BR112019009744B1 - SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND MAINTAINING A MAGNETIC FIELD WITH A REVERSE FIELD CONFIGURATION (FRC) - Google Patents

SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND MAINTAINING A MAGNETIC FIELD WITH A REVERSE FIELD CONFIGURATION (FRC) Download PDF

Info

Publication number
BR112019009744B1
BR112019009744B1 BR112019009744-9A BR112019009744A BR112019009744B1 BR 112019009744 B1 BR112019009744 B1 BR 112019009744B1 BR 112019009744 A BR112019009744 A BR 112019009744A BR 112019009744 B1 BR112019009744 B1 BR 112019009744B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
frc
plasma
confinement chamber
confinement
divertors
Prior art date
Application number
BR112019009744-9A
Other languages
Portuguese (pt)
Other versions
BR112019009744A2 (en
Inventor
Xiaokang Yang
Original Assignee
Tae Technologies, Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tae Technologies, Inc filed Critical Tae Technologies, Inc
Priority claimed from PCT/US2017/061860 external-priority patent/WO2018093941A1/en
Publication of BR112019009744A2 publication Critical patent/BR112019009744A2/en
Publication of BR112019009744B1 publication Critical patent/BR112019009744B1/en

Links

Abstract

A presente invenção se refere a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com estabilidade superior, assim como confinamento de partículas, energia e fluxo e, mais particularmente, sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com elevadas energias do sistema e melhor sustentação utilizando injeção de feixe neutro e aquecimento de elétron de onda rápida de alta harmônica.The present invention relates to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with superior stability, as well as particle confinement, energy and flow and, more particularly, systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with high energy energies. system and improved lift utilizing neutral beam injection and high harmonic fast wave electron heating.

Description

CAMPO DA TÉCNICAFIELD OF TECHNIQUE

[001] As modalidades aqui descritas referem-se geralmente 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 o aquecimento de elétrons de onda rápida de harmônicos altos em FRCs.[001] The embodiments described herein generally relate to magnetic plasma confinement systems having a field-reverse configuration (FRC) and, more particularly, to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with superior stability as well as confinement. of particles, energy and flow and, more particularly, to systems and methods that facilitate the heating of high harmonic fast wave electrons in FRCs.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOBASICS OF THE INVENTION

[002] A configuração de campo reverso (FRC) pertence a uma classe de topologias de confinamento de plasma magnético conhecido como toróides compactos (CT). A FRC exibe predominantemente campos magnéticos poloidais e possui zero ou pequenos campos toroidais autogerados (ver M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). As atrações de tal configuração são sua geometria simples para facilidade de construção e manutenção, um desviador irrestrito natural para facilitar a extração de energia e remoção de cinzas, e β muito alto (β é a relação entre a pressão média do plasma e a pressão média do campo magnético dentro da FRC), ou seja, alta densidade de potência. A alta natureza β é vantajosa para a operação econômica e para o uso de combustíveis aneutrônicos avançados, como D-He3 e p-B11.[002] The field reverse configuration (FRC) belongs to a class of magnetic plasma confinement topologies known as compact toroids (CT). The FRC exhibits predominantly poloidal magnetic fields and has zero or small self-generated toroidal fields (see M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). The attractions of such a configuration are its simple geometry for ease of construction and maintenance, a natural unrestricted diverter to facilitate energy extraction and ash removal, and very high β (β is the ratio of mean plasma pressure to mean of the magnetic field within the FRC), i.e. high power density. The high β nature is advantageous for economical operation and the use of advanced aneutronic fuels such as D-He3 and p-B11.

[003] O método tradicional de formação de uma CRF usa a tecnologia ”pinch” θ (ou tecnologia do ponto de estrangulamento) invertida em campo, produzindo plasmas quentes de alta densidade (ver A. L. Hoffman e J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Uma variação disso é o método de aprisionamento de translação, no qual o plasma criado em uma “fonte” de “theta-pinch” é mais ou menos imediatamente ejetado de uma extremidade para uma câmara de confinamento. O plasmoide de translação é então preso entre dois espelhos fortes nas extremidades da câmara (ver, por exemplo, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto e S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Uma vez na câmara de confinamento, vários métodos de aquecimento e acionamento de corrente podem ser aplicados como injeção de feixe (neutro ou neutralizado), campos magnéticos giratórios, RF ou aquecimento ôhmico etc. Esta separação das funções de fonte e confinamento oferece vantagens de engenharia para reatores de fusão futura potencial. As FRCs provaram ser extremamente robustas, resilientes à formação dinâmica, translação e eventos de captura violenta. Além disso, mostram uma tendência para assumir um estado de plasma preferido (ver, por exemplo, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller e L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). Houve progresso significativo na última década no desenvolvimento de outros métodos de formação: fundindo O método tradicional de formação de uma CRF usa a tecnologia □”pinch” (ou tecnologia do ponto de estrangulamento) invertida em campo θ, produzindo plasmas quentes de alta densidade (ver A. L. Hoffman e J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Uma variação disso é o método de aprisionamento de translação, no qual o plasma criado em uma “fonte” de “theta-pinch” é mais ou menos imediatamente ejetada de uma extremidade para uma câmara de confinamento. O plasmoide de translação é então preso entre dois espelhos fortes nas extremidades da câmara (ver, por exemplo, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto e S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Uma vez na câmara de confinamento, vários métodos de aquecimento e acionamento de corrente podem ser aplicados como injeção de feixe (neutro ou neutralizado), campos magnéticos giratórios, RF ou aquecimento ôhmico etc. Esta separação das funções de fonte e confinamento oferece vantagens de engenharia para reatores de fusão futura potencial. As FRCs provaram ser extremamente robustas, resilientes à formação dinâmica, translação e eventos de captura violenta. Além disso, mostram uma tendência para assumir um estado de plasma preferido (ver, por exemplo, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller e L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). Na última década, houve progresso significativo no desenvolvimento de outros métodos de formação de FRC: fusão de sferomaks com helicidades de orientação oposta (ver, por exemplo, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama e T. Okazaki, Nucl. Fusion 39 , 2001 (1999)) e conduzindo corrente com campos magnéticos rotativos (RMF) (ver, por exemplo, IR Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), que também proporciona estabilidade adicional.[003] The traditional method of forming a CRF uses field-inverted pinch θ technology (or choke point technology), producing high-density hot plasmas (see A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). A variation of this is the translational trapping method, in which plasma created in a "theta-pinch" "source" is more or less immediately ejected from one end into a confinement chamber. The translational plasmoid is then clamped between two strong mirrors at the ends of the chamber (see, e.g., H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Once in the confinement chamber, various heating and current drive methods can be applied such as beam injection (neutral or neutralized), rotating magnetic fields, RF or ohmic heating etc. This separation of source and confinement functions offers engineering advantages for potential future fusion reactors. FRCs have proven to be extremely robust, resilient to dynamic formation, translation, and violent capture events. Furthermore, they show a tendency to assume a preferred plasma state (see, e.g., H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). There has been significant progress in the last decade in the development of other formation methods: fusion The traditional method of forming a CRF uses field-inverted pinch technology, producing high-density hot plasmas ( see A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). A variation of this is the translational trapping method, in which plasma created in a theta-pinch “source” is more or less immediately ejected from one end into a confinement chamber. The translational plasmoid is then clamped between two strong mirrors at the ends of the chamber (see, e.g., H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Once in the confinement chamber, various heating and current drive methods can be applied such as beam injection (neutral or neutralized), rotating magnetic fields, RF or ohmic heating etc. This separation of source and confinement functions offers engineering advantages for potential future fusion reactors. FRCs have proven to be extremely robust, resilient to dynamic formation, translation, and violent capture events. Furthermore, they show a tendency to assume a preferred plasma state (see, e.g., H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). In the last decade, there has been significant progress in developing other FRC formation methods: fusing spheromaks with oppositely oriented helicities (see, e.g., Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, and T. Okazaki , Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) and conducting current with rotating magnetic fields (RMF) (see, for example, IR Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), which also provides additional stability.

[004] Recentemente, a técnica de fusão de colisão, proposta há muito tempo (ver, por exemplo, DR Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)) foi significativamente desenvolvida: duas pontas theta-pinches separadas em extremidades opostas de uma câmara de confinamento geram simultaneamente dois plasmoides e aceleram os plasmoides em direção um ao outro em alta velocidade; eles então colidem no centro da câmara de confinamento e se fundem para formar uma FRC composta. Na construção e operação bem-sucedidas de um dos maiores experimentos de FRC até hoje, o método convencional de fusão de colisão produziu FRCs estáveis, de longa duração, de alto fluxo e alta temperatura (ver, por exemplo, M. Binderbauer, HY Guo, M Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010)).[004] Recently, the long-proposed collision fusion technique (see, e.g., DR Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)) has been significantly developed: two separate theta-pinches at opposite ends of a confinement chamber simultaneously generates two plasmoids and accelerates the plasmoids towards each other at high speed; they then collide in the center of the confinement chamber and fuse to form a composite FRC. In the successful construction and operation of one of the largest FRC experiments to date, the conventional collision fusion method produced stable, long-lived, high-flow, high-temperature FRCs (see, e.g., M. Binderbauer, H.Y. Guo , M Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010)).

[005] As FRCs consistem em um tórulo de linhas de campo fechadas dentro de uma separatriz, e de uma camada de borda anular nas linhas de campo aberto fora da separatriz. A camada de borda se aglutina em jatos além do comprimento da FRC, fornecendo um divertor natural. A topologia FRC coincide com a de um plasma de Espelho Revertido de Campo. No entanto, uma diferença significativa é que o plasma de FRC tem um β de cerca de 10. O campo magnético interno baixo inerente proporciona uma determinada população de partículas cinéticas inerentes, isto é, partículas com grandes raios de larmor, comparáveis ao raio menor da FRC. São estes fortes efeitos cinéticos que parecem contribuir, pelo menos parcialmente, para a estabilidade total das FRCs passadas e presentes, como as produzidas no experimento de fusão de colisões.[005] FRCs consist of a torule of closed field lines within a separatrix, and an annular edge layer on the open field lines outside the separatrix. The edge layer coalesces into jets beyond the length of the FRC, providing a natural divertor. The FRC topology coincides with that of a Field Reversed Mirror plasma. However, a significant difference is that the FRC plasma has a β of about 10. The inherent low internal magnetic field provides a certain population of inherent kinetic particles, that is, particles with large larmor radii, comparable to the smaller radius of the FRC. It is these strong kinetic effects that appear to contribute, at least partially, to the overall stability of past and present FRCs, such as those produced in the collision fusion experiment.

[006] Experimentos passados da FRC tendiam a ser 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 tanto fechadas quanto abertas. O tempo de difusão de partículas fora das escalas separatrizes como T± ~ a2/D± (a ~ rs/4, onde rs é o raio de separatriz central) e D± é uma característica de difusividade FRC tal como D± ~ 12.5 pie, com pie representando os raios de giro e íon, avaliado em um campo magnético aplicado externamente. O tempo de confinamento de partículas da camada de borda TH é essencialmente um tempo de trânsito axial em experimentos passados de FRC. No estado estacionário, o equilíbrio entre as perdas radial e axial das partículas produz um comprimento de gradiente de densidade separatriz δ ~ (D±TII)1/2 As escalas do tempo de confinamento da partícula FRC (T±TII)1/2 para FRCs anteriores que possuem densidade substancial na separatriz (ver, por exemplo, M. TUSZEWSKI, “Configurações de Campo Reverso”, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)).[006] Past FRC experiments tended to be dominated by convective losses with energy confinement largely determined by particle transport. Particles diffuse mainly radially out of the separatrix volume and are then lost axially into the edge layer. Consequently, FRC confinement depends on the properties of both closed and open field line regions. The particle diffusion time outside the separatrix scales as T± ~ a2/D± (a ~ rs/4, where rs is the central separatrix radius) and D± is an FRC diffusivity characteristic such as D± ~ 12.5 pie , with pie representing the gyration and ion radii, evaluated in an externally applied magnetic field. The TH edge layer particle confinement time is essentially an axial transit time in past FRC experiments. At steady state, the balance between particle radial and axial losses produces a separatrix density gradient length δ ~ (D±TII)1/2 The FRC particle confinement time scales (T±TII)1/2 for Previous FRCs that have substantial density in the separatrix (see, e.g., M. TUSZEWSKI, “Reverse Field Configurations,” Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)).

[007] Outra desvantagem dos projetos anteriores do sistema FRC é a falta de regimes de aquecimento de elétrons eficientes além da injeção de feixe neutro, que tende a ter baixa eficiência de aquecimento de elétrons devido ao mecanismo de amortecimento de energia nos elétrons através de colisão de íons-elétrons.[007] Another disadvantage of previous FRC system designs is the lack of efficient electron heating regimes other than neutral beam injection, which tends to have low electron heating efficiency due to the energy dampening mechanism in the electrons through collision. of electron ions.

[008] À luz do exposto, é, portanto, desejável melhorar a manutenção de FRCs, a fim de usar FRCs em regime permanente com sistemas de energia elevados como um caminho para um núcleo de reator para a fusão de núcleos de luz para a futura geração de energia.[008] In light of the foregoing, it is therefore desirable to improve the maintenance of FRCs in order to use steady-state FRCs with high power systems as a pathway to a reactor core for the fusion of light cores for future power generation.

SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION

[009] As modalidades aqui fornecidas são dirigidas a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com estabilidade superior assim como partículas, energia e confinamento de fluxo e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com sistema elevado de energias e melhoria da sustentação e, mais particularmente, a sistemas e métodos que facilitam o aquecimento de elétrons de ondas rápidas de harmônicos altos em FRCs. De acordo com uma modalidade da presente divulgação, a um método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreendendo a formação de uma FRC em torno de um plasma numa câmara de confinamento, injetando uma pluralidade de feixes neutros no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento e lançamento de ondas rápidas de harmônicos altos em faixas de radiofrequência no plasma de FRC para aquecimento de elétrons no núcleo do plasma de FRC.[009] The embodiments provided herein are directed to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with superior stability as well as particle, energy and flow confinement and, more particularly, to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with high system energies and improved lift and, more particularly, to systems and methods that facilitate the heating of high harmonic fast wave electrons in FRCs. According to one embodiment of the present disclosure, a method for generating and maintaining a magnetic field with a field reverse configuration (FRC) comprising forming an FRC around a plasma in a confinement chamber by injecting a plurality of neutral beams into the FRC plasma at an angle toward the midplane of the confinement chamber and launching fast high harmonic waves in radio frequency bands into the FRC plasma to heat electrons in the FRC plasma core.

[010] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método também inclui a manutenção da FRC em ou aproximadamente um valor constante sem queda e elevando a temperatura do elétron plasma para acima de aproximadamente 1,0 keV lançando ondas rápidas de harmônicos altos em faixas de radiofrequência para o plasma de FRC em um ângulo do meio através do plano da câmara de confinamento.[010] According to another embodiment of the present disclosure, the method also includes maintaining the FRC at or approximately a constant value without falling and raising the plasma electron temperature to above approximately 1.0 keV by launching fast high harmonic waves at radiofrequency bands for the FRC plasma at an angle from the middle through the plane of the confinement chamber.

[011] O aquecimento de elétrons através de ondas rápidas de harmônicos altos em faixas de radiofrequência reduz vantajosamente a perda de troca de rápida carga de íons e melhora o confinamento do plasma, assim como aumenta a eficiência do acionamento da corrente de plasma, que aumenta com a temperatura de elétron Te.[011] Heating electrons through fast high harmonic waves in radio frequency bands advantageously reduces the loss of fast ion charge exchange and improves plasma confinement, as well as increasing the efficiency of driving the plasma current, which increases with the electron temperature Te.

[012] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método também compreende a injeção de plasmas compactos toroidais (CT) a partir do primeiro e segundo injetores CT no plasma de FRC num ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores de CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano médio da câmara de confinamento.[012] According to another embodiment of the present disclosure, the method also comprises injecting compact toroidal (CT) plasmas from the first and second CT injectors into the FRC plasma at an angle toward the midplane of the confinement chamber, in that the first and second CT injectors are diametrically opposed on opposite sides of the midplane of the confinement chamber.

[013] De acordo com uma modalidade da presente divulgação, um sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreendendo uma câmara de confinamento, primeira e segunda seções de formação FRC diametralmente opostas acopladas à câmara de confinamento primeira e segunda, primeiro e segundo divertores acoplados às primeira e segunda seções de formação, uma ou mais de uma pluralidade de pistolas de plasma, um ou mais eletrodos de polarização e primeiros e segundos plugues de espelho, em que a pluralidade de pistolas de plasma inclui primeira e segunda pistolas de plasma axiais acopladas de modo operante ao primeiro e segundo divertores, as primeira e segunda seções de formação e câmara de confinamento, em que o um ou mais eletrodo de polarização estão posicionados dentro de uma ou mais câmaras de confinamento, primeira e segunda seções de formação e primeiro e segundo divertores e em que o primeiro e o segundo plugues de espelho estão posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores, um sistema de junção acoplado à câmara de confinamento e aos primeiro e segundo divertores, uma pluralidade de injetores de feixe de átomo neutro acoplada à câmara de confinamento e angulada em direção a um plano médio da câmara de confinamento, um sistema magnético compreendendo um pluralidade de bobinas quase-cc (quasi-dc) posicionada em torno da câmara de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo divertores, e primeiro e segundo conjunto de bobinas de espelho quase-cc posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeira e segunda divertores, e uma ou mais antenas acopladas à câmara de confinamento para lançar ondas rápidas de harmônicos altos em faixas de radiofrequência para aquecimento de elétrons no núcleo do plasma de FRC dentro da câmara de confinamento.[013] According to an embodiment of the present disclosure, a system for generating and maintaining a magnetic field with a field reverse configuration (FRC) comprising a confinement chamber, first and second diametrically opposed FRC forming sections coupled to the confinement chamber first and second, first and second divertors coupled to the first and second forming sections, one or more of a plurality of plasma guns, one or more polarization electrodes, and first and second mirror plugs, wherein the plurality of plasma guns includes first and second axial plasma guns operatively coupled to the first and second divertors, the first and second forming and confinement chamber sections, wherein the one or more polarization electrodes are positioned within the one or more confinement chambers, first and second forming sections and first and second divertors and wherein the first and second mirror plugs are positioned between the first and second forming sections and the first and second divertors, a joint system coupled to the confinement chamber and the first and second divertors, a plurality of neutral atom beam injectors coupled to the confinement chamber and angled toward a midplane of the confinement chamber, a magnetic system comprising a plurality of quasi-dc (quasi-dc) coils positioned at around the confinement chamber, the first and second forming sections, and the first and second divertors, and first and second sets of quasi-dc mirror coils positioned between the first and second forming sections and the first and second divertors, and one or more antennas coupled to the confinement chamber to launch fast high harmonic waves in radio frequency bands for heating electrons in the FRC plasma core within the confinement chamber.

[014] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema também compreende primeiro e segundo injetores de toróide compacto (CT) acoplados à câmara de confinamento em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano médio da câmara de confinamento.[014] According to another embodiment of the present disclosure, the system also comprises first and second compact torus (CT) injectors coupled to the confinement chamber at an angle toward the midplane of the confinement chamber, wherein the first and second CT injectors are diametrically opposed on opposite sides of the midplane of the confinement chamber.

[015] Os sistemas, métodos, características e vantagens das modalidades exemplificativas serão ou tornar-se-ão evidentes para aquele versado na técnica após análise das figuras que se seguem e descrição detalhada. Pretende-se que todos esses métodos, características e vantagens adicionais sejam incluídos nesta descrição e sejam protegidos pelas reivindicações anexas. Pretende-se também que as reivindicações não se limitem a exigir os detalhes das modalidades exemplificativas.[015] The systems, methods, characteristics and advantages of the exemplary modalities will be or will become apparent to one skilled in the art after analysis of the following figures and detailed description. All such additional methods, features and advantages are intended to be included in this specification and to be protected by the appended claims. It is also intended that the claims are not limited to requiring the details of exemplary embodiments.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[016] Os desenhos anexos, que são incluídos como parte do presente relatório, ilustram as modalidades de exemplo no momento e, juntamente com a descrição geral fornecida acima e a descrição detalhada das modalidades de exemplo fornecidas abaixo, servem para explicar e ensinar os princípios das presentes modalidades.[016] The attached drawings, which are included as part of the present report, illustrate the example embodiments at present and, together with the general description provided above and the detailed description of the example embodiments provided below, serve to explain and teach the principles of the present modalities.

[017] A Figura 1 ilustra confinamento de partículas no presente sistema FRC sob um regime de FRC de alto desempenho (HPF) versus sob um regime FRC convencional (CR), e versus outras experiências FRC convencionais.[017] Figure 1 illustrates particle confinement in the present FRC system under a high performance FRC regime (HPF) versus under a conventional FRC regime (CR), and versus other conventional FRC experiments.

[018] A Figura 2 ilustra os componentes do presente sistema FRC e a topologia magnética de uma CRF produzida no presente sistema FRC.[018] Figure 2 illustrates the components of the present FRC system and the magnetic topology of a CRF produced in the present FRC system.

[019] A Figura 3A ilustra o layout básico do presente sistema FRC, visto de cima, incluindo a disposição preferida do recipiente de confinamento central, seção de formação, divertores, feixes neutros, eletrodos, pistolas de plasma, plugues de espelho e injetor de grânulo.[019] Figure 3A illustrates the basic layout of the present FRC system, viewed from above, including the preferred arrangement of the central confinement vessel, forming section, divertors, neutral beams, electrodes, plasma guns, mirror plugs and injector. granule.

[020] A Figura 3B ilustra o recipiente de confinamento central visto de cima e mostrando os feixes neutros dispostos em um ângulo normal ao maior eixo de simetria no recipiente de confinamento central.[020] Figure 3B illustrates the central confining container seen from above and showing the neutral beams arranged at an angle normal to the greatest axis of symmetry in the central confining container.

[021] A Figura 3C ilustra o recipiente de confinamento central visto de cima e mostrando os feixes neutros dispostos em um ângulo menor que o normal em relação ao maior eixo de simetria no recipiente de confinamento central e direcionado para injetar partículas em direção ao plano médio do recipiente de confinamento central.[021] Figure 3C illustrates the central confining vessel viewed from above and showing the neutral beams arranged at a smaller than normal angle to the major axis of symmetry in the central confining vessel and directed to inject particles toward the midplane of the central containment container.

[022] As Figuras 3D e 3E ilustram vista superior e em perspectiva, respectivamente, da disposição básica de uma modalidade alternativa do presente sistema FRC, incluindo a disposição preferida do recipiente de confinamento central, seção de formação, divertores interno e externo, feixes neutros dispostos em um ângulo menor do que o normal para o eixo principal de simetria no recipiente de confinamento central, eletrodos, pistolas de plasma e plugues de espelho.[022] Figures 3D and 3E illustrate top and perspective views, respectively, of the basic arrangement of an alternative embodiment of the present FRC system, including the preferred arrangement of the central confinement vessel, forming section, internal and external divertors, neutral beams arranged at a smaller angle than normal to the main axis of symmetry in the central confining vessel, electrodes, plasma guns and mirror plugs.

[023] A Figura 4 ilustra um esquema dos componentes de um sistema de potência pulsado para as seções de formação.[023] Figure 4 illustrates a schematic of the components of a pulsed power system for the forming sections.

[024] A Figura 5 ilustra uma vista isométrica de um skid de formação de potência pulsada individual.[024] Figure 5 illustrates an isometric view of an individual pulsed power formation skid.

[025] A Figura 6 ilustra uma vista isométrica de um de um conjunto de tubo de formação.[025] Figure 6 illustrates an isometric view of one of a forming tube assembly.

[026] A Figura 7 ilustra uma vista isométrica parcial em corte do sistema de feixe neutro e componentes chave.[026] Figure 7 illustrates a partial isometric sectional view of the neutral beam system and key components.

[027] A Figura 8 ilustra uma vista isométrica do arranjo de feixe neutro na câmara de confinamento.[027] Figure 8 illustrates an isometric view of the neutral beam arrangement in the confinement chamber.

[028] A Figura 9 ilustra uma vista isométrica em corte parcial de uma disposição preferida dos sistemas de junção de Ti e Li.[028] Figure 9 illustrates a partial sectional isometric view of a preferred arrangement of the Ti and Li junction systems.

[029] A Figura 10 ilustra uma vista isométrica parcial em corte de uma pistola de plasma instalada na câmara do desviador. Também são mostrados o plugue do espelho magnético associado e um conjunto de eletrodos do desviador.[029] Figure 10 illustrates a partial isometric sectional view of a plasma gun installed in the diverter chamber. Also shown are the associated magnetic mirror plug and a set of diverter electrodes.

[030] A Figura 11 ilustra um layout preferido de um eletrodo de polarização anular na extremidade axial da câmara de confinamento.[030] Figure 11 illustrates a preferred layout of an annular polarization electrode at the axial end of the confinement chamber.

[031] A Figura 12 ilustra a evolução do raio de fluxo excluído no sistema FRC obtido a partir de uma série de alças diamagnéticas externas nas duas seções de formação theta pinch reversas de campo e sondas magnéticas embutidas dentro da câmara de confinamento de metal central. O tempo é medido a partir do instante de reversão de campo sincronizado nas fontes de formação, e a distância z é fornecida em relação ao plano médio axial da máquina.[031] Figure 12 illustrates the evolution of the excluded flux radius in the FRC system obtained from a series of external diamagnetic loops in the two field reverse theta pinch formation sections and magnetic probes embedded within the central metal confinement chamber. The time is measured from the instant of synchronized field reversal at the forming sources, and the distance z is given relative to the axial plane of the machine.

[032] As Figuras 13, 13A, 13, 13 e 13D ilustram dados de uma descarga não sustentada, não HPF representativa no presente sistema FRC. Mostrados como funções do tempo são (Figura 13A) raio de fluxo excluído no plano médio, (Figura 13B) 6 cordas de densidade de linha integrada do interferômetro de plano médio de CO2, (Figura 13C) perfis radiais de densidade Abel invertida dos dados do interferômetro de CO2 e (Figura 13D) temperatura total do plasma do equilíbrio de pressão.[032] Figures 13, 13A, 13, 13 and 13D illustrate data from a representative non-sustained, non-HPF discharge in the present FRC system. Shown as functions of time are (Figure 13A) midplane excluded flux radius, (Figure 13B) 6 chord integrated line density from the CO2 midplane interferometer, (Figure 13C) inverted Abel density radial profiles from the CO2 interferometer and (Figure 13D) total pressure equilibrium plasma temperature.

[033] A Figura 14 ilustra os perfis axiais do fluxo excluído em momentos selecionados para a mesma descarga do atual sistema FRC mostrado na Figura 13A, 13B, 13C e 13D.[033] Figure 14 illustrates the axial profiles of the excluded flow at selected times for the same discharge of the current FRC system shown in Figure 13A, 13B, 13C and 13D.

[034] A Figura 15 ilustra uma vista isométrica das bobinas de sela montadas fora da câmara de confinamento.[034] Figure 15 illustrates an isometric view of the saddle coils mounted outside the confinement chamber.

[035] As Figuras 16A, 16B, 16C e 16D ilustram as correlações entre a vida útil da FRC e o comprimento de pulso dos feixes neutros injetados. Como mostrado, os pulsos de feixe mais longos produzem FRCs mais longas.[035] Figures 16A, 16B, 16C and 16D illustrate the correlations between the useful life of the FRC and the pulse length of the injected neutral beams. As shown, longer beam pulses produce longer FRCs.

[036] As Figuras 17A, 17B, 17C e 17D ilustram os efeitos individuais e combinados de diferentes componentes do sistema FRC no desempenho de FRC e a obtenção do regime de HPF.[036] Figures 17A, 17B, 17C and 17D illustrate the individual and combined effects of different components of the FRC system on FRC performance and the achievement of the HPF regime.

[037] As figuras 18A, 18B, 18C e 18D ilustram dados de uma HPF representativa, descarga não sustentada no presente sistema FRC. Mostrado como funções do tempo são (Figura 18A) raio de fluxo excluído no plano médio, (Figura 18B) 6 cordas de densidade integrada à linha do interferômetro de plano médio de CO2, (Figura 18C) perfis radiais de densidade Abel invertida dos dados do interferômetro de CO2 e (Figura 18D) temperatura total do plasma do equilíbrio de pressão.[037] Figures 18A, 18B, 18C and 18D illustrate data from a representative HPF, non-sustained discharge in the present FRC system. Shown as functions of time are (Figure 18A) midplane excluded flux radius, (Figure 18B) 6 line-integrated density strings from the CO2 midplane interferometer, (Figure 18C) inverted Abel density radial profiles from the CO2 interferometer and (Figure 18D) total pressure equilibrium plasma temperature.

[038] A figura 19 ilustra o confinamento do fluxo em função da temperatura do elétron (Te). Representa uma representação gráfica de um regime de escalonamento superior recentemente estabelecido para descargas de HPF.[038] Figure 19 illustrates the confinement of the flow as a function of the electron temperature (Te). Represents a graphical representation of a recently established upscaling regime for HPF discharges.

[039] A Figura 20 ilustra a vida útil do FRC correspondente ao comprimento de pulso de feixes neutros injetados em ângulo e não angulares.[039] Figure 20 illustrates the FRC lifetime corresponding to the pulse length of angled and non-angled injected neutral beams.

[040] As Figuras 21A, 21B, 21C, 21D e 21E ilustram o comprimento de pulso dos feixes de neutro injetados em ângulo e a vida útil dos parâmetros de plasma de FRC do raio do plasma, densidade do plasma, temperatura do plasma e fluxo magnético correspondentes ao comprimento de pulso dos feixes neutros injetados angulares.[040] Figures 21A, 21B, 21C, 21D and 21E illustrate the pulse length of angle-injected neutral beams and the lifetime of FRC plasma parameters of plasma radius, plasma density, plasma temperature and flow corresponding to the pulse length of the angular injected neutral beams.

[041] As Figuras 22A e 22B ilustram o layout básico de um injetor toroidal compacto (CT).[041] Figures 22A and 22B illustrate the basic layout of a compact toroidal (CT) injector.

[042] As Figuras 23A e 23B ilustram o recipiente de confinamento central mostrando o injetor CT montado nele.[042] Figures 23A and 23B illustrate the central confinement container showing the CT injector mounted therein.

[043] As Figuras 24A e 24B ilustram o layout básico de uma modalidade alternativa do injetor CT tendo um tubo de desvio acoplado a ele.[043] Figures 24A and 24B illustrate the basic layout of an alternative embodiment of the CT injector having a bypass tube coupled to it.

[044] A Figura 25 ilustra o recipiente de confinamento central visto de cima e mostrando os feixes neutros dispostos em um ângulo menor do que o normal para o maior eixo de simetria no recipiente de confinamento central e direcionado para injetar partículas em direção ao plano médio do recipiente de confinamento central e mostrando antenas de onde as ondas rápidas de harmônicos altos se propagam em um ângulo menor do que o normal até o maior eixo de simetria no recipiente de confinamento central e são direcionadas para se propagarem do plano médio do recipiente de confinamento central para aquecimento de elétrons de plasma.[044] Figure 25 illustrates the central confining vessel viewed from above and showing the neutral beams arranged at a smaller angle than normal to the major axis of symmetry in the central confining vessel and directed to inject particles towards the midplane of the central containment vessel and showing antennas from which high harmonic fast waves propagate at a smaller than normal angle to the major axis of symmetry in the central containment vessel and are directed to propagate from the midplane of the containment vessel central for plasma electron heating.

[045] As Figuras 26A e 26B ilustram um perfil de densidade radial completo e um perfil de temperatura de elétron radial completo de um plasma de FRC do presente sistema de FRC.[045] Figures 26A and 26B illustrate a complete radial density profile and a complete radial electron temperature profile of an FRC plasma of the present FRC system.

[046] As Figuras 27A a 27D ilustram perfis radiais de equilíbrio do sistema e frequência característica no plano médio (Z = 0) do presente sistema FRC.[046] Figures 27A to 27D illustrate radial profiles of system equilibrium and characteristic frequency in the midplane (Z = 0) of the present FRC system.

[047] As Figuras 28A a 28C ilustram observações de absorção de energia e conversão de modo sob condições de aquecimento de elétrons de micro-ondas a 8GHz em um plasma de FRC do presente sistema FRC.[047] Figures 28A to 28C illustrate observations of energy absorption and mode conversion under microwave electron heating conditions at 8GHz in an FRC plasma of the present FRC system.

[048] As Figuras 29A a 29F ilustram observações de absorção de energia e conversão de modo sob condições de aquecimento de elétrons de micro-ondas a 50GHz em um plasma de FRC do presente sistema de FRC.[048] Figures 29A to 29F illustrate observations of energy absorption and mode conversion under microwave electron heating conditions at 50GHz in an FRC plasma of the present FRC system.

[049] As Figuras 30A a 30C ilustram observações de absorção de energia sob condições de aquecimento de elétrons de onda de assobiador a 0,5 GHz em um plasma de FRC do presente sistema de FRC.[049] Figures 30A to 30C illustrate observations of energy absorption under 0.5 GHz whistler wave electron heating conditions in an FRC plasma of the present FRC system.

[050] A Figura 31 ilustra um perfil de densidade e propagação de onda em um plasma de FRC do presente sistema FRC.[050] Figure 31 illustrates a density and wave propagation profile in an FRC plasma of the present FRC system.

[051] A Figura 32 ilustra um perfil de fluxo poloidal e propagação de onda em um plasma de FRC do presente sistema FRC.[051] Figure 32 illustrates a poloidal flow profile and wave propagation in an FRC plasma of the present FRC system.

[052] A Figura 33 ilustra um perfil de densidade exemplificativo e trajetória de propagação de onda em um plasma de FRC do presente sistema FRC.[052] Figure 33 illustrates an exemplary density profile and wave propagation trajectory in an FRC plasma of the present FRC system.

[053] A Figura 34 ilustra um perfil w / wci [D] exemplificativa e trajetória de propagação de onda num plasma de FRC do presente sistema FRC.[053] Figure 34 illustrates an exemplary w/wci [D] profile and wave propagation trajectory in an FRC plasma of the present FRC system.

[054] A Figura 35 ilustra o amortecimento de potência exemplificativo com a distância de propagação de onda em um plasma de FRC do presente sistema de FRC.[054] Figure 35 illustrates the exemplary power damping with the wave propagation distance in an FRC plasma of the present FRC system.

[055] A Figura 36 ilustra um perfil de absorção de energia exemplificativo num plasma de FRC do presente sistema FRC.[055] Figure 36 illustrates an exemplary energy absorption profile in an FRC plasma of the present FRC system.

[056] As Figuras 37A e 37B ilustram perfis radiais exemplificativos da densidade de energia num plasma de FRC do presente sistema FRC.[056] Figures 37A and 37B illustrate exemplary radial profiles of the energy density in an FRC plasma of the present FRC system.

[057] A Figura 38 ilustra um perfil 2D exemplar da densidade de potência de amortecimento num plasma de FRC do presente sistema FRC.[057] Figure 38 illustrates an exemplary 2D profile of the damping power density in an FRC plasma of the present FRC system.

[058] A Figura 39 ilustra um perfil de amortecimento de potência exemplificativo num plasma de FRC do presente sistema FRC.[058] Figure 39 illustrates an exemplary power damping profile in an FRC plasma of the present FRC system.

[059] A Figura 40 ilustra um perfil exemplificativo de raio Larmor íon finito em um plasma de FRC do presente sistema FRC.[059] Figure 40 illustrates an exemplary finite ion Larmor radius profile in an FRC plasma of the present FRC system.

[060] A Figura 41 ilustra um perfil de absorção de energia exemplificativa em um plasma de FRC do presente sistema FRC.[060] Figure 41 illustrates an exemplary energy absorption profile in an FRC plasma of the present FRC system.

[061] A Figura 42 ilustra um perfil exemplificativa de um plasma de FRC do presente sistema FRC.[061] Figure 42 illustrates an exemplary profile of an FRC plasma of the present FRC system.

[062] Deve ser observado que os números não são necessariamente desenhados em escala e que os elementos de estruturas ou funções semelhantes são geralmente representados por números de referência semelhantes para fins ilustrativos ao longo das figuras. Também deve ser notado que as figuras destinam- se apenas a facilitar a descrição das várias modalidades aqui descritas. Os números não descrevem necessariamente todos os aspectos dos ensinamentos aqui divulgados e não limitam o escopo das reivindicações.[062] It should be noted that numbers are not necessarily drawn to scale and that elements of similar structures or functions are generally represented by similar reference numbers for illustrative purposes throughout the figures. It should also be noted that the figures are intended only to facilitate the description of the various embodiments described herein. The numbers do not necessarily describe all aspects of the teachings disclosed herein and do not limit the scope of the claims.

DESCRIÇÃO DETALHADADETAILED DESCRIPTION

[063] As modalidades aqui fornecidas são direcionadas 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 são direcionadas a sistemas e métodos que facilitam a formação e manutenção de FRCs com energias e temperaturas e sustentação do sistema elevadas utilizando injeção de feixe neutro e aquecimento de elétron de onda harmônica alta.[063] The modalities provided here are directed to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with superior stability, as well as particle, energy and flow confinement. Some of the present embodiments are directed to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of FRCs with high energies and temperatures and system support using neutral beam injection and high harmonic wave electron heating.

[064] Os exemplos representativos das modalidades aqui descritas, cujos exemplos utilizam muitas destas características e ensinamentos adicionais, separadamente e em combinação, serão agora descritos em maior detalhe com referência aos desenhos anexos. Esta descrição detalhada destina-se simplesmente a ensinar àquele versado na técnica mais pormenores para a prática de aspectos preferidos dos presentes ensinamentos e não pretende limitar o escopo da invenção. Por conseguinte, as combinações de características e etapas divulgadas na descrição detalhada que se segue podem não ser necessárias para praticar a invenção no sentido mais amplo e, em vez disso, são ensinados meramente para descrever particularmente exemplos representativos dos presentes ensinamentos.[064] Representative examples of the embodiments described herein, which examples utilize many of these features and additional teachings, separately and in combination, will now be described in greater detail with reference to the accompanying drawings. This detailed description is intended simply to teach one skilled in the art more details for practicing preferred aspects of the present teachings and is not intended to limit the scope of the invention. Accordingly, the combinations of features and steps disclosed in the following detailed description may not be necessary to practice the invention in the broadest sense and, rather, are taught merely to describe particularly representative examples of the present teachings.

[065] Além disso, as várias características dos exemplos representativos e as reivindicações dependentes podem ser combinadas de maneira que não são específicas explicitamente enumeradas, a fim de proporcionar modalidades adicionais úteis dos presentes ensinamentos. Além disso, é expressamente notado que todas as características divulgadas na descrição e / ou nas reivindicações se destinam a serem divulgadas separada e independentemente umas das outras para fins de divulgação original, bem como com o propósito de restringir a matéria reivindicada 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 divulgam todos os valores intermediários ou entidades intermediárias possíveis para fins de divulgação original, bem como com o propósito de restringir a matéria reivindicada.[065] Furthermore, the various features of the representative examples and the dependent claims may be combined in ways that are not specifically enumerated specifically, in order to provide additional useful embodiments of the present teachings. Furthermore, it is expressly noted that all features disclosed in the description and/or claims are intended to be disclosed separately and independently from one another for purposes of original disclosure, as well as for the purpose of narrowing down the claimed subject matter independent of the compositions of the features. in the embodiments and/or claims. It is also expressly noted that all ranges of values or indications of groups of entities disclose all possible intermediate values or intermediate entities for purposes of original disclosure as well as for the purpose of narrowing the subject matter claimed.

[066] Antes de voltar para os sistemas e métodos que facilitam o aquecimento de elétrons de onda rápida harmônica em plasmas FRC, são fornecidos um comentário de sistemas e métodos para formar e manter FRCs de alto desempenho com estabilidade superior, bem como superior confinamento de partículas, energia e fluxo sobre FRCs convencionais, bem como um comentário de sistemas e métodos para formar e manter FRCs de alto desempenho em ou sobre um valor constante sem diminuição. Esses FRCs de alto desempenho fornecem um caminho para toda uma variedade de aplicações, incluindo fontes compactas de nêutrons (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 de luz para a futura geração de energia.[066] Before turning to systems and methods that facilitate the heating of harmonic fast-wave electrons in FRC plasmas, a commentary is provided on systems and methods for forming and maintaining high-performance FRCs with superior stability as well as superior confinement of particles, energy, and flow over conventional FRCs, as well as a commentary on systems and methods for forming and maintaining high-performance FRCs at or about a constant value without decreasing. These high-performance FRCs provide a pathway for a whole range of applications, including compact neutron sources (for medical isotope production, nuclear waste remediation, materials research, radiography and neutron tomography), compact photon sources (for production and chemical processing), bulk separation and enrichment systems, and reactor cores for the fusion of light nuclei for future energy generation.

[067] Vários sistemas e modos de operação auxiliares foram explorados para avaliar se existe um regime de confinamento superior em FRCs. Esses esforços levaram a descobertas inovadoras e ao desenvolvimento de um paradigma de FRC de alto desempenho aqui descrito. De acordo com este novo paradigma, os sistemas e métodos atuais combinam uma série de novas ideias e meios para melhorar drasticamente o confinamento de FRC como ilustrado na Figura 1, bem como fornecer controle de estabilidade sem efeitos colaterais negativos. Como comentado em maior detalhe abaixo, a Figura 1 representa o confinamento de partículas num sistema FRC 10 descrito abaixo (ver Figuras 2 e 3), operando de acordo com um regime FRC de Alto Desempenho (HPF) para formar e manter uma FRC versus operação de acordo com um CR convencional para formar e manter uma CRF, e contra o confinamento de partículas de acordo com os regimes convencionais para formar e manter uma CRF usada em outras experiências. A presente divulgação delineará e detalhará os componentes individuais inovadores do sistema FRC 10 e métodos, bem como seus efeitos coletivos.[067] Various auxiliary systems and modes of operation were explored to assess whether there is a superior confinement regime in FRCs. These efforts have led to innovative discoveries and the development of a high-performance FRC paradigm described here. In accordance with this new paradigm, current systems and methods combine a number of new ideas and means to dramatically improve FRC confinement as illustrated in Figure 1, as well as provide stability control without negative side effects. As discussed in greater detail below, Figure 1 represents particle confinement in an FRC 10 system described below (see Figures 2 and 3), operating under a High Performance FRC (HPF) regime to form and maintain a FRC versus operating according to a conventional CR to form and maintain a CRF, and against particle confinement according to conventional regimes to form and maintain a CRF used in other experiments. This disclosure will outline and detail the FRC 10 system's innovative individual components and methods, as well as their collective effects.

Sistema FRCFRC System Sistema a VácuoVacuum System

[068] As Figuras 2 e 3 representam um sistema esquemático da presente FRC 10. O sistema FRC 10 inclui um recipiente de confinamento central 100 rodeado por duas seções de formação de campo invertido diametralmente opostas theta pinch 200 e, além das seções de formação 200, duas câmaras de desvio 300 para controlar a contaminação de densidade neutra e impureza. O presente sistema de FRC 10 foi construído para acomodar vácuo ultra-alto e operar em pressões de base típicas de 10-8 torr. Tais pressões de vácuo requerem o uso de flanges conjugadas de bombeamento duplo entre os componentes conjugados, anéis de metal, paredes internas de alta pureza, bem como cuidadoso condicionamento inicial de todas as peças antes da montagem, como limpeza física e química seguida de 24 horas de cozimento a vácuo a 250°C e limpeza com descarga incandescente de hidrogênio.[068] Figures 2 and 3 represent a schematic system of the present FRC 10. The FRC system 10 includes a central confinement container 100 surrounded by two diametrically opposed inverted field forming sections theta pinch 200 and, in addition to the forming sections 200 , two 300 diversion chambers to control neutral density contamination and impurity. The present FRC 10 system is constructed to accommodate ultra-high vacuum and operate at typical base pressures of 10-8 torr. Such vacuum pressures require the use of double-pumped mating flanges between mating components, metal rings, high-purity inner walls, as well as careful initial conditioning of all parts prior to assembly, such as physical and chemical cleaning followed by 24 hours. vacuum cooking at 250°C and cleaning with hydrogen glow discharge.

[069] As seções de formação de campo invertido theta pinch 200 são padrão de campo invertido theta-pinches (FRTPs), embora com um sistema avançado de formação de potência pulsada comentado em detalhe abaixo (ver Figuras 4 a 6). Cada secção de formação 200 é feita de tubos de quartzo de grau industrial padrão opacos que apresentam um revestimento interno de 2 milímetros de quartzo ultrapuro. A câmara de confinamento 100 é feita de aço inoxidável para permitir uma multiplicidade de portas radiais e tangenciais; Ele também serve como um conservador de fluxo na escala de tempo dos experimentos descritos abaixo e limita os transientes magnéticos rápidos. Os vácuos são criados e mantidos dentro do sistema FRC 10 com um conjunto de bombas de desbaste de rolagem a seco, bombas turbocompressor moleculares e crio bombas.[069] The theta pinch inverted field formation sections 200 are standard inverted field theta pinches (FRTPs), albeit with an advanced pulsed power formation system commented in detail below (see Figures 4 to 6). Each 200 forming section is made from standard opaque industrial grade quartz tubes that feature an inner lining of 2 millimeters of ultrapure quartz. The confinement chamber 100 is made of stainless steel to allow for a plurality of radial and tangential ports; It also serves as a flux conservator on the time scale of the experiments described below and limits fast magnetic transients. Vacuums are created and maintained within the FRC 10 system with a suite of dry scroll grinding pumps, molecular turbocharger pumps and cryo pumps.

Sistema MagnéticoMagnetic System

[070] O sistema magnético 400 está ilustrado nas Figuras 2 e 3. A Figura 2, entre outras características, ilustra um fluxo magnético FRC e contornos de densidade (como funções das coordenadas radial e axial) pertencentes a um FRC 450 que pode ser produzido pelo sistema FRC 10. Estes contornos foram obtidos por uma simulação numérica 2-D resistiva Hall-MHD usando código desenvolvido para simular sistemas e métodos correspondentes ao sistema FRC 10, e está em concordância com dados experimentais medidos. Como visto na Figura 2, o FRC 450 dentro de uma separatriz 561 consiste de um toro de linhas de campo fechadas no interior 453 do FRC 450 dentro de uma separatriz 451, e de uma camada de borda anular 456 nas linhas de campo abertas 452 fora da separatriz 451. A camada de borda 456 mistura-se em jatos 454 além do comprimento de FRC, proporcionando um desviador natural.[070] The magnetic system 400 is illustrated in Figures 2 and 3. Figure 2, among other features, illustrates an FRC magnetic flux and density contours (as functions of radial and axial coordinates) belonging to a FRC 450 that can be produced by the FRC 10 system. These contours were obtained by a 2-D resistive Hall-MHD numerical simulation using code developed to simulate systems and methods corresponding to the FRC 10 system, and are in agreement with measured experimental data. As seen in Figure 2, the FRC 450 within a separatrix 561 consists of a torus of closed field lines on the inside 453 of the FRC 450 within a separatrix 451, and of an annular edge layer 456 on the open field lines 452 outside. of the separator 451. The edge layer 456 mixes into jets 454 beyond the FRC length, providing a natural diverter.

[071] O principal sistema magnético 410 inclui uma série de bobinas quase- cc 412, 414 e 416 que estão situadas em posições axiais particulares ao longo dos componentes, ou seja, ao longo da câmara de confinamento 100, das seções de formação 200 e dos divertores 300, do sistema FRC 10. As bobinas quase-cc 412, 414 e 416 são alimentadas por fontes de alimentação de comutação quase-cc e produzem campos de polarização magnética básica de cerca de 0,1 T na câmara de confinamento 100, nas seções de formação 200 e nos divertores 300. Além das bobinas quase-cc 412, 414 e 416, o sistema magnético principal 410 inclui bobinas de espelho quase-cc 420 (alimentadas por fontes de comutação) entre cada extremidade da câmara de confinamento 100 e as seções de formação adjacentes 200. As bobinas de espelho quase-cc 420 fornecem proporções de espelho magnético de até 5 e podem ser energizadas independentemente para o controle de modelagem de equilíbrio. Além disso, os plugues de espelho 440 estão posicionados entre cada uma das seções de formação 200 e dos divertores 300. Os plugues de espelho 440 compreendem bobinas de espelho quase-cc compactas 430 e bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas de espelho quase-cc 430 incluem três bobinas 432, 434 e 436 (alimentados por fontes de comutação) que produzem campos de guia adicionais para focar as superfícies de fluxo magnético 455 para a passagem de diâmetro pequeno 442 que passa através das bobinas de plugue de espelho 444. As bobinas de plugue de espelho 444, que envolvem a passagem de diâmetro pequeno 442 e são alimentados por circuitos de energia pulsada LC, produzem fortes campos de espelho magnético de até 4 T. O propósito deste arranjo de bobina é enrolar e guiar firmemente as superfícies de fluxo magnético 455 e jatos de plasma de fluxo final 454 nas câmaras remotas 310 dos divertores 300. Finalmente, um conjunto de “antenas” de bobina de sela 460 (ver Figura 15) está localizado fora da câmara de confinamento 100, duas de cada lado do plano médio, e são alimentadas por fontes de energia. As antenas de bobina de sela 460 podem ser configuradas para fornecer um campo magnético dipolo ou quadrupolo quase estático de cerca de 0,01 T para controlar instabilidades de rotação e / ou controle de corrente de elétrons. As antenas de bobina de sela 460 podem flexivelmente fornecer campos magnéticos que são simétricos ou não simétricos em relação ao plano médio da máquina, dependendo da direção das correntes aplicadas.[071] The main magnetic system 410 includes a series of quasi-dc coils 412, 414 and 416 that are situated at particular axial positions along the components, i.e. along the confinement chamber 100, the forming sections 200 and of the divertors 300, of the FRC system 10. The quasi-dc coils 412, 414 and 416 are powered by quasi-dc switching power supplies and produce basic magnetic polarization fields of about 0.1 T in the confinement chamber 100, in the forming sections 200 and divertors 300. In addition to the quasi-dc coils 412, 414, and 416, the main magnetic system 410 includes quasi-dc mirror coils 420 (powered by switching supplies) between each end of the confinement chamber 100 and adjacent forming sections 200. Quasi-dc mirror coils 420 provide magnetic mirror ratios of up to 5 and can be independently energized for balance shaping control. Additionally, mirror plugs 440 are positioned between each of the forming sections 200 and divertors 300. Mirror plugs 440 comprise compact quasi-dc mirror coils 430 and mirror plug coils 444. -cc 430 include three coils 432, 434 and 436 (powered by switching sources) that produce additional guide fields to focus the magnetic flux surfaces 455 to the small diameter passage 442 passing through the mirror plug coils 444. Mirror plug coils 444, which surround small diameter passage 442 and are powered by LC pulsed power circuits, produce strong magnetic mirror fields of up to 4 T. The purpose of this coil arrangement is to tightly wind and guide surfaces of magnetic flux 455 and end-flow plasma jets 454 in the remote chambers 310 of the divertors 300. Finally, a set of saddle coil “antennas” 460 (see Figure 15) is located outside the confinement chamber 100, two of each side of the midplane, and are powered by energy sources. The 460 saddle coil antennas can be configured to provide a quasi-static dipole or quadrupole magnetic field of about 0.01 T to control rotational instabilities and/or electron current control. The 460 saddle coil antennas can flexibly provide magnetic fields that are symmetrical or non-symmetrical with respect to the midplane of the machine, depending on the direction of the applied currents.

Sistema de Formação de Energia PulsadaPulsed Energy Formation System

[072] Os sistemas de formação de potência pulsada 210 operam em um princípio de theta-pinch modificado. Existem dois sistemas que alimentam uma das seções de formação 200. As Figuras 4 a 6 ilustram os principais blocos de construção e disposição dos sistemas de formação 210. O sistema de formação 210 é composto por um arranjo modular de potência pulsada que consiste em unidades individuais (= skids) 220 que energizam um subconjunto de bobinas 232 de um conjunto de alças 230 (= tiras) que envolvem a formação dos tubos de quartzo 240. Cada skid é composto por capacitores 221, indutores 223, interruptores de corrente alta rápida 225 e disparador associado 222 e circuito de descarga 224. No total, cada sistema de formação 210 armazena entre 350 a 400 kJ de energia capacitiva, o que proporciona até 35 GW de potência para formar e acelerar os FRCs. A operação coordenada destes componentes é conseguida através de um sistema de controle de disparo do estado da técnica 222 e 224 que permite temporização sincronizada entre os sistemas de formação 210 em cada secção de formação 200 e minimiza a tremulação de comutação para dezenas de nanossegundos. A vantagem deste projeto modular é a sua operação flexível: os FRCs podem ser formados in situ e depois acelerados e injetados (= formação estática) ou formados e acelerados ao mesmo tempo (= formação dinâmica).[072] Pulsed power formation systems 210 operate on a modified theta-pinch principle. There are two systems that power one of the forming sections 200. Figures 4 through 6 illustrate the main building blocks and arrangement of the forming systems 210. The forming system 210 is comprised of a modular pulsed power arrangement consisting of individual units (= skids) 220 that energize a subset of coils 232 of a set of loops 230 (= strips) that surround the formation of quartz tubes 240. Each skid is comprised of capacitors 221, inductors 223, fast high current switches 225 and associated trigger 222 and discharge circuit 224. In total, each forming system 210 stores between 350 to 400 kJ of capacitive energy, which provides up to 35 GW of power to form and accelerate the FRCs. Coordinated operation of these components is achieved through a prior art firing control system 222 and 224 that allows synchronized timing between the forming systems 210 in each forming section 200 and minimizes switching jitter to tens of nanoseconds. The advantage of this modular design is its flexible operation: FRCs can be formed in situ and then accelerated and injected (= static forming) or formed and accelerated at the same time (= dynamic forming).

Injetores de Feixe NeutroNeutral Beam Injectors

[073] Feixes de átomo neutro 600 são implantadas no sistema FRC 10 para fornecer aquecimento e acionamento de corrente, bem como para desenvolver pressão de partícula rápida. Como mostrado nas Figuras 3A, 3B e 8, as linhas de feixe individuais compreendendo os sistemas 610 e 640 de injetor de feixe de átomo neutro estão localizadas ao redor da câmara de confinamento central 100 e injetam partículas rápidas tangencialmente ao plasma de FRC (e perpendicular ou em um ângulo normal ao eixo principal de simetria no recipiente de confinamento central 100) com um parâmetro de impacto tal que a zona de captura alvo fica bem dentro da separatriz 451 (ver Figura 2). Cada sistema injetor 610 e 640 é capaz de injetar até 1 MW de potência de feixe de neutro no plasma de FRC com energias de partículas entre 20 e 40 keV. Os sistemas 610 e 640 são baseados em fontes de extração de multi aberturas de íon positivos e utilizam foco geométrico, resfriamento inercial das grades de extração de íons e bombeamento diferencial. Além de usar diferentes fontes de plasma, os sistemas 610 e 640 são primariamente diferenciados pelo seu projeto físico para atender seus respectivos locais de montagem, produzindo capacidades de injeção lateral e superior. Os componentes típicos destes injetores de feixe 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 numa extremidade de entrada (esta é substituída por uma fonte de arco nos sistemas 640) com uma tela magnética 614 cobrindo a extremidade. Uma fonte óptica de íon e grades de aceleração 616 é acoplada uma fonte de plasma 612 e uma válvula de porta 620 é posicionada entre a fonte óptica e as grades de aceleração 616 e um neutralizador 622. Um ímã de deflexão 624 e uma descarga de íon 628 estão localizados entre o neutralizador 622 e um dispositivo de pontaria 630 na extremidade de saída. Um sistema de resfriamento compreende dois refrigeradores criogênicos 634, dois painéis criogênicos 636 e uma coberta LN2 638. Esse projeto flexível permite a operação em uma ampla faixa de parâmetros de FRC.[073] Neutral atom beams 600 are deployed in the FRC system 10 to provide heating and current drive, as well as to develop rapid particle pressure. As shown in Figures 3A, 3B and 8, individual beam lines comprising neutral atom beam injector systems 610 and 640 are located around the central confinement chamber 100 and inject fast particles tangentially to the FRC plasma (and perpendicular or at an angle normal to the main axis of symmetry in the central confinement vessel 100) with an impact parameter such that the target capture zone is well within the separator 451 (see Figure 2). Each 610 and 640 injector system is capable of injecting up to 1 MW of neutral beam power into the FRC plasma with particle energies between 20 and 40 keV. The 610 and 640 systems are based on positive ion multi-aperture extraction sources and utilize geometric focusing, inertial cooling of the ion extraction grids, and differential pumping. In addition to using different plasma sources, the 610 and 640 systems are primarily differentiated by their physical design to suit their respective mounting locations, producing side and top injection capabilities. Typical components of these neutral beam injectors are specifically illustrated in Figure 7 for side injector systems 610. As shown in Figure 7, each individual neutral beam system 610 includes an RF plasma source 612 at an input end (this is replaced by an arc source in systems 640) with a magnetic screen 614 covering the end. An optical ion source and acceleration grids 616 is coupled to a plasma source 612 and a gate valve 620 is positioned between the optical source and acceleration grids 616 and a neutralizer 622. A deflection magnet 624 and an ion discharge 628 are located between the neutralizer 622 and a aiming device 630 at the exit end. A cooling system comprises two 634 cryogenic coolers, two 636 cryogenic panels and a 638 LN2 cover. This flexible design allows operation over a wide range of FRC parameters.

[074] Uma configuração alternativa para os injetores de feixe de átomo neutro 600 é a de injetar as partículas rápidas tangencialmente ao plasma de FRC, mas com um ângulo A inferior a 90° em relação ao eixo principal de simetria 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 tal modo que os injetores de feixe 615 de cada lado do plano médio do recipiente de confinamento central 100 injetam as suas partículas em direção ao plano médio. Finalmente, a posição axial destes sistemas de feixe 600 pode ser escolhida mais próxima do plano médio. Estas modalidades de injeção alternativas facilitam uma opção de abastecimento mais central, que proporciona um melhor acoplamento dos feixes e uma maior eficiência de retenção das partículas rápidas injetadas. Além disso, dependendo do ângulo e da posição axial, este arranjo dos injetores de feixe 615 permite um controle mais direto e independente do alongamento axial e outras características do FRC 450. Por exemplo, a injeção dos feixes em um ângulo raso A em relação ao eixo principal do recipiente criará um plasma de FRC com maior extensão axial e menor temperatura, enquanto que a escolha de um ângulo A mais perpendicular 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 para diferentes fins. Além disso, tal angulação e posicionamento dos injetores de feixe 615 podem permitir que sejam injetados feixes de energia superior (que é geralmente mais favorável para depositar mais potência com menos divergência de feixe) em campos magnéticos mais baixos do que seria necessário para interceptar tais feixes. Isso se deve ao fato de que é o componente azimutal da energia que determina a escala de órbita de íon rápido (que se torna progressivamente menor à medida que o ângulo de injeção relativo ao eixo principal de simetria do recipiente é reduzido a energia de feixe constante). Além disso, injeção angulada em direção ao plano médio e com as posições do feixe axial próximas ao plano médio, melhora-se o acoplamento do feixe de plasma, mesmo quando o plasma de FRC encolhe ou contrai-se axialmente durante o período de injeção.[074] An alternative configuration for the neutral atom beam injectors 600 is to inject the fast particles tangentially to the FRC plasma, but with an angle A of less than 90° relative to the main axis of symmetry in the central confinement vessel 100 These types of beam injector orientations 615 are shown in Figure 3C. Furthermore, the beam injectors 615 may be oriented such that the beam injectors 615 on each side of the midplane of the central confinement container 100 inject their particles toward the midplane. Finally, the axial position of these beam systems 600 can be chosen closer to the midplane. These alternative injection modalities facilitate a more central supply option, which provides better beam coupling and greater retention efficiency of the injected fast particles. Furthermore, depending on the axial angle and position, this arrangement of the 615 beam injectors allows for more direct and independent control of the axial elongation and other characteristics of the FRC 450. For example, injecting the beams at a shallow angle A relative to the main axis of the container will create an FRC plasma with greater axial extension and lower temperature, while choosing a more perpendicular angle A will lead to an axially shorter but hotter plasma. In this way, the injection angle A and the location of the beam injectors 615 can be optimized for different purposes. Furthermore, such angulation and positioning of the beam injectors 615 may allow beams of higher energy (which is generally more favorable for depositing more power with less beam divergence) to be injected into lower magnetic fields than would be required to intercept such beams. . This is due to the fact that it is the azimuthal component of the energy that determines the fast ion orbit scale (which becomes progressively smaller as the injection angle relative to the main axis of symmetry of the container is reduced at constant beam energy ). Furthermore, injection angled toward the midplane and with axial beam positions close to the midplane improves plasma beam coupling, even as the FRC plasma shrinks or contracts axially during the injection period.

[075] Voltando às Figuras 3D e 3E, outra configuração alternativa do sistema FRC 10 inclui os divertores internos 302 além dos injetores de feixe angulados 615. Os divertores internos 302 estão posicionados entre as seções de formação 200 e a câmara de confinamento 100, e são configurados e operam substancialmente semelhantes aos divertores externos 300. Os divertores internos 302, que incluem bobinas magnéticas de comutação rápida, são efetivamente inativos durante o processo de formação para permitir que as FRCs de formação passem através dos divertores internos 302 à medida que os FRCs de formação transladam para o plano médio da câmara de confinamento 100. Uma vez que as FRCs de formação passem através dos divertores internos 302 para dentro da câmara de confinamento 100, os divertores internos são ativados para operar substancialmente do mesmo modo que os divertores externos e isolam a câmara de confinamento 100 das seções de formação 200.[075] Returning to Figures 3D and 3E, another alternative configuration of the FRC system 10 includes the internal divertors 302 in addition to the angled beam injectors 615. The internal divertors 302 are positioned between the forming sections 200 and the confinement chamber 100, and are configured and operate substantially similar to the external divertors 300. The internal divertors 302, which include fast-switching magnetic coils, are effectively inactive during the forming process to allow the forming FRCs to pass through the internal divertors 302 as the FRCs of formation translate to the midplane of the confinement chamber 100. Once the formation FRCs pass through the internal divertors 302 into the confinement chamber 100, the internal divertors are activated to operate in substantially the same manner as the external divertors and isolate the confinement chamber 100 from the forming sections 200.

Injetor de GrânuloGranule Injector

[076] Para fornecer um meio para injetar novas partículas e controlar melhor o inventário de partículas FRC, um injetor de grânulos de 12 barris 700 (ver, por exemplo, I. Vinyar et al., “Injetores de Grânulos Desenvolvidos na PELIN para JET, TAE e HL-2A , “Procedimentos do 26° Simpósio de Ciência e Tecnologia de Fusão, 27/09 a 10/01 (2010)) é utilizado no sistema FRC 10. A Figura 3 ilustra o layout do injetor de grânulos 700 no sistema FRC 10. Os grânulos cilíndricos ( D ~ 1 mm, L ~ 1 - 2 mm) são injetados no FRC com uma velocidade na faixa de 150 a 250 km / s. Cada grânulo individual contém cerca de 5 x 1019 átomos de hidrogênio, o que é comparável ao inventário de partículas de FRC.[076] To provide a means to inject new particles and better control the FRC particle inventory, a 12-barrel 700 bead injector (see, for example, I. Vinyar et al., “Bead Injectors Developed at PELIN for JET , TAE and HL-2A, “Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 9/27 to 1/10 (2010)) is used in the FRC 10 system. Figure 3 illustrates the layout of the 700 bead injector in the FRC 10 system. Cylindrical granules (D ~ 1 mm, L ~ 1 - 2 mm) are injected into the FRC with a speed in the range of 150 to 250 km/s. Each individual bead contains about 5 x 1019 hydrogen atoms, which is comparable to the FRC particle inventory.

Sistemas de ReuniãoMeeting Systems

[077] É bem conhecido que o gás halo neutro é um problema grave em todos os sistemas de confinamento. Os processos de troca de carga e reciclagem (liberação de material de impureza fria da parede) podem ter um efeito devastador sobre a energia e o confinamento de partículas. Além disso, qualquer densidade significativa de gás neutro na borda ou próximo a ela levará a perdas imediatas ou, pelo menos, a redução severa da vida útil das partículas injetadas de órbita grande (alta energia) (órbita grande refere-se a partículas com órbitas na escala da topologia FRC ou, pelo menos, raio orbital muito maior do que a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característico) - um fato que é prejudicial para todas as aplicações de plasma energético, incluindo a fusão via aquecimento por feixe auxiliar.[077] It is well known that neutral halo gas is a serious problem in all containment systems. Charge exchange and recycling processes (release of cold impurity material from the wall) can have a devastating effect on energy and particle confinement. Furthermore, any significant density of neutral gas at or near the edge will lead to immediate losses or at least severe reduction in the lifetime of large-orbit (high-energy) injected particles (large-orbit refers to particles with orbits on the FRC topology scale or at least orbital radius much larger than the characteristic magnetic field gradient length scale) - a fact that is detrimental to all energetic plasma applications, including fusion via auxiliary beam heating.

[078] O condicionamento de 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 FRC 10 aqui fornecido emprega os sistemas de deposição de titânio e lítio 810 e 820 que revestem as superfícies voltadas para o plasma da câmara de confinamento (100) e dos divertores 300 e 302 com filmes (dezenas de micrômetros de espessura) de Ti e / ou Li. Os revestimentos são conseguidos 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- guia (no caso de Li) 822 ou esferas aquecidas de sólido com encobrimento 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 de forma intermitente entre o a operação de plasma. As temperaturas de operação desses sistemas estão acima de 600°C para obter taxas de deposição rápidas. Para conseguir uma boa cobertura de parede, são necessários múltiplos sistemas de evaporador / sublimador estrategicamente localizados. A Figura 9 detalha uma disposição preferida dos sistemas de deposição de recepção 810 e 820 no sistema FRC 10. Os revestimentos atuam como superfícies de recolha e bombeiam eficazmente espécies hidrogênicas atômicas e moleculares (H e D). Os revestimentos também reduzem outras impurezas típicas, como carbono e oxigênio a níveis insignificantes.[078] Surface conditioning is a means by which the harmful effects of neutral gas and impurities can be controlled or reduced in a containment system. To this end, the FRC system 10 provided herein employs titanium and lithium deposition systems 810 and 820 that coat the plasma-facing surfaces of the confinement chamber (100) and divertors 300 and 302 with films (tens of micrometers in diameter). thickness) of Ti and/or Li. Coatings are achieved through vapor deposition techniques. Solid Li and/or Ti are evaporated and/or sublimated and sprayed onto nearby surfaces to form the coatings. The sources are atomic furnaces with guide nozzles (in the case of Li) 822 or heated spheres of solid with guide shroud (in the case of Ti) 812. Li evaporator systems typically operate in continuous mode while Ti sublimators are operated intermittently between plasma operation. The operating temperatures of these systems are above 600°C to achieve fast deposition rates. To achieve good wall coverage, multiple strategically located evaporator/sublimator systems are required. Figure 9 details a preferred arrangement of receiving deposition systems 810 and 820 in the FRC system 10. The coatings act as collection surfaces and effectively pump out atomic and molecular hydrogen species (H and D). The coatings also reduce other typical impurities such as carbon and oxygen to negligible levels.

Plugues de EspelhoMirror Plugs

[079] Como dito acima, o sistema FRC 10 emprega conjuntos de bobinas de espelho 420, 430, e 444 como mostrado nas Figuras 2 e 3. Um primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 está localizado nas duas extremidades axiais da câmara de confinamento 100 e é energizado independentemente do confinamento DC, formação e bobinas de desviador 412, 414 e 416 do sistema magnético principal 410. O primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 ajuda principalmente a dirigir e conter axialmente o FRC 450 durante a fusão e fornece controle de modelagem de equilíbrio durante a sustentação. O primeiro conjunto de bobinas de espelho 420 produz campos magnéticos nominalmente mais altos (cerca de 0,4 a 0,5 T) do que o campo de confinamento central produzido pelas bobinas centrais de confinamento 412. O segundo conjunto de bobinas de espelho 430, que inclui três bobinas de espelho quase-cc compactos 432, 434 e 436, está localizado entre as seções de formação 200 e os divertores 300 e são acionados por uma fonte de alimentação de comutação comum. As bobinas de espelho 432, 434 e 436, em conjunto com as bobinas de plugue de espelho pulsadas mais compactas 444 (alimentadas por uma fonte de alimentação capacitiva) e a constrição física 442 formam os plugues de espelho 440 que proporcionam um caminho de condutância de gás baixo e estreito com campos magnéticos muito elevados (entre 2 a 4 T com tempos de subida de cerca de 10 a 20 ms). As bobinas de espelho pulsadas mais compactas 444 são de dimensões radiais compactas, diâmetro de 20 cm e comprimento semelhante, em comparação com furo de escala meter plus e do desenho placa das bobinas de confinamento 412, 414 e 416. A finalidade dos plugues de espelho 440 são múltiplas: (1) As bobinas 432, 434, 436 e 444 enfeixam e guiam firmemente as superfícies de fluxo magnético 452 e jactos de plasma de fluxo final 454 nas câmaras de desviador remotas 300. Isto assegura que as partículas de escape atinjam os divertores 300 apropriadamente e que existem superfícies de fluxo contínuo 455 que traçam a partir da linha de campo aberto 452 da região central do FRC 450 todo caminho para os divertores 300. (2) As constrições físicas 442 no sistema FRC 10, através do qual as bobinas 432, 434, 436 e 444 permitem a passagem das superfícies de fluxo magnético 452 e dos jactos de plasma 454, proporcionam um impedimento ao fluxo de gás neutro das pistolas de plasma 350 que assentam nos divertores 300. Na mesma linha, as constrições 442 impedem o refluxo de gás a partir das seções de formação 200 para os divertores 300, reduzindo assim o número de partículas neutras que têm de ser introduzidas em todo o sistema FRC 10 quando se inicia o arranque de um FRC. (3) Os espelhos axiais fortes produzidos pelas bobinas 432, 434, 436 e 444 reduzem as perdas de partículas axiais e, assim, reduzem a difusividade das partículas paralelas nas linhas de campo aberto.[079] As stated above, the FRC system 10 employs sets of mirror coils 420, 430, and 444 as shown in Figures 2 and 3. A first set of mirror coils 420 is located at the two axial ends of the confinement chamber 100 and is energized independently of the DC confinement, forming, and diverter coils 412, 414, and 416 of the main magnetic system 410. The first set of mirror coils 420 primarily helps direct and axially contain the FRC 450 during melting and provides shaping control. balance during support. The first set of mirror coils 420 produces nominally higher magnetic fields (about 0.4 to 0.5 T) than the central confining field produced by the central confining coils 412. The second set of mirror coils 430, which includes three compact quasi-dc mirror coils 432, 434 and 436, is located between the forming sections 200 and the divertors 300 and are driven by a common switching power supply. Mirror coils 432, 434, and 436, together with the more compact pulsed mirror plug coils 444 (powered by a capacitive power supply) and physical constriction 442 form mirror plugs 440 that provide a conductance path of low, narrow gas with very high magnetic fields (between 2 to 4 T with rise times of about 10 to 20 ms). The more compact pulsed mirror coils 444 are of compact radial dimensions, 20 cm diameter and similar length, compared to the meter plus scale bore and plate design of the confining coils 412, 414 and 416. The purpose of the mirror plugs 440 are multiple: (1) Coils 432, 434, 436, and 444 tightly enclose and guide magnetic flux surfaces 452 and end-flow plasma jets 454 into remote diverter chambers 300. This ensures that exhaust particles reach the divertors 300 appropriately and that there are continuous flow surfaces 455 that trace from the open field line 452 of the central region of the FRC 450 all the way to the divertors 300. (2) The physical constrictions 442 in the FRC system 10, through which the coils 432, 434, 436 and 444 allow the passage of the magnetic flux surfaces 452 and the plasma jets 454, provide an impediment to the flow of neutral gas from the plasma guns 350 that sit on the divertors 300. In the same vein, the constrictions 442 prevent the backflow of gas from the formation sections 200 to the divertors 300, thus reducing the number of neutral particles that must be introduced throughout the FRC system 10 when starting a FRC. (3) The strong axial mirrors produced by coils 432, 434, 436 and 444 reduce axial particle losses and thus reduce the diffusivity of parallel particles at open field lines.

[080] Na configuração alternativa mostrada nas Figuras 3D e 3E, um conjunto de bobinas de retenção de baixo perfil 421 é posicionado entre os divertores internos 302 e as seções de formações 200.[080] In the alternative configuration shown in Figures 3D and 3E, a set of low-profile retention coils 421 is positioned between the internal divertors 302 and the formation sections 200.

Pistolas de Plasma AxiaisAxial Plasma Guns

[081] Os fluxos de plasma de pistolas 350 montadas nas câmaras de desviador 310 dos divertores 300 destinam-se a melhorar a estabilidade e o desempenho do feixe de neutro. As pistolas 350 são montadas no eixo no interior da câmara 310 dos divertores 300 como ilustrado nas Figuras 3 e 10 e produzem plasma fluindo ao longo das linhas de fluxo aberto 452 no desviador 300 e em direção ao centro da câmara de confinamento 100. As pistolas 350 operam em uma descarga de gás de alta densidade em um canal de empilhamento e são projetados 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 exterior de 5 a 13 cm e até cerca de 10 cm de diâmetro interno e fornecem uma corrente de descarga de 10-15 kA a 400-600 V com um campo magnético interno entre 0,5 e 2,3 T.[081] The plasma flows from guns 350 mounted in the diverter chambers 310 of the divertors 300 are intended to improve the stability and performance of the neutral beam. The guns 350 are mounted on the shaft within the chamber 310 of the divertors 300 as illustrated in Figures 3 and 10 and produce plasma flowing along the open flow lines 452 in the diverter 300 and toward the center of the confinement chamber 100. The guns 350 operate on a high-density gas discharge in a stack channel and are designed to generate several kiloamperes of fully ionized plasma for 5 to 10 ms. Guns 350 include a pulsed magnetic coil that matches the output plasma current with the desired plasma size in confinement chamber 100. Technical parameters of guns 350 are characterized by a channel with an outer diameter of 5 to 13 cm and up to approximately 10 cm in internal diameter and provide a discharge current of 10-15 kA at 400-600 V with an internal magnetic field between 0.5 and 2.3 T.

[082] Os fluxos de plasma de pistola podem penetrar nos campos magnéticos dos plugues de espelho 440 e fluir para a seção de formação 200 e câmara de confinamento 100. A eficiência da transferência de plasma através do plugue de espelho 440 aumenta com a diminuição da distância entre a pistola 350 e o plugue 440 e tornando o plugue 440 mais largo e mais curto. Sob condições razoáveis, cada pistola 350 pode fornecer aproximadamente 1022 prótons / s através dos 2 a 4 T de plugues de espelho 440 com elevadas temperaturas de íon e de elétron de cerca de 150 a 300 eV e cerca de 40 a 50 eV, respectivamente. As pistolas 350 proporcionam um reabastecimento significativo da camada de borda de FRC 456, e um confinamento de partícula de FRC total melhorado.[082] Gun plasma streams can penetrate the magnetic fields of the mirror plugs 440 and flow into the forming section 200 and confinement chamber 100. The efficiency of plasma transfer through the mirror plug 440 increases with decreasing distance between gun 350 and plug 440 and making plug 440 wider and shorter. Under reasonable conditions, each 350 gun can deliver approximately 1022 protons/s through the 2 to 4 T of 440 mirror plugs with elevated ion and electron temperatures of about 150 to 300 eV and about 40 to 50 eV, respectively. The 350 guns provide significant replenishment of the 456 FRC edge layer, and improved total FRC particle confinement.

[083] Para aumentar ainda mais a densidade do plasma, uma caixa de gás poderia ser utilizada para soprar gás adicional na corrente de plasma a partir das pistolas 350. Esta técnica permite um aumento de várias vezes na densidade do plasma injetado. No sistema FRC 10, uma caixa de gás instalada no lado do desviador 300 dos plugues de espelho 440 melhora o reabastecimento da camada de borda de FRC 456, a formação do FRC 450 e a fixação de linha de plasma.[083] To further increase the density of the plasma, a gas box could be used to blow additional gas into the plasma stream from the guns 350. This technique allows for a several-fold increase in the density of the injected plasma. In the FRC system 10, a gas box installed on the diverter side 300 of the mirror plugs 440 improves FRC 456 edge layer replenishment, FRC 450 formation, and plasma line attachment.

[084] Considerando todos os parâmetros de ajuste comentados acima e também considerando que é possível a operação com apenas uma ou ambas as pistolas, é evidente que um amplo espectro de modos de operação é acessível.[084] Considering all the adjustment parameters discussed above and also considering that operation with just one or both guns is possible, it is clear that a wide spectrum of operating modes is accessible.

Eletrodos de PolarizaçãoPolarization Electrodes

[085] A polarização elétrica de superfícies de fluxo aberto pode fornecer potenciais radiais que dão origem a movimento azimutal E x B que fornece um mecanismo de controle, análogo ao giro de um botão, para controlar a rotação do plasma da linha de campo aberto, bem como o núcleo real da FRC 450 via cisalhamento de velocidade. Para realizar este controlo, o sistema FRC 10 emprega vários eletrodos colocados estrategicamente em várias partes da máquina. A Figura 3 mostra os eletrodos de polarização posicionados em locais preferenciais dentro do sistema FRC 10.[085] Electrical polarization of open flow surfaces can provide radial potentials that give rise to E x B azimuthal motion that provides a control mechanism, analogous to turning a knob, to control the rotation of the open field line plasma, as well as the actual core of the FRC 450 via speed shear. To carry out this control, the FRC 10 system employs several electrodes strategically placed in various parts of the machine. Figure 3 shows the polarization electrodes positioned in preferred locations within the FRC 10 system.

[086] Em princípio, existem 4 classes de eletrodos: (1) eletrodos de ponto 905 na câmara de confinamento 100 que fazem contato com linhas de campo aberto particular 452 na borda do FRC 450 para fornecer carregamento local, (2) eletrodos anulares 900 entre a câmara de confinamento 100 e as seções de formação 200 para carregar as camadas de fluxo de bordos distantes 456 de uma forma azimutalmente simétrica, (3) pilhas de eletrodos concêntricos 910 nos divertores 300 para carregar múltiplas camadas de fluxo concêntrico 455 (em que a seleção de camadas é controlável pelo ajuste das bobinas 416 para ajustar o campo magnético do desviador de modo a terminar as camadas de fluxo 456 desejadas nos eletrodos apropriados 910) e finalmente (4) os ânodos 920 (ver Figura 10) das próprias pistolas de plasma 350 (que interceptam superfícies internas de fluxo aberto 455 perto da separatriz do FRC 450). As Figuras 10 e 11 mostram alguns projetos típicos para alguns deles.[086] In principle, there are 4 classes of electrodes: (1) point electrodes 905 in the confinement chamber 100 that contact particular open field lines 452 at the edge of the FRC 450 to provide local charging, (2) annular electrodes 900 between confinement chamber 100 and forming sections 200 to load far-edge flow layers 456 in an azimuthally symmetrical fashion, (3) concentric electrode stacks 910 on divertors 300 to load multiple concentric flow layers 455 (wherein layer selection is controllable by adjusting the coils 416 to adjust the magnetic field of the diverter to terminate the desired flux layers 456 at the appropriate electrodes 910) and finally (4) the anodes 920 (see Figure 10) of the spray guns themselves. plasma 350 (which intersect internal open flow surfaces 455 near the FRC separator 450). Figures 10 and 11 show some typical designs for some of them.

[087] Em todos os casos, esses eletrodos são acionados por fontes de energia ou pulsados em tensões de até cerca de 800 V. Dependendo do tamanho do eletrodo e quais superfícies de fluxo são interceptadas, correntes podem ser traçadas na faixa de quilo-amperagem.[087] In all cases, these electrodes are driven by power sources or pulsed at voltages up to about 800 V. Depending on the size of the electrode and which flow surfaces are intercepted, currents can be traced in the kilo-amperage range .

Operação não Sustentada do Sistema FRC - Regime ConvencionalNon-Sustained Operation of the FRC System - Conventional Regime

[088] A formação de plasma padrão no sistema FRC 10 segue a técnica bem desenvolvida de campo reverso theta-pinch. Um processo típico para o arranque de um FRC começa conduzindo as bobinas quase-cc 412, 414, 416, 420, 432, 434 e 436 para operação em estado fixo. Os circuitos de energia pulsados RFTP dos sistemas de formação de potência pulsada 210 conduzem então as bobinas de campo magnético invertidas de impulso rápido 232 para criar uma polarização invertida temporária de cerca de -0,05 T nas seções de formação 200. Neste ponto, uma quantidade predeterminada de gás neutro de a 9 a 20 psi é injetada nos dois volumes de formação definidos pelas câmaras de tubo de quartzo 240 das seções de formação (norte e sul) 200 através de um conjunto de válvulas de vaporização orientadas para azimutais nos flanges localizados nas extremidades exteriores das seções de formação 200 Em seguida, um pequeno campo RF (~ centenas de quilo- hertz) é gerado a partir de um conjunto de antenas na superfície dos tubos de quartzo 240 para criar 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 toque de “theta ringing” na corrente que conduz as bobinas de campo magnético invertidas de impulso rápido 232, o que conduz a uma pré-ionização mais global das colunas de gás. Finalmente, os principais bancos de potência pulsada dos sistemas de formação de potência pulsada 210 são acionados para impulsionar bobinas de campo magnético invertido rápido pulsado 232 para criar um campo de polarização direta de até 0,4 T. Esta etapa pode ser sequenciada no tempo de modo que o campo polarizado é gerado uniformemente ao longo do comprimento dos tubos de formação 240 (formação estática) ou de tal modo que é conseguida uma modulação de campo peristáltica consecutiva ao longo do eixo dos tubos de formação 240 (formação dinâmica).[088] Standard plasma formation in the FRC 10 system follows the well-developed reverse field theta-pinch technique. A typical process for starting an FRC begins by driving quasi-dc coils 412, 414, 416, 420, 432, 434, and 436 into steady-state operation. The RFTP pulsed power circuits of the pulsed power forming systems 210 then drive the fast pulse inverted magnetic field coils 232 to create a temporary inverted bias of about -0.05 T in the forming sections 200. At this point, a predetermined amount of neutral gas at 9 to 20 psi is injected into the two formation volumes defined by the quartz tube chambers 240 of the formation sections (north and south) 200 through a set of azimuthal-oriented vaporization valves on the flanges located at the outer ends of the forming sections 200 Next, a small RF field (~hundreds of kilohertz) is generated from an array of antennas on the surface of the quartz tubes 240 to create pre-ionization in the form of local regions of ionization of seeds within neutral gas columns. This is followed by applying a theta ringing modulation to the current driving the fast-pulsing inverted magnetic field coils 232, which leads to a more global pre-ionization of the gas columns. Finally, the main pulsed power banks of the pulsed power formation systems 210 are driven to drive pulsed fast inverted magnetic field coils 232 to create a forward bias field of up to 0.4 T. This step can be sequenced in time. such that the polarized field is generated uniformly along the length of the forming tubes 240 (static forming) or such that a consecutive peristaltic field modulation is achieved along the axis of the forming tubes 240 (dynamic forming).

[089] Em todo este processo de formação, a inversão de campo real no plasma ocorre rapidamente, em cerca de 5 μs. A energia pulsada de múltiplos gigawatts fornecida ao plasma de formação produz prontamente FRCs quentes que são depois ejetados das seções de formação 200 através da aplicação de uma modulação sequenciada do campo magnético direto (peristaltismo magnético) ou correntes temporariamente aumentadas nas últimas bobinas de conjuntos de bobina 232 perto das extremidades externas axiais dos tubos de formação 210 (formando um gradiente de campo magnético axial que aponta axialmente para a câmara de confinamento 100). As duas FRCs de formação (norte e sul) assim formadas e aceleradas expandem-se para dentro da câmara de confinamento de maior diâmetro 100, onde as bobinas quase-cc 412 produzem um campo polarizado para frente para controlar a expansão radial e proporcionar o fluxo magnético externo de equilíbrio.[089] Throughout this formation process, the real field inversion in the plasma occurs quickly, in about 5 μs. The multi-gigawatt pulsed power delivered to the forming plasma readily produces hot FRCs that are then ejected from the forming sections 200 through the application of a sequenced modulation of the direct magnetic field (magnetic peristalsis) or temporarily increased currents in the last coils of coil sets. 232 near the axial outer ends of the forming tubes 210 (forming an axial magnetic field gradient that points axially toward the confinement chamber 100). The two formation FRCs (north and south) thus formed and accelerated expand into the larger diameter confinement chamber 100, where quasi-dc coils 412 produce a forward-biased field to control radial expansion and provide flow. external magnetic balance.

[090] Uma vez que as FRCs de formação norte e sul chegam perto do plano médio da câmara de confinamento 100, as FRCs colidem. Durante a colisão, as energias cinéticas axiais das FRCs de formação norte e sul são amplamente térmicas à medida que os FRCs se fundem em um único FRC 450. Um grande conjunto de diagnósticos de plasma está disponível na câmara de confinamento 100 para estudar os equilíbrios do FRC 450. As condições operacionais típicas no sistema FRC 10 produzem FRCs compostos com raios de separação de cerca de 0,4 m e cerca de 3 m de extensão axial. Outras características são os campos magnéticos externos de cerca de 0,1 T, as densidades de plasma em torno de 5x1019 m-3 e a temperatura total no plasma de até 1 keV. Sem qualquer sustentação, isto é, sem condução de aquecimento e / ou corrente através de injeção de feixe de neutro ou outros meios auxiliares, o tempo de vida destes FRCs é limitado a cerca de 1 ms, o tempo de decaimento da configuração de características inerentes.[090] Once the north and south formation FRCs come close to the midplane of the confinement chamber 100, the FRCs collide. During the collision, the axial kinetic energies of the north and south forming FRCs are largely thermal as the FRCs merge into a single FRC 450. A large suite of plasma diagnostics is available in the confinement chamber 100 to study the equilibria of the FRC 450. Typical operating conditions in the FRC 10 system produce composite FRCs with separation radii of about 0.4 m and about 3 m in axial extension. Other features are external magnetic fields of around 0.1 T, plasma densities of around 5x1019 m-3 and total temperature in the plasma of up to 1 keV. Without any sustain, i.e. without conducting heat and/or current through neutral beam injection or other auxiliary means, the lifetime of these FRCs is limited to about 1 ms, the decay time of the inherent characteristic configuration. .

Dados Experimentais de Operação não Sustentada - Regime ConvencionalExperimental Data from Non-Sustained Operation - Conventional Regime

[091] A Figura 12 mostra uma evolução típica do tempo do raio de fluxo excluído, rΔΦ, que se aproxima do raio da separatriz, rs, para ilustrar a dinâmica do processo de fusão theta-pinch do FRC 450. Os dois (norte e sul) plasmoides individuais são produzidos simultaneamente e depois acelerados para fora das respectivas seções de formação 200 a uma velocidade supersônica, vZ ~ 250 km / s, e colidem próximo ao plano médio em z = 0. Durante a colisão, os plasmoides se comprimem axialmente, seguidos por uma rápida expansão radial e axial, antes de eventualmente se fundirem para formar um FRC 450. A dinâmica radial e axial da fusão FRC 450 são evidenciadas por medidas detalhadas do perfil de densidade e tomografia baseada em bolômetro.[091] Figure 12 shows a typical time evolution of the excluded flux radius, rΔΦ, which approaches the separatrix radius, rs, to illustrate the dynamics of the FRC 450 theta-pinch merger process. south) individual plasmoids are produced simultaneously and then accelerated out of the respective formation sections 200 at a supersonic speed, vZ ~ 250 km/s, and collide near the midplane at z = 0. During the collision, the plasmoids compress axially , followed by rapid radial and axial expansion, before eventually merging to form an FRC 450. The radial and axial dynamics of the FRC 450 merger are evidenced by detailed density profile measurements and bolometer-based tomography.

[092] Os dados de uma descarga não sustentada representativa do sistema FRC 10 são mostrados como funções do tempo nas Figuras 13A, 13B, 13C e 13D. O FRC é iniciado em t = 0. O raio de fluxo excluído no plano médio axial da máquina é mostrado na Figura 13A. Esses dados são obtidos a partir de uma matriz 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 bom conservador de fluxo nas escalas de tempo desta descarga.[092] Data from a representative non-sustained discharge of the FRC 10 system are shown as functions of time in Figures 13A, 13B, 13C and 13D. The FRC starts at t = 0. The excluded flow radius in the axial midplane of the machine is shown in Figure 13A. This data is obtained from an array of magnetic probes, located within the stainless steel wall of the confinement chamber, which measure the axial magnetic field. The steel wall is a good flow conservator on the time scales of this discharge.

[093] As densidades integradas na linha são mostradas na Figura 13B, a partir de um interferômetro CO2 / He-Ne de 6 cordas localizado em z = 0. Considerando o deslocamento vertical (y) da FRC, medido por tomografia bolométrica, a inversão de Abel produz os contornos de densidade das Figuras 13C. Depois de alguns esguichos axiais e radial durante os primeiros 0,1 ms, o FRC assenta num perfil de densidade oca. Este perfil é bastante plano, com densidade substancial no eixo, como requerido pelos típicos equilíbrios de FRC 2-D.[093] The line-integrated densities are shown in Figure 13B, from a 6-string CO2/He-Ne interferometer located at z = 0. Considering the vertical displacement (y) of the FRC, measured by bolometric tomography, the inversion of Abel produces the density contours of Figures 13C. After a few axial and radial squirts during the first 0.1 ms, the FRC settles into a hollow density profile. This profile is quite flat, with substantial on-axis density, as required by typical 2-D FRC equilibria.

[094] 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.[094] The total plasma temperature is shown in Figure 13D, derived from pressure equilibrium and fully consistent with Thomson scattering and spectroscopy measurements.

[095] A análise de todo o conjunto de fluxos excluídos indica que a forma da separatriz de FRC (aproximada pelos perfis axiais do fluxo excluído) evolui gradualmente de pista de corrida a elíptica. Esta evolução, mostrada na Figura 14, é consistente com uma reconexão magnética gradual de dois para um único FRC. De fato, estimativas aproximadas sugerem que neste instante em particular cerca de 10% dos dois fluxos magnéticos iniciais da FRC se reconectam durante a colisão.[095] Analysis of the entire set of excluded flows indicates that the shape of the FRC separatrix (approximated by the axial profiles of the excluded flow) gradually evolves from racetrack to elliptical. This evolution, shown in Figure 14, is consistent with a gradual magnetic reconnection from two to a single FRC. In fact, rough estimates suggest that at this particular instant about 10% of the FRC's two initial magnetic fluxes reconnect during the collision.

[096] O comprimento de FRC encolhe de forma constante de 3 para cerca de 1 m durante o tempo de vida do FRC. Este encolhimento, visível na Figura 14, sugere que a perda de energia predominantemente convectiva domina o confinamento da FRC. Como a pressão do plasma dentro da separatriz diminui mais rapidamente que a pressão magnética externa, a tensão da linha do campo magnético nas regiões finais comprime o FRC axialmente, restaurando o equilíbrio axial e radial. Para a descarga discutida nas Figuras 13 e 14, o fluxo magnético, inventário de partículas e energia térmica da FRC (cerca de 10 mWb, 7x1019 partículas e 7 kJ, respectivamente) diminuem aproximadamente uma ordem de grandeza no primeiro milissegundo, quando o equilíbrio da FRC parece diminuir.[096] The FRC length shrinks steadily from 3 to about 1 m during the lifetime of the FRC. This shrinkage, visible in Figure 14, suggests that predominantly convective energy loss dominates the confinement of the FRC. As the plasma pressure inside the separatrix decreases faster than the external magnetic pressure, the magnetic field line tension in the end regions compresses the FRC axially, restoring axial and radial balance. For the discharge discussed in Figures 13 and 14, the magnetic flux, particle inventory, and thermal energy of the FRC (about 10 mWb, 7x1019 particles, and 7 kJ, respectively) decrease by approximately an order of magnitude in the first millisecond, when the discharge balances. FRC appears to decrease.

Operação sustentada - Regime HPFSustained Operation - HPF Regime

[097] Os exemplos nas Figuras 12 a 14 são característicos de FRCs decadente sem qualquer sustentação. No entanto, várias técnicas são implantadas no sistema FRC 10 para melhorar ainda mais o confinamento de FRC (núcleo interno e camada de borda) ao regime de HPF e manter a configuração.[097] The examples in Figures 12 to 14 are characteristic of decaying FRCs without any support. However, several techniques are deployed in the FRC 10 system to further improve the confinement of FRC (inner core and edge layer) to the HPF regime and maintain the configuration.

Feixes NeutrosNeutral Beams

[098] Primeiramente, os neutros rápidos (H) são injetados perpendicularmente ao Bz nos feixes dos oito injetores de feixe neutro 600. Os feixes de neutros rápidos são injetados a partir do momento em que as FRCs de formação norte e sul se fundem na câmara de confinamento 100 em uma FRC. 450. Os íons rápidos, criados principalmente pela 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 característico) que se somam à corrente azimutal do 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 do FRC interno (ver, por exemplo, MW 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 neutro 600 também são o principal meio para acionar a corrente e aquecer o plasma de FRC.[098] Firstly, the fast neutrals (H) are injected perpendicular to the Bz in the beams of the eight neutral beam injectors 600. The fast neutral beams are injected from the moment the north and south formation FRCs merge in the chamber of confinement 100 in an FRC. 450. Fast ions, created primarily by charge exchange, have betatron orbits (with primary radii on the FRC topology scale or at least much larger than the characteristic magnetic field gradient length scale) that add to the azimuthal current of the FRC 450. After a fraction of the discharge (after 0.5 to 0.8 ms on trigger), a sufficiently large fast ionic population significantly improves the stability and confinement properties of the internal FRC (see, e.g., MW Binderbauer and N .Rostoker, Plasma Phys. 56, part 3). 451 (1996)). Additionally, from a sustainment perspective, the beams from the neutral beam injectors 600 are also the primary means for driving current and heating the FRC plasma.

[099] No regime de plasma do sistema FRC 10, os íons rápidos abrandam principalmente em 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 porque o campo magnético interno da FRC é inerentemente baixo (em torno de 0,03 T em média para um campo axial externo de 0,1 T). Os íons rápidos seriam vulneráveis a perda de troca de carga, se a densidade do gás neutro estivesse muito alta fora da separatriz. Portanto, técnicas de “gettering” de paredes e outras técnicas (como a pistola de plasma 350 e plugues de espelho 440 que contribuem, entre outras coisas, para o controle de gás) implantadas no sistema FRC tendem a minimizar os neutros de borda e possibilitam o acúmulo necessário de íon rápido atual.[099] In the plasma regime of the FRC 10 system, fast ions slow down mainly in plasma electrons. During the initial part of a discharge, typical in-orbit deceleration times of fast ions are 0.3 to 0.5 ms, which results in significant heating of FRC, particularly electrons. Fast ions make large radial excursions outside the separatrix because the internal magnetic field of the FRC is inherently low (around 0.03 T on average for an external axial field of 0.1 T). The fast ions would be vulnerable to loss of charge exchange if the density of the neutral gas was too high outside the separator. Therefore, wall gettering and other techniques (such as the 350 plasma gun and 440 mirror plugs that contribute, among other things, to gas control) deployed in the FRC system tend to minimize edge neutrals and enable the necessary accumulation of fast ion current.

Injeção de GrânuloGranule Injection

[0100] Quando uma população significativa de íons rápidos é construída dentro do FRC 450, com temperaturas de elétron mais altas e maiores tempos de vida de FRC, grânulos H ou D congeladas são injetados no FRC 450 a partir do injetor de grânulos 700 para sustentar o inventário de partículas FRC do FRC 450. As escalas de tempo de ablação previstas são suficientemente curtas para fornecer uma fonte significativa de partículas de FRC. Esta taxa pode ser também aumentada aumentando a área de superfície do peça injetada quebrando o grânulo individual em fragmentos menores enquanto nos canos ou tubos de injeção do injetor de grânulo 700 e antes de entrar na câmara de confinamento 100, uma etapa que pode ser conseguida por aumentar o atrito entre o grânulo e as paredes do tubo de injeção apertando o raio de curvatura do último segmento do tubo de injeção imediatamente antes da entrada na câmara de confinamento 100. Em virtude da variação da sequência de disparo e da taxa dos 12 cilindros (tubos de injeção) bem como a fragmentação, é possível ajustar o sistema 700 de injeção de grânulos para fornecer apenas o nível desejado de sustentação do inventário de partículas. Por sua vez, isso ajuda a manter a pressão cinética interna no FRC 450 e a operação sustentada e a vida útil do FRC 450.[0100] When a significant population of fast ions is built up within the FRC 450, with higher electron temperatures and longer FRC lifetimes, frozen H or D beads are injected into the FRC 450 from the bead injector 700 to sustain the FRC particle inventory from FRC 450. The anticipated ablation time scales are sufficiently short to provide a significant source of FRC particles. This rate can also be increased by increasing the surface area of the injected part by breaking the individual bead into smaller fragments while in the injection pipes or tubes of the bead injector 700 and before entering the confinement chamber 100, a step that can be achieved by increase the friction between the bead and the walls of the injection tube by tightening the radius of curvature of the last segment of the injection tube immediately before entering the confinement chamber 100. Due to the variation in the firing sequence and the rate of the 12 cylinders ( injection tubes) as well as fragmentation, it is possible to adjust the granule injection system 700 to provide just the desired level of particle inventory support. In turn, this helps maintain internal kinetic pressure in the FRC 450 and the sustained operation and service life of the FRC 450.

[0101] Uma vez que os átomos separados encontram plasma significativo no FRC 450, eles tornam-se totalmente ionizado. O componente de plasma frio resultante é então aquecido por colisão pelo plasma de FRC inerente. A energia necessária para manter uma temperatura desejada da FRC é finalmente fornecida pelos injetores de feixe 600. Neste sentido, os injetores de grânulo 700 em conjunto com os injetores de feixe neutro 600 formam o sistema que mantém um estado fixo e sustenta o FRC 450.[0101] Once the separated atoms encounter significant plasma in FRC 450, they become fully ionized. The resulting cold plasma component is then collisionally heated by the inherent FRC plasma. The energy required to maintain a desired temperature of the FRC is ultimately supplied by the beam injectors 600. In this sense, the bead injectors 700 together with the neutral beam injectors 600 form the system that maintains a fixed state and sustains the FRC 450.

Injetor CTCT Injector

[0102] Como uma alternativa para o injetor de grânulos é fornecido um injetor toróide compacto (CT), principalmente para alimentar plasmas de configuração de campo reverso (FRCs). O injetor CT 720 compreende uma pistola de plasma coaxial magnetizada (MCPG) que, como mostrado nas Figuras 22A e 22B, inclui eletrodos cilíndricos internos e externos coaxiais 722 e 724, uma bobina de polarização posicionada dentro do eletrodo interno 726 e uma ruptura elétrica 728 em uma extremidade oposta à descarga do injetor CT 720. O gás é injetado através de uma porta de injeção de gás 730 um espaço entre os eletrodos interno e externo 722 e 724 e um plasma do tipo Spheromak é gerado a partir dele 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 próximo e em lados opostos do plano médio do recipiente 100 para injetar CTs no plasma central de FRC dentro do recipiente de confinamento 100. A extremidade de descarga dos injetores de TC 720 são dirigidas para o plano médio do recipiente de confinamento 100 num ângulo em relação ao eixo longitudinal do recipiente de confinamento 100, semelhante aos injetores de feixe neutro 615.[0102] As an alternative to the bead injector, a compact toroid injector (CT) is provided, mainly for feeding field-reversed configuration plasmas (FRCs). The CT injector 720 comprises a magnetized coaxial plasma gun (MCPG) which, as shown in Figures 22A and 22B, includes coaxial inner and outer cylindrical electrodes 722 and 724, a bias coil positioned within the inner electrode 726, and an electrical break 728 at one end opposite the discharge of the CT injector 720. Gas is injected through a gas injection port 730 into a space between the inner and outer electrodes 722 and 724 and a Spheromak-type plasma is generated from it by discharge and pushed out of the pistol by Lorentz force. As shown in Figures 23A and 23B, a pair of CT injectors 720 are coupled to the containment vessel 100 near and on opposite sides of the midplane of the vessel 100 to inject CTs into the central FRC plasma within the containment vessel 100. The end of Discharges from the TC injectors 720 are directed toward the midplane of the containment vessel 100 at an angle to the longitudinal axis of the containment vessel 100, similar to neutral beam injectors 615.

[0103] Numa modalidade alternativa, o injetor CT 720, como mostrado nas Figuras 24A e 24B, inclui um tubo de desvio 740 compreendendo um tubo cilíndrico alongado acoplado à extremidade de descarga do injetor CT 720. Como representado, o tubo de desvio 740 inclui bobinas de tubo de desvio 742 posicionadas em torno e axialmente espaçadas ao longo do tubo. Uma pluralidade de portas de diagnóstico 744 está representada ao longo do comprimento do tubo.[0103] In an alternative embodiment, the CT injector 720, as shown in Figures 24A and 24B, includes a bypass tube 740 comprising an elongated cylindrical tube coupled to the discharge end of the CT injector 720. As depicted, the bypass tube 740 includes bypass tube coils 742 positioned around and axially spaced along the tube. A plurality of diagnostic ports 744 are represented along the length of the tube.

[0104] As vantagens do injetor CT 720 são: (1) controle e ajustabilidade do inventário de partículas por TC injetada; (2) plasma quente é depositado (em vez de grânulos criogênicos); (3) o sistema pode ser operado em modo de taxa de repetição de modo a permitir o abastecimento contínuo; (4) o sistema também pode restaurar algum fluxo magnético como os CTs injetados que carregam campo magnético incorporado. Numa 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 um modo preferido, revestida com tungstênio de modo a reduzir as impurezas que saem do eletrodo 722. Tal como descrito, a bobina de polarização 726 é montada dentro do eletrodo interno 722.[0104] The advantages of the CT 720 injector are: (1) control and adjustability of the particle inventory per injected CT; (2) hot plasma is deposited (instead of cryogenic beads); (3) the system can be operated in repeat rate mode to allow continuous supply; (4) the system can also restore some magnetic flux as the injected CTs carry built-in magnetic field. In one embodiment for experimental use, the inner diameter of an outer electrode is 83.1 mm and the outer diameter of an inner electrode is 54.0 mm. The surface of the internal electrode 722 is preferably coated with tungsten so as to reduce impurities leaving the electrode 722. As described, the polarization coil 726 is mounted within the internal electrode 722.

[0105] 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 ~ 5 x 1021 m-3, temperatura do elétron ~ 30-50 eV e inventário de partículas de ~ 0,5-1,0 x 1019. A alta pressão cinética de TC permite que o plasma injetado penetre profundamente no FRC e deposite as partículas dentro da separatriz. Em experimentos recentes, o abastecimento de partículas de FRC resultou em ~10-20% do inventário de partículas de FRC sendo fornecido pelos injetores de CT demonstrando com sucesso que o abastecimento de combustível pode ser prontamente realizado sem interromper o plasma de FRC.[0105] In recent experiments, a supersonic CT translational speed of up to ~100 km/s has been achieved. Other typical plasma parameters are as follows: electron density ~ 5 x 1021 m-3, electron temperature ~ 30-50 eV and particle inventory of ~ 0.5-1.0 x 1019. The high kinetic pressure of TC allows the injected plasma to penetrate deep into the FRC and deposit particles within the separatrix. In recent experiments, fueling of FRC particles resulted in ~10-20% of the FRC particle inventory being supplied by the CT injectors successfully demonstrating that fueling can be readily accomplished without disrupting the FRC plasma.

Bobinas de SelaSaddle Coils

[0106] Para atingir o acionamento de corrente em regime permanente e manter a corrente de íons necessária, é desejável impedir ou reduzir significativamente a rotação de elétrons devido à força de atrito de íon de elétron (resultante da transferência momentânea de elétron de íon de colisão). O sistema FRC 10 utiliza uma técnica inovadora para fornecer a quebra de elétrons através de um dipolo magnético estático aplicado externamente ou campo quadrupolo. Isto é conseguido através das bobinas de sela externas 460 representadas na Figura 15. O campo magnético radial aplicado transversalmente das bobinas de sela 460 induz um campo elétrico axial no plasma de FRC rotativo. A corrente de elétrons axiais resultante interage com o campo magnético radial para produzir uma força de ruptura azimutal nos elétrons, Fθ = -oVeθ<|Brl2>. Para condições típicas no sistema FRC 10, o campo de dipolo magnético aplicado (ou quadrupolo) requerido dentro do plasma precisa ser apenas de ordem 0,001 T para fornecer a quebra de elétrons adequada. O campo externo correspondente de cerca de 0,015 T é pequeno o suficiente para não causar perdas apreciáveis de partículas rápidas ou afetar negativamente o confinamento. Na verdade, o campo de dipolo magnético aplicado (ou quadrupolo) contribui para suprimir as instabilidades. Em combinação com injeção de feixe neutro tangencial e injeção de plasma axial, as bobinas de sela 460 fornecem um nível adicional de controle com relação à manutenção e estabilidade atuais.[0106] To achieve steady-state current drive and maintain the required ion current, it is desirable to prevent or significantly reduce electron rotation due to electron-ion frictional force (resulting from momentary electron transfer from collision ion ). The FRC 10 system utilizes an innovative technique to provide electron splitting via an externally applied static magnetic dipole or quadrupole field. This is achieved through the external saddle coils 460 depicted in Figure 15. The transversely applied radial magnetic field of the saddle coils 460 induces an axial electric field in the rotating FRC plasma. The resulting axial electron current interacts with the radial magnetic field to produce an azimuthal breaking force on the electrons, Fθ = -oVeθ<|Brl2>. For typical conditions in the FRC 10 system, the applied magnetic dipole (or quadrupole) field required within the plasma need only be of order 0.001 T to provide adequate electron splitting. The corresponding external field of about 0.015 T is small enough not to cause appreciable loss of fast particles or adversely affect confinement. In fact, the applied magnetic dipole (or quadrupole) field contributes to suppressing instabilities. In combination with tangential neutral beam injection and axial plasma injection, 460 saddle coils provide an additional level of control with regards to current maintenance and stability.

Plugues de EspelhoMirror Plugs

[0107] O projeto das bobinas pulsadas 444 dentro dos plugues de espelho 440 permite a geração local de campos magnéticos altos (2 a 4 T) com energia capacitiva modesta (cerca de 100 kJ). Para formação de campos magnéticos típicos da presente operação do sistema 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 contato de parede de plasma não ocorre. Além disso, os plugues de espelho 440 em tandem com os ímãs de divisores quase-cc 416 podem ser ajustados de modo a guiar as linhas de campo para os eletrodos de desviador 910, ou alargar as linhas de campo numa configuração de cúspide final (não mostrada). Este último melhora a estabilidade e suprime a condução térmica de elétron paralela.[0107] The design of the pulsed coils 444 within the mirror plugs 440 allows for the local generation of high magnetic fields (2 to 4 T) with modest capacitive energy (about 100 kJ). For formation of magnetic fields typical of the present operation of the FRC system 10, all field lines within the formation volume are passing through the constrictions 442 in the mirror plugs 440, as suggested by the magnetic field lines in Figure 2 and wall contact. of plasma does not occur. Additionally, the mirror plugs 440 in tandem with the quasi-dc splitter magnets 416 can be adjusted to guide the field lines to the diverter electrodes 910, or widen the field lines in an end-cusp configuration (not shown). The latter improves stability and suppresses parallel electron thermal conduction.

[0108] Os plugues de espelho 440 por si 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, uma vez que a passagem de gás para os divertores 300 é significativamente reduzida pela pequena condutância dos plugues (uns escassos 500 L / s) . A maior parte do gás residual inchado dentro dos tubos de formação 210 é rapidamente ionizado. Além disso, o plasma de alta densidade que flui através dos plugues de espelho 440 proporciona uma ionização neutra eficiente, portanto, uma barreira de gás eficaz. Como resultado, a maioria dos neutros reciclados nos divertores 300 da camada de borda FRC 456 não retorna à câmara de confinamento 100. Além disso, os neutros associados com o funcionamento das pistolas de plasma 350 (como comentado abaixo) será principalmente confinado aos divertores 300.[0108] Mirror plugs 440 themselves also contribute to neutral gas control. The mirror plugs 440 allow better utilization of the deuterium gas blown into the quartz tubes during FRC formation, since the gas flow to the divertors 300 is significantly reduced by the small conductance of the plugs (a meager 500 L/ s) . Most of the residual gas swollen within the forming tubes 210 is rapidly ionized. Furthermore, the high-density plasma flowing through the mirror plugs 440 provides efficient neutral ionization, hence an effective gas barrier. As a result, most of the neutrals recycled in the divertors 300 of the FRC edge layer 456 do not return to the confinement chamber 100. Furthermore, the neutrals associated with the operation of the plasma guns 350 (as discussed below) will be primarily confined to the divertors 300 .

[0109] Finalmente, os plugues de espelho 440 tendem a melhorar o confinamento da camada de borda FRC. Com as proporções 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 partículas de camada de borda TH aumenta até uma ordem de grandeza. Melhorar TH aumenta prontamente o confinamento de partículas FRC.[0109] Finally, mirror plugs 440 tend to improve confinement of the FRC edge layer. With mirror ratios (plug/confinement magnetic fields) in the range of 20 to 40 and with a length of 15 m between the north and south mirror plugs 440, the TH edge layer particle confinement time increases up to a order of magnitude. Improving TH readily increases FRC particle confinement.

[0110] Presumindo que a perda de partículas radiais difusas (D) do volume da separatriz 453, equilibrado pela perda axial (th) da camada de borda 456, obtém- se (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/Tii), a partir do qual o comprimento do gradiente de densidade da separatriz pode ser reescrito como δ = (DTH)1/2 Aqui rs, Ls e ns são raio separatriz, comprimento de separatriz e densidade de separatriz, respectivamente. O tempo de confinamento da partícula FRC é tN = [πrs2Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(T±Tii)1/2, onde T± = a2/D com a=rs/4. Fisicamente, melhorar TH leva a um aumento δ (gradiente de densidade de separatriz e parâmetro de desvio reduzidos) e, portanto, redução de perda de partículas de FRC. A melhoria geral no confinamento de partículas de FRC é geralmente um pouco menor do que quadrática, porque ns aumenta com TH.[0110] Assuming that the loss of diffuse radial particles (D) from the volume of the separator 453, balanced by the axial loss (th) of the edge layer 456, we obtain (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns /Tii), from which the length of the separatrix density gradient can be rewritten as δ = (DTH)1/2 Here rs, Ls and ns are separatrix radius, separatrix length and separatrix density, respectively. The confinement time of the FRC particle is tN = [πrs2Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(T±Tii)1/2, where T± = a2/ D with a=rs/4. Physically, improving TH leads to increased δ (reduced separatrix density gradient and drift parameter) and therefore reduced FRC particle loss. The overall improvement in FRC particle confinement is generally somewhat less than quadratic, because ns increases with TH.

[0111] Uma melhoria significativa em TH também exige que a camada de borda 456 permaneça totalmente estável (ou seja, não n = 1 estria, mangueira de incêndio ou outra instabilidade MHD típica de sistemas abertos). A utilização das pistolas de plasma 350 fornece esta estabilidade de bordo preferida. Neste sentido, os plugues de espelho 440 e a pistola de plasma 350 formam um sistema de controle de bordo eficaz.[0111] A significant improvement in TH also requires that the edge layer 456 remains fully stable (i.e., no n = 1 spline, firehose, or other MHD instability typical of open systems). The use of 350 plasma guns provides this preferred onboard stability. In this sense, the mirror plugs 440 and the plasma gun 350 form an effective onboard control system.

Pistolas de PlasmaPlasma Pistols

[0112] As pistolas de plasma 350 melhoraram a estabilidade dos jatos de escape 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 aceder ao regime FRC cinético híbrido avançado, conforme descrito nesta descrição. Portanto, as pistolas de plasma 350 permitem que o sistema FRC 10 seja operado com correntes de bobina de sela apenas adequadas para a quebra de elétrons, mas abaixo do limiar que causaria instabilidade de FRC e / ou levaria a uma rápida e dramática difusão de partículas.[0112] Plasma Guns 350 have improved the stability of FRC 454 exhaust jets by line tying. The pistol plasmas of the 350 Plasma Guns are generated without azimuthal angular momentum, which proves to be useful in controlling FRC rotational instabilities. As such, 350 pistols are an effective means of controlling FRC stability without the need for the older quadrupole stabilization technique. As a result, Plasma Guns 350 make it possible to take advantage of the beneficial effects of fast particles or access the advanced hybrid kinetic FRC regime as described in this description. Therefore, the 350 plasma guns allow the FRC 10 system to be operated with saddle coil currents just suitable for electron splitting, but below the threshold that would cause FRC instability and/or lead to rapid and dramatic particle diffusion. .

[0113] Como mencionado no comentário acima do Plugue de Espelho, se th puder ser significativamente melhorado, o plasma de pistola fornecido seria comparável à taxa de perda de partículas de camada de borda. (~ 1022 / s). A vida útil do plasma produzido pelo canhão no sistema FRC 10 está na faixa de milissegundos. De fato, considere o plasma de canhão com densidade ne ~ 1013 cm-3 e temperatura iônica de cerca de 200 eV, confinados entre os plugues de espelho final 440. O comprimento de armadilha L e proporção de espelho R é de aproximadamente 15 m e 20, respectivamente. O caminho livre médio de íon devido às colisões de Coulomb é Xii ~ 6x103 cm e, como XülnR/R < L, os íons estão confinados no regime dinâmico de gás. O tempo de confinamento do plasma neste regime é Tgd ~ RL/2Vs ~ 2 ms, onde Vs é a velocidade do som de íon. Para comparação, o tempo de confinamento de íon clássico para estes parâmetros de plasma seria Tc ~ 0.5Tii(lnR + (lnR)0-5) ~ 0.7 ms. A difusão transversal anômala pode, em princípio, encurtar o tempo de confinamento do plasma. No entanto, no sistema FRC 10, se assumirmos a taxa de difusão de Bohm, o tempo de confinamento transversal estimado para o plasma da pistola é T± > Tgd ~ 2 ms. Assim, as pistolas proporcionariam um reabastecimento significativo da camada de borda de FRC 456, e um confinamento de partícula de FRC total melhorado.[0113] As mentioned in the above Mirror Plug comment, if th could be significantly improved, the gun plasma provided would be comparable to the edge layer particle loss rate. (~1022/s). The lifetime of the plasma produced by the cannon in the FRC 10 system is in the millisecond range. In fact, consider the gun plasma with density ne ~ 1013 cm-3 and ionic temperature of about 200 eV, confined between the end mirror plugs 440. The trap length L and mirror ratio R is approximately 15 m and 20 , respectively. The ion mean free path due to Coulomb collisions is Xii ~ 6x103 cm and, since XülnR/R < L, the ions are confined in the gas dynamic regime. The plasma confinement time in this regime is Tgd ~ RL/2Vs ~ 2 ms, where Vs is the ion sound speed. For comparison, the classical ion confinement time for these plasma parameters would be Tc ~ 0.5Tii(lnR + (lnR)0-5) ~ 0.7 ms. Anomalous transverse diffusion can, in principle, shorten the plasma confinement time. However, in the FRC 10 system, if we assume the Bohm diffusion rate, the estimated transverse confinement time for the gun plasma is T± > Tgd ~ 2 ms. Thus, the guns would provide significant replenishment of the FRC 456 edge layer, and improved total FRC particle confinement.

[0114] Além disso, as correntes de plasma de pistola podem ser ligadas em cerca de 150 a 200 microssegundos, o que permite uso em partida de FRC, a translação e fusão na câmara de confinamento 100. Se ligado em torno de t ~ 0 (iniciação de banco principal FRC), os plasmas de pistola ajudam a sustentar o FRC 450 dinamicamente formado e mesclado. Os inventários de partículas combinados dos FRCs de formação e das pistolas são adequados para captura de feixe neutro, aquecimento de 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 inflado nos tubos de quartzo, permitindo assim a formação de FRC com gás reduzido ou até mesmo zero. Este último pode exigir plasma de formação suficientemente frio para permitir a rápida difusão do campo magnético de polarização invertida. Se ligada a t <-2 ms, as correntes de plasma poderiam preencher o volume da linha de campo de cerca de 1 a 3 m3 das regiões de formação e confinamento das seções de formação 200 e da câmara de confinamento 100 com uma densidade de plasma alvo de 1013 cm 3, suficiente para permitir o acúmulo de feixe de neutro antes da chegada do FRC. A formação de FRCs poderia então ser formada e transladada no plasma resultante do recipiente de confinamento. Desta forma, as pistolas de plasma 350 permitem uma ampla variedade de condições operacionais e regimes de parâmetros.[0114] Additionally, gun plasma currents can be turned on in about 150 to 200 microseconds, which allows for use in FRC starting, translation and fusion in confinement chamber 100. If turned on around t ~ 0 (FRC main bank initiation), pistol plasmas help support the dynamically formed and merged FRC 450. The combined particle inventories of the formation FRCs and the guns are suitable for neutral beam trapping, plasma heating, and long sustain. If activated at t in the range of -1 to 0 ms, gun plasmas can fill the 210 quartz tubes with plasma or ionize the inflated gas in the quartz tubes, thus allowing the formation of reduced or even zero gas FRC. The latter may require formation plasma cold enough to allow rapid diffusion of the reversed polarization magnetic field. If turned on at t < -2 ms, the plasma currents could fill the field line volume of about 1 to 3 m3 of the formation and confinement regions of the formation sections 200 and the confinement chamber 100 with a target plasma density. of 1013 cm 3, sufficient to allow the neutral beam to accumulate before the arrival of the FRC. The formation of FRCs could then be formed and translated into the plasma resulting from the confinement vessel. In this way, the 350 plasma guns allow for a wide variety of operating conditions and parameter regimes.

Polarização ElétricaElectrical Polarization

[0115] O controle do perfil do campo elétrico radial na camada de borda 456 é benéfico de várias maneiras para a estabilidade e confinamento da FRC. Em virtude dos componentes de polarização inovadores implantados no sistema FRC 10 é possível aplicar uma variedade de distribuições deliberadas de potenciais elétricos a um grupo de superfícies de fluxo aberto ao longo da máquina a partir de áreas bem fora da região central de confinamento na câmara de confinamento 100. Deste modo, os campos elétricos radiais podem ser gerados através da camada de bordo 456 do lado de fora do FRC 450. Estes campos elétricos radiais então modificam a rotação azimutal da camada de borda 456 e efetuam o seu confinamento através de cisalhamento de velocidade E x B. Qualquer rotação diferencial entre a camada de bordo 456 e o núcleo de FRC 453 pode então ser transmitida para dentro do plasma de FRC por cisalhamento. Como resultado, controlar a camada de borda 456 impacta diretamente o núcleo de FRC 453. Além disso, como a energia livre na rotação de plasma também pode ser responsável por instabilidades, essa técnica fornece um meio direto para controlar o início e o crescimento de instabilidades. No sistema FRC 10, a polarização de bordas apropriada proporciona um controle efetivo do transporte e da rotação da linha de campo aberto, bem como da rotação do núcleo da FRC. A localização e a forma dos vários eletrodos fornecidos 900, 905, 910 e 920 permitem o controlo de diferentes grupos de superfícies de fluxo 455 e em potenciais diferentes e independentes. Desta forma, uma ampla faixa de diferentes configurações e intensidades de campo elétrico pode ser realizada, cada uma com um impacto característico diferente no desempenho do plasma.[0115] Controlling the radial electric field profile in the edge layer 456 is beneficial in several ways to the stability and confinement of the FRC. By virtue of the innovative biasing components implemented in the FRC 10 system it is possible to apply a variety of deliberate distributions of electrical potentials to a group of open flow surfaces along the machine from areas well outside the central confinement region in the confinement chamber. 100. In this way, radial electric fields can be generated across the edge layer 456 on the outside of the FRC 450. These radial electric fields then modify the azimuthal rotation of the edge layer 456 and effect its confinement through velocity shear. E x B. Any differential rotation between the edge layer 456 and the FRC core 453 can then be transmitted into the FRC plasma by shear. As a result, controlling the 456 edge layer directly impacts the FRC 453 core. Furthermore, because the free energy in plasma rotation can also be responsible for instabilities, this technique provides a direct means to control the initiation and growth of instabilities. . In the FRC 10 system, appropriate edge polarization provides effective control of the transport and rotation of the open field line, as well as the rotation of the FRC core. The location and shape of the various provided electrodes 900, 905, 910 and 920 allow control of different groups of flow surfaces 455 and at different and independent potentials. In this way, a wide range of different electric field configurations and strengths can be realized, each with a different characteristic impact on plasma performance.

[0116] Uma vantagem chave de todas estas técnicas de polarização inovadoras é o fato de que o comportamento do núcleo e borda do plasma pode ser afetado de fora do plasma de FRC, ou seja, não há necessidade de trazer quaisquer componentes físicos 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 possíveis aplicações do conceito HPF.[0116] A key advantage of all these innovative polarization techniques is the fact that the behavior of the plasma core and edge can be affected from outside the FRC plasma, i.e. there is no need to bring any physical components into contact with the central hot plasma (which would have severe implications for energy, flow and particle losses). This has a huge beneficial impact on performance and all possible applications of the HPF concept.

Dados Experimentais - Operação HPFExperimental Data - Operation HPF

[0117] A injeção de partículas rápidas via feixes de pistolas de feixe neutro 600 desempenha um papel importante na habilitação do regime de HPF. As Figuras 16A, 16B, 16C e 16D ilustram este fato. É representado um conjunto de curvas que mostra como a vida útil do FRC está correlacionada com o comprimento dos pulsos do feixe. Todas as outras condições operacionais são mantidas constantes para todas as descargas que compõem 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 mais longos. Olhando para esta evidência, bem como outros diagnósticos durante este estudo, fica demonstrado que os feixes aumentam a estabilidade e reduzem as perdas. A correlação entre o comprimento de impulso de feixe e a duração da FRC não é perfeita, porque a armadilha de feixe se torna ineficiente abaixo de um determinado tamanho de plasma, isto é, na medida em que o FRC 450 encolhe no tamanho físico, nem todos os feixes injetados são interceptados e retidos. A contração da FRC deve-se principalmente ao fato de que a perda líquida de energia (~ 4 MW a meio caminho através da descarga) do plasma de FRC durante a descarga é um pouco maior que a energia total alimentada na FRC via feixes neutros (~ 2,5 MW ) para a configuração experimental particular. A localização dos feixes em um local mais próximo do plano médio do recipiente 100 tenderia a reduzir essas perdas e prolongar a vida útil da FRC.[0117] Fast particle injection via neutral beam gun beams 600 plays an important role in enabling the HPF regime. Figures 16A, 16B, 16C and 16D illustrate this fact. A set of curves is depicted that shows how the lifetime of the FRC is correlated with the length of the beam pulses. All other operating conditions are held constant for all discharges comprising this study. The data is averaged over many shots and therefore represents typical behavior. It is evident that longer beam duration produces longer FRCs. Looking at this evidence, as well as other diagnostics during this study, it is demonstrated that the beams increase stability and reduce losses. The correlation between beam pulse length and FRC duration is not perfect, because the beam trap becomes inefficient below a certain plasma size, i.e., as the FRC 450 shrinks in physical size, nor all injected beams are intercepted and retained. The FRC contraction is mainly due to the fact that the net energy loss (~4 MW halfway through discharge) from the FRC plasma during discharge is somewhat greater than the total energy fed into the FRC via neutral beams ( ~2.5 MW) for the particular experimental setup. Locating the beams at a location closer to the midplane of the container 100 would tend to reduce these losses and extend the service life of the FRC.

[0118] As figuras 17A, 17B, 17C e 17D ilustram os efeitos de diferentes componentes para atingir o regime HPF. Mostra uma família de curvas típicas representando o tempo de vida do FRC 450 como uma função do tempo. Em todos os casos, uma quantidade constante e modesta de potência do feixe (cerca de 2,5 MW) é injetada durante toda a duração de cada descarga. Cada curva é representativa de uma combinação diferente de componentes. Por exemplo, o funcionamento do sistema FRC 10 sem quaisquer plugues de espelho 440, as pistolas de plasma 350 ou gettering a partir dos sistemas gettering 800 resultam no início rápido da instabilidade de rotação e na perda da topologia de FRC. Adicionando apenas os plugues de espelho 440 retarda o início de instabilidades e aumenta o confinamento. Utilizando a combinação de plugues de espelho 440 e uma pistola de plasma 350 reduz ainda mais as instabilidades e aumenta a vida útil do FRC. Finalmente a adição de gettering (Ti neste caso) no topo da pistola 350 e dos plugues 440 produz os melhores resultados - o FRC resultante é livre de instabilidades e exibe a vida útil mais longa. Fica claro nesta demonstração experimental que a combinação completa de componentes produz o melhor efeito e fornece aos feixes as melhores condições de alvo.[0118] Figures 17A, 17B, 17C and 17D illustrate the effects of different components to achieve the HPF regime. Shows a family of typical curves representing the lifetime of the FRC 450 as a function of time. In all cases, a constant and modest amount of beam power (about 2.5 MW) is injected throughout the duration of each discharge. Each curve is representative of a different combination of components. For example, operation of the FRC system 10 without any mirror plugs 440, plasma guns 350, or gettering from gettering systems 800 results in rapid onset of spin instability and loss of FRC topology. Adding just the 440 mirror plugs delays the onset of instabilities and increases confinement. Using the combination of 440 mirror plugs and a 350 plasma gun further reduces instabilities and increases the service life of the FRC. Finally the addition of gettering (Ti in this case) on top of the 350 gun and 440 plugs produces the best results - the resulting FRC is free of instabilities and exhibits the longest service life. It is clear from this experimental demonstration that the complete combination of components produces the best effect and provides the beams with the best target conditions.

[0119] Como mostrado na Figura 1, o recém-descoberto regime HPF exibe comportamento de transporte dramaticamente melhorado. A Figura 1 ilustra a mudança no tempo de confinamento de partículas no sistema FRC 10 entre o regime convencional e o regime HPF. Como pode ser visto, melhorou 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 FRC 10 em relação ao tempo de confinamento de partículas em experiências de FRC convencionais anteriores. Com relação a essas outras máquinas, o regime HPF do sistema FRC 10 melhorou o confinamento por um fator entre 5 e próximo de 20. Finalmente, e mais importante, a natureza da escala de confinamento do sistema FRC 10 no regime de HPF é dramaticamente diferente de todas as medições anteriores. Antes do estabelecimento do regime HPF no sistema FRC 10, várias leis de escala empírica foram derivadas de dados para prever tempos de confinamento em experimentos anteriores de FRC. Todas essas regras de escalonamento dependem principalmente da razão R2 / pi, onde R é o raio do campo magnético nulo (uma medida livre da escala física da máquina) e pi é o raio de Larmor de íon avaliado no campo aplicado externamente (a medida perdida do campo magnético aplicado). Fica claro na Figura 1 que o confinamento prolongado em FRCs convencionais só é possível em tamanho grande da máquina e / ou campo magnético alto. Operar o sistema FRC 10 no CRC do regime FR convencional tende a seguir essas regras de escala, como indicado na Figura 1. No entanto, o regime HPF é muito superior e mostra que é possível um confinamento muito melhor sem grandes máquinas ou campos magnéticos elevados. Mais importante, também fica claro na Figura 1 que o HPF regime resulta em melhor tempo de confinamento com redução do tamanho do plasma em comparação com o regime de CR. Tendências semelhantes 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 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 FRC 10 e futuras máquinas de alta energia. De mãos dadas com estas melhorias, os custos operacionais e de construção são mais baixos, bem como a redução da complexidade de engenharia.[0119] As shown in Figure 1, the newly discovered HPF regime exhibits dramatically improved transport behavior. Figure 1 illustrates the change in particle confinement time in the FRC 10 system between the conventional regime and the HPF regime. As can be seen, it improved by more than a factor of 5 on the HPF regimen. Additionally, Figure 1 details the particle confinement time in the FRC 10 system relative to the particle confinement time in previous conventional FRC experiments. Relative to these other machines, the FRC 10 system's HPF regime improved confinement by a factor of between 5 and close to 20. Finally, and most importantly, the nature of the FRC 10 system's scale of confinement in the HPF regime is dramatically different. of all previous measurements. Prior to the establishment of the HPF regime in the FRC 10 system, several empirical scaling laws were derived from data to predict confinement times in previous FRC experiments. All these scaling rules depend mainly on the ratio R2/pi, where R is the radius of the zero magnetic field (a measure free of the physical scale of the machine) and pi is the ion Larmor radius evaluated in the externally applied field (the measure lost of the applied magnetic field). It is clear from Figure 1 that prolonged confinement in conventional FRCs is only possible at large machine size and/or high magnetic field. Operating the FRC 10 system in the CRC of the conventional FR regime tends to follow these scaling rules, as indicated in Figure 1. However, the HPF regime is far superior and shows that much better confinement is possible without large machines or high magnetic fields. . More importantly, it is also clear from Figure 1 that the HPF regime results in improved confinement time with reduced plasma size compared to the CR regime. Similar trends are also visible for flow and energy confinement times, as described below, which have also increased by a factor of 3 to 8 in the FRC 10 system. The advancement of the HPF regime therefore allows the use of modest beam power , lower magnetic fields and smaller size to sustain and maintain FRC balances in the FRC 10 system and future high energy machines. Hand in hand with these improvements, operating and construction costs are lower, as well as reduced engineering complexity.

[0120] Para comparação adicional, as Figuras 18A, 18B, 18C e 18D mostram dados de uma descarga de regime HPF representativa no sistema FRC 10 em função do tempo. A figura 18A mostra o raio de fluxo excluído no plano médio. Para essas escalas de tempo mais longas, a parede de aço de condução não é mais um bom conservador de fluxo e as sondas magnéticas internas à parede são aumentadas com sondas fora da parede para considerar 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.[0120] For further comparison, Figures 18A, 18B, 18C and 18D show data from a representative HPF regime discharge in the FRC 10 system as a function of time. Figure 18A shows the excluded flow radius in the midplane. For these longer time scales, the driving steel wall is no longer a good flux conservator and the in-wall magnetic probes are augmented with out-of-wall probes to adequately account for magnetic flux diffusion through the steel. Compared to typical performance in conventional duty CR, as shown in Figures 13A, 13B, 13C, and 13D, the HPF duty operating mode exhibits more than 400% longer lifetime.

[0121] Uma corda representativa do traço de densidade integrado de linha é mostrado na Figura 18B com seu complemento invertido Abel, os contornos de densidade, na Figura 18C. Comparado com o regime CR FRC convencional, como mostrado nas Figuras 13A, 13B, 13C e 13D, o plasma é mais móvel ao longo do pulso, indicativo de operação muito estável. A densidade de pico também é um pouco menor nos disparos HPF - isso é uma consequência da temperatura do plasma total mais alta (até um fator de 2), como mostrado na Figura 18D.[0121] A representative chord of the line integrated density trace is shown in Figure 18B with its inverted complement Abel, the density contours, in Figure 18C. Compared to the conventional CR FRC regime, as shown in Figures 13A, 13B, 13C and 13D, the plasma is more mobile along the pulse, indicative of very stable operation. The peak density is also somewhat lower in HPF shots - this is a consequence of the higher total plasma temperature (up to a factor of 2), as shown in Figure 18D.

[0122] Para a respectiva descarga ilustrada nas Figuras 18A, 18B, 18C e 18D, os tempos de confinamento de energia, partículas 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.[0122] For the respective discharge illustrated in Figures 18A, 18B, 18C and 18D, the energy, particle and flow confinement times are 0.5 ms, 1 ms and 1 ms, respectively. At a reference time of 1 ms on discharge, the stored plasma energy is 2 kJ, while losses are about 4 MW, making this target very suitable for neutral beam sustainment.

[0123] A Figura 19 resume todas as vantagens do regime de HPF na forma de um escalonamento experimental de confinamento de fluxo de HPF recém estabelecido. Como pode ser visto 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 do fluxo (e similarmente, confinamento de partículas e confinamento de energia) aumenta com o quadrado da Temperatura do elétron (Te) para um determinado raio da separatriz (rs). Esta forte escala com um poder positivo de Te (e não um poder negativo) é completamente oposta àquela exibida por “tokomaks” convencionais, onde o confinamento é tipicamente inversamente proporcional a alguma potência da temperatura do elétron. A manifestação desta escala é uma consequência direta do estado HPF e da órbita grande (ou seja, órbitas na escala do FRC topologia e / ou pelo menos a escala de comprimento de gradiente de campo magnético característico) população de íons. Fundamentalmente, esta nova escala favorece substancialmente as altas temperaturas de operação e permite reatores de tamanho relativamente modesto.[0123] Figure 19 summarizes all the advantages of the HPF regime in the form of a newly established experimental HPF flow confinement schedule. As can be seen in Figure 19, based on measurements made before and after t = 0.5 ms, i.e., t < 0.5 ms and t > 0.5 ms, flow confinement (and similarly, flow confinement particles and energy confinement) increases with the square of the Electron Temperature (Te) for a given separator radius (rs). This strong scaling with a positive power of Te (and not a negative power) is completely opposite to that exhibited by conventional “tokomaks”, where confinement is typically inversely proportional to some power of the electron temperature. The manifestation of this scale is a direct consequence of the HPF state and the large orbit (i.e., orbits on the scale of the FRC topology and/or at least the characteristic magnetic field gradient length scale) ion population. Fundamentally, this new scale substantially favors high operating temperatures and allows for relatively modest-sized reactors.

[0124] Com as vantagens do regime HPF, é alcançável a sustentação ou estado fixo da FRC impulsionada por feixes neutros, 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 na parcela A de uma descarga de regime HPF representativa no sistema FRC 10 como uma função do tempo e na parcela B para uma descarga de regime HPF representativa projetada no sistema FRC 10 como uma função do tempo onde o FRC 450 é sustentado sem decaimento através da duração do pulso de feixe neutro. Para o gráfico A, foram injetados feixes neutros com potência total no intervalo de cerca de 2,5 a 2,9 MW no FRC 450 para um comprimento de impulso de feixe ativo de cerca de 6 ms. A o tempo de vida plasmática diamagnética representada no gráfico A foi de cerca de 5,2 ms. Dados mais recentes mostram que uma vida útil diamagnética de plasma de cerca de 7,2 ms é alcançável com um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 7 ms.[0124] With the advantages of the HPF regime, sustain or steady state FRC driven by neutral beams is achievable, meaning that the overall plasma parameters such as plasma thermal energy, total number of particles, plasma radius and length as well as magnetic flux are sustainable at reasonable levels without substantial decay. For comparison, Figure 20 shows data in plot A for a representative HPF regime discharge in the FRC 10 system as a function of time and in plot B for a representative HPF regime discharge projected in the FRC 10 system as a function of time where the FRC 450 is sustained without decay through the duration of the neutral beam pulse. For graph A, neutral beams with total power in the range of about 2.5 to 2.9 MW were injected into the FRC 450 for an active beam pulse length of about 6 ms. The diamagnetic plasma lifetime represented in graph A was about 5.2 ms. More recent data shows that a plasma diamagnetic lifetime of about 7.2 ms is achievable with an active beam pulse length of about 7 ms.

[0125] Como observado acima, com relação às Figuras 16A, 16B, 16C e 16D, a correlação entre o comprimento de pulso de feixe e a vida útil da FRC não é perfeita porque o aprisionamento de feixe se torna ineficiente abaixo de um determinado tamanho de plasma, isto é, como o FRC 450 encolhe nem todos os feixes injetados são interceptados e presos. A contração ou decaimento da FRC deve-se principalmente ao fato de que a perda líquida de energia (- 4 MW na metade da 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. Como referido em relação à Figura 3C, a injeção de feixe angulado das pistolas de feixe neutro 600 para o plano médio melhora o acoplamento de plasma de feixe, mesmo quando o plasma de FRC se contrai ou de outro modo se contrai axialmente durante o período de injeção. Além disso, o abastecimento adequado de grânulos manterá a densidade necessária de plasma.[0125] As noted above with respect to Figures 16A, 16B, 16C and 16D, the correlation between beam pulse length and FRC lifetime is not perfect because beam trapping becomes inefficient below a certain size plasma, that is, as the FRC 450 shrinks not all injected beams are intercepted and trapped. The contraction or decay of the FRC is mainly due to the fact that the net energy loss (- 4 MW at half discharge) of the FRC plasma during discharge is slightly greater than the total energy fed into the FRC through the neutral beams. (- 2.5 MW) for the specific experimental setup. As noted in connection with Figure 3C, angled beam injection from neutral beam guns 600 to the midplane improves beam plasma coupling even as the FRC plasma contracts or otherwise contracts axially during the period of injection. Furthermore, adequate supply of beads will maintain the required plasma density.

[0126] O gráfico B é o resultado de simulações executadas usando um comprimento de pulso de feixe ativo de cerca de 6 ms e potência total de feixe das pistolas de feixe neutro 600 de pouco mais de 10 MW, onde feixes neutros injetam neutros H (ou D) com energia de partícula de cerca de 15 keV. A corrente equivalente injetada por cada um dos feixes é de cerca de 110 A. Para o gráfico B, o ângulo de injeção do feixe para o eixo do dispositivo foi cerca de 20° menor que o normal com um raio alvo de 0,19 m. O ângulo de injeção pode ser alterado dentro da faixa de 15° a 25° abaixo do normal. Os feixes devem ser injetados no sentido concorrente azimutalmente. A força lateral e a força axial da injeção de momento do feixe neutro devem ser minimizadas. Como no gráfico A, os neutros rápidos (H) são injetados dos injetores de feixe neutro 600 a partir do momento em que as FRCs de formação norte e sul se fundem na câmara de confinamento 100 numa única FRC 450.[0126] Chart B is the result of simulations performed using an active beam pulse length of about 6 ms and total beam power from the Neutral Beam Guns 600 of just over 10 MW, where neutral beams inject neutral H ( or D) with particle energy of about 15 keV. The equivalent current injected by each of the beams is about 110 A. For plot B, the beam injection angle to the device axis was about 20° less than normal with a target radius of 0.19 m . The injection angle can be changed within the range of 15° to 25° below normal. The beams must be injected in the azimuthally concurrent direction. The lateral force and axial force of neutral beam moment injection must be minimized. As in graph A, fast neutrals (H) are injected from the neutral beam injectors 600 from the moment the north and south formation FRCs merge in the confinement chamber 100 into a single FRC 450.

[0127] As simulações em que a fundação para o gráfico B utiliza solucionadores multidimensionais de “hall-MHD” para o plasma e equilíbrio de fundo, solucionadores baseados totalmente em Monte-Carlo cinético para os componentes do feixe energético e todos os processos de dispersão, 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 uma base de dados experimental.[0127] The simulations in which the foundation for graph B utilize multidimensional “hall-MHD” solvers for the plasma and background equilibrium, fully kinetic Monte-Carlo based solvers for the energetic beam components and all scattering processes , as well as a series of coupled transport equations for all plasma species to model interactive loss processes. The transport components are empirically calibrated and extensively compared with an experimental database.

[0128] Conforme mostrado pelo gráfico B, o tempo de vida diamagnética em estado fixo do FRC 450 será o comprimento do pulso de feixe. No entanto, é importante observar que o principal gráfico de correlação B mostra que, quando os feixes são desligados, o plasma ou o FRC começa a decair naquele momento, mas não antes. O decaimento será semelhante 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.[0128] As shown by graph B, the fixed-state diamagnetic lifetime of the FRC 450 will be the length of the beam pulse. However, it is important to note that the main correlation plot B shows that when the beams are turned off, the plasma or FRC begins to decay at that time, but not before. The decay will be similar to that observed in discharges that are not beam-assisted - probably on the order of 1 ms beyond the beam off time - and is simply a reflection of the characteristic decay time of the plasma driven by intrinsic loss processes.

[0129] Voltando às Figuras 21A, 21B, 21C, 21D e 21E, os resultados experimentais ilustrados nas figuras indicam obtenção de sustentação de FRC ou estado fixo acionado por feixes neutros angular, isto é, parâmetros de plasma globais como raio de plasma, densidade de plasma, temperatura de plasma bem como fluxo magnético são sustentáveis em níveis constantes sem decaimento em correlação com a duração do pulso NB. Por exemplo, tais parâmetros do plasma estão essencialmente sendo mantidos constantes por ~ 5 + ms. Esse desempenho de plasma, incluindo o recurso de sustentação, apresenta forte correlação com a duração do pulso do NB, com o diamagnetismo persistindo até vários milissegundos após a terminação do NB, devido a acumulação de íons rápidos. 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 NB, bem como outros componentes do sistema.[0129] Returning to Figures 21A, 21B, 21C, 21D and 21E, the experimental results illustrated in the figures indicate obtaining FRC lift or fixed state driven by angular neutral beams, that is, global plasma parameters such as plasma radius, density of plasma, plasma temperature as well as magnetic flux are sustainable at constant levels without decay in correlation with the duration of the NB pulse. For example, such plasma parameters are essentially being held constant for ~5+ ms. This plasma performance, including the sustain feature, correlates strongly with NB pulse duration, with diamagnetism persisting up to several milliseconds after NB termination due to the accumulation of fast ions. As illustrated, plasma performance is limited only by pulse length constraints that arise from the finite energies stored in the associated power supplies of many critical systems, such as NB injectors, as well as other system components.

Aquecimento de elétrons de onda rápida de harmônica altaHigh harmonic fast wave electron heating

[0130] Como observado acima em relação às Figuras 3A, 3B, 3C, 3D, 3E e 8, os feixes de átomo neutro 600 são implantados no sistema FRC 10 para fornecer aquecimento e corrente de acionamento, bem como para desenvolver pressão de partículas rápida. As linhas de feixe individuais compreendendo sistemas de injeção 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 inclinadas para injetar partículas neutras em direção ao plano médio da câmara de confinamento 100. Para melhorar a sustentação da FRC e demonstrar a subida de FRC para altas temperaturas do plasma e energias elevadas do sistema, o atual sistema 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 exemplares, potência de cerca de 20+ MW com até para um comprimento de pulso de 30 ms.[0130] As noted above in connection with Figures 3A, 3B, 3C, 3D, 3E and 8, neutral atom beams 600 are deployed in the FRC system 10 to provide heating and driving current, as well as to develop rapid particle pressure. . Individual beam lines comprising neutral atom beam injection systems 600 are located around the central confinement chamber 100 and, as shown in Figures 3C, 3D and 3E, are preferably angled to inject neutral particles toward the midplane. of the confinement chamber 100. To improve FRC sustain and demonstrate FRC rise for high plasma temperatures and high system energies, the current FRC 10 system includes a high power Neutral Beam Injector (NBI) 600 system and expanded pulse length, e.g. for exemplary purposes only, power of about 20+ MW with up to a pulse length of 30 ms.

[0131] A injeção de feixe neutro, no entanto, tende a ter baixa eficiência de aquecimento de elétrons devido ao mecanismo de amortecimento de energia em elétrons por meio de colisão de íons-elétrons. As características únicas de um plasma de FRC do presente sistema FRC 10, por exemplo, sendo o plasma usualmente denso em demasia (®pe > 30 c>ce dentro da separatriz) e o campo magnético caindo rapidamente para zero no núcleo de plasma, extremamente desafiador para aquecer elétrons no núcleo dos plasmas FRC. Cenários convencionais de aquecimento de elétrons, como a frequência ressonante de elétron-cíclotron (ou seu segundo ou terceiro harmônicos), que é amplamente utilizado em tokamaks, stellarators e máquinas de espelho, não podem ser adaptados a plasmas FRC devido à fraca acessibilidade de onda ao plasma. Outros cenários de aquecimento de elétrons, como ondas elétricas de Bernstein, ondas ressonantes de híbridos superiores e ondas de assobiadores, encontram problemas semelhantes ou apresentam baixa eficiência de aquecimento quando aplicados a plasmas de FRC.[0131] Neutral beam injection, however, tends to have low electron heating efficiency due to the energy dampening mechanism in electrons through ion-electron collision. The unique characteristics of an FRC plasma of the present FRC 10 system, for example, the plasma being usually excessively dense (®pe > 30 c>ce within the separatrix) and the magnetic field rapidly falling to zero in the plasma core, extremely challenging to heat electrons in the nucleus of FRC plasmas. Conventional electron heating scenarios, such as the electron-cyclotron resonant frequency (or its second or third harmonics), which is widely used in tokamaks, stellarators and mirror machines, cannot be adapted to FRC plasmas due to poor wave accessibility to plasma. Other electron heating scenarios, such as electric Bernstein waves, higher hybrid resonant waves, and whistler waves, encounter similar problems or exhibit low heating efficiency when applied to FRC plasmas.

[0132] Numa modalidade exemplificativa, o presente sistema FRC 10 inclui aquecimento por elétrons de ondas rápidas de harmônicos altos para elevar as temperaturas dos elétrons de plasma e, assim, melhorar ainda mais a sustentação de FRC. Como mostrado na Figura 25, o presente sistema FRC 10 inclui uma ou mais antenas 650, tais como, por exemplo, uma antena com arranjo de fase com quatro (4) alças, implantada no sistema FRC 10 e configurada para propagar ondas rápidas de harmônicos altos variações de radiofrequência no plasma de FRC no recipiente de confinamento 100 para proporcionar aquecimento de elétron no núcleo do plasma de FRC de cerca de 150 eV a cerca de 1 keV. Numa modalidade exemplificativa, as antenas 650 compreenderiam cerca de um sistema de RF de 2 MW a cerca de 15 a 25 Mhz. O aquecimento de elétrons através de ondas rápidas de harmônicos altos em faixas de radiofrequência reduz vantajosamente a perda de troca de carga e melhora o confinamento do plasma, bem como aumenta a eficiência da corrente de plasma, que aumenta com a temperatura do elétron Te.[0132] In an exemplary embodiment, the present FRC system 10 includes heating by fast wave electrons of high harmonics to raise plasma electron temperatures and thus further improve FRC sustainment. As shown in Figure 25, the present FRC system 10 includes one or more antennas 650, such as, for example, a phased array antenna with four (4) loops, deployed in the FRC system 10 and configured to propagate fast harmonic waves. high radio frequency variations in the FRC plasma in the containment vessel 100 to provide electron heating in the FRC plasma core of about 150 eV to about 1 keV. In an exemplary embodiment, the antennas 650 would comprise about a 2 MW RF system at about 15 to 25 Mhz. Heating of electrons through high harmonic fast waves in radio frequency bands advantageously reduces charge exchange loss and improves confinement of the plasma, as well as increases the efficiency of the plasma current, which increases with electron temperature Te.

[0133] As simulações de aquecimento de elétrons em plasmas FRC de alto desempenho, como o plasma de FRC do atual sistema FRC 10, foram realizadas nos seguintes cenários: (1) frequência de ressonância híbrida superior (50 GHz); (2) frequência de ressonância de elétron-ciclotrônica (ECR) (28 GHz); (3) ondas elétricas de Bernstein (EBW) com frequência de 2,45 GHz, 5 GHz, 8 GHz e 18 GHz; (4) ondas de assobio a 0,5 GHz; (5) HHFW a 15 MHz Os resultados da simulação mostraram claramente que o regime de HHFW não só tem uma absorção de energia de passagem única extremamente forte (~ 100%), mas também tem acessibilidade de onda muito boa no núcleo de plasmas FRC. Estas simulações indicaram que o conflito entre boa acessibilidade de ondas e eficiente amortecimento de energia em elétrons é resolvido usando este aquecimento de onda rápida harmônica alta (HHFW), que foi adaptado com sucesso para plasmas beta tokamak esféricos densos (ST) como NSTX para os experimentos de aquecimento central de elétrons e acionamento de corrente fora do eixo.[0133] Simulations of electron heating in high-performance FRC plasmas, such as the FRC plasma of the current FRC 10 system, were performed in the following scenarios: (1) higher hybrid resonance frequency (50 GHz); (2) electron-cyclotronic resonance (ECR) frequency (28 GHz); (3) electrical Bernstein waves (EBW) with frequencies of 2.45 GHz, 5 GHz, 8 GHz and 18 GHz; (4) whistle waves at 0.5 GHz; (5) HHFW at 15 MHz The simulation results clearly showed that the HHFW regime not only has an extremely strong single-pass energy absorption (~100%), but also has very good wave accessibility in the core of FRC plasmas. These simulations indicated that the conflict between good wave accessibility and efficient energy damping in electrons is resolved using this high harmonic fast wave heating (HHFW), which has been successfully adapted to dense spherical beta tokamak (ST) plasmas such as NSTX for the electron core heating and off-axis current drive experiments.

[0134] O mecanismo de aquecimento de HHFW inclui tanto amortecimento Landau de elétrons (LD) (onde a força atuando sobre elétrons é FLD = eE//) quanto bombeamento magnético de tempo de trânsito (TTMP ou MP) (em que a força é FMP = -V//(μB//)). Aqui e e μ são a carga de elétron e o momento magnético, e E // e B // são os componentes paralelos do campo elétrico e magnético de onda rápida, respectivamente. O aquecimento convencional de elétrons de onda rápida em plasmas tokamak requer velocidade de fase paralela da onda Vph // = w / k // « VTe velocidade térmica do elétron) para qualquer absorção significativa via LD dominada; o MP não contribui significativamente para o amortecimento de elétrons e, muitas vezes, pode ser negligenciado. Além disso, a absorção de onda rápida em plasmas de tokamak é fraca e, portanto, normalmente é necessário ter um forte pré- aquecimento de elétrons por micro-ondas na frequência de ressonância de elétron- cíclotron, a fim de aumentar a absorção de energia de múltiplas passagens. No entanto, em beta alto, os plasmas ST como o NSTX, verificou-se que o MP aumenta significativamente a absorção de energia nos elétrons sobre o LD do elétron sozinho, e torna-se substancialmente maior em uma faixa de velocidade de fase maior, w / k // < 2,5 VTe . A combinação de MP e LD pode levar a 100% de absorção de passagem única.[0134] The HHFW heating mechanism includes both electron Landau damping (LD) (where the force acting on electrons is FLD = eE//) and transit time magnetic pumping (TTMP or MP) (where the force is FMP = -V//(μB//)). Here e and μ are the electron charge and magnetic moment, and E // and B // are the parallel components of the fast-wave electric and magnetic field, respectively. Conventional heating of fast-wave electrons in tokamak plasmas requires wave-parallel phase velocity Vph // = w/k // « VTe electron thermal velocity) for any significant absorption via dominated LD; MP does not contribute significantly to electron damping and can often be neglected. Furthermore, fast wave absorption in tokamak plasmas is weak and therefore it is normally necessary to have strong microwave electron preheating at the electron-cyclotron resonance frequency in order to increase energy absorption. multiple passes. However, in high beta, ST plasmas like NSTX, MP has been found to significantly increase energy absorption in electrons over electron LD alone, and it becomes substantially larger over a larger phase velocity range, w / k // < 2.5 VTe . The combination of MP and LD can lead to 100% single-pass absorption.

[0135] Em regimes beta alta como plasma de FRC de alto desempenho do atual sistema FRC 10 (que tem o valor de cerca de βe em torno de 90% no núcleo do plasma), o amortecimento é dominado pelo bombeamento magnético, que pode ser escalonado como Im k. α neTe/B2 αβe, e o bombeamento magnético tornam-se significativos quando 0/k// < 2.5 VTe. Em simulações para o atual sistema FRC 10, Te = 150 eV, Ti = 800 eV, ne = n = 3.2 x 1019 m-3, campo magnético B = 1000 Gauss, HHFW tem potência inicial de 1 MW e sua frequência é selecionada como f = 15 MHz, portando 0 = 2πf = 10 0 [H] = 20 0 [D] « 0LH, absorção de passagem única maior que 99% foi alcançada, e o poder de HHFW amortecido nos elétrons foi mostrado como sendo tão alto quanto 90%. A energia amortecida em íons ou amortecida por colisão, pode ser inferior a 5%, respectivamente. Além disso, os perfis radiais de deposição de energia em elétrons, íons e por colisão mostraram que mais de 60% da potência de HHFW é amortecida dentro da camada separatriz de plasmas FRC.[0135] In high beta regimes such as the high performance FRC plasma of the current FRC 10 system (which has a value of around βe around 90% in the plasma core), the damping is dominated by magnetic pumping, which can be scaled as Im k. α neTe/B2 αβe, and the magnetic pumping becomes significant when 0/k// < 2.5 VTe. In simulations for the current FRC 10 system, Te = 150 eV, Ti = 800 eV, ne = n = 3.2 x 1019 m-3, magnetic field B = 1000 Gauss, HHFW has an initial power of 1 MW and its frequency is selected as f = 15 MHz, therefore 0 = 2πf = 10 0 [H] = 20 0 [D] « 0LH, single-pass absorption greater than 99% was achieved, and the damped HHFW power on the electrons was shown to be as high as 90%. The energy damped in ions or damped by collision can be less than 5%, respectively. Furthermore, radial energy deposition profiles in electrons, ions and collisions showed that more than 60% of the HHFW power is damped within the separator layer of FRC plasmas.

[0136] As Figuras 26A e 26B ilustram um perfil de densidade radial completo e um perfil de temperatura de elétrons radiais completo de um plasma de FRC do atual sistema de FRC 10. O presente sistema FRC, de acordo com as modalidades da presente, é configurado de acordo com o parâmetro e valores de pares mostrados na Tabela 1. Tabela 1: Parâmetros para o presente sistema FRC[0136] Figures 26A and 26B illustrate a complete radial density profile and a complete radial electron temperature profile of an FRC plasma of the current FRC system 10. The present FRC system, in accordance with the present embodiments, is configured according to the parameter and pair values shown in Table 1. Table 1: Parameters for the present FRC system

[0137] As figuras 27A a 27D ilustram os perfis radiais de equilíbrio C-2U e frequência característica no plano médio (Z = 0) do sistema FRC 10. Os desafios observados são aqueles que, dentro da camada separatriz, o plasma é mais denso (ape > 30 ace) e B cai rapidamente para 0 a uma distância radial de 11 cm. Todas as camadas ressonância harmônica do ECR são compactadas em uma região muito estreita, portanto, as micro-ondas podem se espalhar radialmente por uma curta distância.[0137] Figures 27A to 27D illustrate the C-2U equilibrium radial profiles and characteristic frequency in the midplane (Z = 0) of the FRC 10 system. The challenges observed are that, within the separator layer, the plasma is denser (ape > 30 ace) and B quickly drops to 0 at a radial distance of 11 cm. All of the ECR's harmonic resonance layers are packed into a very narrow region, so microwaves can spread radially over a short distance.

[0138] As seguintes simulações foram conduzidas por rastreamento de raio GENRAY-C para os cenários em frequência de micro-onda como se segue: EBW (2,45 GHz, 5 GHz, 8 GHz, 18 GHz e 28 GHz); Frequência de ressonância híbrida superior (50 GHz, 55 GHz); Frequência de ondas de apitador (0,5 - 1,0 GHz).[0138] The following simulations were conducted by GENRAY-C ray tracing for the microwave frequency scenarios as follows: EBW (2.45 GHz, 5 GHz, 8 GHz, 18 GHz and 28 GHz); Higher hybrid resonance frequency (50 GHz, 55 GHz); Whistle wave frequency (0.5 - 1.0 GHz).

[0139] Infelizmente, estes cenários não são capazes de resolver o conflito entre uma penetração da onda no núcleo do plasma e o amortecimento de energia eficiente nos elétrons.[0139] Unfortunately, these scenarios are unable to resolve the conflict between wave penetration into the plasma core and efficient energy damping in the electrons.

[0140] Como as figuras 28A a 28C ilustram as observações de filtragem de energia e de modo a emitir as condições de calor de elétrons por onda Elétron Bernstein (EBW) de micro-ondas a 8GHz em um plasma de FRC do sistema atual 10. Nas Figuras 28A a 28C, as ondas são disparadas em diferentes ângulos, observando-se uma clara conversão O-> X-> B. Mais de 90% da energia da microondas pode ser absorvida por elétrons na camada ECR da 4a harmônica (fora da separatriz); o que resulta em absorção muito localizada. O regime de EBW pode se aquecer apenas na borda do plasma, não pode penetrar no núcleo do plasma.[0140] As Figures 28A to 28C illustrate observations of energy filtering and emitting electron heat conditions by Microwave Electron Bernstein Wave (EBW) at 8GHz in an FRC plasma of the current system 10. In Figures 28A to 28C, the waves are fired at different angles, observing a clear O->X->B conversion. More than 90% of the microwave energy can be absorbed by electrons in the ECR layer of the 4th harmonic (outside the separator); which results in very localized absorption. The EBW regime can heat only at the plasma edge, it cannot penetrate the plasma core.

[0141] As figuras 29A a 29F ilustram as observações absorção de energia e modo de conversão em condições de aquecimento de micro-ondas de 50 GHz em um plasma de FRC do presente sistema FRC 10. Nas Figuras 29A a 29F, observa- se que os raios parem de se propagar após a conversão O-> X-> B, e que 30% da potência de micro-ondas seja absorvida.[0141] Figures 29A to 29F illustrate the energy absorption and conversion mode observations under 50 GHz microwave heating conditions in an FRC plasma of the present FRC 10 system. In Figures 29A to 29F, it is observed that the rays stop propagating after the O->X->B conversion, and 30% of the microwave power is absorbed.

[0142] As figuras 30A-30C ilustram observações de absorção de energia em condições de aquecimento de elétrons de onda sibilante em 0,5 GHz em um plasma de FRC do presente sistema de CRF 10. Nas Figuras 30A-30C, observa-se que a onda sibila a 0,5 GHz (~ 1/4 fce) tem alta absorção de energia, mas pobre acessibilidade de ondas. Uma onda é lançada com um grande N // (a partir de 16) e a onda gira quando há uma grande curvatura do campo magnético.[0142] Figures 30A-30C illustrate observations of energy absorption under conditions of hissing wave electron heating at 0.5 GHz in an FRC plasma of the present CRF system 10. In Figures 30A-30C, it is observed that wave hiss at 0.5 GHz (~1/4 fce) has high energy absorption but poor wave accessibility. A wave is launched with a large N // (from 16) and the wave rotates when there is a large curvature of the magnetic field.

[0143] Em contraste com estes regimes de aquecimento, o aquecimento de onda rápida de harmônicos altos fornece, como demonstrado por resultados de simulação, o seguinte para plasma de FRC com elevada média e βe (~ 90%) tal como um plasma de FRC do presente sistema FRC 10: 1) forte absorção de passagem única (~ 100%); 2) boa acessibilidade ao núcleo do plasma; 3) absorção eficiente de energia por elétrons de núcleo de até 60%; 4) o amortecimento de energia nos elétrons é dominado pelo bombeamento magnético (TTMP), que pode ser escalonado como lm k⊥ x neTe/B2 xβe.[0143] In contrast to these heating regimes, high harmonic fast wave heating provides, as demonstrated by simulation results, the following for FRC plasma with high mean e βe (~90%) such as an FRC plasma of the present FRC 10 system: 1) strong single-pass absorption (~100%); 2) good accessibility to the plasma core; 3) efficient energy absorption by core electrons up to 60%; 4) the energy damping in electrons is dominated by magnetic pumping (TTMP), which can be scaled as lm k⊥ x neTe/B2 xβe.

[0144] A Figura 31 ilustra um perfil de densidade e propagação de onda em um plasma de FRC do presente sistema FRC 10. Na Figura 10, Te = 150 eV, enquanto Te (separatriz) = 100 eV. Ti = 800 eV, enquanto Ti (separatriz) = 200 eV. Os íons térmicos têm a mesma densidade e perfil que os elétrons. A informação de íons rápidos não está incluída na Figura 31. A Figura 32 ilustra um perfil de fluxo poloidal e propagação de onda num plasma de FRC do presente sistema FRC 10.[0144] Figure 31 illustrates a density and wave propagation profile in an FRC plasma of the present FRC 10 system. In Figure 10, Te = 150 eV, while Te (separatrix) = 100 eV. Ti = 800 eV, while Ti (separatrix) = 200 eV. Thermal ions have the same density and profile as electrons. Fast ion information is not included in Figure 31. Figure 32 illustrates a poloidal flow profile and wave propagation in an FRC plasma of the present FRC 10 system.

[0145] A Figura 33 ilustra um perfil de densidade exemplificativo e trajetória de propagação de onda em um plasma de FRC do presente sistema RFC 10. Na Figura 33, Te = 150 eV, enquanto Te (separatriz) = 100 eV. Ti = 800 eV, enquanto Ti (separatriz) = 200 eV. Na Figura 33, f = 6 MHz (inicial w / wci [D] ~ 9), com potência total de 1MW. Cinco raios são lançados no plano médio com n// inicial entre 4 e 6.[0145] Figure 33 illustrates an exemplary density profile and wave propagation trajectory in an FRC plasma of the present RFC 10 system. In Figure 33, Te = 150 eV, while Te (separatrix) = 100 eV. Ti = 800 eV, while Ti (separatrix) = 200 eV. In Figure 33, f = 6 MHz (initial w/wci[D] ~ 9), with total power of 1MW. Five rays are launched in the midplane with initial n// between 4 and 6.

[0146] A Figura 34 ilustra um perfil exemplificativo w / wci [D] e trajetória de propagação de onda num plasma de FRC do presente sistema FRC 10. Na Figura 34, os níveis de w / wci [D]> 28 não são apresentados para maior clareza. As linhas pontilhadas no intervalo são o contorno do fluxo magnético.[0146] Figure 34 illustrates an exemplary w/wci [D] profile and wave propagation path in an FRC plasma of the present FRC 10 system. In Figure 34, w/wci [D] levels > 28 are not shown for greater clarity. The dotted lines in the gap are the contour of the magnetic flux.

[0147] A Figura 35 ilustra o amortecimento de potência exemplificativo com a distância de propagação de onda em um plasma de FRC do atual sistema FRC 10. Na Figura 35, cinco raios são incluídos com diferentes n // entre 4 e 6. Cada raio tem 200kW de potência em ponto de partida. A região de amortecimento significativo de energia está entre 30cm e 50cm.[0147] Figure 35 illustrates exemplary power damping with the wave propagation distance in an FRC plasma of the current FRC 10 system. In Figure 35, five rays are included with different n // between 4 and 6. Each ray It has 200kW of power at starting point. The region of significant energy damping is between 30cm and 50cm.

[0148] A Figura 36 ilustra um perfil de absorção de energia exemplificativa em um plasma de FRC do presente sistema FRC 10. Na Figura 36, observa-se absorção de energia significativa em íons e elétrons quando HHFWs penetram através da camada separatriz.[0148] Figure 36 illustrates an exemplary energy absorption profile in an FRC plasma of the present FRC system 10. In Figure 36, significant energy absorption is observed in ions and electrons when HHFWs penetrate through the separator layer.

[0149] As figuras 37A e 37B ilustram perfis radiais exemplificativos de densidade de potência em um plasma de FRC do presente sistema de CRF 10. Os perfis radiais de densidade de potência são para (a) absorção total, (b) amortecimento em elétrons, (c) amortecimento em íons, e (d) amortecimento por colisão. Na Figura 37A, Ptotal = 1000kW, Pe = 448kW, Pi = 486kW e Pcl = 66kW. Na Figura 37B, Ptotal = 999kW, Pe = 720kW, Pi = 194kW e Pcl = 85kW. Uma absorção de passagem única de 100% é observada durante o aquecimento HHFW no núcleo de plasma.[0149] Figures 37A and 37B illustrate exemplary radial power density profiles in an FRC plasma of the present CRF system 10. The radial power density profiles are for (a) total absorption, (b) electron damping, (c) ion damping, and (d) collision damping. In Figure 37A, Ptotal = 1000kW, Pe = 448kW, Pi = 486kW and Pcl = 66kW. In Figure 37B, Ptotal = 999kW, Pe = 720kW, Pi = 194kW and Pcl = 85kW. A single-pass absorption of 100% is observed during HHFW heating in the plasma core.

[0150] A Figura 38 ilustra um perfil 2D exemplificativo da densidade de potência de amortecimento num plasma de FRC do presente sistema FRC 10.[0150] Figure 38 illustrates an exemplary 2D profile of the damping power density in an FRC plasma of the present FRC system 10.

[0151] A Figura 39 ilustra um perfil de amortecimento de potência exemplificativo em um plasma de FRC do atual sistema FRC 10. Na Figura 39, observa-se que o amortecimento de energia em elétrons aumenta até um máximo quando | B | se aproxima de um mínimo. Observa-se um muito pequeno |E///E| portanto, menos efeito do amortecimento de Landau na absorção de energia.[0151] Figure 39 illustrates an exemplary power damping profile in an FRC plasma of the current FRC 10 system. In Figure 39, it is observed that the energy damping in electrons increases to a maximum when | B | approaches a minimum. A very small |E///E| therefore, less effect of Landau damping on energy absorption.

[0152] A Figura 40 ilustra um perfil exemplificativo de íons finitos de raio Larmor em um plasma de FRC do presente sistema FRC 10. Na Figura 40, efeitos significativos de íons finitos de raio Larmor são observados mesmo quando a temperatura iônica Ti <1 keV. Dentro da separatriz, Ki x pLarmor >> 1. Ela vai ao infinito no campo nulo no plano médio (z = 0). Isso pode levar à interação de íons térmicos com o HHFW, diminuindo a potência dos íons térmicos.[0152] Figure 40 illustrates an exemplary profile of finite ions of radius Larmor in an FRC plasma of the present system FRC 10. In Figure 40, significant effects of finite ions of radius Larmor are observed even when the ionic temperature Ti < 1 keV . Inside the separatrix, Ki x pLarmor >> 1. It goes to infinity in the null field in the midplane (z = 0). This can lead to the interaction of thermal ions with the HHFW, decreasing the potency of the thermal ions.

[0153] A Figura 41 ilustra um perfil de absorção de energia exemplificativo em um plasma de FRC do presente sistema de CRF 10. Na Figura 41, a absorção de energia significativa por íons térmicos é observada. A absorção ressonante de íon ciclotron é observada com o número de harmônicos n = (11 a 20). As condições para um amortecimento significativo de potência nos íons são Ki x pLarmor >> 1 and w/Ki < 2VTÍ.[0153] Figure 41 illustrates an exemplary energy absorption profile in a FRC plasma of the present CRF system 10. In Figure 41, significant energy absorption by thermal ions is observed. Cyclotron ion resonant absorption is observed with harmonic number n = (11 to 20). The conditions for significant damping of power in the ions are Ki x pLarmor >> 1 and w/Ki < 2VTÍ.

[0154] A Figura 42 ilustra um perfil exemplificativo em um plasma de FRC do presente sistema FRC 10. Na Figura 42, mudanças de (a) local |B(r,z)|, (b) parte imaginária do número de onda perpendicular Ki, (c) razão de |E\\/ E| e (d) índice de refração paralelo n// são observados com a distância ao longo da propagação da onda.[0154] Figure 42 illustrates an exemplary profile in an FRC plasma of the present FRC system 10. In Figure 42, changes of (a) local |B(r,z)|, (b) imaginary part of the perpendicular wavenumber Ki, (c) ratio of |E\\/ E| and (d) parallel refractive index n// are observed with distance along the wave propagation.

[0155] Simulações de aquecimento por HHFW de um plasma de FRC do presente sistema FRC 10 demonstraram claramente que o aquecimento de HHFW resulta em: 1) 100% de absorção de energia de passagem única; 2) TTMP sendo mecanismo de absorção de energia dominado para aquecimento de elétrons do núcleo; 3) amortecimento da potência máxima nos elétrons que ocorrem quando a velocidade da fase paralela da onda é Vph // = w/k// < VTe; e, 4) absorção significativa de energia por íons térmicos tendendo a acontecer quando as condições de K±x PLarm >> 1 and w/k. < 2 VTÍ são mantidas.[0155] HHFW heating simulations of an FRC plasma of the present FRC 10 system have clearly demonstrated that HHFW heating results in: 1) 100% single-pass energy absorption; 2) TTMP being dominated energy absorption mechanism for heating core electrons; 3) damping of the maximum power in the electrons that occurs when the parallel phase speed of the wave is Vph // = w/k// < VTe; and, 4) significant energy absorption by thermal ions tending to occur when the conditions of K±x PLarm >> 1 and w/k. < 2 VTÍ are maintained.

[0156] De acordo com uma modalidade da presente divulgação, um método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreendendo a formação uma CRF em volta de um plasma em uma câmara de confinamento, injetando uma pluralidade de feixes neutros no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento e aquecendo elétrons do plasma de FRC com ondas rápidas de harmônicos altos propagando-se no plasma de FRC.[0156] According to one embodiment of the present disclosure, a method for generating and maintaining a magnetic field with a field reverse configuration (FRC) comprising forming a CRF around a plasma in a confinement chamber, injecting a plurality of neutral beams into the FRC plasma at an angle toward the midplane of the confinement chamber and heating electrons from the FRC plasma with fast high harmonic waves propagating in the FRC plasma.

[0157] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, os elétrons de aquecimento incluem o lançamento de uma pluralidade de ondas rápidas de harmônicos altos de uma ou mais antenas para o plasma de FRC na câmara de confinamento.[0157] According to another embodiment of the present disclosure, the heating electrons include launching a plurality of high harmonic fast waves from one or more antennas into the FRC plasma in the confinement chamber.

[0158] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, os elétrons de aquecimento incluem o lançamento de uma pluralidade de ondas rápidas de harmônicos altos de uma ou mais antenas para o plasma de FRC na câmara de confinamento em um ângulo de lançamento do plano médio da câmara de confinamento.[0158] According to another embodiment of the present disclosure, the heating electrons include launching a plurality of high harmonic fast waves from one or more antennas to the FRC plasma in the confinement chamber at a midplane launch angle. of the confinement chamber.

[0159] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o ângulo de lançamento está em uma faixa de cerca de 15° a cerca de 25° a partir do plano médio da câmara de confinamento.[0159] According to another embodiment of the present disclosure, the launch angle is in a range of about 15° to about 25° from the midplane of the confinement chamber.

[0160] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o ângulo de lançamento está perto, mas menos do que o normal, de um eixo longitudinal da câmara de confinamento.[0160] According to another embodiment of the present disclosure, the launch angle is close to, but less than normal, a longitudinal axis of the confinement chamber.

[0161] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, a uma ou mais antenas é uma antena de arranjo de fase com uma pluralidade de tiras.[0161] According to another embodiment of the present disclosure, the one or more antennas is a phased array antenna with a plurality of strips.

[0162] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, as ondas rápidas de harmônicos altos são ondas rápidas em faixas de radiofrequência.[0162] According to another embodiment of the present disclosure, high harmonic fast waves are fast waves in radio frequency bands.

[0163] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o aquecimento dos elétrons, inclui aquecimento dos elétrons de cerca de 150 eV a acima de cerca de 1 keV.[0163] According to another embodiment of the present disclosure, heating of electrons includes heating of electrons from about 150 eV to above about 1 keV.

[0164] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método inclui ainda a manutenção da FRC no ou sobre um valor constante sem decaimento e elevando a temperatura do plasma de elétrons para acima de cerca de 1,0 keV.[0164] According to another embodiment of the present disclosure, the method further includes maintaining the FRC at or about a constant value without decay and raising the temperature of the electron plasma above about 1.0 keV.

[0165] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda a geração de um campo magnético dentro da câmara de confinamento bobinas quase-cc estendendo-se sobre a câmara de confinamento e um campo magnético de espelho dentro de extremidades opostas da câmara de confinamento com bobinas quase-cc de espelho que se estendem sobre as extremidades opostas da câmara de confinamento.[0165] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises generating a magnetic field within the confinement chamber quasi-dc coils extending over the confinement chamber and a mirror magnetic field within opposite ends of the confinement chamber with quasi-dc mirror coils extending over opposite ends of the confinement chamber.

[0166] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda a geração de um campo magnético dentro da câmara de confinamento com bobinas quase-cc estendendo-se sobre a câmara de confinamento e um campo magnético de espelho dentro de extremidades opostas da câmara de confinamento bobinas quase-cc de que se estendem sobre as extremidades opostas da câmara de confinamento.[0166] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises generating a magnetic field within the confinement chamber with quasi-dc coils extending over the confinement chamber and a mirror magnetic field within opposite ends. of the confinement chamber quasi-dc coils extending over opposite ends of the confinement chamber.

[0167] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, a formação da CRF inclui a formação de uma CRF em oposição às primeira e segunda seções de formação acopladas à câmara de confinamento e acelerando a formação de CRC das primeira e segunda seções de formação em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento onde as duas FRCs de formação se fundem para formar a FRC.[0167] According to another embodiment of the present disclosure, formation of the CRF includes forming a CRF in opposition to the first and second forming sections coupled to the confinement chamber and accelerating CRC formation of the first and second forming sections in towards the middle through the plane of the confinement chamber where the two forming FRCs merge to form the FRC.

[0168] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, a formação da CRF inclui a formação de uma CRF de formação enquanto se acelera a formação de CRF em direção ao plano médio da câmara de confinamento e forma uma formação de CRF, acelerando então a formação de CRC em direção ao meio através do plano da câmara de confinamento.[0168] According to another embodiment of the present disclosure, formation of the CRF includes forming a forming CRF while accelerating the formation of the CRF toward the midplane of the confinement chamber and forming a forming CRF, then accelerating the CRC formation towards the middle through the plane of the confinement chamber.

[0169] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, acelerar a formação FRC das primeira e segunda seções de formação em direção ao plano médio da câmara de confinamento inclui passar a formação FRC das primeira e segunda seções de formação através dos primeiro e segundo divertores internos acoplados às extremidades opostas da câmara de confinamento interpondo a câmara de confinamento e as primeira e segunda seções de formação.[0169] According to another embodiment of the present disclosure, accelerating the FRC formation of the first and second forming sections toward the midplane of the confinement chamber includes passing the FRC formation of the first and second forming sections through the first and second divertors internals coupled to opposite ends of the confinement chamber interposing the confinement chamber and the first and second forming sections.

[0170] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, passar a formação FRC das primeira e segunda seções de formação através dos primeiro e segundo divertores internos inclui inativar os primeiro e segundo divertores internos quando a formação FRC das primeira e segunda seções de formação passa através dos primeiro e segundo divertores internos.[0170] According to another embodiment of the present disclosure, passing the FRC formation of the first and second formation sections through the first and second internal divertors includes inactivating the first and second internal divertors when the FRC formation of the first and second formation sections passes through the first and second internal divertors.

[0171] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda orientar superfícies de fluxo magnético da FRC nos primeiro e segundo divertores internos.[0171] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises orienting magnetic flux surfaces of the FRC on the first and second internal divertors.

[0172] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda orientar superfícies de fluxo magnético da FRC nos primeiro e segundo divertores externos acoplados às extremidades das seções de formação.[0172] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises orienting magnetic flux surfaces of the FRC on the first and second external divertors coupled to the ends of the forming sections.

[0173] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda a geração de um campo magnético dentro das seções de formação e dos primeiro e segundo divertores externos com bobinas quase-cc estendendo-se sobre as seções de formação e dos divertores.[0173] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises generating a magnetic field within the forming sections and the first and second external divertors with quasi-dc coils extending over the forming and divertor sections. .

[0174] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda a geração de um campo magnético dentro das seções de formação e dos primeiro e segundo divertores internos com bobinas quase-cc se estendendo sobre as seções de formação e dos divertores.[0174] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises generating a magnetic field within the forming sections and the first and second internal divertors with quasi-dc coils extending over the forming and divertor sections.

[0175] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método compreende ainda a geração de um campo magnético de espelho entre as primeira e segunda seções de formação e dos primeiro e segundo divertores externos com bobinas espelho quase-cc.[0175] According to another embodiment of the present disclosure, the method further comprises generating a mirror magnetic field between the first and second forming sections and the first and second external divertors with quasi-dc mirror coils.

[0176] De acordo com outra forma de divulgação da presente divulgação, o método compreende ainda uma geração de um campo magnético de plugue de espelho dentro de uma construção entre uma primeira e segunda seção de formação e os primeiro e segundo divertores externos com bobinas quase-cc de espelho estendendo-se em volta da constrição entre as seções de formação e dos divertores.[0176] According to another form of disclosure of the present disclosure, the method further comprises a generation of a mirror plug magnetic field within a construction between a first and second forming section and the first and second external divertors with coils almost -mirror cc extending around the constriction between the formation and divertor sections.

[0177] De acordo com outra forma de divulgação, o método também compreende a geração de um campo magnético-espelho entre uma câmara de confinamento e os primeiros e segundos divertores internos com bobinas quase-cc e a geração de um campo magnético de verificação entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores internos com as bobinas quase-cc de verificação de perfil baixo.[0177] According to another form of disclosure, the method also comprises generating a mirror magnetic field between a confinement chamber and the first and second internal divertors with quasi-dc coils and generating a check magnetic field between the first and second forming sections and the first and second internal divertors with the low profile quasi-dc check coils.

[0178] De acordo com outra forma de divulgação da presente invenção, o método é ainda uma geração de campo de dipolo magnético e um campo de quadrupolo magnético dentro da câmara com bobinas de sela acoplado à câmara.[0178] According to another form of disclosure of the present invention, the method is still a generation of a magnetic dipole field and a magnetic quadrupole field within the chamber with saddle coils coupled to the chamber.

[0179] De acordo com outra forma da presente divulgação, o método também compreende o condicionamento das superfícies internas da câmara e as superfícies internas das primeira e segunda sessões de formação, os primeiro e segundo divertores interpondo a câmara de confinamento e as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores externos acoplados às primeira e segunda seções de formação com um sistema de gettering.[0179] According to another form of the present disclosure, the method also comprises conditioning the internal surfaces of the chamber and the internal surfaces of the first and second forming sessions, the first and second divertors interposing the confinement chamber and the first and second forming sections and the first and second external divertors coupled to the first and second forming sections with a gettering system.

[0180] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema gettering inclui um sistema de deposição de titânio e um sistema de deposição de lítio.[0180] According to another embodiment of the present disclosure, the gettering system includes a titanium deposition system and a lithium deposition system.

[0181] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método também compreende a injeção de plasma axialmente no FRC proveniente das pistolas de plasma montadas axialmente.[0181] According to another embodiment of the present disclosure, the method also comprises injecting plasma axially into the FRC from the axially mounted plasma guns.

[0182] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método também compreende controlar o perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda do FRC.[0182] According to another embodiment of the present disclosure, the method also comprises controlling the radial electric field profile in an edge layer of the FRC.

[0183] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o controle do perfil de campo elétrico radial em uma camada de borda do FRC inclui aplicar uma distribuição de potencial elétrico a um grupo de superfícies de fluxo aberto do FRC com eletrodos de polarização.[0183] According to another embodiment of the present disclosure, controlling the radial electric field profile in an edge layer of the FRC includes applying an electric potential distribution to a group of open-flow surfaces of the FRC with polarization electrodes.

[0184] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o método também compreende injetar plasmas de toróide compacto (CT) de primeiro e segundo injetores CT no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, em que os primeiro e segundo injetores CT estão diametralmente em lados opostos do plano médio da câmara de confinamento.[0184] According to another embodiment of the present disclosure, the method also comprises injecting compact torus (CT) plasmas from first and second CT injectors into the FRC plasma at an angle toward the midplane of the confinement chamber, wherein the first and second CT injectors are diametrically on opposite sides of the midplane of the confinement chamber.

[0185] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, um sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC) compreende uma câmara de confinamento, primeira e segunda seções de formação de FRC diametralmente oposta acopladas à câmara de confinamento, os primeiro e segundo divertores diametralmente opostos acoplados às seções de formação de FRC, 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 primeira e segunda pistolas de plasma axial acopladas de modo operante aos primeiro e segundo divertores, 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 câmaras de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo divertores externos e em que o primeiro e segundo plugues de espelhos estão posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores, um sistema gettering acoplado à câmara de confinamento e aos primeiro e segundo divertores, uma pluralidade de injetores de feixe de átomos neutros acoplada à câmara de confinamento e inclinados em direção a um plano médio da câmara de confinamento, um sistema magnético compreendendo uma pluralidade de bobinas quase-cc posicionada em torno da câmara de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo divertores, e primeiro e segundo conjunto de bobinas de espelho quase-cc posicionadas entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores, e um sistema de antena posicionado em torno da câmara de confinamento, em que o sistema de antena está configurado para lançar ondas rápidas de harmônicos altos no plasma de FRC para aquecer elétrons de plasma.[0185] According to another embodiment of the present disclosure, a system for generating and maintaining a magnetic field with a field reverse configuration (FRC) comprises a confinement chamber, first and second diametrically opposed FRC forming sections coupled to the confinement chamber. confinement, the first and second diametrically opposed divertors coupled to the FRC forming sections, one or more of a plurality of plasma guns, one or more polarization electrodes, and first and second mirror plugs, wherein the plurality of plasma guns includes first and second axial plasma guns operatively coupled to the first and second divertors, first and second forming sections and the confinement chamber, wherein one or more polarization electrodes are positioned within one or more confinement chambers, the first and second forming sections, and the first and second external divertors and wherein the first and second mirror plugs are positioned between the first and second forming sections and the first and second divertors, a gettering system coupled to the confinement chamber and to the first and second divertors, a plurality of neutral atom beam injectors coupled to the confinement chamber and inclined toward a midplane of the confinement chamber, a magnetic system comprising a plurality of quasi-dc coils positioned around the confinement chamber, confinement, the first and second forming sections, and the first and second divertors, and first and second sets of quasi-dc mirror coils positioned between the first and second forming sections and the first and second divertors, and an antenna system positioned around the confinement chamber, in which the antenna system is configured to launch fast high harmonic waves into the FRC plasma to heat plasma electrons.

[0186] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema é configurado para gerar um FRC e manter o FRC sem decaimento, enquanto os feixes neutros são injetados no plasma e elevam a temperatura do elétron de plasma para cerca de 1,0 keV.[0186] According to another embodiment of the present disclosure, the system is configured to generate an FRC and maintain the FRC without decay, while neutral beams are injected into the plasma and raise the plasma electron temperature to about 1.0 keV .

[0187] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema de antena inclui uma ou mais antenas posicionadas para lançar as ondas rápidas de harmônicos altos em um ângulo de lançamento do plano médio da câmara de confinamento no plasma de FRC.[0187] According to another embodiment of the present disclosure, the antenna system includes one or more antennas positioned to launch the high harmonic fast waves at a launch angle from the midplane of the FRC plasma confinement chamber.

[0188] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o ângulo de lançamento está em uma faixa de cerca de 15° a cerca de 25° a partir do plano médio da câmara de confinamento.[0188] According to another embodiment of the present disclosure, the launch angle is in a range of about 15° to about 25° from the midplane of the confinement chamber.

[0189] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o ângulo de lançamento está perto, mas menos do que o normal, de um eixo longitudinal da câmara de confinamento.[0189] According to another embodiment of the present disclosure, the launch angle is close to, but less than normal, a longitudinal axis of the confinement chamber.

[0190] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema de antena inclui antenas de arranjo de fase com uma pluralidade de tiras[0190] According to another embodiment of the present disclosure, the antenna system includes phased array antennas with a plurality of strips

[0191] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, as ondas rápidas de harmônicos altos são ondas rápidas em faixas de radiofrequência.[0191] According to another embodiment of the present disclosure, high harmonic fast waves are fast waves in radio frequency bands.

[0192] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema é configurado para aquecer elétrons de plasma de FRC de cerca de 150 eV para acima de cerca de 1 keV.[0192] According to another embodiment of the present disclosure, the system is configured to heat FRC plasma electrons from about 150 eV to above about 1 keV.

[0193] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, os primeiro e segundo divertores compreendem primeiro e segundo divertores internos interpondo as primeira e segunda seções de formação e a câmara de confinamento, e compreendendo ainda primeiro e segundo divertores externos acoplados às primeira e segunda seções de formação, em que as primeira e segunda seções de formação interpõem os primeiro e segundo divertores internos e os primeiro e segundo divertores externos.[0193] According to another embodiment of the present disclosure, the first and second divertors comprise first and second internal divertors interposing the first and second forming sections and the confinement chamber, and further comprising first and second external divertors coupled to the first and second formation sections, in which the first and second formation sections interpose the first and second internal divertors and the first and second external divertors.

[0194] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema também compreende primeira e segunda pistolas de plasma axiais acopladas de modo operante aos primeiro e segundo divertores internos e externos, às primeira e segunda seções de formação e à câmara de confinamento.[0194] According to another embodiment of the present disclosure, the system also comprises first and second axial plasma guns operatively coupled to the first and second internal and external divertors, the first and second forming sections and the confinement chamber.

[0195] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema compreende ainda duas ou mais bobinas de sela acopladas à câmara de confinamento.[0195] According to another embodiment of the present disclosure, the system further comprises two or more saddle coils coupled to the confinement chamber.

[0196] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, a seção de formação compreende sistemas de formação modularizados para gerar um FRC e transladá-lo em direção a um plano médio da câmara de confinamento.[0196] According to another embodiment of the present disclosure, the forming section comprises modularized forming systems for generating an FRC and translating it toward a midplane of the confinement chamber.

[0197] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, os eletrodos de polarização incluem um ou mais de um ou mais eletrodos de ponto posicionados dentro da câmara de contenção para contatar linhas de campo aberto, um conjunto de eletrodos anulares entre a câmara de confinamento e as primeira e segunda seções de formação para carregar camadas de fluxo de borda distante de uma forma azimutalmente simétrica, uma pluralidade de eletrodos empilhados concêntricos posicionada nos primeiro e segundo divertores para carregar múltiplas camadas de fluxo concêntrico, e ânodos das pistolas de plasma para interceptar fluxo aberto.[0197] According to another embodiment of the present disclosure, the polarization electrodes include one or more of one or more point electrodes positioned within the containment chamber to contact open field lines, a set of annular electrodes between the containment chamber and the first and second forming sections for loading far-edge flow layers in an azimuthally symmetrical manner, a plurality of concentric stacked electrodes positioned on the first and second divertors for loading multiple concentric flow layers, and plasma gun anodes for intercepting open flow.

[0198] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, o sistema compreende ainda primeiro e segundo injetores toróides compactos (CT) acoplados à câmara de confinamento em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, em que o primeiro e segundo injetores CT são diametralmente opostos em lados opostos do plano médio da câmara de confinamento.[0198] According to another embodiment of the present disclosure, the system further comprises first and second compact toroid (CT) injectors coupled to the confinement chamber at an angle toward the midplane of the confinement chamber, wherein the first and second injectors CT are diametrically opposite on opposite sides of the midplane of the confinement chamber.

[0199] As modalidades exemplificativas aqui fornecidas, no entanto, são meramente destinadas como exemplos ilustrativos e não para serem de qualquer forma limitantes[0199] The exemplary embodiments provided here, however, are merely intended as illustrative examples and are not intended to be in any way limiting.

[0200] Todos os recursos, elementos, componentes, funções e etapas descritos com relação a qualquer modalidade aqui fornecida destinam-se a ser livremente combináveis e substituíveis com aqueles de qualquer outra modalidade. Se uma determinada característica, elemento, componente, função ou etapa for descrita com relação a apenas uma modalidade, então deve ser entendido que essa característica, elemento, componente, função ou etapa pode ser usada com todas as outras modalidades aqui descritas a menos que explicitamente declarado em contrário. Este parágrafo serve, portanto, como base antecedente e suporte escrito para a introdução de reivindicações, a qualquer momento, que combinem características, elementos, componentes, funções e etapas de diferentes modalidades, ou que substituam características, elementos, componentes, funções e etapas de outra, mesmo se a descrição a seguir não indicar explicitamente, em um determinado caso, que tais combinações ou substituições sejam possíveis. A menção expressa de todas as combinações e substituições possíveis é excessivamente onerosa, especialmente considerando que a permissibilidade de cada uma destas combinações e substituições será prontamente reconhecida pelos por aqueles versados na técnica ao ler esta descrição.[0200] All features, elements, components, functions and steps described with respect to any embodiment provided herein are intended to be freely combinable and substitutable with those of any other embodiment. If a particular feature, element, component, function or step is described with respect to only one embodiment, then it is to be understood that such feature, element, component, function or step may be used with all other embodiments described herein unless explicitly declared otherwise. This paragraph therefore serves as a background and written support for the introduction of claims, at any time, that combine features, elements, components, functions and steps of different embodiments, or that replace features, elements, components, functions and steps of another, even if the following description does not explicitly indicate, in a given case, that such combinations or substitutions are possible. Express mention of all possible combinations and substitutions is unduly burdensome, especially considering that the permissibility of each of these combinations and substitutions will be readily recognized by those skilled in the art upon reading this description.

[0201] Em muitos casos, as entidades são aqui descritas como sendo acopladas a outras entidades. Deve ser entendido que os termos “acoplado” e “conectado” (ou qualquer uma de suas formas) são usados indistintamente neste documento e, em ambos os casos, são genéricos para o acoplamento direto de duas entidades (entidades intervenientes não negligenciáveis(por exemplo, parasíticas) e acoplamento indireto de duas entidades (com uma ou mais entidades intervenientes não negligenciáveis). Quando as entidades são mostradas como sendo diretamente acopladas, ou descritas como acopladas sem a descrição de qualquer entidade interveniente, deve ser entendido que essas entidades podem ser indiretamente acopladas em conjunto, a menos que o contexto dite claramente o contrário.[0201] In many cases, entities are described here as being coupled to other entities. It should be understood that the terms “coupled” and “connected” (or any of their forms) are used interchangeably in this document and, in both cases, are generic to the direct coupling of two entities (non-negligible intervening entities (e.g. , parasitic) and indirect coupling of two entities (with one or more non-negligible intervening entities). When entities are shown as being directly coupled, or described as coupled without describing any intervening entity, it should be understood that these entities can be indirectly coupled together unless the context clearly dictates otherwise.

[0202] Embora as modalidades sejam susceptíveis a várias modificações e formas alternativas, exemplos específicos das mesmas foram mostradas nos desenhos e são aqui descritos em detalhe. Deve ser entendido, no entanto, que estas modalidades não devem ser limitadas à forma particular divulgada, mas, pelo contrário, estas modalidades devem abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas abrangidas pelo espírito da divulgação. Além disso, quaisquer características, funções, etapas ou elementos das modalidades podem ser mencionadas nas ou adicionados às reivindicações, bem como limitações negativas que definam o escopo inventivo das reivindicações por características, funções, etapas ou elementos que não estejam no escopo dentro das reivindicações.[0202] Although the embodiments are susceptible to various modifications and alternative forms, specific examples thereof have been shown in the drawings and are described in detail herein. It should be understood, however, that these embodiments should not be limited to the particular form disclosed, but rather, these embodiments should encompass all modifications, equivalents and alternatives within the spirit of the disclosure. Furthermore, any features, functions, steps or elements of the embodiments may be mentioned in or added to the claims, as well as negative limitations that define the inventive scope of the claims for features, functions, steps or elements that are not in scope within the claims.

Claims (13)

1. Método para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: formar uma FRC sobre um plasma em uma câmara de confinamento, injetar uma pluralidade de feixes neutros no plasma de FRC em um ângulo em direção ao plano médio da câmara de confinamento, e aquecer elétrons do plasma de FRC com ondas rápidas de harmônicos altos propagando-se no plasma de FRC através do lançamento de uma pluralidade de ondas rápidas de harmônicos altos a partir de uma ou mais antenas no plasma de FRC na câmara de confinamento em um ângulo de lançamento em uma faixa de cerca de 15° a cerca de 25° a partir do plano médio da câmara de confinamento, em que as ondas rápidas de harmônicos altos são ondas rápidas em faixas de radiofrequência.1. Method for generating and maintaining a magnetic field with a field reverse configuration (FRC), CHARACTERIZED by the fact that it comprises the steps of: forming an FRC over a plasma in a confinement chamber, injecting a plurality of neutral beams into the plasma of FRC at an angle toward the midplane of the confinement chamber, and heating electrons of the FRC plasma with high harmonic fast waves propagating in the FRC plasma by launching a plurality of high harmonic fast waves from one or more antennas in the FRC plasma in the confinement chamber at a launch angle in a range of about 15° to about 25° from the midplane of the confinement chamber, wherein the high harmonic fast waves are fast in radio frequency bands. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a uma ou mais antenas é uma antena arranjo de fase com uma pluralidade de tiras.2. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that the one or more antennas is a phased array antenna with a plurality of strips. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de aquecer os elétrons inclui aquecer os elétrons de cerca de 150 eV para acima de cerca de 1 keV.3. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that the step of heating the electrons includes heating the electrons from about 150 eV to above about 1 keV. 4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui adicionalmente manter a FRC a ou cerca de um valor constante sem decaimento ao injetar feixes de átomos neutros rápidos no plasma de FRC na câmara de confinamento e elevar temperaturas de elétron de plasma para acima de 1,0. keV.4. Method according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that it further includes maintaining the FRC at or about a constant value without decay by injecting beams of fast neutral atoms into the FRC plasma in the confinement chamber and raising electron temperatures of plasma to above 1.0. keV. 5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de gerar um campo magnético dentro da câmara de confinamento com bobinas quase-cc (quasi-dc) se estendendo em torno da câmara de confinamento e um campo magnético de espelho dentro de extremidades opostas da câmara de confinamento com bobinas de espelho quase- cc se estendendo em torno da extremidades opostas da câmara de confinamento.5. Method according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that it further comprises the step of generating a magnetic field within the confinement chamber with quasi-dc (quasi-dc) coils extending around the confinement chamber and a mirror magnetic field within opposite ends of the confinement chamber with quasi-dc mirror coils extending around the opposite ends of the confinement chamber. 6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de formar a FRC inclui formar uma FRC de formação em primeira e segunda seções de formação opostas acopladas à câmara de confinamento e acelerar a FRC de formação a partir da primeira e segunda seções de formação em direção ao meio do plano da câmara de confinamento onde as duas FRCs de formação se fundem para formar a FRC.6. Method according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that the step of forming the FRC includes forming a forming FRC in opposing first and second forming sections coupled to the confinement chamber and accelerating the forming FRC from the first and second formation sections towards the middle of the confinement chamber plane where the two formation FRCs merge to form the FRC. 7. Sistema para gerar e manter um campo magnético com uma configuração de campo reverso (FRC), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma câmara de confinamento, primeira e segunda seções de formação de FRC diametralmente opostas acopladas à câmara de confinamento, primeiro e segundo divertores acoplados às primeira e segunda seções de formação, uma ou mais dentre 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 primeira e segunda pistolas de plasma axiais acopladas operacionalmente aos primeiro e segundo divertores, às primeira e segunda seções de formação e à câmara de confinamento, em que o um ou mais eletrodos de polarização são posicionados dentro de uma ou mais dentre a câmara de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo divertores, e em que os primeiro e segundo plugues de espelho sendo posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores, um sistema gettering acoplado à câmara de confinamento e aos primeiro e segundo divertores, uma pluralidade de injetores de feixe de átomos neutros acoplados à câmara de confinamento e inclinados em direção a um plano médio da câmara de confinamento, um sistema magnético compreendendo uma pluralidade de bobinas quase- cc (quasi-dc) posicionada em torno da câmara de confinamento, as primeira e segunda seções de formação, e os primeiro e segundo divertores, e primeiro e segundo conjuntos de bobinas de espelho quase-cc posicionados entre as primeira e segunda seções de formação e os primeiro e segundo divertores, e um sistema de antena incluindo uma ou mais antenas posicionado em torno da câmara de confinamento adjacente ao plano médio da câmara de confinamento, em que o sistema de antena é configurado para lançar ondas rápidas de harmônicos altos no plasma de FRC em um ângulo de lançamento em uma faixa de cerca de 15° a cerca de 25° a partir do plano médio da câmara de confinamento, em que as ondas rápidas de harmônicos altos são ondas rápidas em faixas de radiofrequência.7. System for generating and maintaining a magnetic field with a field reverse configuration (FRC), CHARACTERIZED by the fact that it comprises: a confinement chamber, first and second diametrically opposed FRC forming sections coupled to the confinement chamber, first and second divertors coupled to the first and second forming sections, one or more of a plurality of plasma guns, one or more polarizing electrodes, and first and second mirror plugs, wherein the plurality of plasma guns includes first and second polarizing guns. axial plasma operatively coupled to the first and second divertors, the first and second forming sections and the confinement chamber, wherein the one or more polarization electrodes are positioned within one or more of the confinement chamber, the first and second sections forming sections, and the first and second divertors, and wherein the first and second mirror plugs being positioned between the first and second forming sections and the first and second divertors, a gettering system coupled to the confinement chamber and the first and second divertors, a plurality of neutral atom beam injectors coupled to the confinement chamber and inclined toward a midplane of the confinement chamber, a magnetic system comprising a plurality of quasi-dc (quasi-dc) coils positioned around the chamber of confinement, the first and second forming sections, and the first and second divertors, and first and second sets of quasi-dc mirror coils positioned between the first and second forming sections and the first and second divertors, and a antenna including one or more antennas positioned around the confinement chamber adjacent to the midplane of the confinement chamber, wherein the antenna system is configured to launch fast high harmonic waves into the FRC plasma at a launch angle in a range of about 15° to about 25° from the midplane of the confinement chamber, where high harmonic fast waves are fast waves in radio frequency bands. 8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de antena inclui antenas de arranjo de fase com uma pluralidade de tiras.8. System according to claim 7, CHARACTERIZED by the fact that the antenna system includes phased array antennas with a plurality of strips. 9. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a radiofrequência das ondas rápidas de harmônicos altos estão em faixas de radiofrequência de cerca de 15 a 25MHz.9. System, according to claim 7, CHARACTERIZED by the fact that the radio frequency of high harmonic fast waves are in radio frequency bands of about 15 to 25 MHz. 10. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que de que o sistema é configurado para aquecer elétrons de plasma de FRC de cerca de 150 eV até acima de cerca de 1 keV.10. System according to claim 7, CHARACTERIZED by the fact that the system is configured to heat FRC plasma electrons from about 150 eV to above about 1 keV. 11. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema é configurado para gerar um FRC e manter o FRC sem decaimento enquanto os feixes neutros são injetados no plasma.11. System, according to claim 7, CHARACTERIZED by the fact that the system is configured to generate an FRC and maintain the FRC without decay while the neutral beams are injected into the plasma. 12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema é configurado para elevar temperatura de elétron de plasma de FRC acima de 1 de cerca de keV.12. System, according to claim 11, CHARACTERIZED by the fact that the system is configured to raise FRC plasma electron temperature above about 1 keV. 13. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que os primeiro e o segundo divertores compreendem primeiro e segundo divertores internos interpondo as primeira e segunda seções de formação e a câmara de confinamento, e compreendem ainda primeiro e segundo divertores externos acoplados às primeira e segunda seções de formação em que as primeira e segunda seções de formação interpõem a primeira e a segunda segundos desviadores internos e o primeiro e o segundo desviadores externos, e compreendendo ainda um ou mais dentre primeira e segunda pistola de plasma axiais acopladas operacionalmente aos primeiro e segundo divertores internos e externos, às primeira e segunda seções de formação e à câmara de confinamento, e duas ou mais bobinas de sela acopladas à câmara de confinamento.13. System, according to claim 7, CHARACTERIZED by the fact that the first and second divertors comprise first and second internal divertors interposing the first and second formation sections and the confinement chamber, and further comprise first and second external divertors coupled to the first and second forming sections wherein the first and second forming sections interpose the first and second second internal diverters and the first and second external diverters, and further comprising one or more of the first and second coupled axial plasma guns operatively to the first and second internal and external divertors, the first and second forming sections and the confining chamber, and two or more saddle coils coupled to the confining chamber.
BR112019009744-9A 2016-11-15 2017-11-15 SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND MAINTAINING A MAGNETIC FIELD WITH A REVERSE FIELD CONFIGURATION (FRC) BR112019009744B1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662422525P 2016-11-15 2016-11-15
US62/422.525 2016-11-15
PCT/US2017/061860 WO2018093941A1 (en) 2016-11-15 2017-11-15 Systems and methods for improved sustainment of a high performance frc and high harmonic fast wave electron heating in a high performance frc

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BR112019009744A2 BR112019009744A2 (en) 2019-08-13
BR112019009744B1 true BR112019009744B1 (en) 2023-08-08

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2021221522B2 (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc
US11337294B2 (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance FRC
US11929182B2 (en) Systems and methods for improved sustainment of a high performance FRC and high harmonic fast wave electron heating in a high performance FRC
KR102043359B1 (en) Systems and methods for forming and maintaing a high performance frc
US20230178258A1 (en) Systems and methods for improved sustainment of a high performance frc with multi-scaled capture type vacuum pumping
BR112019008478B1 (en) METHOD FOR GENERATING AND MAINTAINING A MAGNETIC FIELD WITH A REVERSE FIELD CONFIGURATION (FRC)
BR112019009744B1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND MAINTAINING A MAGNETIC FIELD WITH A REVERSE FIELD CONFIGURATION (FRC)
NZ757525B2 (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc