BR112016006680B1

BR112016006680B1 - método para geração e manutenção de um campo magnético

Info

Publication number: BR112016006680B1
Application number: BR112016006680-4A
Authority: BR
Inventors: Michel Tuszewski; Michl Binderbauer; Dan Barnes; Eusebio Garate; Houyang Guo; Sergei Putvinsk; Artem Smirnov
Original assignee: Tae Technologies, Inc.
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2021-01-26
Also published as: AU2014326799A1; AU2021221522B2; HRP20180308T1; NZ717865A; US20190035509A1; IL274594B; PH12016500549B1; EA201690643A1; DK3031051T3; AU2019202825B2; EA034678B1; US20210110936A1; HUE038548T2; HUE047991T2; CN105723464A; IL244565B; WO2015048092A1; PL3031051T3; IL274594A; KR102280022B1

Abstract

SISTEMAS E MÉTODOS PARA FORMAÇÃO E MANUTENÇÃO DE UMA CCR DE ALTO DESEMPENHO Trata- se de um sistema de configuração de campo reverso (CCR) de alto desempenho que inclui um recipiente de confinamento central (100), duas seções de formação tipo theta-pinch de campo reverso diametralmente opostas (200) acopladas ao recipiente (100) e duas câmaras derivadoras (300) acopladas às seções de formação (200). Um sistema magnético inclui bobinas semi-dc (412, 414, 416) axialmente posicionadas ao longo dos componentes do sistema de CCR, bobinas de reflexão semi-dc (420) entre a câmara de confinamento (100) e as seções de formação, e plugues de espelho entre as seções de formação e os derivadores. As seções de formação (200) incluem sistemas de formação de potência pulsada modular que permitem uma formação estática e dinâmica e a aceleração das CCRs. O sistema de CCR inclui, ainda, injetores de feixe de átomo neutro (610, 640), injetores de péletes (700), sistemas de absorção (810, 820), pistolas de plasma axiais e eletrodos de polarização superficiais de fluxo. De preferência, os injetores de feixe são angulados em direção ao plano intermediário da câmara. Em operação, os parâmetros de plasma de CCR incluindo energia térmica de plasma, números totais de partícula, raio e fluxo magnético aprisionado, são sustentáveis em ou ao redor de um (...).

Description

CAMPO

[001]As modalidades descritas no presente documento referem-se, em geral, a sistemas de confinamento de plasma magnético e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitem a formação e manutenção de Configurações de Campo Reverso com estabilidade superior, bem como confinamento de partículas, energia e fluxo.

INFORMAÇÕES ANTECEDENTES

[002]A Configuração de Campo Reverso (CCR) pertence à classe de topologias de confinamento de plasma magnético conhecida como toróides compactos (CT). A mesma exibe campos magnéticos predominantemente poloidais e possui campos toroidais auto-gerados pequeno ou zero (vide M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). As atrações dessa configuração consistem em sua geometria simples para facilidade de construção e manutenção, um derivador irrestrito natural para facilitar a extração de energia e a remoção de cinzas, e β muito alta (β é a razão entre a pressão de plasma média e a pressão média de campo magnético dentro da CCR), isto é, densidade de alta potência. A natureza de β alta é vantajosa para uma operação econômica e para o uso de combustíveis aneutrônicos avançados, como D-He3 e p-B11.

[003]O método tradicional de formação de uma CCR usa a tecnologia de θ pinch de campo reverso, produzindo plasmas quentes de alta densidade (vide A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Uma variação desse é o método de translação-aprisionamento no qual o plasma criado em uma “fonte” de theta-pinch é mais ou menos imediatamente ejetado para fora de uma extremidade em uma câmara de confinamento. O plasmóide de translação é, então, aprisionado entre dois espelhos magnéticos fortes nas extremidades da câmara (vide, por exemplo, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto e S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Uma vez na câmara de confinamento, vários métodos de condução de corrente e aquecimento podem ser aplicados, como a injeção de feixe (neutro ou neutralizado), campos magnéticos rotativos, RF ou aquecimento ômico, etc. Essa separação de funções de fonte e confinamento oferece vantagens de engenharia fundamentais para reatores de fusão futuros potenciais. CCRs provou ser extremamente robusta, resiliente à formação dinâmica, translação, e eventos de captura violenta. Ademais, as mesmas mostram uma tendência em assumir um estado de plasma preferencial (vide, por exemplo, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller e L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). Realizaram-se progressos significativos na última década desenvolvendo outros métodos de formação de CCR: unindo-se esferomaks com helicidades opostamente direcionadas (vide, por exemplo, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama e T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) e conduzindo-se uma corrente com campos magnéticos rotativos (RMF) (vide, por exemplo, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)) que também proporciona uma estabilidade adicional.

[004]Recentemente, a técnica de colisão-união, proposta há muito tempo atrás (vide, por exemplo, D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)) foi significativamente desenvolvida: dois theta-pinches separados em extremidades opostas de uma câmara de confinamento gera simultaneamente dois plasmóides e acelera os plasmóides uns em direção aos outros em alta velocidade; os mesmos podem, então, se colidir no centro da câmara de confinamento e se unirem para formar um CCR de composto. Na construção e operação bem-sucedida de um dos maiores experimentos de CCR até o presente, o método de colisão-união convencional foi mostrado por produzir CCRs estáveis, com longa vida-útil, alto fluxo, alta temperatura CCRs (vide.g. M. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010)).

[005]A CCRs consiste em um toro de linhas de campo fechado dentro de uma separatriz, e em uma camada de borda anular nas linhas de campo aberto fora da separatriz. A camada de borda se coalesce em jatos além do comprimento de CCR, proporcionando um derivador natural. A topologia de CCR coincide com aquela de um plasma de Espelho de Campo Reverso. No entanto, uma diferença significativa é que o plasma de CCR tem um β de cerca de 10. O campo magnético interno baixo inerente proporciona uma determinada população de partícula cinética nativa, isto é, partículas com raios de Larmor grandes, comparável ao raio mínimo de CCR. Esses efeitos cinéticos fortes que aparecem pelo menos parcialmente contribuem para a estabilidade bruta de CCRs passadas e presentes, como aquelas produzidas no experimento de colisão-união.

[006]Experimentos de CCR passados típicos foram dominados por perdas convectivas com confinamento de energia amplamente determinado pelo transporte de partícula. Primariamente, as partículas se difundem radialmente para fora do volume de separatriz, e, então, são axialmente perdidas na camada de borda. De modo correspondente, o confinamento de CCR depende das propriedades de regiões lineares de campo fechado e aberto. O tempo de difusão de partícula fora da separatriz se escalona como T± ~ a2/D± (a ~ rs/4, onde rs é o raio de separatriz central), e D± é a difusidade de CCR característica, como D± ~ 12.5 pie, com pie representando o girorraio iônico, avaliado em um campo magnético externamente aplicado. O tempo de confinamento de partículas de camada de borda TH é essencialmente um tempo de trânsito axial em experimentos de CCR passados. Em estado estacionário, o equilíbrio entre perdas de partícula radial e axial produz um comprimento de gradiente de densidade de separatriz δ ~ (D±TI)1/2. O tempo de confinamento de partículas de CCR se escalona como (T±TI)1/2 para CCRs passadas que têm uma densidade substancial na separatriz (vide, por exemplo, M. TUSZEWSKI, “Field Reversed Configurations,” Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)).

[007]Outra desvantagem de designs de sistema de CCR da técnica anterior foi a necessidade de usar multipolos externos para controlar as instabilidades rotacionais, como as instabilidades de intercâmbio n=2 de rápido desenvolvimento. Dessa forma, os campos quadripolares externamente aplicados típicos proporcionaram a pressão de restauração magnética requerida para desacelerar o crescimento desses modos instáveis. Embora essa técnica seja adequada para um controle de estabilidade do plasma de volume térmico, surge um problema grave por mais CCRs cinéticas ou CCRs híbridas avançadas, onde uma população de partículas em órbita grande altamente cinéticas é combinada com o plasma térmico usual. Nesses sistemas, as distorções do campo magnético axissimétrico devido a esses campos multipolo leva a perdas de partícula dramaticamente rápidas através de uma difusão estocástica sem colisões, uma consequência da perda de conservação de momento angular canônico. Logo, ima solução inovadora para proporcionar controle de estabilidade sem acentuar a difusão de quaisquer partículas é importante para obter vantagem do potencial de desempenho superior desses conceitos de CCR avançados nunca antes explorados.

[008]Portanto, tendo em visto o supracitado, é desejável aperfeiçoar o confinamento e estabilidade de CCRs a fim de usar CCRs em estado estacionário como uma trajetória para uma variedade de aplicações incluem fontes de nêutrons compactos (para produção de isótopo médico, remediação de refugo nuclear, pesquisa de materiais, radiografia e tomografia por nêutrons), fontes de fóton compactas (para produção e processamento químico), sistemas de separação e enriquecimento de massa, e núcleos de reator para fusão de núcleos de luz para a geração futura de energia.

SUMÁRIO

[009]As presentes modalidades proporcionadas no presente documento se referem a sistemas e métodos que facilitem a formação e manutenção de novas Configurações de Campo Reverso (CCRs) de Alto Desempenho. De acordo com esse paradigma de nova CCR de Alto Desempenho, o presente sistema combina um grande número de ideias e meios inovadores para aperfeiçoar dramaticamente o confinamento de partículas de CCR, energia e fluxo, bem como proporcionar um controle de estabilidade sem efeitos colaterais negativos.

[010]Um sistema de CCR proporcionado no presente documento inclui um recipiente de confinamento central circundado por duas seções de formação tipo theta-pinch de campo reverso diametralmente opostas e, além das seções de formação, duas câmaras derivadoras para controlar a densidade neutra e contaminação por impurezas. Um sistema magnético inclui uma série de bobinas semi-dc que ficam situadas em posições axiais ao longo dos componentes do sistema de CCR, bobinas de reflexão semi-dc entre a extremidade da câmara de confinamento e as seções de formação adjacentes, e plugues de espelho que compreendem bobinas de reflexão semi-dc compactas entre cada uma das seções de formação e derivadores que produzem campos de orientação adicionais para focalizar as superfícies de fluxo magnético em direção ao derivador. As seções de formação incluem sistemas de formação de potência pulsada modular que permitem que as CCRs sejam formadas in-situ e, então, aceleradas e injetadas (=formação estática) ou formadas e aceleradas simultaneamente (=formação dinâmica).

[011]O sistema de CCR inclui injetores de feixe de átomo neutro e um injetor de pélete. Em uma modalidade, os injetores de feixe são angulados para injetar partículas neutras em direção ao plano intermediário. Ter os injetores de feixe angulados em direção ao plano intermediário e as posições de feixe axial próximas ao plano intermediário aperfeiçoa o acoplamento de feixes de plasma, mesmo à medida que o plasma de CCR encolhe ou, de outro modo, se contrai axialmente durante o período de injeção. Incluem-se, também, sistemas de absorção, bem como pistolas de plasma axial. Proporcionam-se, também, eletrodos de polarização para polarização elétrica de superfícies de fluxo aberto.

[012]Em operação, os parâmetros de plasma global de CCR incluindo energia térmica de plasma, números de partículas totais, raio de comprimento de plasma, nem com fluxo magnético, são substancialmente sustentados sem decaimento enquanto os feixes neutros injetados no plasma e péletes proporcionam um reabastecimento de partículas.

[013]Os sistemas, métodos, recursos e vantagens da invenção serão ou se tornarão aparentes a um indivíduo versado na técnica mediante análise das figuras e da descrição detalhada a seguir. Pretende-se que todos esses métodos, recursos e vantagens adicionais sejam incluídos nessa descrição, estejam no escopo da invenção, e sejam protegidos pelas reivindicações anexas. Pretende-se, também, que a invenção não se limite à exigência de detalhes das modalidades exemplificadoras.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[014]Os desenhos anexos, que estão incluídos como parte do presente relatório descritivo, ilustram a modalidade presentemente preferencial e, junto à descrição geral supramencionada e à descrição detalhada da modalidade preferencial dada abaixo, servem para explicar e ensinar os princípios da presente invenção.

[015]A Figura 1 ilustra o confinamento de partículas no presente sistema de CCR sob um regime de CCR de alto desempenho (HPF) versus sob um regime de CCR (CR) convencional e versus outros experimentos de CCR convencionais.

[016]A Figura 2 ilustra os componentes do presente sistema de CCR e a topologia magnética do CCR produzível no presente sistema de CCR.

[017]A Figura 3A ilustra o layout básico do presente sistema de CCR conforme observado de cima, incluindo a disposição preferencial de feixes neutros, eletrodos, pistolas de plasma, plugues de espelho e injetor de péletes.

[018]A Figura 3B ilustra o recipiente de confinamento central conforme observado de cima e mostra os feixes neutros dispostos em um ângulo normal ao eixo de simetria principal no recipiente de confinamento central.

[019]A Figura 3C ilustra o recipiente de confinamento central conforme observado de cima e mostra os feixes neutros dispostos em um ângulo menor que o normal ao eixo de simetria principal no recipiente de confinamento central e dirigido a injetar partículas em direção ao plano intermediário do recipiente de confinamento central.

[020]A Figura 4 ilustra um esquema dos componentes de um sistema de potência pulsada para as seções de formação.

[021]A Figura 5 ilustra uma vista isométrica de um skid de formação de potência pulsada individual.

[022]A Figura 6 ilustra uma vista isométrica de uma montagem de tubo de formação.

[023]A Figura 7 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de um sistema de feixe neutro e componentes principais.

[024]A Figura 8 ilustra uma vista isométrica da disposição de feixes neutros na câmara de confinamento.

[025]A Figura 9 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma disposição preferencial dos sistemas de absorção de Ti e Li.

[026]A Figura 10 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma pistola de plasma instalada na câmara derivadora. Mostram-se, também, o plugue de espelho magnético associado e uma montagem de eletrodo derivador.

[027]A Figura 11 ilustra um layout preferencial de um eletrodo de polarização anular na extremidade axial da câmara de confinamento.

[028]A Figura 12 ilustra a evolução do raio de fluxo excluído no sistema de CCR obtido a partir de uma série de laços diamagnéticos externos nas duas seções de formação tipo theta-pinch de campo reverso e sondas magnéticas embutidas dentro da câmara de confinamento metálica central. O tempo é medido a partir do instante da reversão de campo sincronizada nas fontes de formação, e a distância z é dada em relação ao plano intermediário axial da máquina.

[029]As Figuras 13 (a) a (d) ilustram dados de uma descarga não-HPF representativa não sustentada no presente sistema de CCR. Mostrados como funções de tempo são: (a) raio de fluxo excluído no plano intermediário, (b) 6 cordas de densidade integrada linear a partir do interferômetro de CO2 de plano intermediário, (c) perfis radiais de densidade inversa de Abel a partir dos dados do interferômetro de CO2, e (d) temperatura de plasma total do equilíbrio de pressão.

[030]A Figura 14 ilustra os perfis axiais de fluxo excluído em tempos selecionados para a mesma descarga do presente sistema de CCR mostrado na Figura 13.

[031]A Figura 15 ilustra uma vista isométrica das bobinas tipo sela montadas fora da câmara de confinamento.

[032]A Figura 16 ilustra as correlações de vida útil de CCR e comprimento de pulso de feixes neutros injetados. Conforme mostrado, pulsos de feixe mais longos produzem CCRs de vida útil mais longa.

[033]A Figura 17 ilustra os efeitos individuais e combinados de diferentes componentes do sistema de CCR no desempenho de CCR e a realização do regime de HPF.

[034]As Figuras 18(a) a (d) ilustram dados de uma descarga de HPF representativa não sustentada no presente sistema de CCR. Mostrados como funções de tempo são: (a) raio de fluxo excluído no plano intermediário, (b) 6 cordas de densidade integrada linear a partir do interferômetro de CO2 de plano intermediário, (c) perfis radiais de densidade inversa de Abel a partir dos dados do interferômetro de CO2, e (d) temperatura de plasma total do equilíbrio de pressão.

[035]A Figura 19 ilustra o confinamento de fluxo como uma função de temperatura de elétron (Te). A mesma representa uma representação gráfica de um regime de escalonamento superior recentemente estabelecido para descargas de HPF.

[036]A Figura 20 ilustra a vida útil de CCR correspondente ao comprimento de pulso de feixes neutros não-angulados e injetados angulados.

[037]Deve-se notar que as figuras não estão necessariamente desenhadas em escala e que os elementos de estruturas ou funções similares são geralmente representados por referências numéricas similares por propósitos ilustrativos ao longo das figuras. Deve-se notar, também, que as figuras são destinadas somente a facilitar a descrição das várias modalidades descritas no presente documento. As figuras não necessariamente descrevem cada aspecto dos ensinamentos aqui revelados e não limitam o escopo das reivindicações.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[038]As presentes modalidades proporcionadas no presente documento se referem a sistemas e métodos que facilitem a formação e a manutenção de Configurações de Campo Reverso (CCRs) de Alto Desempenho com estabilidade superior, bem como confinamento superior e partículas, energia e fluxo em relação a CCRs convencionais. Essas CCRs de Alto Desempenho proporcionam uma trajetória a uma variedade de aplicações incluindo fontes de nêutrons compactos (para produção de isótopo médico, remediação de refugo nuclear, pesquisa de materiais, radiografia e tomografia por nêutrons), fontes de fóton compacto (para produção e processamento de produtos químicos), sistemas de separação e enriquecimento de massa, e núcleos de reatores para fusão de núcleos de luz para geração de energia futura.

[039]Exploraram-se vários sistemas auxiliares e modos de operação para avaliar se existe um regime de confinamento superior em CCRs. Esses esforços levaram a constatações revolucionárias e ao desenvolvimento de um paradigma de CCR de Alto Desempenho descrito no presente documento. De acordo com esse novo paradigma, os presentes sistemas e métodos combinam um grande número de ideias e meios inovadores para aperfeiçoar dramaticamente o confinamento de CCR conforme ilustrado na Figura 1, bem como proporcionar controle de estabilidade sem efeitos colaterais negativos. Conforme discutido em maiores detalhes abaixo, a Figura 1 mostra um confinamento de partículas em um sistema de CCR 10 descrito abaixo (vide as Figuras 2 e 3), operando de acordo com um regime de CCR de Alto Desempenho (HPF) para formação e manutenção de uma CCR versus operação de acordo com um regime de CR convencional para formação e manutenção de uma CCR, e versus confinamento de partículas de acordo com regimes convencionais para formação e manutenção de uma CCR usada em outros experimentos. A presente revelação esboçará e detalhará os componentes individuais inovadores do sistema e métodos de CCR 10, bem como seus efeitos coletivos.

Descrição do Sistema de CCR Sistema de vácuo

[040]As Figuras 2 e 3 descrevem um esquema do presente sistema de CCR 10. O sistema de CCR 10 inclui um recipiente de confinamento central 100 circundado por duas seções de formação tipo theta-pinch de campo reverso diametralmente opostas 200 e, além das seções de formação 200, duas câmaras derivadoras 300 para controlar a densidade neutra e contaminação por impurezas. O presente sistema de CCR 10 foi construído para acomodar ultra-alto vácuo e opera em pressões básicas típicas de 133 x 10-8 Pa (10-8 torr). Essas pressões de vácuo requerem o uso de flanges de acoplamento duplamente bombeados entre componentes de acoplamento, anéis em O metálicos, paredes internas de alta pureza, bem como condicionamento superficial inicial cuidadoso de todas as partes antes da montagem, tal como limpeza física e química seguida por um cozimento a vácuo a 250 °C por 24 horas e limpeza por descarga luminescente de Hidrogênio.

[041]As seções de formação tipo theta-pinch de campo reverso 200 são thetapinches de campo reverso padrão (FRTPs), embora com um sistema de formação de potência pulsada avançado discutido em detalhes abaixo (vide as Figuras 4 a 6). Cada seção de formação 200 é feita de tubos de quartzo opacos padrão de nível industrial dotados de um forro interno de 2 milímetros de quartzo ultrapuro. A câmara de confinamento 100 é feita de aço inoxidável para permitir uma grande quantidade de portas radiais e tangenciais; a mesma também serve como um conservador de fluxo durante o curso dos experimentos descritos abaixo e limita transientes magnéticos rápidos. Vácuos são criados e mantidos dentro do sistema de CCR 10 por um conjunto de bombas de desbaste rotativas a seco, bombas turbomoleculares e criobombas.

Sistema magnético

[042]O sistema magnético 400 é ilustrado nas Figuras 2 e 3. A Figura 2, dentre outros recursos, ilustra um fluxo magnético de CCR e contornos de densidade (como funções das coordenadas radiais e axiais) pertencentes a uma CCR 450 produzível pelo sistema de CCR 10. Esses contornos foram obtidos por um estímulo numérico de Hall-MHD 2-D resistivo usando um código desenvolvido para estimular sistemas e métodos correspondentes ao sistema de CCR 10, e consentem bem com os dados experimentais medidos. Conforme observado na Figura 2, a CCR 450 consiste em um toro de linhas de campo fechado no interior 453 da CCR 450 dentro de uma separatriz 451, e de uma camada de borda anular 456 nas linhas de campo aberto 452 fora do separatriz 451. A camada de borda 456 se coalesce em jatos 454 além do comprimento de CCR, proporcionando um derivador natural.

[043]O sistema magnético principal 410 inclui uma série de bobinas semi-dc 412, 414 e 416 que ficam situadas em posições axiais particulares ao longo dos componentes, isto é, ao longo da câmara de confinamento 100, das seções de formação 200 e dos derivadores 300, do sistema de CCR 10. As bobinas semi-dc 412, 414 e 416 são alimentadas por fontes de alimentação de comutação semi-dc e produzem campos de polarização magnética básica de cerca de 0,1 T na câmara de confinamento 100, nas seções de formação 200 e nos derivadores 300. Além das bobinas semi-dc 412, 414 e 416, o sistema magnético principal 410 inclui bobinas de reflexão semi-dc 420 (alimentadas por fontes de comutação) entre a extremidade da câmara de confinamento 100 e as seções de formação adjacentes 200. As bobinas de reflexão semi-dc 420 proporcionam razões de espelho magnéticas de até 5 e podem ser independentemente energizadas para um controle de conformação em equilíbrio. Além disso, plugues de espelho 440 são posicionados entre cada uma das seções de formação 200 e derivadores 300. Os plugues de espelho 440 compreendem bobinas de reflexão semi-dc compactas 430 e bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas de reflexão semi-dc 430 incluem três bobinas 432, 434 e 436 (alimentadas por fontes de comutação) que produzem campos de orientação adicionais para focalizar as superfícies de fluxo magnético 455 em direção à passagem de diâmetro pequeno 442 que passa através das bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas de plugue de espelho 444, que se enrolam em torno da passagem de diâmetro pequeno 442 e são alimentadas por um conjunto de circuitos de potência pulsada LC, produzem campos de espelho magnéticos fortes de até 4 T. O propósito da disposição de bobinas consiste em enfeixar firmemente e guiar as superfícies de fluxo magnético 455 e jatos de plasma de vazão final 454 nas câmaras remotas 310 dos derivadores 300. Finalmente, um conjunto de “antenas” de bobina tipo sela 460 (vide a Figura 15) fica localizado fora da câmara de confinamento 100, duas em cada lado do plano intermediário, e são alimentadas por fintes de alimentação dc. As antenas de bobina tipo sela 460 podem ser configuradas para proporcionar um campo dipolar ou quadripolar magnético semi- estático de cerca de 0,01 T para controlar as instabilidades rotacionais e/ou controle de corrente de elétrons. As antenas de bobina tipo sela 460 podem proporcionar de modo flexível campos magnéticos que sejam simétricos ou anti-simétricos em torno do plano intermediário da máquina, dependendo da direção das correntes aplicadas. Sistemas de formação de potência pulsada

[044]Os sistemas de formação de potência pulsada 210 operam em um princípio de theta-pinch modificado. Existem dois sistemas que alimentam cada uma das seções de formação 200. As Figuras 4 a 6 ilustram os blocos de construção principais e a disposição dos sistemas de formação 210. O sistema de formação 210 é composto por uma disposição de potência pulsada modular que consiste em unidades individuais (=skids) 220 que energizam um subconjunto de bobinas 232 de uma montagem de alça 230 (=alças) que se enrolam em torno dos tubos de quartzo de formação 240. Cada skid 220 é composto por capacitores 221, indutores 223, comutadores de corrente altamente rápidos 225 e acionador associado 222 e conjunto de circuitos de descarga 224. No total, cada sistema de formação 210 armazena entre 350-400 kJ de energia capacitiva, que proporciona até 35 GW de potência para formar e acelerar as CCRs. A operação coordenada desses componentes é alcançada através de um acionador e sistema de controle do estado da técnica 222 e 224 que permite uma temporização sincronizada entre os sistemas de formação 210 em cada seção de formação 200 e minimiza a instabilidade de comutação a dezenas de nanossegundos. A vantagem desse design modular é sua operação flexível: as CCRs podem ser formadas in-situ e, então, aceleradas e injetadas (=formação estática) ou formadas e aceleradas ao mesmo tempo (=formação dinâmica). Injetores de feixe neutro

[045]Os feixes de átomo neutro 600 são implantados no sistema de CCR 10 para proporcionar aquecimento e acionamento de corrente, bem como desenvolver uma pressão de partícula rápida. Conforme mostrado nas Figuras 3A, 3B e 8, as linhas de feixe individual que compreendem sistemas injetores de feixe de átomo neutro 610 e 640 ficam localizadas ao redor da câmara de confinamento central 100 e injetam partículas rápidas tangencialmente ao plasma de CCR (e perpendicular ou em um ângulo normal ao eixo de simetria principal no recipiente de confinamento central 100) com um parâmetro de impacto de modo que a zona de retenção alvo se situa bem dentro da separatriz 451 (vide a Figura 2). Cada sistema injetor 610 e 640 é capaz de injetar até 1 MW de potência de feixe neutro no plasma de CCR com energias de partícula entre 20 e 40 keV. Os sistemas 610 e 640 se baseiam em fontes de extração com múltiplas aberturas de íon positivo e utilizam focalização geométrica, resfriamento inerte das redes de extração de íons e bombeamento diferencial. Sem considerar o uso de diferentes fontes de plasma, os sistemas 610 e 640 são primariamente diferenciados por seu design físico para satisfazer seus respectivos locais de montagem, produzindo capacidades de injeção lateral e superior. Componentes típicos desses injetores de feixe neutro são especificamente ilustrados na Figura 7 para os sistemas injetores laterais 610. Conforme mostrado na Figura 7, cada sistema de feixe neutro individual 610 inclui uma fonte de plasma de RF 612 em uma extremidade de entrada (a mesma é substituída por uma fonte de arco nos sistemas 640) com uma tela magnética 614 cobrindo a extremidade. Uma fonte óptica de íons e redes de aceleração 616 são acopladas à fonte de plasma 612 e uma válvula de passagem 620 é posicionada entre a fonte óptica de íons e redes de aceleração 616 e um neutralizador 622. Um ímã de deflexão 624 e um depósito de íons 628 ficam localizados entre o neutralizador 622 e um dispositivo de mira 630 na extremidade de saída. Um sistema de resfriamento compreende dois crio- refrigeradores 634, dois crio-painéis 636 e um invólucro de LN2 638. Esse design flexível permite a operação em uma faixa ampla de parâmetros de CCR.

[046]Uma configuração alternativa para os injetores de feixe de átomo neutro 600 é aquela que injeta partículas rápidas tangencialmente ao plasma de CCR, mas com um ângulo A menor que 90° em relação ao eixo de simetria principal no recipiente de confinamento central 100. Esses tipos de orientação dos injetores de feixe 615 são mostrados na Figura 3C. Além disso, os injetores de feixe 615 podem ser orientados de modo que os injetores de feixe 615 em qualquer lado do plano intermediário do recipiente de confinamento central 100 injetem suas partículas em direção ao plano intermediário. Finalmente, a posição axial desses sistemas de feixe 600 pode ser escolhida mais próxima ao plano intermediário. Essas modalidades de injeção alternativas facilitam uma opção de abastecimento mais central, que proporciona um melhor acoplamento dos feixes e uma maior eficiência de aprisionamento das partículas rápidas injetadas. Adicionalmente, dependendo do ângulo e da posição axial, essa disposição dos injetores de feixe 615 permite um controle mais direto e independente do alongamento axial e outras características da CCR 450. Por exemplo, injetar os feixes em um ângulo raso A em relação ao eixo de simetria principal do recipiente criará um plasma de CCR com extensão axial mais longa e temperatura inferior enquanto a escolha de um ângulo mais perpendicular A levará a um plasma axialmente mais curto, porém mais quente. Dessa maneira, o ângulo de injeção A e a localização dos injetores de feixe 615 podem ser otimizadas por diferentes propósitos. Além disso, esse angulamento e posicionamento dos injetores de feixe 615 pode permitir que feixes de maior energia (que é geralmente mais favorável para depositar mais potencia com uma divergência de feixe menor) sejam injetados em campos magnéticos menores do que seriam necessários para aprisionar esses feixes. Isso ocorre devido ao fato de o componente azimutal da energia que determina uma escala orbital de íon rápido (que se torna progressivamente menor à medida que o ângulo de injeção em relação ao eixo de simetria principal do recipiente é reduzido em uma energia de feixe constante). Adicionalmente, a injeção angulada em direção ao plano intermediário e com posições de feixe axial próximas ao plano intermediário aperfeiçoa o acoplamento de feixe-plasma, mesmo à medida que o plasma de CCR encolhe ou, de outro modo, axialmente se contrai durante o período de injeção. Injetor de péletes

[047]Para proporcionar um meio para injetar novas partículas e melhorar o controle do inventário de partículas de CCR, um injetor de péletes de 12 tambores 700 (vide, por exemplo, I. Vinyar et al., “Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A,” Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 27/09 a 01/10 (2010)) é utilizado no sistema de CCR 10. A Figura 3 ilustra o layout do injetor de péletes 700 no sistema de CCR 10. Os péletes cilíndricos (D ~ 1 mm, L ~ 1 a 2 mm) são injetados na CCR com uma velocidade na faixa de 150 a 250 km/s. Cada pélete individual contém cerca de 5xl019 átomos de hidrogênio, que é comparável ao inventário de partículas de CCR.

Sistemas de absorção

[048]Sabe-se que o gás halo neutro é um sério problema em todos os sistemas de confinamento. Os processos de troca de carga e reciclagem (liberação de material de impureza frio da parede) podem ter um efeito devastador sobre a energia e confinamento de partículas. Além disso, qualquer densidade significativa de gás neutro em ou próxima à borda levará a perdas imediatas de vida útil, ou pelo menos abreviar consideravelmente a mesma, de partículas de órbita grande injetadas (alta energia) (órbita grande se refere a partículas tendo órbitas na escala da topologia de CCR ou pelo menos raios orbitais muito maiores que a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característico) - um fato que é prejudicial a todas as aplicações de plasma energético, incluindo fusão através de aquecimento de feixe auxiliar.

[049]Condicionamento de superfície consiste em um meio através do qual os efeitos prejudiciais de gás neutro e impurezas pode ser controlado ou reduzido em um sistema de confinamento. Nesse sentido, o sistema de CCR 10 proporcionado no presente documento emprega sistemas de deposição de Titânio e Lítio 810 e 820 que revestem as superfícies de revestimento de plasma da câmara (ou recipiente) de confinamento 100 e derivadores 300 com películas (espessura de dezenas de micrômetros) de Ti e/ou Li. Os revestimentos são obtidos através de técnicas de deposição a vapor. Li e/ou Ti sólidos são evaporados e/ou sublimados e aspergidos sobre superfícies próximas para formar os revestimentos. As fontes são fornos atômicos com bocais guia (no caso de Li) 822 ou esferas aquecidas de sólido com invólucro guia (no caso de Ti) 812. Os sistemas evaporadores de Li tipicamente operam em um modo contínuo enquanto os sublimadores de Ti são predominantemente operados de modo intermitente entre a operação de plasma. As temperaturas de operação desses sistemas são superiores a 600°C para obter taxas de deposição rápidas. Para obter uma boa cobertura de parede, são necessários múltiplos sistemas evaporadores/sublimadores estrategicamente localizados. A Figura 9 detalha uma disposição preferencial dos sistemas de deposição por absorção 810 e 820 no sistema de CCR 10. Os revestimentos atuam como superfícies de absorção e efetivamente bombeiam espécies hidrogênicas atômicas e moleculares (H e D). Os revestimentos também reduzem outras impurezas típicas, como Carbono e Oxigênio a níveis insignificantes.

Plugues de espelho

[050]Conforme declarado acima, o sistema de CCR 10 emprega conjuntos de bobinas de espelho 420, 430 e 444 conforme mostrado nas Figuras 2 e 3. Um primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 fica localizado nas duas extremidades axiais da câmara de confinamento 100 e é energizado independentemente das bobinas de confinamento 412, 414 e 416 do sistema magnético principal 410. O primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 primariamente ajuda a dirigir e conter axialmente a CCR 450 durante a união e proporciona um controle de conformação em equilíbrio durante a sustentação. O primeiro conjunto de bobina de espelho 420 produz campos magnéticos nominalmente superiores (em torno de 0,4 a 0,5 T) ao campo de confinamento central produzido pelas bobinas de confinamento central 412. O segundo conjunto de bobinas de espelho 430, que inclui três bobinas de reflexão semi-dc compactas 432, 434 e 436, é localizado entre as seções de formação 200 e os derivadores 300 e são acionados por uma fonte de alimentação de comutação comum. As bobinas de espelho 432, 434 e 436, junto às bobinas de plugue de espelho pulsadas mais compactas 444 (alimentadas por uma fonte de alimentação capacitiva) e a constrição física 442 formam plugues de espelho 440 que proporcionam uma trajetória de condutância de gás baixa estreita com campos magnéticos muito altos (entre 2 e 4 T com tempos de resposta de cerca de 10 a 20 ms). A maioria das bobinas de espelho pulsadas compactas 444 tem dimensões radiais compactas, furo de 20 cm e comprimento similar, comparado ao design de furo e panqueca tipo meter-plus-scale das bobinas de confinamento 412, 414 e 416. O propósito dos plugues de espelho 440 é variado: (1) As bobinas 432, 434, 436 e 444 enfeixam firmemente e guiam as superfícies de fluxo magnético 452 e jatos de plasma de vazão final 454 nas câmaras derivadoras remotas 300. Isso garante que as partículas de escape alcancem os derivadores 300 apropriadamente e que existem superfícies de fluxo contínuo 455 que seguem a partir da região de linha de campo aberto 452 da CCR central 450 até os derivadores 300. (2) As constrições físicas 442 no sistema de CCR 10, através do qual essas bobinas 432, 434, 436 e 444 permitem a passagem das superfícies de fluxo magnético 452 e jatos de plasma 454, proporcionam um impedimento a um fluxo de gás neutro a partir das pistolas de plasma 350 que se assentam nos derivadores 300. Na mesma disposição, as constrições 442 evitam uma retro-vazão de gás a partir das seções de formação 200 aos derivadores 300 reduzindo, assim, o número de partículas neutras que precisam ser introduzidas em todo o sistema de CCR 10 ao começar a inicialização de uma CCR. (3) Os espelhos axiais fortes produzidos pelas bobinas 432, 434, 436 e 444 reduzem as perdas de partículas e, desse modo, reduzem a difusidade de partícula paralela em linhas de campo aberto.

Pistolas de plasma axiais

[051]Os fluxos de plasma das pistolas 350 montadas nas câmaras derivadoras 310 dos derivadores 300 são destinados a aperfeiçoar a estabilidade e o desempenho de feixes neutros. As pistolas 350 são montadas no eixo geométrico dentro da câmara 310 dos derivadores 300 conforme ilustrado nas Figuras 3 e 10 e produzem plasma fluindo ao longo das linhas de fluxo aberto 452 no derivador 300 e em direção ao centro da câmara de confinamento 100. As pistolas 350 operam em uma descarga de gás de alta densidade em um canal de arruela-pilha e são projetadas para gerar vários quiloampères de plasma totalmente ionizado durante 5 a 10 ms. As pistolas 350 incluem uma bobina magnética pulsada que corresponde ao fluxo de plasma de saída com o tamanho desejado do plasma na câmara de confinamento 100. Os parâmetros técnicos das pistolas 350 são caracterizados por um canal tendo um diâmetro externo de 5 a 13 cm e até um diâmetro interno de cerca de 10 cm e proporcionam uma corrente de descarga de 10 a 15 kA em 400 a 600 V com um campo magnético interno de pistola entre 0,5 e 2,3 T.

[052]Os fluxos de plasma de pistola podem penetrar nos campos magnéticos dos plugues de espelho 440 e fluir na seção de formação 200 e na câmara de confinamento 100. A eficiência da transferência de plasma através do plugue de espelho 440 aumenta com a redução da distância entre a pistola 350 e o plugue 440 e tornando-se a pistola 440 mais larga e mais curta. Sob condições razoáveis, as pistolas 350 podem distribuir aproximadamente 1022 prótons/s através dos plugues de espelho de 2 a 4 T 440 com altas temperaturas de íons e elétrons de cerca de 150 a 300 eV e cerca de 40 a 50 eV, respectivamente. As pistolas 350 proporcionam um reabastecimento significativo da camada de borda de CCR 456, e um confinamento de partículas de CCR geral aperfeiçoado.

[053]Para aumentar ainda mais a densidade de plasma, uma caixa de gás poderia ser utilizada para soprar gás adicional no fluxo de plasma a partir das pistolas 350. Essa técnica permite um aumento de várias vezes na densidade de plasma injetado. No sistema de CCR 10, uma caixa de gás instalada no lado do derivador 300 dos plugues de espelho 440 aperfeiçoa o reabastecimento da camada de borda de CCR 456, a formação da CCR 450, e aperto linear de plasma.

[054]Dados todos os parâmetros de ajuste discutidos anteriormente e também levando-se em consideração que a operação com apenas uma ou ambas as pistolas é possível, fica prontamente aparente que um amplo espectro de modos de operação é acessível.

Eletrodos de polarização

[055]A polarização elétrica de superfícies de campo aberto podem proporcionar potenciais radiais que provocam o movimento ExB azimutal que proporciona um mecanismo de controle, análogo a girar um botão, para controlar a rotação do plasma de linha de campo aberto, bem como o núcleo de CCR atual 450 através de cisalhamento de velocidade. Para realizar esse controle, o sistema de CCR 10 emprega vários eletrodos estrategicamente colocados em várias partes da máquina. A Figura 3 descreve eletrodos de polarização posicionados em locais preferenciais dentro do sistema de CCR 10.

[056]Em princípio, existem 4 classes de eletrodos: (1) eletrodos de ponto 905 na câmara de confinamento 100 que fazem contato com linhas de campo aberto particulares 452 na borda da CCR 450 para proporcionar um carregamento local, (2) eletrodos anulares 900 entre a câmara de confinamento 100 e as seções de formação 200 para carregar camadas de fluxo de borda afastada 456 em uma maneira azimutalmente simétrica, (3) pilhas de eletrodos concêntricos 910 nos derivadores 300 para carregar múltiplas camadas de fluxo concêntrico 455 (desse modo, a seleção de camadas é controlável por bobinas de ajuste 416 para ajustar o campo magnético derivador a fim de encerrar as camadas de fluxo desejado 456 em eletrodos apropriados 910), e, finalmente, (4) os ânodos 920 (vide a Figura 10) das próprias pistolas de plasma 350 (que interceptam superfícies internas de campo aberto 455 próximas à separatriz da CCR 450). As Figuras 10 e 11 mostram alguns designs típicos para alguns desses.

[057]Em todos os casos, esses eletrodos são acionados por fontes de potência pulsada ou dc em tensões de até cerca de 800 V. Dependendo do tamanho do eletrodo e quais superfícies de fluxo são cruzadas, as correntes podem ser extraídas na faixa de quilo-ampère range.

Operação não-sustentada do sistema de CCR - regime convencional

[058]A formação de plasma padrão no sistema de CCR 10 segue a técnica tipo theta-pinch de campo reverso bem desenvolvida. Um processo típico para iniciar uma CCR começa acionando-se as bobinas semi-dc 412, 414, 416, 420, 432, 434 e 436 à operação em estado estacionário. Os circuitos de potência pulsada de RFTP dos sistemas de formação de potência pulsada 210 acionam as bobinas de campo magnético de campo reverso rapidamente pulsado 232 para criar uma polarização reversa temporária de cerca de -0,05 T nas seções de formação 200. Nesse ponto, uma quantidade predeterminada de gás neutro em 0,62 a 1,38 bar (9 a 20 psi) é injetada nos dois volumes de formação definidos pelas câmaras de tubo de quartzo 240 das seções de formação (norte e sul) 200 através de um conjunto de válvulas de sopro azimutalmente orientadas em flanges situados nas extremidades externas das seções de formação 200. A seguir, gera-se um pequeno campo de RF (~ centenas de kilo-hertz) a partir de um conjunto de antenas na superfície dos tubos de quartzo 240 para criar uma pré-ionização sob a forma de regiões de ionização de alimentação local dentro das colunas de gás neutro. Isso é seguido aplicando-se uma modulação tipo theta-ringing na corrente que aciona as bobinas de campo magnético de campo reverso rapidamente pulsado 232, que leva a uma pré- ionização mais global das colunas de gás. Finalmente, os bancos de potência pulsada principal dos sistemas de formação de potência pulsada 210 são induzidos a acionarem bobinas de campo magnético de campo reverso rapidamente pulsado 232 para criar um campo polarizado diretamente de até 0,4 T. Essa etapa pode ser sequenciada em tempo de modo que o campo polarizado diretamente seja gerado uniformemente ao longo do comprimento dos tubos de formação 240 (formação estática) ou de modo que uma modulação de campo peristáltico consecutivo seja alcançado ao longo do eixo geométrico dos tubos de formação 240 (formação dinâmica).

[059]Nesse processo de formação completo, a reversão de campo atual no plasma ocorre rapidamente, dentro de cerca de 5 μs. A potência pulsada de multigigawatt distribuída ao plasma de formação produz prontamente CCRs quentes que são, então, ejetadas a partir das seções de formação 200 através da aplicação de uma modulação sequenciada em tempo do campo magnético direto (peristalse magnética) ou correntes temporariamente aumentadas nas últimas bobinas dos conjuntos de bobinas 232 próximos às extremidades externas axiais dos tubos de formação 210 (formando um gradiente de campo magnético axial que aponta axialmente em direção à câmara de confinamento 100). As duas CCRs de formação (norte e sul) assim formadas e aceleradas se expandem na câmara de confinamento de diâmetro maior 100, onde as bobinas semi-dc 412 produzem um campo polarizado diretamente para controlar a expansão radial e proporcionar um fluxo magnético externo em equilíbrio.

[060]Uma vez que as CCRs de formação norte e sul chegarem próximas ao plano intermediário da câmara de confinamento 100, as CCRs se colidem. Durante a colisão, as energias cinéticas axiais das CCRs de formação norte e sul são consideravelmente termalizadas à medida que as CCRs se unem ultimamente em uma CCR única 450. Um grande conjunto de diagnósticos de plasma se encontra disponível na câmara de confinamento 100 para estudar os equilíbrios da CCR 450. Condições operacionais típicas no sistema de CCR 10 produzem CCRs de composto com raios de separatriz de cerca de 0,4 m e extensão axial de cerca de 3 m. Outras características são campos magnéticos externos de cerca de 0,1 T, densidades de plasma de cerca de 5x1019 m-3 e temperatura de plasma total de até 1 keV. Sem qualquer sustentação, isto é, sem aquecimento e/ou acionamento de corrente através de injeção de feixe neutro ou outros meios auxiliares, a vida útil dessas CCRs é limitada a cerca de 1 ms, o tempo de decaimento de configuração característica nativa.

Dados experimentais de operação não-sustentada - regime convencional

[061]A Figura 12 mostra uma evolução de tempo típica do raio de fluxo excluído, rΔΦ, que se aproxima do raio de separatriz, rs, para ilustrar a dinâmica do processo de união tipo theta-pinch da CCR 450. Os dois plasmóides (norte e sul) individuais são produzidos simultaneamente e, então, acelerados para fora das respectivas seções de formação 200 em uma velocidade supersônica, vZ ~ 250 km/s, e se colidem próximos ao plano intermediário at z = 0. Durante a colisão, os plasmóides se comprimem axialmente, seguidos por uma rápida expansão radial e axial, antes de se unirem eventualmente para formar uma CCR 450. As dinâmicas radial e axial da CCR de união 450 são evidenciadas por medições de perfil de densidade detalhada e tomografia baseada em bolômetro.

[062]Os dados de uma descarga não-sustentada representativa do sistema de CCR 10 são mostrados como funções de tempo na Figura 13. A CCR é iniciada em t = 0. O raio de fluxo excluído no plano intermediário axial da máquina é mostrado na Figura 13(a). Esses dados são obtidos a partir de um arranjo de sondas magnéticas, situadas dentro da parede de aço inoxidável da câmara de confinamento, que mede o campo magnético axial. A parede de aço é um bom conservador de fluxo nas escalas de tempo dessa descarga.

[063]As densidades integradas em linha são mostradas na Figura 13(b), a partir de um interferômetro de CO2/He-Ne de 6 cordas situado em z = 0. Levando-se em consideração o deslocamento de CCR vertical (y), conforme medido por tomografia bolométrica, a inversão de Abel produz contornos de densidade das Figuras 13(c). Após alguma agitação axial e radial durante o primeiro 0,1 ms, a CCR se estabelece com um perfil de densidade vazado. Esse perfil é razoavelmente plano, com densidade substancial em eixo geométrico, conforme requerido por equilíbrios de CCR 2-D típicos.

[064]A temperatura de plasma total é mostrada na Figura 13(d), derivada a partir do equilíbrio de pressão e totalmente consistente às medições de dispersão de Thomson e espectroscopia.

[065]A análise do arranjo de fluxo excluído total indica que o formato da separatriz de CCR (aproximado pelos perfis axiais de fluxo excluído) se desenvolve gradualmente a partir de pista de corrida para elíptico. Essa evolução, mostrada na Figura 14, é consistente a uma reconexão magnética gradual a partir de dois a uma CCR única. De fato, estimativas aproximadas sugerem que nesse caso particular cerca de 10% dos dois fluxos magnéticos de CCR iniciais se reconectam durante a colisão.

[066]O comprimento de CCR encolhe constantemente de 3 até cerca de 1 m durante a vida útil de CCR. Esse encolhimento, visível na Figura 14, sugere que a perda de energia predominantemente convectiva domina o confinamento de CCR. À medida que a pressão de plasma dentro da separatriz diminui mais rápido que a pressão magnética externa, a tensão linear de campo magnético nas regiões de extremidade comprime a CCR axialmente, restaurando o equilíbrio axial e radial. Para a descarga discutida nas Figuras 13 e 14, o fluxo magnético de CCR, inventário de partículas, e a energia térmica (cerca de 10 mWb, 7x1019 partículas, e 7 kJ, respectivamente) diminui aproximadamente por uma ordem de magnitude no primeiro milissegundo, quando o equilíbrio de CCR aparentar diminuir.

Operação sustentada - regime de HPF

[067]Os exemplos nas Figuras 12 a 14 são característicos de CCRs em decaimento sem qualquer sustentação. No entanto, implantam-se várias técnicas no sistema de CCR 10 para aperfeiçoar adicionalmente o confinamento de CCR (núcleo interno e camada de borda) ao regime de HPF e sustentar a configuração.

Feixes neutros

[068]Primeiramente, os neutros rápidos (H) são injetados perpendicularmente a Bz em feixes dos oito injetores de feixe neutros 600. Os feixes de neutros rápidos são injetados a partir do momento em que as CCRs de formação norte e sul se unem na câmara de confinamento 100 em uma CCR 450. Os íons rápidos, criados primariamente por troca de carga, têm órbitas de betatron (com raios primários na escala topologia de CCR ou pelo menos muito maior que a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característico) que adiciona à corrente azimutal da CCR 450. Após alguma fração da descarga (após 0,5 a 0,8 ms nenhum disparo), uma população de íons rápidos suficientemente grandes aperfeiçoa significativamente as propriedades de estabilidade e confinamento da CCR interna (vide, por exemplo, M.W. Binderbauer and N. Rostoker, Plasma Phys. 56, parte 3, 451 (1996)). Adicionalmente, a partir de uma perspectiva de sustentação, os feixes dos injetores de feixe neutro 600 também são os meios primários para conduzir corrente e aquecer o plasma de CCR.

[069]No regime de plasma do sistema de CCR 10, os íons rápidos se desaceleram primariamente em elétrons de plasma. Durante a parte precoce de uma descarga, tempos de desaceleração em órbita média típica de íons rápidos são 0,3 a 0,5 ms, que resulta em um aquecimento de CCR significativo, primariamente de elétrons. Os íons rápidos fazem grandes excursões radiais fora da separatriz porque o campo magnético de CCR interno é inerentemente baixo (cerca de 0,03 T em média para um campo axial externo de 0,1 T). Os íons rápidos estariam vulneráveis a perda de troca de carga, se a densidade de gás neutro estivesse muito alta fora da separatriz. Portanto, absorção de parede e outras técnicas (como pistola de plasma 350 e plugues de espelho 440 que contribuem, dentre outras coisas, para controle de gás) implantadas no sistema de CCR 10 tendem a minimizar os neutros de borda e habilitam o acúmulo requerido de corrente de íon rápido.

Injeção de péletes

[070]Quando uma população de íons significativamente rápida for construída na CCR 450, com temperaturas de elétron superiores e vidas úteis de CCR mais longas, péletes de H ou D congelados são injetados na CCR 450 a partir do injetor de péletes 700 para sustentar o inventário de partícula de CCR da CCR 450. Os prazos de execução de ablação antecipados são suficientemente curtos para proporcionar uma fonte de partícula de CCR significativa. Essa taxa também pode ser aumentada ampliando-se a área superficial da peça injetada fragmentando-se o pélete individual em fragmentos menores enquanto estiverem nos tambores ou tubos de injeção do injetor de péletes 700 e antes de entrarem na câmara de confinamento 100, uma etapa que pode ser alcançada aumentando-se o atrito entre o pélete e as paredes do tubo de injeção apertando-se o raio de flexão do último segmento do tubo de injeção logo antes da entrada na câmara de confinamento 100. Em virtude da variação da sequência e taxa de ignição dos 12 tambores (tubos de injeção) bem como da fragmentação, é possível afinar o sistema de injeção de pélete 700 para proporcionar somente o nível desejado de sustentação de inventário de partícula. Sucessivamente, isso ajuda a manter a pressão cinética interna na CCR 450 e a operação sustentada e vida útil da CCR 450.

[071]Uma vez que os átomos ablados encontrarem um plasma significativo na CCR 450, eles se tornam totalmente ionizados. O componente de plasma frio resultante é, então, colisionalmente aquecido pelo plasma de CCR nativo. A energia necessária para manter uma temperatura de CCR desejada é essencialmente fornecida pelos injetores de feixe 600. Nesse sentido, os injetores de péletes 700 juntos aos injetores de feixe neutro 600 formam o sistema que mantém um estado estacionário e sustenta a CCR 450.

Bobinas tipo sela

[072]Para alcançar uma corrente em estado estacionário, conduzir e manter uma corrente de íons requerida, é desejável evitar ou reduzir significativamente o giro ascendente de elétrons devido à força de atrito de elétron iônico (resultante a partir da transferência do ímpeto de elétron iônico colisional). O sistema de CCR 10 utiliza uma técnica inovadora para proporcionar uma ruptura de elétrons através de um campo dipolar ou quadripolar magnético estático externamente aplicado. Isso é realizado através das bobinas tipo sela externas 460 descritas na Figura 15. O campo magnético radial transversalmente aplicado a partir das bobinas tipo sela 460 induz um campo elétrico axial no plasma de CCR giratório. A corrente de elétron axial resultante interage com o campo magnético radial para produzir uma força de ruptura azimutal nos elétrons, Fθ=-αVeθ<|Brl2>. Para condições típicas no sistema de CCR 10, o campo dipolar (ou quadripolar) magnético aplicado requerido dentro do plasma precisa ser somente de ordem 0,001 T para proporcionar uma ruptura de elétron adequada. O campo externo correspondente de cerca de 0,015 T é pequeno suficiente para não causar perdas consideráveis de partículas rápidas ou, de outro modo, impactar negativamente o confinamento. De fato, o campo dipolar (ou quadripolar) magnético aplicado contribui para suprimir instabilidades. Em combinação com injeção de feixe neutro tangencial e injeção de plasma axial, as bobinas tipo sela 460 proporcionam um nível adicional de controle em relação à manutenção de corrente e estabilidade.

Plugues de espelho

[073]O design das bobinas pulsadas 444 dentro dos plugues de espelho 440 permite uma geração local de altos campos magnéticos (2 a 4 T) com energia capacitiva modesta (cerca de 100 kJ). Para formação de campos magnéticos típicos da presente operação do sistema de CCR 10, todas as linhas de campo dentro do volume de formação estão passando através das constrições 442 nos plugues de espelho 440, conforme sugerido pelas linhas de campo magnético na Figura 2 e o contato de parede de plasma não ocorre. Adicionalmente, os plugues de espelho 440 em tandem com os ímãs derivadores semi-dc 416 podem ser ajustados a fim de guiarem as linhas de campo nos eletrodos derivadores 910, ou alargar as linhas de campo em uma configuração cúspide de extremidade (não mostrada). Essa última aperfeiçoa a estabilidade de suprime a condução térmica de elétrons paralela.

[074]Os próprios plugues de espelho 440 também contribuem para o controle de gás neutro. Os plugues de espelho 440 permitem uma melhor utilização do gás deutério soprado nos tubos de quartzo durante a formação de CCR, visto que a retro-vazão de gás nos derivadores 300 é significativamente reduzida pela condutância de gás pequena dos plugues (escassos 500 L/s). A maior parte do gás residual soprado dentro dos tubos de formação 210 é rapidamente ionizada. Além disso, o plasma de alta densidade que flui através dos plugues de espelho 440 proporciona uma ionização neutra eficiente, logo, uma barreira de gás efetiva. Como resultado, a maior parte dos neutros reciclados nos derivadores 300 a partir da camada de borda de CCR 456 não retorna à câmara de confinamento 100. Além disso, os neutros associados à operação das pistolas de plasma 350 (conforme discutido abaixo) serão principalmente confinados aos derivadores 300.

[075]Finalmente, os plugues de espelho 440 tendem a aperfeiçoar o confinamento de camada de borda de CCR. Com razões de espelho (plugue/campos magnéticos de confinamento) na faixa 20 a 40, e com um comprimento de 15 m entre os plugues de espelho norte e sul 440, o tempo de confinamento de partículas na camada de borda TH aumenta até uma ordem de magnitude. Aperfeiçoar TH aumenta prontamente o confinamento de partículas de CCR.

[076]Supondo-se uma perda de partícula difusa radial (D) a partir do volume de separatriz 453 equilibrado pela perda axial (TH) a partir da camada de borda 456, obtém-se (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/TH), a partir do qual o comprimento de gradiente de densidade de separatriz pode ser reescrito como δ = (DTH)1/2. Aqui rs, Ls e ns são: raio de separatriz, comprimento de separatriz e densidade de separatriz, respectivamente. O tempo de confinamento de partículas de CCR é tN = [πrs2Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(Trcii)1/2, onde T± = a2/D com a=rs/4. Fisicamente, aperfeiçoar th leva a um δ aumentado (gradiente de densidade de separatriz reduzido e parâmetro de flutuação), e, portanto, perda de partícula de CCR reduzida. O aperfeiçoamento geral em confinamento de partículas de CCR é geralmente de alguma forma menor que quadrático porque ns aumenta com th.

[077]Um aperfeiçoamento significativo em th também requer que a camada de borda 456 permaneça excessivamente estável (isto é, nenhuma estria n = 1, extintor de incêndio, ou outra instabilidade de MHD típica de sistemas abertos). O uso das pistolas de plasma 350 proporciona essa estabilidade de borda preferencial. Nesse sentido, os plugues de espelho 440 e a pistola de plasma 350 formam um sistema de controle de borda eficaz.

Pistolas de plasma

[078]As pistolas de plasma 350 aperfeiçoam a estabilidade dos jatos de escape de CCR 454 por aperto linear. Os plasmas das pistolas de plasma 350 são gerados sem um momento angular azimutal, que se prova útil em controlar instabilidades rotacionais de CCR. Como tais, as pistolas 350 consistem em um meio eficaz para controlar a estabilidade de CCR sem a necessidade por uma técnica de estabilização quadripolar mais antiga. Como resultado, as pistolas de plasma 350 tornam possível levar vantagem dos efeitos benéficos de partículas rápidas ou acessar o regime de CCR cinético híbrido avançado CCR conforme exposto nesta revelação. Portanto, as pistolas de plasma 350 permitem que o sistema de CCR 10 seja operado com correntes de bobina tipo sela adequadas para ruptura de elétrons, mas abaixo do limiar que causaria instabilidade de CCR e/ou levaria à difusão de partícula rápida dramática.

[079]Conforme supramencionado na discussão do Plugue de espelho, se TH pode ser significativamente aperfeiçoado, o plasma de pistola fornecido seriam comparável à taxa de perda de partícula de camada de borda (~ 1022 /s). A vida útil do plasma produzido por pistola no sistema de CCR 10 está na faixa dos milissegundos. De fato, considera-se o plasma de pistola com densidade ne ~ 1013 cm-3 e temperatura de íon de cerca de 200 eV, confinado entre os plugues de espelho de extremidade 440. O comprimento de alça L e a razão de espelho R são cerca de 15 m e 20, respectivamente. A trajetória livre média de íons devido a colisões de Coulomb é igual a ÀÜ ~ 6x103 cm e, visto que ÀülnR/R < L, os íons são confinados no regime dinâmico de gás. O tempo de confinamento de plasma nesse regime é igual a tgd ~ RL/2Vs ~ 2 ms, onde Vs é a velocidade sonora de íon. A título de comparação, o tempo de confinamento de íon clássico para esses parâmetros de plasma seria tc ~ 0,5tii(lnR + (lnR)0.5) ~ 0,7 ms. A difusão transversal anômala pode, em princípio, encurtar o tempo de confinamento de plasma. No entanto, no sistema de CCR 10, assume-se a taxa de difusão de Bohm, o tempo de confinamento transversal estimado para o plasma de pistola é igual a T± > Tgd ~ 2 ms. Logo, as pistolas proporcionariam um reabastecimento significativo da camada de borda de CCR 456, e um confinamento de partículas de CCR geral aperfeiçoado.

[080]Adicionalmente, os fluxos de plasma de pistola podem ser ajustados em cerca de 150 a 200 microssegundos, permitindo o uso em inicialização de CCR, translação, e união na câmara de confinamento 100. Se for ajustado em cerca de t ~ 0 (iniciação de banco principal de CCR), os plasmas de pistola ajudam a sustentar a presente CCR dinamicamente formada e unida 450. Os inventários de partículas combinados a partir das CCRs de formação e das pistolas são adequados par captura de feixe neutro, aquecimento de plasma e sustentação longa. Se for ajustado em t na faixa de -1 a 0 ms, os plasmas de pistola podem preencher os tubos de quartzo 210 com plasma ou ionizar o gás soprado nos tubos de quartzo, permitindo, assim, a formação de CCR com gás soprado reduzido ou até mesmo talvez igual a zero. O último pode requer plasma de formação suficientemente frio para permitir uma difusão rápida do campo magnético de polarização reversa. Se for ajustado em t < -2 ms, os fluxos de plasma poderiam preencher o volume linear de campo de cerca de 1 a 3 m3 das regiões de formação e confinamento das seções de formação 200 e câmara de confinamento 100 com uma densidade de plasma alvo de alguns 1013 cm-3, suficiente para permitir um acúmulo de feixe neutro antes da chegada da CCR. As CCRs de formação poderiam, então, ser formadas e transladadas no plasma de recipiente de confinamento resultante. Dessa forma, as pistolas de plasma 350 permitem uma ampla variedade de condições de operação e regimes de parâmetro.

Polarização elétrica

[081]O controle do perfil de campo elétrico radial na camada de borda 456 é benéfico de várias formas para estabilidade e confinamento de CCR. Em virtude dos componentes de polarização inovadores implantados no sistema de CCR 10, é possível aplicar uma variedade de distribuições deliberadas de potenciais elétricos a um grupo de superfícies de campo aberto ao longo da máquina a partir de áreas extremamente fora da região de confinamento central na câmara de confinamento 100. Dessa forma, os campos elétricos radiais podem ser gerados através da camada de borda 456 fora da CCR 450. Então, esses campos elétricos radiais modificam a rotação azimutal da camada de borda 456 e efetua seu confinamento através do cisalhamento de velocidade ExB. Qualquer rotação diferencial entre a camada de borda 456 e o núcleo de CCR 453 pode, então, ser transmitida para dentro do plasma de CCR por cisalhamento. Como resultado, o controle da camada de borda 456 impacta diretamente o núcleo de CCR 453. Adicionalmente, visto que a energia livre na rotação de plasma também pode ser responsável por instabilidades, essa técnica proporciona um meio direto para controlar o princípio e o desenvolvimento de instabilidades. No sistema de CCR 10, uma polarização de borda apropriada proporciona um controle eficaz de transporte e rotação linear em campo, bem como a rotação de núcleo de CCR. A localização e o formato dos vários eletrodos 900, 905, 910 e 920 proporcionados permitem o controle de diferentes grupos de superfícies de fluxo 455 e em potenciais diferentes e independentes. Dessa forma, pode-se conceber um amplo arranjo de diferentes configurações e resistências de campo elétrico, cada um com impacto característico diferente sobre o desempenho de plasma.

[082]Uma vantagem fundamental dessas técnicas de polarização inovadoras é o fato de que o comportamento plasmático de núcleo e borda pode ser efetuado fora do plasma de CCR, isto é, não há necessidade de colocar componentes físicos em contato com o plasma quente central (o que teria graves implicações para perdas de energia, fluxo e partícula). Isso representa um grande impacto benéfico sobre o desempenho e todas as aplicações potenciais do conceito de HPF.

Dados experimentais - operação de HPF

[083]A injeção de partículas rápidas através de feixes das pistolas de feixe neutro 600 representa um papel importante em permitir o regime de HPF. A Figura 16 ilustra esse fato. Descreve-se um conjunto de curvas que mostram como a vida útil de CCR se correlaciona com o comprimento dos pulsos de feixe. Todas as outras condições operacionais são mantidas constantes para todas as descargas que compreendem esse estudo. Calcula-se a média dos dados através de muitos disparos e, portanto, representa um comportamento típico. Fica claramente evidente que uma duração de feixe mais longa produz CCRs com vida útil maior. Observando-se essa evidência, bem como outros diagnósticos durante esse estudo, demonstra-se que os feixes aumentam a estabilidade e reduz as perdas. A correlação entre o comprimento de pulso de feixe e a vida útil de CCR não é perfeita visto que o aprisionamento de feixe se torna ineficaz abaixo de um determinado tamanho de plasma, isto é, à medida que a CCR 450 encolhe em tamanho físico nem todos os feixes injetados são interceptados e aprisionados. O encolhimento da CCR ocorre primariamente devido ao fato de que a perda de energia líquida (~ 4 MW cerca de metade da descarga) a partir do plasma de CCR durante a descarga é de alguma forma maior que a potência total alimentada na CCR através dos feixes neutros (~2,5 MW) para o ajuste experimental particular. Localizar os feixes em uma localização mais próxima ao plano intermediário do recipiente 100 tenderia a reduzir essas perdas e estender a vida útil de CCR.

[084]A Figura 17 ilustra os efeitos de diferentes componentes para alcançar o regime de HPF. Mostra-se uma família de curvas típicas que descrevem a vida útil da CCR 450 como uma função de tempo. Em todos os casos, uma quantidade constante e modesta de potência de feixe (cerca de 2,5 MW) é injetada ao longo de toda a duração de cada descarga. Cada curva é representativa de uma combinação diferente de componentes. Por exemplo, a operação do sistema de CCR 10 sem quaisquer plugues de espelho 440, pistolas de plasma 350 ou a absorção dos sistemas de absorção 800 resulta em um princípio rápido de instabilidade rotacional e perda da topologia de CCR. A adição somente os plugues de espelho 440 retarda o princípio de instabilidades e aumenta o confinamento. A utilização da combinação de plugues de espelho 440 e uma pistola de plasma 350 reduz, ainda, as instabilidades e aumenta a vida útil de CCR. Finalmente, a adição da absorção (Ti nesse caso) no topo da pistola 350 e plugues 440 produz os melhores resultados - a CCR resultante é isenta de instabilidades e exibe a vida útil mais longa. Fica claro a partir dessa demonstração experimental que a combinação completa de componentes produz o melhor efeito e proporciona aos feixes as melhores condições alvo.

[085]Conforme mostrado na Figura 1, o regime de HPF recentemente constatado exibe um comportamento de transporte dramaticamente aperfeiçoado. A Figura 1 ilustra a alteração no tempo de confinamento de partículas no sistema de CCR 10 entre o regime convencional e o regime de HPF. Conforme se pode observar, aperfeiçoou-se consideravelmente um fator de 5 no regime de HPF. Além disso, a Figura 1 detalha o tempo de confinamento de partículas no sistema de CCR 10 em relação ao tempo de confinamento de partículas em experimentos de CCR convencionais prévios. Em relação essas outras máquinas, o regime de HPF do sistema de CCR 10 aperfeiçoou o confinamento por um fato entre 5 e próximo a 20. Finalmente e com maior importância, a natureza do escalonamento de confinamento do sistema de CCR 10 no regime de HPF é dramaticamente diferente de todas as medições anteriores. Antes do estabelecimento do regime de HPF no sistema de CCR 10, várias leis de escalonamento empíricas foram derivadas dos dados para prever os tempos de confinamento em experimentos de CCR prévios. Todas as regras de escalonamento dependem principalmente da razão R2/pi, onde R é o raio do campo magnético nulo (uma medição livre da escala física da máquina) e pi é o raio de Larmor de íons avaliado no campo externamente aplicado (uma medição livre do campo magnético aplicado). Fica claro a partir da Figura 1 que um confinamento longo em CCRs convencionais é possível somente em tamanho de grande de máquina e/ou campo magnético alto. A operação do sistema de CCR 10 no regime CR de CCR convencional tende a seguir essas regras de escalonamento, conforme indicado na Figura 1. No entanto, o regime de HPF é vastamente superior e mostra que um confinamento muito melhor é atingível sem um tamanho grande de máquina ou campos magnéticos altos. Com maior importância, também fica claro a partir da Figura 1 que o regime de HPF resulta em um tempo de confinamento aperfeiçoado com tamanho de plasma reduzido comparado ao regime CR. Tendências similares também são visíveis para tempos de confinamento de fluxo e energia, conforme descrito abaixo, que aumentou consideravelmente um fator de 3 a 8 no sistema de CCR 10. Portanto, o progresso do regime de HPF permite o uso de potência de feixe modesta, campos magnéticos inferiores e tamanho menor para sustentar e manter os equilíbrios de CCR no sistema de CCR 10 e máquinas de energia superior futura. Esses aperfeiçoamentos acarretam intimamente em custos de operação e construção menores, bem como complexidade de engenharia reduzida.

[086]Para uma comparação adicional, a Figura 18 mostra dados a partir de uma descarga de regime de HPF representativa no sistema de CCR 10 como uma função de tempo. A Figura 18(a) descreve o raio de fluxo excluído no plano intermediário. Para esses prazos de execução mais longos, a parede de aço de condução não consiste mais em um bom conservador de fluxo e as sondas magnéticas internas à parede são aumentadas com sondas fora da parede para considerar apropriadamente a difusão de fluxo magnético através do aço. Comparado ao desempenho típico no regime CR convencional, conforme mostrado na Figura 13, o modo operacional de regime de HPF exibe uma vida útil 400% maior.

[087]Um cordão representativo do traço de densidade integrada linear é mostrado na Figura 18(b) com seu complemento inverso de Abel, os contornos de densidade, na Figura 18(c). Comparado ao regime CR de CCR convencional, conforme mostrado na Figura 13, o plasma é mais quiescente ao longo do pulso, indicativo de uma operação bastante estável. A densidade de pico também é ligeiramente menor em disparos de HPF - isso é uma consequência da temperatura de plasma total mais quente (até um fato de 2) conforme mostrado na Figura 18(d).

[088]Para uma respectiva descarga ilustrada na Figura 18, os tempos de confinamento de energia, partícula e fluxo são 0,5 ms, 1 ms e 1 ms, respectivamente. Em um tempo de referência de 1 ms na descarga, a energia de plasma armazenada é igual a 2 kJ enquanto as perdas são de cerca de 4 MW, tornando esse alvo bastante adequado para uma sustentação de feixe neutro.

[089]A Figura 19 resume todas as vantagens do regime de HPF sob a forma de um escalonamento de confinamento de fluxo de HPF experimental recentemente estabelecido. Conforme se pode observar na Figura 19, com base nas medições tomadas antes e após t = 0,5 ms, isto é, t < 0,5 ms e t > 0,5 ms, o confinamento de fluxo (e, similarmente, confinamento de partículas e confinamento de energia) se escalona com aproximadamente o quadrado da Temperatura de elétron (Te) para um dado raio de separatriz (rs). Esse escalonamento forte com uma potência positiva de Te (e não uma potência negativa) é completamente oposto àquele exibido por tokomaks convencionais, onde o confinamento é tipicamente inversamente proporcional à parte da potência da temperatura de elétron. A manifestação desse escalonamento é uma consequência direta do estado de HPF e uma população de íons de órbita grande (isto é, órbitas na escala da topologia de CCR e/ou pelo menos a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característico). Fundamentalmente, esse novo escalonamento favorece substancialmente altas temperaturas operacionais e habilita reatores com dimensões relativamente modestas.

[090]Com as vantagens, o regime de HPF apresenta uma sustentação de CCR ou um estado estacionário acionado por feixes neutros e usando uma injeção de pélete apropriada é alcançável, significando parâmetros de plasma global, como energia térmica de plasma, números de partículas totais, raio e comprimento de plasma bem como fluxo magnético são sustentáveis em níveis razoáveis sem um decaimento substancial. A título de comparação, a Figura 20 mostra dados em gráfico A a partir de uma descarga de regime de HPF representativa no sistema de CCR 10 como uma função de tempo e no gráfico B para uma descarga de regime de HPF representativa projetada no sistema de CCR 10 como uma função de tempo onde a CCR 450 é sustentada sem um decaimento através da duração do pulso de feixe neutro. Para o gráfico A, os feixes neutros com uma potência total na faixa de cerca de 2,5 a 2,9 MW foram injetados na CCR 450 para um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 6 ms. A vida útil diamagnética de plasma no gráfico A foi cerca de 5,2 ms. Dados mais recentes mostram uma vida útil diamagnética de plasma de cerca de 7,2 ms são alcançáveis com um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 7 ms.

[091]Conforme notado anteriormente em relação à Figura 16, a correlação entre o comprimento de pulso de feixe e a vida útil de CCR não é perfeita visto que o aprisionamento de feixe se torna ineficaz abaixo de um determinado tamanho de plasma, isto é, à medida que a CCR 450 encolhe em tamanho físico nem todos os feixes injetados são interceptados e aprisionados. O encolhimento ou decaimento da CCR ocorre primariamente devido a fato de que a perda de energia líquida (- 4 MW cerca da metade da descarga) a partir do plasma de CCR durante a descarga é de alguma forma maior que a potência total alimentada na CCR através dos feixes neutros (~2,5 MW) para o ajuste experimental particular. Conforme notado em relação à Figura 3C, a injeção de feixe angulado a partir das pistolas de feixe neutro 600 em direção ao plano intermediário aperfeiçoa o acoplamento de feixe de plasma, mesmo à medida que o plasma de CCR encolhe ou, de outro modo, se contrai axialmente durante o período de injeção. Além disso, um reabastecimento de pélete apropriado manterá a densidade de plasma requisitada.

[092]O gráfico B é o resultado de simulações executadas usando um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 6 ms e uma potência de feixe total a partir das pistolas de feixe neutro 600 ligeiramente maior que cerca de 10 MW, onde os feixes neutros devem injetar H (ou D) neutros com energia de partícula de cerca de 15 keV. A corrente equivalente injetada por cada um dos feixes é cerca de 110 A. Para o gráfico B, o ângulo de injeção de feixe ao eixo geométrico do dispositivo foi cerca de 20°, raio alvo 0,19 m. O ângulo de injeção pode ser alterado dentro da faixa de 15° a 25°. Os feixes devem ser injetados na direção de co- corrente de modo azimutal. A força lateral líquida bem como a força axial líquida a partir da injeção de momento de feixe neutro devem ser minimizadas. Conforme no gráfico A, os neutros rápidos (H) são injetados a partir dos injetores de feixe neutro 600 a partir do momento em que as CCRs de formação norte e sul se unem na câmara de confinamento 100 em uma CCR 450.

[093]As simulações onde a fundação para gráfico B usa solucionadores de hall-MHD multidimensionais para o plasma e equilíbrio anteriores, solucionadores baseados em Monte-Carlo totalmente cinéticos para os componentes de feixe energético e todos os processos de dispersão, bem como um grande número de equações de transporte acoplado para todas as espécies de plasma para modelar processos de perda interativa. Os componentes de transporte são empiricamente calibrados e extensivamente avaliados em relação a um banco de dados experimental.

[094]Conforme mostrado pelo gráfico B, a vida útil diamagnética em estado estacionário da CCR 450 será o comprimento do pulso de feixe. No entanto, é importante notar que o gráfico de correlação fundamental B mostra que quando os feixes forem desligados, o plasma ou CCR começa a decair nesse momento, mas não antes. O decaimento será similar àquele observado em descargas que não sejam auxiliadas por feixe - provavelmente na ordem de 1 ms além do tempo de desligamento do feixe - e é simplesmente uma reflexão do tempo de decaimento característico do plasma acionado pelos processos de perda intrínsecos.

[095]Muito embora a invenção seja suscetível a várias modificações, e formas alternativas, exemplos específicos dessas foram mostradas nos desenhos e se encontram descritas em detalhes no presente documento. No entanto, deve-se compreender que a invenção não se limita às formas particulares ou métodos revelados, mas, ao contrário, a invenção serve para abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas que se enquadrem no espírito e escopo das reivindicações anexas.

[096]Na descrição anterior, por propósitos de explicação apenas, uma nomenclatura específica é apresentada para proporcionar uma compreensão completa da presente revelação. No entanto, tornar-se-á aparente a um indivíduo versado na técnica que esses detalhes específicos não são necessários para praticar os ensinamentos da presente revelação.

[097]Os vários recursos dos exemplos representativos e as reivindicações dependentes podem ser combinados de várias formas que não são especifica e explicitamente enumeradas a fim de proporcionar modalidades úteis adicionais dos presentes ensinamentos. Nota-se também expressamente que todos as faixas de valor ou indicações de grupos de entidades revelam cada valor intermediário ou entidade intermediária possível para o propósito da revelação original, bem como para o propósito de restringir a matéria reivindicada.

[098]Revelaram-se sistemas e métodos para gerar e manter um regime CCR de HPF. Compreende-se que as modalidades descritas no presente documento servem para o propósito de elucidação e não devem ser consideradas como limitantes à matéria da revelação. Várias modificações, usos, substituições, combinações, aperfeiçoamentos, métodos de produções sem divergir do escopo ou espírito da presente invenção ficariam evidentes a um indivíduo versado na técnica. Por exemplo, o leitor deve entender que a ordenação e combinação específica de ações de processo descritas no presente documento é meramente ilustrativa, exceto onde declarado em contrário, e a invenção pode ser realizada usando ações de processo diferentes ou adicionais, ou uma combinação ou ordenação diferente de ações de processo. Como outro exemplo, cada recurso de uma modalidade pode ser misturado e correspondido a outros recursos mostrados em outras modalidades. Os recursos e processos conhecidos pelos indivíduos com conhecimento comum na técnica podem ser similarmente incorporados conforme desejado. Adicional e obviamente, os recursos podem ser adicionais ou subtraídos conforme desejado. De modo correspondente, a invenção não deve ser restrita exceto à luz das reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims

1. Método para geração e manutenção de um campo magnético com uma configuração de campo reverso (CCR) dentro de uma câmara de confinamento (100) de um sistema, o sistema CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: primeira e segunda seções de formação de CCR (200) diametralmente opostas acopladas à câmara de confinamento (100), primeiro e segundo derivadores (300) acoplados às primeira e segunda seções de formação (200), uma ou mais dentre uma pluralidade de pistolas de plasma (350), um ou mais eletrodos de polarização e primeiro e segundo plugues de espelho (440), em que a pluralidade de pistolas de plasma (350) inclui primeira e segunda pistolas de plasma axiais (350) operacionalmente acopladas aos primeiro e segundo derivadores (300), às primeira e segunda seções de formação (200) e à câmara de confinamento (100), em que um ou mais eletrodos de polarização são posicionados em um ou mais dentre uma câmara de confinamento (100), as primeira e segunda seções de formação (200), e os primeiro e segundo derivadores (300), e em que os primeiro e segundo plugues de espelho (440) são posicionados entre as primeira e segunda seções de formação (200) e os primeiro e segundo derivadores (300), um sistema de absorção (800) acoplado à câmara de confinamento (100) e aos primeiro e segundo derivadores (300), uma pluralidade de injetores de feixe de átomo neutro (600,615) acoplados à câmara de confinamento (100) adjacente ao plano intermediário da câmara de confinamento (100) e orientado para injetar feixes de átomos neutros em direção ao plano intermediário em um ângulo de cerca de 15° a 25° menos que a normal a um eixo longitudinal da câmara de confinamento (100), e um sistema magnético (410) que compreende uma pluralidade de bobinas semi-dc (432, 434, 436 e 444) posicionadas ao redor da câmara de confinamento (100), das primeira e segunda seções de formação (200), e dos primeiro e segundo derivadores (300), primeiro e segundo conjuntos de bobinas de reflexão semi-dc (432,434,436 e 444) são posicionados entre a câmara de confinamento (100) e as primeira e segunda seções de formação (200), o método compreendendo as etapas de: formar uma CCR ao redor de um plasma na câmara de confinamento (100), em que o plasma de CCR é espaçada em relação a parede da câmara de confinamento (100), e manter a CCR em ou ao redor de um valor constante sem decaimento injetando-se feixes de átomos neutros rápidos a partir de injetores de feixe neutro no plasma de CCR em um ângulo de cerca de 15° a 25° menor que a normal ao eixo longitudinal da câmara de confinamento (100) e em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento (100).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, ainda, a etapa de dentre uma gerar um campo magnético dentro da câmara com bobinas semi-dc estendendo-se ao redor da câmara, ou gerar um campo magnético dentro da câmara, as primeira e segunda seções de formação (200) e derivadores com bobinas semi-dc estendendo-se ao redor da câmara, das seções de formação e dos desviadores.

3. Método, de acordo com as reivindicações 1 e 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, ainda, a etapa de dentre uma gerar um campo magnético espelhado em extremidades opostas da câmara com bobinas de reflexão semi-dc estendendo-se ao redor das extremidades opostas da câmara, ou gerar um campo magnético entre seções de formação e derivadores com bobinas de reflexão semidc, ou gerar um plugue de espelho campo magnético em uma constrição entre as seções de formação e os desviadores com bobinas de plugue de espelho semi-dc estendendo-se ao redor da constrição entre as seções de formação e os desviadores.

4. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de formação da CCR inclui pelo menos um dentre formar uma CCR de formação na primeira seção de formação acoplada a uma extremidade da câmara de confinamento (100) e acelerar a CCR de formação em direção ao plano intermediário da câmara para formar a CCR ou formar primeira e segunda CCRs de formação em uma primeira e segunda seções de formação (200) para extremidade oposta da câmara de confinamento (100) e acelerar as primeira e segunda CCRs de formação em direção ao plano intermediário da câmara onde as duas CCRs de formação se unem para formar a CCR ou em que a etapa de formar a CCR inclui uma dentre formar uma CCR de formação enquanto acelera a CCR de formação em direção ao plano intermediário da câmara e formar uma CCR de formação, em seguida, acelerar a CCR de formação em direção ao plano intermediário da câmara.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, ainda, a etapa de guiar as superfícies de fluxo magnético da CCR em um derivador acoplado à extremidade da primeira seção de formação ou guiar as superfícies de fluxo magnético da CCR em derivadores acoplados às extremidades das primeira e segunda seções de formação (200).

6. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma dentre as etapas de condicionar as superfícies internas da câmara, seções de formação e derivadores com o sistema de absorção (800) ou condicionamento das superfícies internas da câmara, seções de formação e derivadores com o sistema de absorção (800), em que o sistema de absorção (800) inclui um dentre um sistema de deposição de titânio e um sistema de deposição de lítio.

7. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, ainda, a etapa de injetar axialmente plasma na CCR a partir das pistolas de plasma axialmente montadas.

8. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma etapa dentre controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda da CCR com os eletrodos polarizados ou controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda da CCR por aplicação de uma distribuição de potencial elétrico a um grupo de superfícies de fluxo aberto da CCR com eletrodos de polarização.

9. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema inclui, ainda, um ou mais de: duas ou mais bobinas tipo sela acoplada à câmara de confinamento (100) e, um injetor de péletes de íon acoplado à câmara de confinamento (100).

10. Método, de acordo com a reivindicações 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de manter a CCR compreende, ainda, a etapa de injetar péletes de átomos neutros a partir do injetor de pétele na CCR.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, ainda, a etapa de gerar um dentre um campo magnético dipolar e um campo magnético quadripolar dentro da câmara com as bobinas tipo sela acopladas à câmara.

12. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de manter a CCR em ou ao redor de um valor constante sem um decaimento por injeção de feixes de átomos neutros rápidos inclui manter a CCR em ou ao redor de um valor constante sem decaimento enquanto os feixes de átomos neutros são injetados na CCR.

13. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a seção de formação compreende sistemas de formação modularizados para gerar uma CCR e a transladar em direção a um plano intermediário da câmara de confinamento (100).

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de formação compreende um dentre sistemas de formação de potência pulsada, ou uma pluralidade de unidades de potência e controle acopladas àquelas individuais de uma pluralidade de montagens de alça para energizar um conjunto de bobinas daquelas individuais dentre a pluralidade de montagens de alça enroladas ao redor do tubo alongado das primeira e segunda seções de formação (200), ou uma pluralidade de unidades de potência e controle acopladas àquelas individuais dentre uma pluralidade de montagens de alça para energizar um conjunto de bobinas daquelas individuais dentre a pluralidade de montagens de alça enroladas ao redor do tubo alongado das primeira e segunda seções de formação (200), em que unidades individuais da pluralidade de unidades de potência e controle compreendem um sistema de acionamento e controle, ou uma pluralidade de unidades de potência e controle acopladas àquelas individuais dentre uma pluralidade de montagens de alça para energizar um conjunto de bobinas daquelas individuais dentre a pluralidade de montagens de alça enroladas ao redor do tubo alongado das primeira e segunda seções de formação (200), em que unidades individuais da pluralidade de unidades de potência e controle compreendem um sistema de acionamento e controle, em que os sistemas de acionamento e controle daquelas individuais dentre a pluralidade de unidades de potência e controle são sincronizáveis para permitir a formação de CCR estática em que a CCR é formada e, então, uma formação de CCR injetada ou dinâmica em que a CCR é formada e transladada simultaneamente.

15. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que os eletrodos de polarização incluem um ou mais dentre um ou mais eletrodos de ponto posicionados dentro da câmara de contenção para contatar linhas de campo aberto, um conjunto de eletrodos anulares entre a câmara de confinamento (100) e as primeira e segunda seções de formação (200) para carregar camadas de fluxo de borda afastada em um modo azimutalmente simétrico, uma pluralidade de eletrodos empilhados concêntricos posicionados nos primeiro e segundo derivadores (300) para carregar múltiplas camadas de fluxo concêntrico, e ânodos das pistolas de plasma para interceptar o fluxo aberto.