BR112020016988A2 - Sistema para geração de plasma magnetizado e sustentação de campo magnético de plasma magnetizado - Google Patents
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Abstract
um sistema para geração de plasma magnetizado e sustentação de campo magnético de plasma compreende um gerador de plasma para geração de plasma magnetizado e um conservador de fluxo em que o plasma magnetizado gerado é injetado e confinado. um condutor central compreende um condutor central superior e um condutor central inferior que estão eletricamente conectados formando um único condutor integrado. o condutor central superior e um eletrodo externo formam um canal de propagação de plasma anular. o condutor central inferior estende-se para fora do gerador de plasma e para dentro do conservador de fluxo de tal modo que uma extremidade do eletrodo interno é conectada eletricamente a uma parede do conservador de fluxo. um sistema de potência provê um pulso de corrente de formação e um pulso de corrente de sustentação para o condutor central para formar o plasma magnetizado, injetar tal plasma dentro do conservador de fluxo e sustentar o campo magnético de plasma.
Description
CAMPO MAGNÉTICO DE PLASMA MAGNETIZADO Campo Técnico
[001] A presente divulgação refere-se geralmente a um sistema e método para geração de plasma magnetizado e particularmente a um sistema de geração de plasma com um condutor central que é usado na formação de plasma e sustentação de campo magnético de plasma. Antecedentes
[002] Salvo indicação contrária na presente invenção, os materiais descritos nesta seção não são estado da técnica para as reivindicações nesse pedido e não são admitidos como estado da técnica por inclusão nesta seção.
[003] Plasma é um estado da matéria similar ao gás em que pelo menos parte das partículas são ionizadas. Plasma com um campo magnético forte o bastante para influenciar os movimentos das partículas carregadas é chamado de plasma magnetizado. O campo magnético dentro de plasma pode confinar as partículas de plasma por um período de tempo estendido se as linhas de campo magnético são configuradas para retornar a si mesmas em órbitas fechadas (possivelmente infinitas em comprimento). A maior parte do campo magnético no plasma magnetizado é criada pelas correntes que fluem no próprio plasma e/ou em uma parede de uma câmara contendo o plasma. Há vários métodos e sistemas para geração de plasma de alta energia. Geralmente, plasma pode ser gerado introduzindo-se um gás através de uma ou mais válvulas em um gerador de plasma entre um par de eletrodos. Um pulso de alta tensão é descarregado entre os eletrodos para ionizar o gás e formar plasma. Para a ruptura do gás ocorrer, gás suficiente precisa ser injetado para preencher a lacuna entre os eletrodos. O processo de ruptura envolve aceleração de elétrons livres, colidindo com átomos neutros e disparando um processo de ionização avalanche. Para gerar pulsos de alta tensão entre os eletrodos, um circuito de descarga é requerido para empregar um interruptor rápido ou um sistema de múltiplos interruptores para entregar rapidamente pulsos de corrente de alta energia de um banco capacitor (uma fonte de potência pulsada de alta tensão) para os eletrodos.
[004] FIG. 1 mostra um sistema do estado da técnica para geração de plasma magnetizado e sustentação de campo magnético de plasma. O sistema compreende um gerador de plasma 12 e uma câmara de conservação de fluxo 14 (também algumas vezes referida como conservador de fluxo). O gerador 12 é configurado para gerar um plasma magnetizado e pode ter um eletrodo de formação central 11 e um eletrodo externo 13 que é coaxial a e cerca o eletrodo de formação 11 formando, assim, um canal de propagação de plasma anular entre estes. Uma série de bobinas magnéticas 15 pode ser usada para formar um campo magnético (preenchimento) inicial no canal de propagação de plasma. Um combustível de plasma gasoso é injetado no canal de propagação através de várias válvulas 16. Um pulso de corrente de formação é provido ao eletrodo de formação 11 pela fonte de potência 17, para que a corrente de qualquer polaridade possa fluir pelo combustível de plasma gasoso injetado no canal de propagação, entre o eletrodo de formação 11 e o eletrodo externo 13, ionizando o combustível de plasma gasoso e formando plasma. Essa corrente pode criar um campo magnético de plasma toroidal que pode causar movimento do plasma em direção ao conservador de fluxo 14. Conforme o plasma se movimenta adiante, ele interage com o campo magnético de preenchimento, tanto que, quando o plasma que avança se liberta, o campo magnético envolve o plasma formando o tórus de plasma magnetizado. O sistema compreende, ainda, uma haste axial central alongada 18 que se estende para fora do gerador 12 dentro do conservador de fluxo 14 e que é isolado eletricamente do eletrodo de formação 11 por uma lacuna 19. Um pulso de corrente adicional é dirigido ao longo da haste axial central 18 e a parede do conservador de fluxo 14 para prover um campo magnético toroidal no gerador de plasma 12 e o fluxo conservador 14 para sustentar o campo magnético de plasma. O campo magnético toroidal gerado no conservador de fluxo 14 pode difundir-se dentro do plasma para sustentar o campo magnético de plasma e então melhorar confinamento de plasma e aumentar a vida de plasma. Como ilustrado na FIG. 1, a haste 18 é eletricamente isolado do eletrodo de formação 11 pela lacuna 19, para que uma fonte de potência possa prover um pulso de formação para o eletrodo de formação 11 e um pulso de sustentação para a haste central 18. Em algumas implementações, um isolador pode ser provido entre o eletrodo de formação 11 e a haste central 18, ao invés da lacuna 19, para isolar eletricamente a haste central 18 do eletrodo de formação 11. Ter isolamento entre o eletrodo de formação 11 e a haste central 18 (seja uma lacuna 19 ou qualquer outro tipo de isolamento elétrico) pode causar ejeção de impurezas no plasma e/ou dano (derretimento) do eletrodo/haste devido a uma curvatura da corrente pela lacuna 19 ou em uma superfície do isolador. Sumário
[005] Em um aspecto, um sistema para geração de plasma magnetizado e sustentação de campo magnético de plasma é provido. O sistema compreende um gerador de plasma para geração de plasma magnetizado. Compreende um eletrodo externo e um condutor central superior localizado coaxialmente dentro e espaçado do eletrodo externo para formar um canal de propagação de plasma anular com uma saída. Um injetor de combustível injeta um combustível de plasma em uma extremidade a montante do canal de propagação de plasma anular. Uma ou mais bobinas são configuradas para gerar um campo magnético de preenchimento no canal de propagação de plasma anular e para prover um campo poloidal para o plasma magnetizado. Um conservador de fluxo está em comunicação fluida com o gerador de plasma. O conservador de fluxo tem uma parede externa e um condutor central inferior localizado coaxialmente dentro e espaçado da parede externa para definir uma cavidade interna evacuada com uma admissão que está em comunicação fluida com a saída do canal de propagação de plasma anual e através do qual o plasma magnetizado gerado no gerador de plasma é injetado na cavidade interna. Uma extremidade do condutor central inferior é eletricamente acoplada a uma extremidade do condutor central superior e outra extremidade do condutor central inferior é eletricamente acoplada à parede externa do conservador de fluxo. Uma fonte de fornecimento de potência é eletricamente acoplada aos condutores centrais superior e inferior de tal modo que uma corrente flua ao longo dos condutores centrais superior e inferior e da parede externa do conservador de fluxo. A fonte de fornecimento de potência compreende um circuito de potência de formação configurado para gerar um pulso de potência de formação suficiente para gerar o plasma magnetizado a partir do combustível de plasma no gerador de plasma e para injetar o plasma magnetizado no conservador de fluxo, e um circuito de potência de sustentação configurado para gerar um pulso de corrente de sustentação ao longo dos condutores centrais superior e inferior e a parede externa do conservador de fluxo suficiente para gerar um campo magnético toroidal no gerador de plasma e o conservador de fluxo.
[006] Em um aspecto, o circuito de potência de sustentação compreende, ainda, um indutor de buffer que isola pelo menos parcialmente eletricamente o circuito de potência de sustentação do circuito de potência de formação. O sistema compreende, ainda, um controlador programado para disparar o circuito de potência de sustentação antes do circuito de potência de formação para formar um campo toroidal preexistente no gerador de plasma e o conservador de fluxo.
[007] Em um aspecto, pelo menos um eletrodo de disparo é provido. O pelo menos um eletrodo de disparo é eletricamente acoplado ao circuito de potência de formação de tal modo que o circuito de potência de formação é operável para prover um pulso de corrente de ruptura para o eletrodo de disparo suficiente para romper o combustível de plasma para formar o plasma magnetizado. O circuito de potência de formação compreende um circuito de potência de formação principal eletricamente acoplado ao condutor central superior e operável para prover o pulso de corrente de formação, e um circuito de potência de pré-formação eletricamente acoplado ao eletrodo de disparo e operável para prover o pulso de corrente de ruptura.
[008] Em outro aspecto, o combustível de plasma é um gás pré-ionizado que é injetado na extremidade a montante do canal de propagação de plasma anular.
[009] Adicionalmente aos aspectos e modalidades descritos acima, aspectos e modalidades adicionais se tornarão aparentes em referência aos desenhos e estudo da descrição detalhada a seguir. Breve Descrição dos Desenhos
[010] Ao longo dos desenhos, números de referência podem ser reutilizados para indicar correspondência entre elementos referenciados. Os desenhos são providos para ilustrar exemplos de modalidades descritas na presente invenção e não têm a intenção de limitar o escopo da divulgação. Tamanhos e posições relativas de elementos nos desenhos não são necessariamente desenhados em escala. Por exemplo, os formatos de vários elementos e ângulos não são desenhados em escala, e alguns desses elementos são aumentados e posicionados arbitrariamente para melhorar a legibilidade do desenho.
[011] FIG. 1 é uma vista esquemática de seção transversal de um sistema conhecido (estado da técnica) para geração de plasma e sustentação de campo magnético de plasma.
[012] FIG. 2 é uma vista esquemática de seção transversal de um exemplo de um sistema para geração de plasma e sustentação de campo magnético de plasma de acordo com a presente invenção.
[013] FIG. 2A é uma vista esquemática de seção transversal de outro exemplo de um sistema para geração de plasma e sustentação de campo magnético de plasma mostrando um revestimento líquido formado em um conservador de fluxo.
[014] FIG. 3 é um exemplo de um esquema de um fornecimento de potência mostrando um fornecimento de potência de formação e um fornecimento de potência de sustentação.
[015] FIG. 4 é uma apresentação gráfica de um exemplo de um pulso de corrente em amperes (A) ao longo do tempo em segundos (s) gerado por circuitos de potência de formação e sustentação.
[016] FIG. 5 é uma vista de seção transversal parcial de outro exemplo de um sistema para geração de plasma e sustentação de campo magnético de plasma mostrando um eletrodo de disparo.
[017] FIG. 6 é uma vista esquemática de seção transversal de um pré- ionizador usado para ionizar parcialmente um gás neutro e injetar tal gás pré- ionizado em um gerador de plasma.
[018] Modalidades da presente invenção divulgam um sistema e método para geração de plasma magnetizado como por exemplo um tórus de plasma, a partir de um combustível de plasma, e sustentação do campo magnético de plasma usando um condutor central único ao invés do eletrodo de formação 11 e haste central 18 separada pela lacuna de isolamento 19 do sistema do estado da técnica 10. Quando uma corrente é provida ao condutor central, e porque o condutor central não é isolado eletricamente de um conservador de fluxo do sistema, o sistema desempenha como um indutor e a corrente flui ao longo do condutor central, uma parede do conservador de fluxo e um eletrodo externo do sistema. Para garantir geração de plasma magnetizado e para sustentar o campo magnético de plasma, a corrente precisa fluir radialmente pelo combustível de plasma para prover uma descarga de ruptura e formação de plasma magnetizado. Para garantir que o plasma magnetizado com parâmetros desejados é formado e injetado no conservador de fluxo, um circuito de fornecimento de potência de formação pode ser provido compreendendo um ou mais interruptores rápidos que podem prover uma alta tensão em um canal de propagação de plasma do sistema por um período de tempo suficiente para causar ruptura do combustível de plasma antes dos circuitos de corrente ao redor do conservador de fluxo. Adicionalmente ou alternativamente, um ou mais eletrodos de disparo podem ser usados para causar ruptura de combustível de plasma. O combustível de plasma pode ser um gás neutro ou um gás pré-ionizado.
[019] FIG. 2 ilustra um exemplo de um sistema 20 para geração de plasma magnetizado de acordo com uma modalidade da presente invenção, que inclui um gerador de plasma 22 e um conservador de fluxo 24. O sistema 20 compreende um condutor central 21 e um eletrodo externo 23. O condutor central 21 compreende um condutor central superior 21a posicionado dentro do gerador de plasma 22 e um condutor central inferior 21b posicionado dentro do conservador de fluxo 24, uma extremidade distal 21c do condutor central inferior 21b é conectado a uma placa de extremidade 29 do conservador de fluxo 24. O condutor central superior 21a pode ter um formato cilíndrico, cônico ou similar ou combinação dos mesmos, enquanto o condutor central inferior 21b pode ter mais de um formato alongado (tipo haste) estendendo-se centralmente ao longo do comprimento do conservador de fluxo 24. É destinado a ser ilustrativo e não limitante e o condutor central 21 e/ou o eletrodo externo 23 pode ter qualquer outro formato adequado sem sair do escopo da invenção. O eletrodo externo 23 é coaxial e cerca o condutor central superior 21a, deste modo definindo um canal de propagação de plasma anular 25 entre estes. Um injetor de combustível tendo uma ou mais válvulas 26 também é provido para injetar um combustível de plasma em uma extremidade a montante do canal de propagação de plasma 25 do gerador de plasma. A uma ou mais válvulas de gás 26 podem estar em comunicação fluida com uma fonte de combustível de plasma (não mostrada) e pode ser disposta como um anel ao redor da periferia do gerador de plasma 22 para injetar simetricamente uma quantidade precisa de combustível de plasma dentro do canal 25 através de portas (não mostradas). O sistema 20 compreende, ainda, uma fonte de potência 30 (vide FIG. 3) para prover um pulso de corrente de formação e um pulso de corrente de sustentação de campo toroidal ao condutor central 21 para formar um plasma magnetizado no gerador de plasma 22, injetar tal plasma dentro do conservador de fluxo 24 e sustentar o campo magnético de plasma no conservador de fluxo 24 por um período de tempo prolongado.
[020] O condutor central 21 é feito de um material condutor e compatível com alto vácuo e é configurado para formar o plasma magnetizado e sustentar o campo magnético de plasma por um tempo prolongado. Como descrito na invenção abaixo, isso pode ser feito ao usar um ou mais interruptores de formação rápidos (por exemplo, interruptores do tipo rail gap) que pode prover uma alta tensão ao longo do canal de propagação de plasma 25 para um período de tempo suficiente para causar ruptura do combustível de plasma e ionização antes dos circuitos de corrente ao redor do conservador de fluxo 25, e/ou empregando um ou mais eletrodos de disparo para a ruptura de gás, e/ou usando um gás pré-ionizado como um combustível de plasma.
[021] Em uma implementação, o condutor central inferior 21b do condutor central 21 pode ser uma guia de metal líquido compreendendo um metal líquido fluído. Por exemplo, o condutor central superior 21a do condutor central 21 pode compreender um reservatório de metal líquido que contém o metal líquido, que flui para fora através de uma saída formada no reservatório de metal líquido. O metal líquido pode fluir através do conservador de fluxo 24 e pode ser coletado em um receptor (não mostrado) que pode ser posicionado, por exemplo, dentro da placa de extremidade 29. O metal líquido do receptor pode ser recirculado de volta para dentro do reservatório de metal líquido usando uma ou mais bombas. A guia de metal líquido pode fluir continuamente ou o fluxo pode ser regulado usando uma válvula que está em comunicação com a saída do reservatório. O metal líquido pode fluir sob gravidade ou usando meios de pressão.
[022] O conservador de fluxo 24 pode compreender uma abertura de admissão 28 que é alinhada com uma saída do gerador de plasma 22 para que o plasma gerado no gerador de plasma 22 possa ser injetado dentro de uma cavidade evacuada interna do conservador de fluxo 24. Em uma implementação, o conservador de fluxo 24 pode ser parcialmente preenchida com metal líquido (vide FIG. 2A). O metal líquido no conservador de fluxo 24 pode ser circulado, rotacionado ou configurado para fluir de tal modo que forma um revestimento líquido 2 que define uma parede da cavidade evacuada interna 4. Por exemplo, o revestimento 2 pode ser formado injetando um meio líquido dentro do conservador de fluxo 24. Um sistema de circulação líquido 6 pode ser provido para dirigir o fluxo do meio líquido no conservador de fluxo
24. O sistema de circulação 6 pode compreender uma pluralidade de válvulas, bocais, rede de tubulação e uma ou mais bombas para ter o fluxo desejado de meio líquido no conservador de fluxo 24. O fluxo do metal líquido no conservador de fluxo pode ser projetado e configurado para formar um formato predeterminado desejado do revestimento líquido 2 para que a cavidade interna 4 em que o plasma é injetado é esférico, cilíndrico, cônico ou qualquer outro formato desejado. Exemplos de revestimentos líquidos e métodos para formar cavidade evacuada dentro dos revestimentos líquidos são descritos nas patentes dos Estados Unidos n° 8.891.719, 8.537.958 e publicação de pedido de patente dos Estados Unidos n° 20100163130. Isso é para propósitos de ilustração apenas e quaisquer outros métodos e sistemas para formar revestimentos líquidos definindo uma cavidade interna nestes pode ser usado sem sair do escopo da invenção. Em uma implementação, o revestimento pode ser um revestimento sólido, como por exemplo uma parede do conservador de fluxo 24 ou um revestimento sólido anexado a/coberto em um lado interno da parede do conservador de fluxo 24.
[023] Uma ou mais bobinas 27 (FIG. 2) acopladas eletricamente a uma fonte de potência (não mostrada) pode ser usado para preparar o campo magnético de preenchimento inicial anterior a um combustível de plasma sendo injetado no canal de propagação de plasma anular 25 e anterior à corrente sendo descarregada. Em algumas modalidades, o combustível de plasma pode ser um gás neutro, como por exemplo, isótopos de hidrogênio ou hélio, ou qualquer outro gás ou combinação dos mesmos. Em outras modalidades, o combustível de plasma pode ser um gás parcialmente ou completamente ionizado (plasma). Em algumas modalidades em que o combustível de plasma é um gás neutro ou um gás parcialmente ionizado, o combustível de plasma é injetado e difunde para encher pelo menos parcialmente o canal 25 e a fonte de potência 30 (FIG. 3) é disparada para causar um pulso de corrente de formação para fluir entre o condutor central 21 e o eletrodo externo 23 por um período de tempo que é suficiente para ionizar o gás e formar o plasma magnetizado.
[024] As bobinas 27 podem ser acopladas a uma fonte de potência que é separada e independente da fonte de potência 30 ou a fonte de potência 30 pode ser configurada para prover potência para bobinas 27 sem sair do escopo da invenção.
[025] Antes que um percurso de condução de plasma seja estabelecido no gerador de plasma 22 e devido ao fato de que o condutor central 21 não é isolado eletricamente do conservador de fluxo 24, o sistema 20 desempenha como um indutor e a corrente flui ao longo do condutor central 21, uma parede 24a do conservador de fluxo 24 e do eletrodo externo 23, ao invés de através do gás. Tal fluxo de corrente pode gerar um campo magnético toroidal preexistente no gerador de plasma 22 e o conservador de fluxo 24. A fim de prover uma descarga de ruptura entre o condutor central superior 21a e o eletrodo externo 23, uma tensão precisa ser aplicada nele dentro de um tempo suficientemente curto que a corrente passa através do gás em uma direção substancialmente radial e ioniza o gás, ao invés de fluir de volta ao longo da parede do conservador de fluxo 24. Isso pode ser alcançado usando um interruptor rápido ou múltiplos interruptores para aplicar uma alta tensão dentro de microssegundos (tempo exigido para ser determinado baseado no tamanho (indutância) do condutor central 21 e o conservador de fluxo 24 de acordo com a equação V=LdI/dt). Por exemplo, o interruptor rápido pode ser um interruptor do tipo rail gap que pode fechar dentro de nanosegundos.
[026] FIG. 3 ilustra um exemplo da fonte de fornecimento de potência 30 que compreende um circuito de potência de formação 31 para prover um pulso de formação para a ruptura do combustível de plasma e formação de plasma magnetizado, e um circuito de potência de sustentação 35 que provê um pulso de corrente de sustentação para sustentar o campo magnético de plasma por um período de tempo prolongado. O circuito de potência de formação 31 inclui um circuito de formação principal 34 que compreende um ou mais bancos capacitores e um interruptor de alta tensão rápido ou um sistema de múltiplos interruptores que são projetados para aplicar rapidamente alta tensão entre o condutor central 21 e o eletrodo externo 23 por um período de tempo suficiente (por exemplo, 50 µs) para causar a descarga de ruptura e ionização do combustível de plasma. Corrente fluindo através do plasma (gás ionizado) pode criar um campo magnético toroidal de plasma que pode causar movimento do plasma em direção ao conservador de fluxo 24. Conforme o plasma avança, ele interage com um campo magnético de preenchimento gerado pelas bobinas 27, de tal modo que, quando o plasma que avança se liberta, o campo magnético envolve o plasma formando o campo magnético poloidal do plasma.
[027] FIG. 3 mostra, ainda, o circuito de potência de sustentação 35 que pode incluir um circuito de pico de corrente 36 e um circuito de manutenção de corrente 38. O circuito de pico de corrente 36 e o circuito de manutenção de corrente 38 provê um pulso de corrente ao condutor central 21 para que a corrente flua ao longo do condutor central 21, a parede 24a do conservador de fluxo 24 e o eletrodo externo 23, assim gerando um campo magnético toroidal (linhas magnéticas se estendendo ao redor do condutor central 21) no gerador de plasma 22 e o conservador de fluxo 24. Esse campo toroidal pode difundir- se dentro do plasma e pode aumentar o campo toroidal de plasma e, controlando o perfil de pulso da corrente de sustentação, é possível controlar o campo toroidal de plasma. O circuito de pico de corrente 36 provê um pulso de corrente de rápida elevação que alcança um valor predeterminado de um pico de corrente dentro de um período de tempo alvo. Por exemplo, um valor predeterminado do pico de corrente pode ser 1 MA que pode ser alcançado dentro do período de tempo de 100 – 300 µs. O circuito de manutenção de corrente 38 pode então sustentar tal fluxo corrente de 1 MA por um tempo prolongado (por exemplo, ~ 10 ms). Um técnico no assunto entenderia que os circuitos de potência de sustentação, isto é, o circuito de pico de corrente 36 e o circuito de manutenção de corrente 38, podem ser projetados para prover um pulso de corrente maior ou menor do que 1 MA que pode ser sustentado por mais ou menos do que 10 ms. Em uma implementação, um único circuito de potência de sustentação 35 pode prover um pulso de corrente de sustentação de rápida elevação de >ou< 1 MA que é sustentado por >ou< 10 ms.
[028] Quando um combustível de plasma predeterminado é injetado no canal de plasma anular 25 pelas portas, o circuito de formação 31 é disparado para formar o plasma magnetizado. Depois do plasma magnetizado ser formado, o circuito de sustentação 35 pode ser disparado para prover um campo toroidal que se difunde para dentro do plasma controlando/sustentando o campo magnético de plasma.
[029] Em uma implementação, o circuito de sustentação 35 pode ser disparado antes do tempo de disparo do circuito de formação 31. Então, a formação de plasma pode ocorrer com um campo toroidal preexistente no gerador de plasma 22 e no conservador de fluxo 24. Um indutor de buffer 37 pode ser empregado para prover isolamento elétrico do circuito de potência de sustentação 35 a partir do circuito de potência de formação 31. O valor de indutância do indutor de buffer precisa ser suficiente para isolar eletricamente o fornecimento de potência de sustentação 35 da maior parte do pulso de corrente de formação. Por exemplo, a indutância do indutor de buffer 37 pode ser 500nH. Esse é um valor exemplar apenas e a indutância do buffer 37 pode ser mais ou menos do que 500 nH dependendo dos parâmetros de plasma projetado sem sair do escopo da invenção. Quando o pulso de formação é descarregado, o buffer 37 bloqueia uma parte maior do pulso de formação rápida, de tal modo que a corrente flua através do combustível de plasma e forme o plasma. A corrente fluindo pelo plasma cria um campo magnético toroidal de plasma que acelera o plasma para baixo do gerador de plasma 22 devido à força Lorentz. Conforme o plasma move-se em direção ao conservador de fluxo 24, ele empurra tal campo toroidal preexistente, desviando suas linhas de campo. Por exemplo, o pulso de corrente de formação pode ser descarregado a cerca de 200 – 400 µs depois do tempo de disparo do circuito de sustentação 35. FIG. 4 mostra uma apresentação gráfica de um exemplo do perfil de corrente no sistema 20. O circuito de pico de corrente 36 é disparado primeiro para prover um pico de corrente de 1 MA (representado pela curva de pulso 46) e então, depois a cerca de 100 – 300 µs, o circuito de manutenção de corrente 38 pode ser disparado na corrente de pico para sustentar tal pulso de corrente de 1 MA por um tempo prolongado de >10 ms (vide curva 48). Como pode ser notado a partir do gráfico de corrente da FIG. 4, o circuito de potência de formação 31 é disparado após o circuito de potência de sustentação 35, como representado pela curva de corrente de formação 41.
[030] O projeto do circuito de formação 31 e o circuito de sustentação 35 da fonte de fornecimento de potência 30 dependerá dos parâmetros desejados do plasma gerado. Por exemplo, para gerar cerca de 300 mWb no plasma magnetizado, um banco capacitor de formação de cerca de 5 MJ pode ser exigido. O circuito de pico de corrente 36 pode ter um banco capacitor de 1,3 MJ como um fornecimento de potência enquanto o circuito de manutenção 38 pode ter um banco capacitor de cerca de 10 MJ como um fornecimento de potência. Isso é para propósitos de ilustração apenas e os circuitos 36, 38 podem ser projetados para prover e sustentar correntes mais fortes do que 1 MA para mais ou menos de 10 ms sem sair do escopo desta invenção. Os parâmetros do circuito de formação 31 também podem ser afetados pela quantidade de campo magnético de preenchimento e o campo toroidal preexistente no gerador de plasma que precisa ser desviado durante a fase de bolha.
[031] Um controlador (não mostrado) pode ser provido e pré- programado para controlar o tempo de disparo de cada um dos circuitos de fornecimento de potência, assim como a operação do injetor de combustível (por exemplo, válvulas 26 do injetor de combustível) e o fornecimento de potência para as bobinas 27 (campo magnético de preenchimento) para controlar a quantidade do gás, quantidade do campo toroidal no gerador de plasma 22 (atrás e em frente ao plasma), assim como o tamanho do plasma formado. O tempo de disparo dos circuitos 34, 36, 38 pode ser determinado dependendo das propriedades da fonte de potência 30, parâmetros desejados do plasma e o tamanho e a geometria do sistema de plasma 20. Cada um dos circuitos pode ter um ou mais interruptores adequados, diodos, e resistência de amortecimento (para proteger o sistema em caso de falha do capacitor ou do interruptor, e para reduzir ressonância elétrica nos componentes de fornecimento de potência). O controlador pode compreender uma unidade de entrada, uma unidade de saída, uma unidade de processamento e uma unidade de memória e pode ser programado para disparar os circuitos 34, 36, 38, as válvulas 26 do injetor de combustível de plasma e o fornecimento de potência das bobinas 27 baseados na tabela de tempo pré-programado armazenado na unidade de memória ou tais sinais de disparo de saída podem ser enviados ao circuito/componente apropriado baseado em um sinal de entrada particular a partir de um número de detectores (por exemplo, sondas óticas, sonda magnética, sondas de corrente/tensão). Em uma implementação, uma descarga de ruptura para ionizar o combustível de plasma pode ser provida por um ou mais eletrodos adicionais, referidos na presente invenção como eletrodos de disparo.
FIG. 5 ilustra uma modalidade compreendendo um eletrodo de disparo 51 para gerar a descarga de ruptura.
O eletrodo de disparo 51 pode ser posicionado no canal de propagação de plasma 25 e pode estar em comunicação elétrica com a fonte de potência 30. Por exemplo, o circuito de potência de formação 31 pode ser projetado para compreender um circuito de pré-formação 32 (vide FIG. 3) eletricamente acoplado ao um ou mais eletrodos de disparo 51 e o circuito de formação principal 34 eletricamente acoplado ao condutor central 21. O circuito de pré-formação 32 pode ter uma resistência e uma indutância predeterminadas e pode compreender um ou mais bancos capacitores como uma fonte de fornecimento de potência.
Por exemplo, o circuito de pré-formação 32 pode ser usado para prover uma descarga de ruptura de 10 – 25 kV entre o eletrodo de disparo 51 e o condutor central 21. O circuito de pré-formação 32 pode ser independente do banco de formação principal 34. A polaridade do eletrodo de disparo 51 pode ser oposta à polaridade do condutor central 21 no pulso de formação principal de modo a reduzir a quantidade de gás injetado requerido para atingir a descarga elétrica de ruptura.
Por exemplo, a polaridade do eletrodo de disparo 51 pode ser positiva e os elétrons são presos próximos aos condutores centrais 21 devido às linhas de campo magnético do campo de preenchimento (elétrons viajam ao longo dos campos magnéticos em proximidade ao condutor central 21), de tal modo que, quando uma tensão é aplicada ao eletrodo de disparo 51, a ruptura ocorre muito mais rapidamente (~50 µs). Técnicos no assunto entenderiam que a polaridade do eletrodo de disparo 51 pode ter qualquer polaridade e ainda atingir a descarga de ruptura e ionização do combustível de plasma, ou a descarga de ruptura pode ser aplicada entre o eletrodo de disparo 51 e o eletrodo externo 23 sem sair do escopo da invenção.
[032] Em uma implementação, o combustível de plasma pode ser um gás pré-ionizado que pode ser injetado dentro do canal de propagação de plasma 25 antes que uma descarga de ruptura seja aplicada ao eletrodo de disparo 51, para que o tempo de ruptura possa ser ainda mais reduzido, aumentando a quantidade de gás ionizado (gás menos neutro dentro do plasma). Em uma implementação, o circuito de pré-formação 32 pode ser omitido e o circuito de formação principal 34 pode ser usado para prover um pulso de corrente a ambos, o eletrodo de disparo 51 para o pulso de descarga de ruptura e o condutor central 21 para o pulso de formação. Técnicos no assunto entenderiam que a tensão aplicada ao eletrodo de disparo 51 para prover descarga de ruptura de gás pode ser maior ou menor do que 10 – 25 kV dependendo dos parâmetros e dimensões de sistema bem como dos parâmetros desejados do plasma.
[033] Nas implementações em que um eletrodo de disparo 51 é usado para iniciar ruptura de combustível de plasma gasoso, o circuito de pré- formação 32 é disparado antes de um tempo de disparo do banco de formação principal 34. Por exemplo, o circuito de pré-formação 32 pode ser disparado cerca de 200 – 300 µs após tempo de abertura da(s) válvula(s) 26 que injeta(m) combustível de plasma gasoso dentro do canal 25. O combustível de plasma gasoso é injetado dentro do canal de propagação de plasma 25 através de um coletor de válvulas de gás 26. O pulso de corrente de ruptura é entregue ao eletrodo de disparo 51 para que a corrente flua a partir do eletrodo de disparo 51 para o condutor central 21 (ou alternativamente para o eletrodo externo 23) através do gás e pelo menos parcialmente ionize o gás formando plasma. A ruptura de gás pode ser detectada por um ou mais detectores (não mostrados) projetados para detectar, por exemplo, uma luz de ruptura. Por exemplo, os detectores podem ser sensores óticos configurados para detectar a luz gerada pelos eventos de ruptura. Após o gás de ruptura ser detectado, um pulso de formação principal 34 é descarregado para o condutor central 21 para ionizar mais o gás e prover o campo toroidal de plasma para acelerar o plasma através do campo magnético de preenchimento até libertar-se (fase de bolha) e é injetado dentro do conservador de fluxo 24. A unidade de entrada do controlador pode ser provida para receber sinal(is) a partir do um ou mais detectores e, baseado em tais sinais, a unidade de saída do controlador pode enviar um sinal para a fonte de potência 30 para disparar o interruptor do banco de formação principal 34.
[034] Etapas de disparo são executadas pelo controlador. O controlador primeiramente dispara o fornecimento de potência das bobinas 27 para que o campo de preenchimento inicial seja embebido dentro do canal de propagação de plasma anular 25 (etapa 702). Em modalidades em que nenhum campo pré- toroidal é exigido, a sequência correta de etapas é executada pelo controlador. Então, uma vez que o campo de preenchimento é embebido no canal de propagação de plasma 25, as válvulas 26 são abertas (etapa 712) para injetar combustível de plasma dentro do canal de propagação de plasma 25. Nas modalidades que empregam eletrodos de disparo 51 acoplados ao circuito de pré-formação 32, na etapa 714 o circuito de pré-formação é disparado (por exemplo, 200 – 300 µs) após o tempo de abertura da(s) válvula(s) 26. Na etapa 716, a unidade de processamento do controlador processa os sinais recebidos a partir dos sensores de luz óticos para determinar quando a ruptura do combustível de plasma ocorre e baseado em tal ocorrência, na etapa 718, o controlador dispara o circuito de formação principal 34 para formar o plasma magnetizado e injetar tal plasma dentro do conservador de fluxo 24. Na etapa 720, o controlador pode disparar o circuito de sustentação de corrente de pico 36 em algum tempo predeterminado (por exemplo, 200 – 300 µs) após o tempo de disparo do circuito de formação principal 34 ou o circuito de sustentação de corrente de pico 36 pode ser disparado quando a sonda magnética montada na parede do conservador de fluxo 24a indicar que o plasma é injetado no conservador de fluxo 24. Na etapa 722, o controlador dispara o circuito de manutenção de corrente 38 com o atraso de, por exemplo, 100 – 300 µs após o tempo de disparo do circuito de sustentação de corrente de pico 36 (ou uma vez que o valor predeterminado do pico de corrente é alcançado como provido pelas sondas de corrente). Em certas modalidades quando nenhum eletrodo de disparo 51 é empregado, etapas 714 e 716 são omitidas e circuito de formação 34 é disparado em tempo predeterminado (por exemplo, 200 – 500 µs) após o tempo de abertura das válvulas 26. Etapas 720 e 722 são então disparadas como descritas anteriormente na presente invenção.
[035] Em modalidades em que um campo pré-toroidal é requerido, a sequência restante de etapas é executada pelo controlador. Então, na etapa 732, o controlador pode disparar o circuito de sustentação de corrente de pico
36. O circuito de sustentação de corrente de pico 36 pode ser disparado ao mesmo tempo que o tempo de disparo das bobinas 27 ou com algum atraso, como por exemplo atraso de 200 µs. Após um atraso de, por exemplo, 100 –
300 µs ou uma vez que o valor predeterminado da corrente de pico é alcançado, como provido pelas sondas de corrente, na etapa 734, o controlador dispara o circuito de manutenção de corrente 38. Então, as válvulas 26 são abertas (etapa 736) e então, dependendo se os eletrodos de disparo 51 são empregados ou não, etapas 714 – 718 são executadas de maneira similar como descrito anteriormente na presente invenção.
[036] Alternativamente, algum ou todo o combustível de plasma gasoso pode ser injetado no estado pré-ionizado. Injetar um grande número de partículas carregadas no canal de plasma anular 25 (ao invés de gás neutro) pode aumentar a probabilidade da ionização e pode encurtar o período de ruptura. Por exemplo, um pré-ionizador pode ser instalado em um tubo de combustível (não mostrado) conectando a fonte de combustível de plasma e o gerador de plasma 22. O pré-ionizador pode ser uma pistola de plasma coaxial miniatura 60 como aquela ilustrada na FIG. 6. O exemplo ilustrado do pré- ionizador 60 compreende um eletrodo central 62 que é posicionado dentro de um corpo tubular 64. É fechado em uma extremidade com um isolador 65 e a extremidade oposta é aberta formando uma porta de saída 66 que está em comunicação fluida com as portas 26 para que o gás pré-ionizado formado no pré-ionizador 60 possa ser injetado no gerador de plasma 22. Quaisquer outras configurações de eletrodos usados no pré-ionizador 60 ou quaisquer outros meios de pré-ionização configurados para ionizar parcialmente o gás antes de ser injetado no gerador de plasma 22 pode ser usado sem sair do escopo da invenção. Uma quantidade predeterminada de gás pode ser injetada no corpo 64 através de uma ou mais válvulas 67. O eletrodo central 62 e o corpo 64 são eletricamente acoplados ao circuito de pré-ionização 68. Quando a fonte de potência aplica um pulso elétrico ao pré-ionizador 60, corrente flui pelo eletrodo 62, através do gás injetado, ao corpo 64, ionizando o gás. Plasma formado no pré-ionizador 60 ao longo de qualquer gás que não foi ionizado é então acelerado pelo campo magnético criado pela corrente fluindo ao longo do plasma e é descarregado através da saída 66 e as válvulas 26 dentro do gerador de plasma 22. Quando o gás parcialmente ionizado entra no gerador de plasma 22, o controlador pode disparar um circuito de formação 34 para prover uma descarga de corrente entre o condutor central 21 e o eletrodo central 23 do gerador de plasma 22.
[037] Alternativamente, o gás neutro injetado dentro do canal de propagação de plasma anular 25 do gerador de plasma 22 pode ser pré- ionizado diretamente usando qualquer meio ou técnica adequada de ionização. Por exemplo, pré-ionização pode ser conduzida com uma ou mais fontes de luz ultravioleta (UV), tal como lâmpadas UV. As lâmpadas UV (não mostradas) podem ser arranjadas ao redor de um alojamento do gerador de plasma 22. A lâmpada UV pode ser acoplada a uma fonte de potência adequada para gerar um feixe de luz UV que pode ser dirigido em direção à região de injeção de gás próxima à porta de injeção de gás (por exemplo, portas de saída de válvulas). O alojamento do gerador de plasma 22 pode compreender uma ou mais janelas transparentes, que são configuradas de modo que a luz UV possa passar através da janela e colidir com o gás injetado, causando pelo menos ionização parcial de tal gás. A janela pode ser transparente para o tipo de energia gerada pela fonte de energia selecionada, por exemplo, lâmpada UV. Em uma implementação, as janelas transparentes podem ser configuradas como uma lente para focar a energia gerada pela lâmpada para a região ou ponto de gás injetado (portas). Em outras implementações, outros tipos de fontes de energia (por exemplo, lasers, descargas de corona, sistemas de radiofrequência (RF), etc.) podem ser usados para a excitação e pré-ionização do gás injetado diretamente no gerador de plasma 22 ou em um pré-ionizador externo.
Qualquer um dos sistemas e métodos mencionados pode ser usado para pré- ionizar o gás tanto diretamente no gerador de plasma 22 quanto o gás pode ser primeiramente pré-ionizado em um pré-ionizador (por exemplo, o pré- ionizador 60) e então é injetado em um estado parcialmente ou completamente ionizado no gerador de plasma 22.
[038] Modalidades de um sistema de geração de plasma são divulgados. Qualquer uma de tais modalidades pode ser usada para geração de plasma de densidade de alta energia adequada para aplicações em geradores de nêutron, fusão nuclear, remediação de resíduos nucleares, geração de nucleotídeos médicos, para pesquisa de materiais, para imageamento remoto da estrutura interna de objetos via radiografia e tomografia de nêutrons, gerador de raios-X, etc.
[039] Enquanto elementos, modalidades e aplicações particulares da presente divulgação mostraram e descreveram, será entendido que o escopo da divulgação não é limitado a isso, uma vez que modificações podem ser feitas sem sair do escopo da presente divulgação, particularmente à luz dos ensinamentos anteriores. Assim, por exemplo, em qualquer método ou processo divulgado na presente invenção, os atos ou operações constituindo o método/processo podem ser desempenhados em qualquer sequência adequada e não são necessariamente limitados a qualquer sequência em particular divulgada. Elementos e componentes podem ser configurados ou arranjados diferentemente, combinados e/ou eliminados em várias modalidades. Os vários processos e recursos descritos acima podem ser usados independentemente um dos outros, ou podem ser combinados de várias maneiras. Todas as combinações e subcombinações possíveis destinam a se enquadrar no escopo desta divulgação. Referência por toda esta divulgação a “algumas modalidades”, “uma modalidade”, ou semelhantes, significa que um recurso, estrutura, etapa, processo ou característica particular descrita em conexão com a modalidade é incluída em pelo menos uma modalidade. Assim, ocorrência de frases “em algumas modalidades”, “em uma modalidade”, ou semelhantes, por toda esta divulgação, não se referem todos necessariamente à mesma modalidade e podem se referir a uma ou mais da mesma ou de diferentes modalidades. De fato, os métodos e sistemas novos descritos na presente invenção podem ser incorporados em uma variedade de outras formas; ademais, podem ser feitas várias omissões, adições, substituições, equivalências, rearranjos e modificações na forma das modalidades descritas na presente invenção.
[040] Vários aspectos e vantagens das modalidades foram descritos onde era apropriado. É entendido que não necessariamente todos os tais aspectos ou vantagens podem ser atingidos em concordância com qualquer modalidade particular. Assim, por exemplo, deve ser reconhecido que várias modalidades podem ser realizadas de maneira que atinjam ou otimizem uma vantagem ou grupo de vantagens conforme ensinado na presente invenção sem necessariamente atingir outros aspectos ou vantagens como ensinados ou sugeridos na presente invenção.
[041] A linguagem condicional usada na presente invenção, como, entre outros, “pode”, “poderia”, “por exemplo”, e semelhantes, a menos que especificamente declarado de outra forma ou entendido de outra forma dentro do contexto usado, geralmente destina-se a transmitir que certas modalidades incluem, enquanto outras modalidades não incluem, certos recursos, elementos e/ou etapas. Assim, tal linguagem condicional não se destina geralmente a implicar que recursos, elementos e/ou etapas não são de qualquer forma requeridos para uma ou mais modalidades ou que necessariamente incluem lógica para decidir, com ou sem entrada ou solicitação do operador, se esses recursos, elementos e/ou etapas estão incluídos ou devem ser executados em qualquer modalidade particular. Nenhum recurso ou grupo de recursos é requerido para ou indispensável para qualquer modalidade em particular. Os termos “compreendendo”, “incluindo”, “tendo”, e semelhantes são sinônimos e são usados inclusivamente, em um modo aberto, e não exclui elementos, recursos, atos, operações, e assim por diante, adicionais. Ademais, o termo “ou” é usado em seu sentido inclusivo (e não em seu sentido exclusivo) para que, quando usado, por exemplo, para conectar uma lista de elementos, o termo “ou” signifique um, alguns ou todos os elementos da lista.
[042] Linguagem conjuntiva, como a frase “pelo menos um de X,Y e Z”, a menos que seja especificado de outra forma, é entendida com o contexto conforme usado em geral para transmitir que um item, termo, etc. pode ser X, Y ou Z. Assim, tal linguagem conjuntiva não se destina geralmente a implicar que certas modalidades requeiram pelo menos um de X, pelo menos um de Y e pelo menos um de Z para cada um estar presente.
[043] Os cálculos, simulações, resultados, gráficos, valores e parâmetros exemplificados das modalidades descritas na presente invenção se destinam a ilustrar e não limitar as modalidades divulgadas. Outras modalidades podem ser configuradas e/ou operadas diferentemente dos exemplos ilustrativos descritos na presente invenção. De fato, os métodos e aparelhos novos descritos na presente invenção podem ser incorporados em uma variedade de outras formas; além disso, podem ser feitas várias omissões, substituições e modificações na forma dos métodos e sistemas descritos na presente invenção.
Claims (12)
1. Sistema para geração de um plasma magnetizado e sustentação de um campo magnético do plasma magnetizado, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende: um gerador de plasma para geração do plasma magnetizado e compreendendo um eletrodo externo e um condutor central superior localizado coaxialmente dentro e espaçado do eletrodo externo para formar um canal de propagação de plasma anular com uma saída, um injetor de combustível para injetar um combustível de plasma dentro de uma extremidade a montante do canal de propagação de plasma anular; uma ou mais bobinas operáveis para gerar um campo magnético de preenchimento no canal de propagação de plasma anular e para prover um campo poloidal para o plasma magnetizado; um conservador de fluxo tendo uma parede externa e um condutor central inferior localizado coaxialmente dentro e espaçado da parede externa para definir uma cavidade interna evacuada com uma admissão em comunicação fluida com a saída do canal de propagação de plasma anular e através do qual o plasma magnetizado é injetado dentro da cavidade interna, em que uma extremidade do condutor central inferior é eletricamente acoplada a uma extremidade do condutor central superior e outra extremidade do condutor central inferior é eletricamente acoplada à parede externa do conservador de fluxo; e uma fonte de fornecimento de potência eletricamente acoplado a condutores centrais superior e inferior de tal modo que uma corrente flua ao longo dos condutores centrais superior e inferior e a parede externa do conservador de fluxo, a fonte de fornecimento de potência compreendendo um circuito de potência de formação configurado para gerar um pulso de potência de formação suficiente para gerar o plasma magnetizado a partir do combustível de plasma no gerador de plasma e para injetar o plasma magnetizado dentro do conservador de fluxo, e um circuito de potência de sustentação configurado para gerar um pulso de corrente de sustentação ao longo dos condutores centrais superior e inferior e a parede externa do conservador de fluxo suficiente para gerar um campo magnético toroidal no gerador de plasma e no conservador de fluxo.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de potência de sustentação compreende, ainda, um indutor de buffer que isola pelo menos parcialmente eletricamente o circuito de potência de sustentação do circuito de potência de formação, e o sistema compreende, ainda, um controlador tendo uma unidade de processamento em comunicação com os circuitos de potência de sustentação e formação, e uma memória tendo codificado nestes um código de programa que, quando executado, a unidade de processamento dispara o circuito de potência de sustentação antes do circuito de potência de formação para formar um campo toroidal preexistente no gerador de plasma e no conservador de fluxo.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível de plasma é um gás neutro, e o circuito de potência de formação compreende pelo menos um interruptor de alta tensão rápida operável para aplicar uma tensão entre o condutor central superior e o eletrodo externo em um valor e taxa suficientes para romper o gás neutro para formar o plasma magnetizado antes dos circuitos de corrente ao redor do conservador de fluxo.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, pelo menos um eletrodo de disparo posicionado no canal de propagação de plasma anular e eletricamente acoplado ao circuito de potência de formação, e em que o circuito de potência de formação é operável para prover um pulso de corrente de ruptura para o eletrodo de disparo suficiente para romper o combustível de plasma para formar o plasma magnetizado.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o circuito de potência de formação compreende um circuito de potência de formação principal eletricamente acoplado ao condutor central superior e operável para prover o pulso de corrente de formação, e um circuito de potência de pré-formação eletricamente acoplado ao eletrodo de disparo e operável para prover o pulso de corrente de ruptura.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível de plasma é um gás pré-ionizado que é injetado na extremidade a montante do canal de propagação de plasma anular.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, um eletrodo de disparo posicionado no canal de propagação de plasma anular na proximidade do injetor de combustível.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível de plasma é um gás neutro, e o sistema compreende, ainda, um meio para pré-ionização que provê uma energia de excitação no canal de programação de plasma anular que ioniza pelo menos parcialmente o gás neutro neste.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de potência de sustentação compreende um circuito de pico de corrente operável para prover um pulso de corrente de aumento rápido que alcança um valor predeterminado de um pico de corrente dentro de um período de tempo alvo, e um circuito de potência de manutenção de corrente configurado para sustentar um fluxo de corrente no sistema no pico de corrente por um período de tempo predeterminado.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o condutor central inferior é um guia de metal líquido compreendendo um metal líquido fluído, e o condutor central superior compreende um reservatório de metal líquido e um bocal através do qual o metal líquido flui e forma o guia de metal líquido.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, um receptor de metal líquido posicionado em uma placa de extremidade do conservador de fluxo abaixo do bocal; e um sistema de recirculação com uma rede de conduítes acoplando fluidamente o receptor de metal líquido e o reservatório de metal líquido, de modo que o metal líquido capturado no receptor de metal líquido retorna ao reservatório de metal líquido.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conservador de fluxo é parcialmente preenchido com um metal líquido, e o sistema compreende, ainda, um sistema de circulação de metal líquido configurado para dirigir um fluxo do metal líquido dentro do conservador de fluxo tanto que um revestimento de metal líquido é formado dentro da cavidade interna evacuada.
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