BRPI0609290A2 - sistema de geração elétrica via plasma - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE GERAçãO ELéTRICA VIA PLASMA. Trata-se de um sistema e aparelho para fusão controlada em uma topologia magnética de configuração de campo reverso (E'RC) e para conversão de energias do produto da fusão diretamente em energia elétrica. De preferência, os ions do plasma são magneticamente confinados na FRC, enquanto os elétrons do plasma são eletrostaticamente confinados em um poço de energia profundo, criado por se ajustar um campo magnético externamente criado. Nesta configuração, os ions e os elétrons podem ter densidade e temperatura adequadas, de modo que quando das colisões, eles são fundidos juntos pela força nuclear, assim formando produtos da fusão que emergem na forma de um feixe anular. A energia é removida a partir dos ions do produto da fusão à medida que eles passam em espiral pelos eletrodos de um conversor ciclotron inverso. De forma vantajosa, os plasmas combustíveis da fusão que podem ser utilizados com o presente sistema de confinamento e de conversão de energia incluem combustíveis avançados (aneutronicos)

Description

"SISTEMA DE GERAÇÃO ELÉTRICA VIA PLASMA"CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção relaciona-se em geral com o campo depropriedades físicas do plasma e em particular, com métodose aparelhos para confinar plasma para permitir a fusão nuclear e para converter energia a partir dos produtos da fusão em eletricidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A fusão é o processo pelo qual dois núcleos levescombinam para formar um núcleo mais pesado. 0 processo defusão libera uma tremenda quantidade de energia na forma departículas com movimento rápido. Devido aos núcleos atômicosserem positivamente carregados - devido aos prótons contidosnos mesmos - existe uma força eletrostática repulsiva, ou deColoumb, entre os mesmos. Para dois núcleos fundirem, estabarreira repulsiva deve ser superada, o que ocorre quando osdois núcleos são aproximados o suficiente onde as forças nucleares de curto alcance tornam-se fortes o suficiente parasuperar a força de Coulomb e fundem os núcleos. A energianecessária para os núcleos superarem a barreira de Coulomb éproporcionada por suas energias térmicas, as quais devem sermuito altas. Por exemplo, a taxa de fusão pode ser apreciável se a temperatura for pelo menos na ordem de' IO4 eV -correspondendo grosseiramente a 100 milhões de graus Kelvin.A taxa de uma reação de fusão é em função da temperatura, eela é caracterizada por uma quantidade chamada reatividade.A reatividade de uma reação D-T, por exemplo, possui um picoamplo entre 30 keV e 100 keV.Reações de fusão típicas incluem:

D + D-»He3(0,8 MeV) + n(2,5 MeV),

D + Ta(3,6 MeV) + w(14,l MeV),

D + He3 -» cc(3,7 MeV) + /?(14,7 MeV), e

p + Bu -> 3a(8,7 MeV),

onde D indica deutério, T indica trítio, a indica um núcleohélio, n indica um nêutron, p indica um próton, He indicahélio, e B11 indica Boro-11. Os números nos parênteses emcada equação indicam a energia cinética para os produtos dafusão.

As primeiras duas reações listadas acima - as rea-ções D-D e D-T - são neutronicas, o que significa que a mai-oria da energia de seus produtos da fusão é transportada pornêutrons rápidos. As desvantagens das reações neutronicassão que (1) o fluxo de nêutrons rápidos cria vários proble-mas, incluindo dano estrutural das paredes do reator e altosníveis de radioatividade para a maioria dos materiais daconstrução; e (2) a energia dos nêutrons rápidos é coletadapor se convergir sua energia térmica para energia elétrica,o que é muito ineficiente (menos do que 30%) . As vantagensdas reações neutronicas são que (1) seus picos de reativida-de são em temperatura relativamente baixa, e (2) suas perdasdevidas à radiação são relativamente baixas devido aos núme-ros atômicos do deutério e do trítio serem 1.

Os reagentes em outras duas equações - D-He3 e p-B11 são chamados de combustíveis avançados. Ao invés de pro-duzir nêutrons rápidos, como nas reações neutronicas, seusprodutos da fusão são partículas carregadas. Uma vantagemdos combustíveis avançados é que eles criam bem menos nêu-trons e portanto, sofrem menos das desvantagens associadascom os mesmos. No caso de D-He3, alguns nêutrons rápidos sãoproduzidos por reações secundárias, mas estes nêutrons sãoresponsáveis por somente cerca de 10 por cento da energiados produtos da fusão. A reação p-Bn é livre dos nêutronsrápidos, apesar de ela realmente produzir alguns nêutronslentos que resultam a partir de reações secundária, mas cri-am bem menos problemas. Outra vantagem dos combustíveis a-vançados é que seus produtos da fusão compreendem partículascarregadas cuja energia cinética pode ser diretamente con-vertida para eletricidade. Com um processo apropriado deconversão direta de energia, a energia dos produtos da fusãodo combustível avançado pode ser coletada com uma alta efi-ciência, possivelmente em mais de 90 por cento.

Os combustíveis avançados também possuem desvantagens. Por exemplo, os números atômicos dos combustíveis avançados são mais altos (2 para He2 e 5 para Bu). Portanto,suas perdas de radiação são maiores do que nas reações neu-tronicas. Além disso, é muito mais difícil causar que oscombustíveis avançados fundam. Suas reatividades de pico o-correm em temperaturas muito mais altas e não alcançam umareatividade tão alta quanto para a D-T. Causar uma reação defusão com combustíveis avançados desse modo requer que elessejam levados para um estado de energia mais elevado ondesua reatividade seja significativa. Por conseqüência, oscombustíveis avançados devem estar contidos por um períodode tempo mais longo onde eles podem ser levados para as con-dições apropriadas de fusão.

0 tempo de contenção para um plasma é At = r2/D,onde r é uma dimensão minima do plasma e D é um coeficientede difusão. 0 valor clássico do coeficiente de difusão é Dc= a2± / T±e, onde a± é o giro-raio do ipn e xie é o tempo decolisão ion - elétron. A difusão de acordo com o coeficientede difusão clássico é chamada de transporte clássico. 0 coeficiente de difusão de Bohm, atribuído às instabilidades comcomprimento de onda curto, é DB = (1/16) a2iQi.onde fl± é a giro-freqüência do ion. A difusão, de acordo com esta relação,é chamada de transporte anômalo. Para as condições de fusão,DB / Dc = (l/16)fijTie = IO8, o transporte anômalo resulta emum tempo de contenção mais curto.do que o transporte clássi-co. Esta relação determina o quanto grande um plasma deve ser em um reator de fusão, pelo requerimento de que o tempode contenção para uma dada quantidade de plasma deva sermais longo do que o tempo para o plasma ter uma reação defusão nuclear.

Portanto, a condição de transporte clássico é maisdesejável em um reator de fusão,permitindo plasmas iniciaismenores.

Em experimentos anteriores com o confinamento toroidal de plasma, um tempo de contenção de At = r /DB foiobservado. O progresso nos últimos 4 0 anos aumentou o tempode contenção para At = 1000 r2/DB. Um conceito existente dereator de fusão é o Tokamak. Pelos últimos 30 anos, os esforços de fusão foram focados no reator Tokamak utilizandoum combustível D-T. Estes esforços culminaram no Reator Ex-perimental Termonuclear Internacional (ITER) . Experimentosrecentes com os Tokamaks sugerem que o transporte clássico,At = r /DB é possível, caso em que a dimensão minima doplasma pode ser reduzida de metros para centímetros. Estesexperimentos envolveram a injeção de feixes energéticos (50até 100 KeV), para aquecer o plasma para temperaturas de 10até 30 keV. Veja, de W. Heidbrink & G. J. Sadler, 34 NuclearFusion 535 (1994). Os ions do feixe energético nestes expe-rimentos foram observados como desacelerando e se difundindoclassicamente, enquanto o plasma normal continuava a difun-dir, de forma anômala, rápido. As razões para isto é que osions do feixe energético possuem um giro-raio grande, e comotal, são insensíveis às flutuações com os comprimentos deonda mais curtos do que o giro-raio do ion (À, < a±) . As flu-tuações de comprimento de onda curto tendem a se tornar mé-dias através de um ciclo e assim se cancelam. Os elétrons,entretanto, possuem um giro-raio muito menor, de modo queeles respondem às flutuações e ao transporte de forma anômala.

Devido ao transporte anômalo, a dimensão minima doplasma deve ser pelo menos 2,8 metros. Devido a esta dimen-são, o ITER foi criado com 30 metros de altura e com 30 me-tros de diâmetro. Isto é o menor tipo de reator Tokamak D-Tque é viável. Para os combustíveis avançados, tal como D-He3e p-B11, o reator do tipo Tokamak teria que ser muito maiordevido ao tempo para o ion do combustível ter uma reação nu-clear ser muito mais longo. Um reator Tokamak utilizando ocombustível D-T tem o problema adicional de que a maioria daenergia da energia dos produtos da fusão é transportada pornêutrons de 14 MeV, o que causa dano de radiação e induz reatividade em quase todos os materiais da construção devidoao fluxo de nêutrons. Em adição, a conversão de sua energiaem eletricidade pode ser por um processo térmico, o qual nãoé mais do que 30% eficiente.

Outra configuração de reator proposta é um reatorde feixe de colisão. Em um reator de feixe de colisão, umplasma secundário é bombardeado por feixes de ions. Os feixes compreendem ions com uma energia que é muito maior doque o plasma térmico. Produzir reações de fusão 'úteis nestetipo -de reator tem sido viável por que o plasma secundáriodesacelera os feixes de ions. Têm sido feitas várias propostas para' reduzir este problema e maximizar o número dereações nucleares.

Por exemplo, a Patente US 4.065.351 para Jassby etal., revela um método para produzir feixes de colisão defluxo contrário de deuterons e de tritons em um sistema econfinamento toroidal. Na patente US 4.057.462 para Jassbyet al., a energia eletromagnética é injetada para neutralizar os efeitos do plasma de equilíbrio a granel arrastado emuma das espécies de ion. 0 sistema de confinamento toroidalé identificado como um Tokamak. Na Patente US 4.894.199 paraRostoker, feixes de deutério e de tritio são injetados e retidos com a mesma velocidade média em uma configuração Tokamak, de espelho ou de campo reverso. Existe um plasma secundário de resfriamento de baixa densidade para o único propósito de reter os feixes. Os feixes reagem porque eles possu-em uma alta temperatura, e a desaceleração é principalmentecausada pelos elétrons que acompanham os ions injetados. Oselétrons são aquecidos pelos ions, caso em que a desaceleração é minima.

Entretanto, em nenhum destes dispositivos, realmente um campo elétrico de equilíbrio representa um papel.Adicionalmente, não existe tentativa para reduzir, ou mesmoconsiderar, o transporte anômalo.

Outras patentes consideram o confinamento eletrostático de ions, e em alguns casos, o confinamento magnéticode elétrons. Estas incluem, a Patente US 3.258.402 paraFarnsworth e a Patente US 3.386.883 para Farnsworth, asquais revelam o confinamento eletrostático de ions e o confinamento inercial de elétrons; a Patente US 3.530.036 paraHirsch et al., e a Patente US 3.5.30.497 para Hirsch et al.,são similares as para Farnsworth; a Patente US 4.233.537 para Limpaecher, a qual revela confinamento eletrostático deions e confinamento magnético de elétrons com paredes de reflexão de cúspide com vários pólos; e a Patente US 4.826.646para Bussard, a qual é similar à para Limpaecher e envolvecúspides de ponto. Nenhuma destas patentes considera o confinamento eletrostático de elétrons e o confinamento magnético de ions. Apesar de terem existido vários projetos depesquisa em relação ao confinamento eletrostático de ions,nenhum deles obteve sucesso em estabelecer os campos eletrostáticos requeridos quando os ions possuem a densidaderequerida para um reator de fusão. Por fim, nenhuma das patentes citadas acima discute uma topologia magnética comconfiguração de campo reverso.

A configuração de campo reverso (FRC) foi descoberta acidentalmente ao redor de 1960 no Naval Research Laboratoy durante experimentos de configuração de espelho simples. Uma topologia FRC típica, onde o campo magnético interno inverte a direção, é ilustrada na Fig. 3 e na Fig.5, eórbitas de partícula em uma FRC são apresentadas na Fig. 6 ena Fig. 9. Com respeito à FRC, vários programas de pesquisatêm sido suportados nos Estados Unidos e no Japão. Existe umestudo de avaliação abrangente em relação à teoria e aos experimentos da pesquisa FRC de 1960 até 1980. Veja, deM.Tszewski, 28. Nuclear Fusion 2033, (1988). Um relatório governamental sobre o desenvolvimento da FRC descreve a pesquisa em 1996 e recomendações para pesquisa futura. Veja, deL. C. Steinhauer et al. , 30 Fusion Technology 116 (1996) .Até esta data, nos experimentos FRC, a FRC foi formada com ométodo de configuração de espelho simples. Uma conseqüênciadeste método de formação é que cada um dentre os íons e oselétrons transporta metade da corrente, o que resulta em umcampo eletrostático desprezível no plasma e nenhum confinamento eletrostático. Os íons e os elétrons nesta FRC foramcontidos magneticamente. Em quase todos os experimentos FRC,o transporte anômalo foi assumido. Veja, por exemplo, deTuszewski, Beglnning of section 1.5.2, na página 2072.

Assim, é desejável proporcionar um sistema de fusão possuindo um sistema de contenção que tenda a substanci-almente a reduzir ou eliminar o transporte anômalo de íons ede elétrons e um sistema de conversão de energia que conver-ta a energia dos produtos da fusão- para eletricidade com alta eficiência.

SUMÁRIO

A presente invenção é direcionada para um sistemaque facilita a fusão controlada em um campo magnético possuindo uma topologia de campo reverso e a conversão dieta deenergia do produto da fusão para energia elétrica. 0 sistema , referido neste documento como sistema de geração de energia elétrica a partir do plasma (PEG), de preferência inclui um reator de fusão possuindo um sistema de contençãoque tende a substancialmente reduzir ou eliminar o transporte anômalo de ions e de elétrons. Em adição, o sistema PEGinclui um sistema de conversão de energia acoplado com o reator que diretamente converte as energias do produto da fusão para eletricidade com alta eficiência.

Em uma modalidade, o transporte anômalo tanto paraos ions como para os elétrons tende a ser substancialmentereduzido ou eliminado. 0 transporte anômalo de ions tende aser evitado por magneticamente confinar os ions em um campomagnético ou na configuração de campo reverso (FRC). Para oselétrons, o transporte anômalo de energia é evitado por seajustar um campo magnético externamente aplicado para desenvolver um campo elétrico forte, o qual confina os elétronseletrostaticamente em um poço de potencial profundo. Comoresultado, os plasmas do combustível de fusão que podem serutilizados com o presente aparelho e processo de confinamento não estão limitados aos combustíveis neutronicos, mastambém de forma vantajosa incluem os combustíveis avançadosou aneutronicos. Para os combustíveis aneutronicos, a ener-gia da reação de fusão é quase totalmente na forma de partí-culas carregadas, isto é, íons energéticos, que podem sermanipuladas em um campo magnético e, dependendo do combustí-vel , causar pouca ou nenhuma radioatividade.

Em uma modalidade preferida, um sistema de conten-ção de plasma do reator de fusão compreende uma câmara, umgerador de campo magnético para aplicar um campo magnéticoem uma direção substancialmente ao longo de um eixo funda-mental e uma camada de plasma anular que compreende um feixede circulação de íons. Os íons da camada de feixe de plasmaanular estão substancialmente contidos dentro da câmara mag-neticamente em órbitas e os elétrons estão substancialmentecontidos em um poço de energia eletrostática. Em uma modali-dade preferida, o gerador de campo magnético inclui uma bo-bina de corrente. De preferência, o gerador de campo magné-tico adicionalmente compreende as bobinas de espelho próxi-mas das extremidades da câmara, o que aumenta a magnitude docampo magnético aplicado nas extremidades da câmara. 0 sis-tema também compreende um ou mais injetores de feixe parainjetar feixes de íon neutralizado dentro do campo magnéti-co, onde o feixe entra em uma órbita devido à força causadapelo campo magnético. Em uma modalidade preferida, o sistemaforma um campo magnético possuindo uma topologia de uma con-figuração de campo reverso.

Em outra modalidade preferida, é proporcionada umacâmara alternativa, a qual impede a formação de correntes deimagem azimutal em uma região central da parede da câmara epermite que o fluxo magnético penetre na câmara em um prazode execução rápido. A câmara, a qual é principalmente compreendida de aço inoxidável para proporcionar resistênciaestrutural e boas propriedades de vácuo, inclui interrupçõesde isolamento axial na parede da câmara que se estendem porquase todo o comprimento da câmara. De preferência, existemtrês- interrupções que estão cerca de 120 graus separadas umas das outras. As interrupções incluem uma fenda ou brechaformada na parede. Um inserto compreendendo um material deisolamento, de preferência, uma cerâmica ou coisa parecida,é inserido dentro das fendas ou brechas. No interior da câ-mara, uma cobertura de metal cobre o inserto. No exterior dacâmara, o inserto é ligado com um painel de vedação, de preferência formado de fibra de vidro ou coisa parecida, queforma uma barreira de vácuo por meio de uma vedação em formade anel com a superfície de aço inoxidável da parede da câmara.

Ainda em outra modalidade preferida, uma fonte deplasma indutiva, pode ser montada dentro da câmara e incluiuma montagem de bobina de descarga elétrica, que de preferência é alimentada por uma fonte de energia de alta tensãoelétrica (cerca de 5 até 15 kV) (não apresentada) . Gás neutro, tal como Hidrogênio (ou outro combustível de fusão gasoso apropriado), é introduzido dentro da fonte através dealimentações diretas de gás via um injetor Lavai. Uma vezque o gás emane a partir do injetor e se distribua atravésda superfície dos enrolamentos da bobina da bobina de descarga elétrica, os enrolamentos estão energizados . A cor-rente ultra-rápida■e o aumento do fluxo na bobina de descarga elétrica de indutância leva a um campo elétrico muito elevado dentro do gás, o que causa a tensão de ruptura, a ionização e a subseqüente expulsão do plasma formado a partirda superficie da bobina de descarga elétrica em direção aocentro ou ao plano médio da câmara.

Em uma modalidade adicional preferida, um acionamento RF compreende um cicloton quadripolar localizado dentro da câmara e possuindo quatro eletrodos de forma azimutalsimétricos com brechas entre os mesmos. 0 cicloton quadripolar produz uma onda de potencial elétrico que gira na mesmadireção que a velocidade azimutal dos ions, mas em uma velocidade maior. Os ions com velocidade apropriada pode ser retidos nesta onda, e refletidos periodicamente. Este processoaumenta o momento e a energia dos ions do combustível e esteaumento é transportado para os ions do combustível que nãosão retidos pelas colisões.

Em outra modalidade, um sistema de conversão direta de energia é utilizado para converter a energia cinéticados produtos da fusão diretamente para energia elétrica pordesacelerar as partículas carregadas através de um campo eletro-magnético. De forma vantajosa, o sistema de conversãodireta de energia da presente invenção possui as eficiência s , as tolerâncias de partícula - energia e a habilidadeeletrônica de converter a freqüência e a fase da energia desaida da fusão de cerca de 5 MHz para combinar com a freqüência de uma grande de energia externa de 60 Hertz.

Em uma modalidade preferida, o sistema de conver-são de energia compreende os conversores de cicloton inver-sos (ICC) acoplados extremidades opostas do reator de fusão.0 ICC possui uma geometria tipo cilindro oco formada a par-tir de vários, de preferência, quatro ou mais, eletrodos se-micilindricos com brechas pequenas retas se estendendo entreos mesmos. Em operação, um potencial oscilante é aplicadojunto aos eletrodos de um modo alternado. 0 campo elétrico Edentro do ICC possui uma estrutura com vários pólos e dis-solve os eixos de simetria e aumenta a linearidade cm o rai-o; o valor de pico sendo na brecha.

Em adição, o ICC inclui um gerador de campo magné-tico para aplicar um campo magnético unidirecional uniformeem uma direção substancialmente oposta ao campo maignéticoaplicado don sistema de contenção do reator de fusão. Em umaextremidade mais distante a partir do núcleo de energia doreator de fusão, o ICC inclui um coletor de ion. No meio donúcleo de energia e do ICC está um cúspide magnético simé-trico onde o campo magnético do sistema de contenção se fun-de com o campo magnético do ICC. Um coletor de elétron emformato anular é posicionado ao redor do cúspide magnético eeletricamente acoplado com o coletor de ion.

Ainda em outra modalidade preferida, os núcleos doproduto e os elétrons de neutralização de carga emergem comofeixes anulares a partir de ambas extremidades do núcleo deenergia do reator com uma densidade na qual o vértice magné-tico separa os elétrons e os ions devido as suas diferençasde energia. Os elétrons seguem a linhas de campo magnéticopara o coletor de elétron e os ions passam através do verti-ce, onde as trajetórias dos íons são modificadas para seguirum caminho substancialmente helicoidal ao longo do comprimento do ICC. A energia é removida a partir dos ions à medida que eles passam em espiral pelos eletrodos, os quais estão conectados com um circuito ressonante. A perda de ener-gia perpendicular tende a ser preeminente para ions de maisalta energia que inicialmente circulam próximos dos eletrodos , onde o campo elétrico é mais forte.

Outros aspectos e características da presente invenção irão se tornar aparentes a partir da consideração dadescrição seguinte feita em conjunto com os desenhos acompa-nhantes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As modalidades são ilustradas a titulo de exemplo,e não de limitação, nas figuras dos desenhos acompanhantes,nos quais números de referência iguais se referem a compo-nentes iguais.

A Fig. 1 apresenta uma vista parcial de uma câmarade confinamento ilustrativa.

A Fig. 2A apresenta uma vista parcial de outra câ-mara de confinamento ilustrativa.

A Fig.2B apresenta uma vista em corte parcial aolongo da linha 2B - 2B na Fig. 2A.

A Fig. 2C apresenta um vista detalhada ao longo dalinha 2C na Fig. 2B.

A Fig. 2D apresenta uma vista em corte parcial aolongo da linha 2D - 2D na Fig.2B.

A Fig. 3 apresenta um campo magnético de uma FRC.As Figs. 4 A e 4B apresentam, respectivamente, adireção diamagnética e contra-diamagnética em uma FRC.

A Fig. 5 apresenta um sistema de feixe de colisão.

A Fig.6 apresenta uma órbita bétatron.

As Figs. 7 A e 7B apresentam, respectivamente, ocampo magnético e a direção do deslocamento de gradiente emum FRC.

As Figs. 8A e 8B apresentam, respectivamente, ocampo elétrico e a direção do deslocamento E—> x B—> em umaFRC.

As Figs. 9A, 9B e 9C apresentam órbitas de deslocamento de ion.

As Figs. 10A e 10B apresentam a força Lorentz nasextremidades de uma FRC.

As Figs. 11A e 11B apresentam o ajuste do campoelétrico e de potência elétrico no sistema de feixe de colisão .

A Fig. 12 apresenta uma distribuição Maxwell.

As Figs. 13A e 13B apresentam transições das órbi-tas bétatron para órbitas de deslocamento devido às colisõesion - ion de ângulo grande.

A Fig. 14 apresenta as órbitas bétatron A, B, C eD quando colisões ion - ion de pequeno ângulo são consideradas .

A Fig. 15 apresenta um feixe de ion neutralizado àmedida que ele é eletricamente polarizado.

A Fig. 16 é uma vista frontal de um feixe de ionneutralizado à medida que ele entra em contato com o plasmaem uma câmara de confinamento.

A Fig. 17 é um vista de extremidade esquemática deuma câmara de confinamento de acordo com uma modalidade pre-ferida de um procedimento de partida.

A Fig. 18 é uma vista de extremidade de uma câmarade confinamento de acordo com outra modalidade preferida deum procedimento de partida.

A Fig. 19 apresenta traços da sonda de ponto B in-dicando a formação de uma FRC.

A Fig. 20A apresenta uma vista de uma fonte deplasma indutivo que pode ser montada dentro de uma câmara.

As Figs. 20B e 20C apresentam vistas parciais dafonte de plasma indutivo.

As Figs. 2IA e 21B apresentam vistas parciais deum sistema de acionamento RF.

A Fig. 21C apresenta um esquema das configuraçõesdipolar e quadripolar.

A Fig. 22A apresenta um sistema parcial de geraçãode energia elétrica a partir do plasma um reator de fusão defeixe de colisão acoplado com um conversor direto de energiade ciclotron inverso.

A Fig. 22B apresenta uma vista de extremidade doconversor de ciclotron inverso na Fig. 19A.

A Fig. 22C apresenta uma órbita de um ion no con-versor de ciclotron inverso.

A Fig. 23A apresenta um sistema parcial de geraçãoe energia elétrica de plasma compreendendo um reator de fu-são de feixe de colisão acoplado com uma modalidade alterna-tiva do conversor de ciclotron inverso.

A Fig. 23B apresenta uma vista de extremidade doconversor de ciclotron inverso na Fig. 20A.

A Fig. 24A apresenta uma órbita de partícula dentro de um ciclotron convencional.

A Fig.24B apresenta um campo elétrico oscilante.

A Fig. 24C apresenta a energia de transformação deuma partícula de aceleração.

A Fig. 2 5 apresenta umbrechas entre os eletrodos do ICCion com velocidade angular.

A Fig. 26 apresenta umaquadripolar.

As Figs. 27A e 27B apresentam o sistema auxiliarde bobina de campo magnético.

A Fig. 28 apresenta um reator de 100 MW.

A Fig. 29 apresenta o equipamento de suporte doreator.

A Fig. 30 apresenta um sistema de propulsão porempuxo de plasma.

A Fig.31 apresenta os componentes principais de umsistema de propulsão pôr empuxo de plasma.

A Fig. 32 apresenta um diagrama de blocos do sistema de propulsão de impulso de plasma.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

Como ilustrado nas figuras, um sistema de geraçãode plasma - energia elétrica (PEG) da presente invenção depreferência inclui um reator de fusão de feixe de colisãocampo elétrico azimutal emque é experimentado por umlente de focalização dupla(CBFR) acoplado com um sistema de conversão de energia. Comoaludido acima, um reator de fusão ideal resolve o problemade transporte anômalo tanto para os ions como para os elé-trons . A solução do problema de transporte anômalo encontra-do neste documento faz uso de um sistema de contenção com umcampo magnético possuindo uma configuração de campo reverso

(FRC). 0 transporte anômalo de ions é evitado pelo confina-mento magnético na FRC de um modo tal que a maioria dos ionspossuem órbitas grandes não adiabáticas, tornando os mesmosinsensíveis às flutuações com comprimento de onda curto quecausam o transporte anômalo de ions adiabáticos. Em particu-lar, a existência de uma região na FRC onde o campo magnéti-co desaparece, torna possível ter um plasma compreendendouma maioria de ions não adiabáticos. Para os elétrons, otransporte anômalo de energia é evitado por se aj ustar ocampo magnético externamente aplicado para desenvolver umcampo elétrico ' forte, o qual confina os mesmos eletrostati-camente em um poço de potência profundo.

Os plasmas de combustível de fusão que podem serutilizados com o presente aparelho e processo de confinamen-to não estão limitados aos combustíveis neutronicos, tal co-mo D-D (Deutério-Deutério) ou D-T (Deutério-Tritio), mastambém, de forma vantajosa, incluem os combustíveis avança-dos ou aneutronicos, tal como D-He3 (Deutério-Hélio-3) ou p-B11 (Hidrogênio-Boro-11). (Para uma discussão dos combustí-veis avançados, veja de R. Feldbacher & M. Heindler, NuclearInstruments and Methods in Physics Research, A271 (1988)JJ-64 (North Holland Amsterdam) ) . Para tais combustíveis aneu-tronicos, a energia da reação de fusão é quase totalmente naforma de partículas carregadas, isto é, ions energéticos,que podem ser manipulados em um campo magnético, e dependendo do combustível, causam pouca ou nenhuma radioatividade. Areação D-He3 produz um ion H e um ion He4 com energia de18,2 MeV, enquanto a reação p-B11 produz três ions He4 e 8,7MeV de energia. Baseado na modelagem teórica para um dispositivo de fusão utilizando combustíveis aneutronicos, a eficiência da conversão de energia de saida pode ser tão altaquanto cerca de 90%, como descrito por K. Yoshikawa, T. Nomae Y. Yamamoto em Fusion Technology, 19, 870 (1991), por exemplo. Tais eficiências dramaticamente avançam as possibilidades para a fusão aneutronica em uma configuração dimensiona vel (1 até 1000 MW), compacta e de baixo custo -

Em um processo de conversão direta de energia dapresente invenção, as partículas carregadas de produtos dafusão podem ser desaceleradas e sua energia cinética convertida diretamente para eletricidade. De forma vantaj osa, osistema de conversão direta de energia da presente invençãopossui as eficiências, tolerâncias de particula-energia ehabilidade eletrônica para converter a freqüência e a faseda energia de saida da fusão de cerca de 5 MHz para combinarcom a freqüência e a fase de uma grade de energia externa de60 Hertz.

Sistema de Contensão da Fusão

A Fig. 1 ilustra uma modalidade preferida de umsistema de contensão 300 de acordo com a presente invenção.O sistema de contensão 300 compreende uma parede da câmara305 que define na mesma uma câmara de confinamento 310. Depreferência, a câmara 310 é cilíndrica em formato, com o eixo principal 315 ao longo do centro da câmara 310. Para aplicação deste sistema de contensão 300 junto a um reator defusão, é necessário criar um vácuo ou próximo de vácuo dentro da câmara 310. Concêntrico com o eixo principal 315, está uma bobina de fluxo do bétatron 320, localizada dentro dacâmara 310. A bobina de fluxo do bétatron 320 compreende ummeio de transporte de corrente elétrica adaptado para direcionar a corrente ao redor de uma bobina longa, como apresentado, a qual de preferência compreende enrolamentos paralelos com múltiplas bobinas separadas e, mais de preferência, enrolamentos paralelos com cerca de quatro bobinas separadas, para formar uma bobina longa. Os versados na técnica irão apreciar que a corrente através da bobina do bétatron 320 irá resultar em um campo magnético dentro da bobinado bétatron 320, substancialmente na direção do eixo principal 315.

Ao redor do exterior da parede da câmara 305 estáuma bobina externa 325. A bobina externa 325 produz um campomagnético relativamente constante, possuindo fluxo substancialmente paralelo ao eixo principal 315. Este campo magnetico é de forma azimutal simétrico. A aproximação de que ocampo magnético, devido a bobina externa 325, é constante eparalelo ao eixo 315, é mais válida longe das extremidadesda câmara 310. Em cada extremidade da câmara 310 está umabobina de espelho 330. As bobinas de espelho 330 são adaptadas para produzir um campo magnético aumentado dentro da câ-mara 310 em cada extremidade, assim curvando as linhas docampo magnético para o interior em cada extremidade. (Ve j aas Figs. 3 e 5). Como explicado, esta curvatura para o interior das linhas do campo ajuda a conter o plasma 335 em umaregião de contensão dentro da câmara 310 geralmente entre asbobinas de espelho 330 por empurrar o mesmo para longe dasextremidades, onde ele pode escapar do sistema de contensão300. As bobinas de espelho 330 podem ser adaptadas para produzir um campo magnético aumentado nas extremidades por vários métodos conhecidos na técnica, incluindo aumentar o número de enrolamentos nas bobinas de espelho 330, aumentar acorrente através das bobinas de espelho 330, ou sobrepor asbobinas de espelho 330 com a bobina externa 325.

A bobina externa 325 e as bobinas de espelho 330são apresentadas na Fig. 1, implementadas exteriores à parede da câmara 305; entretanto, elas podem ser interiores àcâmara 310. Nos casos onde a parede da câmara 305 é construída de um material condutivo, tal como metal, pode ser vantajoso colocar as bobinas 325, 330, dentro da parede da câmara 305, porque o tempo que leva para o campo magnético difundir através da parede 305 pode ser relativamente grande aassim causar que o sistema 300 reaja muito lentamente. Deforma similar, a câmara 310 pode ser do formato de um cilindro oco, a parede da câmara 305 formando um aro anular longo

- Em tal caso, a bobina de fluxo do bétatron 320 poderiaser implementada fora da parede da câmara 305 no centro deste aro anular. De preferência, a parede interna formando ocentro do aro anular pode compreender um material não condu-tivo, tal como vidro. Como irá se tornar aparente, a câmara310 deve ter tamanho suficiente e formato para permitir queo feixe ou a camada de plasma circulante 335 gire ao redordo eixo principal 315 em um dado raio.

A parede da câmara 305 pode ser formada de um ma-terial possuindo uma alta permeabilidade magnética, tal comoaço. Em tal caso, a parede da câmara 305, devido às contra-correntes induzidas no material, ajuda a manter o fluxo mag-nético sem escapar da câmara 310, "comprimindo" o mesmo. Sea parede da câmara fosse para ser feita de um material pos-suindo baixa permeabilidade magnética, tal como vidro deplástico (acrilico), outro dispositivo para conter o fluxomagnético seria necessário. Em tal caso, uma série de arosde metal planos de circuito fechado poderia ser proporciona-da. Estes aros, conhecidos na técnica como delimitadores defluxo, seriam proporcionados dentro das bobinas externa 325,mas fora do feixe de plasma de circulação 335. Adicionalmen-te, estes delimitadores de fluxo poderiam ser passivos ouativos, onde os delimitadores de fluxo ativos seriam aciona-dos com uma corrente predeterminada para maior facilidade daconten-são do fluxo magnético dentro da câmara 310.Alternativamente, as próprias bobinas externas 325 poderiamservir como delimitadores de fluxo.

Como explicado em detalhes adicionais abaixo, umfeixe de plasma de circulação 335, compreendendo partículascarregadas, pode ser contido dentro da câmara 310 por umaforça Lorentz causada pelo campo magnético devido à bobinaexterna 325. Como tal, os ions no feixe de plasma 335 sãomagneticamente contidos em grandes órbitas de bétatron aoredor das linhas de fluxo a partir da bobina externa 325, asquais são paralelas ao eixo principal 315. Uma ou mais por-tas de injeção de feixe 34 0 também são proporcionadas paraadicionar ions de plasma para o feixe de plasma de circula-ção 335, na câmara 310 - Em uma modalidade preferida, as por-tas de in j eção 34 0 são adaptadas para in j et ar um feixe deíon, mais ou menos na mesma posição radial a partir do eixoprincipal 315 onde o feixe de plasma de circulação 335 estácontido (isto é, ao redor de uma superfície nula descritaabaixo). Adicionalmente, as portas injetoras 340 são- adapta-das para injetar os feixes de ion 350 (veja a Fig. 17) tan-gente e na direção da órbita bétatron do feixe de plasmacontido 335.

Também são proporcionadas uma ou mais fontes deplasma secundário 34 5 para injeção de uma nuvem de plasmanão energética dentro da câmara 310. Em uma modalidade pre-ferida, as fontes de plasma secundário 34 5 são adaptadas pa-ra direcionar o plasma 335 para o centro axial da câmara310. Foi verificado que direcionar o plasma deste modo ajudaa melhor conter o plasma 335 e leva a uma maior densidade doplasma 335 na região de contensão dentro da câmara 310.Câmara de Vácuo

Como descrito acima, a aplicação do sistema decontensão de um CBFR, é necessário criar um vácuo ou próximode vácuo dentro da câmara. Desde que as interações (disper-são, troca de carga) entre os elementos neutros e ò combus-tível de plasma sempre apresenta um canal de perda de ener-gia, é critico limitar a densidade residual na câmara do reator . Adicionalmente, impurezas resultantes das câmaras evacuadas de forma ruim, podem levar a reações colaterais decontaminação durante a operação e podem drenar uma quantidade exorbitante de energia durante a partida à medida que osistema tem que queimar completamente estes residuos.

Para alcançar um vácuo de bom nivel, normalmente éenvolvido o uso de câmaras e portas de aço inoxidável, bemcomo materiais com baixa liberação de gases. No caso de metais , as boas propriedades de vácuo são adicionalmente emparelhadas com boas características estruturais. Entretanto,materiais condutivos, tal como aço inoxidável ou coisa parecida, apresentam vários problemas com respeito às suas propriedades elétricas. Apesar destes efeitos negativos estaremtodos ligados, eles próprios de manifestam de modos diferentes. Entre as características mais negativas, estão: difusãoretardada de campos magnéticos através das paredes da câmara, acumulação de cargas elétricas nas superfícies, alteração drástica dos tempos de resposta do sistema aos sinaistransitórios, bem como formação de -correntes de imagem nassuperfícies que afetam a topologia magnética desejada. Mateiais que não possuem estas características indesejáveis eexibem boas propriedades de vácuo são isolantes, tal comocerâmicas, vidro, quartzo e até um menor grau, fibras decarbono-. O problema principal com estes materiais é a integridade estrutural, bem como o potencial para dano aciden-tal. Os problemas de fabricação, tal como ruim capacidade detrabalho à máquina de cerâmicas, são limitações adicionais.Em uma modalidade, como representada nas Figs. 2 A,2B, 2C e 2D, uma câmara alternativa 1320 é proporcionada, aqual minimiza estes problemas. A câmara 1310 do CBFR, depreferência é principalmente compreendida de um metal, depreferência aço inoxidável . ou coisa parecida, para proporcionar resistência estrutural e boas propriedades de vácuo.Entretanto, a parede cilíndrica 1311 da câmara 1310 incluias interrupções de isolamento axiais 1360 na parede 1311 quese estendem ao longo de quase todo o comprimento da câmara

1310 na parte central da câmara 1310 ou da região de núcleode energia do CBFR. De preferência, como representado naFig. 2B, existem três interrupções 13 60 que estão cerca de120 graus separadas uma da outra. As interrupções 1360, comorepresentadas na Fig. 2C, incluem uma fenda ou brecha 1362na parede 1311 da câmara 1310 com uma ranhura ou acento devedação 1369 formado ao redor da periferia da fenda 1362.Uma vedação de anel em 0 1367 é recebida na ranhura 1369. Asfendas 1362, como representadas na Fig. 2D, se estendem porquase todo o comprimento da câmara 1310, deixando materialinoxidável suficiente formando uma parte de forma azimutalcontinua da parede 1311 próxima das duas extremidades paraproporcionar integridade estrutural e para permitir vedaçõesde vácuo de boa qualidade nas extremidades. Para integridadeestrutural aperfeiçoada e para a prevenção de implosão, acâmara 1310, como representada na Fig. 2A, de preferênciainclui vários conjuntos de nervuras azimutais parciais 1370que são de forma inteiriça formadas com a parede da câmara1311 ou acopladas com a superfície da parede da câmara 1311por soldagem ou coisa parecida.

Como representado na Fig. 2C, a brecha 1362 é pre-enchida com um inserto 1364 formado de material cerâmico. 0inserto 1364 se estende ligeiramente para dentro da câmara1310 e é coberto no interior por uma cobertura de metal 1366para impedir a emissão de plasma secundário de colidir comos ions de plasma principal a partir do feixe de plasma decirculação com o material cerâmico. No exterior da câmara1310, o inserto 1364 é ligado com um painel de vedação 1365que forma uma barreira de vácuo por meio de uma vedação emforma, de anel em O 1367 com a superfície de aço inoxidávelda parede da câmara 1311. Para preservar as propriedades devácuo desejadas, o painel de vedação 1365 de preferência éformado de um substrato, de preferência fibra de vidro oucoisa parecida, que é mais f lexivel e cria uma . vedação maisfirme com o anel em O 1367 do que seria criado por um material cerâmico, especialmente quando a pressão para o interior ligeiramente deforma a câmara 1310.

Os insertos ou isoladores de cerâmica 1364 dentrodas fendas 1362 de preferência impedem a corrente de arquea-ção através das brechas 1362 e assim, impedem a formação decorrentes de imagem azimutais na parede da câmaras 1311. Ascorrentes de imagem são uma manifestação da Lei de Lenz, aqual é a tendência da natureza a reagir contra qualquer alteração no fluxo: por exemplo, a alteração no fluxo que ocorre na bobina de fluxo 1320 durante a formação de uma FRC,como descrito abaixo. Sem as fendas 1362 na parede cilíndrica 1311 da câmara 1310, o fluxo que se altera na bobina defluxo 132 0 causa que uma corrente indutivamente induzida igual e oposta se forme na parede de aço inoxidável 1311, demodo a cancelar a alteração do fluxo magnético dentro da câmara 1310. Enquanto as correntes de imagem induzidas seriammais fracas (devido as perdas indutivas) do que a correnteaplicada junto à bobina de fluxo 1320, a corrente de imagemtende a fortemente reduzir o campo magnético de confinamentoou aplicado dentro da câmara 1310, o qual, quando não endereçado, tende a de forma negativa afetar a topologia do campo magnético e a alterar as características de confinamentodentro da câmara 1310. A existência das fendas 1362 impedeas correntes de imagem azimutais de se formarem na parede1311 em direção ao plano médio ■ da câmara 1310 longe das extremidades da câmara 1310 na parte de forma azimutal continua da parede 1311. As únicas correntes de imagem que podemser transportadas pela parede da câmara 1311 em direção aoplano médio longe das extremidades da câmara 1310 são correntes muito fracas que fluem paralelas ao eixo geométricolongitudinal das fendas 1362. Tais correntes não possuem impacto sobre os campos de confinamento magnético axiais daFRC a medida que os campos de imagem magnética produzidospelas correntes de imagem longitudinalmente percorrendo aparede da câmara 1311 somente exibem componentes radial eazimutal. As correntes de imagem azimutais formadas na partede condução de forma azimutal continua da parede 1311 próximo das extremidades da câmara 1310 não tendem a afetar deforma negativa e / ou alterar as características de confinamento dentro da câmara 1310 à medida que a topologia magné-tica nesta vizinhança não é importante para o confinamentodo plasma.

Em adição a impedir a formação de correntes de imagem azimutais na parede da câmara 1311, as fendas 1362proporcionam um meio para o fluxo magnético a partir do campo e das bobinas de espelho 1325 e 1330 penetrar na câmara1310 em um intervalo de tempo rápido. As fendas 1362 permitem o ajuste fino em nivel de sub-milisegundo e o controlede realimentação do campo magnético aplicado como um resultado.

Partículas Carregadas em uma FRC

A Fig. 3 apresenta um campo magnético de uma FRC70. O sistema possui simetria cilíndrica com respeito ao seueixo geométrico 78. Na FRC, existem duas regiões de linhasde campo magnético: aberta 80 e fechada 82. A superfície dividindo as duas regiões é chamada de separatriz 84. A FRCforma uma superfície nula cilíndrica 86 na qual o campo magnético desaparece. Na parte central 88 da FRC, o campomagnético não se altera de forma apreciável na direçãoaxial. Nas extremidades 90, o campo magnético não se alterade forma apreciável na direção axial. O campo magnético aolongo do eixo geométrico central 78 inverte a direção naFRC, o que dá origem ao termo "Reverso" na Configuração deCampo Reverso (FRC).

Na Fig. 4A, o campo magnético fora da superfícienula 94 está em uma primeira direção 96. O campo magnéticodentro da superfície nula 94 está' em uma segunda direção 98oposta à primeira. Se um ion se mover na direção 100, a for-ça de Lorentz 30 atuando no mesmo, aponta em direção à superfície nula 94 . Isto é facilmente apreciado pela aplicaçãoda regra do lado direito, Para partículas se movendo na direção diamagnética 102, a força de Lorentz sempre aponta em direção à superfície nula 94. Este fenômeno dá origem a umaórbita de partícula chamada de órbita bétatron, a ser descrita abaixo.

A Fig. 4B apresenta um ion se movendo na direçãcontra-diamagnética 104. A força de Lorentz neste caso aponta para longe da superfície nula 94. Este fenômeno dá origema um tipo de órbita chamada de órbita de deslocamento, a serdescrita abaixo. A direção diamagnética para ions é contra-diamagnética para elétrons, e vice versa.

A Fig. 5 apresenta um aro ou camada anular deplasma 106 girando na direção diamagnética dos ions 102. Oaro 106 está localizado ao redor da superfície nula 8 6. Ocampo magnético 108 criado pela camada de plasma anular 106,em combinação com um campo magnético externamente aplicado110, forma um campo magnético possuindo a topologia de uma FRC (a topologia é apresentada na Fig. 3) .

O feixe de ion que forma a camada de plasma 106possui uma temperatura; portanto, as velocidades dos ionsformam uma distribuição de Maxwell em um quadro girando navelocidade angular média do feixe de ion. As colisões entreos ions com diferentes velocidades levam às reações de fusão . Por esta razão, a camada de feixe de plasma ou o núcleode energia 106 é chamado de um sistema de feixe de colisão.

A Fig. 6 apresenta um tipo principal de órbitas deion em um sistema de feixe de colisão, chamada de órbita bé-tatron 112. Uma órbita bétatron 112 pode ser expressa comouma onda seno centralizada no circulo nulo 114. Como expli-cado acima, o campo magnético no circulo nulo 114 desapare-ce. O plano da órbita 112 é perpendicular ao eixo geométrico78 da FRC. Os ions nesta órbita 112 se movem em sua direçãodiamagnética 102 a partir de um ponto inicial 116. Um ion emuma órbita bétatron possui dois movimentos": uma oscilação nadireção radial (perpendicular ao circulo nulo 114), e umatranslação ao longo do circulo nulo 114.

A Fig. 7A é um gráfico do campo magnético 118 emuma FRC. O eixo geométrico horizontal do gráfico representaa distância em centímetros a partir do eixo geométrico daFRC 78. O campo magnético está em quilogauss. Como o gráficorepresenta, o campo magnético 118 desaparece no raio do cir-culo nulo 120.

Como apresentado na Fig. 7B, uma partícula moven-do-se próxima do circulo nulo irá ver um gradiente 126 docampo magnético apontado para longe da superfície nula 8 6. 0campo magnético fora do circulo nulo é em uma primeira dire-ção 122, enquanto o campo magnético dentro do circulo nuloestá em uma segunda direção 124 oposta à primeira. A direçãode um deslocamento de gradiente é dada pelo produto vetorialB—> x VB, onde VB é o gradiente do campo magnético; assim,pode ser apreciado por se aplicar a regra do lado direitoque a direção do deslocamento do gradiente está na direçãocontra-diamagnética, . quer o ion esteja fora ou dentro docirculo nulo 128.A Fig. 8A é um gráfico do campo elétrico 130 emuma FRC. O eixo geométrico horizontal do gráfico representaa distância em centimetros a partir do eixo geométrico daFRC 78. O campo elétrico é em volts / cm. Como o gráfico re-presenta, o campo elétrico 130 desaparece próximo do raio docirculo nulo 120.

Como apresentado na Fig. 8B, o campo elétrico paraos ions é de retirada de confinamento; ele aponta nas dire-ções 132, 134 para longe da superfície nula 86. O campo mag-nético., como antes, é nas direções opostas 122, ■ 124 dentro efora da superfície nula 8 6. Pode ser apreciado pela aplica-ção da regra do lado direito que a direção do deslocamentoE—> x B—> é na direção diamagnética 102, quer o ion estejafora ou dentro da superfície nula 13 6.

As Figs. 9A e 9B apresentam outro tipo de órbitacomum em uma FRC, chamada de órbita de deslocamento 138. Asórbitas de deslocamento 138 podem ser fora da superfície nu-la 114, como apresentado na Fig. 9A, ou dentro da mesma, co-mo apresentado na Fig. 9B. As órbitas de deslocamento 138giram na direção diamagnética se o deslocamento E—> x B—>dominar ou na direção contra-diamagnética se o deslocamentode gradiente dominar. As órbitas de deslocamento 138, apre-sentadas nas Figs. 9A e 9B giram na direção diamagnética 102a partir do ponto inicial 116.

Uma órbita de deslocamento, como apresentado naFig. 9C, pode ser pensada como um pequeno circulo girandosobre um circulo relativamente maior. O pequeno circulo 14 2gira ao redor de seu eixo geométrico no sentido 14 4. Eletambém gira sobre o circulo grande 14 6 na direção 102. 0ponto 140 irá traçar no espaço um caminho similar ao 138.

As Figs. 10A e 10B apresentam a direção da forçade Lorentz nas extremidades de uma FRC 151. Na Fig. 10A, umion é apresentado se movendo na direção diamagnética 102,com uma velocidade 14 8 em um campo magnético 150. Pode serapreciado pela aplicação da lei do lado direito que a forçade Lorentz 152 tende a empurrar o ion de volta para dentroda região das linhas de campo fechado. Portanto, neste caso,a força de Lorentz 152 é conf inante para os ions. Na Fig.10B, um ion é apresentado se movendo na direção contra-diamagnética com uma velocidade 148 em um campo magnético150. Pode ser apreciado pela aplicação da regra do lado direito que a força de Lorentz 152 tende a empurrar o ion paradentro da região das linhas de campo aberto. Neste caso,portanto, a força de Lorentz 152 é de retirada de confinamento para os ions.

Confinamento Magnético e Eletrostático em uma FRCUma camada de plasma 106 (veja a Fig. 5) pode serformada em uma FRC pela injeção de feixes de ion energéticoao redor da superficie nula 8 6 na direção diamagnética 102dos ions. (Uma discussão detalhada de diferentes métodos para formar a FRC e o anel de plasma se segue abaixo) . Na camada de plasma de circulação 10 6, a maior parte dos ionspossui órbitas bétatron 112 (veja a Fig. 6), são energéticos, e não são adiabáticos; assim, eles são insensíveis àsflutuações de comprimento de onda curto que causam transporte anômalo.Em uma camada de piasma 106 formada em uma FRC esob condições de equilíbrio, a conservação de momento impõeuma relação entre a velocidade angulas dos ions coi e a velocidade angular dos elétrons coe- A relação é

<formula>formula see original document page 34</formula>

Na Eq. 1, Z é um número atômico do íon, é amassa do ion, e é a carga do elétron, BQ é a magnitude docampo magnético aplicado, e c é a velocidade da luz. Existemtrês parâmetros livres nesta relação: o campo magnético apliçado Bor a velocidade angular do elétron coe, e a velocidade angular do ion coi. Se dois dos mesmos forem conhecidos,o terceiro pode ser determinado a partir da Eq. 1.

Devido ao fato da camada de plasma 106 ser formadapela injeção de feixes de ion dentro da FRC, a velocidadeangular dos ions coi é determinada pela energia cinética deinjeção do feixe Wi, a qual é dada por:

<formula>formula see original document page 34</formula>

Aqui, V± = cú±r0, onde V± é a velocidade de injeçãode ions, coi é a freqüência de ciclotron dos ions, e r0 é oraio da superfície nula 86. A energia cinética dos elétronsno feixe foi ignorada porque a massa do elétron me é muitomenor do que a massa do ion mi.

Para uma velocidade de injeção fixa do feixe (coifixa), o campo magnético aplicado BQ pode ser ajustado demodo que valores diferentes de coe possam ser obtidos. Comoserá apresentado, ajustar o campo magnético BQ também dá o-rigem a diferentes valores do campo eletrostático dentro dacamada de plasma. Este aspecto da invenção é ilustrado nasFigs. 11A e 11B. A Fig. 11A apresenta três representaçõesgráficas do campo elétrico (em volts / cm) obtidas para amesma velocidade de injeção, o)i = 1,35 x IO7 s-1, mas paratrês valores diferentes do campo magnético aplicado Bc:

<table>table see original document page 35</column></row><table>

Os valores de coe na tabela acima foram determinadosde acordo com Eq. 1. Pode ser apreciado que coe > 0 significaQ0 > co± na Eq. 1, de modo que os elétrons giram em sua dire-ção contra-diamagnética. A Fig. 11B apresenta o potencialelétrico (em volts) para o mesmo conjunto de valores de BD ecoe. O eixo geométrico horizontal nas Figs. 11A e 11B repre-senta, a distância a partir do eixo geométrico FRC 78, apre-sentado no gráfico em centímetros. O campo elétrico e o po-tencial elétrico dependem muito de we-

Os resultados acima podem ser explicados em terre-nos fisicos simples. Quando os ions giram na direção diamag-nética, os ions são confinados magneticamente pela força deLorentz. Isto foi apresentado na Fig. 4A. Para elétrons, gi-rando na mesma direção que os ions, a força de Lorentz é nadireção oposta, de modo que os elétrons não seriam confina-dos. Os elétrons deixam o plasma e, como resultado, um excedente de carga positiva é criado. Isto configura um campoelétrico que impede outros elétrons de deixarem o plasma. Adireção e a magnitude deste campo elétrico, em equilíbrio,são determinadas pela conservação de momento.

0 campo elétrico executa um papel essencial notransporte tanto dos elétrons como dos íons. Por conseqüência, um aspecto importante desta invenção é que um campo eletrostático forte é criado dentro da camada de plasma 106,a magnitude deste campo eletrostático é controlada pelo valor do campo magnético aplicado BQf o qual pode ser facilmente aj ustado.

Como explicado, o campo eletrostático é de confinamento para os elétrons se coe > 0. Como apresentado na Fig.11B, a profundidade do poço pode ser aumentada pelo' ajustedo campo magnético aplicado BQ. Exceto para uma região muitoestreita próxima do círculo nulo, os elétrons sempre possuemum pequeno giro-raio. Portanto, os elétrons respondem àsflutuações de comprimento de onda curto com uma taxa de difusão de forma anômala rápida. Esta difusão, na verdade, ajuda a manter o poço de potencial, uma vez que a reação defusão ocorra. Os íons do produto da . fusão, sendo de muitomaior energia, deixam o plasma. Para manter a quase neutralidade da carga, os produtos da fusão devem puxar os elétrons para fora do plasma com os mesmos, principalmente pegando os elétrons a partir da superfície da camada de plasma. A densidade dos elétrons na superfície do plasma é muitobaixa, e os elétrons que deixam o plasma com os produtos dafusão devem ser substituídos; caso contrário, o poço de po-tencial desapareceria.

A Fig. 12 apresenta uma distribuição de Maxwellian162 dos elétrons. Somente elétrons muito energéticos a par-tir da parte traseira 160 da distribuição de Maxwell podemalcançar a superfície do plasma e deixar os ions da fusão. Aparte traseira 160 da distribuição 162 é desse modo continu-amente criada pelas colisões de elétron - elétron na regiãode alta densidade próxima da superfície nula. Os elétronsenergéticos ainda possuem um pequeno giro-raio, de modo quea difusão anômala permite aos mesmos alcançarem a superfícierápido o suficiente para acomodar os ions do produto da fu-são partindo. Os elétrons energéticos perdem sua energia as-cendendo o poço de potencial e sair com muito pouca energia.

Apesar dos elétrons poderem atravessar o campo magnético ra-pidamente, devido ao transporte anômalo, perdas anômalas deenergia tendem a ser evitadas devido à pouca energia que étransportada.

Outra conseqüência do poço de potencial é um meca-nismo forte de resfriamento para elétrons que é similar aoresfriamento por evaporação. Por exemplo, para a água evapo-rar, ela deve ser fornecida para o calor latente da vapori-zação. Este calor é fornecido pela água liquida restante epelo meio envolvente, o qual então termaliza rapidamente atéuma temperatura inferior mais rápido do que os processos detransporte de calor podem substituir a energia. De forma si-milar, para elétrons, a profundidade do poço de potencial éequivalente ao calor de vaporização latente da água. Os elé-trons fornecem a energia requerida para ascender o poço depotencial pelo processo de termalização que fornece novamente a energia da parte traseira de Maxwell de modo que os elétrons podem escapar. Assim, o processo de termalização resulta em uma temperatura inferior do elétron, à medida queele é muito mais rápido do que qualquer processo de aquecimento. Devido à diferença de massa entre elétrons e prótons,o tempo de transferência de energia a partir dos prótons écerca de 1800 vezes menor do que o tempo de termalização doelétron. Este mecanismo de resfriamento também reduz a perdade radiação dos elétrons. Isto é particularmente importantepara combustíveis avançados, onde as perdas de radiação acentuadas pelos ions de combustível com um número atômico Zmaior do que 1; Z > 1.

O campo eletrostático também afeta o transporte deion. A maior parte das órbitas de partícula na camada deplasma 106 são órbitas bétatron 112. Colisões de ângulogrande, ou seja, colisões com ângulos de dispersão entre 90°e 180° podem alterar uma órbita bétatron para uma órbita dedeslocamento. Como descrito acima, a direção de rotação daórbita de deslocamento é determinada por uma competição entre o deslocamento E—> x B—> e o deslocamento de gradiente.

Se ò deslocamento x B—> dominar, a órbita de deslocamento gira na direção diamagnética. Se o deslocamento de gradiente dominar, a órbita de deslocamento gira na direção contra-diamagnética. Isto é apresentado nas Figs. 13A e 13B. AFig. 13A apresenta uma transição de uma órbita bétatron parauma órbita de deslocamento devido a uma colisão de 180°, aqual ocorre no ponto 172. A órbita de deslocamento continuaa girar na direção diamagnética porque o deslocamento E—» xJ3—> domina. A Fig. 13B apresenta outra colisão de 180°, masneste caso o campo eletrostático é fraco e o deslocamento degradiente domina. A órbita de deslocamento desse modo girana direção contra-diamagnética.

A direção de rotação da órbita de deslocamento de-termina se ela é confinada ou não. Uma partícula se movendoem uma órbita de deslocamento também irá- ter uma velocidadeparalela ao eixo geométrico da FRC. A hora em que ela pega apartícula para ir de uma extremidade da FRC para a outra,como resultado de seu movimento paralelo, é chamado de tempode trânsito; assim, as órbitas de deslocamento alcançam umaextremidade da FRC em um tempo na ordem do tempo de trânsi-to. Como apresentado em conexão com a Fig. 10A, a força deLorentz nas extremidades da FRC é de confinamento, somentepara órbitas de deslocamento girando na direção diamagnéti-ca. Após um tempo de trânsito, portanto, os ions nas órbitasde deslocamento girando na direção contra-diamagnética sãoperdidos.

Este fenômeno considera um mecanismo de perda paraos ions, o qual é esperado de ter existido em todos os expe-rimentos FRC. Na verdade, nestes experimentos, os ionstransportaram metade da corrente e os elétrons transportarama outra metade. Nestas condições, o campo elétrico dentro doplasma era desprezível, e o deslocamento de gradiente sempredominou o deslocamento E—> x B—». Por conseqüência, todas asórbitas de deslocamento produzidas pelas colisões de ângulogrande foram perdidas após um tempo de trânsito. Estes experimentos relataram taxas de difusão de ion que foram mais rápidas do que estas praticadas pelas estimativas clássicas de difusão.

Se existir um campo eletrostático forte, o deslocamento E—» x domina o deslocamento de gradiente, e as

órbitas de deslocamento giram na direção diamagnética. Istofoi apresentado acima em conexão com a Fig. 13A. Quando estas órbitas alcançam as extremidades da FRC, elas são refletidas de volta para dentro da região de linhas de campo fechado pela força de Lorentz; assim, elas permanecem confinadas no sistema.

Os campos eletrostáticos no sistema de feixe decolisão podem ser fortes o suficiente, de modo que o deslocamento E—¥ x B—> domina o deslocamento de gradiente. Assim,o campo eletrostático do sistema evitaria o transporte deion por eliminar este mecanismo de perda de ion, o qual ésimilar a um cone de perda em um dispositivo de espelho.

Outro aspecto da difusão de ion pode ser apreciado por se considerar o efeito das colisões elétron - ion de ângulo pequeno nas órbitas bétatron. A Fig. 14A apresenta umaórbita bétatron 112; a Fig. 14B apresenta a mesma órbita 112quando colisões elétron - ion de ângulo pequeno são consideradas 174; a Fig. 14C apresenta a órbita da Fig. 14B seguida por um tempo que é mais longo por um fator de dez 17 6; e aFig. 14D apresenta a órbita da Fig. 14B seguida por um tempomais longo por um fator de vinte 178. Pode ser visto que atopologia das órbitas bétatron não se altera devido às coli-soes elétron - íon de ângulo pequeno; entretanto, a amplitu-de de suas oscilações radiais cresce com o tempo. Na verda-de, as órbitas apresentadas nas Figs. 14A até 14D se ampliamcom o tempo, o que indica difusão clássica.

Formação da FRC

Procedimentos convencionais utilizados para formaruma FRC principalmente empregam o procedimento de campo re-verso de configuração de espelho simples. Neste método con-vencional, um campo de polaridade magnética é aplicado porbobinas externas envolvendo uma câmara enchida novamente comgás neutro. Uma vez que isto tenha ocorrido, o gás é ioniza-do e o campo de polaridade magnética é congelado no plasma.A seguir, a corrente nas bobinas externas é rapidamente in-vertida e as linhas do campo magnético de forma oposta ori-entadas se conectam com as linhas anteriormente congeladas,para formar a topologia fechada da FRC (veja a Fig. 3). Esteprocesso de formação é muito empírico e quase não existedispositivo para controlar a formação da FRC. O método pos-sui pouca capacidade de reprodução e nenhuma capacidade deaj uste como resultado.

Em contraste, os métodos de formação da FRC dapresente invenção permitem amplo controle e proporcionam umprocesso muito mais transparente e reproduzivel. Na verdade,a FRC formada pelos métodos da presente invenção pode serajusta e seu formato, bem como outras propriedades, podemser diretamente influenciados pela manipulação do campo mag-nético aplicado pelas bobinas de campo externo 325. A forma-ção da FRC pelos métodos da presente invenção também resultana formação do campo elétrico e do poço de potencial da maneira descrita em detalhes acima. Além disso, o presente método pode ser facilmente estendido para acelerar a FRC paraos parâmetros de nivel de reator e para correntes de combustível de alta energia, e de forma vantajosa permite o confinamento clássico dos ions. Adicionalmente, a técnica podeser empregada em um dispositivo compacto e é muito robusta,bem como fácil de implementar - tudo isto são características altamente desejáveis para sistemas de reator.

No presente método, a formação da FRC se relacionacom o feixe de plasma circulante 335. Pode ser apreciado queo feixe de plasma circulante 335, devido ao fato dele seruma corrente, cria um campo magnético poloida1, como fariauma corrente elétrica em um fio circular. Dentro do feixe deplasma circulante 335, o próprio campo magnético que ele induz se opõe ao campo magnético externamente aplicado devidoà bobina externa 32 5. Fora do feixe de plasma 335, o própriocampo magnético é na mesma direção que o campo magnético aplicado. Quando a corrente de ion do plasma é suficientemente grande, o próprio campo supera o campo aplicado, e o campo magnético se inverte dentro do feixe de plasma circulante335, desse modo formando uma topologia FRC como apresentadanas Figs. 3 e 5.

Os requerimentos para o campo reverso podem serestimados com um modelo simples. Considere uma corrente elétrica IP transportada por um circulo de raio principal r0 eum raio secundário a << r0. 0 campo magnético no centro docirculo normal ao circulo é BP = 2nIP / (cr0) . Assuma que acorrente do circulo IP = Npe (Q0 / 2n) é transportada por NPions que possuem uma velocidade angular Q0. Para um únicoion circulando no raio Tq = V0 / Cio, Qo = &Bo / Ta±c ê a freqüência ciclotron para um campo magnético externo Bq. Assumaque Vo é a velocidade média dos ions do feixe. 0 campo reverso é definido como:

<formula>formula see original document page 43</formula>

o que implica que Np > 2 tq / a±, e

<formula>formula see original document page 43</formula>

onde oc± = e2 / m±c2 =1,57 x 10~16 cm e a energia do feixe deion é H iüíV2o. No modelo unidimensional, o campo magnético a

partir da corrente de plasma é BP = (2n / c) ipr onde ip é acorrente por unidade de comprimento. O requerimento de camporeverso é ip > eV0 / nr0(Xi = 0, 225 kA / cm, onde B0 = 69,3 G eH m±V2o = 100 eV. Para um modelo com círculos periódicos e étirada a média para Bz através da coordenada axial {Bz) = (2n / c) (Ip / s) (s é o espaçamento do circulo) , se s = r0f estemodelo teria o mesmo campo magnético médio que o modelo uni-dimensional com ip = Ip / s.

Técnica de Formação de Feixe Combinado / BétatronUma modalidade preferida para formar uma FRC dentro do sistema de confinamento 300 descrito acima, é nestedocumento denominado como técnica de feixe combinado / bétatron . Esta abordagem combina feixes de baixa energia de ionsde plasma com a aceleração bétatron utilizando a bobina defluxo bétatron 320.

A primeira etapa neste método é injetar uma camadade névoa substancialmente anular de plasma secundário na câmara 310 utilizando as fontes de plasma secundário 345. Abobina externa 325 produz um campo magnético dentro da câmara 310 , o qual magnetiza o plasma secundário. Em intervaloscurtos, os feixes de ion de baixa energia são injetados dentro da câmara 310 através das portas injetoras 340 substancialmente transversais ao campo magnético externamente aplicado dentro da câmara 310. Como explicado acima, os feixesde ion são retidos dentro da câmara 310 em órbitas bétatrongrandes por este campo magnético. Os feixes de ion podem sergerados por um acelerador de ion, tal como um aceleradorcompreendendo um diodo de ion e um gerador Marx (veja de R.B. Miler, An Introduction to the Physics of Intense ChargedParticle Beams, (1982)). Como os versados na técnica podemapreciar, o campo magnético aplicado irá exercer uma forçade Lorentz sobre o feixe de ion injetado, assim que ele entra na câmara 310; entretanto, é desejável que o feixe nãodesvie, e assim, não entre em uma órbita bétatron, até que ofeixe de ion alcance o feixe de plasma circulante 335. Pararesolver este problema, os feixes de ion são neutralizadoscom elétrons e., como ilustrado na Fig. 15, quando o feixe deion 350 é direcionado através de um campo magnético apropriado, tal como o campo magnético aplicado unidirecional dentro da câmara 310, os ions positivamente carregados e os elétrons negativamente carregados se separam. O feixe de ion350, desse modo, adquire uma autopolarização elétrica devidoao campo magnético. Este campo magnético também pode serproduzido, por exemplo, por um imã permanente ou por um ele-troimã ao longo do trajeto do feixe de ion. Quando subseqüentemente introduzido dentro da câmara de confinamento310, o campo elétrico resultante equilibra a força magnéticanas partículas do feixe, permitindo que o feixe de ion sedesloque sem ficar desviado. A Fig. 16 apresenta uma vistafrontal do feixe de ion 350 à medida que ele entra em contato com o plasma 335. Como representado, os elétrons do plasma 335 viajam ao longo das linhas de campo magnético paradentro ou para fora do feixe 350, o que desse modo drena apolarização elétrica do feixe. Quando o feixe não está maiseletricamente polarizado, o feixe se une com o feixe deplasma circulante 335, em uma órbita bétatron ao redor doeixo principal 315, como apresentado na Fig. 1 (veja tambéma Fig. 5) .

Quando o feixe de plasma 335 viaja em sua órbitabétatron, os ions em movimento compreendem uma corrente, aqual, por sua vez, dá origem a um autocampo magnético poloidal. Para produzir a topologia FRC dentro da câmara 310, énecessário aumentar a velocidade do feixe de plasma 335, assim, aumentando a magnitude do autocampo magnético que ofeixe de plasma 335 causa. Quando o autocampo magnético égrande o suficiente, a direção do campo magnético nas distâncias radiais, a partir do eixo geométrico 315 dentro dofeixe de plasma 335, inverte, dando origem a uma FRC (vejaas Figs. 3 e 5). Pode ser apreciado que, para manter a distância radial do feixe de plasma circulante 335 na órbitabétatron, é necessário aumentar o campo magnético aplicado apartir da bobina externa 32 5 à medida que o feixe de plasmacirculante 335 aumenta em velocidade. Um sistema de controleé desse modo proporcionado para manter um campo magnéticoaplicado apropriado, ditado pela corrente através da bobinaexterna 325. Alternativamente, uma segunda bobina externapode ser utilizada para proporcionar o campo magnético aplicado adicional, que é requerido para manter o raio da órbitado feixe de plasma à medida que ela é acelerada.

Para aumentar a velocidade do feixe de plasma circulante 335 em sua órbita, a bobina de fluxo bétatron 320 éproporcionada. Referindo-se à Fig. 17, pode ser apreciadoque o aumento de uma corrente, através da bobina de fluxo bétatron 320, pela Lei de Ampere, induz um campo elétrico azimutal, E, dentro da câmara 310. Os ions positivamente carregados no feixe de plasma 335 são acelerados por este campoelétrico induzido, levando à reversão de campo, como descrito acima. Quando os feixes de ion 350, os quais são neutralizados e polarizados como descrito acima, são adicionadospara o feixe de plasma circulante 335, o feixe de plasma 335despolariza os feixes de ion.

Para a inversão de campo, o feixe de plasma circulante 335, de preferência, é acelerado até uma energia rotacional de cerca de 100 eV, e de preferência, na faixa decerca de 75 eV até 125 eV. Para alcançar as condições de fusão relevantes, o feixe de plasma circulante 335 de preferência é acelerado até cerca de 200 keV, e de preferênciaaté uma faixa de cerca de 100 keV até 3,3 MeV.

A formação da FRC foi demonstrada com sucesso, utilizando a técnica de formação de feixe combinado / beta-tron. A técnica de formação de feixe combinado / betatronfoi executada de forma experimental em uma câmara com 1 m dediâmetro e com 1,5 m de comprimento, utilizando um campomagnético externamente aplicado de até 500 G, um campo magnético a partir do plasma rotativo induzido pela bobina defluxo betatron 320 de até 5 kG, e um vácuo de 1,2 x 10~5torr. No experimento, o plasma secundário possuia uma densidade de 1013 cm"3 e o feixe de ion foi um feixe de Hidrogênioneutralizado possuindo uma densidade de 1,2 x IO13 cm"3, umavelocidade de 2 x IO7 cm /se um comprimento de pulso decerca de 20 [is (na metade da altura) . A reversão de campofoi observada.

Técnica de Formação Betatron

Outra modalidade preferida para formar uma FRCdentro do sistema de confinamento 300 é neste documento denominada de técnica de formação betatron. Esta técnica é baseada no acionamento da corrente induzida pelo betatron diretamente para acelerar um feixe de plasma circulante 335utilizando a bobina de fluxo betatron 320. Uma modalidadepreferida desta técnica utiliza o sistema de confinamento300 representado na Fig. 1, exceto que a injeção dos feixesde ion de baixa energia não é necessária.

Como indicado, o componente principal na técnicade formação betatron é a bobina de fluxo betatron 320 montada no centro e ao longo do eixo geométrico da câmara 310.Devido à sua construção com enrolamentos paralelos separados , a bobina 32 0 exibe muito pouca indutância e, quando acoplada com uma fonte de energia adequada, possui um tempoLC baixo constante, o que permite o rápido aumento da corrente na bobina de fluxo 320.

De preferência, a formação da FRC começa por seenergizar as bobinas de campo externo 325, 330. Isto proporciona um campo de orientação axial bem como componentes decampo magnético radial próximos das extremidades para deforma axial confinar o plasma injetado dentro da câmara 310.Uma vez que um campo magnético suficiente seja estabelecido,as fontes de plasma secundário 34 5 são energizadas a partirde seus próprios abastecimentos de energia. O plasma emanando a partir dos disparadores flui ao longo do campo de orientação axial e se espalha ligeiramente devido à sua temperatura. À medida que o plasma alcança o plano médio da câmara 310, uma camada anular continua se estendendo de formaaxial de plasma frio se movendo lentamente, é estabelecida.

Neste ponto, a bobina de fluxo bétatron 320 é energizada. A corrente se elevando rapidamente na bobina 320causa um fluxo axial com alteração rápida no interior da bobina . Em virtude dos efeitos indutivos, este aumento rápidono fluxo axial causa a geração de um campo elétrico azimutalE (veja a Fig. 18), o qual penetra no espaço ao redor da bobina de fluxo. Pelas equações de Maxwell, este campo elétrico E é diretamente proporcional à alteração na potência dofluxo magnético dentro da bobina, isto é: um aumento de corrente da bobina bétatron mais rápido irá levar a um campoelétrico mais forte.

O campo elétrico indutivamente criado E se acoplacom as partículas carregadas no plasma e causa uma forçaponderomotriz, a qual acelera as partículas na camada deplasma anular. Os elétrons, em virtude de sua massa menor,são as primeiras espécies a experimentar a aceleração. Acorrente inicial formada por este processo é, assim, primariamente devido aos elétrons. Entretanto, um tempo de aceleração suficiente (ao redor de centenas de microsegundos) eventualmente também irá levar à corrente de íon. Referindose à Fig. 18, este campo elétrico E acelera os elétrons e osíons em direções opostas. Uma vez que ambas espécies alcancem suas velocidades terminais, a corrente é transportadaquase igualmente pelos íons e pelos elétrons.

Como citado acima, a corrente transportada peloplasma rotativo dá origem a um autocampo magnético. A. criação da topologia FRC real começa quando o autocampo magnético criado pela corrente na camada de plasma torna-se comparável ao campo magnético aplicado a partir das bobinas decampo externo 325, 330. Neste ponto, a reconexão magnéticaocorre, e as linhas de campo aberto do campo magnético inicial, externamente produzido, começam a se fechar e a formaras superfícies de fluxo FRC (veja as Figs. 3 e 5) .

A FRC base, estabelecida por este método, exibeenergias de campo magnético e de partícula modestas, que tipicamente não estão nos parâmetros de operação relevantes doreator. Entretanto, o campo de aceleração elétrica indutivoirá persistir, contato que a corrente na bobina de fluxo bétatron 32 0 continue a aumentar em uma taxa rápida. O efeitodeste processo é que a energia e a potência total do campomagnético da FRC continua a crescer. A extensão deste pro-cesso é, dessa forma, principalmente limitada pelo abastecimento de energia da bobina de fluxo, à medida que a distribuição continuada de corrente exige um banco de armazenamento de energia massivo. Entretanto, isto é, em principio, direto para acelerar o sistema para as condições relevantes doreator.

Para a reversão de campo, o feixe de plasma circulante 335 de preferência é acelerado até uma energia rotacional de cerca de 100 eV, e de preferência em uma faixa decerca de 75 eV até 125 eV. Para alcançar as condições relevantes de fusão, o feixe de plasma circulante 335 de preferência é acelerado até cerca de 200 keV, e de preferênciaaté uma faixa de cerca de 100 keV até 3,3 MeV. Quando osfeixes de ion são adicionados para o feixe de plasma circulante 335, como descrito acima, o feixe de plasma 335 despolariza os feixes de ion.

A formação FRC utilizando a técnica de formaçãobétatron foi demonstrada com sucesso nos seguintes niveis deparâmetro:

- Dimensão da câmara de vácuo: cerca de 1 m de diâmetro, 1,5 m de comprimento.

- Raio da bobina bétatron de 10 cm.

- Raio da órbita do plasma de 20 cm.

- Campo magnético externo médio produzido na câmara de vácuo foi de até 100 Gauss, com um período de aumentode 150 jis e uma proporção de espelho de 2 para 1. (fonte:bobinas externas e bobinas bétatron).

- O plasma secundário (substancialmente gás de Hi-drogênio) foi caracterizado por uma densidade média de cercade IO13 cm"3, temperatura cinética de menos do que 10 eV.

- O tempo de vida da configuração foi limitado pela energia total armazenada no experimento e geralmente foicerca de 30 jas.

Os experimentos continuaram por primeiro se injetar uma camada de plasma secundária por dois conj untos dedisparadores de cabo coaxial montados de um modo circulardentro da câmara. Cada coleção de oito disparadores foi montada em uma das duas montagens de bobina de espelho. Os disparadores foram de forma azimutal espaçados de modo eqüidistante e deslocados em relação ao outro conjunto. Esta disposição permitiu que os disparadores fosse disparados simultaneamente e desse modo criaram uma camada de plasma anular.

Quando do estabelecimento desta camada, a bobinade fluxo betatron foi energizada. O aumento da corrente nosenrolamentos da bobina betatron causou um aumento no fluxodentro da bobina, o que deu origem a um campo elétrico azimutal enrolando ao redor da bobina de betatron. 0 rápido aumento e a alta corrente na bobina de fluxo betatron produziuum campo elétrico forte, o qual acelerou a camada de plasmaanular e desse modo induziu uma corrente dimensionável. Acorrente de plasma suficientemente forte produziu um altocampo magnético que alterou o campo externamente fornecido ecausou a criação da configuração de campo reverso. Mediçõesdetalhadas com círculos de ponto B identificaram a extensão,a potência e a duração da FRC.

Um exemplo de dados tipicos é apresentado pelostraços dos sinais da sonda de ponto B na Fig. 19. A curva dedados A representa a potência absoluta do componente axialdo campo magnético no plano médio axial (75 cm a partir dequalquer chapa de extremidade) da câmara experimental e emuma posição radial de 15 cm. A curva de dados B representa apotência absoluta do componente axial do campo magnético noplano médio axial da câmara e em uma posição radial de 30cm. O conjunto de dados da curva A, portanto, indica a potência do campo magnético dentro da camada de plasma combustível (entre a bobina bétatron e o plasma), enquanto o conjunto de dados da curva B representa a potência do campomagnético fora da camada de plasma combustível. Os dadosclaramente indicam que o campo magnético interno inverte aorientação (é negativo) entre cerca de 2 3 e 47 )is, enquantoo campo externo permanece positivo, isto é, não inverte aorientação. O tempo de reversão é limitado pelo aumento dacorrente na bobina bétatron. Uma vez que a corrente de picoseja alcançada na bobina bétatron, a corrente induzida nacamada de plasma combustível começa a diminuir e a FRC rapidamente decai. Até agora, o tempo de vida da FRC é limitadopela energia que pode ser armazenada no experimento. Comocom os experimentos de injeção e de captura, o sistema podeser atualizado para proporcionar tempo de vida mais longo daFRC e aceleração para os parâmetros relevantes do reator.

Geralmente, esta técnica não somente produz umaFRC compacta, mas ela também é robusta e direta para implementar . De forma mais importante, a FRC base criada por estemétodo pode ser facilmente acelerada até qualquer nivel de-sejado de energia rotacionai e de potência de campo magnético . Isto é crucial para aplicações de fusão e de confinamento clássico de feixes de combustível de alta energia.

Fonte de Plasma Indutivo

Ambas as técnicas de formação FRC bétatron e feixe/ bétatron descritas acima contam com conceder energia paraum plasma secundário via a bobina de fluxo 320. Análogo a umtransformador, a bobina de fluxo executa as tarefas dos enrolamentos primários do transformador, enquanto o plasma atua como os enrolamentos secundários. Para este sistema indutivo funcionar de forma eficiente, é imperativo que oplasma seja um bom condutor.

Contrário aos condutores tipicos, tal como metais,um plasma se torna menos resistivo e assim, mais condutivo àmedida que sua temperatura aumenta. A temperatura de elétrons do plasma, em particular, executa um importante papel,e até um maior grau, determina a dissipação, a qual é emfunção das colisões elétron - ion. Em essência, a dissipaçãoé devido à resistência, a qual é causada pelas colisões elétron - ion: quanto maior a freqüência da colisão, maior aresistividade. Isto é devido ao fenômeno coletivo em umplasma, onde a seção transversal de colisão coulomb é classificada. A freqüência da colisão (a taxa na qual ocorremcolisões sucessivas) é essencialmente em função da densidadeda seção transversal da dispersão coulomb classificada e davelocidade térmica (ou média) das cargas colidindo / dispersando, isto é: vc = nov. Por definição, v se gradua com T1/21a é proporcional a v'4, ou assim, T~2. Portanto, a freqüênciade colisão vc é proporcional à nT . A resistividade estárelacionada com a freqüência de colisão por r\=vcm / ne2. Porconseqüência , a resistividade é proporcional a T e, deforma notável, independente da densidade - um resultado direto do fato que mesmo no entanto o número de portadores decarga aumente com a densidade, o número de centros de dis-persão também aumenta. Assim, temperatura mais elevada levaa maior condutividade do plasma e a menos perdas dissipativas.

Para alcançar melhor performance com respeito aoconfinamento em uma FRC, um plasma quente é, portanto, altamente desejado. No caso do sistema PEG, a temperatura acen-tuada do elétron leva a uma partida FRC aperfeiçoada (quantomelhor um plasma se torna condutor, melhor o acoplamento indutivo entre o plasma e a bobina de fluxo), a melhor sustentação de corrente (resistividade reduzida do plasma leva amenos perdas por fricção / por dissipação e, por conseqüência, há menos perda de corrente) e a maior potência do campomagnético (quanto mais forte a corrente, mais o autocampo).A temperatura adequada do elétron durante a formação inicialdo plasma e antes da bobina de fluxo ser engajada, irá levarao melhor acoplamento da bobina de fluxo com o plasma (oque, de forma vantajosa, tende a reduzir a formação de correntes de imagem azimutal na parede da câmara) . Isto, porsua vez, irá resultar em aceleração betatron acentuada (menor resistividade leva a uma melhor transferência indutivade energia a partir da bobina de fluxo para o plasma) e aoaquecimento do plasma (alguma da energia direcional concedi-da, como representada pelo fluxo de corrente girando, irátermalizar e virar energia aleatória - em última análise,levando ao aquecimento do plasma pela bobina de fluxo), oque irá, por conseqüência, aumentar o tempo de colisão ion -elétron (devido à temperatura mais elevada), reduzir a dissipação (menor resistividade) e permitir em última análise,a obtenção de campos FRC mais elevados (correntes mais elevadas levam a campos mais fortes).

Para alcançar uma melhor temperatura inicial doplasma, uma fonte de plasma indutivo é proporcionada. Comorepresentado nas Figs. 20A, 20B e 20C, a fonte de plasma indutivo 1010 pode ser montada dentro da câmara 310 ao redorda extremidade da bobina de fluxo 320 e inclui uma montagemde bobina de descarga de corrente de funcionamento único1030 que, de preferência, é alimentada por uma fonte de energia de alta tensão (cerca de 5 até 15 kV) (não apresentada) . Gás neutro, tal como Hidrogênio (ou outro combustívelde fusão gasoso apropriado), é introduzido dentro da fonte1010 através de alimentações diretas de gás via um bocal Lavai 1020. O fluxo do gás, de preferência, é controlado porconjuntos de válvulas de rajada ultra-rápidas para produziruma frente de descarga elétrica limpa. Uma vez que o gás emana a partir do bocal 1020 e se distribui através da superfície dos enrolamentos da bobina 104 0 da bobina de descargaelétrica 1030, os enrolamentos 1040 são energizados. A corrente ultra-rápida e o aumento do fluxo na bobina de descarga elétrica de baixa indutância 1030 leva a um campo elétrico muito alto dentro do gás, o qual causa interrupção, ioni-zação e a subseqüente ejeção do plasma formado a partir dasuperfície da bobina de descarga elétrica 1030 em direção aocentro da câmara 310.

Em uma modalidade preferida, a bobina de descargaelétrica 1030 compreende um corpo em formato de disco anular1032 limitado por um aro externo 1034 formado ao redor desua periferia externa e um cubo anular 1036 formado ao redorde sua periferia interna. O aro 1034 e o cubo 1036 se estendem axialmente além da superfície do corpo 1032 formando asbordas de um canal anular aberto de cima 1035. O corpo 1032,o aro 1034 e o cubo 1036, de preferência são formados através da construção unitária moldada de um material não condutivo apropriado, com boas propriedades de vácuo e poucaspropriedades-de liberação de gases, tal como vidro, vidro deplástico (acrilico), pirex, quartzo, cerâmicas e assim pordiante.

Uma cobertura com várias seções 1012, de preferência, é acoplada com o aro 1034 da bobina de descarga elétrica 1030 para limitar o plasma produzido de se deslocar radialmente. Cada seção 1014 da cobertura 1012 inclui uma pluralidade de dedos se estendendo axialmente 1016. As extremidades de cada seção 1014 incluem um suporte angular de montagem 1015.

Os enrolamentos da bobina 104 0, de preferência,são afixados junto à face do corpo da bobina 1032 no canal1035 utilizando epóxi ou algum outro adesivo apropriado. Para obter as características eletromagnéticas rápidas da bobina de descarga elétrica 1030, é importante manter sua in-dutância o mais baixo possivel. Isto é alcançado pela utilização de menos voltas da bobina 1040 quanto possivel, bemcomo pela construção da bobina 1040 com vários filamentos defio 1042 que sejam enrolados em paralelo. Em uma modalidadeilustrativa, a bobina 1040 compreendia 24 filamentos paralelos de fio 1042, cada um dos quais executando uma volta, Cada um dos fios 1042 começa nos pontos de entrada 1044 que,de preferência, estão localizados cerca de 15 graus separados no perímetro externo do corpo 1032 e terminam somenteapós uma volta circulando o eixo geométrico no ponto de salda 1046 no raio interno do corpo 1032. Os. enrolamentos dabobina 104 0, portanto, cobrem toda a área entre as bordasinterna e externa do canal 1035. De preferência, grupos defilamentos 1042 são conectados com o mesmo banco de armazenamento capacitivo. Em geral, a energia pode ser alimentadapara todos os filamentos 1042 a partir do mesmo banco de armazenamento capacitivo ou, como em uma modalidade ilustrativa, cada um dos 8 grupos de três filamentos 1042 está conectado e comumente alimentado por um dentre dois bancos de armazenamento capacitivo separados.

Um corpo de bocal em formato de disco anular 1022é acoplado ao redor de seu perímetro interno com o cubo 1036para formar o bocal Lavai 1020. A superfície 1024 do corpodo bocal 1022 voltada para o cubo 1036 possui um perfil deseção média se expandindo definindo um espaço repleto anularde gás 1025 entre a superfície 1024 e a face 1037 do cubo1036.

Adj acente à periferia externa do corpo do bocal1022, a superfície 1024 possui um perfil se contraindo parase expandindo definindo uma saída do bocal tipo Lavai se estendendo de forma azimutal 1023 entre a superfície 1024 e aface 1037 do cubo 1036. Ligado com o lado oposto do cubo1036, está um aro de assento de válvula 1050 com vários assentos de válvula 1054 formados na face externa do aro 1050.Os assentos de válvula 1054 são alinhados com os canais dealimentação de gás 1052 formados através do cubo 1036.

Em operação, o gás neutro é alimentado através dasválvulas de rajada ultra-rápidas nos assentos de válvula1054 para os canais de gás 1052 se estendendo através do cubo 1036. Devido à parte de constrição da saída do bocal

1023, o gás tende a se alimentar para dentro e encher o espaço repleto anular 1025 antes de emanar a partir do bocal1020. Uma vez que o gás emana a partir do bocal 1020 e sedistribui através da superfície dos enrolamentos da bobina1040 da bobina de descarga elétrica 1030, os enrolamentos1040 são energizados. A corrente ultra-rápida e o aumento dofluxo na bobina de descarga elétrica de baixa indutância1030 leva a um campo elétrico muito alto dentro do gás, oqual causa rompimento, ionização e subseqüente ejeção doplasma formado a partir da superfície da bobina de descargaelétrica 1030 em direção ao centro da câmara 310.

O aumento da corrente, de preferência, é bem sincronizado em todos os filamentos 1042 ou nos grupos de filamentos 1042 que são pretendidos de serem aquecidos juntos.Outra opção que é possível e potencialmente vantajosa é aquecer grupos diferentes de filamentos em momentos diferen-tes. Um retardo pode ser deliberadamente instituído entrealocar diferentes grupos de filamentos 1042 para aquecer diferentes grupos de filamentos em momentos diferentes. Quandoaquecendo diferentes grupos de filamentos em momentos diferentes , é importante agrupar os filamentos de modo que adisposição seja de forma azimutal simétrica e proporcionarcobertura suficiente da superfície da bobina 1042 com fiostransportando corrente 104 2 em qualquer dado pulso de energia . Deste modo, é possível criar pelo menos dois pulsos deplasma consecutivos mas distintos. O retardo entre os pulsosé limitado por quanto gás neutro está disponível. Na prática, é possível disparar tais pulsos entre cerca de 5 e 600microsegundos separados.

Na prática, os parâmetros de operação de entrada,de preferência, são como se seguem:

Voltagem de Carga: abastecimento separado de cercade 10 até 25 kV

Corrente: corrente total de cerca de até 50 kA através de todos enrolamentos combinados

Tempo de Pulso / Elevação: até cerca de 2 microsegundos

Pressão do Gás: cerca de -137.895,2 até 344.738Kpa (-20 até 50 psi)

Tamanho do Espaço Repleto : cerca de 0,5 até 1 cm3por válvula - isto é: volume total de gás de cerca de 4 até8 cm3 por disparo.

Na modalidade ilustrativa, os parâmetros de operação de entrada foram como se segue:Voltagem de Carga: abastecimento separado de cercade 12 até 17 kV, isto é: de -12 kV até +12 kV

Corrente: 2 até 4,5 kA por grupo de três filamentos, isto é: corrente total de 16 até 36 kA através de todosenrolamentos combinados

Tempo de Pulso / Elevação: 1 até 1,5 microsegundos

Pressão do Gás: -103.421,4 até 206.842,8 kPa (-15até 30 psi)

Tamanho do Espaço Repleto: 0,5 até 1 cm3 por válvula - isto é: volume total de gás por disparo de 4 até 8cm3.

O plasma criado por este método de operação dafonte de plasma indutivo 1010 utilizando os parâmetros citados acima possui as seguintes características vantajosas:Densidade de - 4 x IO13 cm3Temperatura de - 10 até 20 eVEscala Anular de ~ diâmetro de 40 até 50 cmVelocidade de Deslocamento Axial de ~ 5 até 10 eV.Devido ao formato e à orientação da fonte 1010, oformato do plasma emergente é anular e possui um diâmetropendendo a se igualar à coroa anular do plasma rotativo daFRC formada. Em um PEG do presente sistema, duas' fontes deplasma indutivo 1010, de preferência, são colocadas em ambasextremidades axiais da câmara 310 e, de preferência, disparadas em paralelo. As duas distribuições de plasma formadasse deslocam axialmente em direção ao centro da câmara 310,onde elas formam a camada anular de plasma que é então acelerada pela bobina de fluxo 320 como descrito acima.Acionamento RF para íons e Elétrons da FRC

Um acionamento de corrente RF, chamado de rotomak,foi empregado para FRCs nas quais a corrente é transportadaprincipalmente pelos elétrons. Isto envolve um campo magnético radial rotativo produzido por duas antenas em fase. Oselétrons são magnetizados e congelados junto às linhas docampo magnético rotativo. Isto mantém a corrente até que ascolisões de Coulomb dos ions com elétrons causem que os ionssejam acelerados e reduzam a corrente. Entretanto, o rotomaknão é adequado para manter a corrente indefinidamente, masele obteve sucesso durante milisegundos.

Nas FRCs do presente sistema, a corrente é principalmente transportada por ions que estão nas órbitas béta-tron, os quais não seriam congelados junto às linhas do campo magnético rotativo. Os ions de órbita grande são impor-tantes para a estabilidade e a difusão clássica. Ao invés deantenas, eletrodos são empregados como nos ciclotrons e osions são acionados por uma onda eletrostática. O problema écompletamente eletrostático porque a freqüência da RF é menor do que 10 Magaciclos, de modo que o comprimento de onda(30 m) é muito mais longo do que qualquer dimensão do plasma . Os campos eletrostáticos podem penetrar no plasma FRCmuito mais facilmente do que as ondas eletromagnéticas.

A onda eletrostática produzida pelos eletrodos éprojetada para viajar em uma velocidade que é próxima da velocidade azimutal média dos ions, ou dos elétrons. Se a ondaviajar mais rápido do que a velocidade média dos ions, elairá acelerar os mesmos e desse modo compensar o arrasto de-vido às colisões ion-elétron. Entretanto, os elétrons sãoacelerados pelas colisões de Coulomb com os ions. Neste caso, a onda deve possuir uma velocidade mais lenta do que avelocidade média do elétron e os elétrons irão acelerar aonda. A velocidade média do elétron é menor do que a velocidade média do ion, de modo que os elétrons devem ser acionados em duas freqüências diferentes. A freqüência mais elevada será para os ions, e a energia, de preferência, é fornecida pelo circuito externo. Para os elétrons, a energia podeser extraida na freqüência inferior.Sistemas de Eletrodo

Um sistema de acionamento RF quadripolar é apresentado na Fig. 2IA e 21B. Como representado, o acionamentoRF compreende um ciclotron quadripolar 1110 localizado dentro da câmara 310 e possuindo quatro eletrodos alongados deforma azimutal simétricos 1112, com as brechas 1114 entre osmesmos. O ciclotron quadripolar 1110, de preferência, produzuma onda de potencial elétrico que gira na mesma direção quea velocidade azimutal dos ions, mas em uma velocidade maior.Os ions de velocidade apropriada podem ser capturados nestaonda, e periodicamente, desviados. Este processo aumenta omomento e a energia dos ions do combustível e este aumento étransportado para os ions do combustível que não são capturados pelas colisões. Os ions do combustível, a partir doplasma combustível 335, podem ser substituídos pela injeçãode elementos neutros em qualquer velocidade conveniente.

Um método alternativo e suplementar para a corrente de acionamento é aumentar o sistema de eletrodos com bo-binas adicionais de campo magnético 1116, posicionadas aoredor da bobina de fluxo 325 e do ciclotron quadripolar1110, e estas são acionadas na metade da freqüência dos eletrodos do ciclotron 1112. A discussão seguinte apresentadaneste documento, entretanto, é dedicada a ilustrar a versãosomente de eletrodo (sem as bobinas de campo magnético1116).

Na Fig. 21C, os eletrodos são ilustrados para asconfigurações de dois e de quatro eletrodos.

O potencial criado pelos eletrodos com as voltagens aplicadas indicadas, é citado na Fig. 21C para o vácuono espaço r < rb. As expressões são para a menor harmônica.Elas são obtidas por se resolver a equação de Laplace:

<formula>formula see original document page 65</formula

com as condições de limite apropriado. Por exemplo, para ociclotron de pólo:

®(rbit) = -Vpcosú)t paraO<#<7T (6)= V0cosct)í para n<9<2n

®(rs0;í) éfínito

Desde que 0(r,B,t) é periódico em 0 com um periodo2k, isto pode ser expandido em uma série Fourier, isto é:

<formula>formula see original document page 65</formula

e u„ satisfaz a equação<formula>formula see original document page 64</formula>

A velocidade da onda na direção azimutal é 0 - + co/ (21 - 1) , de modo que as harmônicas mais altas possuem uma.menor velocidade de fase e amplitude. Estes comentários seaplicam a ambos casos na Fig. 21C. A freqüência co seria próxima de cüi, que é a freqüência de rotação dos ions em um equilibrio rigido do rotor para FRC. Assim, 0 = coi para 1 =1. Para 1=2, 0 = g)i / 3 e a amplitude da onda seria substancialmente inferior; portanto, é uma boa aproximação considerar somente a menor harmônica.

Efeito do Plasma

A resposta do plasma pode ser descrita por um tensor dielétricô. O campo elétrico produz correntes do plasmaque produzem separação de carga de acordo com a equação deconservação de carga:<formula>formula see original document page653</formula>

onde J—» é a densidade da corrente e p é a densidade da carga. A equação apropriada é:

<formula>formula see original document page 65</formula>

ou

<formula>formula see original document page 65</formula>

onde ^""1 + 4^ ^ Q tensor dielétrico e x é a capacidade de polarização. Se somente a contribuição dos elétrons estiver incluída no tensor e diagonal a um componente:

<formula>formula see original document page 65</formula>

onde n é a densidade e S é o campo magnético FRC. n e B variam rapidamente com r e 5 = 0 em uma superfície em r = r0 dentro do plasma. A expressão para é derivada assumindo

que os elétrons possuem um pequeno giro-raio e o campo elétrico se altera lentamente comparado com Sle = eB / mcf a giro-freqüência. Esta aproximação se decompõe próxima à superfície nula. As órbitas características se alteram de órbitas de deslocamento para órbitas bétatron que possuem uma resposta muito menor ao campo elétrico, isto é, 1 *~ próximoda superfície nula em r = rG. Os ions possuem principalmenteórbitas bétatron e para as órbitas de deslocamento, a resposta ao campo elétrico é menor porque o campo elétrico se altera na taxa co = g)j.

O resultado liquido é que a equação de Laplace ésubstituída por<formula>formula see original document page 66</formula

a qual deve ser resolvida numericamente. O termo adicionaldesaparece próximo de r = rQ. O potencial para a menor harmônica do caso quadripolo tem a forma:

<formula>formula see original document page 66</formula

e uma forma similar para o caso dipolo. Ondas percorrendo nadireção oposta aos ions (ou elétrons) serão desprezadas.

Aceleração Devido aos íons Capturados em uma OndaEletrostática

Assumimos que co = 2coi + Aco, de modo que a onda 9 =co / 2 = g)í + Aco / 2, é um pouco mais rápida do que os ions.A função padrão de distribuição de rotor rigido é assumidapara os ions:

<formula>formula see original document page 66</formula

A função de distribuição reduzida de interesse é:

<formula>formula see original document page 66</formula

A velocidade da onda da onda eletrostática produ-zida pelo ciclotron quadripolar é vw = rcú / 2 = ro>i + Avw. Osions se movendo mais rápido que a onda se desviam se

<formula>formula see original document page 66</formulaisto aumenta a energia da onda, isto é

<formula>formula see original document page 67</formula>

os ions se movendo mais lento do que a onda desviam se

( <formula>formula see original document page 67</formula>

e a onda perde energia na taxa

<formula>formula see original document page 67</formula>

Os resultados líquidos são simplificados com a al-teração da variável v'e = vg - v„, isto é:

<formula>formula see original document page 67</formula>

A aproximação

<formula>formula see original document page 67</formula>

resulta em

<formula>formula see original document page 67</formula>

Isto possui uma forma similar ao amortecimento deLandau, mas não é fisicamente a mesma coisa porque o amortecimento (crescimento) de Landau é um fenômeno linear e isto claramente é não linear.Desde de que

<formula>formula see original document page 68</formula

Se vw = rcúi, não existe alteração na energia da onda. Se ww > rco± ou Avw > 0, a energia da onda diminui; paraAvw < 0, a energia da onda aumenta. Isto é similar à inter-pretação do amortecimento de Landau- No primeiro caso, Avw >0, não existem mais ions andando mais lento do que a onda eentão mais rápidos. Portanto, a energia da onda diminui. Nocaso oposto, àvw < 0, a energia da onda aumenta. 0 primeirocaso se aplica a manter a energia do ion e o momento com umciclotron quadripolar. Este é o acionamento da corrente. 0último caso proporciona a base para um conversor. As equações (22) e (24) podem ser utilizadas para avaliar aaplicabilidade junto às condições do reator de fusão.

A energia transferida para os ions quando vw = rcúi= Avw = v±, a velocidade térmica do ion é:

<formula>formula see original document page 68</formula

onde dW / dt é determinado pelas equações (24) e (25).

Para simplificar a integração 00 (r) ê substituídopor í>0 (ro) , o valor na densidade de pico que é um limiteinferior da amplitude da onda.

<formula>formula see original document page 68</formula

N± ê a densidade de linha dos ions. i = 1,2 acomoda dois tipos de ions o que normalmente é o caso em um rea-tor.

Os cálculos detalhados F(r) indica que a amplitudeda onda 0o (r0) é ao redor de um fator de dez menor do que avoltagem máxima da brecha que é 2 VG. Isto irá determinar aslimitações deste método de acionamento RF. VQ será limitadopela voltagem máxima da brecha que pode ser sustentada aqual provavelmente é cerca de 10 kVolts para uma brecha de 1çm.

Requerimentos do Reator

Para acionamento da corrente, uma energia P± depreferência é transferida para os ions na freqüência coi euma energia Pe de preferência é transferida para os elétronsna freqüência coe« Isto irá compensar as interações de Coulomb entre os elétrons e os ions, o que reduz a velocidadedo ion e aumenta a velocidade do elétron (na ausência detransferências de energia, as colisões de Coulomb levariam amesma velocidade para os elétrons e os ions, e a nenhumacorrente). O campo elétrico médio para manter o equilíbriodos elétrons e dos ions é dado por:

<formula>formula see original document page 69</formula>

onde ín c e o comprimento da corrente / u-

nidade e

<formula>formula see original document page 69</formula>

é o comprimento da resistência / unidade. Ne/ Ni, N2são densidades de linha dos elétrons e ions, Ne = N1Z1 + N2Z2,onde Zlf Z2 são números atômicos dos ions; tle e t2e são tempos de transferência de momento, a partir dos ions para oselétrons. 0 campo elétrico médio é o mesmo para os ions oupara os elétrons porque Ne = N± para a quase neutralidade, ea carga é oposta. A energia que deve ser transferida para osions é:

<formula>formula see original document page 70</formula

e a energia que pode ser extraida dos elétrons é

<formula>formula see original document page 70</formula

Para reabastecer com o acionamento RF, o combustível pode ser substituído em qualquer energia em taxas dadaspelos tempos de fusão tFi = 1 / ni (ov) i e tF2 = 1 / n2 (ov) 2;n1 e n2 são densidades do ion do plasma e (ov) são reatividades. A magnitude será em segundos. Os elementos neutros injetados (para substituir os ions do combustível que queimam e desaparecem) irão ionizar rapidamente e se acelerardevido às colisões de Coulomb até a velocidade média do ionem um tempo na ordem de milisegundos (para densidades do reator, na ordem de IO15 cm-3) . Entretanto, isto requer uma adição para (E&) e uma adição para transferência de energiapara manter um estado estável. A adição é:

<formula>formula see original document page 70</formulaa qual irá aumentar a transferência de energiarequerida por um fator de cerca de dois (2).

A energia pode ser proporcionada para acionamentode corrente e reabastecimento sem exceder a amplitude davoltagem máxima da brecha de 10 kVolts / cm. Considerandoque a freqüência será de 1 até 10 Mega-Hertz e que o campomagnético será na ordem de 100 kGauss, nenhuma interrupçãoseria esperada. A energia que deve ser transferida para acionamento de corrente e reabastecimento é similar a qualquer método de acionamento de corrente. Entretanto, a tecnologia RF em um até 10 Mega-Hertz foi uma tecnologia de altaeficiência estabelecida por vários anos. O método descritoque usa eletrodos ao invés de antenas possui uma vantagemconsiderável por que as condições para penetração do camposão muito mais relaxadas do que para as ondas eletromagnéticas . Portanto, este método teria vantagens com respeito àenergia circulante e à eficiência.

Fusão

De forma significativa, estas duas técnicas paraformar uma FRC dentro de um sistema de contenção 300 descrito acima, ou coisa parecida, pode resultar em plasmas possuindo propriedades adequadas para causar a fusão nuclear nomesmo. Mais particularmente, a FRC formada por estes métodospode ser acelerada para qualquer nivel desejado de energiarotacionai e de potência de campo magnético. Isto é crucialpara aplicações de fusão e para o confinamento clássico defeixes de combustível de alta energia. No sistema de confi-namento 300, portanto, se torna possível capturar e confinarfeixes de plasma com alta energia durante periodos de temposuficientes para causar uma reação de fusão com os mesmos.

Para acomodar a fusão, a FRC formada por estes métodos, de preferência, é acelerada até niveis apropriados deenergia rotacional e de potência de campo magnético pela aceleração bétatron. Entretanto, a fusão tende a requerer umconjunto particular de condições fisicas para qualquer reação acontecer. Em adição, para alcançar queima eficiente docombustível e obter um equilíbrio de energia positivo, ocombustível tem que ser mantido neste estado substancialmente inalterado por períodos de tempo prolongados. Isto é importante à medida que a alta temperatura e / ou a energiacinética caracterizam um estado relevante da fusão. Portanto, a criação , deste estado requer entrada de energia quepossa ser dimensionada, a qual somente pode ser recuperadase a maior parte do combustível sofrer fusão. Como conseqüência, o tempo de confinamento do combustível tem que sermais longo do que seu tempo de queima. Isto leva a um equilíbrio de energia positivo e conseqüentemente, a saida deenergia liquida.

Uma vantagem significativa da presente invenção éque o sistema de confinamento e o plasma descritos neste documento são capazes de longos tempos de confinamento, istoé, tempos de confinamento que excedem aos tempos de queimado combustível. Assim, um estado tipico para fusão é caracterizado pelas condições físicas seguintes (as quais tendema variar baseado no combustível e no modo de operação):Temperatura média do íon: em uma faixa de cerca de30 até 230 keV e de preferência em uma faixa de cerca de 80keV até 230 keV

Temperatura média do elétron: em uma faixa de cerca de 30 até 100 keV e de preferência em uma faixa de cercade 80 até 100 keV

Energia coerente dos feixes de combustível (feixesde ion injetados e feixe de plasma circulante): em uma faixade cerca de 100 keV até 3,3 MeV e de preferência em uma faixa de cerca de 300 keV até 3,3 MeV.

Campo magnético total: em uma faixa de cerca de47,5 até 120 kG e de preferência em uma faixa de cerca de 95até 120 kG (com o campo externamente aplicado em uma faixade cerca de 2,5 até 15 kG e, de preferência, em uma faixa decerca de 5 até 15 kG)

Tempo clássico de confinamento: maior do que otempo de queima de combustível e de preferência em uma faixade cerca de 10 até 100 segundos.

Densidade do ion do combustível: em uma faixa decerca de IO14 até menos do que IO16 cm"3 e de preferência emuma faixa de cerca de IO14 até 1015 cm"3.

Energia total da fusão: de preferência, em umafaixa de cerca de 50 até 450 kW / cm (energia por cm de comprimento da câmara).

Para acomodar o estado de fusão ilustrado acima, aFRC, de preferência, é acelerada até um nivel de energia rotacional coerente, de preferência, em uma faixa de cerca de100 keV até 3,3 MeV, e mais de preferência, em uma faixa decerca de 300 keV até 3,3 MeV, e até um nivel de potência decampo magnético, de preferência, em uma faixa de cerca de 45até 120 kG, e mais de preferência em uma faixa de cerca de90 até 115 kG. Nestes niveis, feixes de ion com alta energia, os quais são neutralizados e polarizados como descritoacima, podem ser injetados dentro da FRC e capturados paraformar uma camada de feixe de plasma onde os ions do feixede plasma são magneticamente confinados e os elétrons dofeixe de plasma são eletrostaticamente confinados.

De preferência, a temperatura do elétron é mantidao mais baixo quanto praticamente possivel para reduzir aquantidade de radiação bremsstrahlung, a qual pode, de outraforma, levar a perdas de energia radioativa. O poço de energia eletrostática da presente invenção proporciona um dispositivo eficaz para realização disto.

A temperatura do ion, de preferência, é mantida emum nivel que proporcione eficiente consumo, desde que a seção transversal de fusão é em função da temperatura do ion.A energia direta elevada dos feixes de ion de combustível éessencial para proporcionar o transporte clássico como discutido neste pedido. Ela também minimiza os efeitos das instabilidades no plasma combustível. 0 campo magnético é consistente com a energia de rotação do feixe. Ele é parcialmente criado pelo feixe de plasma (autocampo) e por sua vezproporciona o suporte e a força para manter o feixe de plasma na órbita desej ada.

Produtos da Fusão

Os produtos da fusão são produzidos no núcleo deenergia predominantemente próximos da superfície nula 8 6, apartir de onde eles surgem pela difusão em direção a separatriz 84 (veja as Figs. 3 e 5). Isto é devido às colisões comelétrons (à medida que as colisões com ions não alteram ocentro de massa e, portanto, não causa que os mesmos alteremas linhas do campo). Devido a sua alta energia cinética (osions do produto da fusão possuem energia muito mais elevadado que os ions do combustível) , os produtos da fusão podemprontamente atravessar a separatriz 84. Uma vez que eles estejam além da separatriz 8 4, eles podem partir ao longo daslinhas de campo aberto 80, posto que eles experimentam dispersão a partir das colisões ion - ion. Apesar deste proces-so de colisão não levar a difusão, ele pode alterar a direção do vetor de velocidade do ion, de modo que ele aponteparalelo ao campo magnético. Estas linhas de campo aberto 80conectam a topologia FRC do núcleo com o campo uniforme aplicado proporcionado fora da topologia FRC. Os ions do produto surgem em diferentes linhas de campo, as quais eles seguem com uma distribuição de energias. De forma vantajosa,os ions do produto e os elétrons de neutralização de cargaemergem na forma de feixes anulares rotativos a partir deambas extremidades do plasma combustível. Por exemplo, paraum proj eto de reação de 50 MW de uma reação p-B11, estesfeixes irão possuir um raio de cerca de 50 centímetros e umaespessura de cerca de 10 centímetros. Nos campos magnéticosfortes encontrados fora da separatriz 84 (tipicamente, aoredor de 100 kG) , os ions do produto possuem uma distribuição associada de giros-raios que variam de um valor minimode cerca de 1 cm até um máximo ao redor de 3 cm para a maiorparte dos ions do produto energético.

Inicialmente, os ions do produto possuem longitudinal , bem como energia rotacionai, caracterizada por HM(Vpar)2 / B e H M(vperp)2. Vperp é a velocidade azimutal associada com a rotação ao redor de uma linha de campo como ocentro orbital. Desde que as linhas de campo se propagam após deixarem a vizinhança da topologia FRC, a energia rotacional tende a diminuir enquanto a energia total permanececonstante. Isto é uma conseqüência da invariância adiabaticado momento magnético dos ions do produto. É bem conhecido natécnica que as partículas carregadas orbitando em um campomagnético possuem um momento magnético associado com seu movimento . No caso de partículas se movendo ao longo de umcampo magnético com alteração lenta, também existe uma inva-riante adiabática do movimento descrito por M(vperp)2 / B. Osions do produto orbitando ao redor de suas respectivas linhas de campo possuem um momento magnético e uma tal invariante adiabática associada com seu movimento. Desde que B diminui por um fator de cerca de 10 (indicado pela difusão daslinhas do campo magnético) , segue que vperp da mesma formairá diminuir por cerca de 3,2. assim, na hora que os ions doproduto chegam na região de campo uniforme, sua energia rotacional seria menos do que 5% da sua energia total; em outras palavras, quase toda a energia está no componente longitudinal .

Conversão de Energia

O sistema de conversão direta de energia da pre-sente invenção compreende um conversor ciclotron inverso(ICC) 420, apresentado nas Figs. 22A e 23A acoplado com umnúcleo de energia 4 36 (parcialmente ilustrado) de um reatorde fusão de feixe de colisão (CBFR) 410 para formar um sistema de geração de energia elétrica a partir do plasma. Umsegundo ICC (não apresentado) pode ser disposto simetricamente na esquerda do CBFR 410. Um cúspide magnético 486 estálocalizado entre o CBFR 410 e o ICC 420 e é formado quandoos campos magnéticos do CBFR 410 e do ICC 420 se unem.

Antes de descrever o ICC 420 e sua operação em detalhes , é proporcionada uma revisão de um acelerador ciclotron tipico. Nos aceleradores ciclotron convencionais, osions energéticos com velocidades perpendiculares a um campomagnético giram em circulos. O raio da órbita dos ions energéticos é determinado pela potência do campo magnético e pela sua proporção de carga para massa, e aumenta com a energia- Entretanto, a freqüência de rotação dos ions é independente da sua energia. Este fato foi explorado no projeto dosaceleradores ciclotron.

Referindo-se à Fig. 24A, um acelerador ciclotronconvencional 7 00 inclui dois eletrodos em formato de C deimagem de espelho 710 formando as cavidades em formato de Dde imagem de espelho colocadas em um campo magnético homogêneo 720 possuindo as linhas do campo perpendiculares ao plano .de simetria dos eletrodos, isto é, o plano da página. Umpotencial elétrico oscilante é aplicado entre os eletrodosem formato de C (vej a a Fig. 21B) . Os ions I são emitidos apartir de uma fonte colocada no centro do ciclotron 7 00. Ocampo magnético 720 é ajustado de modo que a freqüência derotação dos ions combine com esta do potencial elétrico e docampo elétrico associado. Se um ion I cruzar a brecha 730entre os eletrodos em formato de C 710 na mesma direção queesta do campo elétrico, ele é acelerado. Por acelerar o ionI, sua energia e raio da órbita aumentam. Quando o ion tiverpercorrido um arco de meio circulo (não experimentado aumento na energia), ele atravessa a brecha 730 novamente. Agora,o campo elétrico entre os eletrodos em formato de C 710 inverteu a direção. O ion I é novamente acelerado, e sua energia é adicionalmente aumentada. Este processo é repetido cada vez que o ion cruza a brecha 730 posto que sua freqüênciade rotação continua a combinar com esta do campo elétricooscilante (veja a Fig. 24C) . Se, por um lado, uma partículacruza a brecha 730, quando o campo elétrico está na direçãooposta, ela será desacelerada e retornada para a fonte nocentro. Somente partículas com velocidades iniciais perpendiculares ao campo magnético 720 e que cruzam as brechas 730na fase apropriada do campo elétrico oscilante serão aceleradas. Assim, a associação de fase apropriada é essencialpara a aceleração.

Em principio, um ciclotron poderia ser utilizadopara extrair energia cinética a partir de um feixe de antenade ions energéticos idênticos. A desaceleração de ions comum ciclotron, mas sem extração de energia, foi observada para prótons, como descrito por Bloch e Jeffried em Phys. Rev.80, 305 (1950). Os ions poderiam ser injetados dentro da cavidade de modo que eles fossem levados para uma fase de de-saceleração em relação ao campo oscilante. Todos os íons en-tão inverteriam a traj etória T dos ions que aceleram apre-sentada na Fig. 24A. À medida que os ions desaceleram devidoà interação com o campo elétrico, sua energia cinética étransformada em energia elétrica oscilante no circuito elé-trico do qual o ciclotron é parte. A conversão direta paraenergia elétrica seria alcançada, tendendo a ocorrer com e-ficiência muito elevada.

Na prática, os ions de um feixe de ion entrariamno ciclotron com todas as fases possíveis. A não ser que fa-ses variadas fossem compensadas no projeto do ciclotron, me-tade dos ions seriam acelerados e a outra metade desacelera-da. Como resultado, a eficiência máxima de conversão seriaefetivamente 50%. Além disso, os feixes de ion do produto dafusão anular discutidos acima, são de uma geometria inade-quada para os ciclotron convencionais.

Como discutido em maiores detalhes abaixo, o ICCda presente invenção acomoda o caráter anular dos feixes deproduto da fusão saindo da FRC do núcleo de energia do rea-tor de fusão, e a fase relativa aleatória dos ions dentro dofeixe e a difusão de suas energias.

Referindo-se de novo à Fig. 22A, uma parte de umnúcleo de energia 436 do CBFR 410, é ilustrada no lado es-querdo, onde um núcleo de combustível de plasma 435 é confi-nado em uma FRC 470 formada em parte devido a um campo mag-nético aplicado pelas bobinas de campo externas 425. A FRC470 inclui as linhas de campo fechado 482, uma separatriz484 e as linhas de campo aberto 480, as quais, como citadoacima, determinam as propriedades do feixe anular 4 37 dosprodutos da fusão. As linhas de campo aberto 480 se estendempara longe a partir do núcleo de energia 4 36 em direção aocúspide magnético 4 8 6. Como citado acima, os produtos da fusão emergem a partir do núcleo de energia 436 ao longo daslinhas de campo aberto 480 na forma de um feixe anular 437compreendendo ions energéticos e elétrons de neutralizaçãode carga.

A geometria do ICC 420 é como um cilindro oco comum comprimento de cerca de 5 metros. De preferência, quatroou mais eletrodos semi cilíndricos iguais 4 94 com pequenasbrechas retas 497 constituem a superfície do cilindro. Emoperação, um potencial oscilante é aplicado junto aos eletrodos 494 de um modo alternado. O campo elétrico E dentrodo conversor possui uma estrutura quadripolar como indicadana vista de extremidade ilustrada na Fig. 22B. 0 campo elétrico E desaparece no eixo geométrico de simetria e aumentalinearmente com o raio; o valor de pico é na brecha 497.

Em adição, o ICC 420 inclui as bobinas de campoexterno 4 8 8 para formar um campo magnético uniforme dentroda geometria de cilindro oco do ICC. Devido à corrente passar através das bobinas de campo do ICC 488 em uma direçãooposta à direção da corrente passando através das bobinas decampo do CBFR 42 5, as linhas do campo 496 no ICC 420 corremem uma direção oposta à direção das linhas do campo aberto480 do CBFR 410. Em uma extremidade mais distante a partirdo núcleo de energia 4 36 do CBFR 410, o ICC 4 20 inclui umcoletor de ion 492. A meio caminho do CBFR 410 e do ICC 420está um cúspide magnético simétrico 48 6, onde as linhas docampo aberto 4 80 do CBFR 410 se unem com as linhas do campo496 do ICC 420. Um coletor de elétron em formato anular 490é posicionado ao redor do cúspide magnético 48 6 e é eletricamente acoplado com o coletor de ion 498. Como discutidoabaixo, o campo magnético do cúspide magnético 4 8 6 convertea velocidade axial do feixe 437 para uma velocidade rotacional com alta eficiência. A Fig. 22C ilustra uma tipica órbita de ion 422 dentro do conversor 420.

0 CBFR 410 possui uma simetria cilíndrica. Em seucentro está o núcleo de energia da fusão 436 com um núcleode plasma da fusão 4 35 contido em uma topologia de campomagnético de uma FRC 470 na qual as reações da fusão acontecem. Como citado, o núcleo do produto e os elétrons de neutralização de carga emergem como feixes anulares 4 37 a partir de ambas extremidades do plasma combustível 4 35. Por exemplo, para um pro j et o de 50 MW de uma reação p-B11, estesfeixes irão possuir um raio de cerca de 50 cm e uma espessu-ra de cerca de 10 cm. O feixe anular possui uma densidade n= 107 - IO8 cm3. Para tal densidade, o cúspide magnético 486separa os elétrons e os ions. Os elétrons seguem as linhasdo campo magnético para o coletor de elétron 490 e os ionspassam através do cúspide 486, onde as trajetórias do ionsão modificadas para. seguir um caminho substancialmente helicoidal ao longo do comprimento do ICC 420. A energia é removida dos ions à medida que eles passam em espiral peloseletrodos 494 conectados com um circuito ressonante (não apresentado). A perda de energia perpendicular é maior paraos íons de energia mais elevada que inicialmente circulampróximos dos eletrodos 4 94, onde o campo elétrico é maisforte. Os ions chegam no cúspide magnético 486 com a energiarotacionai aproximadamente igual a energia total inicial,isto é, H Mv^p = H Mv2^ Existe uma distribuição de energiasde ion e de raio inicial do ion r0 quando os ions alcançam ocúspide magnético 486. Entretanto, o raio inicial r0 tende aser aproximadamente proporcional à velocidade inicial vq. 0campo magnético radial e a velocidade do feixe radial produzem uma força de Lorentz na direção azimutal. 0 campo magnético no cúspide 486 não altera a energia da partícula, masconverte a velocidade axial inicial vp = v0 para uma velocidade axial residual vz e para uma velocidade azimutal vj_,onde v2o = v2 z + v2^. 0 valor da velocidade azimutal v±_ podeser determinado a partir da conservação do momento canônico

<formula>formula see original document page 82</formula>

Um ion do feixe entra no lado esquerdo do cúspide486 com Bz = Bo, vz = v0, v± = 0 e r = tq. Ele emerge no ladodireito do cúspide 486 com r = r0, Bz = - B0, vj_ = qB0r0 / Mce vz = - v2!

<formula>formula see original document page 82</formula>

onde Mc ^ a freqüência ciclotron. A freqüência de rotação dos ions está em uma faixa de cerca de 1 até 10 MHz, ede preferência, em uma faixa de cerca de 5 até 10 MHz, aqual é a freqüência na qual a geração de energia acontece.De modo que os íons passem através do cúspide 486, o giroraio efetivo do ion deve ser maior do que a largura do cúspide 48 6 no raio r0. É muito possível experimentalmente reduzir a velocidade axial por um fator de 10, de modo que aenergia axial residual será reduzida por um fator de 100.Então, 99% da energia do ion será convertida para energiarotacional. O feixe de ion possui uma distribuição de valores para v0 e r0. Entretanto, devido a r0 ser proporcional av0 como anteriormente indicado pelas propriedades do reatorbaseado em FRC, a eficiência da conversão para energia rotacional tende a ser 99% para todos os ions.

Como representado na Fig. 22B, a estrutura simétrica do eletrodo do ICC 420 da presente invenção, de preferência, inclui quatro eletrodos 494, um circuito tanque (nãoapresentado) é conectado com as estruturas de eletrodo 4 94de modo que as tensões instantâneas e os campos elétricossão como ilustrados. A tensão e o circuito tanque oscilam emuma freqüência de co = íl0- O campo elétrico azimutal E nasbrechas 497 é ilustrado na Fig. 22B e na Fig. 25. A Fig. 25ilustra o campo elétrico nas brechas 497 entre os eletrodos494 e o campo que um ion experimenta à medida que ele giracom a velocidade angular Q0. É aparente que em uma revoluçãocompleta, a partícula irá experimentar alternadamente, aceleração e desaceleração em uma ordem determinada inicial. Emadição ao campo elétrico azimutal Eo, também existe um campoelétrico radial Er. O campo azimutal E$ é máximo nas brechas4 97 e diminui à medida que o raio diminui. A Fig. 22 assumeque a partícula gira mantendo um raio constante. Por causado gradiente no campo elétrico, a desaceleração irá sempredominar a aceleração. A fase de aceleração faz o raio do ionaumentar de modo que quando o ion a seguir encontra um campoelétrico de desaceleração, o raio do ion será maior. A fasede desaceleração irá dominar independente da fase inicial doion porque o gradiente radial do campo elétrico azimutal E$é sempre positivo. Como resultado, a eficiência da conversãode energia não está limitada a 50% devido ao problema de fa-se inicial associado com os ciclotrons convencionais. O cam-po elétrico Er também é importante. Ele também oscila e pro-duz um efeito liquido na direção radial que retorna a traje-tória do feixe para o raio original com velocidade zero noplano perpendicular ao eixo geométrico, como na Fig. 22C.

O processo pelo qual os ions são sempre desacele-rados é similar ao principio de focalização forte que é umaspecto essencial de aceleradores modernos, como descrito naPatente US 2.736.799. A combinação de uma lente positiva(focagem) e de uma negativa retirada de foco é positiva se ocampo magnético tiver um gradiente positivo. Uma lente du-pla, quadripolar, com focagem forte, é ilustrada na Fig. 26.A primeira lente está focando na direção x e retirando focona direção y. A segunda lente é similar com as propriedadesX e Y trocadas. O campo magnético desaparece no eixo geomé-trico de simetria e possui um gradiente radial positivo. Oresultado liquido para um feixe de ion passando através deambas lentes é a focagem em todas as direções, independenteda ordem de passagem.

Resultados similares foram relatados para um feixepassando através de uma cavidade ressonante contendo um cam-po magnético axial forte e operando no modo TEm (veja Yoshikawa et al.)• Este dispositivo é chamado de peniotron. Nomodo TEm, a cavidade ressonante possui ondas imóveis nasquais o campo elétrico possui simetria quadripolar. Os resultados são qualitativamente similares a alguns dos resultados descritos neste documento. Existem diferençasquantitativas pelo fato de que a cavidade de ressonância émuito maior em tamanho (10 metros de comprimento) , e operaem uma freqüência (155 MHz) e campo magnético (10 T) muitomais elevados. A extração de energia a partir das ondas dealta freqüência exige uma antena retificadora- Os espectrode energia do feixe reduz a eficiência da conversão. Aexistência de 2 tipos de ions é um problema mais sério, masa eficiência da conversão é adequada para um reator D-He3que produz prótons de 15 MeV.

Uma única órbita de partícula 422 para uma partícula dentro do ICC 420 é ilustrada na Fig. 22C. Este resultado foi obtido por simulação por computador e um resultadosimilar foi obtido para o peniotron. Um ion entrando em algum raio ro em espiral para baixo pelo comprimento do ICC edepois perdendo a energia rotacional inicial converge paraum ponto em um circulo do mesmo raio r0. As condições iniciais são assimétricas; o estado final reflete esta assimetria, mas é independente da fase inicial, de modo que todas aspartículas são desaceleradas - O feixe na extremidade do coletor de ion do ICC é novamente anular e com dimensões similares. A velocidade axial seria reduzida por um fator de 10e" a densidade de forma correspondente aumentada. Para umaúnica partícula, uma eficiência de extração de 99% é razoável- Entretanto, vários fatores, tal como energia rotacionalperpendicular do feixe anular antes de ele entrar no conversor, podem reduzir esta eficiência cerca de 5%. A extraçãode energia elétrica seria cerca de 1 até 10 MHz e de preferência, cerca de 5 até 10 MHz, com redução adicional na eficiência da conversão devido ao condicionamento de energiapara conexão com uma grade de energia.

Como apresentado nas Figs. 23A e 23B, modalidadesalternativas das estruturas de eletrodo 494 no ICC 420 podemincluir dois eletrodos simétricos semicirculares e / ou eletrodos cônicos 4 94 que afunilam em direção ao coletor de ion 492.

Ajustes junto às dinâmicas do ion dentro do campomagnético principal do ICC 42 0 podem ser implementados utilizando dois conjuntos de bobinas auxiliares 500 e 510, comoapresentado nas Figs. 27A e 24B. Ambos conjuntos de bobinas500 e 510 envolvem condutores adjacentes com correntes deforma oposta direcionadas, de modo que os campos magnéticospossuem um alcance curto. Um gradiente de campo magnético,como esquematicamente ilustrado na Fig. 27A, irá alterar afreqüência e a fase de rotação do ion. Um campo magnéticocom vários pólos, como esquematicamente ilustrado na Fig.27B, irá produzir agrupamento, como em um acelerador linear.

Reator

A Fig. 28 ilustra um reator de 100 MW. O corte dogerador ilustra uma região de núcleo de energia de fusãopossuindo bobinas supercondutoras para aplicar um campo mag-nético uniforme e uma bobina de fluxo para formação de umcampo magnético com topologia de campo reverso. Extremidadesopostas adjacentes da região de núcleo de energia de fusãosão conversores de energia ICC para conversão direta da energia cinética dos produtos da fusão para energia elétrica.0 equipamento de suporte para tal reator é ilustrado na Fig.29.

Sistema de Propulsão

A exploração do sistema solar (e além) requer capacidades de propulsão que excedam muito aos melhores sistemas de propulsão quimica ou elétrica disponíveis. Para aplicações de propulsão avançada, a presente invenção mantém amelhor promessa: simplicidade do proj eto, impulso elevado,impulso especifico elevado, densidade de energia especificaelevada, massa do sistema baixa, e combustíveis que produzempouca ou nenhuma radioatividade.

Um sistema de propulsão de impulso de plasma, deacordo com a presente invenção, utiliza alta energia cinética embutida nos produtos da fusão, à medida que eles são expelidos de forma axial para fora do núcleo de plasma da fusão. 0 sistema 800 é ilustrado esquematicamente nas Figs. 30e 31. O sistema inclui um reator de fusão de feixe de colisão do núcleo de energia FRC 836 no qual um núcleo de combustível de fusão 8 35 está contido como descrito acima. Oreator adicionalmente compreende um gerador de campo magnético 825, uma bobina de corrente (não apresentada) e os injetores de feixe de ion 840. Um conversor direto de energiaICC 820, como descrito acima, é acoplado com uma extremidadedo núcleo de energia 836 e intercepta aproximadamente metadedas partículas do produto da fusão que emergem a partir deambas extremidades do núcleo de energia 836 na forma de feixes anulares 837. Como descrito acima, o ICC 820 desaceleraos mesmos por um processo ciclotron inverso, e converte suaenergia cinética para energia elétrica. Um bocal magnético8 50 é posicionado adj acente à outra extremidade do núcleo deenergia 836 e direciona as partículas do produto da fusãorestantes para dentro do espaço como o empuxo T. O feixe anular 837 do fluxo dos produtos da fusão, fluem a partir deuma extremidade do núcleo de energia de fusão 836 ao longodas linhas do campo 837 para dentro do ICC 820 para conversão de energia e a partir da outra extremidade do núcleo deenergia 836 ao longo das linhas do campo 837 para fora dobocal 8 50 para o empuxo T. A radiação de bremmsstrahlung éconvertida para energia elétrica por um conversor de energiatermo-elétrica (TEC) 870. A energia bremmsstrahlung é rejeitada para o espaço. Um subsistema de controle de energia(810, veja a Fig. 32) monitora todas as fontes e pias de energia elétrica e calor para manter a operação do sistema noestado estável e para proporcionar uma fonte de energia independente (isto é, células - combustível, baterias, etc.)para iniciar a operação da nave espacial e do sistema depropulsão a partir de um estado não operacional. Desde queos produtos da fusão são partículas a carregadas, o sistemanão requer o uso de radiação massiva e de coberturas de nêutron, e por conseqüência, é caracterizado por massa do sis-tema, de forma significativa reduzida, comparada com outrossistemas espaciais de propulsão nuclear.

A performance do sistema de propulsão por empuxode plasma 800 é caracterizada pelos parâmetros cinéticos seguintes para um exemplo de núcleo de fusão p-Bll de 100 MWpossuindo um projeto como representado na Fig. 31.

Impulso Especifico, Isp4 x IO6 sForça de Empuxo, PT50,8 MW

Força de Empuxo / Força de Saida total, PT / Po0,51Empuxo, T2 8,1 N

Empuxo / Força de Saida Total, T / P02 81 mN / MW

0 sistema 800 exibe um impulso especifico muitoalto, o qual permite altas velocidades terminais de um naveespacial utilizando o sistema de propulsão por empuxo de plasma.

Uma métrica chave de performance / limitação demissão para todos os veiculos espaciais é a massa do sistema. Os componentes principais da massa no sistema de propulsão por empuxo de plasma 800 são ilustrados nas Figs. 31 e

32. O núcleo de fusão 835 requer aproximadamente 50 MW depotência injetada para a operação de estado estacionário. 0sistema gera aproximadamente 77 MW de potência nuclear (partícula) , metade da qual é recuperada no conversor direto deenergia 820 com até 90% de eficiência. Assim, uma potênciade 11,5 MW adicional é necessária para sustentar o reator, aqual é proporcionada pelo TEC 870 e pelo motor de aquecimento de Brayton 880.

A fonte principal de calor no sistema de propulsãopor empuxo de plasma 88 0 é devido à radiação de Breasstrahlung. O TEC 87 0 recupera aproximadamente 20% da radiação,ou 4,6 MW, transferindo aproximadamente 18.2 MW para o mecanismo de calor de Brayton de circulo fechado 880. O motor decalor de Brayton 880 compreende um trocador de calor 860, oturbo-alternador 884, o compressor 882 e os radiadores 886,como apresentado na Figura 31. O motor de Brayton 880 fornece os 7 MW restantes de potência necessários para sustentaro reator, outros 11 MW são descarregados diretamente para oespaço por meio de radiadores.

Um motor de calor Brayton de circulo fechado é umaopção madura e eficiente para converter o calor em excessorejeitado pelo TEC 870. Nos motores de Brayton, a temperatura do ciclo máximo é limitada pelas considerações materiais,as(quais limitam a eficiência máxima do ciclo termodinâmico.Baseado em uma mapa de performance padrão para o motor deBrayton, vários pontos do projeto podem ser extraídos. Eficiências típicas podem alcançar até 60%. Para o presente caso, 7 MW precisam ser recuperados, e por conseqüência, somente uma eficiência de 40% ao se converter o calor residualé aceitável e boa dentro dos limites que podem ser atualmete obtidos para motores Brayton convencionais.

A massa de componente para todo o motor de Brayton(menos os radiadores de calor) é calculada baseada em parâmetros específicos da massa de tecnologias industriais avançadas, isto é, na faixa de 3 Kg/KWe. Máquinas turbo, incluindo compressores, turbinas de força e trocadores de calor,são combinados para uma massa total do subsistema de 18 To-neladas Métrica.

A massa do radiador é estimada para ser 6 Toneladas Métrica, de preferência utilizando painéis condutores decalor com condutividade térmica elevada do estado da técnica .

O peso significativo do sistema também provém dosimã 825 confinando o núcleo de plasma 835. As bobinas magnéticas supercondutoras 825 de preferência são feitas deNb3Sn, o qual opera de forma estável em 4,5 K e em um campode 12,5 até 13, 5 T. Os requerimentos criogênicos para o Nb3Sn são menos rigorosos do que para outros materiais considerados . Com um requerimento de campo magnético de 7 Tesla eum comprimento de dispositivo de aproximadamente 7,5 metros,a bobina precisa cerca de 1500 voltas de fios transportando56 kA de corrente. Utilizando um raio de 0,5 cm, a massa total desta bobina é cerca de 308 7 Kg - O sistema de resfria-mento de hélio liquido é compreendido de duas bombas, uma emcada extremidade da bobina principal. A massa total destabombas é aproximadamente 60 Kg. 0 casco estrutural eterno éutilizado para suportar os imãs e todos o componentes internos fora do exterior. Ele é feito de composto espesso e Kevlar / carbono - carbono com uma massa total de cerca de 772Kg. A camada mais externa, que é a sobrecapa de isolamentopara proteger o interior de altas variações de temperaturano espaço, é estimada em 64 3 kg. A massa total do subsistemade imã 825 é, portanto, cerca de 4,8 Toneladas Métrica.

No presente, o sistema de injeção de ion 840 maisapropriado para aplicações espaciais seria um acelerador li-near de indução ou RFQ. Aproximadamente 15 anos atrás, umRFQ foi pilotado em um foguete cientifico e com sucesso demonstrado o uso da energia de alta tensão e da injeção feixes de ion no espaço. Em uma modalidade preferida, seis injetores 840 distribuídos ao longo do comprimento do CBFR,três para cada espécie de ion. Cada injetor 84 0 de preferência é um "Beamlet" RFQ com uma dimensão total de 0,3 metrosde comprimento e com um raio de 0, 020 metros. Cada injetorrequer uma fonte de ion, de preferência, com 0,02 metros decomprimento e com 0,020 m de raio, que fornece hidrogênio ouboro ionizado. Uma fonte é necessária para cada acelerador.Tanto o injetor como a fonte estão dentro dos limites atual-mente obteniveis; com refinamentos do projeto em relação aoespaço, sua massa total, incluindo as fontes e o acelerador,deve ser cerca de 60 kg.

O conversor direto de energia ICC em formato decone 820 está localizado em uma extremidade do reator 836, oqual de preferência é feito de aço inoxidável. Com um raioda base de 0,5 metros e com um comprimento de 2 metros, amassa do ICC é aproximadamente 1690 kg. Um abastecimento deenergia RF 820 (inversor / conversor) recupera o fluxo deion direcionado, convertendo o mesmo para energia elétrica.A massa do abastecimento de energia é cerca de 30 kg. Um bateria de armazenamento 812 é utilizada para iniciar / iniciar novamente o CBFR. A capacidade armazenada é cerca de 30MJ. Sua massa é cerca de 500 kg. Alternativamente, uma célula de combustível também poderia ser utilizada. Unidades decontrole adicionais coordenam a operação de todos os compo-nentes. A massa do subsistema de controle é estimada comosendo 30 kg. Portanto, a massa total do subsistema iniciadorconversor de energia é estimada em cerca de 2,25 ToneladasMétrica.

O bocal magnético 850 está localizado em outra extremidade do núcleo de fusão 835. O bocal 850 foca o fluxode produto da fusão como um fluxo de partícula direcionado.É estimado que a massa do bocal magnético e do ICC sejamquase igual; desde que ambos são compreendidos de imãs super condutor es e de componentes estruturais com massa relativamente baixa.

O TEC 870 recupera energia a partir das emissõeseletromagnéticas do núcleo de fusão• Ele, de. preferência, éuma estrutura de película fina feita de carbureto de boro /silicio - germânio, o qual possui uma densidade de massa decerca de 5 g / cm3. O TEC 870 está localizado na primeiraparede e de preferência completamente reveste a superfícieinterna do núcleo do reator; a massa do TEC 870 é estimadaem cerca de 400 kg. O fluxo radiante sobre o TEC 870 é 1,2MW/m2 e sua temperatura pico de operação é assumida comosendo menos do que 2.780, 33 °F (1800 °K) .

A massa total do sistema de propulsão por empuxode plasma é assim estimada em cerca de 33 Toneladas métrica.Isto define os parâmetros críticos restantes para a unidadede 100 MW atualmente discutida:

Massa Total / Energia Total, MT/Po0,33 x 10"3 kg/W

Empuxo / Massa, T/Mr0,85 x IO"3 N/kg

Enquanto a invenção é suscetível a várias modifi-cações e formas alternativas, um exemplo especifico da mesmafoi apresentado nos desenhos e descrito neste documento emdetalhes. Entretanto, deve ser entendido que a invenção nãoé para ser limitada à forma particular descrita, mas ao contrário, a invenção é para cobrir todas as modificações, e-quivaientes e alternativas situando-se dentro do espirito edo escopo das reivindicações anexas.

Claims (124)

1. Câmara de reator, CARACTERIZADA por compreender :uma parede da câmara cilíndrica possuindo primeirae segundas extremidades, euma pluralidade de interrupções de isolamento seestendendo axialmente ao longo da parede da câmara entre eem relação espaçada com a primeira e a segunda extremidade.

2. Câmara, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a pluralidade de interrupçõesde isolamento inclui uma fenda formada na parede da câmara.

3. Câmara, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA pelo fato de que a parede da câmara é formadade metal.

4. Câmara, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADA pelo fato de que a pluralidade de interrupçõesde isolamento inclui uma material de isolamento inserido nafenda.

5. Câmara, de acordo com a reivindicação 4,CARACTERIZADA pelo fato de que o material de isolamento é ummaterial cerâmico.

6. Câmara, de acordo com a reivindicação 4,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender uma pluralidadede coberturas posicionadas dentro da câmara e sobre o material de isolamento.

7. Câmara, de acordo com a reivindicação 4CARACTERIZADA por adicionalmente compreender uma chapa devedação se estendendo sobre a fenda.

8. Câmara, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADA pelo fato de que o material de isolamento estáacoplado com a chapa de vedação.

9. Câmara, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender um dispositivopara formar uma vedação entre a chapa de vedação e a parededa câmara.

10. Câmara, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADA pelo fato de que a chapa de vedação é formadade material de fibra de vidro.

11. Câmara, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender um gerador decampo magnético acoplado com a câmara para gerar um campomagnético unidirecional dentro da câmara.

12. Câmara, de acordo com a reivindicação 11,CARACTERIZADA pelo fato de que o gerador de campo magnéticoinclui várias bobinas de campo se estendendo de forma azimu-tal ao redor do perímetro da parede da câmara.

13. Câmara, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADA pelo fato de que as várias bobinas de camposão de forma paralela orientadas uma em relação à outra.

14. Câmara, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADA pelo fato de que as várias bobinas de campoincluem o primeiro e o segundo conj unto de bobinas de espelho.

15. Câmara, de acordo com a reivindicação 11,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender uma bobina defluxo bétatron se estendendo de forma concêntrica com a pa-rede da câmara.

16. Câmara, de acordo com a reivindicação 15,CARACTERIZADA pelo fato de que a bobina de fluxo bétatron éposicionada fora dá parede da câmara.

17. Câmara, de acordo com a reivindicação 15,CARACTERIZADA pelo fato de que a bobina de fluxo bétatroninclui várias bobinas de enrolamento paralelas.

18. Câmara, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA por adicionalmente compreende um ou mais injetores de feixe de ion ortogonais e radialmente espaçados apartir de um eixo geométrico longitudinal da parede da câmara .

19. Câmara, de acordo com a reivindicação 18,CARACTERIZADA pelo fato de que os injetores de feixe de ionincluem um dispositivo para neutralizar a carga elétrica dosfeixes de ion emitidos pelos injetores de feixe de ion.

20. Câmara, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender uma fonte deplasma para formar uma névoa anular de plasma secundário emdireção a um plano médio da câmara.

21. Câmara, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender conversores deenergia acoplados com a primeira e com a segunda extremidadeda parede da câmara.

22. Câmara, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADA pelo fato de que os conversores de energia incluem vários eletrodos se estendendo de forma axial com espaços longitudinais entre os mesmos.

23. Câmara, de acordo com a reivindicação 22,CARACTERIZADA por adicionalmente compreender várias bobinasde campo se estendendo ao redor do perímetro dos vários eletrodos.

24. Câmara, de acordo com a reivindicação 23,CARACTERIZADA por adicionalmente compreende o primeiro e osegundo coletor de ion e o primeiro e o segundo coletor deelétron.

25. Sistema de geração de plasma, CARACTERIZADOpor compreender:uma bobina de descarga elétrica, eum bocal de Lavai acoplado com a bobina de descarga elétrica.

26. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que a bobina dedescarga elétrica compreende um corpo em formato de discoanular e uma bobina com fios paralelos enrolados, ligada coma face do corpo.

27. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 2 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a bobina éuma bobina de volta única.

28. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a bobina éuma bobina com vários filamentos.

29. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de. que os fios dabobina começam adjacentes a um raio externo do corpo em pontos espaçados de forma angular e cercam a face do corpo ter-minando em um volta em um raio interno do corpo.

30. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 29, CARACTERIZADO pelo fato de que os fios dabobina começam no perímetro do corpo.

31. Sistema de geração de plasma, de acordo com.areivindicação 2 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o corpocompreende um cubo formando o raio interno do corpo.

32. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 31, CARACTERIZADO pelo fato de que o bocal de Lavai compreende um braço do bocal em formato de disco anular acoplado com o cubo.

33. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 32, CARACTERIZADO pelo fato de que uma face dobraço voltada para o cubo forma um espaço repleto de gás emformato anular e um bocal se expandido de forma limitada comuma face do cubo.

34. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 33, CARACTERIZADO por adicionalmente compreender vários canais de gás formados no cubo e em comunicação com o espaço repleto de gás.

35. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 34, CARACTERIZADO por.adicionalmente compreender um aro de assento de válvula possuindo vários assentosde válvula alinhados com os vários canais de gás.

36. Sistema de geração de plasma, de acordo com areivindicação 26, CARACTERIZADO por adicionalmente compreender uma cobertura acoplada com o corpo.

37. Método para gerar um plasma, CARACTERIZADO porcompreender as etapas de:distribuir um gás neutro sobre uma bobina com fiosparalelos enrolados de uma bobina de descarga elétrica debaixa indutância,energizar os enrolamentos da bobina, eionizar o gás dentro do plasma.

38. Método, de acordo com a reivindicação 37,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de ejetar o plasma formado a partir da bobina de descarga elétrica .

39. Método, de acordo com a reivindicação 37,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de energizar a bobinainclui energizar todos os fios da bobina.

40. Método, de acordo com a reivindicação 37,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de energizar a bobinainclui energizar um primeiro conjunto de fios e energizar umsegundo conjunto de fios após um periodo de tempo predeterminado.

41. Método, de acordo com a reivindicação 38,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de ejetar o plasmainclui ejetar um plasma em formato anular.

42. Sistema de geração de energia elétrica a partir do plasma, CARACTERIZADO por compreenderuma câmara possuindo um eixo geométrico fundamental,um primeiro gerador de campo magnético para criarum campo magnético de forma azimutal simétrico dentro de umaregião central da câmara com um fluxo substancialmente para-leio ao eixo geométrico fundamental da câmara,um gerador de plasma compreendendo uma bobina dedescarga elétrica e um bocal de Lavai posicionados dentro dacâmara, euma bobina de transporte de corrente concêntricacom o eixo geométrico fundamental da câmara para criar umcampo elétrico azimutal dentro da câmara.

43. Sistema, de acordo com a reivindicação 42,CARACTERIZADO pelo fato de que a câmara compreende uma parede cilíndrica da câmara possuindo a primeira e a segunda extremidade, evárias interrupções de isolamento se estendendo deforma axial ao longo da parede da câmara entre e em relaçãoespaçada com a primeira e a segunda extremidade.

44. Sistema, de acordo com a reivindicação 42,CARACTERIZADO pelo fato de que a bobina de descarga elétricacompreende um corpo em formato de disco anular e uma bobinade fios paralelos enrolados, ligada com a face do corpo.

45. Sistema, de acordo com a reivindicação 44,CARACTERIZADO pelo fato de que a bobina é uma bobina de volta única.

46. Sistema, de acordo com a reivindicação 45,CARACTERIZADO pelo fato de que os fios da bobina começam emum raio externo do corpo em pontos espaçados de forma angular e cercam a face do corpo terminando em uma volta em umraio interno do corpo.

47. Sistema, de acordo com a reivindicação 4 6,CARACTERIZADO pelo fato de que os fios da bobina começam noperímetro do corpo.

48. Sistema, de acordo com a reivindicação 4 4,CARACTERIZADO pelo fato de que o corpo compreende um cuboformando o raio interno do corpo.

49. Sistema, de acordo com a reivindicação 48,CARACTERIZADO pelo fato de que o bocal de Lavai compreendeum braço do bocal em formato de disco anular acoplado com ocubo.

50. Sistema, de acordo com a. reivindicação 49,CARACTERIZADO pelo fato de que uma face do braço voltada para o cubo forma um espaço repleto de gás em formato anular eum bocal se expandindo de forma limitada com uma face do cubo .

51. Sistema, de acordo com a reivindicação 50,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende vários canais degás formados no cubo e em comunicação com o espaço repletode gás.

52. Sistema, de acordo com a reivindicação 51,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende um aro de assento de válvula compreendendo vários assentos de válvula alinhados com os vários canais de gás.

53. Sistema, de acordo com a reivindicação 44,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende uma coberturaacoplada com o corpo.

54. Sistema, de acordo com a reivindicação 42,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende um sistema deconversão de energia dentro da câmara.

55. Sistema, de acordo com a reivindicação 54,CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de conversão de energia compreende vários eletrodos semicilindricos formandouma superfície cilíndrica em uma primeira região de extremidade da câmara.

56. Sistema, de acordo com a reivindicação 55,CARACTERIZADO pelo fato de que os vários eletrodos compreendem mais do que dois eletrodos em relação espaçada formandouma brecha entre eletrodos adjacentes.

57. Sistema, de acordo com a reivindicação 56,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender um segundo gerador de campo magnético para criar um campo magnético deforma azimutal simétrico dentro da primeira região de extremidade da câmara com um fluxo substancialmente paralelo aoeixo geométrico fundamental da câmara,um coletor de elétron colocando-se entre o primeiro e o segundo geradores de campo magnético e adjacente auma primeira extremidade dos vários eletrodos, eum coletor de ion posicionado adj acente a uma segunda extremidade dos vários eletrodos.

58. Sistema, de acordo com a reivindicação 57,CARACTERIZADO por adicionalmente compreenderuma segunda pluralidade de eletrodos semicilindricos formando uma superfície cilíndrica em uma segunda regiãode extremidade da câmara, onde a segunda pluralidade de eletrodos compreende mais do que dois eletrodos em relação espaçada formando uma brecha entre eletrodos adj acentes,um terceiro gerador de campo magnético para criarum campo magnético de forma azimutal simétrico dentro da se-gunda região de extremidade da câmara com um fluxo substancialmente paralelo ao eixo geométrico fundamental da câmara,um segundo coletor de elétron colocando-se entre oprimeiro e o terceiro geradores de campo magnético e adjacente a uma primeira extremidade da segunda pluralidade deeletrodos, eum segundo coletor de ion posicionado adjacente auma segunda extremidade da segunda pluralidade de eletrodos.

59. Sistema, de acordo com a reivindicação 58,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender injetores defeixe de ion acoplados com o vaso.

60. Sistema, de acordo com a reivindicação 59,CARACTERIZADO pelo fato de que os injetore"s de feixe de ionincluem um dispositivo para neutralizar a carga elétrica dosfeixes de ion emitidos a partir dos injetores.

61. Método para formar um campo magnético com configuração de campo reverso dentro de uma câmara,CARACTERIZADO por compreender as etapas de:criar um campo magnético de orientação em uma câmara,distribuir um gás neutro sobre uma bobina com fiosparalelos enrolados de uma bobina de descarga elétrica debaixa indutância,energizar os enrolamentos da bobina da bobina dedescarga elétrica,ionizar o gás dentro de um plasma,ejetar o plasma formado a partir da bobina de descarga elétrica dentro da câmara ao longo das linhas do campodo campo de orientação,criar um campo elétrico azimutal dentro da câmaracausando que o plasma gire e forme um autocampo magnéticopoloidal envolvendo o plasma,aumentar a energia rotacional do plasma para au-mentar a magnitude do autocampo até um nivel que supere amagnitude do campo de orientação, eunir as linhas do campo do campo de orientação como autocampo em um campo magnético possuindo uma topologia deconfiguração de campo reverso (FRC).

62. Método, de acordo com a reivindicação 61,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de energizar a bobinainclui energizar todos os fios da bobina.

63. Método, de acordo com a reivindicação 61,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de energizar a bobinainclui energizar um primeiro conjunto de fios e energizar umsegundo conj unto de fios após um periodo de tempo predeterminado .

64. Método, de acordo com a reivindicação 62,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de e j et ar o plasmainclui ejetar um plasma em formato anular.

65. Método, de acordo com a reivindicação 61,CARACTERIZADO pelo fato de que etapa de criar o campo de orientação inclui energizar vária bobinas de campo e bobinasespelho se estendendo ao redor da câmara.

66. Método, de acordo com a reivindicação 61,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de aumentar a magnitude do campo de orientação para manter oplasma rotativo em um tamanho radial predeterminado.

67. Método, de acordo com a reivindicação 61,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de criar o campo elétrico azimutal inclui a etapa de energizar uma bobina defluxo de bétatron dentro da câmara e aumentar a correntepassando através da bobina.

68. Método, de acordo com a reivindicação 67,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de aumentar a energiade rotação do plasma rotativo inclui aumentar a taxa de alteração da corrente passando através da bobina.

69. Método, de acordo com a reivindicação 68,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de aumentar a taxa de alteração da corrente passando através dabobina de fluxo para acelerar o plasma rotativo até a energia de rotação de nivel de fusão.

70. Método, de acordo com a reivindicação 61,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de criar um poço eletrostático dentro da câmara.

71. Método, de acordo com a reivindicação 70,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de ajustar o poço eletrostático.

72. Método, de acordo com a reivindicação 71,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de ajustar o poço eletrostático inclui manipular a magnitude do campo de orientação.

73. Método, de acordo com a reivindicação 69,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender as etapas deinjetar feixes de ion com energia em nivel de fusão dentroda FRC e capturar os feixes nas órbitas bétatron dentro daFRC.

74. Método, de acordo com a reivindicação 73,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de injetar e capturaros feixes de ion adicionalmente compreende as etapas de:neutralizar os feixes de ion,drenar a polarização elétrica a partir dos feixesde ion neutralizados, eexercer uma força de Lorentz devido ao campo mag-nético aplicado sobre os feixes de ion neutralizados paracurvar os feixes de ions em órbitas bétatron.

75. Método, de acordo com a reivindicação 7 3,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende as etapas demagneticamente confinar ions dentro da FRC e eletrostaticamente confinar elétrons dentro do poço eletrostático.

76. Método, de acordo com a reivindicação 75,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de formar ions do produto da fusão.

77. Método, de acordo com a reivindicação 76,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa dar salda aos ions do produto da fusão a partir da FRC em um feixeanular.

78. Sistema de geração de energia elétrica a partir de plasma, CARACTERIZADO por compreender:uma câmara possuindo um eixo geométrico fundamental,um primeiro gerador de campo magnético para criarum campo magnético deforma azimutal simétrico dentro de umaregião central da câmara com um fluxo substancialmente paralelo ao eixo geométrico fundamental da câmara,um sistema de acionamento RF acoplado com a regiãocentral da câmara, euma bobina de corrente concêntrica com o eixo geométrico fundamental da câmara para criar um campo elétricoazimutal dentro da câmara.

79. Sistema, de acordo com a reivindicação 78,CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de acionamento RFcompreende um ciclotron quadripolar.

80. Sistema, de acordo com a reivindicação 79,CARACTERIZADO pelo fato de que o ciclotron quadripolar compreende quatro eletrodos semicilindricos formando uma superfície cilíndrica.

81. Sistema, de acordo com a reivindicação 78,CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de acionamento RFcompreende um ciclotron bipolar.

82. Sistema, de acordo com a reivindicação 81,CARACTERIZADO pelo fato de que o ciclotron bipolar compreende quatro eletrodos semicilindricos formando uma superfíciecilíndrica.

83. Sistema, de acordo com a reivindicação 78,CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de acionamento RFcompreende bobinas de modulação de campo se estendendo deforma axial adjacentes ao perímetro da câmara e da bobina decorrente.

84. Sistema, de acordo com a reivindicação 78,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende um sistema deconversão de energia dentro da câmara.

85. Sistema, de acordo com a reivindicação 84,CARACTERIZADO pelo fato de o sistema de conversão de energiacompreende vários eletrodos semicilíndricos formando uma superfície cilíndrica em uma primeira região de extremidade dacâmara.

86. Sistema, de acordo com a reivindicação 85,CARACTERIZADO pelo fato de que os vários eletrodos compreendem mais do que dois eletrodos em relação espaçada formandouma brecha entre eletrodos adjacentes.

87. Sistema, de acordo com a reivindicação 86,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender um segundo gerador de campo magnéticos para criar um campo magnético deforma azimutal simétrico dentro da primeira região de extremidade da câmara com um fluxo substancialmente paralelo aoeixo geométrico fundamental da câmara,um coletor de elétron colocando-se entre o primeiro e o segundo geradores de campo magnético e adjacente auma primeira extremidade dos vários eletrodos, eum coletor de ion posicionado adjacente a uma segunda extremidade dos vários eletrodos.

88. Sistema, de acordo com a reivindicação 87,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender:uma segunda pluralidade de eletrodos semicilindricos formando uma superfície cilíndrica em uma segunda regiãode extremidade da câmara, onde a segunda pluralidade de eletrodos compreende mais do que dois eletrodos em relação espaçada formando uma brecha entre eletrodos adj acentes,um terceiro gerador de campo magnético para criarum campo magnético de forma azimutal simétrico dentro daprimeira região de extremidade da câmara com um fluxo substancialmente paralelo ao eixo geométrico fundamental da câmara,um segundo coletor de elétron colocando-se entre oprimeiro e o terceiro geradores de campo magnético e adjacente a uma primeira extremidade da segunda pluralidade deeletrodos, eum segundo coletor de ion posicionado adjacente auma segunda extremidade a segunda pluralidade de eletrodos.

89. Sistema, de acordo com a reivindicação 88,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende inj etores defeixe de ion acoplados com o vaso.

90. Sistema, de acordo com a reivindicação 8 9,CARACTERIZADO pelo fato de que os injetores de feixe de ionincluem um dispositivo para neutralizar a carga elétrica dosfeixes de ion emitidos a partir dos injetores.

91. Método para acionar ions e elétrons em umaFRC, CARACTERIZADO por compreender as etapas de:gerar uma FRC ao redor de um plasma rotativo, ecriar uma onda de potencial elétrico que gira namesma direção que a velocidade azimutal dos ions no plasmarotativo.

92. Método, de acordo com a reivindicação 91,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de criar uma onda depotencial elétrico inclui energizar vários eletrodos alongados formando uma superfície cilíndrica.

93. Método, de acordo com a reivindicação 92,CARACTERIZADO pelo fato de que os vários eletrodos alongadosformam um ciclotron alongado.

94. Método, de acordo com a reivindicação 92,CARACTERIZADO pelo fato de que o ciclotron é um ciclotronquadripolar.

95. Método, de acordo com a reivindicação 92,CARACTERIZADO pelo fato de que o ciclotron é um ciclotronbipolar.

96. Método, de acordo com a reivindicação 91,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende a etapa de injetar ions neutros dentro da onda.

97. Método, de acordo com a reivindicação 92,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de capturar ions neutros injetados na onda.

98. Método, de acordo com a reivindicação 97,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de aumentar o momento e a energia dos ions capturados.

99. Sistema de geração de energia e de propulsão apartir de plasma, CARACTERIZADO por compreenderuma câmara possuindo um eixo geométrico fundamental e a primeira e a segunda extremidade,um primeiro gerador de campo magnético para criarum campo magnético de forma azimutal simétrico dentro da câmara com um fluxo substancialmente paralelo ao eixo geométrico fundamental da câmara,uma bobina de corrente concêntrica com o eixo geométrico fundamental da câmara para criar um campo elétricoazimutal dentro da câmara,um sistema de conversão de energia acoplado com aprimeira extremidade da câmara, eum bocal magnético acoplado com a segunda extremidade da câmara.

100. Sistema, de acordo com a reivindicação 99,CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de conversão de energia compreende vários eletrodos semicilindricos formandouma superfície cilíndrica.

101. Sistema, de acordo coma reivindicação 100,CARACTERIZADO pelo fato de que os vários eletrodos compreendem mais do que dois eletrodos em relação espaçada formandouma brecha entre eletrodos adj acentes.

102. Sistema, de acordo coma reivindicação 101,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende um segundo gerador de campo magnético para criar um campo magnético de forma azimutal simétrico dentro do sistema de conversão de energia com um fluxo substancialmente paralelo ao eixo geométrico fundamental da câmara,um coletor de elétron colocando-se entre o primeiro e o segundo geradores de campo magnético e adjacente auma primeira extremidade dos vários eletrodos, eum coletor de ion posicionado adjacente a uma segunda extremidade dos vários eletrodos.

103. Sistema, de acordo coma reivindicação 102,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender injetores defeixe de ion acoplados com a câmara.

104. Sistema, de acordo coma reivindicação 103,CARACTERIZADO pelo fato de que os injetores de feixe de ionincluem um dispositivo para neutralizar a carga elétrica dosfeixes de ion emitidos a partir dos injetores.

105. Sistema, de acordo coma reivindicação 104,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender um conversortermo-elétrico acoplado com a câmara.

106. Sistema, de acordo coma reivindicação 105,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender um mecanismo decalor de Brayton acoplado com a câmara.

107. Sistema, de acordo coma reivindicação 106,CARACTERIZADO pelo fato de que o mecanismo de calor de Brayton compreende pelo menos um trocador de calor, um turbo-alternador acoplado com o trocador de calor, um compressoracoplado com o trocador de calor e com o turbo-alternador, e um radiado r acoplado com o compressor e com o turbo-alternador .

108. Sistema, de acordo coma reivindicação 107,CARACTERIZADO por adicionalmente compreende um dispositivode armazenamento de energia acoplado com o turbo-alternador.

109. Sistema, de acordo coma reivindicação 108,CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de armazenamento de energia compreende baterias.

110. Sistema, de acordo coma reivindicação 108,CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de armazenamento de energia compreende células de combustível.

111. CARACTERIZADO por compreender as etapas de:gerar uma FRC ao redor de um plasma rotativo dentro de uma câmara possuindo a primeira e a segunda extremi-dade, eejetar um feixe anular de ions do produto da fusãoa partir da primeira e da segunda extremidade da câmara,converter a energia dos ions do produto da fusãoejetados a partir da primeira extremidade em energia elétrica, econverter a energia dos ions da fusão ejetados apartir da segunda extremidade em empuxo.

112. Método, de acordo com a reivindicação 111,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de converter a energia dos ions do produto da fusão ejetados a partir da pri-meira extremidade em energia elétrica incluiinj etar os ions ao longo de um caminho helicoidaldentro de uma cavidade geralmente cilíndrica de vários eletros semicilindricos em relação espaçada um com o outro formando várias brechas alongadas entre os mesmos,converter substancialmente toda a energia axialdos ions injetados para energia rotacional,formar um campo elétrico com vários pólos dentroda cavidade, o campo elétrico compreendendo três ou mais pólos , econverter pelo menos uma parte da energia do ionem energia elétrica.

113. Método, de acordo com a reivindicação 112,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de aplicar um potencial oscilante junto aos vários eletrodos.

114. Método, de acordo com a reivindicação 112,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de formar um campoelétrico inclui criar um campo elétrico azimutal através dasvárias brechas.

115. Método, de acordo com a reivindicação 112,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de desacelerar os ions.

116. Método, de acordo com a reivindicação 112,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de direcionar o feixe anular através de um cúspide magnético.

117. Método, de acordo com a reivindicação 112,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de coletar elétrons de neutralização de carga a partir do feixeanular à medida que os elétrons seguem as linhas do campomagnético do cúspide magnético.

118. Método, de acordo com a reivindicação 117, CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de co-letar ions uma vez que uma substancial parte de sua energiaseja convertida para energia elétrica.

119. Método, de acordo com a reivindicação 112,CARACTERIZADO pelo fato de que os vários eletrodos compreendem pelo menos quatro eletrodos.

120. Método, de acordo com a reivindicação 116,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de criar o cúspide magnético.

121. Método, de acordo com a reivindicação 120,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de criar o cúspidemagnético compreende as etapas de criar o primeiro e o segundo campo magnético, onde as linhas do campo do primeiro edo segundo campo magnético se estendem em direções opostas,e unir o primeiro e o segundo campo magnético.

122. Método, de acordo com a reivindicação 111,CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de converter a energia dos ions da fusão ejetados a partir da segunda extremida de em empuxo inclui focar o feixe anular de ion de fusãocomo um fluxo de partícula direcionado.

123. Método, de acordo com a reivindicação 122,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de converter emissões eletromagnéticas a partir da câmara em energia elétrica.

124. Método, de acordo com a reivindicação 122,CARACTERIZADO por adicionalmente compreender a etapa de converter a radiação de calor a partir da câmara em energia elétrica.