BR112019008478B1 - Método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (frc) - Google Patents

Método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (frc) Download PDF

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Abstract

a presente invenção refere-se a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de frcs com estabilidade superior bem como confinamento de partículas, energia e fluxo e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de frcs com energias de sistema elevadas e melhor sustentação utilizando injetores de feixes neutros com capacidades de energia de feixe sintonizável.

Description

CAMPO
[001]O assunto descrito no presente documento refere-se, em geral, a sistemas de confinamento de plasma magnético tendo uma configuração de campo reverso (FRC) e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com estabilidade superior bem como confinamento de partículas, energia e fluxo e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com energias de sistema elevadas e melhor sustentação utilizando injetores de feixes neutros com capacidades de energia de feixe sintonizável.
ANTECEDENTES
[002]A Configuração de Campo Reverso (FRC) pertence à classe de topologias de confinamento de plasma magnético conhecidas como toroides compactos (CT). A mesma exibe campos magnéticos predominantemente poloidais e tem campos toroidais autogerados zero ou pequenos (consultar M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). As atrações de tal configuração são sua geometria simples para facilidade de construção e manutenção, um diversor irrestrito natural para facilitar a extração de energia e remoção de cinzas., e β (β muito alto é a razão da pressão média de plasma para a pressão média de campo magnético dentro da FRC), ou seja, alta densidade de potência. A natureza de β alto é vantajosa para operação econômica e para o uso de combustíveis aneutrônicos avançados como D- He3 e p-B11.
[003]O método tradicional de formação de uma FRC usa a tecnologia de θ de campo reverso, produzindo plasmas quentes de alta densidade (consultar A. L. Hoffman e J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Uma variação deste é o método de conversão-captura em que o plasma criado em uma “fonte” de theta-pinch é mais ou menos imediatamente ejetado de uma extremidade em uma câmara de confinamento. O plasmoide conversor é, então, capturado entre dois espelhos fortes nas extremidades da câmara (consultar, 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 transmissão de corrente podem ser aplicados como injeção de feixes (neutros ou neutralizados), campos magnéticos de rotação, RF ou aquecimento ôhmico, etc. Essa separação entre as funções de fonte e de confinamento oferece vantagens importantes de engenharia para potenciais reatores de fusão futuros. As FRCs revelaram ser extremamente robustas, resilientes à formação dinâmica, translação e eventos de captura intensos. Além disso, as mesmas mostram uma tendência a assumir um estado de plasma preferido (consultar, por exemplo, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, e L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). Progresso significativo foi feito na última década desenvolvendo outros métodos de formação de FRC: mesclando esferomaks com helicidades de orientação oposta (consultar, por exemplo, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, e T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) e transmitindo corrente com campos magnéticos de rotação (RMF) (consultar, por exemplo, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)) que também fornece estabilidade adicional.
[004]Recentemente, a técnica de colisão-mesclagem, proposta há muito tempo (consultar, por exemplo, D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)) foi significativamente desenvolvida: dois theta-pinches separados em extremidades opostas de uma câmara de confinamento geram simultaneamente dois plasmoides e aceleram os plasmoides um em direção ao outro à alta velocidade; os mesmos, então, colidem no centro da câmara de confinamento e se mesclam para formar uma FRC composta. Na construção e operação bem-sucedida de um dos maiores experimentos de FRC até hoje, o método convencional de mesclagem e colisão revelou produzir FRCs estáveis, de longa duração, de alto fluxo e de alta temperatura (consultar, por exemplo, M. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010)).
[005]As FRCs consistem em um toro 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 de FRC, fornecendo um diversor natural. A topologia de FRC coincide com aquela de um plasma de Espelho de Campo Reverso. Entretanto, uma diferença significativa é que o plasma de FRC tem um β de cerca de 10. O campo magnético interno baixo inerente proporciona uma certa população de partículas cinéticas indígenas, isto é, partículas com grandes raios de Larmor, comparáveis com o raio menor da FRC. São estes fortes efeitos cinéticos que parecem contribuir, pelo menos parcialmente, para a estabilidade grosseira das FRCs anteriores e presentes, como aquelas produzidas no experimento de colisão e mesclagem.
[006]Os experimentos anteriores típicos da FRC foram dominados por perdas convectivas com confinamento de energia amplamente determinado pelo transporte de partículas. As partículas se difundem principalmente radialmente para fora do volume da separatriz e são então perdidas axialmente na camada de borda. Consequentemente, o confinamento de FRC depende das propriedades de regiões de linha de campo fechado e aberto. O tempo de difusão de partículas fora da separatriz é medido como T± ~ a2/D± (a ~ rs/4, em que rs é o raio de separatriz central), e D± é uma difusividade de FRC característica, como D± ~ 12,5 pie, com pie representando o raio de giro dos íons, avaliado em um campo magnético externamente aplicado. O tempo de confinamento de partículas de camada de borda TI é essencialmente um tempo de trânsito axial em experimentos de FRC anteriores. No estado estacionário, o equilíbrio entre perdas de partículas radiais e axiais produz um comprimento de gradiente de densidade de separatriz δ ~ (D±TH)1/2 O tempo de confinamento de partículas de FRC é medido como (T±T|)1/2 para FRCs anteriores que têm densidade substancial na separatriz (consultar, por exemplo, M. TUSZEWSKI, “Field Reversed Configurations”, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)).
[007]Outra desvantagem dos projetos de sistemas de FRC anteriores era a necessidade de usar multipolos externos para controlar instabilidades rotacionais, como as instabilidades de intercâmbio n=2 de crescimento rápido. Desta forma, os campos de quadrupolo aplicados externamente típicos forneceram a pressão de restauração magnética necessária para reduzir o crescimento destes modos instáveis. Embora esta técnica seja adequada para o controle de estabilidade do plasma de volume térmico, a mesma representa um problema grave para FRCs mais cinéticas ou FRCs híbridas avançadas, em que uma população de partículas orbitais grandes altamente cinéticas é combinada com o plasma térmico comum. Nestes sistemas, as distorções do campo magnético axissimétrico devido a tais campos de multipolo leva a perdas consideráveis de partículas rápidas através de difusão estocástica sem colisão, uma consequência da perda de conservação do momento angular canônico. Uma solução inovadora para fornecer controle de estabilidade sem aumentar a difusão de quaisquer partículas é, dessa forma, importante para aproveitar o maior potencial de desempenho desses conceitos avançados de FRC nunca antes explorados.
[008]À luz do supracitado, é, portanto, desejável melhorar a sustentação de FRCs, para usar FRCs de estado estacionário com sistemas de energia elevados como um caminho para um núcleo de reator para a fusão de núcleos leves para a futura geração de energia.
SUMÁRIO
[009]As presentes modalidades apresentadas no presente documento referem-se a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com estabilidade superior bem como confinamento de partículas, energia e fluxo e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com energias de sistema elevadas e melhor sustentação utilizando injetores de feixes neutros com capacidades de energia de feixe sintonizável. De acordo com uma modalidade da presente revelação, um método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreende formar uma FRC em torno de um plasma em uma câmara de confinamento, e injetar uma pluralidade de feixes neutros no plasma de FRC enquanto sintoniza as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros entre a energia de primeiro feixe e a energia de segundo feixe, em que a energia de segundo feixe difere da energia do primeiro feixe.
[010]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a pluralidade de feixes neutros alterna entre as energias do primeiro e segundo feixe durante a duração de um ciclo de injeção (injection shot).
[011]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método inclui ajustar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros para ajustar o perfil de deposição de potência de feixe radial para ajustar o valor de gradiente de pressão.
[012]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método inclui, ainda, manter a FRC em ou em torno de um valor constante sem decaimento e elevar a temperatura do plasma para acima de cerca de 1,0 keV injetando feixes de átomos neutros rápidos de injetores de feixes neutros no plasma de FRC em um ângulo em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento.
[013]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente injetar plasmas toroidais compactos (CT) do primeiro e segundo injetores CT no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano intermediário da câmara de confinamento.
[014]De acordo com uma modalidade da presente revelação, um sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) que compreende: uma câmara de confinamento; primeira e segunda seções de formação de FRC diametralmente opostas acopladas ao primeiro e segundo diversores internos diametralmente opostos; primeiro e segundo diversores acoplados à primeira e segunda seções de formação; uma ou mais de uma pluralidade de pistolas de plasma, um ou mais eletrodos de polarização e primeiro e segundo plugues de espelho, em que a pluralidade de pistolas de plasma inclui a primeira e segunda pistolas de plasma axial operacionalmente acopladas ao primeiro e segundo diversores, primeira e segunda seções de formação e a câmara de confinamento, em que um ou mais eletrodos de polarização estão posicionados dentro de uma ou mais dentre a câmara de confinamento, a primeira e segunda seções de formação, e o primeiro e segundo divesores externos, e em que o primeiro e segundo plugues de espelho se posicionam entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e segundo diversores; um sistema de gettering acoplado à câmara de confinamento e ao primeiro e segundo diversores; uma pluralidade de injetores de feixe de átomos neutros acoplados à câmara de confinamento e angulados em direção a um plano intermediário da câmara de confinamento, em que um ou mais dentre a pluralidade de injetores de feixe de átomos neutros são sintonizáveis entre uma energia de primeiro feixe e uma energia de segundo feixe, em que a energia do segundo feixe difere da energia do primeiro feixe; e um sistema magnético que compreende uma pluralidade de bobinas de corrente quase (quasi-dc) contínua posicionadas em torno da câmara de confinamento, a primeira e segunda seções de formação, e o primeiro e segundo diversores, e o primeiro e segundo conjunto de bobinas espelhadas de corrente quase continua posicionadas entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e segundo diversores.
[015]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema compreende adicionalmente primeiro e segundo injetores toroidais compactos (CT) acoplados à câmara de confinamento em um ângulo em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento, em que o primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano intermediário da câmara de confinamento.
[016]Os sistemas, métodos, características e vantagens das modalidades exemplificadoras serão ou tornar-se-ão evidentes para um versado na técnica mediante análise das seguintes figuras e descrição detalhada. Pretende-se que todos esses métodos, características e vantagens adicionais sejam incluídos nesta descrição e sejam protegidos pelas reivindicações em anexo. Também pretende-se que as reivindicações não se limitem a exigir os detalhes dos exemplos de modalidades.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[017]Os desenhos em anexo, que são incluídos como parte do presente relatório descritivo, ilustram os exemplos de modalidades e, juntamente com a descrição geral dada acima e a descrição detalhada dos exemplos de modalidades dados abaixo, servem para explicar e ensinar os princípios da presente invenção.
[018]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 outros experimentos de FRC convencionais.
[019]A Figura 2 ilustra os componentes do presente sistema de FRC e a topologia magnética de uma FRC produzível no presente sistema de FRC.
[020]A Figura 3A ilustra o layout básico do presente sistema de FRC como visto de cima, incluindo a disposição preferida do recipiente de confinamento central, seção de formação, diversores, feixes neutros, eletrodos, pistolas de plasma, plugues de espelho e injetor de pastilhas.
[021]A Figura 3B ilustra o recipiente de confinamento central como visto de cima e mostra os feixes neutros dispostos em um ângulo normal ao eixo de simetria maior no recipiente de confinamento central.
[022]A Figura 3C ilustra o recipiente de confinamento central como visto de cima e mostra os feixes neutros dispostos em um ângulo menor que a normal ao eixo de simetria maior no recipiente de confinamento central e direcionado para injetar partículas em direção ao plano intermediário do recipiente de confinamento central.
[023]As Figuras 3D e 3E ilustram vistas de topo e em perspectiva, respectivamente, do layout básico de uma modalidade alternativa do presente sistema de FRC, incluindo a disposição preferida do recipiente de confinamento central, seção de formação, diversores internos e externos, feixes neutralizados dispostos em um ângulo menor que a normal ao eixo de simetria maior no recipiente de confinamento central, eletrodos, pistolas de plasma e plugues de espelho.
[024]A Figura 4 ilustra um esquema dos componentes de um sistema de energia pulsada para as seções de formação.
[025]A Figura 5 ilustra uma vista isométrica de uma plataforma de formação de energia pulsada individual.
[026]A Figura 6 ilustra uma vista isométrica de uma montagem de tubo de formação.
[027]A Figura 7 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de sistema de feixes neutros e componentes principais.
[028]A Figura 8 ilustra uma vista isométrica da disposição de feixes neutros na câmara de confinamento.
[029]A Figura 9 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma disposição preferida dos sistemas de gettering de Ti e Li.
[030]A Figura 10 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma pistola de plasma instalada na câmara de diversor. Também são mostrados o plugue de espelho magnético associado e uma montagem de eletrodos de diversor.
[031]A Figura 11 ilustra um layout preferido de um eletrodo de polarização anular na extremidade axial da câmara de confinamento.
[032]A Figura 12 ilustra a evolução do raio de fluxo excluído no sistema de FRC obtido a partir de uma série de laços diamagnéticos externos nas duas seções de formação de theta-pinch de campo reverso e sondas magnéticas embutidas dentro da câmara de confinamento de metal central. O tempo é medido a partir do instante da reversão de campo sincronizado nas fontes de formação, e a distância z é dada em relação ao plano intermediário axial da máquina.
[033]As Figuras 13A, 13B, 13C e 13D ilustram dados de um não-HPF representativo, descarga não sustentada no presente sistema de FRC. O raio de fluxo excluído no plano intermediário, (Figura 13B) 6 cordas de densidade em linha a partir do interferômetro de CO2 de plano intermediário, (Figura 13C) perfis radiais de densidade invertida por Anel a partir dos dados de interferômetro de CO2, e (Figura 13D) temperatura total de plasma de equilíbrio de pressão são mostrados como funções do tempo (Figura 13A).
[034]A Figura 14 ilustra os perfis axiais de fluxo excluídos em momentos selecionados para a mesma descarga do presente sistema de FRC mostrado na Figura 13A, 13B, 13C e 13D.
[035]A Figura 15 ilustra uma vista isométrica das bobinas do tipo sela montadas fora da câmara de confinamento.
[036]As Figuras 16A, 16B, 16C e 16D ilustram as correlações de tempo de vida de FRC e comprimento de pulso de feixes neutros injetados. Conforme mostrado, pulsos de feixe mais longos produzem FRCs com vida mais longa.
[037]As Figuras 17A, 17B, 17C e 17D ilustram os efeitos individuais e combinados de diferentes componentes do sistema de FRC sobre o desempenho de FRC e a obtenção de regime de HPF
[038]As Figuras 18A, 18B, 18C e 18D ilustram dados de HPF representativo, descarga não sustentada no presente sistema de FRC. O raio de fluxo excluído no plano intermediário, (Figura 18B) 6 cordas de densidade em linha a partir do interferômetro de CO2 de plano intermediário, (Figura 18C) perfis radiais de densidade invertida por Anel a partir dos dados de interferômetro de CO2, e (Figura 18D) temperatura total de plasma de equilíbrio de pressão são mostrados como funções do tempo (Figura 18A).
[039]A Figura 19 ilustra o confinamento de fluxo como uma função de temperatura de elétrons (Te). A mesma representa uma representação gráfica de um regime de escalonamento superior recentemente estabelecido para descargas de HPF.
[040]A Figura 20 ilustra o tempo de vida da FRC correspondente ao comprimento de pulso de neutros de feixes injetados angulados e não angulados.
[041]As Figuras 21A, 21B, 21C, 21D e 21E ilustram o comprimento de pulso de feixe neutro injetado angulado e o tempo de vida de parâmetros de plasma de FRC de raio de plasma, densidade de plasma, temperatura de plasma, e fluxo magnético correspondente ao comprimento de pulso de feixes neutros injetados angulados.
[042]As Figuras 22A e 22B ilustram o layout básico de um injetor toroidal compacto (CT).
[043]As Figuras 23A e 23B ilustram o recipiente de confinamento central mostrando o injetor de CT montado no mesmo.
[044]As Figuras 24A e 24B ilustram o layout básico de uma modalidade alternativa do injetor de CT que tem um tubo de desvio acoplado a mesmo.
[045]A Figura 25 ilustra uma vista isométrica em corte de sistema de feixes neutros e componentes principais para saída de feixe de energia sintonizável.
[046]A Figura 26 é um esquema que ilustra o sistema de feixes neutros com saída de feixe de energia sintonizável.
[047]A Figura 27 é um esquema que ilustra um mecanismo de controle de posição axial de um plasma de FRC dentro de um recipiente de confinamento (CV).
[048]A Figura 28 é um diagrama de fluxo de um esquema genérico de controle de modo deslizante.
[049]A Figura 29 é um gráfico composto de exemplos de uma simulação de controle de posição axial de modo deslizante.
[050]A Figura 30 é um gráfico composto de exemplos de uma simulação de controle de posição axial de modo deslizante.
[051]Deve ser observado que as figuras não são necessariamente desenhadas em escala e que elementos de estruturas ou funções similares são geralmente representados por referências numéricas similares com propósitos ilustrativos ao longo das figuras. Também deve ser observado que as figuras se destinam apenas a facilitar a descrição das várias modalidades descritas no presente documento. Os números não descrevem necessariamente todos os aspectos dos ensinamentos revelados aqui e não limitam o escopo das reivindicações.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[052]As presentes modalidades apresentadas no presente documento referem-se a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com estabilidade superior bem como confinamento de partículas, energia e fluxo. Algumas das presentes modalidades referem-se a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com energias de sistema elevadas e sustentação aprimorada utilizando injetores de feixes neutros com capacidades de energia de feixe sintonizável. Algumas das presentes modalidades também se referem a sistemas e métodos que facilitam a estabilidade de um plasma de FRC tanto nas direções radial e axial como no controle de posição axial de um plasma de FRC ao longo do eixo de simetria de uma câmara de confinamento de plasma de FRC independente das propriedades de estabilidade axial do equilíbrio do plasma de FRC.
[053]Exemplos representativos das modalidades descritas no presente documento, cujos exemplos utilizam muitas destas características e ensinamentos adicionais, tanto separadamente como em combinação, serão agora descritos em mais detalhes com referência aos desenhos em anexo. Esta descrição detalhada destina-se apenas a ensinar a um versado na técnica mais detalhes para a prática de aspectos preferidos dos presentes ensinamentos e não se destina a limitar o escopo da invenção. Por conseguinte, combinações de características e etapas reveladas na seguinte descrição detalhada podem não ser necessárias para praticar a invenção no sentido mais amplo, e são, em vez disso, ensinadas meramente para descrever particularmente exemplos representativos dos presentes ensinamentos.
[054]Além disso, as várias características dos exemplos representativos e das reivindicações dependentes podem ser combinadas de maneiras que não são específica e explicitamente enumeradas para fornecer modalidades úteis adicionais dos presentes ensinamentos. Além disso, é expressamente observado que todas as características reveladas na descrição e/ou nas reivindicações se destinam a ser reveladas separada e independentemente umas das outras com o propósito de revelação original, bem como com o propósito de restringir o assunto reivindicado independente. das composições das características nas modalidades e/ou reivindicações. Também é expressamente observado que todas as faixas de valores ou indicações de grupos de entidades revelam todos os valores intermediários ou entidades intermediárias possíveis com o propósito de revelação original, bem como com o propósito de restringir o assunto reivindicado.
[055]Antes de abordar os sistemas e métodos que facilitam a estabilidade de um plasma de FRC tanto nas direções radial e axial como no controle de posição axial de um plasma de FRC ao longo do eixo de simetria de uma câmara de confinamento de plasma de FRC, é fornecida uma discussão sobre sistemas e métodos para formar e manter FRCs de alto desempenho com estabilidade superior, bem como confinamento superior de partícula, energia e fluxo sobre FRCs convencionais . Esses FRCs de alto desempenho fornecem um caminho a toda uma variedade de aplicações, incluindo fontes de nêutrons compactos (para produção de isótopos médicos, remediação de resíduos nucleares, pesquisa de materiais, radiografia e tomografia de nêutrons), fontes de fótons compactos (para produção e processamento de produtos químicos), separação em massa e sistemas de enriquecimento e núcleos de reatores para a fusão de núcleos leves para a futura geração de energia.
[056]Vários sistemas auxiliares e modos de operação foram explorados para avaliar se há um regime de confinamento superior em FRCs. Esses esforços levaram a descobertas inovadoras e ao desenvolvimento de um paradigma de FRC de Alto Desempenho descrito no presente documento. De acordo com esse novo paradigma, os presentes sistemas e métodos combinam uma série de novas ideias e meios para aperfeiçoar consideravelmente o confinamento de FRC, conforme ilustrado na Figura 1, bem como fornecer controle de estabilidade sem efeitos colaterais negativos. Conforme discutido em detalhe abaixo, a Figura 1 mostra o confinamento de partículas em um sistema de FRC 10 descrito a seguir (consultar as Figuras 2 e 3), operando de acordo com um regime de FRC de Alto Desempenho (HPF) para formar e manter uma FRC versus operando de acordo com um CR de regime convencional para formar e manter uma FRC, e versus confinamento de partícula de acordo com regimes convencionais para forma e manter uma FRC usada em outros experimentos. A presente revelação apresentará e detalhará os componentes individuais inovadores do sistema de FRC 10 e métodos bem como seus efeitos coletivos.
Sistema de FRC Sistema de Vácuo
[057]As Figuras 2 e 3 mostram um esquema do presente sistema de FRC 10. O sistema de FRC 10 inclui um recipiente de confinamento central 100 circundado por duas seções de formação de theta-pinch de campo reverso diametralmente opostas 200 e, além das seções de formação 200, duas câmaras de diversor 300 para controlar a densidade neutra e a contaminação por impurezas. O presente sistema de FRC 10 foi construído para acomodar vácuo ultra-alto e opera a pressões de base típicas de 10-8 torr. Tais pressões de vácuo exigem o uso de flanges conjugados de bombeamento duplo entre componentes conjugados, anéis de vedação de metal, paredes internas de alta pureza, bem como condicionamento de superfície inicial cuidadoso de todas as peças antes da montagem, como limpeza física e química seguido de assamento a vácuo a 250 °C durante 24 horas e limpeza com descarga luminescente de hidrogênio.
[058]As seções de formação de theta-pinch de campo reverso 200 são theta-pinches de campo reverso padrão (FRTPs), embora com um sistema de formação de energia pulsada avançado discutido em detalhe abaixo (consultar as Figuras 4 a 6). Cada seção de formação 200 é produzida a partir de tubos de quartzo de padrão industrial de padrão opaco que apresentam um revestimento interno de 2 milímetros de quartzo ultrapuro. A câmara de confinamento 100 é produzida a partir de aço inoxidável para permitir uma multiplicidade de portas radiais e tangenciais; a mesma também serve como um conservador de fluxo na escala de tempo dos experimentos descritos abaixo e limita transientes magnéticos rápidos. Os vácuos são criados e mantidos dentro do sistema de FRC 10 com um conjunto de bombas rotativas de rolagem a seco, bombas turbo-moleculares e bombas criogênicas.
Sistema Magnético
[059]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 radial e axial) pertencentes a uma FRC 450 produzível pelo sistema de FRC 10. Estes contornos foram obtidos por uma simulação numérica Hall-MHD 2-D resistiva usando código desenvolvido para simular sistemas e métodos correspondentes ao sistema de FRC 10, e estão de acordo com 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 separatriz 451, e de uma camada de borda anular 456 nas linhas de campo aberto 452 imediatamente fora da separatriz 451. A camada de borda 456 coalesce em jatos 454 além do comprimento de FRC, fornecendo um diversor natural.
[060]O sistema magnético principal 410 inclui uma série de bobinas de corrente quase contínua 412, 414 e 416 que estão situadas em posições axiais específicas ao longo dos componentes, ou seja, ao longo da câmara de confinamento 100, as seções de formação 200 e os diversores 300, do sistema de FRC 10. As bobinas de corrente quase contínua 412, 414 e 416 são alimentadas por fontes de alimentação de comutação de corrente quase contínua e produzir campos de polarização magnética de cerca de 0,1 T na câmara de confinamento 100, as seções de formação 200 e os diversores 300. Além das bobinas de corrente quase contínua 412, 414 e 416, o sistema magnético principal 410 inclui bobinas espelhadas de corrente quase contínua 420 (alimentadas por fontes de comutação) entre cada extremidade da câmara de confinamento 100 e as seções de formação adjacentes 200. As bobinas espelhadas de corrente quase contínua 420 fornecem razões de espelho magnético de até 5 e podem ser independentemente energizadas para controle de modelagem de equilíbrio. Além disso, os plugues de espelho 440, estão posicionados entre cada uma das seções de formação 200 e os diversores 300. Os plugues de espelho 440 compreendem bobinas espelhadas compactas quase-dc 430 e bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas espelhadas quase-dc 430 incluem três bobinas 432, 434 e 436 (alimentadas por fontes de comutação) que produzem campos guia adicionais para concentrar as superfícies de fluxo magnético 455 em direção à passagem de diâmetro pequeno 442 passando através das bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas de plugue de espelho 444, que se envolvem em torno da passagem de diâmetro pequeno 442 e são alimentadas por um conjunto de circuitos de energia pulsada LC, produzem campos de espelho magnético fortes de até 4 T. O propósito desta disposição de bobina inteira é unir e guiar firmemente as superfícies de fluxo magnético 455 e jatos de plasma de fluxo final 454 nas câmaras remotas 310 dos diversores 300. Por fim, um conjunto de “antenas” do tipo sela 460 (consultar a Figura 15) está situado fora da câmara de confinamento 100, duas em cada lado do plano intermediário, e são alimentadas por fontes de alimentação de corrente contínua. As antenas de bobina do tipo sela 460 podem ser configuradas para fornecer um campo de dipolo ou quadrupolo magnético quase estático de cerca de 0,01 T para controlar instabilidades rotacionais e/ou controle de corrente de elétrons. As antenas de bobina do tipo sela 460 podem fornecer flexivelmente campos magnéticos que são simétricos ou antissimétricos ao redor do plano intermediário da máquina, dependendo da direção das correntes aplicadas.
Sistemas de formação de energia pulsada
[061]Os sistemas de formação de energia pulsada 210 operam em um princípio de theta-pinch modificado. Há dois sistemas que alimentam, cada um, 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 de uma disposição de energia pulsada modular que consiste em unidades individuais (=plataformas) 220 que energizam um subconjunto de bobinas 232 de uma montagem de tira 230 (=tiras) que se envolve em torno dos tubos de quartzo de formação 240. Cada plataforma 220 é composta de capacitores 221, indutores 223, comutadores de alta corrente rápida 225 e acionador 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 fornece até 35 GW de potência para formar e acelerar as FRCs. A operação coordenada desses componentes é realizada através de um sistema de disparo e controle de última geração 222 e 224 que permite a temporização sincronizada entre os sistemas de formação 210 em cada seção de formação 200 e minimiza a tremulação de comutação para dezenas de nanossegundos. A vantagem desse projeto modular é a sua operação flexível: As FRCs podem ser formadas in-situ e, então, aceleradas e injetadas (=formação estática) ou formadas e aceleradas ao mesmo tempo (=formação dinâmica).
Injetores de Feixes Neutros
[062]Os feixes de átomos neutros 600 são desenvolvidos no sistema de FRC 10 para fornecer aquecimento e transmissão de corrente bem como desenvolver pressão de partículas rápidas. Conforme mostrado nas Figuras 3A, 3B e 8, as linhas de feixes individuais que compreendem sistemas de injetor de feixe de átomos neutros 610 e 640 estão situadas em torno da câmara de confinamento central 100 e injetam partículas rápidas tangencialmente ao plasma de FRC (e perpendicular ou em um ângulo normal ao eixo de simetria principal no recipiente de confinamento central 100) com um parâmetro de impacto de modo que a zona de captura de alvo reside bem dentro da separatriz 451 (consultar a Figura 2). Cada sistema injetor 610 e 640 é capaz de injetar até 1 MW de potência de feixe neutro no plasma de FRC com energias de partícula entre 20 e 40 keV. Os sistemas 610 e 640 são baseados em fontes de extração de múltiplas aberturas de íons positivos e utilizam focalização geométrica, resfriamento inercial das redes de extração de íons e bombeamento diferencial. Além de usar diferentes fontes de plasma, os sistemas 610 e 640 são principalmente diferenciados por seu design físico para atender seus respectivos locais de montagem, produzindo capacidades de injeção lateral e superior. Os componentes típicos destes injetores de feixe de neutro são especificamente ilustrados na Figura 7 para os sistemas de injetor lateral 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 nos sistemas 640) com uma tela magnética 614 cobrindo a extremidade. Uma fonte óptica de íons e grades de aceleração 616 está acoplada à fonte de plasma 612 e uma válvula de porta 620 posicionada entre a fonte óptica de íons e as grades de aceleração 616 e um neutralizador 622. Um imã de deflexão 624 e um depósito de íons 628 estão localizados entre o neutralizador 622 e um dispositivo direcionador 630 na extremidade de saída. Um sistema de arrefecimento compreende dois refrigeradores criogênicos 634, dois painéis criogênicos 636 e um invólucro de LN2 638. Este design flexível permite a operação em uma ampla gama de parâmetros de FRC.
[063]Uma configuração alternativa para os injetores de feixe de átomos neutros 600 é aquela de injetar as partículas rápidas tangencialmente ao plasma de FRC, porém com um ângulo A menor que 90° em relação ao eixo de simetria principal no recipiente de confinamento central 100. Esses tipos de orientação dos injetores de feixe 615 são mostrados na Figura 3C. Além disso, os injetores de feixe 615 podem ser orientados de modo que os injetores de feixe 615 de cada lado do plano intermediário do recipiente de confinamento central 100 injetem as suas partículas em direção ao plano intermediário. Por fim, a posição axial desses sistemas de feixes 600 pode ser selecionada mais próxima do plano intermediário. Estas 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 do ângulo e posição axial, esta disposição dos injetores de feixe 615 permite um controle mais direto e independente do alongamento axial e outras características da FRC 450. Por exemplo, a injeção dos feixes em um ângulo raso A em relação ao eixo de simetria principal do recipiente criará um plasma de FRC com extensão axial mais longa e temperatura mais baixa enquanto a seleção de um ângulo perpendicular A levará a um plasma axialmente mais curto, porém mais quente. Deste modo, o ângulo de injeção A e a localização dos injetores de feixe 615 podem ser otimizados com propósitos diferentes. Além disso, tal angulação e posicionamento dos injetores de feixe 615 podem permitir que os feixes de energia mais alta (que é geralmente mais favorável para depositar mais energia com menos divergência de feixe) sejam injetados em campos magnéticos mais baixos do que 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 de íons rápidos (que se torna progressivamente menor à medida que o ângulo de injeção em relação ao eixo de simetria principal do recipiente é reduzido em energia de feixe constante). Além disso, a injeção angulada em direção ao plano intermediário e com as posições de feixe axial próximas ao plano intermediário aprimora o acoplamento do feixe- plasma, mesmo quando o plasma de FRC encolhe ou, de outro modo, contrai-se axialmente durante o período de injeção.
[064]Com referência às Figuras 3D e 3E, outra configuração alternativa do sistema de FRC 10 inclui diversores internos 302 além dos injetores de feixe angulados 615. Os diversores internos 302 estão posicionados entre as seções de formação 200 e a câmara de confinamento 100, e são configurados e operam substancialmente similares aos diversores externos 300. Os diversores internos 302, que incluem bobinas magnéticas de comutação rápida, são efetivamente inativas durante o processo de formação para permitir que as FRCs de formação passem através dos diversores internos 302 à medida que as FRCs de formação trasladam em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento 100. Uma vez que as FRCs de formação passam através dos diversores internos 302 para dentro da câmara de confinamento 100, os diversores internos são ativados para operar substancialmente de forma similar aos diversores externos e isolar a câmara de confinamento 100 das seções de formação 200.
Injetor de Pastilhas
[065]Para fornecer um meio de injetar novas partículas e controlar melhor o inventário de partículas de FRC, um injetor de pastilhas de 12 barris 700 (consultar, por exemplo, I. Vinyar et al., “Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A,” Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010)) é utilizado no sistema de FRC 10. A Figura 3 ilustra o layout do injetor de pastilhas 700 no sistema de FRC 10. As pastilhas cilíndricas (D ~ 1 mm, L ~ 1 a 2 mm) são injetadas na FRC com uma velocidade na faixa de 150 a 250 km/s. Cada pastilha individual contém cerca de 5x1019 átomos de hidrogênio, que é comparável com o inventário de partículas de FRC.
Sistemas de Gettering
[066]É bem conhecido que gás de halo neutro é um problema sério m todos os sistemas de confinamento. Os processos de troca de carga e reciclagem (liberação de material de impureza frio da parede) podem ter um efeito devastador sobre a energia e o confinamento de partículas. Além disso, qualquer densidade significativa de gás neutro na ou próximo à borda levará a perdas imediatas ou, pelo menos, à redução severa do tempo de vida das partículas orbitais grandes injetadas (alta energia) (órbita grande refere-se a partículas com órbitas na escala da topologia de FRC ou pelo menos raios orbitais muito maiores do que a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característica) - um fato que é prejudicial a todas as aplicações de plasma energético, incluindo a fusão através de aquecimento por feixe auxiliar.
[067]O condicionamento da superfície é um meio pelo qual os efeitos prejudiciais do gás neutro e das impurezas podem ser controlados ou reduzidos em um sistema de confinamento. Para este fim, o sistema de FRC 10 fornecido no presente documento emprega os sistemas de deposição de Titânio e Lítio 810 e 820 que revestem as superfícies voltadas para o plasma da câmara de confinamento (ou recipiente) 100 e diversores 300 e 302 com filmes (dezenas de micrômetros de espessura) de Ti e/ou Li. Os revestimentos são realizados através de técnicas de deposição de vapor. Li e/ou Ti sólido são evaporados e/ou sublimados e pulverizados em superfícies próximas para formar os revestimentos. As fontes são fornos atômicos com bicos de guia (no caso de Li) 822 ou esferas aquecidas de sólido com revestimento de guia (no caso de Ti) 812. Os sistemas de evaporador de Li normalmente operam em modo contínuo enquanto os sublimadores de Ti são operados na maioria das vezes intermitentemente entre a operação do plasma. As temperaturas de operação desses sistemas estão acima de 600 °C para obter taxas de deposição rápidas. Para se obter uma cobertura de parede satisfatória, múltiplos sistemas de evaporador/sublimador estrategicamente localizados são necessários. A Figura 9 detalha uma disposição preferida dos sistemas de deposição de gettering 810 e 820 no sistema de FRC 10. Os revestimentos atuam como superfícies de gettering e efetivamente e bombeiam espécies hidrogênicas atômicas e moleculares (H e D). Os revestimentos também reduzem outras impurezas típicas como Carbono e Oxigênio para níveis insignificantes.
Plugues de Espelho
[068]Conforme declarado anteriormente, o sistema de FRC 10 emprega conjuntos de bobinas espelhadas 420, 430 e 444 conforme mostrado nas Figuras 2 e 3. Um primeiro conjunto de bobinas espelhadas 420 está situado nas duas extremidades axiais da câmara de confinamento 100 e é independentemente energizado a partir do confinamento de DC, bobinas de formação e diversor 412, 414 e 416 do sistema magnético principal 410. O primeiro conjunto de bobinas espelhadas 420 ajuda principalmente a dirigir e conter axialmente a FRC 450 durante a mesclagem e fornece controle de modelagem de equilíbrio durante a sustentação. O primeiro conjunto de bobinas espelhadas 420 produz campos magnéticos nominalmente maiores (em torno 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 espelhadas 430, que inclui três bobinas espelhadas quase-dc compactas 432, 434 e 436, está situado entre as seções de formação 200 e os diversores 300 e são acionadas por uma fonte de alimentação de comutação comum. As bobinas espelhadas 432, 434 e 436, juntamente com as bobinas de plugue espelhadas pulsadas mais compacta 444 (alimentadas por uma fonte de alimentação capacitiva) e a constrição física 442 formam os plugues de espelho 440 que fornecem um caminho estreito de baixa condutância de gás com campos magnéticos muito altos (entre 2 a 4 T com tempos de elevação de cerca de 10 a 20 ms). As bobinas espelhadas mais compactas pulsadas 444 são de dimensões radiais compactas, furo de 20 cm e comprimento similar, em comparação com o furo de medidor-mais-escala e formato fechado das bobinas de confinamento 412, 414 e 416. O propósito dos plugues de espelho 440 é multiforme: (1) As bobinas 432, 434, 436 e 444 agrupam firmemente e guiam as superfícies de fluxo magnético 452 e os jatos de plasma de fluxo de extremidade 454 nas câmaras de diversor remotas 300. Isto assegura que as partículas de escape atinjam os diversores 300 adequadamente e que há superfícies de fluxo contínuo 455 que seguem a partir da região de linha de campo aberto 452 da FRC central 450 até os diversores 300. (2) As constrições físicas 442 no sistema de FRC 10, através do qual as bobinas 432, 434, 436 e 444 permitem a passagem das superfícies de fluxo magnético 452 e jatos de plasma 454, fornecem um impedimento ao fluxo de gás neutro das pistolas de plasma 350 que se situam nos diversores 300. Na mesma linha, as constrições 442 impedem o refluxo de gás das seções de formação 200 até os diversores 300, reduzindo assim o número de partículas neutras que devem ser introduzidas em todo o sistema de FRC 10 ao começar a inicialização de uma FRC. (3) Os espelhos axiais fortes produzidos pelas bobinas 432, 434, 436 e 444 reduzem as perdas de partícula axial e reduzem assim a difusividade de partículas paralelas em linhas de campo aberto.
[069]Na configuração alternativa mostrada nas Figuras 3D e 3E, um conjunto de bobinas de estrangulamento de baixo perfil 421 são posições entre os diversores internos 302 e as seções de formação 200.
Pistolas de Plasma Axial
[070]Os fluxos de plasma das pistolas 350 montadas nas câmaras de desvio 310 dos diversores 300 destinam-se a melhorar a estabilidade e o desempenho de feixes neutros. As pistolas 350 são montadas no eixo dentro da câmara 310 dos diversores 300 como ilustrado nas Figuras 3 e 10 e produzem plasma que flui ao longo das linhas de fluxo aberto 452 no diversor 300 e em direção ao centro da câmara de confinamento 100. As pistolas 350 operam a uma descarga de gás de alta densidade em um canal washer-stack e são projetadas para gerar vários quiloamperes de plasma totalmente ionizado por 5 a 10 ms. As pistolas 350 incluem uma bobina magnética pulsada que corresponde à corrente de plasma de saída com o tamanho desejado do plasma na câmara de confinamento 100. Os parâmetros técnicos das pistolas 350 são caracterizados por um canal com um diâmetro externo de 5 a 13 cm e até cerca de 10 cm de diâmetro interno e proporcionam uma corrente de descarga de 10 a 15 kA a 400 a 600 V com um campo magnético interno de pistola entre 0,5 a 2,3 T.
[071]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 redução da distância entre a pistola 350 e o plugue 440 e tornando o plugue 440 mais largo e mais curto. Sob condições razoáveis, as pistolas 350 podem distribuir aproximadamente 1022 prótons/s através dos plugues de espelho de 2 a 4 T 440 com altas temperaturas de íons e elétrons de cerca de 150 a 300 eV e cerca de 40 a 50 eV, respectivamente. As pistolas 350 fornecem um reabastecimento significativo da camada de borda de FRC 456, e um confinamento de partículas de FRC total aprimorado.
[072]Para aumentar ainda mais a densidade do plasma, uma caixa de gás poderia ser utilizada para soprar gás adicional no fluxo de plasma das pistolas 350. Essa técnica permite um aumento de várias vezes na densidade de plasma injetado. No sistema de FRC 10, uma caixa de gás instalada no lado do diversor 300 dos plugues de espelho 440 aprimora o reabastecimento da camada de borda de FRC 456, a formação da FRC 450 e a amarração de linha de plasma.
[073]Dados todos os parâmetros de ajuste discutidos acima e também levando em consideração que a operação com apenas uma ou ambas as pistolas é possível, é prontamente evidente que um amplo espectro de modos de operação é acessível.
Eletrodos de Polarização
[074]A polarização elétrica de superfícies de fluxo aberto pode fornecer potenciais radiais que dão origem ao movimento azimutal E*B que fornece um mecanismo de controle, análogo à rotação de um botão, para controlar a rotação do plasma da linha de campo aberto, bem como o núcleo real de FRC 450 através de cisalhamento de velocidade. Para realizar este controle, o sistema de FRC 10 emprega vários eletrodos colocados estrategicamente em várias partes da máquina. A Figura 3 mostra eletrodos de polarização posicionados em locais preferidos dentro do sistema de FRC 10.
[075]Em princípio, há 4 classes de eletrodos: (1) eletrodos pontuais 905 na câmara de confinamento 100 que fazem contato com linhas de campo aberto específicas 452 na borda da FRC 450 para fornecer carregamento local, (2) eletrodos anulares 900 entre a câmara de confinamento 100 e as seções de formação 200 para carregar camadas de fluxo de borda distante 456 de maneira azimutalmente simétrica, (3) pilhas de eletrodos concêntricos 910 nos diversores 300 para carregar várias camadas de fluxo concêntrico 455 (em que a seleção de camadas é controlável pelo ajuste de bobinas 416 para ajustar o campo magnético do diversor de modo a terminar as camadas de fluxo desejadas 456 nos eletrodos adequados 910) e, por fim, (4) os ânodos 920 (consultar a Figura 10) das próprias pistolas de plasma 350 (que interceptam superfícies de fluxo aberto interno 455 perto da separatriz da FRC 450). As Figuras 10 e 11 mostram alguns designs típicos de alguns desses.
[076]Em todos os casos, esses eletrodos são acionados por fontes de alimentação CC ou pulsadas com tensões de até 800 V. Dependendo do tamanho do eletrodo e das superfícies de fluxo que são interceptadas, as correntes podem ser puxadas na faixa de quiloampere.
Operação Não Sustentada de Sistema de FRC - Regime Convencional
[077]A formação de plasma padrão no sistema de FRC 10 segue a técnica de tetha-pinch de campo reverso bem desenvolvida. Um processo típico de inicialização de uma FRC começa acionando as bobinas de corrente quase contínua 412, 414, 416, 420, 432, 434 e 436 para operação em estado estacionário. Os circuitos de energia pulsada de RFTP dos sistemas de formação de energia pulsada 210, então, acionam as bobinas de campo magnético reverso rápido pulsado 232 para criar uma polarização reversa temporária de cerca de -0,05 T nas seções de formação 200. Neste ponto, uma quantidade predeterminada de gás neutro a 9-20 psi é injetada nos dois volumes de formação definidos pelas câmaras de tubo de quartzo 240 das seções de formação (norte e sul) 200 através de um conjunto de vales azimultamente orientados em flanges localizados nas extremidades das seções de formação 200. Em seguida, um campo de RF pequeno (~ centenas de quilo-hertz) é gerado a partir de um conjunto de antenas sobre a superfície dos tubos de quartzo 240 para criar a pré-ionização na forma de regiões locais de ionização de sementes dentro das colunas de gás neutro. Isto é seguido pela aplicação de uma modulação de tetha-ringing na corrente que conduz as bobinas de campo magnético reverso pulsadas rápidas 232, o que leva a uma pré-ionização mais global das colunas de gás. Por fim, os principais bancos de energia pulsada dos sistemas de formação de energia pulsada 210 são acionados para acionar bobinas de campo magnético reverso rápidas pulsadas 232 para criar um campo de polarização direta de até 0,4 T. Esta etapa pode ser sequenciada de modo que o campo de polarização direta seja gerado uniformemente ao longo do comprimento dos tubos de formação 240 (formação estática) ou de modo que uma modulação de campo peristáltico consecutiva seja obtida ao longo do eixo dos tubos de formação 240 (formação dinâmica).
[078]Em todo este processo de formação, a inversão de campo real no plasma ocorre rapidamente, dentro de cerca de 5 μs. A energia pulsada de múltiplos gigawatts fornecida ao plasma de formação produz prontamente FRCs quentes que são ejetados das seções de formação 200 através da aplicação de uma modulação sequenciada no tempo do campo magnético direto (peristaltismo magnético) ou correntes temporariamente aumentadas nas últimas bobinas de conjuntos de bobinas 232 perto das extremidades externas axiais dos tubos de formação 210 (formando um gradiente de campo magnético axial que aponta axialmente em direção à câmara de confinamento 100). As duas FRCs (norte e sul) formadas e aceleradas se expandem para dentro da câmara de confinamento de diâmetro maior 100, em que as bobinas de corrente quase contínua 412 produzem um campo de polarização direta para controlar a expansão radial e fornecer o fluxo magnético externo de equilíbrio.
[079]Uma vez que as FRCs norte e sul chegam perto do plano intermediário 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 mesclam em uma única FRC 450. Um grande conjunto de diagnósticos de plasma está disponível na câmara de confinamento 100 para estudar os equilíbrios da FRC 450. As condições de operação típicas no sistema de FRC 10 produzem FRCs compostas com raios separadores de cerca de 0,4 me cerca de 3 m de extensão axial. Características adicionais são campos magnéticos externos de cerca de 0,1 T, densidades de plasma em torno de 5x1019 m-3 e temperatura de plasma total de até 1 keV. Sem qualquer sustentação, isto é, sem aquecimento e/ou transmissão de corrente através de injeção de feixes neutros ou outros meios auxiliares, o tempo de vida destas FRCs é limitado a cerca de 1 ms, o tempo de decaimento da configuração de características nativas.
Dados Experimentais de Operação Não Sustentada - Regime Convencional
[080]A Figura 12 mostra uma evolução de tempo típica do raio de fluxo excluído, rΔΦ, que aproxima o raio da separatriz, rs, para ilustrar a dinâmica do processo de mesclagem de tetha-pinch da FRC 450. Os dois plasmoides individuais (norte e sul) são produzidos simultaneamente e, então, acelerados fora das respectivas seções de formação 200 a uma velocidade supersônica, vZ ~ 250 km/s, e colidem perto do plano intermediário em z = 0. Durante a colisão, os plasmoides comprimem-se axialmente, seguido de uma rápida expansão radial e axial, antes de eventualmente mesclarem-se para formar uma FRC 450. Ambas as dinâmicas radial e axial da FRC de mesclagem 450 são evidenciadas por medições detalhadas do perfil de densidade e tomografia baseada em bolômetro.
[081]Os dados de uma descarga não sustentada representativa do sistema de FRC 10 são mostrados como funções de tempo nas Figuras 13A, 13B, 13C e 13D. A FRC é iniciada em t = 0. O raio de fluxo excluído no plano intermediário axial da máquina é mostrado na Figura 13A. Esses dados são obtidos a partir de um conjunto de sondas magnéticas, localizadas dentro da parede de aço inoxidável da câmara de confinamento, que medem o campo magnético axial. A parede de aço é um conservador de fluxo satisfatório nas escalas de tempo desta descarga.
[082]As densidades integradas na linha são mostradas na Figura 13B, de um interferômetro de CO2/He-Ne de 6 cordas localizado em z = 0. Levando-se em consideração o deslocamento vertical (y) da FRC, conforme medido por tomografia bolométrica, a inversão de Abel produz os contornos de densidade das Figuras 13C. Após algum movimento (sloshing) axial e radial durante os primeiros 0,1 ms, o FRC é resolvida cm um perfil de densidade oca. Este perfil é bastante plano, com densidade substancial no eixo, como necessário por equilíbrios de FRC 2-D típicos.
[083]A temperatura total do plasma é mostrada na Figura 13D, derivada do equilíbrio de pressão e totalmente consistente com as medições de espalhamento e espectroscopia de Thomson.
[084]A análise de toda a matriz de fluxos excluídos indica que o formato da separatriz de FRC (aproximado pelos perfis axiais do fluxo excluído) evolui gradualmente de um padrão fechado para elíptico. Esta evolução, mostrada na Figura 14, é consistente com uma reconexão magnética gradual de dois para uma única FRC. De fato, estimativas grosseiras sugerem que nesse momento específico cerca de 10% dos dois fluxos magnéticos de FRC iniciais se reconectam durante a colisão.
[085]O comprimento de FRC diminui constantemente de 3 para cerca de 1 m durante o tempo de vida de FRC. Este encolhimento, visível na Figura 14, sugere que a perda de energia predominantemente convectiva domina o confinamento de FRC. Visto que a pressão do plasma dentro da separatriz diminui mais rapidamente que a pressão magnética externa, a tensão da linha de campo magnético nas regiões de extremidade comprime a FRC axialmente, restaurando o equilíbrio axial e radial. Para a descarga discutida nas Figuras 13 e 14, o fluxo magnético de FRC, o inventário de partículas e a energia térmica (cerca de 10 mWb, 7x1019 partículas, e 7 kJ, respectivamente) diminuem em aproximadamente uma ordem de grandeza no primeiro milissegundo, quando o equilíbrio da FRC parece diminuir.
Operação Sustentada - Regime de HPF
[086]Os exemplos nas Figuras 12 a 14 são característicos de FRCs em decaimento sem qualquer sustentação. No entanto, várias técnicas são implantadas no sistema de FRC 10 para melhorar ainda mais o confinamento de FRC (núcleo interno e camada de borda) ao regime de HPF e sustentar a configuração.
Feixes Neutros
[087]Primeiro, os neutros rápidos (H) são injetados perpendicularmente a Bz em feixes dos oito injetores de feixes neutros 600. Os feixes de neutros rápidos são injetados a partir do momento em que as FRCs de formação norte e sul se mesclam na câmara de confinamento 100 em uma FRC 450. Os íons rápidos, criados principalmente por troca de carga, têm órbitas de betatron (com raios primários na escala da topologia de FRC ou pelo menos muito maiores que a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característica) que são adicionados à corrente azimutal da FRC 450. Após uma fração da descarga (após 0,5 a 0,8 ms no disparo), uma população iônica rápida suficientemente grande melhora significativamente as propriedades de estabilidade e confinamento da FRC interna (consultar, 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 de feixe de neutro 600 também são os principais meios para acionar a corrente e aquecer o plasma de FRC.
[088]No regime de plasma do sistema de FRC 10, os íons rápidos diminuem principalmente nos elétrons de plasma. Durante a parte inicial de uma descarga, os tempos de desaceleração típicos em órbita dos íons rápidos são de 0,3 a 0,5 ms, o que resulta em aquecimento significativo de FRC, principalmente de elétrons. Os íons rápidos fazem grandes excursões radiais fora da separatriz, pois o campo magnético interno da FRC é inerentemente baixo (cerca de 0,03 T em média para um campo axial externo de 0,1 T). Os íons rápidos poderiam ser vulneráveis à perda de troca de carga, se a densidade do gás neutro estivesse muito alta fora da separatriz. Portanto, técnicas de gettering de parede e outras (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 tendem a minimizar os neutros de borda e possibilitam o acúmulo necessário de corrente rápida de íons.
Injeção de Pastilhas
[089]Quando uma população significativa de íons rápidos for desenvolvida dentro da FRC 450, com temperaturas de elétrons mais altas e tempos de vida mais longos de FRC, pastilhas de H ou D congeladas são injetadas na FRC 450 a partir do injetor de pastilhas 700 para sustentar o inventário de partículas de FRC da FRC 450. As escalas de tempo de ablação previstas são suficientemente curtas para fornecer uma fonte de partículas de FRC significativa. Esta taxa também pode ser aumentada aumentando a área superficial da peça injetada rompendo a pastilha individual em fragmentos menores enquanto nos canos ou tubos de injeção do injetor de pastilha 700 e antes de entrar na câmara de confinamento 100, uma etapa que pode ser realizada aumentando o atrito entre a pastilha e as paredes do tubo de injeção apertando o raio de flexão do último segmento do tubo de injeção pouco antes da entrada na câmara de confinamento 100. Em virtude de variação a sequência de disparo e a taxa dos 12 barris (tubos de injeção) bem como a fragmentação, é possível sintonizar o sistema de injeção de pastilhas 700 para proporcionar apenas o nível desejado de sustentação de inventário de partículas. Por sua vez, isso ajuda a manter a pressão cinética interna na FRC 450 e a operação sustentada e o tempo de vida da FRC 450.
[090]Uma vez que os átomos ablacionados encontram plasma significativo na FRC 450, os mesmos se tornam totalmente ionizados. O componente de plasma frio resultante é, então, aquecido colisionalmente pelo plasma nativo de FRC. A energia necessária para manter a temperatura de FRC desejada, por fim, é suprida pelos injetores de feixe 600. Neste sentido, os injetores de pastilhas 700 em conjunto com os injetores de feixes neutros 600 formam o sistema que mantém um estado estacionário e sustenta a FRC 450.
Injetor de CT
[091]Como uma alternativa para o injetor de pastilhas, um injetor de toroides compactos (CT) é fornecido, principalmente para alimentar plasmas de configuração de campo reverso (FRCs). O injetor de CT 720 compreende uma pistola de plasma coaxial magnetizada (MCPG), que, como mostrado nas Figuras 22A e 22B, inclui eletrodos cilíndricos coaxiais interno e externo 722 e 724, uma bobina de polarização posicionada interna ao eletrodo interno 726 e uma ruptura elétrica 728 em uma extremidade oposta à descarga do injetor de CT 720. O gás é injetado através de uma porta de injeção de gás 730 em um espaço entre os eletrodos interno e externo 722 e 724 e um plasma do tipo esferomak é gerado a partir dos mesmos por descarga e empurrado para fora da pistola pela força de Lorentz. Como mostrado nas Figuras 23A e 23B, um par de injetores CT 720 é acoplado ao recipiente de confinamento 100 perto e nos lados de oposição do plano intermediário do recipiente 100 para injetar CTs no plasma central de FRC dentro do recipiente de confinamento 100. A extremidade de descarga dos injetores CT 720 é direcionada para o plano intermediário do recipiente de confinamento 100 em um ângulo ao eixo longitudinal do recipiente de confinamento 100 similar aos injetores de feixes neutros 615.
[092]Em uma modalidade alternativa, o injetor de CT 720, como mostrado nas Figuras 24A e 24B, inclui um tubo de derivação 740 que compreende um tubo cilíndrico alongado acoplado à extremidade de descarga do injetor de CT 720. Como representado, o tubo de derivação 740 inclui bobinas de tubo de derivação 742 posicionadas ao redor e axialmente espaçadas ao longo do tubo. Uma pluralidade de portas de diagnóstico 744 é mostrada ao longo do comprimento do tubo.
[093]As vantagens do injetor de CT 720 são: (1) controle e ajustabilidade do inventário de partículas por CT injetado; (2) plasma quente é depositado (em vez de pastilhas criogênicas); (3) o sistema pode ser operado em modo de taxa de repetição de modo para permitir o abastecimento contínuo; (4) o sistema também pode restaurar algum fluxo magnético visto que os CTs injetados conduzem o campo magnético incorporado. Em uma modalidade para uso experimental, o diâmetro interno de um eletrodo externo é de 83,1 mm e o diâmetro externo de um eletrodo interno é de 54,0 mm. A superfície do eletrodo interno 722 é, de preferência, revestida com tungstênio para reduzir as impurezas que saem do eletrodo 722. Conforme mostrado, a bobina de polarização 726 é montada dentro do eletrodo interno 722.
[094]Em experimentos recentes, uma velocidade de translação supersônica de CT de até ~100 km/s foi alcançada. Outros parâmetros típicos do plasma são os seguintes: densidade de elétrons ~ 5x1021 m-3, temperatura do elétron ~ 30 a 50 eV e inventário de partículas de ~ 0,5 a 1,0x1019. A alta pressão cinética do CT permite que o plasma injetado penetre profundamente na FRC e deposite as partículas dentro da separatriz. Em experimentos recentes, o abastecimento de partículas de FRC resultou em ~ 10 a 20% do inventário de partículas de FRC sendo fornecidos pelos injetores CT demonstrando com sucesso que o abastecimento pode ser prontamente realizado sem romper o plasma de FRC.
Bobinas do Tipo Sela
[095]Para se obter uma transmissão de corrente estável e manter a corrente de íon necessária, é desejável evitar ou reduzir significativamente a rotação de elétrons devido à força de atrito dos elétrons-íons (resultante da transferência de momento de íons e elétrons por colisão). O sistema de FRC 10 utiliza uma técnica inovadora para fornecer a ruptura de elétrons através de um campo magnético de dipolo ou quadrupolo estático externamente aplicado. Isso é realizado através das bobinas do tipo sela externas 460 mostradas na Figura 15. O campo magnético radial aplicado transversal das bobinas do tipo sela 460 induz um campo elétrico axial no plasma de FRC de rotação. A corrente de elétrons axial resultante interage com o campo magnético para produzir uma força de ruptura azimutal sobre os elétrons, Fθ=-oVeθ<|Brl2>. Para condições típicas no sistema de FRC 10, o campo magnético de dipolo (ou quadrupolo) necessário dentro do plasma precisa ser apenas de ordem 0,001 T para fornecer a ruptura de elétrons adequada. O campo externo correspondente de cerca de 0,015 T é pequeno o suficiente para não causar perdas de partículas rápidas consideráveis ou, de outro modo, afetar negativamente o confinamento. De fato, o campo magnético de dipolo (ou quadrupolo) aplicado contribui para suprimir as instabilidades. Em combinação com a injeção de feixes neutros tangencial e a injeção de plasma axial, as bobinas do tipo sela 460 fornecem um nível adicional de controle com relação à manutenção e estabilidade de corrente.
Plugues de Espelho
[096]O desenho das bobinas pulsadas 444 dentro dos plugues de espelho 440 permite a geração local de altos campos magnéticos (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 estão passando através das constrições 442 nos plugues de espelho 440, como sugerido pelas linhas de campo magnético na Figura 2 e o contato de parede de plasma não ocorre. Além disso, os plugues de espelho 440 em conjunto com os ímãs de diversor de corrente quase contínua 416 podem ser ajustados de modo a guiar as linhas de campo para os eletrodos de diversor 910, ou alargar as linhas de campo em uma configuração de cúspide final (não mostrada). Este último melhora a estabilidade e suprime a condução térmica de elétrons paralelos.
[097]Os plugues de espelho 440 por si próprios também contribuem para o controle de gás neutro. Os plugues de espelho 440 permitem uma melhor utilização do gás de deutério soprado para os tubos de quartzo durante a formação de FRC, pois o refluxo de gás para os diversores 300 é significativamente reduzido pela pequena condutância de gás dos plugues (apenas 500 L/s) . A maior parte do gás residual soprado dentro dos tubos de formação 210 é rapidamente ionizada. Além disso, o plasma de alta densidade que flui através dos plugues de espelho 440 fornece uma ionização neutra eficiente, portanto, uma barreira de gás eficaz. Como resultado, a maioria dos neutros reciclados nos diversores 300 da camada de borda de FRC 456 não retorna à câmara de confinamento 100. Além disso, os neutros associados com a operação das pistolas de plasma 350 (como discutido abaixo) serão confinados principalmente nos diversores 300.
[098]Por fim, os plugues de espelho 440 tendem a aprimorar o confinamento de camada de borda de FRC. Com as razões de espelho (plugue/campos magnéticos de confinamento) na faixa 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 T, aumenta até uma ordem de magnitude. O aprimoramento T, aumenta prontamente o confinamento de partículas de FRC.
[099]Presumindo a perda de partículas difusas radiais (D) do volume da separatriz 453 equilibradas por perda axial (t,) a partir da camada de borda 456, obtém-se (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/T|), a partir da qual o comprimento do gradiente de densidade de separatriz pode ser reescrito comoδ = (DT,)1/2. Aqui, rs, Ls e ns são o raio da separatriz, comprimento da separatriz e densidade da separatriz, respectivamente. O tempo de confinamento de partícula de FRC é TN = [πrs2Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(T±T,)1/2, em que T± = a2/D com um =rs/4. Fisicamente, o aprimoramento T, resulta em δ aumentado (gradiente de densidade da separatriz e parâmetro de derivação reduzidos), e, portanto, perda de partículas de FRC reduzida. O aprimoramento geral no confinamento de partículas de FRC é, em geral, um pouco menor que o quadrático, pois ns aumenta com t,.
[0100]Um aprimoramento significativo em t, também exige que a camada de borda 456 permaneça grosseiramente estável (ou seja, sem n = 1 flauta, mangueira ou outra instabilidade de MHD típica de sistemas abertos). O uso das pistolas de plasma 350 proporciona essa estabilidade de borda preferida. Neste sentido, os plugues de espelho 440 e a pistola de plasma 350 formam um sistema de controle de borda eficaz.
Pistolas de Plasma
[0101]As pistolas de plasma 350 aprimoram a estabilidade dos jatos de escape de FRC 454 por amarração de linha. 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 350 são um meio eficaz para controlar a estabilidade da FRC sem a necessidade da técnica de estabilização de quadrupolo mais antiga. Como resultado, as pistolas de plasma 350 tornam possível tirar vantagem dos efeitos benéficos de partículas rápidas ou acessar o regime de FRC cinético híbrido avançado, conforme descrito nesta revelação. Portanto, as pistolas de plasma 350 permitem que o sistema de FRC 10 seja operado com correntes de bobina do tipo sela adequadas apenas para a ruptura de elétrons, porém abaixo do limiar, o que poderia causar instabilidade de FRC e/ou poderia levar a uma difusão de partículas rápida e significativa.
[0102]Como mencionado na discussão de Plugue de espelho acima, se t, puder ser significativamente aprimorado, o plasma de pistola fornecido poderia ser comparável com a taxa de perda de partículas de camada de borda (~ 1022 /s). O tempo de vida do plasma produzido pela pistola no sistema de FRC 10 está na faixa de milissegundos. De fato, considera-se o plasma de pistola com densidade ne ~ 1013 cm-3 e temperatura de íons de cerca de 200 eV, confinados entre os plugues de espelho de extremidade 440. O comprimento de supressor L e a razão de espelho R são cerca de 15 m e 20, respectivamente. A trajetória livre média do íon devido às colisões de Coulomb é X ~ 6x103 cm e, visto que XiilnR/R < L, os íons são confinados no regime dinâmico de gás. O tempo de confinamento de plasma nesse regime é Tgd ~ RL/2Vs ~ 2 ms, em que Vs é a velocidade sonora de íon. Para comparação, o tempo de confinamento de íon clássico para esses parâmetros de plasma poderia ser Tc ~ 0,5Tii(lnR + (lnR)0-5) ~ 0,7 ms. A difusão transversal anômala pode, em princípio, encurtar o tempo de confinamento do plasma. No entanto, no sistema de FRC 10, se for presumido que a taxa de difusão de Bohm, o tempo de confinamento transversal estimado para o plasma da pistola é T± > Tgd ~ 2 ms. Portanto, as pistolas poderiam fornecer um reabastecimento significativo da camada de borda de FRC 456, e um confinamento de partículas de FRC total aprimorado.
[0103]Além disso, os fluxos de plasma de pistola podem ser ativados em cerca de 150 a 200 microssegundos, isso permite o uso na inicialização de FRC, translação e mesclagem na câmara de confinamento 100. Se ativados em torno de t ~ 0 (iniciação do banco principal de FRC), os plasmas da pistola ajudam a sustentar a presente FRC dinamicamente formada e mesclada 450. Os inventários de partículas combinadas das FRCs de formação e das pistolas são adequados para a captura de feixes neutros, aquecimento do plasma e longa sustentação. Se ativados em t na faixa de -1 a 0 ms, os plasmas de pistola podem encher os tubos de quartzo 210 com plasma ou ionizar o gás soprado nos tubos de quartzo, permitindo assim a formação de FRC com gás soprado reduzido ou até mesmo zero. Este último pode exigir plasma de formação suficientemente frio para permitir a rápida difusão do campo magnético de polarização reversa. Se ativados em t < -2 ms, os fluxos de plasma poderiam encher cerca de 1 a 3 m3 de volume de linha de campo das regiões de formação e confinamento das seções de formação 200 e câmara de confinamento 100 com uma densidade de plasma alvo de 1013 cm-3, suficiente para permitir o acúmulo de feixes neutros antes da chegada de FRC. As FRCs de formação poderiam, ser, então formadas e transladadas no plasma de recipiente de confinamento resultante. Dessa forma, as pistolas de plasma 350 permitem uma grande variedade de condições de operação e regimes de parâmetro.
Polarização Elétrica
[0104]O controle do perfil de campo elétrico radial na camada de borda 456 é benéfico de várias maneiras para a estabilidade e confinamento de FRC. Em virtude dos componentes de polarização inovadores implantados no sistema de FRC 10, é possível aplicar uma variedade de distribuições deliberadas de potenciais elétricos a um grupo de superfícies de fluxo aberto em toda a máquina, a partir de áreas bem fora da região de confinamento central na câmara de confinamento 100. Dessa forma, campos elétricos radiais podem ser gerados através da camada de borda 456, fora da FRC 450. Esses campos elétricos radiais então modificam a rotação azimutal da camada de borda 456 e efetuam seu confinamento através de cisalhamento de velocidade E*B. Qualquer rotação diferencial entre a camada de borda 456 e o núcleo de FRC 453 pode então ser transmitida para dentro do plasma de FRC por cisalhamento. Como resultado, o controle da camada de borda 456 impacta diretamente o núcleo de FRC 453. Além disso, visto que a energia livre na rotação do plasma também pode ser responsável por instabilidades, essa técnica fornece um meio direto para controlar o surgimento e o crescimento de instabilidades. No sistema de FRC 10, a polarização de borda adequada fornece um controle efetivo do transporte e da rotação de linha de campo aberto, bem como da rotação do núcleo da FRC. A localização e o formato dos vários eletrodos fornecidos 900, 905, 910 e 920 permitem o controle de diferentes grupos de superfícies de fluxo 455 e em potenciais diferentes e independentes. Dessa forma, uma ampla gama de diferentes configurações e intensidades de campo elétrico pode ser realizada, cada uma com um impacto característico diferente no desempenho do plasma.
[0105]Uma das principais vantagens de todas essas técnicas inovadoras de polarização é o fato de que o comportamento do núcleo e da borda do plasma pode ser afetado de fora do plasma de FRC, ou seja, não há necessidade de trazer nenhum componente físico em contato com o plasma quente central (que teria implicações severas para as perdas de energia, fluxo e partículas). Isso tem um grande impacto benéfico no desempenho e em todas as potenciais aplicações do conceito de HPF.
Dados Experimentais - Operação com HPF
[0106]A injeção de partículas rápidas através de feixes das pistolas de feixes neutros 600 exerce uma função importante na ativação do regime de HPF. As Figuras 16A, 16B, 16C e 16D ilustram esse fato. Um conjunto de curvas que mostra como o tempo de vida de FRC está correlacionado com o comprimento dos pulsos do feixe é representado. Todas as outras condições operacionais são mantidas constantes para todas as descargas que compreendem este estudo. Os dados têm uma média de muitos disparos e, portanto, representam um comportamento típico. É evidente que a duração mais longa do feixe produz FRCs com vida útil mais longa. Olhando para esta evidência, bem como outros diagnósticos durante este estudo, demonstra-se que os feixes aumentam a estabilidade e reduzem as perdas. A correlação entre o comprimento de pulso de feixe e o tempo de vida de FRC não é perfeita, na medida em que a FRC 450 encolhe no tamanho físico, nem todos os feixes injetados são interceptados e capturados. O encolhimento da FRC deve-se principalmente ao fato de que a perda líquida de energia (~ 4 MW durante a descarga) do plasma de FRC durante a descarga é um pouco maior que a energia total alimentada na FRC através dos feixes neutros (~ 2,5 MW) para a configuração experimental específica. A localização dos feixes em um local mais próximo do plano intermediário do recipiente 100 tenderia a reduzir essas perdas e prolongar o tempo de vida da FRC.
[0107]As Figuras 17A, 17B, 17C e 17D ilustram os efeitos de componentes diferentes para obter o regime de HPF. As mesmas mostram uma família de curvas típicas representando o tempo de vida da FRC 450 como uma função do tempo. Em todos os casos, uma quantidade constante e modesta de potência de feixe (cerca de 2,5 MW) é injetada em toda a duração de cada descarga. Cada curva é representativa de uma combinação diferente de componentes. Por exemplo, a operação do sistema de FRC 10 sem quaisquer plugues de espelho 440, pistolas de plasma 350 ou gettering a partir dos sistemas de gettering 800 resultam no início rápido da instabilidade de rotação e na perda da topologia de FRC. A adição apenas dos plugues de espelho 440 retarda o início de instabilidades e aumenta o confinamento. Com o uso da combinação de plugues de espelho 440 e uma pistola de plasma 350 reduz-se ainda mais as instabilidades e aumenta-se o tempo de vida da FRC. Por fim, a adição de gettering (Ti neste caso) na parte superior da pistola 350 e dos plugues 440 produz os melhores resultados - a FRC resultante é livre de instabilidades e exibe o tempo de vida mais longo. É evidente a partir desta demonstração experimental que a combinação completa de componentes produz o melhor efeito e fornece aos feixes as melhores condições alvo.
[0108]Conforme mostrado na Figura 1, o regime de HPF recentemente descoberto exibe um comportamento de transporte consideravelmente aprimorado. A Figura 1 ilustra a mudança no tempo de confinamento de partículas no sistema de FRC 10 entre o regime convencional e o regime de HPF. Conforme pode ser observado, o mesmo foi aprimorado em mais de um fator de 5 no regime de HPF. Além disso, a Figura 1 detalha o tempo de confinamento de partículas no sistema de FRC 10 em relação ao tempo de confinamento de partículas em experiências de FRC convencionais anteriores. Com relação a essas outras máquinas, o regime de HPF do sistema de FRC 10 aprimorou melhorou o confinamento por um fator entre 5 e próximo de 20. Por fim, e mais importante, a natureza do escalonamento de confinamento do sistema de FRC 10 no regime de HPF é consideravelmente diferente de todas as medições anteriores. Antes do estabelecimento do regime de HPF no sistema de FRC 10, várias leis de escalonamento empírico foram derivadas de dados para prever tempos de confinamento em experimentos de FRC anteriores. Todas essas regras de escalonamento dependem principalmente da razão R2/pi, em que R é o raio do campo magnético nulo (uma medição livre da escala física da máquina) e pi é o raio de larmor de íons avaliado no campo externamente aplicado (uma medida livre do campo magnético aplicado). É evidente a partir da Figura 1 que o confinamento prolongado em FRCs convencionais só é possível em tamanho grande da máquina e/ou campo magnético alto. Com a operação do sistema de FRC 10 na FRC convencional, o regime de CR tende a seguir as regras de escalonamento, conforme indicado na Figura 1. No entanto, o regime de HPF é muito superior e mostra que é possível obter um confinamento muito melhor sem um tamanho grande de máquinas ou campos magnéticos elevados. Mais importante, também é evidente na Figura 1 que o regime de HPF resulta em tempo de confinamento aprimorado com tamanho de plasma reduzido em comparação com o regime de CR. Tendências similares também são visíveis para tempos de confinamento de fluxo e energia, como descrito abaixo, que também aumentaram em um fator de 3 a 8 no sistema de FRC 10. O avanço do regime de HPF, portanto, permite o uso de potência de feixe modesta, campos magnéticos mais baixos e tamanho menor para sustentar e manter os equilíbrios de FRC no sistema de FRC 10 e futuras máquinas de maior energia. Juntamente com estas melhorias, os custos operacionais e de construção são mais baixos, bem como a complexidade de engenharia é reduzida.
[0109]Para comparação adicional, as Figuras 18A, 18B, 18C e 18D mostram dados de uma descarga de regime de HPF representativa no sistema de FRC 10 como uma função do tempo. A Figura 18A mostra o raio de fluxo excluído no plano intermediário. Para essas escalas de tempo mais longas, a parede de aço de condução não é mais um conservador de fluxo satisfatório e as sondas magnéticas internas à parede são aumentadas com sondas fora da parede para levar em consideração adequadamente a difusão do fluxo magnético através do aço. Em comparação com o desempenho típico no CR de regime convencional, como mostrado nas Figuras 13A, 13B, 13C e 13D, o modo de operação de regime de HPF exibe mais de 400% de tempo de vida mais longo.
[0110]Um fio representativo do traço de densidade integrado da linha é mostrado na Figura 18B com seu complemento invertido de Abel, os contornos de densidade, na Figura 18C. Em comparação com o CR de regime de FRC convencional, como mostrado nas Figuras 13A, 13B, 13C e 13D, o plasma é mais quiescente ao longo do pulso, indicativo de operação muito estável. A densidade de pico também é um pouco menor nos ciclos de HPF - isso é uma consequência da temperatura do plasma total mais alta (até um fator de 2), como mostrado na Figura 18D.
[0111]Para a respectiva descarga ilustrada nas Figuras 18A, 18B, 18C e 18D, os tempos de confinamento de energia, partícula e fluxo são de 0,5 ms, 1 ms e 1 ms, respectivamente. Em um tempo de referência de 1 ms na descarga, a energia de plasma armazenada é de 2 kJ, enquanto as perdas são de cerca de 4 MW, tornando este alvo muito adequado para a sustentação do feixe neutro.
[0112]A Figura 19 resume todas as vantagens do regime de HPF na forma de um escalonamento de confinamento de fluxo de HPF experimental recentemente estabelecido. Conforme pode ser observado na Figura 19, com base nas medições feitas antes e depois de t = 0,5 ms, ou seja, t < 0,5 ms e t > 0,5 ms, o confinamento de fluxo (e similarmente, confinamento de partícula e confinamento de energia) está relacionado com aproximadamente o quadrado da temperatura do elétron (Te) para um determinado raio de separatriz (rs). Este forte escalonamento com um poder positivo de Te (e não uma potência negativa) é completamente oposto àquele exibido por tokomaks convencionais, em que o confinamento é tipicamente inversamente proporcional a alguma potência da temperatura do elétron. A manifestação deste escalonamento é uma consequência direta do estado de HPF e da população de íons na órbita grande (isto é, órbitas na escala da topologia de FRC e/ou pelo menos a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característico). Fundamentalmente, este novo escalonamento favorece substancialmente as altas temperaturas de operação e permite reatores de tamanho relativamente modesto.
[0113]Com as vantagens do regime de HPF, a sustentação ou estado estacionário de FRC acionado por feixes neutros é alcançável, significando que os parâmetros globais do plasma como energia térmica do plasma, número total de partículas, raio e comprimento do plasma bem como fluxo magnético são sustentáveis em níveis razoáveis sem decaimento substancial. Para comparação, a Figura 20 mostra dados no gráfico A de uma descarga de regime HPF representativa no sistema de FRC 10 como uma função de tempo e no gráfico B para uma descarga de regime de HPF representativa projetada no sistema de FRC 10 como uma função de tempo em que a FRC 450 é sustentada sem decaimento através da duração do pulso de feixes neutros. Para o gráfico A, feixes neutros com potência total na faixa 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 do plasma mostrado no gráfico A era cerca de 5,2 ms. Dados mais recentes mostram que um tempo de vida diamagnético de plasma de cerca de 7,2 ms é obtenível com um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 7 ms.
[0114] Conforme observado em relação às Figuras 16A, 16B, 16C e 16D, a correlação entre o comprimento de pulso de feixe e o tempo de vida de FRC não é perfeita, na medida em que a FRC 450 encolhe no tamanho físico, nem todos os feixes injetados são interceptados e capturados. O encolhimento ou decaimento da FRC deve-se principalmente ao fato de que a perda líquida de energia (- 4 MW durante a descarga) do plasma de FRC durante a descarga é um pouco maior que a energia total alimentada na FRC através dos feixes neutros (-2,5 MW) para a configuração experimental específica. Conforme observado em relação à Figura 3C, a injeção angulada a partir das pistolas de feixes neutros 600 em direção ao plano intermediário aprimora o acoplamento do feixe-plasma, mesmo quando o plasma de FRC encolhe ou, de outro modo, contrai-se axialmente durante o período de injeção. Além disso, o abastecimento adequado de pastilhas manterá a densidade de plasma necessária.
[0115]O gráfico B é o resultado de simulações realizadas usando um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 6 ms e potência de feixe total das pistolas de feixes de neutros 600 de pouco mais de cerca de 10 MW, em que os feixes neutros devem injetar neutros de H (ou D) com energia de partículas 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 ao eixo do dispositivo era de cerca de 20°, o raio alvo de 0,19 m. O ângulo de injeção pode ser alterado dentro da faixa de 15° a 25°. Os feixes serão injetados na direção de co-corrente azimutalmente. A força lateral líquida bem como a força axial líquida da injeção de momento dos feixes neutros devem ser minimizadas. Conforme com o gráfico A, neutros rápidos (H) são injetados a partir dos injetores de feixes neutros 600 a partir do momento em que as FRCs de formação norte e sul se mesclam na câmara de confinamento 100 em uma FRC 450.
[0116]As simulações de quando a base para o gráfico B usa resolvedores multidimensionais hall-MHD para o plasma e equilíbrio de base, os resolvedores totalmente cinéticos baseados em Monte-Carlo para os componentes do feixe energético e todos os processos de espalhamento, bem como uma série de equações de transporte acopladas para todas as espécies de plasma para modelar processos de perda interativa. Os componentes de transporte são empiricamente calibrados e extensivamente comparados com um banco de dados experimental.
[0117]Conforme mostrado na Figura B, o tempo de vida diamagnético em estado estacionário da FRC 450 será o comprimento do pulso do feixe. No entanto, é importante observar que o principal gráfico de correlação B mostra que, quando os feixes são desligados, o plasma ou a FRC começa a decair naquele momento, porém não antes disso. O decaimento será similar àquele que é observado em descargas que não são assistidas por feixe - provavelmente na ordem de 1 ms além do tempo de desligamento do feixe - e é simplesmente um reflexo do tempo de decaimento característico do plasma impulsionado pelos processos de perda intrínseca.
[0118]Com referência às Figuras 21A, 21B, 21C, 21D e 21E, os resultados dos experimentos ilustrados nas figuras indicam a obtenção de sustentação de FRC ou estado estacionário impulsionado por feixes neutros angulados, ou seja, parâmetros de plasma globais como raio de plasma, densidade de plasma, temperatura de plasma bem como fluxo magnético são sustentáveis a níveis constantes sem decaimento em correlação com a duração do pulso de NB. Por exemplo, tais parâmetros de plasma são essencialmente mantidos constante durante ~5+ ms. Tal desempenho de plasma, incluindo o recurso de sustentação, tem uma forte correlação com a duração do pulso de NB, com o diamagnetismo persistindo até vários milissegundos após a terminação de NB, devido aos íons rápidos acumulados. Como ilustrado, o desempenho do plasma é limitado apenas pelas restrições de comprimento de pulso que surgem das energias finitas armazenadas nas fontes de alimentação associadas de muitos sistemas críticos, como os injetores de NB, bem como outros componentes do sistema.
Energias de Feixes Neutros e Feixes Ajustáveis
[0119]Conforme observado acima em relação às Figuras 3A, 3B, 3C, 3D, 3E e 8, os feixes de átomos neutros 600 são desenvolvidos no sistema de FRC 10 para fornecer aquecimento e transmissão de corrente bem como desenvolver pressão de partículas rápidas. As linhas de feixe individuais que compreendem sistemas injetores de feixe de átomo neutro 600 estão localizadas em torno da câmara de confinamento central 100 e, como mostrado nas Figuras 3C, 3D e 3E, são de preferência anguladas para injetar partículas neutras em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento 100.
[0120]Para melhorar ainda mais a sustentação da FRC e demonstrar o aumento de FRC para altas temperaturas de plasma e energias elevadas do sistema, o presente sistema de FRC 10 inclui um sistema de injetor de feixe neutro (NBI) 600 de potência elevada e comprimento de pulso expandido, por exemplo, apenas para propósitos exemplificativos, potência de cerca de 20+ MW com um comprimento de pulso de até 30 ms. O sistema de NBI 600 inclui uma pluralidade de injetores baseados em íons positivos 615 (consultar as Figuras 3D e 3E) com design modular flexível, com um subconjunto dos injetores de NBI 615, por exemplo, quatro (4) de oito (8) injetores de NBI 615 , tendo a capacidade de sintonizar a energia do feixe durante um ciclo de uma energia de feixe inferior inicial para uma energia de feixe elevada, por exemplo, de cerca de 15 keV a cerca de 40 keV a uma corrente de feixe constante. Esta capacidade dos injetores de NBI 615 é desejável para obter um aquecimento mais eficiente e pressurização resultante do núcleo de plasma 450. Em particular, esta capacidade permite o aprimoramento de desempenho altamente desejável no nível de operação de energia de pico em comparação com o baixo nível de energia: por exemplo, (i) fator de potência de aquecimento até 2x maior; (ii) redução próxima de 5 vezes nas perdas na troca de carga; e (iii) até o dobro da eficiência de aquecimento. Além disso, a energia de feixe continuamente variável, produzida pelos injetores de NBI 615, permite uma correspondência ideal dos parâmetros orbitais dos íons rápidos injetados e, então, capturados em relação aos perfis de pressão magnética instantânea durante o processo de elevação. Por fim, as taxas de elevação rápidas, permitindo uma duração de elevação de 0,1 a 10 ms, juntamente com uma sintonização rápida (ordem de 1 ms ou menos) de energia de feixe e da potência dos injetores de NBI 615 fornecem “botões de controle” efetivos adicionais, ou seja, recursos controláveis, para modelagem de plasma e controle de realimentação ativa do plasma através de modulação da energia e potência do feixe.
[0121]Uma potência de aquecimento suficiente é necessária para permitir o aquecimento e a pressurização da FRC 450, tanto para a sustentação como para o aumento das temperaturas do plasma e das energias de sistema elevadas. Presumindo taxas de perda suficientemente baixas, a taxa de elevação é principalmente uma função de quanta potência pode ser depositada no núcleo de FRC 450 pelos injetores de NBI 615 a qualquer momento. A maior potência do feixe neutro principal através da porta de injeção é, portanto, sempre desejável.
[0122]Além disso, a taxa de aquecimento efetiva devido aos injetores de NBI 615 é uma interação complexa entre as características do feixe injetado e os perfis instantâneos então persistentes das temperaturas de todas as espécies, densidades de elétrons e íons, concentração de neutros, bem como campo magnético através o núcleo de FRC 450. Destes, os perfis de campo magnético estão sendo deliberadamente alterados em escalas de tempo de submilissegundos durante a elevação por um sistema de controle, enquanto os perfis relacionados à pressão cinética evoluem através de mudanças intrínsecas derivadas de processos de auto- organização e turbulência dentro do plasma bem como a energia depositado pelo processo de injeção. A sintonização dos feixes fornece um meio para se adaptar de forma ideal a estas condições variáveis.
[0123]Por exemplo, o corte transversal de troca de carga, isto é, a probabilidade de captura de elétrons por um íon rápido para formar um átomo neutro, é uma função forte da energia do feixe. Para a faixa de 15 a 40 keV, a taxa de troca de carga principal diminui consideravelmente como uma função da energia do feixe. Portanto, em qualquer nível de campo, a retenção de energia no plasma é maior quando se injetam as partículas na energia mais alta compatível com tal nível de campo (entre outras coisas, isso requer que a energia das partículas injetadas resulte em um raio orbital de íon capturado que se ajusta dentro da parede interna do sistema de confinamento).
[0124]Outro exemplo dos efeitos do perfil sobre a eficiência de aquecimento total está relacionado com o local em que a potência é depositada. A energia de feixe mais alta tipicamente levará à deposição de energia relativamente maior na periferia da FRC versus o núcleo. Com a elevação do campo magnético, porém mantendo a mesma energia do feixe, resultará em órbitas de íons capturados mais estreitas e um acoplamento de potência comensuradamente maior ao plasma de núcleo de FRC. Estes fatos também têm, então, um forte impacto sobre a retenção de energia - por exemplo, a energia perifericamente depositada é muito mais facilmente transportada para fora do sistema ao longo da estrutura da linha de campo aberto, enquanto a energia depositada no núcleo é comparativamente perdida mais lentamente devido aos tempos de transporte em campo cruzado menores. Dessa forma, é desejável uma coordenação justa da elevação do campo magnético e aumentos adequados na energia do feixe.
[0125]O sistema de feixe 600 é projetado para elevação rápida de tensão na faixa de 0,1 a 10 ms. Isso fornece o potencial para aumentar as temperaturas de íons e elétrons por fatores de 2 e 10, respectivamente, e fazê-lo em escalas de tempo mais curtas do que os tempos de crescimento de instabilidade macroscópica típicos. Portanto, a estabilidade de plasma é fundamentalmente aumentada, como é confiabilidade operacional e reprodutibilidade.
[0126] Os tempos de elevação de tensão variáveis de 0,05 a 1 ms fornecem tempos de resposta suficientemente rápidos, de modo que os feixes possam ser utilizados como parte de um sistema de realimentação ativa. Dessa forma, a modulação de feixe pode ser usada para controlar a macro e microestabilidade. Por exemplo, mudando momentaneamente o perfil de deposição de potência radial alterando a energia do feixe (e, assim, mudando o padrão de deposição de energia radial), pode-se afetar os gradientes de pressão que podem contrabalançar o início de modos de plasma instáveis. O sistema de FRC 10 mostrado nas Figuras 3D e 3E utiliza essa capacidade juntamente com uma realimentação magnética rápida para controlar a inclinação interna, taxas de rotação, desenvolvimento de ondas de derivação e outros cenários operacionais.
[0127]A Figura 25 mostra uma ilustração de um injetor de NBI 615 do presente sistema de FRC 10. O injetor de NBI 615 é mostrado, em uma modalidade exemplificadora, para incluir: um acionador de arco 650; uma caixa de plasma 651; um sistema ótico de íon 652, compreendendo um agrupamento triodo ou tetrodo de grades de extração e aceleração; um gimbal direcionador 653; um neutralizador 654, compreendendo evaporadores de arco 655, como, por exemplo, evaporadores de arco de Ti, uma bomba criogênica 656 tendo estruturas superficiais, como, por exemplo, estruturas superficiais estriadas, configuradas para aumento de bombeamento criogênico e um ímã defletor 656 para remoção de íons não neutralizados; e uma abertura de colimação 658, incluindo um calorímetro inserível 659 para caracterização de feixe intermitente, diagnóstico e recalibração.
[0128]Mais especificamente e referindo-se à Figura 26, a implementação do sistema de feixe sintonizável, como mostrado, é, de preferência, baseada em um sistema óptico iônico do tipo triodo (= IOS) 660. A ideia é um esquema de aceleração-desaceleração. Como ilustrado na Figura 26, uma primeira grade G1 é ajustada para uma tensão V1, enquanto a segunda grade G2 é ajustada para uma tensão V2 e a grade final G3 é ajustada para a tensão V3. Os íons extraídos são primeiramente acelerados para a energia E1=e*(V1-V2) enquanto atravessam a lacuna entre G1 e G2 (e aqui se refere à carga elétrica do íon). Os mesmos são, então, desacelerados na lacuna entre G2 e G3, de modo que E2=E1+e*(V2-V3). As tensões são tipicamente ajustadas de modo que V1>V2<V3. Com base nas fontes de alimentação individuais adequadas PS1, PS2, PS3, as tensões da grade podem ser ajustadas de forma incremental durante o pulso para alterar a saída dos íons emitidos 662. Por exemplo, para iniciar um pulso de feixe de átomos de hidrogênio, as tensões de trabalho podem ser ajustadas para V1=15 kV, V2=-25 kV e V3=0 V. Os íons de feixe inicial serão, então, acelerados primeiro para 40 keV e, então, emergirão do IOS com uma energia de 15 keV. Posteriormente no pulso, as fontes de alimentação podem ser comutadas para fornecer V1=40 kV, V2=-1 kV, V3=0 V. A desaceleração do feixe na segunda lacuna estará então praticamente ausente, produzindo uma energia de feixe de saída de aproximadamente 40 keV. As fontes de alimentação são individualmente controláveis e fornecem a modulação de tensão adequada. Os íons de feixe iniciais são extraídos de uma multiplicidade de PS de fonte de plasma padrão baseada em arco ou RF. Após a emergência do IOS 660, os íons de feixe 662 atravessam um neutralizador 664 em que os íons rápidos se convertem em íons neutros através da troca de carga de elétrons do gás neutro frio presente no neutralizador 664. O bombeamento criogênico adequado impede o sangramento de gás neutro do orifício a jusante do neutralizador 664. No final do neutralizador existe também um ímã de flexão 666 adequado que fornece a remoção de íons rápidos não neutralizados 663 e um depósito de íons associado 668 para absorver os íons rápidos e a sua energia. O feixe de átomos emergentes 670 é, então, passado através de uma abertura adequada 6720 para reduzir a divergência do feixe e fornecer um fluxo bem colimado de átomos neutros em direção ao núcleo do reator.
[0129]Em uma versão alternativa, o IOS é baseado em um design de tetrodo. Nesse caso, o IOS consiste em quatro grades que têm o mesmo princípio de aceleração-desaceleração, conforme explicado no caso de triodo. Os versados na técnica reconhecerão prontamente a similaridade entre os componentes do sistema e os princípios operacionais. A introdução da quarta grade oferece novas possibilidades de ajuste fino e, em geral, maior flexibilidade operacional.
[0130]Os exemplos de modalidades fornecidos no presente documento foram descritos no Pedido de Patente Provisório US N° 62/414.574, cuja aplicação é incorporada no presente documento a título de referência.
Estabilidade de Plasma e Controle de Posição Axial
[0131]As soluções convencionais para instabilidades de FRC fornecem tipicamente estabilidade na direção axial em detrimento de serem instáveis na direção radial, ou estabilidade na direção radial em detrimento de serem axialmente instáveis, mas não estabilidade em ambas as direções ao mesmo tempo. Para a primeira ordem, um equilíbrio em que a posição do plasma é transversal ou radialmente estável tem a propriedade desejada de ser axissimétrico, em detrimento de ser axialmente instável. Em vista do supracitado, as modalidades fornecidas no presente documento referem-se a sistemas e métodos que facilitam a estabilidade de um plasma de FRC tanto nas direções radial e axial como no controle de posição axial de um plasma de FRC ao longo do eixo de simetria de uma câmara de confinamento de plasma de FRC independente das propriedades de estabilidade axial do equilíbrio do plasma de FRC. A instabilidade da posição axial, no entanto, é ativamente controlada usando um conjunto de bobinas axissimétricas externas que controlam a posição axial do plasma de FRC. Os sistemas e métodos fornecem controle de realimentação da posição axial do plasma de FRC independente das propriedades de estabilidade do equilíbrio do plasma, atuando nas tensões aplicadas a um conjunto de bobinas externas concêntricas ao plasma e usando uma técnica de controle não linear.
[0132]As modalidades apresentadas no presente documento exploram um equilíbrio axialmente instável da FRC para forçar a estabilidade radial, enquanto estabilizam ou controlam a instabilidade axial. Dessa forma, a estabilidade nas direções axial e radial pode ser obtida. A metodologia de controle é projetada para alterar o campo magnético externo ou de equilíbrio para tornar o plasma de FRC radial ou transversalmente estável em detrimento de ser axialmente instável, e então atuar sobre a corrente da bobina de campo radial para restaurar rapidamente a posição de plasma de FRC em direção ao plano intermediário minimizando a ultrapassagem e/ou oscilações em torno do plano intermediário da câmara de confinamento. A vantagem dessa solução é reduzir a complexidade dos atuadores necessários para o controle. Em comparação com as soluções convencionais com múltiplos graus de liberdade, a metodologia da modalidade apresentada no presente documento reduz a complexidade para um problema de controle ao longo do eixo de revolução de FRC do plasma com um grau de liberdade.
[0133]A combinação de formas de onda em correntes de bobina, abastecimento e potência de feixe neutro que resultam em um plasma axialmente instável definem o cenário de controle de plasma que define o plasma em uma situação instável axial. O cenário pode ser pré-programado usando conhecimento prévio de simulações ou experimentos, ou realimentação controlada para manter um equilíbrio que é axialmente instável. A posição do plasma deve ser controlada durante as descargas independentemente das propriedades de estabilidade do equilíbrio, por exemplo, o esquema de controle deve funcionar tanto para plasmas axialmente estáveis como axialmente instáveis, até um limite. O plasma mais axialmente instável que pode ser controlado tem um tempo de crescimento comparável ao tempo de pele do recipiente.
[0134]Referindo-se agora aos sistemas e métodos que facilitam a estabilidade de um plasma de FRC nas direções radial e axial e controle de posição axial de um plasma de FRC ao longo do eixo de simetria de uma câmara de confinamento de plasma de FRC, a Figura 27 mostra um esquema simplificado para ilustrar um exemplo de modalidade de um mecanismo de controle de posição axial 510. Um plasma de FRC rotativo 520 mostrado dentro de uma câmara de confinamento 100 tem uma corrente de plasma 522 e uma direção de deslocamento axial 524. Um campo de equilíbrio (não mostrado) é produzido dentro da câmara 100 por componentes de corrente simétrica, como, por exemplo, as bobinas de corrente quase contínua 412 (consultar as Figuras 2, 3A, 3D e 3E). O campo de equilíbrio não produz uma força líquida resultante na direção do deslocamento axial 524, porém pode ser ajustado para produzir um plasma transversal/radial ou axialmente estável. Com os propósitos da modalidade apresentada no presente documento, o campo de equilíbrio é sintonizado para produzir um plasma de FRC transversal/radialmente estável 520. Conforme observado acima, isso resulta em instabilidade axial e, dessa forma, deslocamento axial do plasma de FRC 520 em uma direção de deslocamento axial 524. Visto que o plasma de FRC 520 se move axialmente, o mesmo induz as correntes 514 e 516 que são antisimétricas, ou seja, em direções contrárias nas paredes da câmara de confinamento 100 em cada lado do plano intermediário da câmara de confinamento 100. O plasma de FRC 520 induzirá esses tipos de componentes atuais tanto no recipiente como nas bobinas externas. Estes componentes de corrente antissimétrica 514 e 516 produzem um campo radial que interage com a corrente de plasma toroidal 522 para produzir uma força que se opõe ao movimento do plasma de FRC 520, e o resultado desta força é que retarda os deslocamentos axiais do plasma. Essas correntes 514 e 516 se dissipam gradualmente com o tempo, devido à resistividade da câmara de confinamento 100.
[0135]As bobinas de campo radial 530 e 531 dispostas em torno da câmara de confinamento 100 em cada lado do plano intermediário fornecem componentes de campo radial adicionais que se devem às correntes 532 e 534 induzidas em direções contrárias nas bobinas 530 e 531. As bobinas de campo radial 530 e 531 podem compreender um conjunto de bobinas axissimétricas que podem ser posicionadas dentro ou fora do recipiente de contenção 100. As bobinas radiais 530 e 531 são mostradas posicionadas fora do recipiente de contenção 100 similarmente às bobinas de corrente quase contínua 412 (consultar as Figuras 2, 3A, 3D e 3E). Cada uma das bobinas 530 e 531, ou conjuntos de bobinas, pode conduzir uma corrente diferente das bobinas no lado oposto do plano intermediário, porém as correntes são antissimétricas em relação ao plano intermediário do recipiente de contenção 100 e produzir uma estrutura de campo magnético com Bz / 0, Br = 0 ao longo do plano intermediário. As bobinas de campo radial 530 e 531 criam um componente de campo radial suplementar que interage com a corrente de plasma toroidal 522 para produzir uma força axial. A força axial por sua vez move o plasma de volta para o plano intermediário da câmara de confinamento 100.
[0136]O mecanismo de controle 510 inclui um sistema de controle configurado para atuar sobre a corrente da bobina de campo radial para restabelecer rapidamente a posição do plasma em direção ao plano intermediário, minimizando ao mesmo tempo a ultrapassagem e/ou oscilações em torno do plano intermediário da máquina. O sistema de controle inclui um processador operacionalmente acoplado às bobinas de campo radial 530 e 531, às bobinas de corrente quase contínua 412, suas respectivas fontes de alimentação e outros componentes como, por exemplo, sensores magnéticos, fornecendo medições de posição de plasma, velocidade de plasma e corrente de bobina ativa. O processador pode ser configurado para realizar os cálculos e análises descritos no presente pedido e pode incluir ou ser comunicativamente acoplado a uma ou mais memórias incluindo meio legível por computador não transitório. O mesmo pode incluir um sistema baseado em processador ou microprocessador, incluindo sistemas que utilizam microcontroladores, computadores com conjuntos de instruções reduzidos (RISC), circuitos integrados para aplicação específica (ASICs), circuitos lógicos e qualquer outro circuito ou processador capaz de executar as funções descritas no presente documento. Os exemplos acima são apenas exemplificativos e, dessa forma, não pretendem limitar de forma alguma a definição e/ou significado do termo “processador” ou “computador”.
[0137]Funções do processador podem ser implementadas usando rotinas de software, componentes de hardware ou combinações dos mesmos. Os componentes de hardware podem ser implementados usando uma variedade de tecnologias, incluindo, por exemplo, circuitos integrados ou componentes eletrônicos discretos. A unidade de processador tipicamente inclui um dispositivo de armazenamento de memória legível/gravável e tipicamente também inclui o hardware e/ou software para gravar e/ou ler o dispositivo de armazenamento de memória.
[0138]O processador pode incluir um dispositivo de computação, um dispositivo de entrada, uma unidade de exibição e uma interface, por exemplo, para acessar a Internet. O computador ou processador pode incluir um microprocessador. O microprocessador pode ser conectado a um barramento de comunicação. O computador ou processador também pode incluir uma memória. A memória pode incluir Memória de Acesso Aleatório (RAM) e Memória de Leitura (ROM). O computador ou processador também pode incluir um dispositivo de armazenamento, que pode ser uma unidade de disco rígido ou uma unidade de armazenamento removível como uma unidade de disquete, unidade de disco óptico e similares. O dispositivo de armazenamento também pode ser outro meio similar para carregar programas de computador ou outras instruções no computador ou processador.
[0139]O processador executa um conjunto de instruções que são armazenadas em um ou mais elementos de armazenamento, para processar dados de entrada. Os elementos para armazenamento também podem armazenar dados ou outras informações, conforme desejado ou necessário. O elemento de armazenamento pode estar sob a forma de uma fonte de informações ou um elemento de memória física dentro de uma máquina de processamento.
[0140]O problema de controlar a posição de uma configuração de FRC axialmente estável ou instável usando os atuadores de bobina de campo radial é resolvido usando uma ramificação da teoria de controle não linear conhecida como controle de modo deslizante. Uma função linear de estados do sistema (a superfície de deslizamento) atua como o sinal de erro com o comportamento assintoticamente estável (deslizante) desejado. A superfície deslizante é projetada usando a teoria de Liapunov para exibir estabilidade assintótica em uma ampla gama de parâmetros dinâmicos de FRC. O esquema de controle proposto pode então ser usado tanto para plasmas axialmente estáveis quanto instáveis sem a necessidade de reajustar os parâmetros usados na superfície deslizante. Esta propriedade é vantajosa pois, como mencionado anteriormente, o equilíbrio pode ter que transitar entre equilíbrios axialmente estáveis e axialmente instáveis em diferentes fases da descarga de FRC.
[0141]A configuração do esquema de controle 500 é mostrada na Figura 28. O filtro passa-baixa restringe as frequências de comutação dentro da largura de banda de controle desejada. Um laço de controle digital que exige amostragem e transmissão de sinal com um atraso de amostragem é assumido. O sinal de erro (a superfície deslizante) é uma combinação linear da corrente de bobina, posição de plasma e velocidade de plasma. A posição de plasma e a velocidade de plasma são obtidas a partir de medições magnéticas externas. As correntes nos sistemas de bobina ativos podem ser medidas por métodos padrão.
[0142]As correntes de bobina e posição de plasma são necessárias para implementar o controle de posição. É necessário que a velocidade de plasma aprimore o desempenho, porém é opcional. Uma função não linear deste sinal de erro (lei de controle de retransmissão) gera níveis de tensão distintos para cada par de fontes de alimentação conectadas a bobinas simétricas de plano intermediário. As bobinas simétricas de plano intermediário são alimentadas com tensões de retransmissão de mesma intensidade, porém sinal oposto. Isso cria um componente de campo radial para restaurar a posição do plasma em direção ao plano intermediário.
[0143]Para demonstrar a viabilidade do esquema de controle, um modelo de plasma rígido é usado para simular a dinâmica do plasma. O modelo utiliza uma geometria de ímã. A distribuição da corrente de plasma corresponde a equilíbrios axialmente instáveis com um tempo de crescimento de 2ms quando apenas o plasma e o recipiente forem considerados. Supõe-se que as fontes de alimentação trabalhem com níveis de tensão distintos, tipicamente em etapas de 800 V.
[0144]A Figura 29 mostra várias simulações de controle de plasma que destacam a relação entre as tensões aplicadas às bobinas e os tempos de ajuste de posição de plasma, juntamente com a corrente de pico da bobina e as taxas de elevação necessárias para retornar ao plano intermediário um plasma que foi deslocado axialmente em 20cm. Esses exemplos de simulação de controle de posição axial de modo deslizante são executados em 0,3 T usando quatro pares de bobinas de apara externas. Quatro casos são mostrados correspondendo a fontes de alimentação com níveis de tensão distintos em etapas de 200 V (quadrado sólido), 400V (círculo sólido), 800 V (triângulo sólido) e 1600 V (quadrado oco). Para todos os quatro casos, a largura de banda de controle é de 16 kHz e a frequência de amostragem é de 32 kHz. A posição de plasma (figura superior), a corrente no par de bobinas mais externo (meio) e a taxa de elevação de corrente de bobina (inferior) são mostradas. Permite-se que o deslocamento de plasma cresça de forma instável até atingir 20cm. Nesse ponto, o controle de realimentação é aplicado.
[0145]Os resultados da simulação indicam que: 1. Para retornar o plasma ao plano intermediário dentro de 5ms (traços quadrados sólidos), a taxa de elevação de 0,5MA/s é suficiente, exigindo uma fonte de alimentação de 200V. 2. Para retornar o plasma ao plano intermediário dentro de 2.3ms (traços circulares sólidos), a taxa de elevação de 1MA/s é suficiente, exigindo uma fonte de alimentação de 400 V. 3. Para retornar o plasma ao plano intermediário dentro de 1.3ms (traços triangulares sólidos), a taxa de elevação de 2MA/s é suficiente, exigindo uma fonte de alimentação de 800 V. 4. Para retornar o plasma ao plano intermediário dentro de 1.0ms (traços quadrados ocos), a taxa de elevação de 4MA/s é suficiente, exigindo uma fonte de alimentação de 1600 V.
[0146]As correntes de pico para todas as bobinas de apara para o terceiro caso estudado acima (o caso da taxa de elevação de 2MA/s) também são mostradas na Figura 30 como função da posição da bobina de apara. Os exemplos de simulação de controle de posição axial em modo deslizante são executados em 0,3 T usando quatro pares de bobinas de apara externas usando uma fonte de alimentação com três níveis (+ 800V, 0, -800V), uma largura de banda de controle de 16kHz e uma taxa de amostragem de 32kHz. Para retornar o plasma ao plano intermediário dentro de 1.3ms, a taxa de elevação de 2MA/s é necessária. A corrente de pico necessária em todos os pares de bobinas é menor que 1,5kA. A frequência de comutação real necessária (cerca de 2kHz) está bem abaixo da largura de banda do sistema de controle
[0147]O sistema de controle também pode ser implementado em uma superfície alvo que é a função da corrente da bobina e da velocidade do plasma individualmente, sem a posição do plasma. Neste caso, o circuito de controle de posição axial fornece apenas a estabilização da dinâmica axial, porém não o controle. Isso significa que o plasma está em uma situação metaestável e pode se mover lentamente ao longo de seu eixo. O controle de posição é, então, fornecido usando um ciclo de realimentação adicional que controla as lacunas de plasma entre a separatriz de plasma e o recipiente, portanto, o mesmo executa o formato do plasma e o controle de posição simultaneamente.
[0148]Outro dispositivo de confinamento de plasma em que sistemas de controle similares são usados é o tokamak. Para manter o confinamento do plasma, a corrente de plasma em um tokamak deve ser mantida entre um limite inferior e um superior que são aproximadamente proporcionais à densidade do plasma e ao campo toroidal, respectivamente. Para operar à alta densidade de plasma, a corrente de plasma deve ser aumentada. Ao mesmo tempo, o campo poloidal deve ser mantido o mais baixo possível, de modo que o fator de segurança q esteja acima de q=2. Isto é obtido alongando-se o plasma ao longo da direção do eixo da máquina, permitindo ajustar a grande corrente de plasma (e, portanto, permitindo alta densidade de plasma) sem aumentar o campo magnético de limite acima de seus limites de segurança. Esses plasmas alongados são instáveis ao longo da direção do eixo da máquina (conhecidos como tokamak como a direção vertical), e também exigem mecanismos de estabilização de plasma. O controle vertical da posição do plasma nos tokamaks também é restaurado usando um conjunto de bobinas de campo radial, de modo que se assemelhe muito ao problema de controle de posição da RFC. Entretanto, as razões para exigir estabilização em um tokamak e uma FRC são diferentes. Em um tokamak, a instabilidade vertical do plasma é uma penalidade a ser paga para operar em uma grande corrente de plasma, o que exige alongamento de plasma para operar com campo toroidal alto. No caso da FRC, a instabilidade do plasma é uma penalidade a ser paga para se obter estabilidade transversal. Tokamaks têm campo toroidal que estabiliza a configuração, então os mesmos não precisam de estabilização transversal.
[0149]De acordo com uma modalidade da presente revelação, um método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreende formar uma FRC em torno de um plasma em uma câmara de confinamento, e injetar uma pluralidade de feixes neutros no plasma de FRC enquanto sintoniza as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros entre a energia de primeiro feixe e a energia de segundo feixe, em que a energia de segundo feixe difere da energia do primeiro feixe.
[0150]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a energia de segundo feixe é mais alta que a energia de primeiro feixe.
[0151]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a pluralidade de feixes neutros alterna entre as energias do primeiro e segundo feixe durante a duração de um ciclo de injeção.
[0152]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, as energias de primeiro e segundo feixes estão na faixa de cerca de 15 a 40 keV.
[0153]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente controlar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros por um sinal de realimentação recebido de um sistema de controle de plasma de realimentação ativa.
[0154]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente controlar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros por um sinal de realimentação recebido de um sistema de controle de plasma de realimentação ativa.
[0155]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, controlar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros inclui ajustar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros para ajustar o perfil de deposição de potência de feixe radial para ajustar o valor de gradiente de pressão.
[0156]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método inclui, ainda, manter a FRC em ou em torno de um valor constante sem decaimento e elevar a temperatura do plasma para acima de cerca de 1,0 keV injetando feixes de átomos neutros rápidos de injetores de feixes neutros no plasma de FRC em um ângulo em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento.
[0157]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a elevação da temperatura de plasma inclui elevar a temperatura de cerca de 1,0 keV a cerca de 3,0 keV.
[0158]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a elevação da temperatura de plasma inclui elevar a temperatura de cerca de 1,0 keV a cerca de 3,0 keV.
[0159]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético dentro da câmara de confinamento com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre a câmara de confinamento e um campo magnético espelhado dentro de extremidades opostas da câmara de confinamento com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre as extremidades opostas da câmara de confinamento.
[0160]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético dentro da câmara de confinamento com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre a câmara de confinamento e um campo magnético espelhado dentro de extremidades opostas da câmara de confinamento com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre as extremidades opostas da câmara de confinamento.
[0161]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a formação da FRC inclui formar uma FRC de formação em primeira e segunda seções de formação acopladas à câmara de confinamento e acelerar a FRC de formação a partir da primeira e segunda seções de formação em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento em que as duas FRCs de formação se mesclam para formar a FRC.
[0162]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a formação da FRC inclui uma dentre formar uma FRC de formação enquanto acelera a FRC de formação em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento e formar uma FRC de formação, então, acelerar a FRC de formação em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento.
[0163]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a aceleração da FRC de formação a partir da primeira e segunda seções de formação em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento inclui passar a FRC de formação a partir da primeira e segunda seções de formação através do primeiro e segundo diversores internos acoplados a extremidades opostas da câmara de confinamento interpondo a câmara de confinamento e a primeira e segunda seções de formação.
[0164]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a passagem da FRC de formação a partir da primeira e segunda seções de formação através do primeiro e segundo diversores internos inclui inativar o primeiro e o segundo diversores internos à medida que a FRC de formação a partir da primeira e segunda seções de formação passa através do primeiro e segundo diversores internos.
[0165]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente guiar as superfícies de fluxo magnético da FRC dentro do primeiro e segundo diversores internos.
[0166]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente guiar as superfícies de fluxo magnético da FRC dentro do primeiro e segundo diversores externos acoplados às extremidades das seções de formação.
[0167]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético dentro das seções de formação e o primeiro e o segundo diversores externos com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre as seções de formação e diversores.
[0168]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético dentro das seções de formação e o primeiro e segundo diversores internos com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre as seções de formação e diversores.
[0169]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético espelhado entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e o segundo diversores externos com bobinas de corrente quase contínua.
[0170]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético d plugue de espelho dentro de uma constrição entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e o segundo diversores externos com bobinas de plugue de espelho de corrente quase contínua estendendo-se sobre a constrição entre as seções de formação e os diversores.
[0171]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um campo magnético espelhado entre a câmara de confinamento e o primeiro e o segundo diversores internos com bobinas espelhadas de corrente quase contínua e gerar um campo magnético de estrangulamento entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e segundo diversores internos com bobinas de estrangulamento de baixo perfil de corrente quase contínua.
[0172]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente gerar um dentre um campo de dipolo magnético e um campo de quadrupolo magnético dentro da câmara com bobinas tipo sela acopladas à câmara.
[0173]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente condicionar as superfícies internas da câmara e as superfícies internas de primeira e segunda seções de formação, o primeiro e segundo diversores interpondo a câmara de confinamento e a primeira e segunda seções de formação, e primeiro e segundo diversores externos acoplados à primeira e segunda seções de formação com um sistema de gettering.
[0174]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema de gettering inclui um dentre um sistema de deposição de Titânio e um sistema de deposição de Lítio.
[0175]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente injetar axialmente o plasma na FRC a partir de pistolas de plasma axialmente montadas.
[0176]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda da FRC.
[0177]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o controle do perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda da FRC inclui aplicar uma distribuição de potencial elétrico a um grupo de superfícies de fluxo aberto da FRC com eletrodos de polarização.
[0178]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente estabilizar o plasma de FRC em uma direção radial normal a um eixo longitudinal da câmara de confinamento para posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno do eixo longitudinal e em uma direção axial ao longo do eixo longitudinal para posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno de um plano intermediário da câmara de confinamento.
[0179]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente a etapa de gerar um campo magnético aplicado dentro da câmara com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre a câmara.
[0180]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método que compreende adicionalmente estabilizar o plasma de FRC na direção radial inclui sintonizar o campo magnético aplicado para induzir a estabilidade radial e a instabilidade axial no plasma de FRC.
[0181]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, estabilizar axialmente o plasma de FRC inclui criar o primeiro e o segundo campos magnéticos radiais, em que o primeiro e o segundo campos magnéticos radiais interagem com a FRC para mover axialmente o plasma de FRC de modo a posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno do plano intermediário.
[0182]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o método compreende adicionalmente injetar plasmas toroidais compactos (CT) do primeiro e segundo injetores CT no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano intermediário da câmara de confinamento.
[0183]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, um sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) que compreende: uma câmara de confinamento; primeira e segunda seções de formação de FRC diametralmente opostas acopladas ao primeiro e segundo diversores internos diametralmente opostos; primeiro e segundo diversores acoplados à primeira e segunda seções de formação; uma ou mais de uma pluralidade de pistolas de plasma, um ou mais eletrodos de polarização e primeiro e segundo plugues de espelho, em que a pluralidade de pistolas de plasma inclui a primeira e segunda pistolas de plasma axial operacionalmente acopladas ao primeiro e segundo diversores, primeira e segunda seções de formação e a câmara de confinamento, em que um ou mais eletrodos de polarização estão posicionados dentro de uma ou mais dentre a câmara de confinamento, a primeira e segunda seções de formação, e o primeiro e segundo divesores externos, e em que o primeiro e segundo plugues de espelho se posicionam entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e segundo diversores; um sistema de gettering acoplado à câmara de confinamento e ao primeiro e segundo diversores; uma pluralidade de injetores de feixe de átomos neutros acoplados à câmara de confinamento e angulados em direção a um plano intermediário da câmara de confinamento, em que um ou mais dentre a pluralidade de injetores de feixe de átomos neutros são sintonizáveis entre uma energia de primeiro feixe e uma energia de segundo feixe, em que a energia do segundo feixe difere da energia do primeiro feixe; e um sistema magnético que compreende uma pluralidade de bobinas de corrente quase contínua posicionadas em torno da câmara de confinamento, a primeira e segunda seções de formação, e o primeiro e segundo diversores, e o primeiro e segundo conjunto de bobinas espelhadas quase continuas posicionadas entre a primeira e segunda seções de formação e o primeiro e segundo diversores.
[0184]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a energia de segundo feixe é mais alta que a energia de primeiro feixe.
[0185]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a pluralidade de feixes neutros é configurada para alternar entre as energias do primeiro e segundo feixe durante a duração de um ciclo de injeção.
[0186]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, as energias de primeiro e segundo feixes estão na faixa de cerca de 15 a 40 keV.
[0187]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema que compreende adicionalmente um sistema de controle de plasma de realimentação ativa configurado para controlar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros.
[0188]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema é configurado para gerar uma FRC e manter a FRC sem decaimento enquanto os feixes neutros são injetados no plasma e elevam a temperatura do plasma para cerca de 1,0 keV a 3,0 keV.
[0189]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o primeiro e segundo diversores compreendem o primeiro e segundo diversores internos interpondo a primeira e segunda seções de formação e a câmara de confinamento, e compreendem o primeiro e segundo diversores externos acoplados à primeira e segunda seções de formação, em que a primeira e segunda seções de formação interpõem o primeiro e segundo diversores internos e o primeiro e segundo diversores externos.
[0190]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema compreende adicionalmente a primeira e segunda pistolas de plasma axial operacionalmente acopladas ao primeiro e segundo diversores internos e externos, a primeira e segunda seções de formação e a câmara de confinamento.
[0191]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema compreende adicionalmente duas ou mais bobinas do tipo sela acopladas à câmara de confinamento.
[0192]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, a seção de formação compreende sistemas de formação modularizados para gerar uma FRC e transferir os mesmos em direção a um plano intermediário da câmara de confinamento.
[0193]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, os eletrodos de polarização incluem um ou mais eletrodos pontuais posicionados dentro da câmara de contenção para contatar linhas de campo aberto, um conjunto de eletrodos anulares entre a câmara de confinamento e a primeira e segunda seções de formação para carregar camadas de fluxo de borda distante de maneira azimutalmente simétrica, uma pluralidade de eletrodos empilhados concêntricos posicionados no primeiro e segundo diversores para carregar múltiplas camadas de fluxo concêntrico, e ânodos das pistolas de plasma para interceptar o fluxo aberto.
[0194]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema compreende adicionalmente um sistema de controle operacionalmente acoplado às bobinas de corrente quase contínua e a primeira e segunda bobinas de campo magnético radial, sendo que o sistema de controle inclui um processador acoplado a uma memória não transitória que compreende uma pluralidade de instruções que, quando executadas, fazem com que o processador ajuste o campo magnético gerado pela pluralidade de bobinas de corrente quase contínua e a primeira e segunda bobinas de campo radial para estabilizar um plasma de FRC em uma direção radial normal a um eixo longitudinal da câmara para posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno do eixo longitudinal e em uma direção axial ao longo do eixo longitudinal para posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno do plano intermediário.
[0195]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema, é configurado para gerar um FRC e manter a FRC em ou em torno de um valor constante sem decaimento enquanto os feixes de átomos neutros são injetados na FRC.
[0196]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o primeiro e segundo campos magnéticos radiais são antissimétricos sobre o plano intermediário.
[0197]De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, o sistema compreende adicionalmente primeiro e segundo injetores toroidais compactos (CT) acoplados à câmara de confinamento em um ângulo em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento, em que o primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano intermediário da câmara de confinamento.
[0198]Entretanto, os exemplos de modalidades fornecidos no presente documento são meramente destinados como exemplos ilustrativos e não devem ser limitativos de forma alguma.
[0199]Todas as características, elementos, componentes, funções e etapas descritos em relação a qualquer modalidade fornecida no presente documento destinam-se a ser livremente combináveis e substituíveis com os de qualquer outra modalidade. Se uma determinada característica, elemento, componente, função ou etapa for descrito em relação a apenas uma modalidade, então, deve ser entendido que essa característica, elemento, componente, função ou etapa pode ser usado com todas as outras modalidades descritas no presente documento exceto onde explicitamente indicado em contrário. Portanto, este parágrafo serve como base antecedente e suporte escrito para a introdução de reivindicações, a qualquer momento, que combinam características, elementos, componentes, funções e etapas de diferentes modalidades, ou que substituem características, elementos, componentes, funções e etapas de uma modalidade com as de outra, mesmo que a descrição a seguir não indique explicitamente, em um caso específico, que tais combinações ou substituições são possíveis. A menção expressa de todas as combinações e substituições possíveis é excessivamente onerosa, especialmente dado que a permissibilidade de cada uma destas combinações e substituições será prontamente reconhecida pelos versados na técnica mediante a leitura desta descrição.
[0200]Em muitos casos, as entidades são descritas no presente documento como sendo acopladas a outras entidades. Deve ser entendido que os termos “acoplado” e “conectado” (ou qualquer uma de suas formas) são usados de forma intercambiável no presente documento e, em ambos os casos, são genéricos para o acoplamento direto de duas entidades (sem quaisquer entidades intervenientes não insignificantes (por exemplo, parasíticas) e o acoplamento indireto de duas entidades (com uma ou mais entidades intervenientes não insignificantes). Quando as entidades forem mostradas como sendo diretamente acopladas, ou descritas como acopladas juntas, sem a descrição de qualquer entidade interveniente, deve ser entendido que essas entidades também podem ser indiretamente acopladas em conjunto, exceto onde o contexto ditar claramente em contrário.
[0201]Embora as modalidades sejam susceptíveis a várias modificações e formas alternativas, exemplos específicos dos mesmos foram mostrados nos desenhos e são descritos em detalhes no presente documento. Deve ser entendido, no entanto, que essas modalidades não devem ser limitadas à forma específica revelada, porém, pelo contrário, essas modalidades devem abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas que estão dentro do espírito da presente revelação. Além disso, quaisquer características, funções, etapas ou elementos das mencionados podem ser citados ou adicionados às reivindicações, bem como limitações negativas que definem o escopo inventivo das reivindicações por características, funções, etapas ou elementos que não estão dentro daquele escopo.

Claims (19)

1. Método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreendendo as etapas de: formar um plasma de FRC dentro de uma câmara de confinamento (100), através da formação de um campo magnético de FRC sobre um plasma na câmara de confinamento (100); injetar uma pluralidade de feixes neutros no plasma de FRC a partir de uma pluralidade de injetores de feixe neutro (600) acoplados na câmara de confinamento (100), CARACTERIZADO pelo fato de que um ou mais da pluralidade de injetores de feixe neutro (600) são ajustáveis entre uma energia de primeiro feixe e uma energia de segundo feixe, em que a energia de segundo feixe difere da energia de primeiro feixe, em que a energia de segundo feixe é mais alta que a energia de primeiro feixe, e ajustar energia de feixe de um ou mais injetores de feixe neutro ajustáveis dentre a pluralidade de injetores de feixe neutro ajustáveis entre a primeira e a segunda energias de feixe enquanto injeta um ou mais feixes neutros dentre a pluralidade de feixes neutros a partir do um ou mais injetores de feixe neutro ajustáveis dentre a pluralidade de injetores de feixe neutro ajustáveis no plasma FRC.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente injetar plasmas toroidais compactos (CT) de primeiro e segundo injetores CT (720) no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano intermediário da câmara de confinamento (100), em que os primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano intermediário da câmara de confinamento (100).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as energias de primeiro e segundo feixes estão na faixa de 15 a 40 keV.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de controlar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros por um sinal de realimentação recebido a partir de um sistema de controle de plasma de realimentação ativa.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de controlar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros inclui ajustar as energias de feixe da pluralidade de feixes neutros para ajustar perfis de deposição de potência de feixe radial para ajustar valores de gradiente de pressão da pluralidade de feixes neutros.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui adicionalmente manter o plasma de FRC em ou em torno de um valor constante sem decaimento e elevar a temperatura de plasma para acima de cerca de 1,0 keV injetando feixes de átomos neutros rápidos a partir de injetores de feixes neutros no plasma de FRC em um ângulo em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento (100).
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de elevar a temperatura de plasma inclui elevar a temperatura de cerca de 1,0 keV a cerca de 3,0 keV.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de formar o plasma de FRC inclui formar um plasma de FRC de formação em primeira e segunda seções de formação (200) opostas acopladas à câmara de confinamento (100) e acelerar o plasma de FRC de formação a partir das primeira e segunda seções de formação (200) em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento (100) onde os dois plasma de FRC de formação se mesclam para formar o plasma de FRC.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de acelerar o plasma de FRC de formação a partir das primeira e segunda seções de formação (200) em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento (100) inclui passar o plasma de FRC de formação a partir das primeira e segunda seções de formação (200) através dos primeiro e segundo diversores internos (302) acoplados a extremidades opostas da câmara de confinamento (100) interpondo a câmara de confinamento (100) e as primeira e segunda seções de formação (200).
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de passar o plasma de FRC de formação a partir das primeira e segunda seções de formação (200) através dos primeiro e segundo diversores internos (302) inclui inativar os primeiro e segundo diversores internos (302) à medida que o plasma de FRC de formação a partir das primeira e segunda seções de formação (200) passa através dos primeiro e segundo diversores internos (302).
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de guiar superfícies de fluxo magnético da FRC dentro dos primeiro e segundo diversores internos (302).
12. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de gerar um dentre um campo de dipolo magnético e um campo de quadrupolo magnético dentro da câmara com bobinas tipo sela (460) acopladas à câmara.
13. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de condicionar as superfícies internas da câmara e as superfícies internas de primeira e segunda seções de formação (200), primeiro e segundo diversores interpondo a câmara de confinamento (100) e as primeira e segunda seções de formação (200), e primeiro e segundo diversores externos (300) acoplados às primeira e segunda seções de formação (200) com um sistema de gettering.
14. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda do plasma de FRC.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda do plasma de FRC inclui aplicar uma distribuição de potencial elétrico a um grupo de superfícies de fluxo aberto (452) do plasma de FRC com eletrodos de polarização (900, 905, 910, 920).
16. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de estabilizar o plasma de FRC em uma direção radial normal a um eixo longitudinal da câmara de confinamento (100) para posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno do eixo longitudinal e em uma direção axial ao longo do eixo longitudinal para posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno de um plano intermediário da câmara de confinamento (100).
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de gerar um campo magnético aplicado dentro da câmara com bobinas de corrente quase contínua estendendo-se sobre a câmara.
18. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de estabilizar o plasma de FRC na direção radial inclui sintonizar o campo magnético aplicado para induzir estabilidade radial e instabilidade axial no plasma de FRC.
19. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de estabilizar axialmente o plasma de FRC inclui criar primeiro e segundo campos magnéticos radiais, em que os primeiro e segundo campos magnéticos radiais interagem com a FRC para mover axialmente o plasma de FRC de modo a posicionar o plasma de FRC axissimétrico em torno do plano intermediário.
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