EA039021B1 - Systems for forming and maintaining a high performance field reversed configuration - Google Patents

Systems for forming and maintaining a high performance field reversed configuration Download PDF

Info

Publication number
EA039021B1
EA039021B1 EA201992821A EA201992821A EA039021B1 EA 039021 B1 EA039021 B1 EA 039021B1 EA 201992821 A EA201992821 A EA 201992821A EA 201992821 A EA201992821 A EA 201992821A EA 039021 B1 EA039021 B1 EA 039021B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
frc
chamber
divertors
forming sections
plasma
Prior art date
Application number
EA201992821A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201992821A2 (en
EA201992821A3 (en
Inventor
Михель Тушевски
Михль Биндербауэр
Дэн Барнз
Эусебиу Гарате
Хоуян Го
Сергей Путвински
Артем Смирнов
Original Assignee
Таэ Текнолоджиз, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Таэ Текнолоджиз, Инк. filed Critical Таэ Текнолоджиз, Инк.
Publication of EA201992821A2 publication Critical patent/EA201992821A2/en
Publication of EA201992821A3 publication Critical patent/EA201992821A3/en
Publication of EA039021B1 publication Critical patent/EA039021B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21BFUSION REACTORS
    • G21B1/00Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/05Thermonuclear fusion reactors with magnetic or electric plasma confinement
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21BFUSION REACTORS
    • G21B1/00Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11Details
    • G21B1/15Particle injectors for producing thermonuclear fusion reactions, e.g. pellet injectors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Abstract

A high performance field reversed configuration (FRC) provided includes a central confinement vessel, two diametrically opposed reversed-field-theta-pinch formation sections coupled to the vessel, and two divertor chambers coupled to the formation sections. A magnetic system includes quasi-dc coils axially positioned along the FRC system components, quasi-dc mirror coils between the confinement chamber and the formation sections, and mirror plugs between the formation sections and the divertors. The formation sections include modular pulsed power formation systems enabling static and dynamic formation and acceleration of the FRCs. The FRC system further includes neutral atom beam injectors, pellet injectors, gettering systems, axial plasma guns and flux surface biasing electrodes. The beam injectors are preferably angled toward the midplane of the chamber. In operation, FRC plasma parameters including plasma thermal energy, total particle numbers, radius and trapped magnetic flux, are sustainable at or about a constant value without decay during neutral beam injection.

Description

Описываемые здесь варианты осуществления относятся в основном к системам для магнитного удержания плазмы, а более конкретно к системам и способам, которые способствуют формированию и поддержанию конфигураций с обращенным полем с превосходной устойчивостью, а также удержанию частиц, энергии и потока.The embodiments described herein relate generally to systems for magnetic plasma confinement, and more particularly to systems and methods that facilitate the formation and maintenance of reversed field configurations with excellent stability as well as particle, energy and flux confinement.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Конфигурация с обращенным полем (FRC) принадлежит к классу топологий магнитного удержания плазмы, известных как компактные тороиды (КТ). Она демонстрирует преобладающе полоидальные магнитные поля и обладает нулевыми или малыми самогенерируемыми тороидальными полями (см. М. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). Преимуществами такой конфигурации являются ее простая для построения и поддержания геометрия, естественный неограниченный дивертор для осуществления энерговыделения и золоудаления, а также очень высокое β (β-отношение среднего давления плазмы к среднему давлению магнитного поля внутри FRC), т.е. высокая плотность мощности. Свойство высокого β выгодно для экономичной работы и для применения усовершенствованных нейтронных топлив, таких как D-He3 и р-В11.Field reversed configuration (FRC) belongs to a class of magnetic plasma confinement topologies known as compact toroids (QDs). It exhibits predominantly poloidal magnetic fields and has zero or small self-generated toroidal fields (see M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). The advantages of this configuration are its easy-to-construct and maintain geometry, a natural unlimited divertor for energy release and ash removal, as well as a very high β (β-ratio of the average plasma pressure to the average magnetic field pressure inside the FRC), i.e. high power density. The high β property is beneficial for economical operation and for the use of advanced neutron fuels such as D-He 3 and p-B 11 .

Традиционный способ формирования FRC использует технологии θ-пинча с обращенным полем, дающей горячие высокоплотные плазмы (см. A.L. Hoffman и J.T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Разновидностью этого является способ переноса и захвата, в котором плазма, создаваемая в источнике θпинча, в большей или меньшей степени немедленно выбрасывается из одного торца в камеру удержания. Затем переносимый плазмоид захватывается между двумя прочными зеркалами на торцах камеры (см., например, Н. Himura, S. Okada, S. Sugimoto и S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Как только этот плазмоид оказывается в камере удержания, можно применять различные способы нагревания и возбуждения тока, такие как инжекция пучка частиц (нейтральных или нейтрализованных), вращающиеся магнитные поля, высокочастотный или омический нагрев и т.д. Это разделение функций источника и удержания дает ключевые инженерные преимущества для потенциальных будущих термоядерных реакторов. FRC доказали свою исключительную устойчивость к внешним воздействиям, приспособляемость к динамическому формированию, переносу и интенсивным событиям захвата. Более того, они демонстрируют тенденцию допускать предпочтительное состояние плазмы (см., например, H.Y. Guo, A.L. Hoffman, K.E. Miller и L.C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в развитии других способов формирования FRC: посредством объединения сферомаков с противоположно направленными спиральностями (см., например, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, Т. Matsuyama и Т. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) и посредством возбуждения тока вращающимися магнитными полями (ВМП) (см., например, I.R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), которые также обеспечивают дополнительную устойчивость.The traditional method of forming FRCs uses field-reversed θ-pinch technologies to produce hot, high-density plasmas (see A.L. Hoffman and J.T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). A variation of this is a transfer and capture method in which the plasma generated in the θpinch source is more or less immediately ejected from one end into the containment chamber. The transported plasmoid is then captured between two robust mirrors at the ends of the chamber (see, for example, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Once this plasmoid is in the containment chamber, various methods of heating and current excitation can be applied, such as injection of a particle beam (neutral or neutralized), rotating magnetic fields, high-frequency or ohmic heating, etc. This separation of source and containment functions provides key engineering benefits for potential future fusion reactors. FRCs have proven their exceptional resistance to external influences, adaptability to dynamic formation, transference and intense capture events. Moreover, they tend to assume a preferred plasma state (see, for example, H.Y. Guo, A.L. Hoffman, K.E. Miller and L.C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). Over the past decade, significant progress has been made in the development of other ways of forming FRC: by combining spheromaks with oppositely directed helicities (see, for example, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama and T. Okazaki, Nucl. Fusion 39 , 2001 (1999)) and through current excitation by rotating magnetic fields (RMPs) (see, for example, IR Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), which also provide additional stability.

Недавно был существенно доработан метод столкновения и объединения, предложенный уже давно (см., например, D.R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)): два отдельных θ-пинча на противоположных торцах камеры удержания одновременно генерируют и ускоряют два плазмоида по направлению друг к другу на высокой скорости, которые затем сталкиваются в центре камеры удержания и объединяются, образуя составную FRC. При разработке и успешном проведении одного из наиболее крупномасштабных к настоящему времени экспериментов с FRC, обычный способ столкновения и объединения показал, что дает устойчивые высокотемпературные FRC с большим временем жизни и большой плотностью потока частиц (см., например, М. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010)).Recently, the collision and unification method proposed a long time ago was significantly improved (see, for example, DR Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)): two separate θ-pinches at opposite ends of the confinement chamber simultaneously generate and accelerate two plasmoids in the direction towards each other at high speed, which then collide in the center of the containment chamber and combine to form a composite FRC. In the development and successful implementation of one of the largest-scale FRC experiments to date, conventional collision and fusion techniques have been shown to yield stable high-temperature FRCs with long lifetime and high particle flux density (see, for example, M. Binderbauer, HY Guo, M. Tuszewski et al. Phys. Rev. Lett. 105,045003 (2010)).

FRC состоят из тора силовых линий замкнутого поля внутри сепаратрисы и кольцевого граничного слоя на магнитных линиях открытого поля только снаружи от сепаратрисы. Граничный слой сходится в струи за пределами длины FRC, обеспечивая естественный дивертор. Топология FRC совпадает с топологией плазмы зеркал с обращенным полем. Однако существенное различие заключается в том, что FRCплазма имеет β около 10. Собственное слабое внутреннее магнитное поле обеспечивает определенную местную популяцию частиц, обладающих определенной кинетической энергией, т.е. частиц с большими ларморовскими радиусами по сравнению с малым радиусом FRC. Очевидно, что именно эти сильные кинетические эффекты вносят, по меньшей мере, частичный вклад в общую устойчивость разработанных в прошлом и современных FRC, таких как получаемые в эксперименте по столкновению и объединению.FRCs consist of a torus of field lines of a closed field inside the separatrix and an annular boundary layer on magnetic lines of an open field just outside the separatrix. The boundary layer converges into jets beyond the FRC length, providing a natural divertor. The topology of the FRC coincides with the topology of the plasma of field-reversed mirrors. However, a significant difference lies in the fact that the FRC plasma has a β of about 10. Its own weak internal magnetic field provides a certain local population of particles with a certain kinetic energy, i.e. particles with large Larmor radii compared to the small FRC radius. It is clear that it is these strong kinetic effects that contribute at least in part to the overall robustness of past and modern FRCs, such as those obtained in collision and unification experiments.

В экспериментах с типичными FRC, разработанными в прошлом, доминировали конвективные потери, при этом удержание энергии определялось переносом частиц. Частицы диффундируют из ограниченного сепаратрисой объема главным образом радиально, а потом происходят их аксиальные потери в граничном слое. Соответственно удержание FRC зависит от свойств областей силовых линий как замкнутого, так и открытого поля. Время диффузии частиц наружу из объема, очерченного сепаратрисой, составляет Ti~a2/D i (a~rs/4, где rs - центральный радиус сепаратрисы), a Di - характеристический коэффициент диффузии, такой как D±~12,5 pie, причем pie представляет собой гирорадиус ионов, оцениваемый в прикладываемом извне магнитном поле. В экспериментах с FRC, разработанными в прошлом, время ττ удержания частиц граничного слоя, по существу, представляет собой время осевого пробега. В установившемся состоянии баланс между радиальными и осевыми потерями частиц дает длину градиен- 1 039021 та плотности у сепаратрисы, составляющую δ~ (D । TI)12. Временные масштабы удержания частиц в FRC составляют (T^TI)1/2 для FRC, разработанных в прошлом, которые имеют существенную плотность у сепаратрисы (см., например, М. TUSZEWSKI, Field Reversed Configurations, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)).Experiments with typical FRCs developed in the past have been dominated by convective losses, with energy retention driven by particle transport. Particles diffuse from the volume limited by the separatrix mainly radially, and then their axial losses occur in the boundary layer. Accordingly, the retention of FRC depends on the properties of the areas of field lines of both closed and open fields. The time of particle diffusion outward from the volume outlined by the separatrix is T i ~ a2 / D i (a ~ r s / 4, where r s is the central radius of the separatrix), and D i is the characteristic diffusion coefficient, such as D ± ~ 12, 5 p ie , where p ie is the ion gyroradius estimated in an externally applied magnetic field. In FRC experiments developed in the past, the retention time τ τ of the boundary layer particles is essentially the axial travel time. In the steady state, the balance between radial and axial particle losses gives the length of the density gradient at the separatrix, which is δ ~ (D। TI) 12 . Time scales particle retention in FRC up (T ^ TI) 1/2 for FRC, developed in the past that have a significant density at the separatrix (see., E.g., M. TUSZEWSKI, Field Reversed Configurations, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988 )).

Другим недостатком известных конструкций FRC-систем была потребность в использовании внешних мультиполей для контроля неустойчивостей вращения, таких как желобковые неустойчивости, при n=2. Таким образом, типичные прикладываемые извне квадрупольные поля обеспечивали требуемое магнитное восстанавливающее давление для остановки нарастания этих неустойчивых режимов. Хотя этот метод подходит для контроля устойчивости термической основной плазмы, он создает серьезную проблему для FRC с большей кинетической энергией или усовершенствованных гибридных FRC, где заселение высококинетическими частицами с орбитами больших радиусов сочетается с обычной термической плазмой. В этих системах искажение осесимметричного магнитного поля из-за таких мультипольных полей приводит к исключительно большим потерям быстрых частиц за счет бесстолкновительной стохастической диффузии, являющейся следствием утраты сохранения канонического кинетического момента. Таким образом, новое решение, заключающееся в том, чтобы обеспечить контроль устойчивости без интенсификации диффузии любых частиц, является важным для получения преимущества более высокого технического потенциала этих концепций усовершенствованных FRC, не исследованных ранее.Another disadvantage of prior art FRC designs was the need to use external multipoles to control rotational instabilities, such as flute instabilities, at n = 2. Thus, typical externally applied quadrupole fields provided the required magnetic recovery pressure to stop the build-up of these unstable modes. While this method is suitable for controlling the stability of a thermal main plasma, it poses a significant challenge for higher kinetic energy FRCs or advanced hybrid FRCs where populations of highly kinetic particles with large orbits are combined with conventional thermal plasmas. In these systems, the distortion of the axisymmetric magnetic field due to such multipole fields leads to extremely large losses of fast particles due to collisionless stochastic diffusion, which is a consequence of the loss of conservation of the canonical angular momentum. Thus, a novel solution to provide stability control without intensifying the diffusion of any particles is important to take advantage of the higher technical potential of these advanced FRC concepts not previously explored.

Поэтому в свете вышеизложенного желательно улучшить удержание и повысить устойчивость FRC, чтобы использовать FRC, работающие в установившемся состоянии, как путь к целому множеству приложений, включая компактные источники нейтронов (для производства изотопов медицинского назначения, восстановление отработанного ядерного топлива, исследований материалов, нейтронной радиографии и томографии), компактные источники фотонов (для химического производства и химической обработки), системы для разделения и обогащения, а также активные зоны реакторов для синтеза легких ядер с целью выработки энергии в будущем.Therefore, in light of the above, it is desirable to improve the confinement and increase the stability of FRCs in order to use steady state FRCs as a route to a variety of applications, including compact neutron sources (for the production of medical isotopes, recovery of spent nuclear fuel, materials research, neutron radiography, etc. tomography), compact photon sources (for chemical production and chemical processing), separation and enrichment systems, and reactor cores for the fusion of light nuclei for future energy generation.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Варианты осуществления данного изобретения, предложенные здесь, направлены на разработку систем и способов, которые облегчают формирование и подержание новых высокоэффективных конфигураций с обращенным полем (FRC). В соответствии этой новой парадигмой высокоэффективной FRC настоящая система сочетает огромное количество новых идей и средств для резкого улучшения FRCудержания частиц, энергии и потока, а также обеспечение контроля устойчивости без негативных побочных эффектов.The embodiments of the present invention provided herein are directed to the development of systems and methods that facilitate the formation and maintenance of new highly efficient field reversed configuration (FRC) configurations. Consistent with this new paradigm of high performance FRC, the present system combines a myriad of new ideas and tools to dramatically improve FRC particle retention, energy and flux, and provide stability control without negative side effects.

Предлагаемая здесь FRC-система включает в себя центральную емкость для удержания, окруженную двумя диаметрально противоположными формирующими секциями θ-пинчей с обращенным полем и две камеры диверторов вне формирующих секций, причем камеры диверторов предназначены для контроля плотности нейтральных частиц и загрязнения примесями. Магнитная система включает в себя ряд зеркальных катушек квазипостоянного тока, которые находятся в осевых положениях вдоль компонентов FRC-системы, причем зеркальные катушки квазипостоянного тока находятся между любым торцом камеры удержания и соседними формирующими секциями, и зеркальные пробки, содержащие компактные зеркальные катушки квазипостоянного тока между каждыми из формирующих секций и диверторов, которые создают дополнительные направляющие поля для нацеливания поверхностей магнитного потока к дивертору. Формирующие секции включают в себя модульные импульсные формирующие системы, которые делают возможным формирование FRC на месте, а затем ее ускорение и инжекцию (=статическое формирование либо формирование и ускорение одновременно (=динамическое формирование).The FRC system proposed here includes a central containment vessel surrounded by two diametrically opposed field-reversed θ-pinch forming sections and two divertor chambers outside the forming sections, with the divertor chambers designed to control the density of neutral particles and contamination by impurities. The magnetic system includes a number of quasi-DC mirror coils that are in axial positions along the FRC system components, with the quasi-DC mirror coils located between either end of the containment chamber and adjacent forming sections, and mirror plugs containing compact mirror quasi-DC coils between each from forming sections and divertors, which create additional directing fields for targeting magnetic flux surfaces to the divertor. The shaping sections include modular pulse shaping systems that make it possible to form an FRC in situ and then accelerate and inject it (= static shaping or shaping and accelerating at the same time (= dynamic shaping).

FRC-система включает в себя инжекторы пучков нейтральных атомов и инжектор таблеток. В одном варианте осуществления инжекторы пучков наклонены для инжекции нейтральных частиц к средней плоскости. Наличие инжекторов пучков, наклоненных к средней плоскости, при осевых положениях пучков вблизи средней плоскости улучшает связь пучок-плазма даже тогда, когда FRC-плазма сокращается или иным образом аксиально сжимается во время периода инжекции. В состав входят еще и системы геттерирования, а также осевые плазменные пушки. Предусмотрены также смещающие электроды для электрического смещения открытых поверхностей потока.The FRC system includes neutral atom beam injectors and a pellet injector. In one embodiment, the beam injectors are tilted to inject neutral particles toward the midplane. Having beam injectors tilted to the midplane at axial beam positions near the midplane improves beam-plasma coupling even when the FRC plasma is contracting or otherwise axially compressed during the injection period. The structure also includes gettering systems, as well as axial plasma guns. Bias electrodes are also provided to electrically bias the exposed flow surfaces.

В процессе работы глобальные параметры плазмы, включающие в себя термическую энергию плазмы, общие количества частиц, радиус и длину плазмы, а также магнитный поток являются практически постоянными без спада, в то время как пучки нейтральных частиц инжектируют в плазму, а таблетки обеспечивают пополнение надлежащих частиц.During operation, global plasma parameters, including plasma thermal energy, total particles, plasma radius and length, and magnetic flux, are virtually constant without decay, while beams of neutral particles are injected into the plasma, and tablets provide replenishment of the appropriate particles. ...

Системы, способы, признаки и преимущества изобретения будут или станут очевидными для специалиста в области техники после изучения нижеследующих чертежей и подробного описания. Подразумевается, что это описание распространяется на все такие дополнительные способы, признаки и преимущества, которые находятся в рамках объема притязаний изобретения и подпадают под защиту посредством прилагаемой формулы изобретения. Также подразумевается, что изобретение не ограничивается требованием обязательного наличия всех подробностей возможных вариантов осуществления.The systems, methods, features and advantages of the invention will or will become apparent to those skilled in the art upon examination of the following drawings and detailed description. This description is intended to cover all such additional methods, features and advantages that fall within the scope of the invention and are protected by the appended claims. It is also intended that the invention is not limited to requiring all the details of possible embodiments to be provided.

- 2 039021- 2 039021

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Прилагаемые чертежи, которые включены в данную заявку как ее часть, иллюстрируют предпочтительный в настоящее время вариант осуществления и наряду с общим описанием, изложенным выше, и подробным описанием предпочтительного варианта осуществления, приводимым ниже, служат для пояснения принципов данного изобретения и обучения этим принципам.The accompanying drawings, which are included in this application as part of it, illustrate the presently preferred embodiment and, along with the general description set forth above and the detailed description of the preferred embodiment below, serve to explain the principles of the present invention and teach these principles.

Фиг. 1 иллюстрирует удержание частиц в предлагаемой FRC-системе в высокоэффективном режиме FRC по сравнению с обычным режимом FRC и по сравнению с другими экспериментами с обычными FRC.FIG. 1 illustrates particle confinement in the proposed FRC system in high efficiency FRC mode compared to conventional FRC mode and compared to other experiments with conventional FRC.

Фиг. 2 иллюстрирует компоненты предлагаемой FRC-системы и магнитной топологии FRC, получаемой в предлагаемой FRC-системе.FIG. 2 illustrates the components of the proposed FRC system and the FRC magnetic topology obtained in the proposed FRC system.

Фиг. 3A иллюстрирует базовое схему расположения предлагаемой FRC-системы на виде сверху, включая предпочтительное расположение пучков нейтральных частиц, электродов, плазменных пушек, зеркальных пробок и инжектора таблеток.FIG. 3A illustrates a basic top plan view of the proposed FRC system, including the preferred arrangement of neutral beams, electrodes, plasma guns, mirror plugs, and a tablet injector.

Фиг. 3B иллюстрирует центральную емкость для удержания на виде сверху и показывает пучки нейтральных части, расположенные под меньшим углом, чем прямой к главной оси симметрии центральной емкости для удержания.FIG. 3B illustrates a central holding vessel in plan view and shows the neutral portion tufts at a lesser angle than a straight line to the major axis of symmetry of the central holding vessel.

Фиг. 3C иллюстрирует центральную емкость для удержания на виде сверху и показывает пучки нейтральных частиц, расположенные под меньшим углом, чем прямой к главной оси симметрии центральной емкости для удержания, и направленные с возможностью инжекции частиц к средней плоскости центральной емкости для удержания.FIG. 3C illustrates a central containment vessel in a plan view showing beams of neutral particles at a smaller angle than a straight line to the major axis of symmetry of the central containment vessel and injecting particles toward the midplane of the central containment vessel.

Фиг. 4 иллюстрирует схематическое изображение компонентов системы импульсного питания для формирующих секций.FIG. 4 illustrates a schematic diagram of the components of a switching power supply system for forming sections.

Фиг. 5 иллюстрирует изометрическое изображение отдельного формирующего модуля импульсного питания.FIG. 5 illustrates an isometric view of a separate pulse power shaping module.

Фиг. 6 иллюстрирует изометрическое изображение узла формирующих труб.FIG. 6 illustrates an isometric view of a forming tube assembly.

Фиг. 7 иллюстрирует изометрическое изображение в частичном сечении системы пучков нейтральных частиц и ключевых компонентов.FIG. 7 illustrates a partial cross-sectional isometric view of a system of beams of neutral particles and key components.

Фиг. 8 иллюстрирует изометрическое изображение средств генерирования пучков нейтральных частиц на камере удержания.FIG. 8 illustrates an isometric view of the neutral particle beam generating means on the containment chamber.

Фиг. 9 иллюстрирует изометрическое изображение в частичном сечении предпочтительного расположения систем Ti- и Li-геттерирования.FIG. 9 illustrates a partial cross-sectional isometric view of a preferred arrangement of Ti and Li gettering systems.

Фиг. 10 иллюстрирует изометрическое изображение в частичном сечении плазменной пушки, установленной в камере дивертора. Также показаны соответствующая магнитная зеркальная проба и электродный узел дивертора.FIG. 10 illustrates a partial cross-sectional isometric view of a plasma gun mounted in a divertor chamber. Also shown are the associated magnetic mirror probe and the divertor electrode assembly.

Фиг. 11 иллюстрирует предпочтительную схему расположения кольцевого электрода смещения на осевом торце камеры удержания.FIG. 11 illustrates a preferred arrangement for an annular displacement electrode at the axial end of the containment chamber.

Фиг. 12 иллюстрирует эволюцию радиуса исключаемого потока в FRC-системе, полученного исходя из ряда наружных диамагнитных контуров в двух формирующих секциях θ-пинчей с обращенным полем и магнитных зондов, заделанных внутри центральной металлической камеры удержания. Время измеряется с момента синхронизируемого обращения поля в источниках для формирования, а расстояние z задается относительно осевой средней плоскости машины.FIG. 12 illustrates the evolution of the radius of the excluded flux in the FRC system, obtained from a number of external diamagnetic loops in two forming sections of θ-pinches with a reversed field and magnetic probes embedded inside a central metal containment chamber. The time is measured from the moment of synchronized reversal of the field in the sources for the formation, and the distance z is set relative to the axial median plane of the machine.

Фиг. 13 (a)-(d) иллюстрируют данные, полученные в результате неподдерживаемого разряда в характерном невысокоэффективном режиме FRC на предлагаемой FRC-системе. Как функции времени показаны: (а) радиус исключаемого потока в средней плоскости; (b) 6 хорд линейно-интегральной плотности из находящегося в средней плоскости интерферометра для определения содержания CO2; (с) радиальные профили распределения плотности, инвертированные по Абелю, по данным интерферометра для определения содержания CO2 и (d) полная температура плазмы исходя из баланса давления.FIG. 13 (a) - (d) illustrate data obtained from an unsupported discharge in a typical low efficiency FRC mode on the proposed FRC system. Shown as a function of time: (a) the radius of the excluded flow in the median plane; (b) 6 chords of linear density integrated from the midplane interferometer for determining the CO 2 content; (c) Abel inverted radial density profiles from the CO2 interferometer; and (d) total plasma temperature based on pressure balance.

Фиг. 14 иллюстрирует осевые профили исключаемого потока в выбранные моменты времени для одного и того же разряда из предлагаемой FRC-системы, показанной на фиг. 13.FIG. 14 illustrates the axial profiles of the excluded flux at selected times for the same discharge from the proposed FRC system shown in FIG. thirteen.

Фиг. 15 иллюстрирует изометрическое изображение отклоняющих катушек, установленных снаружи камеры удержания.FIG. 15 illustrates an isometric view of deflection coils mounted outside the containment chamber.

Фиг. 16 иллюстрирует корреляции времени жизни FRC и длительности импульсов инжектируемых пучков нейтральных частиц. Как показано, более длительные импульсы пучка дают большее время жизни FRC.FIG. 16 illustrates the correlations between the FRC lifetime and the pulse duration of injected beams of neutral particles. As shown, longer beam pulses give a longer FRC lifetime.

Фиг. 17 иллюстрирует индивидуальные и совокупные воздействия разных компонентов FRCсистемы на рабочие характеристики FRC и достижение высокоэффективного режима.FIG. 17 illustrates the individual and cumulative effects of different components of an FRC system on FRC performance and achieving high efficiency.

Фиг. 18 (a)-(d) иллюстрируют данные, полученные в результате не неподдерживаемого разряда в характерном высокоэффективном режиме FRC на предлагаемой FRC-системе. Как функции времени показаны: (а) радиус исключаемого потока в средней плоскости; (b) 6 хорд линейно-интегральной плотности из находящегося в средней плоскости интерферометра для определения содержания CO2; (с) радиальные профили распределения плотности, инвертированные по Абелю, по данным интерферометра для определения содержания CO2 и (d) полная температура плазмы исходя из равенства давлений.FIG. 18 (a) - (d) illustrate data obtained from an unsupported discharge in a characteristic high efficiency FRC mode on the proposed FRC system. Shown as a function of time: (a) the radius of the excluded flow in the median plane; (b) 6 chords of linear density integrated from the midplane interferometer to determine the CO2 content; (c) Abel inverted radial density profiles from a CO 2 interferometer; and (d) total plasma temperature based on pressure equality.

- 3 039021- 3 039021

Фиг. 19 иллюстрируют удержание потока как функцию температуры (Те) электронов. Это дает графическое представление о вновь устанавливаемом режиме масштабирования, который превосходит известные для разрядов в высокоэффективном режиме FRC.FIG. 19 illustrate flux retention as a function of electron temperature (Te). This provides a graphical representation of the newly settable scaling mode, which is superior to those known for the high efficiency FRC discharges.

Фиг. 20 иллюстрирует время жизни FRC, соответствующе длине импульса ненаклонных и наклонных инжектируемых пучков нейтральных частиц.FIG. 20 illustrates the FRC lifetime corresponding to the pulse length of non-tilted and tilted injected neutral particle beams.

Следует отметить, что чертежи необязательно выполнены в масштабе и что элементы аналогичных конструкций или функций в общем случае обозначены одинаковыми позициями на всех чертежах в целях иллюстрации. Следует также отметить, что чертежи предназначены только для облегчения описания различных вариантов осуществления, о которых здесь идет речь. На чертежах не обязательно описывается каждый аспект предлагаемых здесь идей, и чертежи не ограничивают объем притязаний согласно формуле изобретения.It should be noted that the drawings are not necessarily drawn to scale, and that elements of similar construction or function are generally identified with the same reference numerals throughout the drawings for purposes of illustration. It should also be noted that the drawings are only intended to facilitate describing the various embodiments discussed herein. The drawings do not necessarily describe every aspect of the ideas proposed herein, and the drawings do not limit the scope of the claims.

Подробное описаниеDetailed description

Настоящие варианты осуществления, предложенные здесь, направлены на разработку систем и способов, которые облегчают формирование и поддержание высокоэффективных конфигураций с обращенным полем (FRC), придавая им превосходную устойчивость, а также превосходное удержание частиц, энергии и потока, по сравнению с обычными FRC. Такие высокоэффективные FRC обеспечивают путь к целому множеству приложений, включая компактные источники нейтронов (для производства изотопов медицинского назначения, восстановление отработанного ядерного топлива, исследований материалов, нейтронной радиографии и томографии), компактные источники фотонов (для химического производства и химической обработки), системы для разделения изотопов и обогащения, а также активные зоны реакторов для синтеза легких ядер с целью выработки энергии в будущем.The present embodiments provided herein are directed to the development of systems and methods that facilitate the formation and maintenance of highly efficient field reversed configurations (FRCs), giving them superior stability, as well as superior particle, energy and flux retention, compared to conventional FRCs. These highly efficient FRCs provide a pathway to a variety of applications, including compact neutron sources (for medical isotope production, spent nuclear fuel recovery, materials research, neutron radiography and tomography), compact photon sources (for chemical production and chemical processing), separation systems isotopes and enrichment, and reactor cores for the fusion of light nuclei for future energy generation.

Чтобы оценить, существует ли режим удержания в FRC, превосходящий известные, исследованы различные вспомогательные системы и рабочие режимы. Эти усилия привели к важным научным открытиям и разработке парадигмы высокоэффективной FRC, описываемой здесь. В соответствии с этой новой парадигмой данные системы и способы сочетают огромное количество новых идей и средств для резкого улучшения удержания FRC, как иллюстрируется на фиг. 1, а также обеспечивают контроль устойчивости без негативных побочных эффектов. Как подробнее рассматривается ниже, фиг. 1 иллюстрирует удержание частиц в FRC-системе 10, описываемой ниже (см. фиг. 2 и 3), работающей в соответствии с высокоэффективным режимом FRC при формирования и поддержании FRC, по сравнению с работой в соответствии с обычным режимом при формировании и поддержании FRC и по сравнению с удержанием частиц в соответствии с обычными режимами формирования и поддержания FRC, используемыми в других экспериментах. В настоящем раскрытии будут приведены общее и подробное описание новых отдельных компонентов FRC-системы 10 и способов, а также их совокупные эффекты.Various auxiliary systems and operating modes have been investigated to assess whether there is a retention regime in the FRC that is superior to the known ones. These efforts led to important scientific discoveries and the development of the high-performance FRC paradigm described here. In accordance with this new paradigm, these systems and methods combine a myriad of new ideas and tools to dramatically improve FRC retention, as illustrated in FIG. 1, and also provide resistance control without negative side effects. As discussed in more detail below, FIG. 1 illustrates particle retention in an FRC system 10 described below (see FIGS. 2 and 3) operating in a high efficiency FRC mode while forming and maintaining an FRC, as compared to operating in accordance with a conventional mode when forming and maintaining an FRC and compared to particle confinement according to conventional FRC formation and maintenance regimes used in other experiments. This disclosure will provide a general and detailed description of the new individual components of the FRC system 10 and methods, as well as their cumulative effects.

Описание FRC-системы.Description of the FRC system.

Вакуумная система.Vacuum system.

Фиг. 2 и 3 показывают схематическое изображение предлагаемой FRC-системы 10. FRC-система 10 включает в себя центральную емкость 100 для удержания, окруженную двумя диаметрально противоположными формирующими секциями 200 θ-пинчей с обращенным полем, и вне формирующих секций 200 две камеры 300 диверторов для контроля плотности нейтральных частиц и загрязнения примесями. Предлагаемая FRC-система 10 была построена так, что она приспособлена к сверхвысокому вакууму и работает при типичных начальных давлениях 10-8 торр. Такие вакуумметрические давления требуют использовать стыковочные фланцы спаренной откачки между стыкуемыми компонентами, металлические кольцевые уплотнения, высокочистые внутренние стенки, а также тщательное начальное кондиционирование поверхностей всех деталей перед сборкой, такое как физическая и химическая очистка с последующими вакуумной сушкой в течение 24-х часов при 250°C и очисткой тлеющим разрядом в водороде.FIG. 2 and 3 show a schematic representation of a proposed FRC system 10. FRC system 10 includes a central holding vessel 100 surrounded by two diametrically opposed field-reversed θ-pinch forming sections 200, and outside the forming sections 200 two chambers 300 divertors for control density of neutral particles and contamination by impurities. The proposed FRC system 10 has been designed to accommodate ultra-high vacuum and operate at typical starting pressures of 10 -8 torr. These vacuum pressures require the use of twin pump mating flanges between the mating components, metal O-rings, high-purity inner walls, as well as careful initial conditioning of the surfaces of all parts before assembly, such as physical and chemical cleaning, followed by vacuum drying for 24 hours at 250 ° C and cleaning by a glow discharge in hydrogen.

Формирующие секции 200 θ-пинчей с обращенным полем представляют собой стандартные θпинчи с обращенным полем (FRTP), хотя и с усовершенствованной формирующей системой импульсного питания, подробно рассматриваемой ниже (см. фиг. 4-6). Каждая формирующая секция 200 выполнена из стандартных непрозрачных кварцевых труб промышленного качества, обладающих такой особенностью, как наличие внутренней футеровки из сверхчистого кварца толщиной 2 мм. Камера 100 удержания выполнена из нержавеющей стали, обеспечивая множество радиальных и тангенциальных отверстий; она также служит в качестве средства сохранения потока во временных рамках эксперимента, описываемого ниже, и ограничивает быстрые магнитные переходные процессы. Вакуумы создаются и поддерживаются в пределах FRC-системы 10 с помощью набора безмасляных спиральных форвакуумных насосов, турбомолекулярных насосов и крионасосов.The shaping sections 200 θ-pinches with field reversed are standard θ-pinches with field reversed (FRTP), albeit with an advanced pulse power shaping system, discussed in detail below (see Fig. 4-6). Each shaping section 200 is constructed from standard industrial grade opaque quartz tubes featuring a 2mm ultrapure quartz inner lining. The containment chamber 100 is made of stainless steel, providing a plurality of radial and tangential holes; it also serves as a means of keeping flux within the time frame of the experiment described below and restricts fast magnetic transients. Vacuums are created and maintained within the 10 FRC system using a set of oil-free scroll backing pumps, turbomolecular pumps and cryopumps.

Магнитная система.Magnetic system.

На фиг. 2 и 3 иллюстрируется магнитная система 400. На фиг. 2 среди прочих конструктивных особенностей иллюстрируются профили магнитного потока и плотности FRC (как функции радиальных и осевых координат), свойственные FRC 450, создаваемой посредством FRC-системы 10. Эти профили получаются методом двумерного численного моделирования посредством магнитогидродинамического (МГД) генератора Холла с использованием кода, разработанного для моделирования систем и способов,FIG. 2 and 3 illustrate the magnetic system 400. In FIG. 2 illustrates, among other design features, the FRC flux and density profiles (as a function of radial and axial coordinates) inherent in the FRC 450 generated by the FRC system 10. These profiles are obtained by 2D numerical simulation using a magnetohydrodynamic (MHD) Hall generator using the code, developed to simulate systems and methods,

- 4 039021 соответствующих FRC-системе 10, и хорошо согласуются с экспериментальными данными измерений.- 4 039021 corresponding to FRC-system 10, and are in good agreement with experimental measurement data.

Как видно на фиг. 2, FRC 450 состоит из тора силовых линий замкнутого поля во внутреннем пространстве 453 FRC 450 в пределах сепаратрисы 451 и кольцевого граничного слоя 456 на магнитных линияхAs seen in FIG. 2, FRC 450 consists of a closed field torus in the inner space 453 FRC 450 within separatrix 451 and an annular boundary layer 456 on magnetic lines

452 открытого поля снаружи от сепаратрисы 451. Граничный слой 456 сходится в струи 454 за пределами длины FRC, обеспечивая естественный дивертор.452 open field outside the separatrix 451. Boundary layer 456 converges into jets 454 outside the FRC length, providing a natural divertor.

Главная магнитная система 410 включает в себя ряд катушек 412, 414 и 416 квазипостоянного тока, которые находятся в осевых положениях вдоль компонентов FRC-системы 10, т.е. вдоль камеры 100 удержания, формирующих секций 200 и диверторов 300. Катушки 412, 414 и 416 квазипостоянного тока запитаны посредством импульсных источников питания квазипостоянного тока и создают базовые магнитные поля смещения с индукцией примерно 0,1 Тл в камере 100 удержания, формирующих секциях 200 и диверторах 300. Помимо катушек 412, 414 и 416 квазипостоянного тока главная магнитная система 410 включает в себя зеркальные катушки 420 квазипостоянного тока (питаемые посредством импульсных источников питания) между любым торцом камеры 100 удержания и соседними формирующими секциями 2 00. Зеркальные катушки 420 квазипостоянного тока обеспечивают коэффициенты отражения магнитного зеркала до 5 и обеспечивают возможность независимого возбуждения для контроля придания равновесной формы. Кроме того, между каждыми из формирующих секций 200 и диверторов 300 расположены зеркальные пробки 440. Зеркальные пробки 440 содержат компактные зеркальные катушки 430 квазипостоянного тока и зеркальные пробочные катушки 444. Зеркальные катушки 430 квазипостоянного тока включают в себя три катушки 432, 434 и 436 (питаемые посредством импульсных источников питания), которые создают дополнительные направляющие поля для нацеливания поверхностей 455 магнитного потока по направлению к каналу 442 малого диаметра, проходящему сквозь зеркальные пробочные катушки 444. Зеркальные пробочные катушки 444, которые обвивают канал 442 малого диаметра и питаются посредством импульсных силовых LC-схем, создают сильные поля магнитного зеркала с индукцией до 4 Тл. Назначение всей этой конструкции из катушек заключается в том, чтобы плотно увязывать и направлять поверхности 455 магнитного потока и текущие к торцу струи 454 плазмы в отдаленные камеры 310 диверторов 300. И, наконец, снаружи камеры 100 удержания расположен набор антенн 460 на основе отклоняющих катушек (см. фиг. 15), причем по две с каждой стороны средней плоскости, которые питаются посредством источников питания постоянного тока. Конфигурация антенн 460 на основе отклоняющих катушек может быть выполнена так, чтобы обеспечить квазистатическое магнитное дипольное или квадрупольное поле с индукцией примерно 0,01 Т для контроля неустойчивостей вращения и/или контроля электронного тока. Антенны 460 на основе отклоняющих катушек могут гибко обеспечивать магнитные поля, являющиеся либо симметричными, либо асимметричными относительно средней плоскости машины, в зависимости от направления прикладываемых токов.The main magnetic system 410 includes a number of quasi-DC coils 412, 414, and 416 that are in axial positions along the components of the FRC system 10, i. along the containment chamber 100, forming sections 200 and diverters 300. Quasi-DC coils 412, 414 and 416 are powered by means of quasi-DC switching power supplies and create basic bias magnetic fields with an induction of about 0.1 T in the containment chamber 100, forming sections 200 and diverters 300. In addition to the quasi-DC coils 412, 414, and 416, the main magnet system 410 includes quasi-DC mirror coils 420 (powered by switching power supplies) between either end of the containment chamber 100 and adjacent shaping sections 200. The quasi-DC mirror coils 420 provide coefficients reflections of a magnetic mirror up to 5 and provide the possibility of independent excitation to control the equilibrium shape. In addition, mirror plugs 440 are disposed between each of the forming sections 200 and the divertors 300. The mirror plugs 440 comprise compact mirror coils 430 quasi-DC and mirror mirror coils 444. The mirror coils 430 quasi-DC include three coils 432, 434 and 436 (powered by means of switching power supplies), which create additional directional fields to aim the magnetic flux surfaces 455 towards the small diameter channel 442 passing through the mirror plug coils 444. The mirror plug coils 444 that wrap the small diameter channel 442 and are powered by pulsed power LC- circuits, create strong fields of a magnetic mirror with an induction of up to 4 T. The purpose of this entire coil structure is to tightly couple and direct magnetic flux surfaces 455 and end-face plasma jets 454 into distant chambers 310 of divertors 300. Finally, outside containment chamber 100, a set of deflection coil antennas 460 ( see Fig. 15), two on each side of the midplane, which are powered by DC power supplies. The deflection coil antennas 460 can be configured to provide a quasi-static magnetic dipole or quadrupole field with an induction of about 0.01 T for rotation instability control and / or electron current control. The deflection coil antennas 460 can flexibly provide magnetic fields that are either symmetric or asymmetric about the midplane of the machine, depending on the direction of the applied currents.

Формирующие системы импульсного питания.Forming systems of impulse power supply.

Формирующие системы 210 импульсного питания работают по принципу модифицированного θпинча. Имеются две системы, каждая из которых питает одну из формирующих секций 200. На фиг. 4-6 иллюстрируются главные составляющие блоки и расположение формирующих систем 210. Система 210 формирования состоит из модульной конструкции импульсного питания, которая состоит из отдельных блоков (модулей) 220, каждый из которых возбуждает поднабор катушек 232 (подвесок) узла 230 подвески, которые обвиты вокруг формирующих кварцевых труб 240. Каждый модуль 220 состоит из конденсаторов 221, индукторов 223, быстродействующих сильноточных переключателей 225 и связанных с ними схем 222 запуска и 224 сброса заряда. Каждая формирующая система 210 запасает емкостную энергию в диапазоне 350-400 кДж, которая обеспечивает до 35 ГВт мощности для формирования и ускорения FRC. Координированная работа этих компонентов достигается посредством известной системы запуска 222 и управления 224, которая обеспечивает синхронизацию между формирующими системами 210 на каждой формирующей секции 200 и минимизирует неустойчивую синхронизацию переключения, ограничивая ее десятками наносекунд. Преимуществом этой модульной конструкции является гибкая работа: FRC может быть формирована на месте, а затем ускорена и инжектирована (=статическое формирование), или сформирована и ускорена одновременно (=динамическое формирование).The pulse shaping systems 210 operate on the principle of a modified θ pinch. There are two systems, each of which feeds one of the forming sections 200. FIG. 4-6 illustrate the major constituent blocks and the arrangement of the shaping systems 210. The shaping system 210 is comprised of a modular impulse power structure that is comprised of discrete modules 220, each of which drives a subset of hanger coils 232 of suspension assembly 230 that are wrapped around forming quartz tubes 240. Each module 220 is composed of capacitors 221, inductors 223, high-speed high-current switches 225, and associated start-up and charge-discharge circuits 222 222. Each shaping system 210 stores capacitive energy in the 350-400 kJ range, which provides up to 35 GW of power for forming and accelerating FRCs. Coordinated operation of these components is achieved through a known triggering 222 and control system 224 that provides synchronization between the shaping systems 210 on each shaping section 200 and minimizes jitter switching timing by limiting it to tens of nanoseconds. The advantage of this modular design is flexible operation: FRC can be formed on site and then accelerated and injected (= static formation), or shaped and accelerated at the same time (= dynamic formation).

Инжекторы пучков нейтральных частиц.Neutral particle beam injectors.

Пучки 600 нейтральных атомов развертывают в FRC-системе 10, чтобы обеспечить нагрев и возбуждение тока, а также развить давление быстрых частиц. Как показано на фиг. 3A, 3B и 8, отдельные тракты пучков, содержащие системы 610 и 640 инжекции пучков нейтральных атомов, расположены вокруг центральной камеры 100 удержания и инжектируют быстрые частицы в плазму FRC тангенциально (и перпендикулярно или под прямым углом к основной оси симметрии центральной емкости 100 для удержания) с некоторым параметром прицеливания, так что целевая зона захвата лежит в пределах сепаратрисы 451 (см. фиг. 2). Каждая система 610 и 640 инжекции способна инжектировать пучки нейтральных частиц мощностью до 1 МВт в плазму FRC с энергиями частиц в диапазоне между 20 и 40 кэВ. Системы 610 и 640 основаны на многодырочных источниках выделения положительных ионов и предусматривают использование геометрической фокусировки, инерционного охлаждения ионовыделяющих решеток и дифференциальной откачки. Помимо использования различных источников плазмы системы 610 и 640 различаются главным образом по соответствию их физической конструкции соответствующим мес- 5 039021 там их установки, предоставляя возможности инжекции сбоку и сверху. Типичные компоненты этих инжекторов пучков нейтральных частиц иллюстрируются, в частности, на фиг. 7 для систем 610 инжекции сбоку. Как показано на фиг. 7, каждая отдельная система 610 инжекции пучков нейтральных частиц сбоку включает в себя источник 612 высокочастотной (ВЧ) плазмы на входном торце (заменяемый дуговым источником в системах 640) с магнитным экраном 614, накрывающим этот торец. С источником 612 плазмы связан блок 616, включающий в себя оптический источник ионов и ускоряющие сетки, а запорный клапан 620 расположен между блоком 616, включающим в себя оптический источник ионов и ускоряющие сетки, и нейтрализатором 622. Отклоняющий магнит 624 и средство 628 сброса ионов расположены между нейтрализатором 622 и нацеливающим устройством 630 на выходном торце. Система охлаждения содержит две криогенных холодильных машины, две криогенных панели 634 и кожух 638 с охлаждением жидким азотом. Эта универсальная конструкция обеспечивает работу в широком диапазоне параметров FRC.Beams of 600 neutral atoms are deployed in the FRC system 10 to provide heating and current excitation, as well as to develop the pressure of fast particles. As shown in FIG. 3A, 3B and 8, individual beam paths containing neutral atom beam injection systems 610 and 640 are located around the central containment chamber 100 and inject fast particles into the FRC plasma tangentially (and perpendicular or at right angles to the main axis of symmetry of the central container 100 to contain ) with a certain aiming parameter, so that the target capture zone lies within the separatrix 451 (see Fig. 2). Each injection system 610 and 640 is capable of injecting neutral particle beams up to 1 MW into FRC plasma with particle energies between 20 and 40 keV. Systems 610 and 640 are based on multi-hole positive ion sources and include geometric focusing, inertial cooling of ion-evolving gratings, and differential pumping. In addition to the use of different plasma sources, the 610 and 640 systems differ mainly in the correspondence of their physical design to the corresponding places of their installation, allowing injection from the side and from the top. Typical components of these neutral particle beam injectors are illustrated in particular in FIG. 7 for side injection systems 610. As shown in FIG. 7, each individual side neutral neutral beam injection system 610 includes a high frequency (RF) plasma source 612 at an input end (replaced by an arc source in systems 640) with a magnetic shield 614 covering that end. A block 616 is connected to the plasma source 612, which includes an optical ion source and accelerating grids, and a shut-off valve 620 is located between the block 616, which includes an optical ion source and accelerating grids, and a neutralizer 622. A deflecting magnet 624 and a means 628 for discharging ions are located between the neutralizer 622 and targeting device 630 at the exit end. The cooling system contains two cryogenic chillers, two cryogenic panels 634 and a liquid nitrogen cooled jacket 638. This versatile design allows operation over a wide range of FRC parameters.

Альтернативной конфигурацией для инжекторов 600 пучков нейтральных атомов является конфигурация, обеспечивающая тангенциальную инжекцию быстрых частиц в FRC-плазму, но под углом меньше 90° относительно главной оси симметрии центральной емкости 100 для удержания. Эти типы ориентации инжекторов 615 пучков показаны на фиг. 3С. Кроме того, инжекторы 615 пучков могут быть ориентированы так, что инжекторы 615 пучков на любой стороне средней плоскости центральной емкости 100 для удержания будут инжектировать свои частицы к средней плоскости. И, наконец, осевое положение этих систем 600 пучков можно выбрать ближе к средней плоскости. Эти альтернативные варианты осуществления инжекции воплощают более центрированный вариант пополнения, который обеспечивает лучшую связь пучков и более высокую эффективность захвата инжектируемых быстрых частиц. Помимо этого в зависимости от угла и осевого положения это расположение инжекторов 615 пучков обеспечивает более непосредственный и независимый контроль осевого удлинения и других характеристик FRC 450. Например, инжекция пучков под малым углом А относительно главной оси симметрии упомянутой емкости приведет к созданию FRC-плазмы с увеличенным осевым удлинением и пониженной температурой, тогда как подбор более перпендикулярного угла А приведет к плазме, которая короче в осевом направлении, но горячее. Таким образом, угол А инжекции и местоположение инжекторов 615 пучков может быть оптимизировано для различных целей. В дополнение, такое регулирование угла установки и местоположения инжекторов 615 пучков может обеспечить пучки повышенной энергии (что в общем случае благоприятнее для воздействия большей мощностью с меньшим расхождением пучков), которые должны быть инжектированы в более слабые магнитные поля, чем были бы необходимы в противном случае для захвата таких пучков. Причина этого связана с азимутальной составляющей энергии, которая определяет масштаб орбит быстрых ионов (который оказывается постепенно уменьшающимся по мере уменьшения угла инжекции относительно главной оси симметрии упомянутой емкости при постоянной энергии пучков). Кроме того, наклонная инжекция к средней плоскости и с осевыми положениями пучков, близкими к средней плоскости, улучшает связь пучок-плазма даже тогда, когда FRCплазма сокращается или иным образом сжимается в осевом направлении в течение периода инжекции.An alternative configuration for neutral atom beam injectors 600 is a configuration that provides tangential injection of fast particles into the FRC plasma, but at an angle less than 90 ° with respect to the main axis of symmetry of the central confinement vessel 100. These types of orientations of the beam injectors 615 are shown in FIG. 3C. In addition, the beam injectors 615 may be oriented such that the beam injectors 615 on either side of the median plane of the central containment vessel 100 will inject their particles toward the midplane. Finally, the axial position of these 600 beam systems can be selected closer to the median plane. These alternative injection embodiments embody a more centered replenishment option that provides better beam coupling and higher capture efficiency of the injected fast particles. In addition, depending on the angle and axial position, this arrangement of the beam injectors 615 provides a more direct and independent control of the axial elongation and other characteristics of the FRC 450. axial elongation and lower temperature, while choosing a more perpendicular angle A will result in a plasma that is shorter in the axial direction, but hotter. Thus, the angle A of injection and the location of the beam injectors 615 can be optimized for various purposes. In addition, such adjustment of the angle and position of the beam injectors 615 can provide beams of increased energy (generally better for exposure to higher power with less beam divergence) that must be injected into weaker magnetic fields than would otherwise be necessary. to capture such beams. The reason for this is associated with the azimuthal component of the energy, which determines the scale of the orbits of fast ions (which turns out to be gradually decreasing as the injection angle decreases with respect to the main axis of symmetry of the said capacitance at a constant beam energy). In addition, oblique injection towards the midplane and with the axial positions of the beams close to the midplane improves the beam-plasma coupling even when the FRC plasma is contracted or otherwise compressed in the axial direction during the injection period.

Инжектор таблеток.Tablet injector.

Чтобы обеспечить средство для инжекции новых частиц и лучшего контроля общего количества частиц в FRC, на FRC-системе 10 используется 12-тиствольный инжектор 700 таблеток (см., например, I. Vinyar et al., Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, ТАЕ, и HL-2A, Proceedings of the 26th Fusion Science и Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010)). Фиг. 3 иллюстрирует схему расположения инжектора 700 таблеток в FRC-системе 10. Цилиндрические таблетки (D~1 мм, L~1-2 мм) инжектируются в FRC со скоростью в диапазоне 150-250 км/с. Каждая отдельная таблетка содержит примерно 5х1019 атомов водорода, что сравнимо с общим количеством частиц в FRC.To provide a means of injecting new particles and better control of the total particle count in the FRC, the FRC 10 uses a 12-barrel 700 tablet injector (see, for example, I. Vinyar et al., Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE , and HL-2A, Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010)). FIG. 3 illustrates the layout of the 700 pellet injector in the FRC system 10. Cylindrical pellets (D ~ 1 mm, L ~ 1-2 mm) are injected into the FRC at a speed in the range of 150-250 km / s. Each individual tablet contains approximately 5x10 19 hydrogen atoms, which is comparable to the total particle count in FRC.

Системы геттерирования.Gettering systems.

Хорошо известно, что нейтральный газообразный галоген является серьезной проблемой во всех удерживающих системах. Процессы обмена зарядами и рециркуляции (высвобождения холодного материала примесей из стенки) могут оказывать пагубное воздействие на удержание энергии и частиц. Кроме того, любая значительная плотность нейтрального газа на границе или около нее приведет к немедленным потерям, по меньшей мере, значительно сокращающим время жизни инжектируемых (высокоэнергетических) частиц на орбитах больших орбит (термин орбита большого радиуса относится к частицам, имеющим орбиты в рамках топологии FRC или, по меньшей мере, радиусы орбит, которые гораздо больше, чем линейный масштаб градиента характеристического магнитного поля), и этот факт является пагубным для всех энергетических приложений плазмы, включая термоядерный синтез, из-за разогрева пучка.It is well known that neutral halogen gas is a serious problem in all containment systems. The processes of charge exchange and recirculation (the release of cold material impurities from the wall) can have a detrimental effect on the retention of energy and particles. In addition, any significant density of neutral gas at or near the boundary will result in immediate losses, at least significantly reducing the lifetime of the injected (high-energy) particles in large orbits (the term large-radius orbit refers to particles having orbits within the FRC topology or, at least, orbital radii that are much larger than the linear scale of the gradient of the characteristic magnetic field), and this fact is detrimental to all energy applications of plasma, including thermonuclear fusion, due to the heating of the beam.

Кондиционирование поверхностей является средством, с помощью которого можно бороться с пагубными воздействиями нейтрального газа и примесей или уменьшать эти воздействия в удерживающей системе. С этой целью в предлагаемой здесь FRC-системе 10 используются системы 810 и 822 осаждения титана и лития, которые покрывают обращенные к плазме поверхности камеры 100 удержания (или емкости для удержания) и диверторов 300 пленками Ti и/или Li (толщина которых составляет десятки микрометров). Эти покрытия наносятся методами осаждения из паровой фазы. Твердый Li и/или Ti испаряSurface conditioning is a means by which the harmful effects of inert gas and impurities can be controlled or reduced in the containment system. To this end, the proposed FRC system 10 uses titanium and lithium deposition systems 810 and 822, which cover the plasma-facing surfaces of the confinement chamber 100 (or containment vessel) and divertors 300 with Ti and / or Li films (the thickness of which is tens of micrometers ). These coatings are applied by vapor deposition techniques. Solid Li and / or Ti evaporation

- 6 039021 ются и/или сублимируются и напыляются на близлежащие поверхности, образуя покрытия. Источниками являются ядерные печи с направляющими соплами 822 (в случае Li) или нагретые сферы твердого вещества с направляющими бандажами 812 (в случае Ti). Системы для испарения Li, как правило, работают в непрерывном режиме, в то время как сублиматоры Ti в большинстве случае работают в перерывах между работой с плазмой. Рабочие температуры этих систем превышают 600°C для получения больших скоростей осаждения. Чтобы достичь приемлемого покрытия стенок, необходимы множественные стратегически локализованные системы испарения и/или сублимации. На фиг. 9 подробно иллюстрируется предпочтительное расположение систем 810 и 820 геттерирования в FRC-системе 10. Покрытия действуют как геттерирующие поверхности и эффективно откачивают нейтральные атомы и атомарные ионы в целом, а также молекулярные ионы и нейтральные молекулы (Н и D) в целом. Эти покрытия также снижают содержание других типичных примесей, такие как углерод и кислород, до незначительных уровней.- 6 039021 are sublimated and / or sprayed onto nearby surfaces to form coatings. The sources are nuclear furnaces with pilot nozzles 822 (in the case of Li) or heated spheres of solids with guide tires 812 (in the case of Ti). Li evaporation systems generally operate in a continuous mode, while Ti sublimators generally operate in between plasma work. The operating temperatures of these systems exceed 600 ° C to obtain high deposition rates. To achieve acceptable wall coverage, multiple strategically located evaporation and / or sublimation systems are required. FIG. 9 illustrates in detail the preferred arrangement of gettering systems 810 and 820 in FRC system 10. The coatings act as gettering surfaces and efficiently evacuate neutral atoms and atomic ions in general, as well as molecular ions and neutral molecules (H and D) in general. These coatings also reduce other typical impurities such as carbon and oxygen to negligible levels.

Зеркальные пробки.Mirror plugs.

Как указано выше, в FRC-системе 10 применяются наборы зеркальных катушек 420, 430 и 444, показанных на фиг. 2 и 3. Первый набор зеркальных катушек 420 находится на двух осевых торцах камеры 100 удержания и независимо возбуждается от удерживающих катушек 412, 414 и 416 главной магнитной системы 410. Первый набор зеркальных катушек 420 способствует, главным образом, управлению и осевому расположению FRC 450 во время объединения и обеспечивает контроль придания равновесной формы во время поддержания. Первый набор 420 зеркальных катушек создает магнитные поля с номинально большей индукцией (примерно 0,4-0,5 Тл), чем у центрального удерживающего поля, создаваемого центральной удерживающей катушкой 412. Второй набор зеркальных катушек 430, который включает в себя три компактные зеркальные катушки 432, 434 и 436 квазипостоянного тока, находится между формирующими секциями 200 и диверторами 300 и возбуждается посредством общего импульсного источника питания. Зеркальные катушки 432, 434 и 436 вместе с более компактными импульсными зеркальными пробочными катушками 444 (питаемыми посредством емкостного источника питания) и физическим сужением 442 образуют зеркальные пробки 440, которые обеспечивают узкий тракт с низкой электропроводностью газа и магнитными полями с очень высокой индуктивностью (в диапазоне 2-4 Тл при временах нарастания примерно 10-20 мс). Наиболее компактные импульсные зеркальные катушки 444 имеют компактные радиальные размеры - расточенное отверстие диаметром 20 см и аналогичную длину - по сравнению с плоской конструкцией, предусматривающей высверленные отверстия с плюсовыми метрическими допусками ограничивающих катушек 412, 414 и 416. Назначение зеркальных пробок 440 многозначно. (1) Катушки 432, 434, 436 и 444 плотно увязывают и направляют поверхности 455 магнитного потока и текущие к торцу струи 454 плазмы в отдаленные камеры 310 диверторов. Это подразумевает, что выпускаемые частицы достигают диверторов 300 надлежащим образом, и что имеются поверхности 455 непрерывного потока, которые следуют из области 452 линий открытого поля центральной FRC 450 на всем пути к диверторам. (2) Физические сужения 442 в FRC-системе 10, через которые упомянутые катушки 432, 434, 436 и 444 дают возможность проходить поверхностям 452 магнитного потока и струям 454 плазмы, затрудняют течение нейтрального газа из плазменных пушек 350, которые сидят в диверторах 300. Подобным же образом, сужения 442 предотвращают обратное течение газа от формирующих секций 200 к диверторам 300, тем самым уменьшая количество нейтральных частиц, которые приходится вводить во всю FRC-систему 10 в начале запуска FRC. (3) Строго осевые зеркала, образуемые катушками 432, 434, 436 и 444, уменьшают осевые потери частиц и, тем самым, снижают способность частиц к параллельной диффузии по силовым линиям открытого поля.As noted above, the FRC system 10 employs the mirror coil sets 420, 430, and 444 shown in FIG. 2 and 3. The first set of mirror coils 420 is located at the two axial ends of the containment chamber 100 and is independently energized from the containment coils 412, 414, and 416 of the main magnet system 410. The first set of mirror coils 420 primarily assists in steering and axial positioning of the FRC 450 during the time of combining and provides control of imparting equilibrium during maintenance. The first set of mirror coils 420 produces nominally higher magnetic fields (approximately 0.4-0.5 Tesla) than the central containment field produced by the center containment coil 412. The second set of mirror coils 430, which includes three compact mirror coils 432, 434 and 436 of a quasi-constant current is located between the forming sections 200 and the divertors 300 and is driven by a common switching power supply. Mirror coils 432, 434, and 436, together with the more compact pulsed mirror mirror coils 444 (powered by a capacitive power supply) and physical constriction 442, form mirror tubes 440, which provide a narrow path with low gas conductivity and very high inductance magnetic fields (in the range 2-4 T with rise times of about 10-20 ms). The most compact 444 pulse mirror coils have compact radial dimensions — a 20 cm bore and similar length — compared to a flat design with plus metric drilled holes of 412, 414, and 416 restraining coils. The 440 mirror plugs are multifunctional. (1) Coils 432, 434, 436, and 444 tightly couple and direct magnetic flux surfaces 455 and end-face plasma jets 454 into distant divertor chambers 310. This implies that the ejected particles reach the divertors 300 appropriately, and that there are continuous flow surfaces 455 that follow from the open field line region 452 of the central FRC 450 all the way to the divertors. (2) The physical constrictions 442 in the FRC system 10 through which said coils 432, 434, 436 and 444 allow magnetic flux surfaces 452 and plasma jets 454 to pass, obstruct the flow of inert gas from the plasma guns 350 that sit in the divertors 300. Likewise, the constrictions 442 prevent gas from flowing back from the forming sections 200 to the divertors 300, thereby reducing the amount of neutral particles that must be introduced into the entire FRC system 10 at the start of the FRC start-up. (3) The strictly axial mirrors formed by coils 432, 434, 436, and 444 reduce the axial particle loss and thereby reduce the ability of the particles to diffuse parallel along the open field lines.

Осевые плазменные пушки.Axial plasma cannons.

Потоки плазмы из пушек 350, установленных в камерах 310 диверторов 300, предназначены для улучшения рабочих характеристик устойчивости и пучков нейтральных частиц. Пушки 350 установлены по оси внутри камер 310 диверторов 300, как проиллюстрировано на фиг. 3 и 10, и создают плазму, текущую вдоль линий 452 открытого поля в диверторе 300 и по направлению к центру камеры 100 удержания. Пушки 350 работают при высокоплотном газовом разряде в канале из пакета шайб и предназначены для генерирования нескольких тысяч ампер полностью ионизированной плазмы в течение 5-10 мс. Пушки 350 включают в себя импульсную магнитную катушку, которая согласует выходной поток плазмы с желаемыми размерами плазмы в камере 100 удержания. Технические параметры пушек 350 характеризуются каналом, имеющим внешний диаметр 5-13 см и внутренний диаметр до примерно 10 см, и обеспечивают разрядный ток 10-15 кА при 400-600 В посредством внутреннего магнитного поля пушки, имеющего индукцию в диапазоне от 0,5 до 2,3 Тл.Plasma streams from guns 350 installed in chambers 310 of divertors 300 are designed to improve stability and neutral particle beam performance. The guns 350 are axially mounted within the chambers 310 of the diverters 300 as illustrated in FIG. 3 and 10, and create plasma flowing along the open field lines 452 in the divertor 300 and towards the center of the containment chamber 100. Guns 350 operate with a high-density gas discharge in a washer stack and are designed to generate several thousand amperes of fully ionized plasma in 5-10 ms. Guns 350 include a pulsed magnetic coil that matches the plasma output to the desired dimensions of the plasma in the containment chamber 100. The technical parameters of guns 350 are characterized by a channel having an outer diameter of 5-13 cm and an inner diameter of up to about 10 cm, and provide a discharge current of 10-15 kA at 400-600 V by means of an internal magnetic field of the gun having an induction in the range from 0.5 to 2.3 T.

Потоки плазмы из пушек могут пронизывать магнитные поля зеркальных пробок 440 и течь в формирующую секцию 200 и камеру 100 удержания. Эффективность переноса плазмы через зеркальные пробки 440 увеличивается с уменьшением расстояния между пушками 350 и пробками 440, а также с расширением и укорочением пробок 440. В приемлемых условиях каждая из пушек 350 может поставлять приблизительно 1022 протонов в секунду через зеркальные пробки 440 с индуктивностью 2-4 Тл при высоких температурах ионов и электронов, составляющих примерно 150-300 эВ и примерно 40-50 эВ соответственно. Пушки 350 обеспечивают значительное пополнение граничного слоя 456 FRC и улучшенное общее удержание частиц посредством FRC.Plasma streams from the guns can penetrate the magnetic fields of the mirror plugs 440 and flow into the forming section 200 and the containment chamber 100. The efficiency of plasma transport through mirror plugs 440 increases with decreasing distance between guns 350 and plugs 440, as well as expansion and shortening of plugs 440. Under acceptable conditions, each of guns 350 can deliver approximately 10 22 protons per second through mirror plugs 440 with an inductance of 2- 4 T at high temperatures of ions and electrons, about 150-300 eV and about 40-50 eV, respectively. Cannons 350 provide significant replenishment of the 456 FRC boundary layer and improved overall particle retention through FRC.

- 7 039021- 7 039021

Чтобы дополнительно повысить плотность плазмы, можно было бы использовать газосепаратор для отгона дополнительного газа в поток плазмы из пушки 350. Этот метод обеспечивает увеличение плотности инжектируемой плазмы в несколько раз. Газосепаратор, установленный в FRC-системе 10 на обращенной к диверторам 300 стороне зеркальных пробок 440, улучшает пополнение граничного слоя 456To further increase the plasma density, a gas separator could be used to distill additional gas into the plasma stream from gun 350. This method provides several times the density of the injected plasma. A gas separator installed in the FRC-system 10 on the side of the mirror plugs 440 facing the divertors 300, improves the replenishment of the boundary layer 456

FRC, формирование 450 и линейное связывание плазмы.FRC, 450 formation and linear plasma binding.

Задаваясь всеми регулируемыми параметрами, рассмотренными выше, а также учитывая возможность работы лишь с одной или двумя пушками, легко понять, что доступен широкий спектр рабочих режимов.Given all the adjustable parameters discussed above, and considering the ability to work with only one or two guns, it is easy to understand that a wide range of operating modes is available.

Смещающие электроды.Displacement electrodes.

Электрическое смещение поверхностей открытого поля может обеспечить радиальные потенциалы, которые приводят к азимутальному движению, ЕхВ, обеспечивающему механизм управления, аналогичный повороту рукоятки, для управления вращением линейной плазмы открытого поля, а также фактической активной зоной 450 FRC посредством разрыва скорости. Чтобы достичь этого управления, в FRCсистеме 10 применяются различные электроды, стратегически размещенные в различных частях машины. Фиг. 3 иллюстрирует электроды смещения, расположенные в предпочтительных местоположениях в пределах FRC-системы 10.Electrical displacement of the open field surfaces can provide radial potentials that result in azimuthal motion, ExB, providing a knob-like control mechanism to control rotation of the open field linear plasma as well as the actual 450 FRC core through velocity discontinuity. To achieve this control, the FRC system 10 uses different electrodes strategically placed in different parts of the machine. FIG. 3 illustrates bias electrodes located at preferred locations within FRC system 10.

В принципе, существуют 4 класса электродов: (1) точечные электроды 905 в камере 100 удержания, которые вступают в контакт с конкретными силовыми линиями 4 52 открытого поля на границе FRC 450, обеспечивая локальную зарядку; (2) кольцевые электроды 900 между камерой 100 удержания и формирующими секциями 200, предназначенные для азимутально-симметричной зарядки удаленных от границы слоев 456 потока; (3) пакеты концентрических электродов 910 в диверторах 300 для зарядки множественных концентрических слоев 455 потока (вследствие чего выбором слоев можно управлять посредством регулирования катушек 416 с целью регулирования магнитного поля диверторов так, чтобы завершать желаемые слои 456 потока на должных электродах 910); и, наконец, (4) аноды 920 (см. фиг. 10) самих плазменных пушек 350 (которые перехватывают внутренние поверхности 455 открытого поля около сепаратрисы FRC 450). На фиг. 10 и 11 показаны некоторые типичные конструкции некоторых электродов.In principle, there are 4 classes of electrodes: (1) point electrodes 905 in containment chamber 100 that come into contact with specific open field lines 4 52 at the FRC 450 border, providing localized charging; (2) annular electrodes 900 between the containment chamber 100 and the forming sections 200 for azimuthally symmetric charging of the distal flow layers 456; (3) stacks of concentric electrodes 910 in the divertors 300 for charging multiple concentric flow layers 455 (whereby layer selection can be controlled by adjusting the coils 416 to adjust the magnetic field of the divertors to complete the desired flow layers 456 at the proper electrodes 910); and finally (4) the anodes 920 (see FIG. 10) of the plasma guns 350 themselves (which intercept the inner open field surfaces 455 near the FRC 450). FIG. 10 and 11 show some typical designs of some of the electrodes.

Во всех случаях эти электроды возбуждаются посредством импульсных источников питания или источников питания постоянного тока при напряжениях примерно до 800 В. В зависимости от размеров электродов и мест, где те пересекают поверхности потока, оказывается возможным потребление токов в килоамперном диапазоне.In all cases, these electrodes are energized by switching power supplies or DC power supplies at voltages up to about 800 V. Depending on the size of the electrodes and the locations where they intersect the flow surfaces, it is possible to draw currents in the kiloampere range.

Неподдерживаемая работа FRC-системы - обычный режим.Unsupported FRC System Operation - Normal Mode.

Стандартное формирование плазмы в FRC-системе 10 следует хорошо разработанному методу θпинча с обращенным полем. Типичный процесс запуска FRC начинается возбуждением катушек 412, 414, 416, 420, 432, 434 и 436 квазипостоянного тока для работы в установившемся состоянии. Затем цепи импульсной мощности формирующих систем 210 импульсного питания, предназначенные для создания высокочастотной термической плазмы, возбуждают катушки 232 возбуждения импульсного быстро обращаемого магнитного поля, создавая временное обратимое смещение примерно -0,05 Тл в формирующих секциях 200. В этот момент в два формирующих объема, ограниченных камерами 240 в форме кварцевых труб (северной и южной) формирующих секций 200, инжектируют заранее заданное количество нейтрального газа при 9-20 psi (фунтов на квадратный дюйм) через множество азимутальноориентированных продувочных клапанов во фланцах, находящихся на внешних торцах формирующих секций 200. Затем из набора антенн на поверхности кварцевых труб 240 генерируют поле на малых высоких частотах (~сотни килогерц), создавая предварительную ионизацию в форме областей локальной начальной ионизации в пределах столбов нейтрального газа. За этим следует применение тета-кольцевой модуляции к току, возбуждающему катушки 232 возбуждения импульсного быстро обращаемого магнитного поля, что приводит к более общей предварительной ионизации столбов газа. В заключение, запитывают основные импульсные источники питания формирующих систем 210 импульсного питания для возбуждения катушек 232 возбуждения импульсного быстро обращаемого магнитного поля, создавая поле с прямым смещением и индуктивностью до 0,4 Тл. Этот этап можно проводить в такой последовательности во времени, что по всей длине кварцевых труб 240 равномерно генерируется поле с прямым смещением (статическое формирование) или достигается последовательная перистальтическая модуляция поля вдоль оси формирующих трубок 240 (динамическое формирование).Standard plasma formation in an FRC system 10 follows the well-developed field-reversed θ pinch method. A typical FRC starting process begins by energizing the quasi-DC coils 412, 414, 416, 420, 432, 434, and 436 for steady-state operation. Then, the pulsed power circuits of the pulsed power shaping systems 210, designed to create a high-frequency thermal plasma, excite the excitation coils 232 of the pulsed rapidly reversible magnetic field, creating a temporary reversible displacement of about -0.05 T in the shaping sections 200. At this moment, in the two shaping volumes, bounded by chambers 240 in the form of quartz tubes (north and south) forming sections 200, inject a predetermined amount of inert gas at 9-20 psi (psi) through a plurality of azimuth-oriented purge valves in flanges located at the outer ends of the forming sections 200. Then from a set of antennas on the surface of quartz tubes 240 generate a field at low high frequencies (~ hundreds of kilohertz), creating preliminary ionization in the form of regions of local initial ionization within the columns of neutral gas. This is followed by the application of theta ring modulation to the current driving the pulsed reversible magnetic field coils 232, resulting in more general preionization of the gas columns. Finally, the main switching power supplies of the pulse shaping systems 210 are energized to drive the pulsed fast reversible magnetic field excitation coils 232, creating a forward-biased field with an inductance of up to 0.4 Tesla. This step can be performed in such a sequence in time that a forward-biased field is uniformly generated over the entire length of the quartz tubes 240 (static formation) or sequential peristaltic modulation of the field along the axis of the forming tubes 240 (dynamic formation) is achieved.

Во всем этом процессе формирования фактическое обращение поля в плазме происходит быстро в пределах примерно 5 мкс. Многогигаватная импульсная мощность, подводимая к формируемой плазме, легко создает горячие FRC, которые затем инжектируются из формирующих секций 200 посредством применения либо последовательно осуществляемой во времени модуляции магнитного поля в переднем полупространстве (магнитная перистальтика), либо временно увеличенных токов в последней катушке из наборов 232 катушек около осевых внешних торцов формирующих труб 210 (формирование осевого градиента магнитного поля, который обращен в осевом направлении к камере 100 удержания). Обе формирующие FRC (северная и южная), сформированные таким образом и ускорившиеся, потом расширяютсяThroughout this formation process, the actual reversal of the field in the plasma occurs rapidly within about 5 μs. The multi-gigawatt pulsed power applied to the formed plasma easily creates hot FRCs, which are then injected from the forming sections 200 by applying either sequential time modulation of the magnetic field in the forward half space (magnetic peristalsis) or temporarily increased currents in the last coil of the coil sets 232. near the axial outer ends of the forming tubes 210 (generating an axial magnetic field gradient that is axially facing the containment chamber 100). Both formative FRCs (north and south), formed in this way and accelerated, then expand

- 8 039021 в камеру 100 удержания, имеющую больший диаметр, где катушки 412 квазипостоянного тока создают поле с прямым смещением для управления радиальным расширением и обеспечения равновесного внешнего магнитного потока.- 8 039021 into a containment chamber 100 having a larger diameter, where the quasi-DC coils 412 create a forward biased field to control radial expansion and provide equilibrium external magnetic flux.

Как только северная и южная формирующие FRC прибывают в окрестность средней плоскости камеры 100 удержания, эти FRC сталкиваются. Осевые кинетические энергии во время столкновения северной и южной формирующих FRC большей частью термализуются, поскольку FRC, в конечном счете, объединяются в единую FRC 450. В камере 100 удержания возможен большой набор методов диагностики плазмы для изучения равновесий FRC 450. Типичные рабочие условия в FRC-системе 10 дают составную FRC с радиусами сепаратрисы примерно 0,4 м и осевой протяженностью примерно 3 м. Дополнительными характеристиками являются внешние магнитные поля с индуктивностью примерно 0,1 Тл, плотности плазмы примерно 5х1019 м3 и полной температурой плазмы до 1 кэВ. Без какой-либо поддержки, т.е. при отсутствии нагрева и/или возбуждения тока с помощью инжекции пучков нейтральных частиц или других вспомогательных средств, время жизни этих FRC, т.е. собственное время выдерживания характеристической конфигурации, ограничивается величиной примерно 1 мс.As soon as the north and south formative FRCs arrive in the vicinity of the median plane of the containment chamber 100, these FRCs collide. The axial kinetic energies during the collision of the north and south formative FRCs are largely thermalized as the FRCs ultimately merge into a single FRC 450. The containment chamber 100 provides a wide range of plasma diagnostic techniques to study the equilibria of the FRC 450. Typical operating conditions in the FRC are System 10 is given a composite FRC with separatrix radii of about 0.4 m and an axial length of about 3 m. Additional characteristics are external magnetic fields with an inductance of about 0.1 T, a plasma density of about 5x10 19 m 3, and a total plasma temperature of up to 1 keV. Without any support, i.e. in the absence of heating and / or current excitation by means of injection of beams of neutral particles or other auxiliary means, the lifetime of these FRCs, i.e. the inherent holding time of the characteristic configuration is limited to approximately 1 ms.

Экспериментальные данные неподдерживаемой работы - обычный режим.Experimental Data for Unsupported Operation - Normal Mode.

На фиг. 12 показана типичная эволюция во времени радиуса rΔΦ исключаемого потока, который аппроксимирует радиус rs сепаратрисы, для иллюстрации динамики происходящего в θ-пинче процесса объединения FRC 450. Оба индивидуальных плазмоида (северный и южный) создаются одновременно, а потом ускоряются, выходя из соответствующих формирующих секций 200 со сверхзвуковой скоростью vz~250 км/с, и сталкиваются около средней плоскости при z=0. Во время столкновения плазмоиды претерпевают осевое сжатие, за которым следует быстрое радиальное и осевое расширение, прежде чем, в конце концов, объединиться, образуя одну FRC 450. О наличии как радиальной, так и осевой динамики свидетельствуют подробные измерения профиля плотности и томография на основе болометра.FIG. 12 shows a typical time evolution of the radius r ΔΦ of the excluded flux, which approximates the radius rs of the separatrix, to illustrate the dynamics of the FRC 450 merging process occurring in the θ pinch. sections 200 with supersonic speed v z ~ 250 km / s, and collide near the median plane at z = 0. During collision, the plasmoids undergo axial compression, followed by rapid radial and axial expansion, before eventually merging to form one FRC 450. The presence of both radial and axial dynamics is indicated by detailed density profile measurements and bolometer-based tomography ...

Данные, полученные в результате неподдерживаемого разряда, FRC-системы 10 показаны как функции времени на фиг. 13. FRC инициируется в момент t=0. Радиус исключаемого потока в средней вдоль оси плоскости машины показан на фиг. 13(а). Эти данные получены из матрицы магнитных зондов, которые размещены чуть-чуть изнутри выполненной из нержавеющей стали стенки камеры удержания и измеряют осевое магнитное поле. Стальная стенка является хорошим средством сохранения потока во временных рамках разряда.Unsupported discharge data of FRC system 10 is shown as a function of time in FIG. 13. FRC is initiated at time t = 0. The radius of the eliminated flow in the axially median plane of the machine is shown in FIG. 13 (a). This data is obtained from an array of magnetic probes that are positioned slightly inside a stainless steel containment chamber wall and measure the axial magnetic field. The steel wall is a good means of maintaining the flow during the discharge time.

На фиг. 13(b) показаны линейно-интегральные плотности, полученные из работающего по 6 хордам интерферометра для определения содержания CO2/He-Ne, расположенного в z=0. С учетом вертикального перемещения (у) FRC, измеряемого посредством болометрической томографии, инверсия по Абелю дает профили распределения плотности согласно фиг. 13(с). После некоторого осевого и радиального колебания в течение первой 0,1 мс устанавливается FRC с некоторым полым профилем плотности. Этот профиль является достаточно плоским с существенной плотностью на оси, как требуют равновесия в типичных плоских FRC.FIG. 13 (b) shows the linear-integral densities obtained from a 6-chord CO 2 / He-Ne interferometer located at z = 0. Taking into account the vertical displacement (y) of the FRC as measured by bolometric tomography, the Abel inversion gives the density profiles of FIG. 13 (c). After some axial and radial oscillation during the first 0.1 ms, an FRC is established with some hollow density profile. This profile is reasonably flat with substantial axial density as required by equilibrium in typical flat FRCs.

На фиг. 13(d) показана полная температура плазмы, выведенная исходя из равенства давлений и полностью соответствующая рассеянию по Томпсону и спектроскопическим измерениям.FIG. 13 (d) shows the total plasma temperature, derived from the equality of pressures and fully consistent with Thompson scattering and spectroscopic measurements.

Анализ всего массива данных исключаемого потока указывает на то, что форма сепаратрисы FRC (приближаемая осевыми профилями) постепенно эволюционирует от круговой к эллиптической. Эта эволюция, показанная на фиг. 14, согласуется с постепенным магнитным перезамыканием с переходом от двух FRC к одной. В самом деле, грубые оценки позволяют предположить, что в этом конкретном случае во время столкновения перезамыкаются примерно 10% магнитных потоков двух первоначальных FRC.Analysis of the entire data set of the excluded flow indicates that the shape of the FRC separatrix (approximated by axial profiles) is gradually evolving from circular to elliptical. This evolution, shown in FIG. 14 is consistent with gradual magnetic reconnection from two FRCs to one. Indeed, rough estimates suggest that in this particular case, about 10% of the magnetic fluxes of the two original FRCs reconnect during the collision.

Длина FRC монотонно сокращается с 3 м до примерно 1 м в течение времени жизни FRC. Это сокращение, видное на фиг. 14, предполагает, что при удержании FRC доминируют главным образом конвективные потери энергии. Поскольку давление плазмы внутри сепаратрисы уменьшается быстрее, чем магнитное давление снаружи, натяжение силовых линий магнитного поля в торцевых областях приводит к осевому сжатию FRC, восстанавливая осевое и радиальное равновесие. Для разряда, рассматриваемого в связи с фиг. 13 и 14, отметим, что магнитный поток, общее количество частиц и тепловая энергия FRC (примерно 10 МВσ, 7х1019 частиц и 7 кДж соответственно) уменьшаются, грубо говоря, на порядок величины за первую миллисекунду, когда выявляется исчезновение равновесия FRC.The length of the FRC decreases monotonically from 3 m to about 1 m during the lifetime of the FRC. This abbreviation seen in FIG. 14 assumes that mainly convective energy losses dominate during FRC confinement. Since the plasma pressure inside the separatrix decreases faster than the magnetic pressure outside, the tension of the magnetic field lines in the end regions leads to axial compression of the FRC, restoring the axial and radial equilibrium. For the discharge discussed in connection with FIG. 13 and 14, we note that the magnetic flux, the total number of particles, and the FRC thermal energy (approximately 10 MVσ, 7x10 19 particles, and 7 kJ, respectively) decrease, roughly speaking, by an order of magnitude in the first millisecond when the FRC equilibrium disappears.

Поддерживаемая работа - высокоэффективный режим FRC.Supported work - FRC high efficiency mode.

На фиг. 12-14 приведены примеры, характеризующие разрушение FRC без какой-либо поддержки. Вместе с тем, в FRC-системе 10 применяются несколько методов для дальнейшего улучшения удержания FRC (внутренней активной зоны и граничного слоя) для достижения высокоэффективного режима FRC и поддержки конфигурации.FIG. 12-14 are examples of FRC failure without any support. However, the FRC system 10 employs several techniques to further improve FRC (inner core and boundary layer) containment to achieve high FRC performance and maintain configuration.

Пучки нейтральных частиц.Beams of neutral particles.

Сначала быстрые нейтральные частицы (Н) в виде пучков инжектируются из восьми инжекторов 600 пучков нейтральных частиц перпендикулярно Bz. Пучки быстрых нейтральных частиц инжектируются с момента объединения северной и южной формирующих FRC в камере 100 удержания в одну FRCFirst, fast neutral particles (H) in the form of beams are injected from eight injectors of 600 neutral particle beams perpendicular to B z . Beams of fast neutral particles are injected from the moment the north and south forming FRCs in the containment chamber 100 are combined into one FRC

- 9 039021- 9 039021

450. Быстрые ионы, создаваемые главным образом посредством обмена зарядами, имеют бетатронные орбиты (с первичными радиусами в рамках топологии FRC или, по меньшей мере, значительно превышающими характеристический линейный масштаб градиента магнитного поля), которые способствуют азимутальному току FRC 450. После прохождения некоторой доли разряда (через 0,5-0,8 мс на снимок) достаточно большая популяция быстрых ионов значительно улучшает свойства внутренней устойчивости и удержания FRC (см., например, M.W. Binderbauer и N. Rostoker, Plasma Phys. 56, part 3, 451 (1996)). Кроме того, из перспективы поддержки вытекает, что пучки из инжекторов 600 пучков нейтральных частиц тоже являются первичными средствами возбуждения тока и нагревают FRC-плазму.450. Fast ions, created mainly through charge exchange, have betatron orbits (with primary radii within the FRC topology, or at least significantly larger than the characteristic linear scale of the magnetic field gradient), which contribute to the azimuthal current of the FRC 450. After passing through some fraction discharge (after 0.5-0.8 ms per image) a sufficiently large population of fast ions significantly improves the internal stability and retention properties of FRC (see, for example, MW Binderbauer and N. Rostoker, Plasma Phys. 56, part 3, 451 ( 1996)). In addition, it follows from the support perspective that the beams from the 600 neutral particle injectors are also the primary means of current excitation and heat the FRC plasma.

В режиме плазмы FRC-системы 10 быстрые ионы замедляются в первую очередь на электронах плазмы. В течение ранней части разряда типичные усредненные по орбитам времена замедления быстрых ионов составляют 0,3-0,5 мс, что приводит к значительному нагреву FRC, в первую очередь, электронами. Быстрые ионы совершают большие радиальные экскурсы наружу от сепаратрисы, потому что внутреннее магнитное поле FRC по своей природе имеет малую индукцию (в среднем примерно 0,03 Тл для внешнего осевого поля с индукцией 0,1 Тл). Быстрые ионы были бы подвержены потерям при обмене зарядами, если бы плотность нейтрального газа снаружи от сепаратрисы была слишком большой. Поэтому геттерирование стенкой и другие методы (такие как предусматривающие использование плазменной пушки 350 и зеркальных пробок 440, которые, помимо всего прочего, вносят вклад в контроль газа), используемые в FRC-системе 10, демонстрируют тенденцию к минимизации граничных нейтральных частиц и обеспечивают требуемое нарастание тока, обусловленного быстрыми ионами.In the plasma mode of the FRC system 10, fast ions are slowed down primarily by plasma electrons. During the early part of the discharge, the typical orbital-averaged slowdown times of fast ions are 0.3-0.5 ms, which leads to significant heating of the FRC, primarily by electrons. Fast ions make large radial excursions outward from the separatrix, because the internal magnetic field of the FRC has a low induction by its nature (on average, about 0.03 T for an external axial field with an induction of 0.1 T). Fast ions would be subject to charge exchange losses if the density of the neutral gas outside the separatrix were too high. Therefore, wall gettering and other techniques (such as using a plasma gun 350 and mirror plugs 440, which, among other things, contribute to gas control) used in the FRC system 10 tend to minimize the boundary neutral particles and provide the required build-up. current due to fast ions.

Инжекция таблеток.Injection of tablets.

Когда в пределах FRC 450 вырастает значительная популяция быстрых ионов и при этом температуры электронов являются повышенными, а времена жизни FRC увеличенными, в FRC 450 инжектируют замороженные таблетки Н или D из инжектора 700 таблеток, чтобы поддержать общее количество частиц в FRC, требуемое для FRC 450. Предполагаемые временные интервалы абляции являются достаточно короткими, чтобы обеспечить источник значительного количества частиц для FRC. Эта скорость также может быть увеличена за счет увеличения площади поверхности инжектируемого кусочка путем разламывания отдельной таблетки на меньшие фрагменты, когда они находятся в стволах или инжекционных трубах инжектора 700 таблеток и до того, как они попадают в камеру 100 удержания - этап, который можно воплотить путем увеличения трения между таблеткой и стенками инжекционной трубы за счет уменьшения радиуса изгиба последнего сегмента инжекционной трубы непосредственно перед входом в камеру 100 удержания. Путем изменения последовательности и скорости стрельбы из 12 стволов (инжекционных трубок), а также фрагментации, можно настроить систему 700 инжекции таблеток на обеспечение как раз желаемого уровня поддержки общего количества частиц. В свою очередь, это способствует сохранению внутреннего кинетического давления в FRC 450, а также поддерживаемой работы и времени жизни FRC 450.When a significant population of fast ions grows within the FRC 450 and the electron temperatures are elevated and the FRC lifetimes are increased, frozen H or D tablets are injected into the FRC 450 from a 700 tablet injector to maintain the total FRC particle count required for the FRC 450 The estimated time intervals for ablation are short enough to provide a significant source of particles for FRC. This speed can also be increased by increasing the surface area of the injected nib by breaking the individual tablet into smaller fragments as they are in the barrels or injection pipes of the tablet injector 700 and before they enter the retention chamber 100 - a step that can be accomplished by increasing the friction between the pellet and the walls of the injection pipe by decreasing the bend radius of the last segment of the injection pipe just before entering the containment chamber 100. By varying the sequence and rate of fire of the 12 barrels (injection lances) and fragmentation, the tablet injection system 700 can be tuned to provide just the desired level of total particle support. This in turn helps maintain the internal kinetic pressure of the FRC 450 as well as the sustained performance and life of the FRC 450.

Как только подвергнутые абляции атомы встречаются со значительным количеством плазмы в FRC 450, они становятся полностью ионизированными. Потом получающаяся в результате часть холодной плазмы нагревается при столкновении с собственной FRC-плазмой. Энергия, необходимая для сохранения желаемой температуры FRC, в конечном счете, подводится инжекторами 600 пучков. В этом смысле, инжекторы 700 таблеток вместе с инжекторами 600 пучков нейтральных частиц образуют систему, которая сохраняет установившееся состояние FRC 450 и поддерживает ее.Once the ablated atoms meet a significant amount of plasma in the FRC 450, they become fully ionized. The resulting portion of the cold plasma then heats up when it collides with its own FRC plasma. The energy required to maintain the desired FRC temperature is ultimately supplied by the 600 beam injectors. In this sense, the pellet injectors 700, together with the neutral particle injectors 600, form a system that maintains and maintains the FRC 450 steady state.

Отклоняющие катушки.Deflection coils.

Чтобы достичь возбуждения тока в установившемся состоянии и сохранить требуемый ионный ток, желательно предотвращать или значительно уменьшать направленные вверх спины электронов, обусловленные силой трения между электронами и ионами (являющейся результатом переноса количества движения, возникающего при столкновении ионов и электронов). В FRC-системе 10 используется новый метод обеспечения разрыва в распределении электронов посредством прикладываемого извне статического магнитного дипольного или квадрупольного поля. Это достигается посредством внешних отклоняющих катушек 460, изображенных на фиг. 15. Радиальное магнитное поле, поперечно прикладываемое из отклоняющих катушек 460, индуцирует осевое электрическое поле во вращающейся FRC-плазме. Результирующий осевой электронный ток взаимодействует с радиальным магнитным полем, создавая азимутальную разрывную силу Fe=-σVeθ<|Br|2>, воздействующую на электроны. Чтобы обеспечить адекватный разрыв в распределении электронов для типичных условий в FRC-системе 10, требуемое прикладываемое магнитное дипольное (или квадрупольное) поле внутри плазмы должно иметь индуктивность лишь порядка 0,001 Тл. Соответствующее внешнее магнитное поле с индуктивностью примерно 0,015 Тл является достаточно слабым, чтобы не вызывать ощутимые потери быстрых частиц или оказывать иное негативное влияние на удержание. Фактически прикладываемое магнитное дипольное (или квадрупольное) поле вносит вклад в подавление неустойчивостей. В сочетании с тангенциальной инжекцией пучков нейтральных частиц и осевой инжекцией плазмы отклоняющие катушки 460 обеспечивают дополнительный уровень контроля в связи с сохранением тока и устойчивостью.In order to achieve steady state excitation and maintain the required ionic current, it is desirable to prevent or significantly reduce the upward electron spins due to the frictional force between electrons and ions (resulting from the transfer of momentum resulting from collisions of ions and electrons). The FRC system 10 uses a new method of providing a discontinuity in the distribution of electrons through an externally applied static magnetic dipole or quadrupole field. This is achieved by external deflection coils 460 shown in FIG. 15. A radial magnetic field transversely applied from deflecting coils 460 induces an axial electric field in the rotating FRC plasma. The resulting axial electron current interacts with a radial magnetic field, creating an azimuthal breaking force Fe = -σ V eθ <| B r | 2 > acting on electrons. To provide an adequate discontinuity in the electron distribution for typical conditions in the FRC system 10, the required applied magnetic dipole (or quadrupole) field within the plasma must have an inductance of only 0.001 T. The corresponding external magnetic field, with an inductance of about 0.015 T, is weak enough not to cause appreciable loss of fast particles or otherwise adversely affect confinement. The actually applied magnetic dipole (or quadrupole) field contributes to the suppression of instabilities. Combined with tangential neutral beam injection and axial plasma injection, deflection coils 460 provide an additional level of control due to current conservation and stability.

Зеркальные пробки.Mirror plugs.

Конструкция импульсных катушек 444 внутри зеркальных пробок 440 допускает локальное генериThe design of the impulse coils 444 inside the mirror plugs 440 allows for local generation.

- 10 039021 рование сильных магнитных полей (2-4 Тл) с помощью небольшой емкостной энергии (примерно 100 кДж). Для формирования магнитных полей, типичных при рассматриваемой работе FRC-системы 10, все силовые линии поля в пределах объема формирования проходят сквозь сужения 442 у зеркальных пробок 440, как предполагается при наличии силовых линий магнитного поля, показанных на фиг. 2, и контакт плазмы со стенкой не происходит. Помимо этого зеркальные пробки 440 совместно с магнитами 416 диверторов квазипостоянного тока можно отрегулировать так, чтобы направлять силовые линии поля на электроды 910 диверторов или выравнивать силовые линии поля в (не показанной) конфигурации острых торцевых выступов. Последняя повышает устойчивость и подавляет параллельную теплопроводность электронов.- 10 039021 Treatment of strong magnetic fields (2-4 T) with low capacitive energy (approx. 100 kJ). To generate magnetic fields typical of the operation of the FRC system 10 under consideration, all field lines within the formation volume pass through the constrictions 442 at the mirror plugs 440, as assumed in the presence of the magnetic field lines shown in FIG. 2, and no plasma contact with the wall occurs. In addition, the mirror plugs 440, together with the quasi-DC divertor magnets 416, can be adjusted to direct the field lines to the divertor electrodes 910 or to align the field lines in a (not shown) configuration of sharp end protrusions. The latter increases the stability and suppresses the parallel thermal conductivity of electrons.

Сами зеркальные пробки 440 тоже вносят вклад в контроль нейтрального газа. Зеркальные пробки 440 обеспечивают лучшее использование газообразного дейтерия, продуваемого в кварцевые трубы во время формирования FRC, поскольку обратный поток газа в диверторы 300 значительно уменьшен благодаря малой способности пробок пропускать газ (столь мизерной, как 500 л/с). Большая часть остаточного продуваемого газа внутри формирующих труб 210 быстро ионизируется. Кроме того, высокоплотная плазма, текущая сквозь зеркальные пробки 440, обеспечивает эффективную ионизацию нейтральных частиц, а значит и эффективный газовый барьер. В результате, большинство нейтральных частиц, рециркулируемых в диверторах 300 из граничного слоя 456 FRC, не возвращаются в камеру 100 удержания. Кроме того, нейтральные частицы, связанные с работой плазменных пушек 350 (рассматриваемой ниже), будут в большинстве своем заключаться в диверторы 300.The mirror caps 440 themselves also contribute to neutral gas control. Mirror plugs 440 allow better utilization of the deuterium gas blown into the quartz tubes during FRC formation, as the backflow of gas to the divertors 300 is significantly reduced due to the plugs' low gas permeability (as minuscule as 500 L / s). Most of the residual purge gas inside the forming tubes 210 is rapidly ionized. In addition, the high-density plasma flowing through the mirror plugs 440 provides effective ionization of neutral particles, and hence an effective gas barrier. As a result, most of the neutral particles recirculated in the divertors 300 from the FRC boundary layer 456 do not return to the containment chamber 100. In addition, the neutral particles associated with the operation of the plasma guns 350 (discussed below) will mostly be contained in the 300 divertors.

И, наконец, зеркальные пробки 440 склонны улучшать удержание граничного слоя FRC. При коэффициентах отражения зеркала (пробка/удерживающие магнитные поля) в диапазоне 20-40 и при длине 15 м между северной и южной зеркальными пробками 440 время τ^ удержания частиц граничного слоя увеличивается на порядок величины. Увеличение τ легко улучшает удержание частиц в FRC.Finally, 440 mirrored plugs tend to improve retention of the FRC boundary layer. With mirror reflection coefficients (plug / confining magnetic fields) in the range 20-40 and with a length of 15 m between the northern and southern mirror plugs 440, the time τ ^ of confinement of the boundary layer particles increases by an order of magnitude. Increasing τ readily improves particle retention in the FRC.

Предполагая, что обуславливаемые радиальной диффузией (D) потери частиц из ограничиваемого сепаратрисой объема 453 балансируются осевыми потерями (τΙ) из граничного слоя 456, получаем (2πrsLi)(Dns/δ)=(DπrsLiδ)(DsΙ|), откуда следует, что длину градиента плотности у сепаратрисы можно переписать в виде δ=(DτΙ)1/2. Здесь rs, Ls и ns - это радиус сепаратрисы, длина сепаратрисы и плотность у сепаратрисы соответственно. Время удержания частиц в FRC составляет τN=[πrs2Ls<n>]/[(2πrsLi)(Dns/δ)=(<n>/ns)( τ± Д )12, где τ±=a2/D и при этом a=rs/4. Физически, увеличение τΤ ведет к увеличенному δ (уменьшенному градиенту плотности и параметру дрейфа у сепаратрисы), а значит - и к уменьшенным потерям частиц в FRC. Общее увеличение параметра удержания частиц в FRC обычно несколько меньше, чем квадратичное, поскольку ns увеличивается вместе с ть Assuming that the losses of particles caused by radial diffusion (D) from the volume 453 bounded by the separatrix are balanced by axial losses (τ Ι ) from the boundary layer 456, we obtain (2πr s L i ) (Dn s / δ) = (Dπr s L i δ) ( D s / τ Ι |), whence it follows that the length of the density gradient at the separatrix can be rewritten as δ = (Dτ Ι ) 1/2 . Here rs, Ls, and ns are the radius of the separatrix, the length of the separatrix, and the density at the separatrix, respectively. The retention time of particles in FRC is τN = [πrs 2 Ls <n>] / [(2πrsL i ) (Dn s / δ) = (<n> / n s ) (τ ± D) 1 2, where τ ± = a 2 / D and at the same time a = rs / 4. Physically, an increase in τ Τ leads to an increased δ (a reduced density gradient and drift parameter at the separatrix), and hence to a reduced loss of particles in the FRC. The overall increase in the particle confinement parameter in FRC is usually somewhat less than the quadratic one, since n s increases with m

Значительное увеличение τ также требует, чтобы граничный слой 456 оставался по большому счету устойчивым (т.е. чтобы при n=1 не было желобковой, рукавной или иной магнитогидродинамической неустойчивости, типичной для открытых систем). Использование плазменных пушек 350 обеспечивает предпочтительную устойчивость на границе. В этом смысле зеркальные пробки 440 и плазменные пушки 350 образуют эффективную систему контроля границы.A significant increase in τ also requires that the boundary layer 456 remains largely stable (that is, for n = 1, there is no flute, tubular, or other magnetohydrodynamic instability typical of open systems). The use of plasma cannons 350 provides advantageous stability at the border. In this sense, mirror plugs 440 and plasma guns 350 form an effective border control system.

Плазменные пушки.Plasma guns.

Плазменные пушки 350 повышают устойчивость струй 454, выпускаемых из FRC, посредством линейного связывания. Плазмы, испускаемые из плазменных пушек 350, образуются без привлечения количества азимутального углового движения, что показало себя полезным при контроле неустойчивостей вращения в FRC. А если так, то пушки 350 являются эффективным средством контроля устойчивости FRC без необходимости устаревшего метода квадрупольной стабилизации. В результате плазменные пушки 350 дают возможность получения преимущества выгодных эффектов быстрых частиц или доступа к режиму усовершенствованной гибридной кинетической FRC, как подчеркивается в этом раскрытии. Следовательно, плазменные пушки 350 позволяют эксплуатировать FRC-систему 10 при токах отклоняющих катушек, подходящих как раз для разрыва в распределении электронов, но являющихся меньшими, чем те, которые вызывали бы неустойчивость FRC и/или приводили бы к интенсивной диффузии быстрых частиц.Plasma guns 350 increase the stability of jets 454 emitted from FRC through linear bonding. Plasmas emitted from plasma guns 350 are generated without involving the amount of azimuthal angular motion, which has been shown to be useful in controlling rotational instabilities in FRCs. If so, the 350 cannons are an effective means of controlling FRC stability without the need for the outdated quadrupole stabilization method. As a result, the plasma cannons 350 are able to take advantage of the beneficial effects of fast particles or access the Advanced Hybrid Kinetic FRC mode as outlined in this disclosure. Consequently, plasma guns 350 allow the FRC system 10 to operate at deflecting coil currents just right for discontinuity in the electron distribution, but lower than those that would cause FRC instability and / or would lead to intense diffusion of fast particles.

Как упоминалось в рассмотренном выше разделе Зеркальные пробки, если бы можно было значительно увеличить τι, то подаваемая из пушек плазма была бы сопоставимой со скоростью (~1022/с) потерь частиц в граничном слое. Время жизни получаемой из пушек плазмы в FRC-системе 10 находится в миллисекундном диапазоне. В самом деле, рассмотрим плазму из пушек, имеющую плотность ne~1013 см-3 и температуру ионов примерно 200 эВ, заключенную между торцовыми зеркальными пробками 440. Длина L захвата и коэффициент R отражения зеркала составляют примерно 15 и 20 м соответственно. Средняя длина свободного пробега ионов благодаря кулоновским столкновениям составляет λii~6χ103 см, а поскольку λiilnR/R<L, ионы находятся в газодинамическом режиме. Время удержания плазмы в этом режиме составляет τgd~RL/2Vs~2 мс, где Vs - скорость ионного звука. Для сравнения классическое время удержания ионов для этих параметров плазмы составляло бы τс~0,5τl(lnR+(lnR)0,5)~0,7 мс. В принципе, аномальная поперечная диффузия может сократить время удержания плазмы. Вместе с тем, если предположить, что в FRC-системе 10 имеет место бомовская диффузии, то оценочное время поперечного удер- 11 039021 жания для плазмы из пушек составляет T±>Tgd~2 мс. Следовательно, пушки могли бы обеспечить значительное пополнение граничного слоя 456 FRC и улучшенное общее удержание частиц в FRC.As mentioned in the section Mirror Plugs discussed above, if it were possible to significantly increase τι, then the plasma supplied from the guns would be comparable to the rate (~ 10 22 / s) of particle losses in the boundary layer. The lifetime of the plasma obtained from the guns in the FRC system 10 is in the millisecond range. Indeed, consider a plasma from guns with a density ne ~ 10 13 cm -3 and an ion temperature of about 200 eV, enclosed between the end mirror plugs 440. The capture length L and the reflection coefficient R of the mirror are about 15 and 20 m, respectively. The average mean free path of ions due to Coulomb collisions is λii ~ 6χ10 3 cm, and since λiilnR / R <L, the ions are in the gas-dynamic regime. The plasma confinement time in this mode is τ g d ~ RL / 2V s ~ 2 ms, where V s is the ion sound velocity. For comparison, the classical ion confinement time for these plasma parameters would be τ s ~ 0.5τl (lnR + (lnR) 0.5 ) ~ 0.7 ms. In principle, abnormal transverse diffusion can shorten the plasma confinement time. At the same time, if we assume that Bohm diffusion takes place in the FRC system 10, then the estimated transverse confinement time for the plasma from the guns is T ± > T gd ~ 2 ms. Consequently, the guns could provide significant replenishment of the 456 FRC boundary layer and improved overall particle retention in the FRC.

Помимо этого, потоки плазмы из пушек можно включать примерно на 150-200 мкс, что позволяет использовать их при запуске, поступательном перемещении и объединении FRC с попаданием в камеру 100 удержания. Если включение происходит примерно в момент t~0 (инициация основных источников питания FRC), то плазмы из пушек способствуют поддержанию FRC 450, полученной теперь после динамического формирования и объединения. Объединенные общие количества частиц из формирующих FRC и из пушек являются удовлетворительными для захвата пучков нейтральных частиц, нагревания плазмы и длительной поддержки. Если включение происходит в момент t в диапазоне -1-0 мс, то плазмы из пушек могут привести к заполнению кварцевых труб 210 плазмой или к ионизации газа, продуваемого в кварцевые трубы, тем самым допуская формирование FRC при уменьшенном или вообще нулевом объеме продуваемого газа. Последнее условие может потребовать достаточно холодной формирующей плазмы, чтобы обеспечить быструю диффузию магнитного поля с обратным смещением. Если включение происходит в момент t<-2 мс, то потоки плазмы могут заполнить примерно 1-3 м3 линейного объема поля областей формирования и удержания формирующих секций 200 и камеру 100 удержания с целевой плотностью в несколько единиц на 1013 см-3, достаточной для обеспечения создания пучков нейтральных частиц до прибытия в FRC. После этого формирующие FRC могли бы сформироваться и поступательно перемещаться в результирующую плазму емкости для удержания. Таким образом, плазменные пушки 350 обеспечивают большое разнообразие рабочих условий и режимов настройки параметров.In addition, the plasma streams from the guns can be turned on for about 150-200 μs, which allows them to be used during launch, translational movement and combination of FRCs into the containment chamber 100. If switching on occurs at about t ~ 0 (initiation of the main FRC power supplies), then the plasma from the guns helps to maintain the FRC 450, now obtained after dynamic formation and combining. The combined particle counts from the FRC shaping and from the cannons are satisfactory for trapping neutral particle beams, plasma heating, and long-term support. If switching on occurs at time t in the range -1-0 ms, then plasma from the guns can lead to filling the quartz tubes 210 with plasma or to ionization of the gas blown into the quartz tubes, thereby allowing the formation of FRCs with a reduced or even zero volume of blown gas. The latter condition may require a sufficiently cold forming plasma to allow rapid diffusion of the reverse-biased magnetic field. If the switch-on occurs at the moment t <-2 ms, then the plasma flows can fill approximately 1-3 m 3 of the linear volume of the field of the areas of formation and retention of the forming sections 200 and the containment chamber 100 with a target density of several units per 10 13 cm -3 , sufficient to ensure the creation of beams of neutral particles prior to arrival at the FRC. Thereafter, the forming FRCs could form and translate into the resulting plasma containment vessels. Thus, the plasma guns 350 provide a wide variety of operating conditions and parameter settings.

Электрическое смещение.Electrical displacement.

Контроль радиального профиля электрического поля в граничном слое 456 различными способами выгоден для устойчивости FRC и удержания в ней. Посредством новых обеспечивающих смещение компонентов, развернутых в FRC-системе 10, можно прикладывать множество заблаговременно подготовленных распределений электрических потенциалов к группе открытых поверхностей потока по всей машине из областей далеко снаружи от центральной области удержания в камере 100 удержания. Таким образом, можно генерировать радиальные электрические поля через граничный слой 456 в непосредственной близости к FRC 450. Потом эти радиальные электрические поля модифицируют азимутальное вращение граничного слоя 456 и осуществляют его удержание посредством разрыва скорости, ЕхВ. Любое дифференциальное вращение между граничным слоем 456 и активной зоной 453 FRC можно затем передать вовнутрь плазмы FRC за счет разрыва. В результате контроль граничного слоя 456 оказывает непосредственное влияние на активную зону 453 FRC. Кроме того, поскольку свободная энергия при вращении плазмы также может являться причиной неустойчивостей, этот метод обеспечивает прямое средство борьбы с зарождением и ростом неустойчивостей. Подходящее граничное смещение в FRCсистеме 10 обеспечивает эффективный контроль переноса и вращения силовых линий открытого поля, а также вращения активной зоны FRC. Местонахождение и форма различных предусматриваемых электродов 900, 905, 910 и 920 обеспечивают контроль разных групп поверхностей 455 потока, а также контроль при разных и независимых потенциалах. Таким образом, можно реализовать широкий спектр разных конфигураций электрических полей и напряженностей, каждый раз с отличающимся характеристическим воздействием на рабочие параметры плазмы.Controlling the radial profile of the electric field in the boundary layer 456 in various ways is beneficial to the stability and retention of the FRC. By means of the new biasing components deployed in the FRC system 10, a plurality of prearranged electrical potential distributions can be applied to a set of exposed flow surfaces throughout the machine from regions far outside the central containment region in containment chamber 100. Thus, it is possible to generate radial electric fields through the boundary layer 456 in close proximity to the FRC 450. These radial electric fields then modify the azimuthal rotation of the boundary layer 456 and maintain it by breaking the velocity, ExB. Any differential rotation between the boundary layer 456 and the FRC core 453 can then be transmitted to the interior of the FRC plasma by rupture. As a result, the control of the boundary layer 456 has a direct effect on the core 453 FRC. In addition, since free energy during plasma rotation can also cause instabilities, this method provides a direct means of combating the initiation and growth of instabilities. A suitable boundary displacement in the FRC system 10 provides effective control of the transfer and rotation of open field lines, as well as the rotation of the FRC core. The location and shape of the various intended electrodes 900, 905, 910 and 920 allow for the monitoring of different groups of flow surfaces 455 as well as monitoring at different and independent potentials. Thus, a wide range of different configurations of electric fields and strengths can be realized, each time with a different characteristic effect on the operating parameters of the plasma.

Ключевое преимущество всех этих новых методов смещения состоит в том, что на поведение плазмы в активной зоне и на границе можно повлиять из мест, находящихся далеко снаружи от FRC-плазмы, т.е. нет необходимости введения каких-либо физических компонентов в контакт с центральной горячей плазмой (что имело бы серьезные последствия для потерь энергии, потока и частиц). Это оказывает основополагающее выгодное воздействие на рабочие характеристики и все потенциальные приложения идеи высокоэффективного режима FRC.The key advantage of all these new displacement techniques is that plasma behavior in the core and at the boundary can be influenced from locations far outside the FRC plasma, i.e. there is no need to bring any physical components into contact with the central hot plasma (which would have serious consequences for the loss of energy, flux and particles). This has a fundamental beneficial effect on performance and all potential applications of the high efficiency FRC concept.

Экспериментальные данные - работа в высокоэффективном режиме FRC.Experimental data - operation in high efficiency FRC mode.

Инжекция быстрых частиц посредством пучков из пушек 600, испускающих пучки нейтральных частиц, играет важную роль в обеспечении высокоэффективного режима FRC. Фиг. 16 иллюстрирует этот факт. Изображен набор кривых, показывающих, как время жизни FRC коррелируется с длительностью импульсов пучков. Все другие рабочие условия поддерживаются неизменными для всех разрядов, охватываемых этим исследованием. Данные усредняются по многим снимкам и поэтому отображают типичное поведение. Совершенно очевидно, что увеличенная длительность пучков дает дольше живущие FRC. Изучение этого факта, а также других результатов диагностики в течение этого исследования выявляет, что пучки увеличивают устойчивость и уменьшают потери. Корреляция между длительностью импульсов пучков и временем жизни FRC не является совершенной, поскольку захват пучков становится неэффективным, когда размеры плазмы меньше определенных, т.е. когда физические размеры FRC 450 сокращаются и не все инжектируемые пучки перехватываются и захватываются. Сокращение размеров FRC происходит в первую очередь из-за того, что чистые потери энергии (~4 МВт примерно на полпути через разряд) из FRC-плазмы во время разряда несколько больше, чем общая мощность, подводимая в FRC посредством пучков нейтральных частиц (~2,5 МВт) для конкретного экспериментального запуска. Расположение пучков в месте, находящемся ближе к средней плоскости емкости 100, может привести кFast particle injection via beams from 600 cannons emitting neutral particle beams plays an important role in providing a highly efficient FRC regime. FIG. 16 illustrates this fact. A set of curves is depicted showing how the FRC lifetime correlates with the pulse duration of the beams. All other operating conditions are kept constant for all discharges covered by this study. The data is averaged over many images and therefore displays typical behavior. It is clear that increased beam durations result in longer-lived FRCs. The study of this fact, as well as other diagnostic results during this study, reveals that the beams increase stability and reduce losses. The correlation between the beam pulse duration and the FRC lifetime is not perfect, since beam capture becomes ineffective when the plasma dimensions are less than certain, i.e. when the physical dimensions of the FRC 450 are reduced and not all injected beams are intercepted and captured. The reduction in the size of the FRC is primarily due to the fact that the net energy loss (~ 4 MW about halfway through the discharge) from the FRC plasma during the discharge is somewhat greater than the total power supplied to the FRC by the beams of neutral particles (~ 2 , 5 MW) for a specific pilot run. The location of the beams in a location closer to the midplane of the container 100 can lead to

- 12 039021 тенденции уменьшения этих потерь и продления времени жизни FRC.- 12 039021 tendencies of decreasing these losses and extending the FRC lifetime.

Фиг. 17 иллюстрирует воздействия разных компонентов на достижение высокоэффективного режима FRC. Здесь показано семейство типичных кривых, отображающих время жизни FRC 450 как функцию времени. Во всех случаях предусматривается постоянная, небольшая по величине мощность пучков (примерно 2,5 МВт) инжектируется на протяжении всей длительности каждого разряда. Каждая кривая является характерной для отличающейся комбинации компонентов. Например, работа FRC-системы 10 без каких-либо зеркальных пробок 440, плазменных пушек 350 или геттерирования благодаря системам 800 геттерирования приводит к быстрому появлению неустойчивости вращения и утрате топологии FRC. Введение только зеркальных пробок 440 задерживает появление неустойчивостей и улучшает удержание. Использование совокупности зеркальных пробок 440 и плазменной пушки 350 дополнительно уменьшает неустойчивости и увеличивает время жизни FRC. И, наконец, введение геттерирования (Ti в этом случае) вдобавок к пушке 350 и пробкам 440 дает наилучшие результаты - в получаемой FRC нет неустойчивостей, и она демонстрирует самое продолжительное время жизни. Из этой экспериментальной демонстрации ясно, что вся совокупность компонентов дает наилучший эффект и обеспечивает пучки с наилучшими расчетными условиями.FIG. 17 illustrates the effects of different components in achieving a high efficiency FRC regime. Shown here is a family of typical curves plotting FRC 450 lifetime as a function of time. In all cases, a constant, low-power beam (about 2.5 MW) is injected throughout the duration of each discharge. Each curve is representative of a different combination of components. For example, operation of FRC system 10 without any mirror plugs 440, plasma guns 350, or gettering thanks to gettering systems 800 results in rapid rotation instability and loss of FRC topology. The introduction of only mirror plugs 440 delays the onset of instabilities and improves retention. The use of a plurality of mirror plugs 440 and a plasma gun 350 further reduces instabilities and increases the FRC lifetime. Finally, the introduction of gettering (Ti in this case) in addition to gun 350 and plugs 440 gives the best results - the resulting FRC has no instabilities and exhibits the longest lifetime. It is clear from this experimental demonstration that the entire set of components gives the best effect and provides beams with the best design conditions.

Как показано на фиг. 1, новый обнаруженный высокоэффективный режим FRC демонстрирует резко улучшенное поведение при переносе. Фиг. 1 иллюстрирует изменение времени удержания частиц в FRC-системе при переходе из обычного режима в высокоэффективный режим FRC. Как можно увидеть, упомянутое время в высокоэффективном режиме FRC увеличилось более чем в 5 раз. Кроме того, фиг. 1 конкретизирует время удержания частиц в FRC-системе 10 по отношению к времени удержания частиц в экспериментах с известными FRC. Что касается этих других машин, то высокоэффективный режим FRC у FRC-системы 10 имеет удержание, коэффициент увеличения которого находится между 5 и значением, близким к 20. Наконец - и это важнее всего - природа масштабной инвариантности удержания для FRCсистемы 10 в высокоэффективном режиме FRC резко отличается от всех известных измерений. Перед установлением высокоэффективного режима FRC в FRC-системе 10 выводили различные эмпирические законы масштабирования из данных, чтобы спрогнозировать времена удержания в экспериментах с известными FRC. Все эти правила зависят, главным образом, от отношения R2/pi, где R - радиус нуля магнитного поля (нестрогая мера физического масштаба машины), а pI - ларморовский радиус иона, оцениваемый в прикладываемом извне поле (нестрогая мера прикладываемого магнитного поля). Из фиг. 1 ясно, что длительное удержание в обычной FRC возможно лишь при больших габаритах машины и/или сильном магнитном поле. Работа FRC-системы 10 в обычном режиме FRC отражает тенденцию следования обычным правилам, как указано на фиг. 1. Вместе с тем высокоэффективный режим FRC значительно превосходит упомянутый режим и показывает, что гораздо лучшее удержание достижимо и без больших габаритов машины или сильных магнитных полей. Из фиг. 1 также ясно: важнее то, что высокоэффективный режим FRC по сравнению с обычным режимом приводит к большему времени удержания при сокращенных размерах плазмы. Аналогичные тенденции заметны также для времен удержания потока и энергии, как описывается ниже, которые в FRC-системе 10 тоже увеличились в 3-8 раз. Следовательно, крупным достижением высокоэффективного режима FRC является возможность использования небольшой мощности пучков, менее сильных магнитных полей и меньших габаритов для поддержки и сохранения равновесий FRC в FRC-системе 10 и будущих более мощных машинах. Этим усовершенствованиям сопутствуют меньшие затраты на эксплуатацию и сооружение, а также пониженная техническая сложность.As shown in FIG. 1, the newly discovered high efficiency FRC mode exhibits dramatically improved transfer behavior. FIG. 1 illustrates the change in the retention time of particles in the FRC system during the transition from the normal mode to the high efficiency FRC mode. As you can see, the mentioned time in the high efficiency FRC mode increased by more than 5 times. Moreover, FIG. 1 specifies the retention time of particles in the FRC system 10 in relation to the retention time of particles in experiments with prior art FRCs. For these other machines, the high efficiency FRC mode of FRC 10 has a retention that has a gain of between 5 and a value close to 20. Finally - and most importantly - the nature of the scale invariance of the retention for FRC 10 in the high efficiency FRC mode is dramatic. differs from all known measurements. Prior to establishing a high efficiency FRC mode in FRC system 10, various empirical scaling laws were derived from the data to predict retention times in experiments with known FRCs. All these rules depend mainly on the ratio R2 / pi, where R is the zero radius of the magnetic field (a non-strict measure of the physical scale of the machine), and pI is the Larmor radius of the ion, estimated in an externally applied field (a non-strict measure of the applied magnetic field). From FIG. 1, it is clear that long-term confinement in a conventional FRC is only possible with a large machine and / or a strong magnetic field. The operation of the FRC system 10 in the normal FRC mode reflects the tendency to follow the normal rules as indicated in FIG. 1. At the same time, the highly efficient FRC mode is significantly superior to the mentioned mode and shows that much better confinement is achievable without large machine dimensions or strong magnetic fields. From FIG. 1 is also clear: more importantly, the high efficiency FRC mode, compared to the conventional mode, results in longer confinement times at reduced plasma sizes. Similar trends are also noticeable for the flux and energy retention times, as described below, which in FRC system 10 also increased 3-8 times. Hence, a major advance in the high efficiency FRC mode is the ability to use low beam powers, weaker magnetic fields, and smaller footprint to maintain and maintain FRC equilibria in FRC system 10 and future more powerful machines. These improvements come with lower operating and construction costs and lower technical complexity.

Для дальнейшего сравнения данные характерного разряда в высокоэффективном режиме FRC в FRC-системе 10 показаны на фиг. 18 как функция времени. На фиг. 18(а) изображен радиус исключаемого потока в средней плоскости. Для этих раздвинутых временных рамок проводящая стальная стенка больше не является хорошим средством сохранения потока, а магнитные зонды изнутри от стенки дополнены зондами снаружи от стенки для надлежащего учета магнитной диффузии потока сквозь сталь. По сравнению с типичными рабочими параметрами в обычном режиме, показанными на фиг. 13, режим работы, соответствующий высокоэффективному режиму FRC, демонстрирует время жизни, увеличенное более чем на 400%.For further comparison, high efficiency FRC characteristic discharge data in FRC system 10 is shown in FIG. 18 as a function of time. FIG. 18 (a) depicts the radius of the cut-off stream in the midplane. For this extended timescale, the conductive steel wall is no longer a good means of flux conservation, and the inside-of-wall magnetic probes are supplemented with outside-wall probes to properly account for magnetic diffusion of flux through the steel. Compared to the typical operating parameters shown in FIG. 13, the mode of operation corresponding to the high efficiency FRC mode demonstrates the life time increased by more than 400%.

На фиг 18(b) показан характерный график следа линейно-интегральной плотности с его инвертированным по Абелю дополнением, а на фиг. 18(с) - профили плотности. По сравнению с обычным режимом FRC, показанным на фиг. 13, плазма является более статичной на всем протяжении импульса, что свидетельствует о весьма устойчивой работе. Пиковая плотность на снимках высокоэффективного режима FRC также немного ниже, что является следствием большей (с коэффициентом увеличения до 2) полной температуры плазмы, как показано на фиг. 18(d).FIG. 18 (b) shows a representative linear density trace with its Abel-inverted complement, and FIG. 18 (c) - density profiles. Compared to the conventional FRC mode shown in FIG. 13, the plasma is more static throughout the pulse, which indicates a very stable operation. The peak density in the high efficiency FRC images is also slightly lower due to the higher (up to 2) total plasma temperature, as shown in FIG. 18 (d).

Для соответствующего разряда, проиллюстрированного на фиг. 18, времена удержания энергии, частиц и потока составляют 0,5, 1 и 1 мс соответственно. В момент начала отсчета 1 мс при вхождении в разряд аккумулированная энергия плазмы составляет 2 кДж в то время, как потери составляют примерно 4 МВт, что делает этот целевой набор параметров весьма подходящим для поддержки пучков нейтральных частиц.For the corresponding discharge illustrated in FIG. 18, the energy, particle and flux retention times are 0.5, 1, and 1 ms, respectively. At the instant of 1 ms, when entering the discharge, the accumulated energy of the plasma is 2 kJ, while the losses are about 4 MW, which makes this target set of parameters very suitable for supporting beams of neutral particles.

- 13 039021- 13 039021

На фиг. 19 все преимущества высокоэффективного режима FRC подытожены в форме вновь устанавливаемой масштабной инвариантности экспериментального удержания потока в высокоэффективном режиме FRC. Как можно увидеть на фиг. 19, на основании измерений, проведенных до и после момента t=0,5 мс, т.е. когда t<0,5 мс и t>0,5 мс, масштабы удержания потока (и, аналогично, удержания частиц и удержания энергии), грубо говоря, зависят от квадрата температуры электронов (Те) для заданного радиуса сепаратрисы. Это строгое масштабирование положительной мощностью согласно Те (а не отрицательной мощностью) полностью противоположно тому, которое демонстрируется обычными токамаками, где удержание, как правило, обратно пропорционально некоторой мощности согласно температуре электронов. Проявление этой масштабной инвариантности является прямым следствием состояния высокоэффективного режима FRC и популяции ионов на орбитах больших радиусов (т.е. орбитах в масштабе топологии FRC и/или, по меньшей мере, линейном масштабе градиента характеристического магнитного поля). По большому счету, эта новая масштабная инвариантность существенно благоприятствует высоким рабочим температурам и позволяет получить реакторы относительно небольших размеров.FIG. 19, all the benefits of high efficiency FRC are summarized in the form of the newly established scale invariance of experimental flow confinement in high efficiency FRC. As can be seen in FIG. 19, based on measurements taken before and after t = 0.5 ms, i.e. when t <0.5 ms and t> 0.5 ms, the scales of flux confinement (and, similarly, particle confinement and energy confinement), roughly speaking, depend on the square of the electron temperature (Te) for a given separatrix radius. This strict scaling with positive power according to Te (rather than negative power) is completely opposite to that exhibited by conventional tokamaks, where confinement is generally inversely proportional to some power according to the electron temperature. The manifestation of this scale invariance is a direct consequence of the state of high efficiency FRC and ion populations in large radius orbits (i.e., orbits on the scale of the FRC topology and / or at least a linear scale of the characteristic magnetic field gradient). Generally speaking, this new scale invariance significantly favors high operating temperatures and allows relatively small reactors.

При наличии преимуществ, которые дает высокоэффективный режим FRC, достижимо поддержание или статическое состояние FRC, возбуждаемое пучками нейтральных частиц, которое может быть поддержано с помощью инжекции надлежащих таблеток, а это значит, что глобальные параметры плазмы, такие как термическая энергия плазмы, общие количества частиц, радиус и длина плазмы, а также магнитный поток, поддерживаются на обоснованных уровнях без существенного спада. Для сравнения, на фиг. 20 показаны данные на графике А, полученные в результате разряда в характерном высокоэффективном режиме FRC на FRC-системе 10 как функция времени, и на графике В для проектируемого характерного высокоэффективного режима FRC на FRC-системе 10 как функция времени, при этом FRC 450 поддерживается без спада на всем протяжении импульса пучка нейтральных частиц. Для получения графика А пучки нейтральных частиц с суммарной мощностью в диапазоне примерно 2,5-2,9 МВт инжектировали в FRC 460 при длительности активных импульсов пучков примерно 6 мс. Время жизни плазмы как диамагнетика, отображенное на графике А, составляло примерно 5,2 мс. Более новые данные показывают, что при длительности активных импульсов пучков примерно 7 мс достижимо время жизни плазмы как диамагнетика, составляющее примерно 7,2 мс.Given the benefits of a highly efficient FRC mode, it is possible to maintain or static FRC, excited by neutral beams, which can be maintained by injecting the proper pellets, which means that global plasma parameters such as plasma thermal energy, total particle numbers , the radius and length of the plasma, as well as the magnetic flux, are maintained at reasonable levels without a significant drop. For comparison, FIG. 20 shows the data in graph A obtained from the discharge in the characteristic high efficiency FRC mode on the FRC system 10 as a function of time, and in graph B for the projected characteristic high efficiency mode FRC mode on the FRC system 10 as a function of time, while the FRC 450 is maintained without decay over the entire length of the pulse of the beam of neutral particles. To obtain graph A, beams of neutral particles with a total power in the range of about 2.5-2.9 MW were injected into the FRC 460 with a duration of active beam pulses of about 6 ms. The plasma lifetime as a diamagnet, shown in graph A, was approximately 5.2 ms. Newer data show that with a duration of active pulses of beams of about 7 ms, the lifetime of a plasma as a diamagnet is attainable, which is about 7.2 ms.

Как отмечалось выше в связи с фиг. 16, корреляция между длительностью импульсов пучков и временем жизни FRC не является совершенной, поскольку захват пучков становится неэффективным, когда размеры плазмы меньше определенных, т.е. когда физические размеры FRC 450 сокращаются и не все инжектируемые пучки перехватываются и захватываются. Сокращение размеров FRC происходит в первую очередь из-за того, что чистые потери энергии (~4 МВт примерно на полпути через разряд) из FRCплазмы во время разряда несколько больше, чем общая мощность, подводимая в FRC посредством пучков нейтральных частиц (~2,5 МВт) для конкретного экспериментального запуска. Как отмечалось выше в связи с фиг. 3С, наклонная инжекция из пушек 600, стреляющих пучками нейтральных частиц, к средней плоскости улучшает связь пучок-плазма даже тогда, когда FRC-плазма сокращается или иным образом сжимается в осевом направлении в течение периода инжекции. Кроме того, надлежащая подпитка таблетками позволит поддержать требуемую плотность плазмы.As noted above in connection with FIG. 16, the correlation between the pulse duration of the beams and the FRC lifetime is not perfect, since the capture of beams becomes ineffective when the plasma dimensions are less than certain, i.e. when the physical dimensions of the FRC 450 are reduced and not all injected beams are intercepted and captured. The reduction in the size of the FRC is primarily due to the fact that the net energy loss (~ 4 MW about halfway through the discharge) from the FRC plasma during the discharge is somewhat greater than the total power supplied to the FRC by the neutral particle beams (~ 2.5 MW) for a specific pilot run. As noted above in connection with FIG. 3C, oblique injection from the neutral particle cannons 600 toward the midplane improves the beam-plasma coupling even when the FRC plasma contracts or otherwise contracts axially during the injection period. In addition, proper tablet feeding will maintain the required plasma density.

На графике В представлен результат этапов моделирования, проведенных с использованием длительности активных импульсов пучков примерно 6 мс и общей мощности пучков из пушек 600, стреляющих пучками нейтральных частиц, несколько превышавшей примерно 10 МВт, при этом пучки нейтральных частиц приведут к инжекции быстрых (Н) или диффузионных (D) нейтральных частиц с энергией частиц примерно 15 кэВ. Эквивалентный ток, инжектируемый каждым из пучков, составляет примерно 110 А. Для графика В угол инжекции пучков относительно оси устройства составлял примерно 20°, а целевой радиус - 0,19 м. Угол инжекции можно изменять в пределах диапазона 15-25°. Пучки следует направлять в азимутальном направлении так, чтобы токи были параллельными. Равнодействующая боковых сил, а также равнодействующая осевых сил, возникающих в результате пучков нейтральных частиц с некоторым количеством движения, будут минимизироваться. Как и при получении графика А, быстрые (Н) нейтральные частицы инжектируются из инжекторов 600 пучков нейтральных частиц с момента, когда северная и южная формирующие FRC сливаются в камере 100 удержания в одну FRC 450.Graph B shows the result of the simulation steps carried out using an active pulse duration of about 6 ms and a total beam power from 600 cannons firing neutral particle beams slightly exceeding about 10 MW, while beams of neutral particles will lead to the injection of fast (H) or diffusion (D) neutral particles with a particle energy of about 15 keV. The equivalent current injected by each of the beams is approximately 110 A. For graph B, the angle of beam injection relative to the device axis was approximately 20 °, and the target radius was 0.19 m. The injection angle can be varied within the 15-25 ° range. The beams should be directed in the azimuthal direction so that the currents are parallel. The resultant of the lateral forces as well as the resultant of the axial forces resulting from beams of neutral particles with some amount of motion will be minimized. As in plot A, fast (H) neutral particles are injected from neutral beam injectors 600 from the moment the north and south forming FRCs merge in the containment chamber 100 into one FRC 450.

Этапы моделирования, послужившие основой для построения графика В, предусматривали использование многомерных алгоритмов решения посредством магнитогидродинамического (МГД) генератора Холла для получения плазмы и равновесия в соответствии с известными методами, полностью кинетических алгоритмов решения методом Монте-Карло для составляющих интенсивных пучков и всех процессов рассеяния, а также использование системы уравнений для всех семейств плазмы с целью моделирования интерактивных процессов потерь. Транспортные компоненты эмпирически калиброваны и отмечены реперами по отношению к экспериментальной базе данных.The modeling stages, which served as the basis for plotting the B graph, provided for the use of multidimensional algorithms for solving by means of a magnetohydrodynamic (MHD) Hall generator to obtain plasma and equilibrium in accordance with known methods, completely kinetic algorithms for solving the Monte Carlo method for components of intense beams and all scattering processes, as well as the use of a system of equations for all plasma families in order to simulate interactive loss processes. Transport components are empirically calibrated and marked with benchmarks in relation to the experimental database.

Как показано посредством графика В, срок службы диамагнетиков в установившемся состоянии FRC 450 будет равен длительности импульса пучка. Вместе с тем, важно отметить, что ключевой корреляционный график В показывает, что когда пучки отключают, плазма или FRC начинает спадать в этот момент, но не раньше. Этот спад аналогичен наблюдаемому при разрядах, которые не стимулируются пучками, - вероятно, по истечении порядка 1 мс после момента отключения, - и просто отражает харакAs shown by graph B, the steady-state life of the diamagnets of the FRC 450 will be equal to the pulse width of the beam. However, it is important to note that key correlation plot B shows that when the beams are turned off, the plasma or FRC begins to decay at this point, but not before. This decay is similar to that observed for discharges that are not stimulated by beams - probably after about 1 ms after the moment of shutdown - and simply reflects the characteristic

- 14 039021 теристическое время удержания плазмы, возбуждаемой процессами собственных потерь.- 14 039021 Theristic confinement time of the plasma excited by the processes of intrinsic losses.

Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, лишь конкретные его примеры показаны на чертежах и подробно описаны выше. Вместе с тем следует понять, что изобретение не ограничивается раскрытыми конкретными формами или способами; наоборот, изобретение следует считать охватывающим все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в рамках существа и объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.Although the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, only specific examples are shown in the drawings and described in detail above. However, it should be understood that the invention is not limited to the specific forms or methods disclosed; on the contrary, the invention is to be considered to cover all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the appended claims.

В вышеизложенном описании, конкретная совокупность признаков приводится лишь в целях пояснения, обеспечивающего полное понимание данного изобретения. Вместе с тем специалист в данной области техники поймет, что эти конкретные подробности не являются обязательными для воплощения данного изобретения на практике.In the foregoing description, a specific set of features is provided for illustrative purposes only, providing a thorough understanding of the present invention. However, one skilled in the art will understand that these specific details are not required to practice this invention.

Различные признаки из характерных примеров и зависимых пунктов формулы изобретения можно объединять способами, не перечисляемыми конкретно и в явном виде, с целью обеспечения дополнительных полезных вариантов осуществления принципов данного изобретения. Также явно видно, что все диапазоны значений или указания групп объектов раскрывают каждое возможное промежуточное значение или каждый промежуточный объект с целью обычного описания, а также с целью ограничения заявляемого объекта изобретения.Various features from the representative examples and dependent claims may be combined in ways not specifically and explicitly listed in order to provide additional useful embodiments of the principles of the present invention. It is also clearly seen that all ranges of values or indications of groups of objects disclose every possible intermediate value or every intermediate object for the purpose of the usual description, as well as for the purpose of limiting the claimed subject matter.

Предложены системы и способы генерирования и поддержания FRC, работающих в высокоэффективном режиме FRC. Понятно, что варианты осуществления, описанные здесь, приведены с целью пояснения и не должны считаться ограничивающими объект изобретения. Для специалиста в области техники будут очевидны различные модификации, приложения, замены, комбинации, усовершенствования, способы получения, находящиеся в рамках объема притязаний или существа данного изобретения. Например, читатель должен понять, что конкретный порядок и совокупность технологических операций, описанные здесь, являются лишь иллюстративными, если не указано иное, а изобретение можно осуществить с использованием отличающихся или дополнительных технологических операций или другой совокупности либо порядка технологических операций. В качестве еще одного примера отметим, что каждый признак одного варианта осуществления можно сочетать и согласовывать с другими признаками, приведенными в других вариантах осуществления. При желании можно также предусмотреть наличие признаков и процессов, известных обычным специалистам. Помимо этого, очевидно, что при желании признаки можно вносить или исключать. Соответственно изобретение не ограничивается ничем, кроме того, что изложено в прилагаемой формуле изобретения и ее эквивалентах.Systems and methods for generating and maintaining FRCs operating in a highly efficient FRC mode are proposed. It is understood that the embodiments described herein are for illustrative purposes and should not be considered as limiting the subject matter of the invention. Various modifications, applications, substitutions, combinations, improvements, methods of preparation, which are within the scope of the claims or spirit of the present invention, will be apparent to a person skilled in the art. For example, the reader should understand that the specific order and set of technological steps described herein are illustrative only, unless otherwise indicated, and the invention can be implemented using different or additional technological steps or a different set or order of technological steps. As another example, note that each feature of one embodiment may be combined and matched with other features found in other embodiments. If desired, you can also envisage the presence of features and processes known to those of ordinary skill in the art. In addition, it is obvious that, if desired, features can be introduced or excluded. Accordingly, the invention is not limited by anything other than what is set forth in the appended claims and their equivalents.

В одном аспекте настоящего изобретения предложен способ генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), включающий в себя этапы формирования FRC вокруг плазмы в камере удержания и поддержания FRC на или примерно на постоянном значении без спада путем инжекции пучков быстрых нейтральных атомов из инжекторов пучков нейтральных частиц в FRC-плазму под некоторым углом к средней плоскости камеры удержания.In one aspect, the present invention provides a method for generating and maintaining a magnetic field using a field reversed configuration (FRC), comprising the steps of forming an FRC around a plasma in a confinement chamber and maintaining the FRC at or about a constant value without decay by injecting beams of fast neutral atoms from injectors of beams of neutral particles into FRC-plasma at a certain angle to the median plane of the confinement chamber.

Согласно одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап генерирования магнитного поля внутри камеры с помощью катушек квазипостоянного тока, простирающихся вокруг камеры.In one embodiment, the method further includes the step of generating a magnetic field within the chamber using quasi-DC coils extending around the chamber.

Согласно одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап генерирования зеркального магнитного поля в пределах противоположных торцов упомянутой камеры с помощью зеркальных катушек квазипостоянного тока, простирающихся вокруг противоположных торцов этой камеры.According to one embodiment, the method further includes the step of generating a specular magnetic field within opposite ends of said chamber using quasi-DC specular coils extending around opposite ends of said chamber.

Согласно еще одному варианту осуществления этап формирования FRC включает в себя формирование формирующей FRC в формирующей секции, связанной с торцом камеры удержания, и ускорение формирующей FRC к средней плоскости камеры для формирования FRC.In yet another embodiment, the FRC forming step includes forming a forming FRC in a forming section associated with an end face of the holding chamber and accelerating the forming FRC toward a center plane of the chamber to form the FRC.

Согласно одному дополнительному варианту осуществления этап формирования FRC включает в себя формирование второй формирующей FRC во второй формирующей секции, связанной со вторым торцом камеры удержания, и ускорение второй формирующей FRC к средней плоскости упомянутой камеры, где две формирующие FRC сливаются для формирования FRC.According to one further embodiment, the FRC forming step includes forming a second forming FRC in a second forming section associated with a second end of the containment chamber and accelerating the second forming FRC toward the midplane of said chamber where the two forming FRCs merge to form an FRC.

Согласно еще одному дополнительному варианту осуществления этап формирования FRC включает в себя одно из формирования формирующей FRC с одновременным ускорением формирующей FRC к средней плоскости упомянутой камеры и формирования формирующей FRC с последующим ускорением формирующей FRC к средней плоскости этой камеры.In yet another further embodiment, the step of forming an FRC includes one of forming a forming FRC while simultaneously accelerating the forming FRC toward a midplane of said chamber and forming a forming FRC followed by accelerating the forming FRC toward a midplane of said chamber.

Согласно одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап направления поверхностей магнитного потока FRC в диверторы, связанные с торцами формирующих секций.In one embodiment, the method further includes the step of directing the FRC magnetic flux surfaces into divertors associated with the ends of the forming sections.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап направления поверхностей магнитного потока FRC в дивертор, связанный с торцом формирующей секции.In yet another embodiment, the method further includes the step of directing the FRC flux surfaces into a divertor associated with an end face of the forming section.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап направления поверхностей магнитного потока FRC во второй дивертор, связанный с торцом упомянутой камеры напротив формирующей секции.In another embodiment, the method further includes the step of directing the FRC magnetic flux surfaces into a second divertor associated with an end of said chamber opposite the forming section.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап генерирования магнитного поля в пределах формирующих секций и диверторов с помощью катушек квазипо- 15 039021 стоянного тока, простирающихся вокруг формирующих секций и диверторов.In yet another embodiment, the method further includes the step of generating a magnetic field within the shaping sections and divertors with dc quasi-15 039021 coils extending around the shaping sections and divertors.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап генерирования зеркального магнитного поля между формирующими секциями и диверторами с помощью зеркальных катушек квазипостоянного тока.In another embodiment, the method further includes the step of generating a specular magnetic field between the shaping sections and the divertors using quasi-DC specular coils.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап генерирования магнитного поля зеркальных пробок в пределах сужения между формирующими секциями и диверторами с помощью зеркальных пробочных катушек квазипостоянного тока, простирающихся вокруг сужения между формирующими секциями и диверторами.According to yet another embodiment, the method further includes the step of generating a magnetic field of the mirror plugs within a taper between the forming sections and the divertors with quasi-DC mirror plug coils extending around the taper between the forming sections and the divertors.

Согласно еще одному варианту осуществления этап поддержания FRC дополнительно включает в себя этап инжектирования таблеток нейтральных атомов в FRC.In yet another embodiment, the step of maintaining the FRC further includes the step of injecting pellets of neutral atoms into the FRC.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап генерирования одного из дипольного магнитного поля и квадрупольного магнитного поля внутри камеры с помощью отклоняющих катушек, связанных с камерой.In yet another embodiment, the method further includes the step of generating one of a dipole magnetic field and a quadrupole magnetic field within the chamber using deflecting coils associated with the chamber.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап кондиционирования внутренних поверхностей камеры, формирующих секций и диверторов с помощью системы геттерирования.In yet another embodiment, the method further includes the step of conditioning the interior surfaces of the chamber, forming sections and divertors with a gettering system.

Согласно еще одному варианту осуществления система геттерирования включает в себя одну из системы осаждения титана и системы осаждения лития.In another embodiment, the gettering system includes one of a titanium deposition system and a lithium deposition system.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап осевой инжекции плазмы в FRC из установленных в осевом направлении плазменных пушек.In yet another embodiment, the method further includes the step of axially injecting plasma into the FRC from axially mounted plasma guns.

Согласно еще одному варианту осуществления способ дополнительно включает в себя этап контроля радиального профиля электрического поля в граничном слое FRC.In another embodiment, the method further includes the step of monitoring the radial profile of the electric field in the FRC boundary layer.

Согласно еще одному варианту осуществления этап контроля радиального профиля электрического поля в граничном слое FRC включает в себя наложение распределения электрического потенциала на группу поверхностей открытого поля FRC с помощью отклоняющих электродов.According to yet another embodiment, the step of monitoring the radial profile of the electric field in the boundary layer of the FRC includes superimposing an electric potential distribution on the group of open field FRC surfaces using deflecting electrodes.

Во втором аспекте настоящего изобретения предложена система для генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), содержащая камеру удержания, первую и вторую диаметрально противоположные формирующие FRC секции, связанные с камерой удержания, причем формирующая секция содержит модульные формирующие системы для генерирования FRC и поступательного перемещения FRC к средней плоскости камеры удержания, первый и второй диверторы, связанные с первой и второй формирующими секциями, первую и вторую осевые плазменные пушки, функционально связанные с первым и вторым диверторами, первой и второй формирующими секциями и камерой удержания, множество инжекторов пучков нейтральных атомов, связанных с камерой удержания и ориентированных с возможностью инжекции пучков нейтральных атомов к средней плоскости камеры удержания под меньшим углом, чем прямой к продольной оси камеры удержания, магнитную систему, содержащую множество катушек квазипостоянного тока, расположенных вокруг камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, первый и второй наборы зеркальных катушек квазипостоянного тока, расположенные между камерой удержания и первой и второй формирующими секциями, первые и вторые зеркальные пробки, расположенные между первой и второй формирующими секциями и первым и вторым диверторами, систему геттерирования, связанную с камерой удержания и первым и вторым диверторами, один или более смещающих электродов для электрического смещения поверхности открытого поля генерируемой FRC, причем упомянутый один или более смещающих электродов расположены внутри одного или более из камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, две или более отклоняющих катушек, связанных с камерой удержания, и инжектор ионных таблеток, связанный с камерой удержания.In a second aspect of the present invention, there is provided a system for generating and maintaining a magnetic field using a field reversed configuration (FRC), comprising a retention chamber, first and second diametrically opposed FRC forming sections associated with the containment chamber, the forming section comprising modular forming systems for generating FRC and FRC translational movement to the middle plane of the containment chamber, the first and second divertors associated with the first and second forming sections, the first and second axial plasma guns, functionally connected with the first and second divertors, the first and second forming sections and the containment chamber, a plurality of injectors beams of neutral atoms connected to the confinement chamber and oriented with the possibility of injecting beams of neutral atoms to the middle plane of the confinement chamber at a smaller angle than a straight line to the longitudinal axis of the confinement chamber, a magnetic system containing a plurality of quasi-constant current coils placed around the holding chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, the first and second sets of quasi-constant current mirror coils located between the holding chamber and the first and second forming sections, the first and second mirror plugs located between the first and second forming sections, and the first and second divertors, a gettering system associated with the confinement chamber and the first and second divertors, one or more biasing electrodes for electrically biasing the surface of the open field generated by the FRC, said one or more biasing electrodes located inside one or more of the confinement chamber, the first and second forming sections and first and second divertors, two or more deflecting coils associated with the containment chamber, and an ion pellet injector associated with the containment chamber.

Согласно одному варианту осуществления система выполнена с обеспечением возможности генерирования FRC и поддержания FRC на или примерно на постоянном значении без спада, в то время как пучки нейтральных атомов инжектируются в FRC.In one embodiment, the system is configured to generate an FRC and keep the FRC at or about a constant value without decay while beams of neutral atoms are injected into the FRC.

Согласно одному варианту осуществления зеркальная пробка содержит третий и четвертый наборы зеркальных катушек между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.In one embodiment, the mirror plug includes a third and fourth sets of mirror coils between each of the first and second forming sections and the first and second divertors.

Согласно одному варианту осуществления зеркальная пробка дополнительно содержит набор зеркальных пробочных катушек, обвитых вокруг сужения в канале между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.In one embodiment, the mirror plug further comprises a set of mirror plug coils wrapped around a throat in a channel between each of the first and second forming sections and the first and second divertors.

Согласно еще одному варианту осуществления удлиненная труба представляет собой кварцевую трубу с кварцевой футеровкой.In another embodiment, the elongated tube is a quartz lined quartz tube.

Согласно еще одному варианту осуществления формирующие системы являются формирующими системами импульсного питания.In another embodiment, the shaping systems are pulse power shaping systems.

Согласно еще одному варианту осуществления формирующие системы содержат множество блоков питания и управления, связанных с отдельными узлами из множества узлов подвески для возбуждения набора катушек отдельных узлов из упомянутого множества узлов подвески, обвитых вокруг удлиненной трубы первой и второй формирующих секций.In yet another embodiment, the shaping systems comprise a plurality of power and control units associated with individual assemblies from a plurality of suspension assemblies to energize a set of coils of discrete assemblies from said plurality of suspension assemblies wound around an elongated tube of the first and second shaping sections.

- 16 039021- 16 039021

Согласно еще одному варианту осуществления отдельные блоки из упомянутого множества блоков питания и управления содержат систему запуска и управления.According to yet another embodiment, the individual blocks of said plurality of power and control units comprise a start and control system.

Согласно еще одному варианту осуществления системы запуска и управления отдельных блоков из упомянутого множества блоков питания и управления выполнены с возможностью синхронизации для обеспечения статического формирования FRC, причем FRC формируется, а затем инжектируется, или динамического формирования FRC, причем FRC одновременно формируется и поступательно перемещается.According to another embodiment, the systems for triggering and controlling individual units of said plurality of power and control units are synchronized to provide static formation of an FRC, wherein the FRC is generated and then injected, or dynamically generated FRC, wherein the FRC is simultaneously formed and progressively moved.

Согласно еще одному варианту осуществления упомянутое множество инжекторов пучков нейтральных атомов содержит один или более инжекторов пучков нейтральных атомов с источниками ВЧплазмы и один или более инжекторов пучков нейтральных атомов с дуговыми источниками.According to another embodiment, said plurality of neutral atom beam injectors comprises one or more neutral atom beam injectors with RF plasma sources and one or more neutral atom beam injectors with arc sources.

Согласно еще одному варианту осуществления множество инжекторов пучков нейтральных атомов ориентированы так, что тракты инжекции направлены тангенциально к FRC с целевой зоной захвата в пределах сепаратрисы FRC.In yet another embodiment, the plurality of neutral atom beam injectors are oriented such that the injection paths are directed tangentially to the FRC with a target capture zone within the FRC separatrix.

Согласно еще одному варианту осуществления система геттерирования содержит одну или более из системы осаждения титана и системы осаждения лития, которые покрывают обращенные к плазме поверхности камеры удержания и первого и второго диверторов.In yet another embodiment, the gettering system comprises one or more of a titanium deposition system and a lithium deposition system that coat the plasma-facing surfaces of the confinement chamber and the first and second divertors.

Согласно еще одному варианту осуществления смещающие электроды включают в себя один или более из одного или более точечных электродов, расположенных внутри камеры удержания для контакта с силовыми линиями открытого поля, набора кольцевых электродов между камерой удержания и первой и второй формирующими секциями для азимутально-симметричной зарядки удаленных от границы слоев потока, множества концентрических уложенных в пакет электродов, расположенных в первом и втором диверторах для зарядки множественных концентрических слоев потока, а также анодов плазменных пушек для перехвата открытого потока.According to another embodiment, the bias electrodes include one or more of one or more point electrodes located within the containment chamber for contact with the open field lines, a set of annular electrodes between the containment chamber and the first and second forming sections for azimuthally symmetric charging of remote from the boundary of the flow layers, a plurality of concentric stacked electrodes located in the first and second divertors for charging multiple concentric flow layers, as well as anodes of plasma guns to intercept the open flow.

В третьем аспекте настоящего изобретения предложена система для генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), содержащая камеру удержания, первую и вторую диаметрально противоположные формирующие FRC секции, связанные с камерой удержания, первый и второй диверторы, связанные с первой и второй формирующими секциями, одно или более из множества плазменных пушек, одного или более смещающих электродов и первой и второй зеркальных пробок, причем упомянутое множество плазменных пушек включает в себя первую и вторую осевые плазменные пушки, функционально связанные с первым и вторым диверторами, первой и второй формирующими секциями и камерой удержания, при этом упомянутые один или более смещающих электродов расположены внутри одного или более из камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, и при этом первая и вторая зеркальные пробки расположены между первой и второй формирующими секциям и первым и вторым диверторами, систему геттерирования, связанную с камерой удержания и первым и вторым диверторами, множество инжекторов пучков нейтральных атомов, связанных с камерой удержания и ориентированных перпендикулярно оси камеры удержания, и магнитную систему, содержащую множество катушек квазипостоянного тока, расположенных вокруг камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, первый и второй наборы зеркальных катушек квазипостоянного тока, расположенные между камерой удержания и первой и второй формирующими секциями, при этом система выполнена с обеспечением возможности генерирования FRC и поддержания FRC без спада, в то время как пучки нейтральных частиц инжектируются в плазму.In a third aspect of the present invention, there is provided a system for generating and maintaining a magnetic field using a field reversed configuration (FRC), comprising a containment chamber, first and second diametrically opposed FRC-forming sections associated with the containment chamber, first and second divertors associated with the first and the second forming sections, one or more of a plurality of plasma guns, one or more bias electrodes, and first and second mirror plugs, said plurality of plasma guns including first and second axial plasma guns, functionally associated with the first and second divertors, the first and second forming sections and a holding chamber, wherein said one or more biasing electrodes are located inside one or more of the holding chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, and wherein the first and second mirror plugs are located between the first and second forming sections and first and second q with inverters, a gettering system associated with the confinement chamber and the first and second divertors, a plurality of injectors of beams of neutral atoms associated with the confinement chamber and oriented perpendicular to the axis of the confinement chamber, and a magnetic system containing a plurality of quasi-direct current coils located around the confinement chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, the first and second sets of mirror coils of quasi-constant current, located between the confinement chamber and the first and second forming sections, while the system is made with the possibility of generating FRC and maintaining FRC without decay, while beams of neutral particles are injected into plasma.

Согласно одному варианту осуществления система выполнена с возможностью генерирования FRC и поддержания FRC на или примерно на постоянном значении без спада, в то время как пучки нейтральных атомов инжектируются в FRC.In one embodiment, the system is configured to generate an FRC and keep the FRC at or about a constant value without decay while beams of neutral atoms are injected into the FRC.

Согласно одному варианту осуществления зеркальная пробка содержит третий и четвертый наборы зеркальных катушек между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.In one embodiment, the mirror plug includes a third and fourth sets of mirror coils between each of the first and second forming sections and the first and second divertors.

Согласно еще одному варианту осуществления зеркальная пробка дополнительно содержит набор зеркальных пробочных катушек, обвитых вокруг сужения в канале между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.In yet another embodiment, the mirror plug further comprises a set of mirror plug coils wrapped around the throat in the channel between each of the first and second forming sections and the first and second divertors.

Согласно одному варианту осуществления система дополнительно содержит первую и вторую осевые плазменные пушки, функционально связанные с первым и вторым диверторами, первой и второй формирующими секциями и камерой удержания.According to one embodiment, the system further comprises first and second axial plasma guns operatively associated with the first and second divertors, the first and second forming sections, and the containment chamber.

Согласно одному варианту осуществления система дополнительно содержит две или более отклоняющие катушки, связанные с камерой удержания.In one embodiment, the system further comprises two or more deflection coils associated with the containment chamber.

Согласно одному варианту осуществления система дополнительно содержит инжектор ионных таблеток, связанный с камерой удержания.In one embodiment, the system further comprises an ion pellet injector associated with the retention chamber.

Согласно еще одному варианту осуществления формирующая секция содержит модульные формирующие системы для генерирования FRC и ее поступательного перемещения к средней плоскости камеры удержания.In yet another embodiment, the forming section comprises modular forming systems for generating the FRC and translating it toward the midplane of the containment chamber.

Согласно еще одному варианту осуществления смещающие электроды включают в себя один илиIn another embodiment, the biasing electrodes include one or

- 17 039021 более из одного или более точечных электродов, расположенных внутри камеры удержания для контакта с силовыми линиями открытого поля, набора кольцевых электродов между камерой удержания и первой и второй формирующими секциями для азимутально-симметричной зарядки удаленных от границы слоев потока, множества концентрических уложенных в пакет электродов, расположенных в первом и втором диверторах для зарядки множественных концентрических слоев потока, а также анодов плазменных пушек для перехвата открытого потока.- 17 039021 more of one or more point electrodes located inside the containment chamber for contact with the open field lines of force, a set of annular electrodes between the containment chamber and the first and second forming sections for azimuthally symmetric charging of flow layers remote from the boundary, a plurality of concentric stacked a package of electrodes located in the first and second divertors for charging multiple concentric layers of the flow, as well as anodes of plasma guns to intercept the open flow.

Claims (26)

1. Система генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), содержащая камеру удержания, первую и вторую диаметрально противоположные формирующие FRC-секции, связанные с камерой удержания, первый и второй диверторы, связанные с первой и второй формирующими секциями, первую и вторую осевые плазменные пушки, функционально связанные с первым и вторым диверторами, первой и второй формирующими секциями и камерой удержания, множество инжекторов пучков нейтральных атомов, связанных с камерой удержания и ориентированных с возможностью инжекции пучков нейтральных атомов к средней плоскости камеры удержания под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, и магнитную систему, связанную с камерой удержания, первой и второй формирующими секциями и первым и вторым диверторами, при этом магнитная система включает первую и вторую зеркальные пробки, расположенные между первой и второй формирующими секциями и первым и вторым диверторами, причем при формировании системой FRC в камере удержания системы FRC является поддерживаемой системой в разнесенном положении со стенкой камеры удержания и на или примерно на постоянном значении без спада, в то время как пучки нейтральных атомов инжектируются из упомянутого множества инжекторов пучков нейтральных атомов в FRC под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, и по направлению к средней плоскости камеры удержания.1. A system for generating and maintaining a magnetic field using a reversed field configuration (FRC), comprising a retention chamber, first and second diametrically opposed forming FRC sections associated with the retention chamber, first and second divertors associated with the first and second forming sections, the first and second axial plasma guns, functionally connected with the first and second divertors, the first and second forming sections and the confinement chamber, a plurality of neutral atom beam injectors connected with the confinement chamber and oriented with the possibility of injecting beams of neutral atoms to the middle plane of the confinement chamber at an angle, deviated from the normal to the longitudinal axis of the containment chamber by about 15 to 25 °, and a magnetic system associated with the containment chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, while the magnetic system includes the first and second mirror plugs located between the first and the second forming sections and the first m and the second divertors, moreover, when the FRC system is formed in the confinement chamber of the FRC system, it is a supported system in a spaced position with the confinement chamber wall and at or approximately at a constant value without decay, while beams of neutral atoms are injected from the aforementioned set of injectors of beams of neutral atoms in FRC at an angle deviated from the normal to the longitudinal axis of the containment chamber by approximately 15 to 25 °, and towards the median plane of the containment chamber. 2. Система по п.1, дополнительно содержащая один или более смещающих электродов для электрического смещения поверхности открытого поля генерируемой FRC, причем упомянутый один или более смещающих электродов расположены внутри одного или более из камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.2. The system of claim 1, further comprising one or more biasing electrodes for electrically biasing the surface of the open field generated by the FRC, said one or more biasing electrodes located within one or more of the containment chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors ... 3. Система по п.1, причем первая и вторая диаметрально противоположные формирующие FRCсекции содержат модульные формирующие системы для генерирования FRC и ее поступательного перемещения к средней плоскости камеры удержания.3. The system of claim 1, wherein the first and second diametrically opposed FRC forming sections comprise modular forming systems for generating the FRC and translating it toward the midplane of the containment chamber. 4. Система для генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), содержащая камеру удержания, первую и вторую диаметрально противоположные формирующие FRC-секции, связанные с камерой удержания, первый и второй диверторы, связанные с первой и второй формирующими секциями, множество инжекторов пучков нейтральных атомов, связанных с камерой удержания и ориентированных с возможностью инжекции пучков нейтральных атомов к средней плоскости камеры удержания под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, магнитную систему, связанную с камерой удержания, первой и второй формирующими секциями и первым и вторым диверторами, один или более смещающих электродов для электрического смещения поверхностей открытого поля генерируемой FRC, причем упомянутый один или более смещающих электродов расположены внутри одного или более из камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, причем при формировании системой FRC в камере удержания системы FRC является поддерживаемой системой в разнесенном положении со стенкой камеры удержания и на или примерно на постоянном значении без спада, в то время как пучки нейтральных атомов инжектируются из упомянутого множества инжекторов пучков нейтральных атомов в FRC под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, и по направлению к средней плоскости камеры удержания.4. A system for generating and maintaining a magnetic field using a reversed field configuration (FRC), comprising a containment chamber, first and second diametrically opposed forming FRC sections associated with the containment chamber, first and second divertors associated with the first and second forming sections , a plurality of neutral atom beam injectors connected to the confinement chamber and oriented with the possibility of injecting beams of neutral atoms to the middle plane of the confinement chamber at an angle deviated from the normal to the longitudinal axis of the confinement chamber by about 15 to 25 °, a magnetic system associated with the confinement chamber , the first and second forming sections and the first and second divertors, one or more biasing electrodes for electrically displacing the surfaces of the open field generated by the FRC, and said one or more biasing electrodes are located inside one or more of the holding chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, n Moreover, when formed by the FRC system in the confinement chamber of the FRC system, it is a supported system in a spaced position with the confinement chamber wall and at or approximately at a constant value without decay, while beams of neutral atoms are injected from the aforementioned set of injectors of beams of neutral atoms into FRC at an angle, deviated from the normal to the longitudinal axis of the containment chamber by about 15 to 25 °, and towards the middle plane of the containment chamber. 5. Система по п.4, причем смещающие электроды включают в себя один или более из одного или более точечных электродов, расположенных внутри камеры удержания для контакта с силовыми линиями открытого поля, набора кольцевых электродов между камерой удержания и первой и второй формирующими секциями для азимутально-симметричной зарядки удаленных от границы слоев потока, мно-5. The system of claim 4, wherein the bias electrodes include one or more of one or more point electrodes located within the containment chamber to contact the open field lines of force, a set of annular electrodes between the containment chamber and the first and second forming sections for azimuthal -symmetric charging of flow layers remote from the boundary, - 18 039021 жества концентрических уложенных в пакет электродов, расположенных в первом и втором диверторах для зарядки множественных концентрических слоев потока, а также анодов плазменных пушек для перехвата открытого потока.- 18 039021 sets of concentric stacked electrodes located in the first and second divertors for charging multiple concentric layers of the flow, as well as anodes of plasma guns to intercept the open flow. 6. Система по п.1 или 4, причем магнитная система включает в себя множество катушек квазипостоянного тока, аксиально разнесенных в положениях вдоль камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.6. The system of claim 1 or 4, wherein the magnetic system includes a plurality of quasi-DC coils axially spaced apart at positions along the containment chamber, first and second forming sections, and first and second divertors. 7. Система по п.6, причем магнитная система дополнительно содержит первый набор зеркальных катушек, расположенных между торцами камеры удержания и первой и второй формирующими секциями.7. The system of claim 6, wherein the magnetic system further comprises a first set of mirror coils disposed between the ends of the containment chamber and the first and second forming sections. 8. Система по п.7, причем магнитная система дополнительно содержит первую и вторую зеркальные пробки.8. The system of claim 7, wherein the magnetic system further comprises first and second mirror plugs. 9. Система по п.1 или 8, причем первый и второй наборы зеркальных пробок содержат второй набор зеркальных катушек между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.9. The system of claim 1 or 8, wherein the first and second sets of mirror plugs comprise a second set of mirror coils between each of the first and second forming sections and the first and second divertors. 10. Система по п.4, дополнительно содержащая первую и вторую осевые плазменные пушки, функционально связанные с первым и вторым диверторами, первой и второй формирующими секциями и камерой удержания.10. The system of claim 4, further comprising first and second axial plasma guns operatively associated with the first and second divertors, the first and second forming sections and the containment chamber. 11. Система для генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), содержащая камеру удержания, первую и вторую диаметрально противоположные формирующие FRC-секции, связанные с камерой удержания, первый и второй диверторы, связанные с первой и второй формирующими секциями, первую и вторую осевые плазменные пушки, функционально связанные с первым и вторым диверторами, первой и второй формирующими секциями и камерой удержания, множество инжекторов пучков нейтральных атомов, связанных с камерой удержания и ориентированных с возможностью инжекции пучков нейтральных атомов к средней плоскости камеры удержания под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, и магнитную систему, связанную с камерой удержания, первой и второй формирующими секциями и первым и вторым диверторами, причем при формировании системой FRC в камере удержания системы FRC является поддерживаемой системой в разнесенном положении со стенкой камеры удержания и на или примерно на постоянном значении без спада, в то время как пучки нейтральных атомов инжектируются из упомянутого множества инжекторов пучков нейтральных атомов в FRC под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, и по направлению к средней плоскости камеры удержания.11. A system for generating and maintaining a magnetic field using a reversed field configuration (FRC), comprising a containment chamber, first and second diametrically opposed forming FRC sections associated with the containment chamber, first and second divertors associated with the first and second forming sections , the first and second axial plasma guns, functionally connected with the first and second divertors, the first and second forming sections and the confinement chamber, a plurality of neutral atom beam injectors connected with the confinement chamber and oriented with the possibility of injecting beams of neutral atoms to the middle plane of the confinement chamber at an angle deviated from the normal to the longitudinal axis of the containment chamber by about 15 to 25 °, and a magnetic system associated with the containment chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, and when formed by the FRC system in the containment chamber, the FRC system is a supported system spaced apart with st the confinement chamber and at or approximately at a constant value without decay, while beams of neutral atoms are injected from the aforementioned set of injectors of beams of neutral atoms into the FRC at an angle deviated from the normal to the longitudinal axis of the confinement chamber by about 15 to 25 °, and towards the median plane of the containment chamber. 12. Система по п.4 или 11, причем отдельные из первой и второй формирующих секций содержат удлиненную трубу и формирующую систему импульсного питания, подключенную к удлиненной трубе.12. The system of claim 4 or 11, wherein the separate of the first and second forming sections comprises an elongated tube and a pulse power forming system connected to the elongated tube. 13. Система по п.12, причем формирующие системы содержат множество блоков питания и управления, связанных с отдельными узлами из множества узлов подвески для возбуждения набора катушек отдельных узлов из узлов подвески, обвитых вокруг удлиненной трубы первой и второй формирующих секций.13. The system of claim 12, wherein the shaping systems comprise a plurality of power and control units associated with individual nodes of the plurality of suspension assemblies to energize a set of coils of individual suspension assemblies wound around an elongated tube of the first and second shaping sections. 14. Система по п.13, причем отдельные блоки из упомянутого множества блоков питания и управления содержат систему запуска и управления.14. The system of claim 13, wherein individual blocks of said plurality of power and control units comprise a start and control system. 15. Система по п.14, причем системы запуска и управления отдельных блоков из упомянутого множества блоков питания и управления выполнены с возможностью синхронизации для обеспечения статического формирования FRC, причем FRC формируется, а затем инжектируется, или динамического формирования FRC, причем FRC одновременно формируется и поступательно перемещается.15. The system of claim 14, wherein the systems for starting and controlling individual units from said plurality of power and control units are configured to be synchronized to provide static formation of an FRC, wherein the FRC is generated and then injected, or dynamically generated FRC, wherein the FRC is simultaneously formed and moves progressively. 16. Система по п.11, дополнительно содержащая один или более смещающих электродов для электрического смещения поверхностей открытого поля генерируемой FRC.16. The system of claim 11, further comprising one or more bias electrodes for electrically biasing open field surfaces generated by the FRC. 17. Система по п.16, причем упомянутый один или более смещающих электродов включают в себя один или более из одного или более точечных электродов, расположенных внутри камеры удержания для контакта с силовыми линиями открытого поля, набора кольцевых электродов между камерой удержания и первой и второй формирующими секциями для азимутально-симметричной зарядки удаленных от границы слоев потока, множества концентрических уложенных в пакет электродов, расположенных в первом и втором диверторах для зарядки множественных концентрических слоев потока, а также анодов плазменных пушек для перехвата открытого потока.17. The system of claim 16, wherein said one or more bias electrodes include one or more of one or more point electrodes located within the containment chamber for contact with open field force lines, a set of annular electrodes between the containment chamber and the first and second forming sections for azimuthally symmetric charging of the flow layers remote from the boundary, a plurality of concentric electrodes stacked in a package located in the first and second divertors for charging multiple concentric flow layers, as well as anodes of plasma guns to intercept the open flow. 18. Система по п.17, причем магнитная система включает в себя множество катушек квазипостоянного тока, аксиально разнесенных в положениях вдоль камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, и первый набор зеркальных катушек, расположенных между торцами камеры удержания и первой и второй формирующими секциями.18. The system of claim 17, wherein the magnetic system includes a plurality of quasi-constant current coils axially spaced apart in positions along the containment chamber, first and second forming sections, and first and second divertors, and a first set of mirror coils located between the ends of the containment chamber and the first and second forming sections. 19. Система по п.11, причем магнитная система включает множество катушек квазипостоянного то-19. The system of claim 11, wherein the magnetic system includes a plurality of quasi-constant current coils - 19 039021 ка, аксиально разнесенных в положениях вдоль камеры удержания, первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, первый набор зеркальных катушек, расположенных между торцами камеры удержания и первой и второй формирующими секциями, и первую и вторую зеркальные пробки, причем содержит второй набор зеркальных катушек между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.- 19 039021 ka, axially spaced apart in positions along the holding chamber, the first and second forming sections and the first and second divertors, the first set of mirror coils located between the ends of the holding chamber and the first and second forming sections, and the first and second mirror plugs, and contains a second set of mirror coils between each of the first and second forming sections and the first and second divertors. 20. Система по п.9 или 19, причем зеркальные пробки дополнительно содержат набор компактных импульсных зеркальных катушек, обвитых вокруг сужения в канале между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.20. The system of claim 9 or 19, wherein the mirror plugs further comprise a set of compact impulse mirror coils twisted around a throat in a channel between each of the first and second forming sections and the first and second divertors. 21. Система по п.4 или 11, причем упомянутое множество инжекторов пучков нейтральных атомов ориентированы так, что тракты инжекции направлены тангенциально к FRC с целевой зоной захвата в пределах сепаратрисы FRC.21. The system of claim 4 or 11, wherein said plurality of neutral atom beam injectors are oriented so that the injection paths are directed tangentially to the FRC with a target capture zone within the FRC separatrix. 22. Система по любому из пп.1, 4 или 11, дополнительно содержащая инжектор ионных таблеток, связанный с камерой удержания.22. A system according to any one of claims 1, 4, or 11, further comprising an ion pellet injector associated with a retention chamber. 23. Система по любому из пп.1, 4 или 22, дополнительно содержащая систему геттерирования, выполненную с возможностью покрывать обращенные к плазме поверхности камеры удержания и первого и второго диверторов слоем геттерирующего материала.23. A system according to any one of claims 1, 4 or 22, further comprising a gettering system configured to cover the plasma-facing surfaces of the confinement chamber and the first and second divertors with a layer of gettering material. 24. Система по любому из пп.1, 4, 11, 12, 16, 18 или 22, причем магнитная система дополнительно содержит две или более отклоняющие катушки, связанные с камерой удержания с каждой стороны средней плоскости камеры удержания.24. A system according to any one of claims 1, 4, 11, 12, 16, 18 or 22, wherein the magnetic system further comprises two or more deflection coils associated with the containment chamber on each side of the median plane of the containment chamber. 25. Система по п.24, причем магнитная система дополнительно содержит набор компактных импульсных зеркальных катушек, обвитых вокруг сужения в канале между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов.25. The system of claim 24, wherein the magnetic system further comprises a set of compact pulse mirror coils wound around a throat in a channel between each of the first and second forming sections and the first and second divertors. 26. Система для генерирования и поддержания магнитного поля с помощью конфигурации с обращенным полем (FRC), содержащая камеру удержания, первую и вторую диаметрально противоположные формирующие FRC-секции, связанные с камерой удержания, первый и второй диверторы, связанные с первой и второй формирующими секциями, множество инжекторов пучков нейтральных атомов, связанных с камерой удержания и ориентированных с возможностью инжекции пучков нейтральных атомов к средней плоскости камеры удержания под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, магнитную систему, связанную с камерой удержания, первой и второй формирующими секциями и первым и вторым диверторами, систему геттерирования, выполненную с возможностью покрывать обращенные к плазме поверхности камеры удержания и первого и второго диверторов слоем геттерирующего материала, и набор компактных импульсных зеркальных катушек, обвитых вокруг сужения в канале между каждыми из первой и второй формирующих секций и первого и второго диверторов, причем при формировании системой FRC в камере удержания системы FRC является поддерживаемой системой в разнесенном положении со стенкой камеры удержания и на или примерно на постоянном значении без спада, в то время как пучки нейтральных атомов инжектируются из упомянутого множества инжекторов пучков нейтральных атомов в FRC под углом, отклоненным от нормали к продольной оси камеры удержания на примерно от 15 до 25°, и по направлению к средней плоскости камеры удержания.26. A system for generating and maintaining a magnetic field using a reversed field configuration (FRC), comprising a retention chamber, first and second diametrically opposed forming FRC sections associated with the retention chamber, first and second divertors associated with the first and second forming sections , a plurality of neutral atom beam injectors connected to the confinement chamber and oriented with the possibility of injecting beams of neutral atoms to the middle plane of the confinement chamber at an angle deviated from the normal to the longitudinal axis of the confinement chamber by about 15 to 25 °, a magnetic system associated with the confinement chamber , the first and second forming sections and the first and second divertors, a gettering system configured to cover the surfaces of the confinement chamber and the first and second divertors facing the plasma with a layer of gettering material, and a set of compact pulse mirror coils twisted around the narrowing in the channel between each of the first and the second forming sections and the first and second divertors, and when formed by the FRC system in the containment chamber of the FRC system, it is a supported system in a spaced position with the wall of the containment chamber and at or approximately at a constant value without decay, while beams of neutral atoms are injected from the aforementioned set of injectors beams of neutral atoms in FRC at an angle deviated from the normal to the longitudinal axis of the confinement chamber by about 15 to 25 °, and towards the middle plane of the confinement chamber.
EA201992821A 2014-05-21 2014-09-24 Systems for forming and maintaining a high performance field reversed configuration EA039021B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462001583P 2014-05-21 2014-05-21

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EA201992821A2 EA201992821A2 (en) 2020-11-30
EA201992821A3 EA201992821A3 (en) 2021-03-31
EA039021B1 true EA039021B1 (en) 2021-11-23

Family

ID=73649880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201992821A EA039021B1 (en) 2014-05-21 2014-09-24 Systems for forming and maintaining a high performance field reversed configuration

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA039021B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013074666A2 (en) * 2011-11-14 2013-05-23 The Regents Of The University Of California Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013074666A2 (en) * 2011-11-14 2013-05-23 The Regents Of The University Of California Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TUSZEWSKI et al., "Combined FRC and Mirror Plasma Studies in the C-2 Device". TRANSACTIONS OF FUSION SCIENCE AND TECHNOLOGY VOL. 59 JAN. 2011 (01.2011), pg 23-25 *

Also Published As

Publication number Publication date
EA201992821A2 (en) 2020-11-30
EA201992821A3 (en) 2021-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6738109B2 (en) Systems and methods for forming and maintaining high performance FRCs
EA038824B1 (en) Method and system for generating and maintaining a magnetic field with a field reversed configuration (frc)
JP7207781B2 (en) Method for FRC plasma positional stability
KR102280022B1 (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc
EA039021B1 (en) Systems for forming and maintaining a high performance field reversed configuration
KR102658978B1 (en) System and method for FRC plasma position stability
EA043628B1 (en) SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING AND MAINTAINING A HIGHLY EFFICIENT CONFIGURATION WITH REVERSED FIELD
EA042690B1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND MAINTAINING A MAGNETIC FIELD WITH REVERSED FIELD CONFIGURATION (FRC)
NZ717865B2 (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc
NZ624928B2 (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc