BR112017008768B1 - Método e sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso - Google Patents

Abstract

?SISTEMAS E MÉTODOS PARA FORMAR E MANTER UMA FRC DE ALTO DESEMPENHO?. Trata-se de um sistema de configuração reversa de campo (FRC) de alto desempenho que inclui um recipiente central de confinamento, duas seções de formação de intervalo teta de campo reverso diametralmente opostas acopladas ao recipiente, e duas câmaras de desviador acopladas às seções de formação. Um sistema magnético inclui as bobinas aparentemente CC posicionadas de modo axial ao longo dos componentes do sistema de FRC, bobinas de espelho aparentemente CC entre a câmara de confinamento e as seções de formação, e os plugues de espelho entre as seções de formação e os desviadores. As seções de formação incluem sistemas de formação de energia pulsada modulares que permitem a formação de estática e dinâmica e aceleração das FRCs. O sistema de FRC inclui ainda os injetores de feixe de átomo neutro, ou injetores de pélete ou CT, sistemas de absorção, pistolas de plasma axiais e eletrodos de polarização de superfície de fluxo. Os injetores de feixe estão, de preferência, em ângulo em relação ao plano médio da câmara. Em operação, os parâmetros de plasma FRC, que incluem a energia térmica de plasma, os números de partículas totais,(...).

Description

Campo

[001] As modalidades aqui descritas referem-se, em geral, aos sistemas de confinamento de plasma magnético e, mais particularmente, aos sistemas e aos métodos que facilitam a formação e a manutenção de configurações de campo reverso com estabilidade superior, bem como confinamento de partículas, energia e fluxo.

Fundamentos

[002] A configuração de campo reverso (FRC) pertence à classe das topologias de confinamento de plasma magnético conhecidas como toróide (toroid) compacto (CT). Ele exibe campos magnéticos predominantemente poloidais e possui zero ou pequenos campos toroidais autogerados (ver M. Tuszewski, “Nucl. Fusion” 28, 2033 (1988)). As atrações de uma configuração são sua geometria simples para facilitar a construção e a manutenção, um desviador irrestrito natural para facilitar a extração de energia e a remoção de cinzas, e β muito alta (β é a razão entre a pressão média do plasma para a pressão média do campo magnético dentro da FRC), ou seja, alta densidade de energia. A elevada natureza de β é vantajosa para a operação econômica e para o uso de combustíveis não neutrônicos, avançados, tais como D-He3 e p- B11.

[003] O método tradicional de formação de uma FRC usa a tecnologia de intervalo θ de campo reverso, produzindo plasmas quentes, de alta densidade (ver A. L. Hoffman e J. T. Slough, “Nucl. Fusion” 33, 27 (1993)). Uma variação disso é o método de captura de translação, no qual o plasma criado em uma “fonte” de intervalo teta é mais ou menos imediatamente ejetado para fora de uma extremidade em uma câmara de confinamento. O plasmoide de translação é, em seguido, capturado entre dois espelhos fortes nas extremidades da câmara (ver, 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 aquecimento e de acionamento de corrente podem ser aplicados, tais como injeção de feixe (neutro ou neutralizado), campos magnéticos rotativos, aquecimento RF ou ôhmico, etc. Essa separação de fonte e de funções de confinamento oferece vantagens de engenharia fundamentais para os reatores de fusão de potencial futuro. As FRCs provaram ser extremamente robustas, resistentes aos eventos de formação dinâmica, de translação e de captura violenta. Além disso, eles mostram uma tendência de assumir um estado de plasma preferido (ver, por exemplo, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller e L. C. Steinhauer, “Phys. Rev. Lett.” 92, 245001 (2004). Um progresso significativo foi feito na última década para desenvolver outros métodos de formação de FRC: unir “spheromaks” com helicidades em direções opostas (ver, por exemplo Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, T. e Okazaki, “Nucl. Fusion” 39 , 2001 (1999)) e acionar corrente rotativa com os campos magnéticos (RMF) (ver, por exemplo, Jones I. R., Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)) que também proporciona estabilidade adicional.

[004] Recentemente, a técnica de união de colisão, proposta há muito tempo (ver, por exemplo, D. R. Wells, “Phys. Fluids” 9, 1010 (1966)) foi significativamente mais desenvolvida: dois intervalos teta separados nas extremidades opostas de uma câmara de confinamento geram simultaneamente dois plasmoides e aceleram os plasmoides um em direção ao outro em alta velocidade; eles, então, colidem no centro da câmara de confinamento e unem-se para formar uma FRC composta. Na construção e operação bem-sucedida de uma das maiores experiências de FRC até o momento, o método convencional de união de colisão mostrou produzir FRCs estáveis, de longa vida, de alto fluxo e de alta temperatura (ver, por exemplo M. Binderbauer, H. Y. Guo, M. Tuszewski et al., “Phys. Rev. Lett.” 105, 045,003 (2010)).

[005] As FRCs consistem em um toro (torus) de linhas de campo fechado dentro de uma separatriz, e de uma camada de borda anular nas linhas de campo aberto fora da separatriz. A camada de borda coalesce em jatos além do comprimento da FRC, proporcionando um desviador natural. A topologia da FRC coincide com a de um plasma de espelho de campo reverso. No entanto, uma diferença significativa é que o plasma de FRC tem um β de cerca de 10. O baixo campo magnético interno inerente prevê uma certa população de partículas cinética nativa, ou seja, partículas com grandes raios de Larmor, comparável com o raio menor de FRC. São esses fortes efeitos cinéticos que parecem contribuir, pelo menos parcialmente, para a estabilidade bruta das FRCs passadas e presentes, como aquelas produzidas na experiência de união de colisão.

[006] As experiências de FRC passadas típicas têm sido dominadas por perdas convectivas com o confinamento de energia amplamente determinado pelo transporte de partícula. As partículas difundem-se principalmente de maneira radial para fora do volume da separatriz e são, em seguida, perdidas de modo axial na camada de borda. Consequentemente, o confinamento de FRC depende das propriedades das regiões de linha de campo fechado e aberto. O tempo de difusão de partículas fora das escalas de separatriz T± ~ a2/D± (a ~ rs/4, em que rs é o raio de separatriz central), e D± é uma difusividade de FRC característica, tal como um D± ~ 12,5 pie, com pie representando o raio de giro de íons, avaliado em um campo magnético aplicado externamente. O tempo de confinamento de partícula de camada de borda TH é essencialmente um tempo de transição axial nas experiências anteriores de FRC. No estado estacionário, o equilíbrio entre perdas de partícula radial e axial produz um comprimento de gradiente de densidade de separatriz δ ~ (D±TH)1/2. As escalas de tempo de confinamento de partícula de FRC como (T±TH)1/2 para as FRCs anteriores que tenham densidade substancial na separatriz (ver, por exemplo, M. TUSZEWSKI, “Field Reversed Configurations”, “Nucl. Fusion” 28, 2033 (1988)).

[007] Outra desvantagem dos designs anteriores do sistema de FRC foi a necessidade de usar multipolos externas para controlar as instabilidades rotacionais, tais como as instabilidades de intercâmbio n = 2 de crescimento rápido. Dessa forma, os campos típicos de quadrupolos aplicados externamente proporcionaram a pressão de restauração magnética necessária para amortecer o crescimento desses modos instáveis. Embora essa técnica seja adequada para o controle da estabilidade do plasma de volume térmico, ela tem um problema grave para as FRCs mais cinéticas ou as FRCs híbridas avançadas, em que uma população de partícula de órbita grande e cinética é combinada com o plasma térmico habitual. Nesses sistemas, as distorções do campo magnético axissimétrico devido a tais campos multipolares leva a dramáticas perdas de partículas rápidas através de difusão estocástica sem colisão, uma consequência da perda de conservação do momento cinético canônico. Uma nova solução para proporcionar controle de estabilidade sem aumentar a difusão de quaisquer partículas é, assim, importante para ter vantagem do maior potencial de desempenho desses conceitos de FRC avançada nunca antes explorados.

[008] À luz do exposto, é, portanto, desejável melhorar o confinamento e estabilidade de FRCs, a fim de utilizar as FRCs de estado estacionário como uma trajetória para toda uma variedade de aplicações, incluindo fontes de nêutron compactas (para a produção de isótopos médicos, processamento de resíduos nucleares, pesquisa de materiais, radiografia de nêutron e tomografia), fontes de fóton compacto (para a produção e processamento de produtos químicos), separação de massa e sistemas de enriquecimento, e núcleos de reator para a fusão de núcleos leves para a geração futura de energia.

Sumário

[009] As presentes modalidades aqui proporcionadas são direcionadas aos sistemas e aos métodos que facilitam a formação e a manutenção de novas configurações de campo reverso de alto desempenho (FRCs). De acordo com esse novo paradigma de FRC de alto desempenho, o presente sistema combina uma série de novas ideias e meios para melhorar drasticamente o confinamento de FRC de partículas, energia e fluxo, bem como para proporcionar o controle de estabilidade sem efeitos secundários negativos.

[010] Um sistema de FRC fornecido aqui inclui um recipiente de confinamento central rodeado por duas seções de formação de intervalo teta de campo reverso diametralmente opostas e, além das seções de formação, duas câmaras de desviador para controlar a densidade neutra e a contaminação de impurezas. Um sistema magnético inclui uma série de bobinas quase CC que estão situadas em posições axiais ao longo dos componentes do sistema de FRC, bobinas de espelho quase CC entre qualquer extremidade da câmara de confinamento e seções de formação adjacentes, e plugues de espelho que compreendem bobinas de espelho quase CC compactas entre cada uma das seções de formação e desviadores que produzem campos guia adicionais para focar nas superfícies de fluxo magnético em direção ao desviador. As seções de formação incluem sistemas modulares de formação de potência pulsada que permitem que as FRCs sejam formadas in situ e, em seguida, aceleradas e injetadas (= formação estática) ou formadas e aceleradas simultaneamente (= formação dinâmica).

[011] O sistema de FRC inclui injetores de feixe de átomo neutro e um injetor de pellet. Em uma modalidade, os injetores de feixe são angulados para injetar partículas neutras em direção ao plano médio. Ter os injetores de feixe inclinados em direção ao plano médio e com posições de feixe axiais perto do plano médio, melhora o acoplamento de feixe e plasma, mesmo quando o plasma de FRC encolhe ou se contrai de outro modo de modo axial durante o período de injeção. Os sistemas de absorção (gettering) também estão incluídos, bem como pistolas axiais de plasma. Também são fornecidos eletrodos de polarização para a polarização elétrica de superfícies de fluxo aberto.

[012] Em funcionamento, os parâmetros plasmáticos globais do FRC, incluindo a energia térmica do plasma, o número total de partículas, o raio do plasma e o comprimento, bem como o fluxo magnético, são substancialmente sustentáveis sem decomposição, enquanto os feixes neutros são injetados no plasma e pellets fornecem o reabastecimento de partícula apropriado.

[013] Em uma modalidade alternativa, é proporcionado um injetor toroidal compacto (CT) em vez do injetor de pellet para proporcionar o reabastecimento de partículas apropriado por injeção de um plasma do tipo Spheromak.

[014] Os sistemas, os métodos, as características e as vantagens da invenção serão ou se tornarão evidentes para um versado na técnica após o exame das figuras e descrição detalhadas a seguir. Pretende-se que todos esses métodos, características e vantagens adicionais sejam incluídos nessa descrição, estejam dentro do âmbito da invenção e sejam protegidos pelas reivindicações anexas. Pretende-se também que a invenção não se limite a exigir os detalhes das modalidades de exemplo.

Breve Descrição das figuras

[015] Os desenhos anexos, que estão incluídos como parte do presente relatório descritivo, ilustram a modalidade atualmente preferida e, juntamente com a descrição geral dada acima e a descrição detalhada da modalidade preferida abaixo, servem para explicar e ensinar os princípios da presente invenção.

[016] A figura 1 ilustra o confinamento de partícula no presente sistema de FRC sob um regime de FRC de alto desempenho (HPF) versus sob um regime de FRC convencional (CR), e versus outras experiências de FRC convencionais; a figura 2 ilustra os componentes do presente sistema de FRC e a topologia magnético de uma FRC produzida no presente sistema de FRC; a figura 3A ilustra a disposição básica do presente sistema de FRC, tal como visto a partir do topo, incluindo o arranjo preferido de feixes neutros, eletrodos, pistolas de plasma, plugues de espelho e injetor de pellet; a figura 3B ilustra o recipiente de confinamento central, como visto de cima e que mostra os feixes neutros dispostos em um ângulo perpendicular ao eixo principal de simetria no recipiente de confinamento central; a figura 3C ilustra o recipiente de confinamento central, como visto de cima e mostra os feixes neutros dispostos em ângulo menor do que o perpendicular para o eixo principal de simetria no recipiente de confinamento central e direcionados para injetar as partículas para o plano médio do recipiente de confinamento central; a figura 4 ilustra uma representação esquemática dos componentes de um sistema de energia pulsado para as seções de formação; a figura 5 ilustra uma vista isométrica de uma derrapagem de formação de potência pulsada individual; a figura 6 ilustra uma vista isométrica de uma montagem de tubo de formação; a figura 7 ilustra uma vista isométrica em corte parcial do sistema de feixe neutro e componentes-chave; a figura 8 ilustra uma vista isométrica do dispositivo de feixe neutro na câmara de confinamento; a figura 9 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma disposição preferida dos sistemas de absorção de Ti e Li; a figura 10 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma pistola de plasma instalada na câmara de desviador. O plugue de espelho magnético associado e uma montagem de eletrodo de desviador também são mostrados; a figura 11 ilustra uma disposição preferida de um eletrodo anelar de polarização na extremidade axial da câmara de confinamento; a figura 12 ilustra a evolução do raio fluxo excluído no sistema de FRC obtido a partir de uma série de ciclos diamagnéticos externos nas duas seções de formação de intervalo teta de campo reverso e nas sondas magnéticas incorporadas no interior da câmara de confinamento de metal central. O tempo é medido a partir do instante de inversão do campo sincronizado nas fontes de formação, e a distância z é dada em relação ao plano médio axial da máquina; as figuras 13(a) a (d) ilustram os dados a partir de um representante não-HPF, descarga não sustentada no presente sistema de FRC. Como funções de tempo são mostrados (a) o raio de fluxo excluído no plano médio; (b) 6 cordas de densidade de linha integrada a partir do interferômetro de CO2 do plano médio; (c) os perfis radiais de densidade Abel invertidos a partir dos dados do interferômetro de CO2; e (d) temperatura total do plasma a partir do equilíbrio de pressão; a figura 14 ilustra os perfis de fluxo axiais excluídos em tempos determinados para a mesmo descarga do presente sistema de FRC mostrado na figura 13; a figura 15 ilustra uma vista isométrica das bobinas de sela montadas do lado de fora da câmara de confinamento; a figura 16 ilustra as correlações de tempo de vida de FRC e duração dos impulsos dos feixes neutros injetados. Conforme mostrado, os pulsos de feixe mais longos produzem FRCs de vida mais longa; a figura 17 ilustra os efeitos individuais e combinados de diferentes componentes do sistema de FRC no desempenho de FRC e a realização do regime HPF; as figuras 18 (a) a (d) ilustram os dados a partir de HPF representativo, descarga não sustentada no presente sistema de FRC. Como funções de tempo são mostrados (a) o raio de fluxo excluído no plano médio; (b) 6 cordas de densidade integrada na linha a partir do interferômetro de CO2 do plano médio; (c) perfis radiais de densidade Abel invertidos a partir dos dados do interferômetro de CO2; e (d) temperatura total do plasma a partir do equilíbrio de pressão; a figura 19 ilustra o confinamento de fluxo como uma função de temperatura de elétron (Te). Isso representa uma representação gráfica de um regime de escala superior recentemente estabelecido para descargas de HPF; a figura 20 ilustra o tempo de vida de FRC que corresponde ao comprimento de impulso de feixes neutros não injetados não angulares e angulares; as figuras 21A e 21B ilustram a disposição básica de um injetor de toróide compacto (CT); as figura 22A e 22B ilustram o recipiente de confinamento central que mostra o injetor de CT montado no mesmo; as figuras 23A e 23B ilustram o esquema de base de uma modalidade alternativa do injetor de CT que tem um tubo de deriva acoplado ao mesmo.

[017] Deve-se observar que as figuras não são necessariamente desenhadas a escala e que os elementos de estruturas ou funções semelhantes são, em geral, representados por números de referência semelhantes para fins ilustrativos ao longo das figuras. Deve-se observar também que as figuras destinam-se apenas a facilitar a descrição das várias modalidades aqui descritas. As figuras não descrevem necessariamente todos os aspectos dos ensinamentos aqui revelados e não limitam o âmbito das reivindicações.

Descrição detalhada

[018] As presentes modalidades aqui proporcionadas são direcionadas aos sistemas e aos métodos que facilitam a formação e a manutenção de configurações de campo reverso de alto desempenho (FRCs) com estabilidade superior, bem como partículas superiores, confinamento de energia e fluxo em relação aos FRCs convencionais. Essas FRCs de alto desempenho proporcionam uma trajetória para uma variedade de aplicações, que incluem as fontes compactas de nêutrons (para produção de isótopos médicos, reabilitação de resíduos nucleares, pesquisa de materiais, radiografia e tomografia de nêutrons), fontes de fótons compactos (para produção e processamento químico), sistemas de enriquecimento e separação de massa, e núcleos de reator para a fusão de núcleos leves para a futura geração de energia.

[019] Vários sistemas auxiliares e modos de operação foram explorados para avaliar se existe um regime de confinamento superior nas FRCs. Esses esforços levaram a descobertas inovadoras e ao desenvolvimento de um paradigma de FRC de alto desempenho aqui descrito. De acordo com esse novo paradigma, os sistemas e métodos atuais combinam uma série de novas ideias e meios para melhorar drasticamente o confinamento de FRC, como ilustrado na figura 1, bem como para proporcionar o controle de estabilidade sem efeitos secundários negativos. Como discutido em mais detalhes abaixo, a figura 1 descreve o confinamento de partícula em um sistema de FRC 10 descrito abaixo (ver as figuras 2 e 3), que operam de acordo com um regime de FRC de alto desempenho (HPF) para a formação e manutenção de uma FRC versus a operação de acordo com CR de regime convencional para formar e manter uma FRC e versus o confinamento de partículas de acordo com regimes convencionais para formar e manter uma FRC utilizada em outras experiências. A presente divulgação descreve e detalha os componentes individuais inovadores do sistema de FRC 10 e métodos, assim como os seus efeitos coletivos.

Descrição do sistema de FRC Sistema a Vácuo

[020] As figuras 2 e 3 ilustram um esquema do presente sistema de FRC 10. O sistema de FRC 10 inclui um recipiente de confinamento central 100 rodeado por duas seções de formação de intervalo teta de campo reverso diametralmente opostas 200 e, além das seções de formação 200, duas câmaras de desviador 300 para controlar a densidade neutra e a contaminação por impurezas. O presente sistema de FRC 10 foi construído para acomodar o vácuo ultra-alto e opera em pressões de bases típicas de 10-8 Torr. Tais pressões de vácuo exigem a utilização de flanges de acoplamento de bombeamento duplo entre os componentes de acoplamento, anéis de metal, paredes internas de alta pureza, bem como o condicionamento de superfície inicial cuidadosa de todas as partes antes da montagem, tais como a limpeza física e química, seguido por um cozimento a vácuo por 24 horas a 250 °C e limpeza de descarga luminescente de hidrogênio.

[021] As seções de formação de intervalo teta de campo reverso 200 são intervalos teta de campo reverso padrão (FRTPs), embora com um sistema avançado de formação de potência pulsada discutido em detalhes abaixo (ver as figuras 4 a 6). Cada seção de formação 200 é feita de tubos de quartzo de grau industrial opaco padrão que apresenta um revestimento interno de 2 milímetros de quartzo ultrapuro. A câmara de confinamento 100 é feita de aço inoxidável para permitir uma multiplicidade de orifícios radiais e tangenciais; também serve como um conservador do fluxo na escala de tempo das experiências descritas abaixo e limita transientes magnéticos rápidos. Os vácuos são criados e mantidos dentro do sistema de FRC 10 com um conjunto de bombas de desbaste de rolo seco, bombas turbo moleculares e bombas criogênicas.

Sistema Magnético

[022] O sistema magnético 400 é ilustrado nas figuras 2 e 3. A figura 2, entre outras características, ilustra um fluxo magnético de FRC e contornos de densidade (como funções das coordenadas radiais e axiais) pertencentes a uma FRC 450 que pode ser produzida pelo sistema de FRC 10. Esses contornos foram obtidos por uma simulação numérica Hall-MHD 2-D resistiva com o uso do código desenvolvido para simular os sistemas e métodos que correspondem ao sistema de FRC 10, e concordam bem com os dados experimentais medidos. Como visto na figura 2, a FRC 450 consiste em um toro de linhas de campo fechado no interior 453 da FRC 450 dentro de uma separação 451 e de uma camada de borda anular 456 nas linhas de campo aberto 452 apenas fora da separatriz 451. A camada de borda 456 coalesce em jatos 454 além do comprimento de FRC, proporcionando um desviador natural.

[023] O sistema magnético principal 410 inclui uma série de bobinas quase CC 412, 414 e 416, que estão situadas em posições axiais específicas ao longo dos componentes, isto é, ao longo da câmara de confinamento 100, das seções de formação 200 e dos desviadores 300 do sistema de FRC 10. As bobinas quase CC 412, 414 e 416 são alimentadas por fontes de alimentação de comutação quase CC e produzem campos de polarização magnética básicos de cerca de 0,1 T na câmara de confinamento 100, nas seções de formação 200 e nos desviadores 300. Além das bobinas quase CC 412, 414 e 416, o sistema magnético principal 410 inclui bobinas de espelhos quase CC 420 (alimentadas por fontes de comutação) entre qualquer extremidade da câmara de confinamento 100 e as seções de formação adjacentes 200. As bobinas de espelho quase CC 420 proporcionam razões de espelho magnético de até 5 e podem ser energizadas de forma independente para o controle de modelação de equilíbrio. Além disso, os plugues de espelho 440 estão posicionados entre cada uma das seções de formação 200 e dos divisores 300. Os plugues de espelho 440 compreendem bobinas de espelho quase CC compactas 430 e bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas de espelho quase CC 430 incluem três bobinas 432, 434 e 436 (alimentadas por fontes de comutação) que produzem campos guia adicionais para focalizar as superfícies de fluxo magnético (455) em direção à passagem de pequeno diâmetro (442) que passa através das bobinas de espelho (444). As bobinas de espelho (444) que envolvem a passagem de pequeno diâmetro são alimentadas por circuitos de potência pulsada LC, produzem campos de espelho magnéticos fortes de até 4 T. A finalidade de toda essa montagem de bobina completa é empacotar e guiar firmemente as superfícies de fluxo magnético 455 e os jatos de plasma de fluxo final 454 para dentro das câmaras remotas 310 dos desviadores 300. Por fim, um conjunto de “antenas” de bobina de sela 460 (ver a figura 15) está localizado no exterior da câmara de confinamento 100, dois de cada lado do plano médio, e é alimentado por fontes de energia CC. As antenas de bobina de sela 460 podem ser configuradas para proporcionar um campo de dipolo magnético ou quadrupolo magnético quase estático de cerca de 0,01 T para controlar as instabilidades de rotação e/ou controlar a corrente de elétron. As antenas de bobina de sela 460 podem proporcionar de maneira flexível os campos magnéticos que são simétricos ou antissimétricos sobre plano médio da máquina, dependendo do sentido das correntes aplicadas.

Sistemas de Formação de Potência Pulsada

[024] Os sistemas de formação de potência pulsada operam com um princípio de intervalo teta 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 (= derrapagem) 220, que cada um energiza um subconjunto de bobinas (232) de um conjunto de faixa (230) que envolve ao redor dos tubos de quartzo de formação (240). Cada derrapagem 220 é composta por condensadores 221, indutores 223, comutadores rápidos de alta corrente 225 e gatilho associado 222 e conjunto de circuitos de descarga 224. No total, cada sistema de formação 210 armazena entre 350 a 400 kJ de energia capacitiva, que proporciona até 35 GW de potência para formar e acelerar as FRCs. A operação coordenada desses componentes é alcançada através de um gatilho e sistema de controle de estado da técnica 222 e 224 que permitem a temporização sincronizada entre os sistemas de formação 210 em cada seção de formação 200 e minimiza a instabilidade de comutação para dezenas de nanosegundos. A vantagem desse projeto modular é sua operação flexível: as FRCs podem ser formadas in situ e, em seguida, aceleradas e injetadas (= formação estática) ou formadas e aceleradas ao mesmo tempo (= formação dinâmica).

Injetores de Feixe Neutro

[025] Os átomos de feixe neutro 600 são implementados no sistema de FRC 10 para proporcionar um aquecimento e geração de corrente, bem como a desenvolver pressão de partícula rápida. Como mostrado nas figuras 3A, 3B e 8, as linhas de feixe individuais que compreendem os sistemas de injetor de feixe de átomo neutro 610 e 640 estão localizados ao redor da câmara de confinamento central 100 e injetam as partículas rápidas tangencialmente para o plasma de FRC (e perpendicular ou em um ângulo perpendicular o eixo principal de simetria no recipiente de confinamento central 100) com um parâmetro de impacto de modo que a zona alvo de captura encontra-se bem dentro da separatriz 451 (ver a figura 2). Cada sistema de injetor 610 e 640 é capaz de injetar até 1 MW de potência de feixe neutro para o plasma de FRC com energias de partícula entre 20 e 40 keV. Os sistemas 610 e 640 são baseados em fontes de extração de abertura múltipla de íons positivos e utilizam a focagem geométrica, o arrefecimento inercial das grades de extração de íons e bombeamento diferencial. Além de utilizar diferentes fontes de plasma, os sistemas 610 e 640 são essencialmente diferenciados pelo seu design físico para satisfazer as suas respectivas localizações de montagem, proporcionando as capacidades de injeção laterais e superiores. Os componentes típicos desses injetores de feixe neutro estão especificamente ilustrados na figura 7 para os sistemas injetores laterais 610. Como mostrado na figura 7, cada sistema de feixe neutro individual 610 inclui uma fonte de plasma de RF 612 em uma extremidade de entrada (que é substituída por uma fonte de arco em sistemas 640) com uma tela magnética 614 que cobre a extremidade. Uma rede ótica de íons ópticos e grades de aceleração 616 é acoplada à fonte de plasma 612 e uma válvula de porta 620 é posicionada entre a fonte óptica de íons e grades de aceleração 616 e um neutralizador 622. Um ímã de deflexão 624 e um depósito de íons 628 estão localizados entre o neutralizador 622 e um dispositivo de mira 630 na extremidade de saída. Um sistema de arrefecimento compreende dois crio-refrigeradores 634, dois crio-paneis 636 e um invólucro LN2 638. Esse design flexível permite a operação em uma ampla gama de parâmetros de FRC.

[026] Uma configuração alternativa para os injetores do feixe de átomo neutro 600 é injetar as partículas rápidas tangencialmente para o plasma de FRC, mas com um ângulo A menos de 90° em relação ao eixo principal de simetria no recipiente de confinamento central 100. Esses tipos de orientação dos injetores do feixe 615 são mostrados na figura 3C. Além disso, os injetores de feixes 615 podem ser orientados de tal modo que os injetores de feixes 615 de cada lado do plano médio do recipiente de confinamento central 100 injetam suas partículas em direção ao plano médio. Por fim, a posição axial desses sistemas de feixe 600 pode ser escolhida para mais perto do plano médio. Essas modalidades de injeção alternativas facilitam uma opção de abastecimento mais central, que proporciona um melhor acoplamento dos feixes e uma maior eficiência de captura das partículas rápidas injetadas. Além disso, dependendo da posição angular e axial, esta disposição dos injetores de feixe 615 permite o controle direto e independente do alongamento axial e outras características de FRC 450. Por exemplo, injetar os feixes a um ângulo raso A em relação ao eixo principal do recipiente de simetria irá criar um plasma de FRC com maior extensão axial e temperatura mais baixa, enquanto a escolha de um ângulo mais perpendicular A irá levar a um plasma de modo axial mais curto, mas mais quente. Dessa forma, o ângulo de injeção A e a localização dos injetores de feixes 615 podem ser optimizados para diferentes fins. Além disso, tal angulação e posicionamento dos injetores de feixe 615 pode permitir que feixes de maior energia (que, em geral, é mais favorável para a deposição de mais energia com menos divergência do feixe) sejam injetados em campos magnéticos mais baixos do que de outra forma seria necessário para capturar tais feixes. Isso se deve ao fato de que é o componente azimutal da energia que determina a escala de órbita rápida de íons (que se torna progressivamente menor à medida que o ângulo de injeção em relação ao eixo principal do recipiente de simetria é reduzido em energia do feixe constante). Além disso, a injeção em ângulo em direção ao plano médio e com posições axiais de feixe perto do plano médio melhora o acoplamento do feixe de plasma, assim como o plasma de FRC se retrai ou de outra forma se contrai de modo axial durante o período de injeção.

Injetor de Pellet

[027] Para proporcionar um meio para injetar novas partículas e um melhor controle do estoque de partícula de FRC, um injetor de pellet de 12 barril 700 (ver, por exemplo, I. Vinyar et al., “Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2a”, Procedimentos do 26° Simpósio de Ciência e Tecnologia de Fusão, 27/09 para 01/10 (2010)) é utilizado no sistema de FRC 10. A figura 3 ilustra a disposição do injetor pellet 700 no sistema de FRC 10. Os pellets cilíndricos (D ~ 1 mM, L ~ 1-2 mm) são injetados no FRC com uma velocidade na gama de 150 a 250 km/s. Cada pellet individual contém cerca de 5 x 1019 átomos de hidrogênio, que é comparável ao estoque de partícula de FRC.

Sistemas de Absorção

[028] É bem conhecido que o gás halo neutro é um problema sério em todos os sistemas de confinamento. Os processos de troca e reciclagem de carga (liberação de material impuro a frio da parede) podem ter um efeito devastador sobre o confinamento de energia e de partículas. Além disso, qualquer densidade significativa de gás neutro no ou perto da borda levará a perdas imediatas ou, pelo menos, irá reduzir severamente a vida útil de partículas de grande órbita (alta energia) injetadas (órbita grande refere-se às partículas com órbitas na escala da topologia de FRC ou, pelo menos, raios de órbita muito maior do que a escala característica de comprimento de gradiente de campo magnético), um fato que é prejudicial para todas as aplicações de plasma energético, incluindo a fusão por meio de feixe de aquecimento auxiliar.

[029] O condicionamento superficial é um meio pelo qual os efeitos prejudiciais do gás neutro e de impurezas podem ser controlados ou reduzidos em um sistema de confinamento. Para esse fim, o sistema de FRC 10 aqui proporcionado emprega os sistemas de deposição de titânio e de lítio 810 e 820 que cobrem as superfícies voltadas para o plasma da câmara de confinamento 100 e desviadores 300 com películas (dezenas de micrômetros de espessura) de Ti e/ou Li. Os revestimentos são alcançados através de técnicas de deposição de vapor. Li e/ou Ti sólidos são evaporados e/ou sublimados e pulverizados sobre as superfícies próximas para formar os revestimentos. As fontes são fornos atômicos com bocais de guia (no caso de Li) 822 ou esferas aquecidas de sólido com cobertura guia (no caso de Ti) 812. Os sistemas de evaporador de Li operam, tipicamente, em um modo contínuo, enquanto os sublimadores de Ti são operados principalmente e forma intermitente entre a operação de plasma. As temperaturas de funcionamento desses sistemas são acima de 600 °C para se obter as taxas de deposição rápida. Para conseguir uma boa cobertura de parede, são necessários vários sistemas de evaporador/sublimador estrategicamente localizados. A figura 9 detalha uma disposição preferida dos sistemas de deposição de absorção 810 e 820 no sistema de FRC 10. Os revestimentos atuam como superfícies de adsorção e bombeiam de forma eficaz as espécies atômicas e de hidrogênio molecular (H e D). Os revestimentos também reduzem outras impurezas típicas como carbono e oxigênio para níveis insignificantes.

Plugues de Espelho

[030] Conforme referido acima, o sistema de FRC 10 emprega conjuntos de bobinas de espelho 420, 430 e 444, como mostrado nas figuras 2 e 3. Um primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 está localizado nas duas extremidades axiais da câmara de confinamento 100 e é energizado de forma independente a partir das bobinas de confinamento 412, 414 e 416 do sistema magnético principal 410. O primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 ajuda principalmente a orientar e de modo axial conter a FRC 450 durante a fusão e proporciona um controle de conformação de equilíbrio durante a manutenção. O primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 produz campos magnéticos nominalmente mais elevados (cerca de 0,4 a 0,5 T) do que o campo de confinamento central produzido pelas bobinas de confinamento central 412. O segundo conjunto de bobinas de espelho 430, que inclui três bobinas de espelho compactas quase CC 432, 434 e 436, está localizado entre as seções de formação 200 e os desviadores 300 e é acionado por uma fonte de alimentação de comutação comum. As bobinas de espelho magnético 432, 434 e 436, em conjunto com as bobinas de plugue de espelho pulsado mais compactas 444 (alimentadas por uma fonte de energia capacitiva) e a constrição física 442 dos plugues de espelho 440 que fornecem uma trajetória de condutância de gás baixa estreita com campos magnéticos muito elevados (entre 2 a 4 T com tempos de elevação de cerca de 10 a 20 ms). As bobinas de espelho magnético pulsado mais compactas 444 são de dimensões radiais compactas, diâmetro interno de 20 cm e comprimento semelhante, em comparação com o design do orifício de medição mais escala e disco das bobinas de confinamento 412, 414 e 416. A finalidade dos plugues de espelho 440 é múltipla: (1) as bobinas 432, 434, 436 e 444 firmemente unem e orientam as superfícies de fluxo magnético 452 e jatos de plasma de fluxo contínuo de extremidade 454 para dentro das câmaras de desviador remoto 300. Isso assegura que as partículas de escape alcancem os desviadores 300 de forma adequada e que haja as superfícies de fluxo contínuo 455 que rastreiam a partir da região de linha de campo aberto 452 de FRC central 450 por todo o caminho para os desviadores 300. (2) As constrições físicas 442 no sistema de FRC 10, através das quais as bobinas 432, 434, 436 e 444 permitem a passagem das superfícies de fluxo magnético 452 e jatos de plasma 454, proporcionam um impedimento ao escoamento de gás neutro a partir das pistolas de plasma 350, que se situam nos desviadores 300. Da mesma forma, as constrições 442 impedem o retorno de gás a partir das seções de formação 200 para os desviadores 300, reduzindo assim o número de partículas neutras que precisam ser introduzidas em todo o sistema de FRC 10 quando se inicia a partida de uma FRC. (3) Os fortes espelhos axiais produzidos pelas bobinas 432, 434,436 e 444 reduzem as perdas de partículas axiais e, assim, reduzem a capacidade de difusão de partícula paralela em linhas de campo aberto.

Pistolas de Plasma Axiais

[031] Os fluxos de plasma de pistolas 350 montados nas câmaras de desviador 310 dos desviadores 300 são destinados a melhorar a estabilidade e o desempenho de feixe neutro. As pistolas 350 são montadas no eixo no interior da câmara 310, dos desviadores 300, tal como ilustrado nas figuras 3 e 10 e produzem o plasma que flui ao longo das linhas de fluxo aberto 452 no desviador 300 e em direção ao centro da câmara de confinamento 100. As pistolas 350 operam a uma descarga de gás de alta densidade no canal de um lavador de pilha e são desenvolvidas para gerar vários quiloamperes de plasma totalmente ionizada durante 5 a 10 ms. As pistolas 350 incluem uma bobina magnética pulsada que correspondem ao fluxo de plasma de saída com o tamanho desejado de plasma na câmara de confinamento 100. Os parâmetros técnicos das pistolas 350 são caracterizados por um canal que tem um diâmetro externo de 5 a 13 cm e até um diâmetro interno de cerca de 10 cm, e fornecem uma corrente de descarga de 10 a 15 kA a 400 a 600 V, com um campo magnético de arma interno de entre 0,5 a 2,3 T.

[032] Os fluxos de plasma de pistola podem penetrar os campos magnéticos dos plugues de espelho 440 e fluem para dentro da seção de formação 200 e da câmara de confinamento 100. A eficiência de transferência de plasma através do plugue de espelho 440 aumenta com a diminuição distância entre a pistola 350 e o plugue 440 e ao tornar o plugue 440 mais amplo e mais curto. Sob condições razoáveis, os pistolas 350 podem liberar aproximadamente cada 1022 prótons através dos plugues de espelho 440 de 2 a 4 T com altas temperaturas de íon e elétron de cerca de 150 a 300 eV e cerca de 40 a 50 eV, respectivamente. As pistolas 350 fornecem o reabastecimento significativo da camada de borda de FRC 456, e uma melhora geral do confinamento de partícula de FRC.

[033] Para aumentar ainda mais a densidade do plasma, uma caixa de gás pode ser utilizado para soprar gás adicional para a corrente de plasma das pistolas 350. Essa técnica permite um aumento de várias vezes na densidade do plasma injetado. No sistema de FRC 10, uma caixa de gás instalado desviador 300 lateral aos plugues de espelho 440 melhora o reabastecimento da camada de borda de FRC 456, a formação de FRC 450, e da linha de amarra de plasma.

[034] Considerando todos os parâmetros de ajustamento discutidos acima e também considerando que o funcionamento com apenas um ou ambos os pistolas é possível, é facilmente evidente que uma vasta gama de modos de operação é acessível.

Eletrodos de Polarização

[035] A polarização elétrica de superfícies de fluxo aberto podem proporcionar potenciais radiais que dão origem ao movimento azimutal E x B que fornece um mecanismo de controle, análogo à volta de um botão, para controlar a rotação do plasma de linha de campo aberto, bem como o núcleo de FRC real 450 através do cisalhamento da velocidade. Para alcançar esse controle, o sistema de FRC 10 utiliza vários eletrodos posicionados de maneira estratégica em várias partes da máquina. A figura 3 representa os eletrodos de polarização posicionados em locais preferidos dentro do sistema de FRC 10.

[036] Em princípio, existem 4 classes de eletrodos: (1) os eletrodos pontuais 905 na câmara de confinamento 100 que fazem contato com determinadas linhas de campo aberto 452 na borda de FRC 450 para fornecer a carga local; (2) os eletrodos anulares 900 entre a câmara 100 e a formação de seções de confinamento 200 para carregar as camadas de fluxo de borda distante 456 de uma forma azimutal simétrica; (3) as pilhas de eletrodos concêntricos 910 nos desviadores 300 para carregar múltiplas camadas de fluxo concêntrico 455 (através das quais a seleção de camadas é controlável ao ajustar as bobinas 416 para ajustar o campo magnético de desviador de modo a finalizar as camadas de fluxo desejadas 456 sobre os eletrodos apropriados 910) e, por fim, (4) a ânodos 920 (vide a figura 10) das pistolas de plasma 350 em si (que interceptam as superfícies de fluxo aberto internas 455 próximas à separatriz de FRC 450). As figuras 10 e 11 mostram alguns desenhos típicos para alguns desses.

[037] Em todos os casos, esses eletrodos são acionados por fontes de energia de impulso de corrente contínua ou com tensões até cerca de 800 V. Dependendo do tamanho do eletrodo e quais superfícies de fluxo são atravessadas, as correntes podem ser desenhadas na gama quiloampere.

Operação não sustentada do sistema de FRC - Regime Convencional

[038] A formação de plasma padrão no sistema de FRC 10 segue a técnica de campo reverso-teta-pitada bem desenvolvida. Um processo típico para o arranque de uma FRC inicia por condução das bobinas quase CC 412, 414, 416, 420, 432, 434 e 436 para a operação de estado estacionário. Os circuitos de potência RFTP pulsada dos sistemas de formação de potência pulsada 210, em seguida, direcionam os impulsos rápidos de bobinas de campo reverso magnético 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 a 9 a 20 psi é injetada nos dois volumes de composição definida pelas câmaras de tubo de quartzo 240 das seções de formação (norte e sul) 200 por meio de um conjunto de vales de sopro orientados azimutalmente nos flanges localizados nas extremidades externas das seções de formação 200. Em seguida, um pequeno campo RF (~ centenas de quilohertz) é gerado a partir de um conjunto de antenas na superfície dos tubos de quartzo 240 para criar pré-ionização sob a forma de regiões de ionização de semente locais no interior das colunas de gás neutro. Isso é seguido pela aplicação de uma modulação de sinal teta sobre a corrente de acionamento das bobinas de campo magnético reverso pulsado rapidamente 232, que leva a mais pré-ionização geral das colunas de gás. Por fim, os principais bancos de potência pulsada dos sistemas de formação de potência pulsada 210 são disparados para conduzir as bobinas de campo magnético reverso pulsado rapidamente 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 é gerado de maneira uniforme em todo o comprimento dos tubos de formação 240 (formação estática) ou de modo que uma modulação de campo peristáltico consecutiva é alcançada ao longo do eixo dos tubos de formação 240 (formação dinâmica).

[039] Em todo esse processo de formação, a inversão de campo real no plasma ocorre rapidamente, dentro de cerca de 5 μs. A potência pulsada de multi-gigawatt liberada ao plasma em formação prontamente produz FRCs quentes que são depois ejetadas a partir das seções de formação 200 por meio da aplicação de qualquer uma modulação de tempo sequenciado do campo magnético dianteiro (peristaltismo magnético) ou correntes temporariamente aumentadas nas últimas bobinas de conjunto de bobina 232 perto das extremidades axiais externas dos tubos de formação 210 (formando um gradiente de campo magnético axial que aponta de modo axial na direção da câmara de confinamento 100). As duas FRCs de formação (norte e sul) assim formadas e aceleradas, em seguida, se expandem para a câmara de confinamento de diâmetro maior 100, onde as bobinas quase CC 412 produzem um campo polarizado diretamente para controlar a expansão radial e para proporcionar o equilíbrio do fluxo magnético externo.

[040] Uma vez que as FRCs de formação norte e sul se aproximam do plano médio da câmara de confinamento 100, as FRCs colidem. Durante a colisão, as energias cinéticas axiais das FRCs de formação norte e sul são amplamente termalizadas à medida que as FRCs se unem, finalmente, em uma única FRC 450. Um grande conjunto de diagnóstico de plasma está disponível na câmara de confinamento 100 para estudar o equilíbrio de FRC 450. As condições normais de funcionamento, no sistema de FRC 10 produzem FRCs compostas com raios de separatriz de cerca de 0,4 m e cerca de extensão axial de 3 m. As características adicionais são campos magnéticos externos de cerca de 0,1 T, densidades de plasma de cerca de 5x1019 m-3 e temperatura do plasma total de até 1 keV. Sem qualquer sustentação, isto é, sem aquecimento e/ou a acionamento de corrente por meio de injeção de feixe neutro ou outros meios auxiliares, o tempo de vida dessas FRCs é limitada a cerca de 1 ms, o tempo de decaimento de configuração característica nativa.

Dados Experimentais de Operação não sustentada - Regime Convencional

[041] 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 fusão de intervalo teta de FRC 450. Os dois plasmoides individuais (norte e sul) são produzidos simultaneamente e, em seguida acelerados para fora das respectivas seções de formação 200, a uma velocidade supersônica, vZ ~ 250 km/s, e colidem perto do plano médio em z = 0. Durante a colisão, os plasmoides se comprimem de modo axial, seguido por uma rápida e radial expansão axial, antes de eventualmente se fundir para formar uma FRC 450. Ambas as dinâmicas radial e axial do FRC em fusão 450 são evidenciadas por medições do perfil de densidade detalhadas e tomografia com base bolômetro.

[042] Os dados a partir de uma descarga de não sustentada representativa do sistema de FRC são mostrados em função do tempo na figura 13. A FRC é iniciada no instante t = 0. O raio de fluxo excluído no plano axial médio da máquina é mostrado na figura 13(a). Esses dados são obtidos a partir de uma matriz de sondas magnéticas, localizada no interior da parede de aço inoxidável da câmara de confinamento, que medem o campo magnético axial. A parede de aço é um bom conservador de fluxo nas escalas de tempo dessa descarga.

[043] As densidades de linha integrada são mostradas na figura 13 (b), a partir de um interferômetro de CO2/de He-Ne de 6 cordas localizado em z = 0. Considerando o deslocamento de FRC vertical (Y), como medida por tomografia bolométrica, a inversão Abel resulta nos contornos de densidade das figuras 13(c). Após alguns borrifamentos axial e radial durante os primeiros 0,1 ms, a FRC se instala com um perfil de densidade oco. Esse perfil é relativamente plano, com densidade substancial no eixo, como exigido pelo típicos equilíbrios de FRC 2-D.

[044] A temperatura total no plasma é mostrada na figura 13(d), derivada a partir do equilíbrio de pressão e inteiramente consistente com as medições de dispersão e espectroscopia Thomson.

[045] A análise de toda a matriz de fluxo excluído indica que a forma da separatriz FRC (aproximada pelos perfis axiais de fluxo excluído) evolui gradualmente de pista para elíptica. Essa evolução, mostrada na figura 14, é consistente com uma reconexão magnética gradual de duas para uma única FRC. De fato, estimativas sugerem que, nesse instante específico, cerca de 10% dos dois fluxos magnéticos de FRC iniciais sejam reconectados durante a colisão.

[046] O comprimento de FRC diminui progressivamente a partir de 3 até cerca de 1 m durante o tempo de vida de FRC. Este encurtamento, visível na figura 14, sugere que a perda de energia principalmente convectiva domina o confinamento de FRC. À medida que a pressão do plasma no interior da separatriz diminui mais rapidamente do que a pressão magnética externa, a tensão da linha de campo magnético nas regiões de extremidade compacta a FRC de modo axial, restabelece o equilíbrio axial e radial. Para a descarga discutida nas figuras 13 e 14, o fluxo de FRC magnético, o estoque de partícula e a energia térmica (cerca de 10 MWB, 7x1019 partículas, e 7 kJ, respectivamente) diminuem por aproximadamente uma ordem de grandeza no primeiro milissegundo, quando o equilíbrio de FRC parece diminuir.

Operação sustentada - Regime de HPF

[047] Os exemplos nas figuras 12 a 14 são característicos da decomposição de FRCs sem qualquer manutenção. No entanto, várias técnicas são implantadas no sistema de FRC 10 para melhorar ainda mais o confinamento de FRC (núcleo interno e a camada de borda) para o regime de HPF e manter a configuração.

Feixes Neutros

[048] Em primeiro lugar, neutros rápidos (H) são injetados perpendicular aos feixes Bz a partir dos oito injetores de feixe neutro 600. Os feixes e neutros rápidos são injetados a partir do momento em que as FRCs de formação norte e sul se unem na câmara de confinamento 100 em uma FRC 450. Ps íons rápidos, criados primariamente por troca de carga, têm órbitas de betatrônio (com raios primário na escala da topologia de FRC ou, pelo menos, muito maior do que a escala característica de comprimento de gradiente de campo magnético) que adiciona à corrente azimutal da FRC 450. Depois alguma fração da descarga (após 0,5 a 0,8 ms para o acionamento), uma população suficientemente grande e rápido de íons melhora significativamente a estabilidade de FRC interior e propriedades de confinamento (ver por exemplo, M. W. Binderbauer e N. Rostoker, Plasma Phys. 56, parte 3, 451 (1996)). Além disso, a partir de uma perspectiva de sustentação, os feixes dos injetores do feixe neutro 600 são também os principais meios para conduzir a corrente e aquecer o plasma de FRC.

[049] No regime de plasma do sistema de FRC 10, os íons rápidos desaceleram principalmente nos elétrons do plasma. Durante a parte inicial de uma descarga, os tempos de diminuição de órbita médios típicos de íons rápidos são 0,3 a 0,5 ms, o que resulta no aquecimento de FRC significativo, principalmente de elétrons. Os íons rápidos fazem grandes desvios radiais exteriores da separatriz, porque o campo magnético interno de FRC é inerentemente baixo (cerca de 0,03 T, em média, para um campo externo axial 0,1 T). Os íons rápidos seriam vulneráveis para cobrar perda de carga, se a densidade do gás neutro for muito elevada fora da separatriz. Portanto, a absorção de parede e outras técnicas (tais como a pistola de plasma 350 e plugues de espelho 440 que contribuem, entre outras coisas, para o controle de gás) implantadas no sistema de FRC 10, tendem a minimizar neutros de borda e permitem o acúmulo necessário de corrente de íons rápido.

Injeção de Pellet

[050] Quando uma população significativa de íon rápido é construída dentro da FRC 450, com temperaturas mais elevadas de elétrons e longos tempos de vida de FRC, pellets H ou D congelados são injetados na FRC 450 a partir do injetor de pellet 700 para manter o estoque de partícula de FRC a FRC 450. As escalas de tempo de ablação antecipadas são suficientemente curtas para proporcionar uma fonte significativa de partícula de FRC. Essa taxa pode também ser aumentada através do aumento da área de superfície da peça injetada ao quebrar o pellet individual em fragmentos menores, enquanto nos barris ou tubos de injeção do injetor de pellet 700 e antes de entrar na câmara de confinamento 100, uma etapa que pode ser alcançada através do aumento do atrito entre o pellet e as paredes do tubo de injeção por aperto do raio de curvatura do último segmento do tubo de injeção para a direita antes da entrada na câmara de confinamento 100. Em virtude da variação da sequência de acionamento e taxa dos 12 barris (tubos de injeção), bem como a fragmentação, é possível ajustar o sistema de injeção de pellet 700 para proporcionar apenas o nível desejado de sustentação de estoque de partícula. Por sua vez, isso ajuda a manter a pressão interna na cinética de FRC 450 e a operação do sistema e tempo de vida de FRC 450. Isso ajuda a manter a pressão interna na cinética de FRC 450 e a operação do sistema e o tempo de vida de FRC 450. Isso ajuda a manter a pressão interna na cinética de FRC 450 e a operação do sistema e o tempo de vida de FRC 450.

[051] Uma vez que os átomos retirados por ablação encontram plasma significativo na FRC 450, eles se tornam totalmente ionizados. O componente de plasma frio resultante é, em seguida, aquecido por colisão pelo plasma de FRC nativo. A energia necessária para manter uma temperatura desejada de FRC é, por fim, fornecida pelos injetores de feixe 600. Nesse sentido, os injetores de pellet 700, em conjunto com os injetores de feixe neutro 600, formam o sistema que mantém um estado estável e mantém a FRC 450.

Injetor de CT

[052] Como uma alternativa para o injetor de pellet, um injetor de toróide compacto (CT) é fornecido, principalmente para abastecer os plasmas de configuração (FRCs) de campo reverso. O injetor de CT 720 compreende uma pistola de plasma magnetizado coaxial (mCpG) que, como mostrado na figura 21, inclui eletrodos cilíndricos coaxiais interior e exterior 722 e 724, uma bobina de polarização posicionada de forma interna ao eletrodo interno 726 e um intervalo elétrico 728 sobre uma extremidade oposta de descarga do injetor de CT 720. O gás é injetado através de uma abertura de injeção de gás 730 para um espaço entre os eletrodos, interno e externo, 722 e 724 e um plasma Spheromak semelhante é gerado da mesma através de descarga e empurrado para fora a partir da pistola por força Lorentz. Como mostrado nas figuras 22A e 22B, um par de injetores de CT 720 é acoplado ao recipiente de confinamento 100 perto de e em lados opostos do plano médio do recipiente 100 para injetar CTs para o plasma de FRC central no interior do recipiente de confinamento 100. A extremidade de descarga dos injetores de CT 720 é direcionada para o plano médio do recipiente de confinamento 100 em um ângulo ao eixo longitudinal do recipiente de confinamento 100 semelhante aos injetores de feixe neutro 615.

[053] Em configurações alternativas, o injetor de CT 720, como mostrado nas figuras 23A e 23B, inclui um tubo de desvio 740 que compreende um tubo cilíndrico alongado acoplado à extremidade de descarga do injetor de CT 720. Como representado, o tubo de desvio 740 inclui as bobinas de tubo de deriva 742 posicionadas sobre e espaçadas de modo axial ao longo do tubo. Uma pluralidade de portas de diagnóstico 744 é descrita ao longo do comprimento do tubo.

[054] As vantagens do injetor de CT 720 são: (1) controle e capacidade de ajuste de estoque de partícula por CT injetado; (2) o plasma quente é depositado (em vez de pellets criogênicos); (3) o sistema pode ser operado em modo de taxa de repetição, de modo a permitir para a alimentação contínua; (4) o sistema também pode restaurar algum fluxo magnético à medida que os CTs injetados transportam o campo magnético incorporado. Em uma modalidade para a utilização experimental, o diâmetro interno de um eletrodo externo é 83,1 mm e o diâmetro externo de um eletrodo interno é 54,0 mm. A superfície do eletrodo interno 722 é, de preferência, revestida com tungstênio a fim de reduzir as impurezas que vem de fora a partir do eletrodo 722. Como representado, a bobina de polarização 726 é montada no interior do eletrodo interior 722.

[055] Em experimentos recentes, a velocidade de translação de CT supersônica de até ~ 100 km/s foi alcançada. Outros parâmetros do plasma típicos são como a seguir: densidade de elétrons ~ 5 x 1,021 m-3, temperatura de elétrons ~ 30-50 eV, e estoque de partículas de ~ 0,5 - 1,0 x 1019. A pressão cinética alta de CT permite que o plasma injetado penetre profundamente na FRC e deposite as partículas no interior da separatriz. Em experiências recentes, o abastecimento de partícula de FRC resultou em ~ 10 a 20% da partícula de estoque de FRC sendo fornecidos pelos injetores de CT, demonstrando com sucesso que o abastecimento pode facilmente ser realizado sem perturbar o plasma de FRC.

Bobinas de sela

[056] Para alcançar unidade de corrente de estado constante e manter a corrente de íons requerida é desejável prevenir ou reduzir a rotação de elétrons de forma significativa, devido à força de atrito de elétron e íon (que resulta da transferência do momento de elétron de íon de colisão). O sistema de FRC 10 utiliza uma técnica inovadora para fornecer quebra de elétrons através de um dipolo magnético estático ou campo quadrupolo aplicado externamente. Isso é conseguido por meio das bobinas de sela externas 460 representadas na figura 15. O campo magnético aplicado transversal radial a partir das bobinas de sela 460 induz um campo elétrico axial no plasma de FRC rotativo. A corrente de elétrons axial resultante interage com o campo magnético radial para produzir uma força de ruptura azimutal nos elétrons, Fθ=-oVeθ<|Brl2>. As condições típicas do sistema de FRC 10, o campo necessário dipolo magnético aplicado (ou quadrupolo) no interior do plasma precisa ser apenas da ordem de 0,001 T para fornecer quebra de elétrons adequados. O campo externo correspondente de cerca de 0,015 T é suficientemente pequeno para não causar perdas de partículas rápidas apreciáveis ou, de outro modo, impactar de maneira negativa o confinamento. De fato, o campo magnético dipolo aplicado (ou quadrupolo) contribui para suprimir a instabilidades. Em combinação com a injeção de feixe neutro tangencial e axial de injeção de plasma, as bobinas de sela 460 fornecem um nível adicional de controle no que diz respeito à manutenção e estabilidade de corrente.

Plugues de espelho

[057] O design das bobinas pulsadas 444 dentro dos plugues de espelho 440 permite a geração local de campos magnéticos elevados (2 a 4 T) com energia capacitiva modesta (cerca de 100 kJ). Para a formação de campos magnéticos típicos da presente operação do sistema de FRC 10, todas as linhas de campo dentro do volume de formação passam através das constrições 442 para os plugues de espelho 440, tal como sugerido pelas linhas de campo magnético na figura 2 e o contato que a parede de plasma faz não ocorre. Além disso, os plugues de espelho 440 conectados em paralelo com os ímãs de desviador quase CC 416 podem ser ajustados de modo a orientar as linhas do campo sobre os eletrodos de desviador 910, ou ampliar as linhas de campo em uma configuração final de cúspide (não mostrada). Essa última melhora a estabilidade e suprime a condução térmica de elétron paralelo.

[058] Os plugues de espelho 440, por si só, também contribuem para o controle de gás neutro. Os plugues de espelho 440 permitem uma melhor utilização do gás deutério soprado para os tubos de quartzo durante a formação de FRC, uma vez que gás de retorno que flui para os desviadores 300 é reduzido de maneira significativa pela pequena condutância de gás dos plugues (escasso de 500 l/s) . A maior parte do gás residual soprado para dentro dos tubos de formação 210 é rapidamente ionizada. Além disso, o plasma de alta densidade que flui através dos plugues de espelho 440 fornece ionização neutra eficiente, portanto, uma barreira de gás eficaz. Como resultado, a maior parte dos neutros reciclados nos desviadores 300 a partir da camada de borda de FRC 456 não retorna à câmara de confinamento 100. Além disso, os neutros associados à operação das pistolas de plasma 350 (como discutido abaixo) serão principalmente confinados aos desviadores 300.

[059] Por fim, os plugues de espelho 440 tendem a melhorar o confinamento da camada de borda de FRC. Com proporções de espelho (campos magnéticos de plugue/confinamento) na gama de 20 a 40, e com um comprimento de 15 m entre os plugues de espelho norte e sul 440, o tempo de confinamento de partícula de camada de borda TH aumenta em até uma ordem de grandeza. A melhora de TH aumenta prontamente o confinamento de partícula de FRC.

[060] Presumindo a perda de partícula difusiva radial (D) a partir do volume de separatriz 453 em relação à perda axial (th) a partir da camada de borda 456, obtém-se (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/Tii), 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 partícula de FRC é TN = [πrs2Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(T±Tii)1/2, em que T± = a2/D com a=rs/4. Fisicamente, a melhora de th leva a um aumento de δ (gradiente de densidade de separatriz reduzido e parâmetro de deriva) e, por conseguinte, reduz a perda de partículas de FRC. A melhora geral no confinamento das partículas de FRC é, em geral, ligeiramente menor do que quadrática, porque ns aumenta com th.

[061] Uma melhoria significativa em th também requer que a camada de borda 456 continue a ser amplamente estável (ou seja, sem n = 1 flauta, mangueira de incêndio, ou outra instabilidade de MHD típica de sistemas abertos). O uso das pistolas de plasma 350 fornece essa estabilidade de borda preferida. Nesse sentido, os plugues de espelho 440 e pistola de plasma 350 formam um sistema de controle de borda eficaz.

Pistolas de Plasma

[062] As pistolas de plasma 350 melhoram a estabilidade dos jatos de escape de FRC 454 por linha de atar. Os plasmas de pistola das pistolas de plasma 350 são gerados sem momento angular azimutal, o que prova ser útil no controle de instabilidades rotacionais de FRC. Como tal, as pistolas de 350 constituem um meio eficaz para controlar a estabilidade de FRC, sem a necessidade da técnica de estabilização quadrupolo mais antiga. Como resultado, as pistolas de plasma 350 tornam possível ter vantagem dos efeitos benéficos de partículas rápidas ou acessar ao regime de FRC cinético híbrido avançado como descrito nessa divulgação. Portanto, as pistolas de plasma 350 permitem que o sistema de FRC 10 seja operado com correntes de bobina de sela apenas adequadas para quebra de elétrons, mas abaixo do limiar que iria causar instabilidade de FRC e/ou levar à difusão de partículas rápida e dramática.

[063] Como mencionado no plugue de espelho da discussão acima, se TH for significativamente melhorado, a pistola de plasma fornecida seria comparável à taxa de perda de partículas da camada de borda (~ 1022/s). O tempo de vida do plasma produzido na pistola no sistema de FRC 10 está na gama de milissegundo. Com efeito, considerando o plasma de pistola com densidade ne ~ 1013 cm-3 e temperatura de íons de cerca de 200 eV, confinado entre os plugues de espelho de extremidade 440. O comprimento de captura L e a razão de espelho R são cerca de 15 m e 20, respectivamente. A trajetória livre média de íon devido às colisões de Coulomb Xii ~ 6x103 cm e, uma vez que XülnR/R < L, os íons estão confinados no regime de gás dinâmico. O tempo de confinamento de plasma nesse regime é tgd ~ RL/2Vs ~ 2 ms, onde Vs é a velocidade do som de íons. Para comparação, o tempo de confinamento clássico de íons para esses parâmetros do plasma seria Tc ~ 0,5Tii(lnR + (lnR)0.5) ~ 0,7 ms. A difusão anômala transversal pode, em princípio, encurtar o tempo de confinamento do plasma. No entanto, no sistema de FRC 10, se assumirmos a taxa de difusão Bohm, o tempo de confinamento transversal estimado para a pistola de plasma é T± > Tgd ~ 2 ms. Assim, as pistolas proporcionariam o reabastecimento significativo da camada de borda de FRC 456, e uma melhora geral de confinamento de partícula de FRC.

[064] Além disso, os fluxos de plasma de pistola podem ser ligados em cerca de 150 a 200 microssegundos, o que permite a utilização no início de FRC, a translação, e união com a câmara de confinamento 100. Se ligados ao redor de t ~ 0 (iniciação banco principal FRC), os plasmas de pistola ajudam a sustentar a FRC presente formada de maneira dinâmica e unida 450. Os estoques de partículas combinadas de FRCs de formação e das pistolas são adequados para a captura de feixe neutro, aquecimento de plasma, e longa sustentação. Se forem ligados na gama de -1 a 0 ms, os plasmas de pistola podem preencher os tubos de quartzo 210 com plasma ou ionizar o gás soprado para os tubos de quartzo, permitindo assim a formação de FRC com reduzida ou mesmo talvez zero, de gás soprado. O último pode exigir que o plasma de formação suficientemente frio permita a difusão rápida do campo magnético de polarização reverso. Se ligados em t <-2 ms, os fluxos de plasma podem preencher a cerca de 1 a 3 m3 de volume de linha de campo das regiões de formação e confinamento das seções de formação 200 e da câmara de confinamento 100 com uma densidade de plasma alvo de alguns 1013 cm-3, suficiente para permitir o acúmulo de feixe neutro antes da chegada de FRC. As FRCs de formação podem, em seguida, ser formadas e transladadas para o plasma de recipiente de confinamento resultante. Dessa forma, as pistolas de plasma 350 permitem uma grande variedade de condições de operação e os regimes de parâmetros. suficiente para permitir feixe neutro acumulação antes da chegada de FRC. As FRCs de formação podem então ser formada e translada para o plasma resultante recipiente de confinamento.

Polarização Elétrica

[065] O controle do perfil radial do campo elétrico na camada de borda 456 é benéfico de várias formas para a estabilidade e confinamento de FRC. Em virtude dos componentes de polarização inovadoras implantados no sistema de FRC 10, é possível aplicar uma variedade de distribuições deliberadas de potenciais elétricos a um grupo de superfícies de fluxo abertos em toda a máquina a partir de áreas 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 do lado de fora de FRC 450. Esses campos elétricos radiais, em seguida, modificam a rotação azimutal da camada de borda 456 e realizam o seu confinamento através do cisalhamento de velocidade E x B. Qualquer rotação diferencial entre a camada de borda 456 e o núcleo de FRC 453 pode, então, ser transmitida para o interior do plasma de FRC por cisalhamento. Como resultado, o controle da camada de borda 456 tem impacto direto do núcleo de FRC 453. Além disso, uma vez que a energia livre em rotação no plasma também pode ser responsável por instabilidades, essa técnica proporciona um meio direto para controlar o aparecimento e crescimento de instabilidades. No sistema de FRC 10, a polarização de borda adequada proporciona um controle eficaz de campo aberto de transporte de linha e de rotação, bem como a rotação do núcleo de FRC. A localização e a forma dos vários eletrodos fornecidos 900, 905, 910 e 920 permite o controle de diferentes grupos de fluxo superfícies 455 e diferentes potenciais e independentes. Dessa forma, uma grande variedade de configurações diferentes campos elétricos e as forças pode ser realizado, cada um com diferentes características de impacto sobre o desempenho de plasma.

[066] Uma vantagem chave de todas essas técnicas de polarização inovadoras é o fato de que o comportamento de plasma de borda e de núcleo pode ser realizado a partir de bem fora do plasma de FRC, ou seja, não há necessidade de trazer quaisquer componentes físicos em contato com o plasma quente central (o que teria graves implicações para a energia, o fluxo e perdas de partículas). Isso tem um grande impacto benéfico sobre o desempenho e todas as aplicações de energia do conceito de HPF.

Dados Experimentais - Operação de HPF

[067] A injeção de partículas rápidas através de feixes das pistolas de feixes neutros 600 desempenha um papel importante em permitir o regime de HPF. A figura 16 ilustra esse fato. Descreve-se um conjunto de curvas que mostra a forma como o tempo de vida de FRC está correlacionado com o comprimento dos impulsos de feixe. Todas as outras condições de operação são mantidas constantes para todas as descargas que compõem esse estudo. Os dados são calculados sobre muitos tiros e, portanto, representa um comportamento típico. É evidente que a duração do feixe mais longa produz FRCs mais duráveis. Olhando para essa prova, bem como outros diagnósticos durante esse estudo, demonstra-se que os feixes aumentam a estabilidade e reduzem as perdas. A correlação entre o comprimento do impulso do feixe e do tempo de vida de FRC não é perfeita uma vez que a captura de feixe se torna ineficiente abaixo de um determinado tamanho de plasma, ou seja, uma vez que a FRC 450 diminui de tamanho físico nem todos os feixes injetados são interceptados e capturados. O encolhimento de FRC é principalmente devido ao fato de que a perda de energia líquida (~ 4 PM de cerca de meio caminho através da descarga) a partir do plasma de FRC durante a descarga é um pouco maior do que o total de energia alimentada para a FRC através dos feixes neutros (~ 2,5 MW ) para a montagem experimental particular. A localização dos feixes em uma localização mais próxima do plano médio do recipiente 100 tenderia a reduzir essas perdas e estender o tempo de vida da FRC.

[068] A figura 17 ilustra os efeitos de diferentes componentes para atingir o regime de HPF. Ela mostra uma família de curvas típicas que descrevem o tempo de vida de FRC 450 como uma função do tempo. Em todos os casos, uma quantidade constante, modesta de energia de feixe (cerca de 2,5 MW) é injetada para a duração total de cada descarga. Cada curva é representativa de uma combinação diferente de componentes. Por exemplo, operar o sistema de FRC 10 sem quaisquer plugues de espelho 440, pistolas de plasma 350 ou absorção dos sistemas de absorção 800 induz um rápido início da instabilidade rotativa e a perda da topologia de FRC. Acrescentando apenas os plugues de espelho 440 retarda o aparecimento de instabilidades e aumenta o confinamento. O uso da combinação de plugues de espelho 440 e de uma pistola de plasma 350 reduz ainda mais as instabilidades e aumenta a vida de FRC. Por fim, adicionar a absorção (Ti, nesse caso) no topo da pistola 350 e plugues 440 produz os melhores resultados - o FRC resultante é livre de instabilidades e exibe o tempo de vida mais longo. Fica claro a partir dessa demonstração experimental de que a combinação completa de componentes produz o melhor efeito e fornece os feixes com os melhores condições-alvo.

[069] Como mostrado na figura 1, o regime de HPF recém-descoberto melhorou drasticamente o comportamento de transporte. A figura 1 ilustra a mudança no tempo de partícula de confinamento no sistema de FRC 10 entre o regime convencional e o regime de HPF. Como pode ser visto, isso melhorou mais de um fator de 5 no regime de HPF. Além disso, a figura 1 detalha o tempo de confinamento de partícula no sistema de FRC 10 em relação ao tempo de partícula de confinamento em experiências com FRC convencionais anteriores. No que diz respeito a essas outras máquinas, o regime de HPF do sistema de FRC 10 melhorou o confinamento por um fator de entre 5 e perto de 20. Por fim, e mais importante ainda, a natureza da escala de confinamento do sistema de FRC 10 no regime de HPF é drasticamente diferente a partir de todas as medições anteriores. Antes do estabelecimento do regime de HPF no sistema de FRC 10, várias leis de escala empírica foram derivadas dos dados para prever os tempos de confinamento em experimentos de FRC anteriores. Todas essas regras de dimensionamento dependem principalmente da relação R2/pi, em que R é o raio do nulo do campo magnético (uma medida frouxa da escala física da máquina) e pi é o raio de íons Larmor avaliado no campo externamente aplicado (uma medida frouxa do campo magnético aplicado). Fica claro a partir da figura 1 que o confinamento longo em FRCs convencionais só é possível em tamanho grande da máquina e/ou campo magnético elevados. A operação do sistema 10 de FRC no regime de CR de FRC convencional tende a seguir as referidas regras de dimensionamento, tal como indicado na figura 1. No entanto, o regime de HPF é muito superior e mostra que o confinamento muito melhor é atingível sem tamanho grande de máquina ou campos magnéticos elevados. Mais importante ainda, é igualmente evidente a partir da figura 1 que os resultados do regime de HPF melhoraram o tempo de confinamento com tamanho de plasma reduzido, em comparação com o regime de CR. As tendências semelhantes também são visíveis para os tempos de fluxo e confinamento de energia, tal como descrito abaixo, que aumentaram mais de um fator de 3 a 8 no sistema de FRC 10, também. O avanço do regime HPF, portanto, possibilita a utilização da potência do feixe modesto, campos magnéticos e menor tamanho para sustentar e manter o equilíbrio de FRC no sistema de FRC 10 e futuras máquinas de energia mais elevados. Juntamente com essas melhorias vem os menores custos operacionais e de construção, bem como redução da complexidade de engenharia.

[070] Para outra comparação, a figura 18 mostra os dados de um representante de descarga de regime de HPF no sistema de FRC 10 como uma função do tempo. A figura 18 (a) representa o raio do fluxo excluído no plano médio. Para essas escalas de tempo mais longas, a parede de aço de condução já não é um conservante de fluxo tão bom e as sondas magnéticas internas para a parede são aumentadas com sondas de fora da parede para explicar adequadamente a difusão de fluxo magnético através do aço. Em comparação com o desempenho típico do regime de CR convencional, como mostrado na figura 13, o regime de HPF exibe o modo de funcionamento por mais de 400% de tempo de vida.

[071] Uma corda representativa do traço de densidade integrada é mostrada na figura 18 (b) com o seu complemento reverso Abel, os contornos de densidade, na figura 18 (c). Em comparação com CR de regime de FRC convencional, como mostrado na figura 13, o plasma é mais quiescente ao longo do pulso, indicativo de funcionamento muito estável. A densidade de pico, também é ligeiramente mais baixa em tiros de HPF, isso é consequência da temperatura mais quente do plasma total (até um fator de 2), como mostrado na figura 18 (d).

[072] Para a respectiva descarga ilustrada na figura 18, a energia, partículas e tempos de confinamento de fluxo são de 0,5 ms, 1 ms e 1 ms, respectivamente. Em um tempo de referência de 1 ms na descarga, a energia do plasma armazenado é 2 kJ. enquanto que as perdas são cerca de 4 MW, tornando esse alvo muito adequado para a sustentação de feixe neutro.

[073] A figura 19 resume todas as vantagens do regime de HPF sob a forma de um escala de confinamento de fluxo de HPF experimental recentemente estabelecido. Como pode ser visto na figura 19, com base em medições realizadas antes e após t = 0,5 ms, ou seja, t < 0,5 ms e t > 0,5 ms, as escalas do confinamento do fluxo (e, de modo semelhante, o confinamento de partículas e o confinamento de energia) com aproximadamente o quadrado da temperatura dos elétrons (Te) para um dado raio separatriz (rs). Essa forte escala com uma potência positiva de Te (e não uma potência negativa) é completamente oposta àquela exibida por “tokamaks” convencionais, onde o confinamento é normalmente inversamente proporcional a alguma potência da temperatura dos elétrons. A manifestação dessa escala é uma consequência direta do estado de HPF e a grande órbita (ou seja, órbitas na escala da topologia de FRC e/ou pelo menos a população de íons de escala característica de comprimento de gradiente de campo magnético). Fundamentalmente, esse novo escalonamento favorece substancialmente as elevadas temperaturas de funcionamento e permite reatores de tamanho relativamente modestos.

[074] Com as vantagens que o regime de HPF apresenta, a sustentação de FRC ou estado estacionário impulsionado por feixes neutros e uso de injeção de pellet adequado é possível, ou seja, os parâmetros de plasma globais tais como o plasma de energia térmica, o número de partículas totais, raio de plasma e comprimento, bem como fluxo magnético, são sustentáveis em níveis razoáveis sem decaimento substancial. Para comparação, a figura 20 mostra os dados em gráfico A a partir de uma descarga de regime de HPF representativa no sistema de FRC 10 como uma função do tempo e em gráfico B para uma descarga de regime de HPF representativa no sistema de FRC 10 projetada como uma função do tempo em que a FRC 450 é sustentada sem decaimento através da duração do impulso do feixe neutro. Para o gráfico A, os feixes neutros com energia total no intervalo de cerca de 2,5 a 2,9 MW foram injetados na FRC 450 para um comprimento de impulso de feixe ativo de cerca de 6 ms. O tempo de vida diamagnético de plasma representado no gráfico A foi de cerca de 5,2 ms. Os dados mais recentes mostram um tempo de vida de plasma diamagnético de cerca de 7,2 ms é alcançável com um comprimento de impulso de feixe ativo de cerca de 7 ms.

[075] Como notado acima no que diz respeito à figura 16, a correlação entre a duração do impulso do feixe e o tempo de vida de FRC não é perfeita uma vez que a captura de feixe se torna ineficiente abaixo de um determinado tamanho de plasma, ou seja, à medida que a FRC 450 diminui de tamanho físico, nem todos os feixes injetados são interceptados e presos. O encolhimento ou decaimento de FRC é principalmente devido ao fato de que a perda de energia líquida (- 4 PM de cerca de meio caminho através da descarga) a partir do plasma de FRC durante a descarga é um pouco maior do que o total de energia alimentada para a FRC através dos feixes neutros (- 2,5 MW) para a montagem experimental particular. Como foi observado em relação à figura 3C, a injeção de feixe inclinada das pistolas de feixe neutro 600 em direção ao plano médio melhora o acoplamento do feixe de plasma, assim como o plasma de FRC encolhe, ou de outra forma, se contrai de modo axial durante o período de injeção. Além disso, o abastecimento de pellet adequado manterá a densidade do plasma necessário.

[076] O gráfico B é o resultado de simulações feitas com o uso de um comprimento de impulso de feixe ativo de cerca de 6 ms e a potência total do feixe das pistolas de feixe neutro 600 de um pouco mais do que cerca de 10 MW, onde os feixes neutros devem injetar neutros H (ou D) com energia de partícula de cerca de 15 keV. A corrente equivalente injetada por cada um dos feixes é de cerca de 110 A. Para o gráfico B, o ângulo de injeção do feixe para o eixo do dispositivo era de cerca de 20 °, o raio da segmentação 0,19 m. O ângulo de injeção pode ser alterado dentro do intervalo de 15° a 25°. Os feixes são injetados na direção azimutal em co-corrente. A força lateral líquida, bem como a força axial apurada a partir da injeção de impulso de feixe neutro, deve ser minimizada. Tal como acontece com o gráfico A, neutros rápidos (H) são injetados a partir dos injetores de feixe neutro 600 a partir do momento em que as FRCs de formação norte e sul se unem na câmara de confinamento 100 para uma FRC 450.

[077] As simulações que foram a base para a utilização de agentes de resolução hall-MHD multidimensionais do gráfico B para o plasma de fundo e de equilíbrio, agentes de resolução Monte-Carlo totalmente cinéticos para os componentes do feixe energético e todos os processos de dispersão, bem como uma série de equações de transporte acoplados a todas as espécies de plasma para modelar os processos de perda interativos. Os componentes de transporte são empiricamente calibrados e extensivamente marcados contra banco de dados experimentais.

[078] Como mostrado no gráfico B, o tempo de vida diamagnético em estado estacionário de FRC 450 será o comprimento do impulso do feixe. No entanto, é importante notar que o gráfico B de correlação-chave é que quando os feixes são desligados, o plasma ou FRC começa a diminuir nesse momento, mas não antes. A decaimento irá ser semelhante ao que é observado em descargas que não são assistidas por feixe, provavelmente na ordem de 1 ms, além do tempo de desligamento de feixe, e é simplesmente um reflexo do tempo de decaimento característico do plasma acionado pelos processos de perda intrínsecos.

[079] Embora a invenção seja susceptível a várias modificações e formas alternativas, os exemplos específicos da mesma foram representados nos desenhos e são aqui descritos em detalhes. Deve ser entendido, no entanto, que a invenção não deve ser limitada às formas específicas ou métodos descritos, mas pelo contrário, a invenção deve cobrir todas as modificações, equivalências e alternativas que ficam dentro do espírito e âmbito das reivindicações anexas.

[080] Na descrição acima, para fins de explicação, apenas a nomenclatura específica é apresentada para proporcionar uma compreensão profunda da presente divulgação. No entanto, será evidente para um versado na técnica que esses detalhes específicos não são necessários para a prática dos ensinamentos da presente divulgação.

[081] As várias características dos exemplos representativos e das reivindicações dependentes podem ser combinadas em formas que não são específica e explicitamente enumerados, a fim de proporcionar as modalidades adicionais úteis dos presentes ensinamentos. É também expressamente observado que todos os intervalos de valores ou indicações de grupos de entidades indiquem todos os valores intermediários possíveis ou entidade intermediária com a finalidade de divulgação original, bem como com o propósito de restringir o objeto reivindicado.

[082] Os sistemas e os métodos para gerar e manter uma FRC de regime de HPF foram descritos. Entende-se que as modalidades aqui descritas são para fins de elucidação e não devem ser consideradas como limitativas do assunto da descrição. Várias modificações, substituições, usos, combinações, melhorias, métodos de produção, sem se afastar do âmbito ou espírito da presente invenção seriam evidentes para um versado na técnica. Por exemplo, o leitor deve entender que a ordem específica e a combinação de ações do processo aqui descrito são meramente ilustrativas, a menos que indicado de outra forma, e a invenção pode ser realizada com o uso de ações diferentes ou adicionais de processo, ou uma combinação ou ordem diferente de ações do processo. Como outro exemplo, cada característica de uma modalidade pode ser misturada e combinada com outras características mostradas em outras modalidades. As características e os processos conhecidos aos versados na técnica podem ser igualmente incorporados como desejado. Além disso, e, obviamente, as características podem ser adicionadas ou subtraídas como desejado. Por conseguinte, a invenção não deve ser limitada, exceto em luz das reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims (21)

1. Método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) sobre um plasma dentro de um sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma câmara de confinamento (100), a câmara de confinamento tendo um eixo longitudinal e um plano médio atravessando o eixo longitudinal; primeira e segunda seções de formação de FRC (200) diametralmente opostas acopladas à câmara de confinamento, primeiro e segundo desviadores (300) acoplados às primeira e segunda seções de formação; um sistema magnético (400) que compreende uma pluralidade de bobinas quase CC (412, 414, 416) axialmente posicionadas ao redor da câmara de confinamento, das primeira e segunda seções de formação, e dos primeiro e segundo desviadores, os primeiro e segundo conjuntos de bobinas de espelho quase CC (420) posicionados entre a câmara de confinamento e as primeira e segunda seções de formação de FRC; uma pluralidade de pistolas de plasma (350), um ou mais dentre eletrodos de polarização (900, 905, 910, 920) ou primeiro e segundo plugues de espelho (440), em que a pluralidade de pistolas de plasma inclui primeira e segunda pistolas de plasma montadas axialmente acopladas de modo operacional aos primeiro e segundo desviadores, às primeira e segunda seções de formação e à câmara de confinamento; em que o um ou mais eletrodos de polarização são posicionados dentro de uma ou mais dentre a câmara de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo desviadores, e em que os primeiro e segundo plugues de espelho são posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo desviadores, um sistema de absorção (800) acoplado à câmara de confinamento e aos primeiro e segundo desviadores, uma pluralidade de injetores de feixe de átomo neutro (600) acoplada à câmara de confinamento adjacente ao plano médio da câmara de confinamento e orientada para injetar feixes de átomos neutros em direção ao plano médio em um ângulo em uma faixa de 15° a 25° menor que perpendicular ao eixo longitudinal da câmara de confinamento; primeiro e segundo injetores de toróides compactos um injetor (CT) (720) acoplado à câmara de confinamento em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano médio da câmara de confinamento; o método compreendendo as etapas de: formar uma FRC (450) sobre um plasma na câmara de confinamento; e manter o plasma de FRC em um valor constante, sem decaimento pela injeção de feixes de átomos neutros rápidos a partir de injetores de feixe neutro no plasma de FRC em um ângulo em uma faixa de 15° a 25° menor do que perpendicular ao eixo longitudinal da câmara de confinamento e em direção ao plano médio da câmara de confinamento e injetar plasmas toróides compactos (CT) dos primeiro e segundo injetores CT no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a etapa de gerar um campo magnético dentro da câmara com bobinas quase CC que se estendem ao redor da câmara, e um campo magnético de espelho dentro das extremidades opostas da câmara com as bobinas de espelho quase CC se estendendo ao redor das extremidades opostas da câmara.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a etapa de gerar um campo magnético dentro das primeira e segunda seções de formação de FRC e os primeiro e segundo desviadores com bobinas quase CC se estendendo ao redor das primeira e segunda seções de formação de FRC e dos primeiro e segundo desviadores e um campo magnético de espelho entre as primeira e segunda seções de formação de FRC e os primeiro e segundo desviadores com bobinas de espelho quase CC.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de formar o plasma de FRC inclui formar uma primeira formação de plasma de FRC em na primeira seção de formação de FRC acoplada a uma extremidade da câmara de confinamento e acelerar a primeira formação de FRC em direção ao plano médio da câmara para formar a FRC e formar uma segunda formação de plasma de FRC na segunda seção de formação de FRC acoplada a uma segunda extremidade da câmara de confinamento e acelerar a segunda formação de plasma de FRC em direção ao plano médio da câmara, onde as duas formações de plasma de FRC se unem para formar o plasma de FRC.

5. Método, de acordo a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de formar o plasma de FRC inclui uma dentre formar as primeira e segunda seções de formação de plasmas de FRC enquanto acelera simultaneamente as primeira e segunda formações de plasma de FRC em direção ao plano médio da câmara e formar as primeira e segunda formações de plasmas de FRC, em seguida, acelerar as primeira e segunda formações de plasma de FRC em direção ao plano médio da câmara.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a etapa de guiar as superfícies de fluxo magnético da FRC para os primeiro e segundo desviadores acoplados às extremidades das primeira e segunda seções de formação de FRC.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a etapa de condicionar as superfícies internas da câmara, as primeira e segunda seções de formação de FRC, e os primeiro e segundo desviadores com um sistema de absorção.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de absorção inclui um dentre sistema de depósito de titânio e um sistema de depósito de lítio.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a etapa de gerar um dentre um campo dipolo magnético e um campo quadrupolo magnético dentro da câmara com bobinas de sela (460) acopladas à câmara.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a etapa de injetar de modo axial o plasma na FRC a partir das primeira e segunda pistolas de plasma montadas de modo axial.

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda (456) do plasma de FRC por meio da aplicação de uma distribuição de potencial elétrico a um grupo de superfícies de fluxo aberto (455) da FRC com os um ou mais eletrodos de polarização.

12. Sistema para executar o método, conforme definido na reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma câmara de confinamento (100), a câmara de confinamento tendo um eixo longitudinal e um plano médio atravessando o eixo longitudinal; primeira e segunda seções de formação de FRC (200) diametralmente opostas acopladas à câmara de confinamento, primeiro e segundo desviadores (300) acoplados às primeira e segunda seções de formação; uma pluralidade de pistolas de plasma (350), um ou mais dentre eletrodos de polarização (900, 905, 910, 920) ou primeiro e segundo plugues de espelho (440), em que a pluralidade de pistolas de plasma inclui primeira e segunda pistolas de plasma montadas axialmente acopladas de modo operacional aos primeiro e segundo desviadores, às primeira e segunda seções de formação e à câmara de confinamento; em que o um ou mais eletrodos de polarização são posicionados dentro de uma ou mais dentre a câmara de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo desviadores, e em que os primeiro e segundo plugues de espelho são posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo desviadores, um sistema de absorção (800) acoplado à câmara de confinamento e aos primeiro e segundo desviadores, uma pluralidade de injetores de feixe de átomo neutro (600) acoplada à câmara de confinamento adjacente ao plano médio da câmara de confinamento e orientada para injetar feixes de átomos neutros em direção ao plano médio em um ângulo em uma faixa de 15° a 25° menor que perpendicular ao eixo longitudinal da câmara de confinamento; um sistema magnético (400) que compreende uma pluralidade de bobinas quase CC (412, 414, 416) axialmente posicionadas ao redor da câmara de confinamento, das primeira e segunda seções de formação, e dos primeiro e segundo desviadores, os primeiro e segundo conjuntos de bobinas de espelho quase CC (420) posicionados entre a câmara de confinamento e as primeira e segunda seções de formação de FRC, e primeiro e segundo injetores de toróides compactos um injetor (CT) (720) acoplado à câmara de confinamento em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano médio da câmara de confinamento, em que o sistema é configurado para gerar um plasma de FRC e manter o plasma de FRC sem decaimento enquanto a pluralidade de feixes neutros são injetados no plasma de FRC.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que os primeiro e segundo plugues de espelho compreendem os terceiro e quarto conjuntos de bobinas de espelho entre cada uma das primeira e segunda seções de formação e dos primeiro e segundo desviadores.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o plugue de espelho compreende ainda um conjunto de bobinas de plugue de espelho envolvidas ao redor de uma constrição na passagem entre cada uma das primeira e segunda seções de formação e dos primeiro e segundo desviadores.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende duas ou mais bobinas de sela acopladas à câmara de confinamento.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 12. CARACTERIZADO pelo fato de que as primeira e segunda seções de formação de FRC compreendem sistemas de formação modularizados para gerar uma formação de plasma de FRC e transladar a formação de plasma de FRC em direção ao plano médio da câmera de confinamento.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que os um ou mais eletrodos de polarização incluem um ou mais eletrodos de ponto posicionados dentro da câmara de depósito para contatar linhas de campo aberto, um conjunto de eletrodos anulares entre a câmara de confinamento e as primeira e segunda seções de formação de FRC para carregar as camadas de fluxo de borda distante em uma forma simétrica azimutal, uma pluralidade de eletrodos empilhados concêntricos posicionados nos primeiro e segundo desviadores para carregar as múltiplas camadas de fluxo concêntricas, ou anodos das pistolas de plasma para interceptar o fluxo aberto.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que cada uma da primeira e da segunda seção de formação de FRC compreendem um tubo alongado e um sistema de formação de potência pulsada acoplado ao tubo alongado.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que cada um dos sistemas de formação de FRC compreende uma pluralidade de unidades de energia e de controle acoplada às montagens de faixa individuais de uma pluralidade de montagens de faixa para energizar um conjunto de bobinas das montagens individuais da pluralidade de montagens de faixa envolvida ao redor do tubo alongado das primeira e segunda seções de formação.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que as unidades individuais da pluralidade de unidades de energia e de controle compreendem um sistema de acionamento e controle.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que os sistemas de acionamento e de controle das unidades individuais da pluralidade de unidades de energia e de controle são sincronizáveis para permitir a formação estática da formação de plasma de FRC, em que a formação de plasma de FRC é formada e, em seguida, transladada em direção ao plano médio da câmara de confinamento ou formação de FRC dinâmica da formação de plasma de FRC, em que a formação de plasma de FRC é simultaneamente formada e transladada em direção ao plano médio da câmara de confinamento.

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