주입 프로세스에 의해 퇴적된 에너지의 내재적 변화 도함수(intrinsic changes derivative)를 통해 전개된다. 빔의 튜닝성은 이러한 다양한 조건에 가장 최적으로 적응하기 위한 수단을 제공한다.

예를 들어, 전하 교환 단면, 즉 중성 원자를 형성하기 위해 고속 이온에 의한 전자 포획의 확률은 빔 에너지의 강함수(strong function)이다. 15 내지 40 keV의 범위에 대해, 주 전하 교환 레이트(principal charge exchange rate)는 빔 에너지의 함수로서 극적으로 감소한다. 따라서, 임의의 주어진 레벨의 필드에서, 플라즈마에서의 에너지 보유는 그러한 필드 레벨에 적합한 가장 높은 에너지로 입자를 주입할 때 가장 높다(그 중에서도, 이것은 주입된 입자의 에너지가 구속 시스템의 내측 벽 내에 들어맞는 포획 이온 궤도 반경(trapped ion orbit radius)을 초래할 것을 요구한다).

전체 가열 효율에 대한 프로파일 효과의 또 다른 예시는 전력이 퇴적되는 곳과 관련되어야 한다. 보다 높은 빔 에너지는 전형적으로 코어에 비해 FRC 주변부에서의 상대적으로 더 높은 에너지 퇴적을 가져올 것이다. 자기 필드를 상승시키지만 빔 에너지를 동일하게 유지하는 것은 보다 타이트한 포획 이온 궤도 및 그에 상응하여 FRC 코어 플라즈마에 대한 보다 높은 전력 결합을 초래할 것이다. 이러한 사실은 이어서 에너지 보유에도 강한 영향을 미친다 - 예컨대, 주변에 퇴적된 에너지는 개방 필드 라인 구조를 따라 시스템 밖으로 훨씬 더 쉽게 전달되는 반면, 코어에 퇴적된 에너지는 보다 낮은 크로스-필드 수송 시간으로 인해 비교적 보다 느리게 손실된다. 이에 따라, 자기 필드 램핑의 타이트한 코디네이션 및 빔 에너지의 적절한 증가가 바람직하다.

빔 시스템(600)은 0.1 내지 10 ms 범위에서의 전압의 고속 램핑(fast ramping)을 위해 설계된다. 이것은 이온 및 전자 온도를, 각각 2배 및 10배 증가시킬 가능성을 제공하고, 전형적인 거시적 불안정성 성장 시간보다 더 짧은 시간스케일로 그렇게 한다. 따라서, 플라즈마 안정성이, 동작 신뢰성 및 재현성과 같이, 기본적으로 증가한다.

빔이 능동 피드백 시스템의 일부로서 활용될 수 있도록 0.05 내지 1 ms의 가변 전압 상승 시간은 충분히 빠른 응답 시간을 제공한다. 이러한 방식으로, 빔 변조는 매크로 및 마이크로 안정성을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 빔 에너지를 변화시키는 것(그리고 그로써 반경방향 에너지 퇴적 패턴을 시프트시키는 것)에 의해, 반경방향 에너지 퇴적 프로파일을 순간적으로 시프트시킴으로써, 불안정한 플라즈마 모드의 유발을 상쇄시킬 수 있는 압력 구배에 영향을 줄 수 있다. 도 3d 및 도 3e에 도시된 FRC 시스템(10)은 내부 틸팅, 회전 속도, 드리프트 파 발생(drift wave development) 및 다른 동작 시나리오를 제어하기 위해 고속 자기 피드백과 함께 이 능력을 활용한다.

도 25는 예시적인 FRC 시스템(10)의 NBI 주입기(615)의 예시를 묘사하고 있다. NBI 주입기(615)는, 예시적인 실시예에서, 아크 구동기(650); 플라즈마 박스(651); 추출 및 가속 그리드의 3극관 또는 4극관 그루핑(triode or tetrode grouping)을 포함하는, 이온 광학 시스템(652); 조준 짐벌(aiming gimbal)(653); 예컨대, Ti 아크 증발기와 같은 아크 증발기(655), 증가된 크라이오펌핑(cryopumping)을 위해 구성된, 예컨대, 리브형(ribbed) 표면 구조와 같은, 표면 구조를 갖는 크라이오펌프(cryopump)(656), 및 비-중성화된 이온을 제거하기 위한 편향 자석(656)을 포함하는 중성화기(654); 및 간헐적 빔 특성화, 진단 및 재캘리블이션을 위한 삽입가능한 칼로리미터(calorimeter)(659)를 포함하는 콜리메이팅 애퍼처(collimating aperture; 658)를 포함하도록 도시된다.

보다 구체적으로 그리고 도 26을 참조하면, 도시된 바와 같은, 튜닝가능 빔 시스템의 구현은 바람직하게는 3극관 타입 이온 광학 시스템(ion optical system)(= IOS)(660)에 기초한다. 이 아이디어는 가속-감속 스킴이다. 도 26에 예시된 바와 같이, 제1 그리드(G1)는 전압(V1)으로 설정되고, 제2 그리드(G2)는 전압(V2)으로 설정되며, 최종 그리드(G3)는 전압(V3)으로 설정된다. 추출된 이온은 G1과 G2 사이의 갭을 통해 횡단하면서 에너지 E1=e*(V1-V2)로 먼저 가속된다(e는 여기서 이온의 전기 전하를 지칭한다). 이들은 이어서 E2=E1+e*(V2-V3)이도록 G2와 G3 사이의 갭에서 감속된다. 전압은 전형적으로 V1>V2<V3이도록 조정된다. 적절한 개별 전력 공급장치(PS1, PS2, PS3)에 기초하여, 방출된 이온(662)의 출력을 변화시키기 위해 그리드 전압이 펄스 동안 점진적으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 수소 원자의 빔 펄스를 시작하기 위해, 작동 전압은 V1 = 15 kV, V2 = -25 kV 및 V3 = 0 V로 조정될 수 있다. 초기 빔 이온은 이어서 40 keV로 먼저 가속되고 이어서 15 keV의 에너지를 갖고 IOS로부터 나올 것이다. 펄스에서 나중에, 전력 공급장치는 V1 = 40 kV, V2 = -1 kV, V3 = 0 V를 제공하도록 스위칭될 수 있다. 제2 갭에서의 빔 감속은 이어서 실제로 부재할 것이며, 대략 40 keV의 출력 빔 에너지를 산출한다. 전력 공급장치 각각은 개별적으로 제어가능하고 적절한 전압 변조를 제공한다. 초기 빔 이온은 다수의 표준 아크 또는 RF 기반 플라즈마 소스(PS)로부터 도출된다. IOS(660)로부터 나온 후에, 빔 이온(662)은 중성화기(664)를 횡단하며 여기서 중성화기(664)에 존재하는 저온 중성 가스로부터의 전자의 전하 교환을 통해 고속 이온이 중성 이온으로 변환된다. 적절한 크라이오펌핑은 중성화기(664)의 하류 오리피스로부터의 중성 가스 블리딩(neutral gas bleeding)을 방지한다. 중성화기의 단부에는 고속 이온 및 이들의 에너지를 흡수하기 위해 비-중성화된 고속 이온(663) 및 연관된 이온 덤프(668)의 제거를 제공하는 적절한 벤딩 자석(bending magnet)(666)이 또한 있다. 나오는 원자 빔(670)은 이어서 빔 발산을 감소시키고 중성 원자의 잘 콜리메이트된 스트림을 원자로의 코어를 향해 제공하기 위해 적절한 애퍼처(672)를 통과한다.

대안적인 버전에서, IOS는 4극관 설계에 기초한다. 이 경우에, IOS는 3극관 경우에 대해 설명된 바와 같은 동일한 가속-감속 원리를 가지는 4개의 그리드로 구성된다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 시스템 컴포넌트와 동작 원리 사이의 유사성을 쉽게 인식할 것이다. 네 번째 그리드의 도입은 추가적인 미세 튜닝 가능성 및 전반적으로 보다 많은 동작 유연성을 제공한다.

본 명세서에서 제공되는 예시적인 실시예는 미국 특허 출원 번호 제11195627호에 설명되어 있으며, 이 출원은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

플라즈마 안정성 및 축방향 위치 제어

FRC 불안정성에 대한 종래의 해결책은 전형적으로 반경 방향에서 불안정한 것을 대가로 축 방향에서의 안정성을 제공하거나, 축방향에서 불안정한 것을 대가로 반경 방향에서의 안정성을 제공하지만, 양쪽 방향에서의 안정성을 동시에 제공하지는 않는다. 제1 순서에 따라, 플라즈마 위치가 횡방향으로 또는 반경방향으로 안정된 평형은, 축방향에서 불안정한 것을 대가로, 축대칭이라는 바람직한 속성을 가진다. 전술한 것을 고려하여, 본 명세서에서 제공된 실시예는 반경 방향 및 축 방향 둘 다에서의 FRC 플라즈마의 안정성 및 FRC 플라즈마의 평형의 축방향 안정성 속성에 무관하게 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭 축을 따른 FRC 플라즈마의 축방향 위치 제어를 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러나, 축방향 위치 불안정성은, FRC 플라즈마 축방향 위치를 제어하는 외부 축대칭 코일의 세트를 사용하여 능동적으로 제어된다. 이 시스템 및 방법은 플라즈마와 동심을 이루는 외부 코일의 세트에 인가된 전압에 작용하고 비선형 제어 기법을 사용함으로써 플라즈마 평형의 안정성 속성과 무관하게 FRC 플라즈마 축방향 위치의 피드백 제어를 제공한다.

본 명세서에 제시된 실시예는, 축방향 안정성을 안정화시키거나 제어하면서, 반경방향 안정성을 시행하기 위해 FRC의 축방향에서 불안정한 평형을 이용한다. 이러한 방식으로, 축 방향 및 반경 방향 둘 다에서의 안정성이 획득될 수 있다. 제어 방법론은 축방향에서 불안정한 것을 대가로 FRC 플라즈마를 반경방향에서 또는 횡방향에서 안정되게 만들기 위해 외부 또는 평형 자기 필드를 변경하고, 이어서 구속 챔버의 중간 평면 주위에서의 오버슈팅(overshooting) 및/또는 진동을 최소화하면서 FRC 플라즈마 위치를 중간 평면을 향해 신속하게 복원하기 위해 반경방향 필드 코일 전류에 따라 동작하도록 설계된다. 이 해결책의 이점은 제어를 위해 요구된 액추에이터의 복잡성을 감소시킨다는 것이다. 다수의 자유도를 갖는 종래의 해결책과 비교하여, 본 명세서에서 제시된 실시예의 방법론은 복잡성을 1 자유도를 가지는 FRC 플라즈마 회전 축을 따른 제어 문제로 감소시킨다.

축방향에서 불안정한 플라즈마를 초래하는 코일 전류에서의 파형, 보급 및 중성 빔 전력의 조합은 플라즈마를 축방향 불안정 상황으로 설정하는 플라즈마 제어 시나리오를 정의한다. 시나리오는 시뮬레이션 또는 실험에 대한 사전 지식을 사용하여 미리 프로그래밍되거나, 축방향으로 불안정한 평형을 유지하도록 피드백 제어될 수 있다. 플라즈마 위치는 방출 동안 평형의 안정성 속성과 무관하게 제어되어야 하며, 예를 들어, 제어 스킴은 축방향으로 안정된 또는 축방향으로 불안정한 플라즈마에 대해, 한계치에 이르기까지, 작동해야 한다. 제어될 수 있는 가장 축방향으로 불안정한 플라즈마는 베셀의 표피 시간(skin time)과 비슷한 성장 시간(growth time)을 가진다.

반경 방향 및 축 방향 둘 다에서의 FRC 플라즈마의 안정성 및 FRC 플라즈마 구속 챔버의 대칭 축을 따른 FRC 플라즈마의 축방향 위치 제어를 용이하게 하는 시스템 및 방법으로 이제 돌아가면, 도 27은 축방향 위치 제어 메커니즘(510)의 예시적인 실시예를 예시하기 위한 단순화된 스킴을 도시하고 있다. 구속 챔버(100) 내에 도시된 회전하는 FRC 플라즈마(520)는 플라즈마 전류(522) 및 축방향 변위 방향(524)을 가진다. 예컨대, 준-dc 코일(412)(도 2, 도 3a, 도 3d 및 도 3e 참조)과 같은 대칭 전류 컴포넌트에 의해 챔버(100) 내에 평형 필드(도시되지 않음)가 생성된다. 평형 필드는 축방향 변위 방향(524)에서 순 힘(net force)을 생성하지 않지만, 횡방향으로/반경방향으로 또는 축방향으로 안정된 플라즈마를 생성하도록 튜닝될 수 있다. 본 명세서에 제시된 실시예의 목적을 위해, 평형 필드는 횡방향으로/반경방향으로 안정된 FRC 플라즈마(520)를 생성하도록 튜닝된다. 앞서 언급된 바와 같이, 이것은 축방향 불안정성 그리고, 이에 따라, 축방향 변위 방향(524)에서 FRC 플라즈마(520)의 축방향 변위를 초래한다. FRC 플라즈마(520)가 축방향으로 이동함에 따라, 이는 반대칭인, 즉 구속 챔버(100)의 중간 평면의 각각의 측면 상의 구속 챔버(100)의 벽에서 반대 방향인 전류(514 및 516)를 유도한다. FRC 플라즈마(520)는 베셀에도 외부 코일에도 이러한 타입의 전류 컴포넌트를 유도할 것이다. 이러한 반대칭 전류 컴포넌트(514 및 516)는 FRC 플라즈마(520)의 이동에 대항하는 힘을 생성하기 위해 토로이달 플라즈마 전류(522)와 상호작용하는 반경방향 필드를 생성하며, 이 힘의 결과는 이 힘이 플라즈마 축방향 변위를 느려지게 한다는 것이다. 이러한 전류(514 및 516)는, 구속 챔버(100)의 저항성(resistivity)으로 인해, 시간에 따라 점진적으로 소산된다.

중간 평면의 각각의 측면 상에서 구속 챔버(100) 주위에 배치된 반경방향 필드 코일(530 및 531)은 코일(530 및 531)에 반대 방향들로 유도된 전류(532 및 534)로 인한 추가의 반경방향 필드 컴포넌트를 제공한다. 반경방향 필드 코일(530 및 531)은 구속 베셀(100)의 내부 또는 외부에 위치될 수 있는 축대칭 코일의 세트를 포함할 수 있다. 반경방향 코일(530 및 531)은 준-dc 코일(412)(도 2, 도 3a, 도 3d 및 도 3e 참조)과 유사하게 구속 베셀(100)의 외부에 위치되는 것으로 도시되어 있다. 코일(530 및 531) 또는 코일의 세트 각각은 중간 평면의 대향 측면 상의 코일과 상이한 전류를 전달할 수 있지만, 전류는 구속 베셀(100)의 중간 평면에 대해 반대칭이며, 중간 평면을 따라 B _z ≠ 0, B _r = 0을 갖는 자기 필드 구조를 생성한다. 반경방향 필드 코일(530 및 531)은 축방향 힘을 생성하기 위해 토로이달 플라즈마 전류(522)와 상호작용하는 보조 반경방향 필드 컴포넌트를 생성한다. 축방향 힘은 차례로 플라즈마를 다시 구속 챔버(100)의 중간 평면을 향해 이동시킨다.

제어 메커니즘(510)은 기계 중간 평면 주위에서의 오버슈팅 및/또는 진동을 최소화하면서 플라즈마 위치를 중간 평면을 향해 신속하게 복원하기 위해 반경방향 필드 코일 전류에 따라 동작하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 반경방향 필드 코일(530 및 531), 준-dc 코일(412), 그 각자의 전력 공급장치, 및, 예컨대, 플라즈마 위치, 플라즈마 속도, 및 능동 코일 전류 측정을 제공하는 자기 센서와 같은 다른 컴포넌트에 동작가능하게 결합된 프로세서를 포함한다. 프로세서는 본 출원에서 설명된 계산 및 분석을 수행하도록 구성될 수 있고, 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 하나 이상의 메모리를 포함하거나 그에 통신가능하게 결합될 수 있다. 이는 본 명세서에 설명된 기능을 실행할 수 있는 마이크로컨트롤러, 축소 명령어 세트 컴퓨터(RISC), 애플리케이션 특정 집적 회로(ASICs), 로직 회로, 및 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 사용하는 시스템을 포함하는 프로세서 기반 또는 마이크로프로세서 기반 시스템을 포함할 수 있다. 상기는 예시일 뿐이며, 이에 따라 용어 "프로세서" 또는 "컴퓨터"의 정의 및/또는 의미를 결코 제한하려는 것으로 의도되지 않는다.

프로세서의 기능은 소프트웨어 루틴, 하드웨어 컴포넌트, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 하드웨어 컴포넌트는, 예를 들어, 집적 회로 또는 개별 전자 컴포넌트를 포함하는 다양한 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 프로세서 유닛은 전형적으로 판독가능/기입가능 메모리 스토리지 디바이스를 포함하고 전형적으로 메모리 스토리지 디바이스에 기입하고 그리고/또는 이를 판독하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 또한 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 접속될 수 있다. 컴퓨터 또는 프로세서는 메모리를 또한 포함할 수 있다. 메모리는 RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory)을 포함할 수 있다. 컴퓨터 또는 프로세서는, 하드 디스크 드라이브 또는 플로피 디스크 드라이브, 광학 디스크 드라이브, 및 이와 유사한 것과 같은 이동식 스토리지 드라이브일 수 있는, 스토리지 디바이스를 또한 포함할 수 있다. 스토리지 디바이스는 또한 컴퓨터 프로그램 또는 다른 명령어를 컴퓨터 또는 프로세서에 로딩하기 위한 다른 유사한 수단일 수 있다.

프로세서는 입력 데이터를 프로세싱하기 위해, 하나 이상의 스토리지 요소에 저장된 명령어의 세트를 실행한다. 스토리지 요소는 원하는 바에 따라 또는 필요에 따라 데이터 또는 다른 정보를 또한 저장할 수 있다. 스토리지 요소는 프로세싱 머신 내의 정보 소스 또는 물리 메모리 요소의 형태일 수 있다.

반경방향 필드 코일 액추에이터를 사용하여 축방향으로 안정된 또는 불안정한 FRC 구성의 위치를 제어하는 문제는 슬라이딩 모드 제어라고 알려진 비선형 제어 이론의 분야를 사용하여 해결된다. 시스템 상태(슬라이딩 표면)의 선형 함수는 원하는 점근적으로 안정된 (슬라이딩) 거동을 갖는 에러 신호로서 작용한다. 슬라이딩 표면은 광범위한 FRC 동적 파라미터에서 점근적 안정성을 나타내도록 Liapunov 이론을 사용하여 설계된다. 제안된 제어 스킴은 이어서 슬라이딩 표면에서 사용된 파라미터를 재튜닝할 필요없이 축방향으로 안정된 플라즈마 및 축방향으로 불안정한 플라즈마 둘 다에 사용될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 평형이 FRC 방출의 상이한 페이즈(phases)에서 축방향으로 안정된 평형과 축방향으로 불안정한 평형 사이에서 전이할 필요가 있을 수 있기 때문에 이 특성이 유리하다.

제어 스킴(500)의 구성은 도 28에 도시되어 있다. 저역 통과 필터는 스위칭 주파수를 원하는 제어 대역폭 내로 제한한다. 샘플링 및 하나의 샘플 지연을 갖는 신호 전송을 요구하는 디지털 제어 루프가 가정된다. 에러 신호(슬라이딩 표면)는 코일 전류, 플라즈마 위치 및 플라즈마 속도의 선형 결합(linear combination)이다. 플라즈마의 플라즈마 위치 및 속도는 외부 자기 측정으로부터 획득된다. 능동 코일 시스템에서의 전류는 표준 방법에 의해 측정될 수 있다.

위치 제어를 구현하는 데 코일 전류 및 플라즈마 위치가 요구된다. 성능을 개선시키는 데 플라즈마 속도가 요구되지만 임의적(optional)이다. 이 에러 신호의 비선형 함수(릴레이 제어 법칙)는 중간 평면 대칭 코일에 접속된 매 전력 공급장치 쌍에 대한 개별 전압 레벨을 생성한다. 중간 평면 대칭 코일은 동일한 강도이지만 반대 부호의 릴레이 전압으로 피드된다. 이것은 플라즈마 위치를 중간 평면을 향해 복원하기 위한 반경방향 필드 컴포넌트를 생성한다.

제어 스킴의 실현성(feasibility)을 보여주기 위해, 강체 플라즈마 모델(rigid plasma model)이 플라즈마 다이내믹스를 시뮬레이션하는 데 사용된다. 이 모델은 자석 지오메트리를 활용한다. 플라즈마 전류 분포는 플라즈마 및 베셀만이 고려될 때 2ms의 성장 시간을 갖는 축방향으로 불안정한 평형에 대응한다. 전력 공급장치는 개별 전압 레벨로, 전형적으로 800V 스텝으로 작동하는 것으로 가정된다.

도 29는, 20cm만큼 축방향으로 변위된 플라즈마를 다시 중간 평면으로 가져오기 위해 요구된 코일 피크 전류 및 램프 레이트와 함께, 코일에 인가된 전압과 플라즈마 위치 정착 시간 사이의 관계를 하이라이트하는 몇몇 플라즈마 제어 시뮬레이션을 도시하고 있다. 이러한 슬라이딩 모드 축방향 위치 제어 시뮬레이션 예시는 4개의 외부 트림 코일 쌍을 사용하여 0.3T에서 실행된다. 4가지 경우는 200 V(채워진 정사각형), 400 V(채워진 원), 800 V(채워진 삼각형) 및 1600 V(빈 정사각형)의 스텝으로 개별 전압 레벨을 갖는 전력 공급장치와 대응하는 것으로 도시되어 있다. 4가지 경우 모두에 대해 제어 대역폭은 16 kHz이고 샘플링 주파수는 32 kHz이다. 플라즈마 위치(상부 도면), 최외측 코일 쌍에서의 전류(가운데) 및 코일 전류 램프 레이트(하부)가 도시되어 있다. 플라즈마 변위는 20cm에 도달할 때까지 불안정하게 성장하도록 허용된다. 이 시점에서 피드백 제어가 적용된다.

시뮬레이션 결과는 다음을 나타낸다:

1. 플라즈마를 5ms 이내에 다시 중간 평면으로 가져가기 위해(채워진 정사각형 트레이스), 0.5MA/s의 코일 램프 업 레이트로 충분하며, 이는 200 V 전력 공급장치를 필요로 한다.

2. 플라즈마를 2.3ms 이내에 다시 중간 평면으로 가져가기 위해(채워진 원 트레이스), 1MA/s의 코일 램프 업 레이트로 충분하며, 이는 400 V 전력 공급장치를 필요로 한다.

3. 플라즈마를 1.3ms 이내에 다시 중간 평면으로 가져가기 위해(채워진 삼각형 트레이스), 2MA/s의 코일 램프 업 레이트로 충분하며, 이는 800 V 전력 공급장치를 필요로 한다.

4. 플라즈마를 1.0ms 이내에 다시 중간 평면으로 가져가기 위해(빈 정사각형 트레이스), 4MA/s의 코일 램프 업 레이트로 충분하며, 이는 1600 V 전력 공급장치를 필요로 한다.

상기 연구된 제3 경우(2MA/s 램프 레이트 경우)에 대한 모든 트림 코일에 대한 피크 전류 또한 트림 코일 위치의 함수로서 도 30에 도시되어 있다. 슬라이딩 모드 축방향 위치 제어 시뮬레이션 예시는 3개의 레벨 (+800V, 0, -800V)을 갖는 전력 공급장치, 16kHz의 제어 대역폭 및 32kHz 샘플링 레이트를 사용하는 4개의 외부 트림 코일 쌍을 사용하여 0.3T에서 실행된다. 플라즈마를 1.3ms 이내에 다시 중간 평면으로 가져가기 위해, 2MA/s의 코일 램프 업 레이트가 요구된다. 모든 코일 쌍에서 요구된 피크 전류는 1.5kA 미만이다. 요구된 실제 스위칭 주파수(약 2kHz)는 제어 시스템 대역폭보다 훨씬 낮다.

제어 시스템은 또한, 플라즈마 위치 없이, 코일 전류 및 플라즈마 속도만의 함수인 타겟 표면으로 구현될 수 있다. 이 경우에, 축방향 위치 제어 루프는 축방향 다이내믹스의 안정화만 제공하고 제어는 제공하지 않는다. 이것은 플라즈마가 준안정 상황에 있고 그의 축을 따라 천천히 드리프트할 수 있음을 의미한다. 위치 제어가 이어서 플라즈마 세파라트릭스와 베셀 사이의 플라즈마 갭을 제어하는 추가의 피드백 루프를 사용하여 제공되며, 따라서 이는 플라즈마 형상 및 위치 제어를 동시에 수행한다

유사한 제어 시스템이 사용되는 또 다른 플라즈마 구속 디바이스는 토카막(tokamak)이다. 플라즈마 구속을 유지하기 위해, 토카막에서의 플라즈마 전류는 플라즈마 밀도 및 토로이달 필드에 각각 대략적으로 비례하는 상한 및 하한 사이에 유지되어야 한다. 높은 플라즈마 밀도에서 동작하기 위해, 플라즈마 전류가 증가되어야 한다. 이와 동시에 q 안전 인자(safety factor)가 q = 2 초과이도록 폴로이달 필드(poloidal field)가 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 이것은 플라즈마를 기계 축 방향을 따라 연장시켜, 경계 자기 필드를 그의 안전 한계치 초과로 증가시키지 않으면서 큰 플라즈마 전류에 적합할 수 있게 해줌으로써(그리고 따라서 높은 플라즈마 밀도를 허용함으로써) 달성된다. 이러한 연장된 플라즈마는 기계 축 방향(토카막 용어에서 수직 방향이라고 알려져 있음)을 따라 불안정하며 또한 플라즈마 안정화 메커니즘을 필요로 한다. 토카막에서의 수직 플라즈마 위치 제어는 또한 반경방향 필드 코일의 세트를 사용하여 복원되며, 따라서 이는 RFC 위치 제어 문제와 매우 흡사하다. 그러나, 토카막 및 FRC에서 안정화를 요구하는 이유는 상이하다. 토카막 플라즈마에서, 수직 불안정성은 큰 플라즈마 전류에서 동작하기 위해 지불되어야 하는 페널티이며, 이는 높은 토로이달 필드로 동작하기 위해 플라즈마 연장을 필요로 한다. FRC의 경우에, 플라즈마 불안정성은 횡방향 안정성을 획득하기 위해 지불되어야 하는 페널티이다. 토카막은 구성을 안정화시키는 토로이달 필드를 가지며, 따라서 토카막은 횡방향 안정화를 필요로 하지 않는다.

비-FRTP 형성

이제 FRC 플라즈마의 중성 빔 구동, 비-FRTP 형성을 용이하게 하는 시스템 및 방법으로 돌아간다. 도 31은 도 3d 및 도 3e에 도시된 FRC 구속 시스템(10)의 자기 토폴로지 및 밀도 윤곽을 예시하고 있고, 도 32는 도 3f에 도시된 FRC 구속 시스템(10)의 자기 토폴로지 및 밀도 윤곽을 예시하고 있다. 도 2 및 도 3a 내지 도 3e에 도시된 FRC 구속 시스템(10)과 관련하여 위에서 논의된 FRC 형성 기법은 도 4 내지 도 6과 관련하여 설명된 펄스 전력 시스템(210)을 사용하는 필드 역전된 세타-핀치(FRTP) FRC 형성 기법이었다. 이하의 논의에서 본 명세서에 제시된 FRC 형성 기법은 도 3d, 도 3e 및 도 31의 북쪽 및 남쪽 외측 다이버터(300), 및 도 3f 및 도 32의 북쪽 및 남쪽 다이버터(302), 및 중성 빔 주입기(600)의 중성 빔 주입으로부터의 에지 바이어싱을 활용하여 펄스 전력 시스템(210)을 활용하지 않고 FRC 플라즈마(450)를 형성한다. 빔 구동 FRC 형성 기법으로 돌아가기 전에, 그러한 FRC 형성 기법을 가능하게 하는 서브시스템이 논의된다.

위에서 논의된 바와 같이, 에지 바이어싱 시스템은 다이버터(300 및 302)에 위치된 동심 전극(910) 및 도 31의 엔드 다이버터(300) 및 도 32의 다이버터(302)에 위치된 플라즈마 건(350)을 포함한다. 도 33에 도시된 바와 같이, 동심 전극(910)은 5개의 동심 전극(E0, E1, E2, E3 및 E4)을 포함한다. 5개의 동심 전극(E0-E4) 및 플라즈마 건(350)은 모두 서로 전기적으로 분리되어 있고 전력 공급장치에 의해 개별적으로 제어된다. 다양한 에지 바이어싱 구성이, 합리적인 FRC 성능을 얻기 위해 사용될 수 있다(미러 플라즈마 형성 및 FRC 플라즈마로의 전환을 포함하는 초기 플라즈마 램프 업을 포함함). 도 34에 도시된 바와 같이, 전극(E0 및 E1)이 음으로 바이어스되는 동안 전극(E3)이 접지된(나머지 전극은 플로팅된) 바이어싱 구성은, 개방 필드 라인을 따라 구속 베셀(100)로 전파되는 내측을 향하는 반경방향 전기 필드(-Er)를 생성하고 Er×Bz로 인해 FRC 세파라트릭스(451) 주위의 방위각 플라즈마 흐름을 생성한다. 이 방위각 흐름의 방향(전자 반자성 방향)은 FRC의 회전(이온 반자성 방향)에 대응(counter)하므로, 에지 바이어싱은 n=2 회전 불안정성과 같은 FRC 전역 모드를 안정화한다. 또한, 효과적인 에지 바이어싱은 중성체 및 열 플라즈마를 이온화하는 데 도움이 되는 것으로 보인다.

도 3f에 도시된 FRC 시스템(10)은 8개의 중성체 주입기를 포함하며, 8개의 중성 빔 주입기는 (도 3e에 도시된 바와 같이) 구속 베셀(100) 주위에 위치되고 플라즈마 가열, 전류 구동 및 부분 입자 재보급에 사용된다. 아래에서 논의되는 실험을 위한 중성 빔 주입 시스템(600)의 파라미터는 다음을 포함한다: 1) 8개의 중성 빔은 모두 15 keV로 고정된 에너지를 가지며 총 전력 ~13 MW를 타겟 FRC 플라즈마에 주입하고; 2) 8개의 중성 빔 중 4개는 샷 동안 빔 에너지를 15 keV로부터 40 keV까지 튜닝할 수 있으며, 이에 따라 총 주입 전력은 ~13 MW에서 최대 ~20 MW까지 변화할 수 있다. 중성 빔은, 중성 빔과 타겟 FRC 플라즈마(450) 사이의 충분한 결합을 가능하게 하기 위해, ~19cm의 평균 중성 빔 주입 충격 파라미터로 기계 길이방향 축에 대해 65° 내지 75°(현재는 70°로 고정) 범위의 기울어진 주입 각도를 가진다. 중성 빔(600)은 전형적으로 FRC 플라즈마(450)로의 동시 주입을 위해 수소 가스로 보급되지만, 때때로 중수소 가스(예컨대, D2-도핑 수소 가스 보틀; 20% D2 및 80% H2 혼합물)는 또한 진단 목적뿐만 아니라 물리학 연구를 위해서도 사용된다. 중성 빔(600)은, 전역 자기유체역학(magnetohydrodynamic; MHD) 모드를 안정화하는 FRC 세파라트릭스 내부와 외부를 가로지르는 큰 궤도 크기를 가진 에너지 입자를 제공한다. 중성 빔(600)은 또한, 코어 내부에 상당한 양의 고속 이온 집단과 압력을 제공하여, 이에 따라 진보된 빔 구동 FRC 플라즈마를 생성한다. 페이즈 2에서 구속 베셀(100)의 자기 필드의 램프 업은, 궤도를 매칭시키기 위해 증가된 빔 에너지에 의해 매칭될 것이다. 추가적으로, 더 높은 입자 에너지에서 전하 교환 손실이 감소되고, 중성 빔 램프에 의해 총 중성 빔 주입 전력, 고속 이온 및 플라즈마 압력 또한 증가한다.

압전 가스와 같은 가스 밸브는, 도 11에 도시된 구속-미러 섹션 및 도 34에 도시된 것과 같은 형성 가스-주입 튜브와 같은 다양한 섹션에 위치된 가스 보급 포트(112)에 결합된다. 이러한 압전 밸브는 가스 주입/유량 및 지속기간을 제어할 수 있다. 압전 밸브로부터 보급되는 총(in total) 공칭 가스는 30 밀리초당 0.5-1.5×10²¹ 원자 범위 내에 있다.

도 3d, 도 3e 및 도 31에 도시된 FRC 구속 시스템(10)의 경우, FRC 플라즈마는 종래의 펄스 전력 기반 FRTP 형성 기법을 사용하거나 사용하지 않고 형성되었다. 빔 형성 FRC 형성 기법을 논의하기 전에, FRTP FRC 형성 기법이 논의될 것이다. FRTP FRC 형성 프로세스에서, 자석(400)을 사용하여 도 3d, 도 3e 및 도 31에 도시된 FRC 구속 시스템(10) 전체에 걸쳐 자기 필드가 인가된다. 중수소 가스가 이어서 북쪽 및 남쪽 형성 섹션(200) 둘 다에 퍼핑 또는 주입된다(예컨대, 총 주입 입자 ~5×10¹⁹). 다음으로, 중수소 가스를 사전 이온화하기 위해 형성 섹션(200)에 회전 자기 필드(RMF)가 인가된다. 형성 코일 스트랩을 사용하여, 음-바이어스 자기 필드(외부 자기 필드의 반대 방향으로, 즉 -Bz)가 인가되고, 예컨대, ~100 μs의 4분의 1 주기/스윙으로 Bz ~ -1kG를 생성한다. 형성 코일 스트랩을 사용하여 강력한 주 반전 자기 필드(외부 필드와 동일한 방향, 즉 +Bz)가 이어서 인가되어(예컨대, ~4 μs의 상승 시간, Bz ~ 3 내지 4 kG를 생성), FRC 플라즈모이드를 형성하고 병진이동하며, 코일 스트랩은 형성 섹션의 외부 영역으로부터 시작하여 내부로 순차적으로 에너지를 공급받고, 이는 "동적 FRC 형성"이라고 지칭된다. 두(2) 개의 반대 방향 FRC 플라즈마가 이어서 구속 베셀(100)의 중간 평면에서 충돌하고 단일 FRC 플라즈마로 병합된다. 일단 단일 FRC 플라즈마가 형성되면, 엔드-온 에지 바이어싱 시스템(플라즈마 건 및 동심 전극)이 적용되어 FRC 플라즈마를 안정화하고, 중성 빔이 타겟 FRC에 주입되어 전류를 구동하고 주입된 고속 이온과 함께 FRC 토폴로지를 진보된 빔 구동 FRC 상태로 지속된다.

빔 형성 FRC 형성 프로세스에서, 자석(400)을 사용하여 도 3d, 도 3e, 도 3f, 도 31 및 도 32에 도시된 FRC 구속 시스템(10) 전체에 걸쳐 자기 필드가 인가된다. 중수소 가스는 이어서 형성 섹션과 구속-미러 섹션에 위치된 압전 밸브에 의해 구속 베셀(100)로 주입된다(30 ms 동안 주입된 총 입자는 ~0.5-1.5×10²¹ 원자, 즉 유량은 대략 ~2-5×10¹⁹ 원자/ms이다). 플라즈마 건(350) 및 동심 전극(910)을 포함하는 엔드-온 에지 바이어싱 시스템은 도 31에 도시된 북쪽 및 남쪽 외측 다이버터(300)와 도 32에 도시된 북쪽 및 남쪽 다이버터(302) 모두로부터 적용되어 가스를 이온화하고 초기에 "미러" 플라즈마를 형성한다. 중성 빔이 이어서 중성 빔 주입기(615)로부터 미러 플라즈마로 주입되어 고속 이온으로 미러 플라즈마를 채워서, 초기에 "고베타(high-beta)" 미러 플라즈마를 생성한다. 중성 빔이 계속 주입됨에 따라, 미러 플라즈마는 중성 빔 전류 구동으로 인해 기하학적 축 근방의 자기 필드를 역전시킴으로써 FRC 상태를 갖는 플라즈마로 전환된다. 플라즈마 압력은 이어서 중성 빔 주입기(615)에 의해 주입된 고속 이온에 의해 램프 업되고(상승 시간 ~5 내지 10 ms), 중성 빔, 에지 바이어싱, 가스 보급 및 외부 자기 필드가 유지되는 한 플라즈마는 FRC 상태로 유지된다. 빔 형성 FRC 플라즈마의 수명은 현재, 중성 빔 펄스 지속기간(예컨대, 현재 최대 ~30 내지 35ms)에 의해 제한된다.

도 35a 내지 도 35e는 두(2) 개의 FRC 형성 실험, 즉 FRTP FRC 형성 실험과 빔 형성 FRC 형성 실험에 대한 샘플 FRC 플라즈마 파라미터를 도시하고 있다. FRC 플라즈마 둘 다 수명이 길고(즉, 최대 ~30ms) 높은 온도를 갖는다. 도 36a 내지 도 36e는 빔 형성 FRC 형성 실험에 대한 샘플 FRC 플라즈마 파라미터를 도시하고 있으며, 이는 수명이 긴 FRC 플라즈마(즉, 최대 ~30ms)와 높은 온도 FRC 플라즈마를 다시 도시한다. 도 37a 내지 도 37d는 두(2) 개의 FRC 형성 실험, 즉 도 3d, 도 3e 및 도 31에 도시된 FRC 구속 시스템(즉, 남쪽 및 북쪽 내측 및 외측 다이버터와 남쪽 및 북쪽 형성 튜브를 포함하는 시스템)을 활용한 빔 형성 FRC 형성 실험과, 도 3f 및 도 32에 도시된 FRC 구속 시스템(즉, 남쪽 및 북쪽 다이버터만 포함하는 시스템)을 활용한 빔 형성 FRC 형성 실험에 대한 샘플 FRC 플라즈마 파라미터를 도시하고 있다. FRC 플라즈마 둘 다 수명이 길고(즉, 최대 ~30 내지 35 ms) 높은 온도를 갖는다. 도 3f 및 도 32에 도시된 FRC 구속 시스템의 성능은 불륨-평균화된 전자 온도 최대 및 600eV에서 35ms 동안 지속되는 정상 상태 플라즈마를 도시한다.

도 38은 FRTP FRC와 빔 형성 FRC에서의 피크 온도, 즉 전자 온도(T _e ) 및 전체 온도(T _tot )의 비교를 예시하고 있다. 두 개의 FRC 형성 기법에 대한 다양한 전극 바이어싱/전압 조건에서의 고온 실험이며, 빔 형성 FRC 실험은 FRTP FRC와 비교하여 훨씬 더 높은 전자 온도(T _e ) 및 전체 온도(T _tot )를 보여준다. 일반적으로 전극 전압이 높을수록(즉, Er이 높을수록) 특히 빔 형성 FRC의 경우 (전자 및 이온 채널 모두에 대해) 더 고온의 FRC를 생성하는 것으로 발견된다(끝 부분의 선택적 그림 참조). 도 38은 또한, 피크 온도, 즉 전체 온도(T _tot )가 ~5keV(또는 섭씨 ~50M+도) 이상임을 보여준다.

본 개시의 실시예에 따르면, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법은, 구속 챔버 내에서 미러 플라즈마를 형성하는　단계, 미러 플라즈마를 FRC 플라즈마로 전환하기 위해 복수의 중성 빔 주입기로부터의　고속 중성 원자 빔을 구속 챔버의 중간 평면을 향해 비스듬히 미러 플라즈마로 주입하는 단계, 및 복수의 중성 빔 주입기로부터의 고속 중성 원자 빔을 구속 챔버의 중간 평면을 향해 비스듬히 FRC 플라즈마로 주입함으로써 FRC 플라즈마를 감쇠 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계를 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 구속 챔버에 자기 필드를 인가하는 단계, 및 미러 플라즈마를 형성하기 위해 가스를 구속 챔버 내로 주입하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은, 구속 챔버의 대향하는 단부에 상호 연결된 제1 및 제2 다이버터로부터 엔드-온 에지-바이어싱 시스템을 적용하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 여기서 엔드-온 에지-바이어싱 시스템은 플라즈마 건 및 동심 전극을 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 여기서 제1 및 제2 형성 섹션이 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 사이에 개재된다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 여기서 제2 및 제3 다이버터가 구속 챔버와 제1 및 제2 형성 섹션 사이에 개재된다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은, 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 튜닝하는 단계 - 여기서 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지와는 상이함 -, 또는 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 튜닝하는 단계 - 여기서 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지와는 상이하고, 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지보다 높음 -, 또는 복수의 중성 빔의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 튜닝하는 단계 - 여기서 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지와는 상이하고, 여기서 복수의 중성 빔은 주입 샷의 지속기간 동안 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 스위칭함 - 를 포함한다.

본 개시의 추가의 실시예에 따르면, 방법은 챔버 주위에 연장되는 준-dc 코일로 챔버 내에 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 구속 챔버의 단부에 결합된 다이버터 내로 FRC의 자기 플럭스 표면을 안내하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가의 실시예에 따르면, 방법은 형성 섹션 및 다이버터 주위에 연장되는 준-dc 코일로 다이버터 내에 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가의 실시예에 따르면, 방법은 챔버의 대향하는 단부 주위에 연장되는 준-dc 미러 코일로 챔버의 대향하는 단부 내에 미러 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가의 실시예에 따르면, 방법은 챔버에 결합된 새들 코일로 챔버 내에서 자기 쌍극자 필드 및 자기 사중극자 필드 중 하나를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 챔버 및 다이버터의 내부 표면을 게터링 시스템으로 컨디셔닝하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 게터링 시스템은 티타늄 퇴적 시스템 및 리튬 퇴적 시스템 중 하나를 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 방법은 FRC 플라즈마의 에지 층에서 반경방향 전기 필드 프로파일을 제어하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 바이어싱 전극을 갖는 FRC의 개방 플럭스 표면의 그룹에 전위의 분포를 적용한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, FRC 플라즈마를 30 ms를 초과하는 감쇠 없이 일정한 값 또는 거의 일정한 값으로 유지한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, FRC 플라즈마의 전자 온도를 600 eV로 또는 약 600 eV로 유지한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, FRC 플라즈마의 전체 온도가 4.4 keV 또는 섭씨 5천만도를 초과하는 것에 도달한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템은, 구속 챔버; 구속 챔버에 결합된 제1 및 제2 다이버터; 구속 챔버에 결합되고, 구속 챔버의 길이방향 축에 대한 직각보다 작은 각도로 구속 챔버의 중간 평면을 향해 중성 원자 빔을 주입하도록 배향된 복수의 중성 원자 빔 주입기; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 주위에 위치된 복수의 준-dc 코일을 포함하는 자기 시스템; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치된 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터에 결합된 게터링 시스템; 생성된 FRC 플라즈마의 개방 플럭스 표면을 전기적으로 바이어싱하기 위한 하나 이상의 바이어싱 전극 - 하나 이상의 바이어싱 전극은 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 중 하나 이상 내에 위치됨 - ; 및 구속 챔버에 결합된 두 개 이상의 새들 코일을 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템은, 구속 챔버; 구속 챔버에 결합된 제1 및 제2 다이버터; 복수의 바이어싱 전극 중 하나 이상의 바이어싱 전극 및 제1 및 제2 미러 플러그 - 여기서 하나 이상의 바이어싱 전극은 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 중 하나 이상 내에 위치되며, 여기서 제1 및 제2 미러 플러그는 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치됨 - ; 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터에 결합된 게터링 시스템; 구속 챔버에 결합되고 구속 챔버의 중간 평면을 향해 경사지게 배향된 복수의 중성 원자 빔 주입기; 및 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 주위에 위치된 복수의 준-dc 코일을 포함하는 자기 시스템을 포함하고, 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트가 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치되며, 여기서 시스템은 중성 빔이 플라즈마로 주입되는 동안 FRC를 생성하고 FRC를 감쇠 없이 유지하도록 구성된다.

본 개시의 추가의 실시예에 따르면, 복수의 중성 빔은 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 조정 가능하고, 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지와는 상이하며, 복수의 중성 빔의 빔 에너지는 주입 샷의 지속기간 동안 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 스위칭 가능하다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 바이어싱 전극은 개방 필드 라인에 접촉하기 위해 구속 챔버 내에 위치된 하나 이상의 포인트 전극, 구속 챔버와 제1 및 제2 다이버터 사이의 환형 전극 세트, 및 다수 동심 플럭스 층을 대전시키기 위해 제1 및 제2 다이버터 내에 위치된 복수의 동심 적층된 전극 중 하나 이상을 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 시스템은 제1 및 제2 다이버터와 구속 챔버 사이에 개재되는 제1 및 제2 정반대로 대향된 역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션을 더 포함한다.

본 개시의 추가 실시예에 따르면, 시스템은 제1 및 제2 정반대로 대향된 역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션과 구속 챔버 사이에 개재되는 제3 및 제4 다이버터를 더 포함한다.

그러나, 본 명세서에 제공된 예시적인 실시예는 단지 예시적인 예시로서 의도된 것일 뿐이며, 어떠한 방식으로든 제한하도록 의도된 것은 아니다.

본 명세서에 제공된 임의의 실시예와 관련하여 설명된 모든 피처, 요소, 컴포넌트, 기능 및 단계는 임의의 다른 실시예로부터의 그것들과 자유롭게 결합 가능하고 및 대체 가능하도록 의도된다. 특정 피처, 요소, 컴포넌트, 기능 또는 단계가 단 하나의 실시예와 관련하여 설명되는 경우, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 그 피처, 요소, 컴포넌트, 기능 또는 단계는 본 명세서에 설명된 다른 모든 실시예와 함께 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이 단락은 특정 예시에서 그러한 조합 또는 대체가 가능하다고 이하의 설명이 명시적으로 언급하지 않더라도, 언제든지 다른 실시예로부터의 피처, 요소, 컴포넌트, 기능 및 단계를 결합하거나, 하나의 실시예의 피처, 요소, 컴포넌트, 기능 및 단계를 또 다른 실시예의 것으로 대체하는 청구항의 도입을 위한 선행 근거 및 기록된 지지(support)의 역할을 한다. 가능한 모든 조합 및 대체의 명시적 기재는, 특히, 그러한 모든 조합 및 대체의 허용 가능성은 업계의 통상의 기술자가 이 명세서를 읽으면 쉽게 인식될 것이라는 점을 고려할 때, 지나치게 부담이 된다.

많은 경우에서, 본 명세서에서 엔티티는 다른 엔티티에 결합된 것으로 설명된다. "결합된" 및 "연결된"(또는 그들의 임의의 형태)이라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되며, 두 경우 모두에서, 두 엔티티의 직접 결합(임의의 무시할 수 없는 (예컨대, 기생) 개입 엔티티 없이)과 두 엔티티의 간접 결합(하나 이상의 무시할 수 없는 개입 엔티티를 사용하여)에 대해 통칭적이라는 점이 이해되어야 한다. 엔티티가 직접적으로 함께 결합된 것으로 도시되거나, 임의의 개입 엔티티에 대한 설명 없이 함께 결합된 것으로 설명되는 경우, 문맥상 달리 명확하게 지시하지 않는 한 그 엔티티는 간접적으로도 결합될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

실시예는 다양한 수정 및 대안적 형태를 허용하지만, 그 구체적인 예시가 도면에 도시되었으며, 본 명세서에 상세히 설명된다. 그러나, 이러한 실시예는 개시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라, 반대로 이러한 실시예는 본 개시의 정신에 속하는 모든 수정, 균등물 및 대안을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 실시예의 임의의 피처, 기능, 단계, 또는 요소뿐만 아니라, 청구항의 발명 범위를 그 범위 내에 있지 않은 피처, 기능, 단계, 또는 요소에 의해 정의하는 부정적 제한이 청구항에 기재되거나 추가될 수 있다.

Claims (24)

1. 필드 역전된 구성(field reversed configuration; FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법에 있어서,
   구속 챔버(confinement chamber) 내에서 미러 플라즈마를 형성하는　단계,
   상기 미러 플라즈마를 FRC 플라즈마로 전환하기 위해 복수의 중성 빔 주입기(injector)로부터의　고속 중성 원자 빔을 상기 구속 챔버의 중간 평면을 향해 비스듬히 상기 미러 플라즈마로 주입하는 단계, 및
   상기 복수의 중성 빔 주입기로부터의 고속 중성 원자 빔을 상기 구속 챔버의 중간 평면을 향해 비스듬히 상기 FRC 플라즈마로 주입함으로써 상기 FRC 플라즈마를 감쇠(decay) 없이 일정한 값(constant value)으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계
   를 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미러 플라즈마를 형성하는 단계는, 상기 구속 챔버에 자기 필드를 인가하고 상기 구속 챔버 내로 가스를 주입하는 단계를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 미러 플라즈마를 형성하는 단계는, 상기 구속 챔버의 대향하는 단부(opposing ends)에 상호 연결된 제1 및 제2 다이버터(divertor)로부터 엔드-온 에지-바이어싱(end-on edge-biasing) 시스템을 적용하는 단계를 더 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 엔드-온 에지-바이어싱 시스템은 플라즈마 건 및 동심 전극을 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
5. 제3항 내지 제4항에 있어서,
   제1 및 제2 형성 섹션이 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 사이에 개재되는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
6. 제5항에 있어서,
   제2 및 제3 다이버터가 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 형성 섹션 사이에 개재되는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
7. 제1항 내지 제6항의 방법에 있어서,
   상기 고속 중성 원자 빔을 주입하는 단계는, 상기 복수의 중성 빔 주입기의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 튜닝하는 단계 - 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이함 -, 또는 상기 복수의 중성 빔 주입기의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 튜닝하는 단계 - 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이하고, 상기 제2 빔 에너지는 제1 빔 에너지보다 높음 -, 또는 상기 복수의 중성 빔 주입기의 빔 에너지를 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 튜닝하는 단계 - 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이하고, 상기 복수의 중성 빔 주입기는 주입 샷(injection shot)의 지속기간 동안 상기 제1 빔 에너지와 상기 제2 빔 에너지 사이에서 스위칭함 -, 중 하나의 단계를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
   상기 챔버 주위에 연장되는 준-dc(quasi-dc) 코일로 상기 챔버 내에 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 구속 챔버의 단부에 결합된 다이버터 내로 상기 FRC의 자기 플럭스 표면을 안내하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다이버터 주위에 연장되는 준-dc 코일로 상기 제1 및 제2 다이버터 내에 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 챔버의 대향하는 단부 주위에 연장되는 준-dc 미러 코일로 상기 챔버의 대향하는 단부 내에 미러 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
12. 제7항 내지 제11항에 있어서,
    상기 챔버에 결합된 새들(saddle) 코일로 상기 챔버 내에서 자기 쌍극자 필드(dipole field) 및 자기 사중극자 필드(quadrupole field) 중 하나를 생성하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
13. 제9항 내지 제12항에 있어서,
    상기 다이버터 및 상기 챔버의 내부 표면을 게터링 시스템으로 컨디셔닝하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 게터링 시스템은 티타늄 퇴적 시스템 및 리튬 퇴적 시스템 중 하나를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
15. 제1항 내지 제14항에 있어서,
    상기 FRC 플라즈마의 에지 층에서 반경방향 전기 필드 프로파일(radial electric field profile)을 제어하는 단계를 더 포함하는, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 FRC의 에지 층에서 반경방향 전기 필드 프로파일을 제어하는 단계는, 바이어싱 전극으로 상기 FRC의 개방 플럭스 표면의 그룹에 전위의 분포를 적용하는 단계를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
17. 제1항 내지 제16항에 있어서,
    상기 FRC 플라즈마를 감쇠 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계는, 상기 FRC 플라즈마를 감쇠 없이 30 ms를 초과하는 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
18. 제1항 내지 제17항에 있어서,
    상기 FRC 플라즈마를 감쇠 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계는, 상기 FRC 플라즈마의 전자 온도를 600eV로 또는 약 600eV로 유지하는 단계를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
19. 제1항 내지 제18항에 있어서,
    상기 FRC 플라즈마를 감쇠 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하는 단계는, 4.4keV 또는 섭씨 5천만도를 초과하는 상기 FRC 플라즈마에 대한 전체 온도(total temperature)에 도달하는 단계를 포함하는 것인, 필드 역전된 구성(FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법.
20. 필드 역전된 구성(field reversed configuration; FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템에 있어서,
    구속 챔버,
    상기 구속 챔버에 결합된 제1 및 제2 다이버터,
    상기 구속 챔버에 결합되고, 상기 구속 챔버의 길이방향 축에 대한 직각(normal)보다 작은 각도로 상기 구속 챔버의 중간 평면을 향해 중성 원자 빔을 주입하도록 배향된 복수의 중성 원자 빔 주입기,
    상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 주위에 위치된 복수의 준-dc 코일을 포함하는 자기 시스템 - 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트가 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치됨 - ,
    상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터에 결합된 게터링 시스템,
    생성된 FRC 플라즈마의 개방 플럭스 표면을 전기적으로 바이어싱하기 위한 하나 이상의 바이어싱 전극 - 상기 하나 이상의 바이어싱 전극은 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 중 하나 이상 내에 위치됨 -, 및
    상기 구속 챔버에 결합된 두 개 이상의 새들 코일
    을 포함하는, 시스템.
21. 필드 역전된 구성(field reversed configuration; FRC)으로 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템에 있어서,
    구속 챔버,
    상기 구속 챔버에 결합된 제1 및 제2 다이버터,
    복수의 바이어싱 전극 중 하나 이상의 바이어싱 전극 및 제1 및 제2 미러 플러그 - 상기 하나 이상의 바이어싱 전극은 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 중 하나 이상 내에 위치되며, 상기 제1 및 제2 미러 플러그는 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치됨 - ,
    상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터에 결합된 게터링 시스템,
    상기 구속 챔버에 결합되고 상기 구속 챔버의 중간 평면을 향해 경사지게 배향된 복수의 중성 원자 빔 주입기, 및
    상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 주위에 위치된 복수의 준-dc 코일을 포함하는 자기 시스템 - 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트가 상기 구속 챔버와 상기 제1 및 제2 다이버터 사이에 위치됨 -
    을 포함하고, 상기 시스템은 상기 중성 빔이 상기 FRC 플라즈마로 주입되는 동안 FRC 플라즈마를 생성하고 상기 FRC 플라즈마를 감쇠 없이 유지하도록 구성되는 것인, 시스템.
22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 중성 빔은 제1 빔 에너지와 제2 빔 에너지 사이에서 조정 가능하고, 상기 제2 빔 에너지는 상기 제1 빔 에너지와는 상이하며, 상기 복수의 중성 빔의 빔 에너지는 주입 샷의 지속기간 동안 상기 제1 빔 에너지와 상기 제2 빔 에너지 사이에서 스위칭 가능한 것인, 시스템.
23. 제21항 내지 제22항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다이버터와 상기 구속 챔버 사이에 개재되는 제1 및 제2 정반대로 대향된 역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션(diametrically opposed reversed-field-theta-pinch formation sections)을 더 포함하는, 시스템.
24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정반대로 대향된 역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션과 상기 구속 챔버 사이에 개재되는 제3 및 제4 다이버터를 더 포함하는, 시스템.