EA041092B1

EA041092B1 - METHOD FOR MERGING AND COMPRESSING COMPACT TOROIDS

Info

Publication number: EA041092B1
Application number: EA201992425
Authority: EA
Inventors: Михль Биндербауэр; Виталий Быстрицкий; Тосики Тадзима
Original assignee: Таэ Текнолоджиз, Инк.
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2022-09-13

Description

Область изобретенияField of invention

Описанные варианты осуществления в основном относятся к импульсным плазменным системам и, более конкретно, к системам и способам, которые облегчают слияние и сжатие компактных тороидов с превосходной устойчивостью, а также со значительно уменьшенными потерями и повышенной эффективностью.The embodiments described relate primarily to pulsed plasma systems, and more particularly to systems and methods that facilitate the fusion and compression of compact toroids with excellent stability as well as greatly reduced losses and increased efficiency.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Поле с обращенной магнитной конфигурацией (FRC) принадлежит к классу топологий магнитного удержания плазмы, известных как компактные тороиды. Она характеризуется преимущественно полоидальными магнитными полями и обладает нулевыми или малыми самогенерируемыми тороидальными полями (см М. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). Преимущества такой конфигурации заключаются в ее простой геометрии для построения и поддержания, присущем неограниченном диверторе, облегчающем извлечение энергии и удаление золы, а также в очень высоком среднем (или внешнем) β (β представляет собой отношение среднего давления плазмы к среднему давлению магнитного поля внутри FRC), то есть высокой плотности мощности. β-критерий является также очень хорошей мерой магнитной эффективности. Высокая средняя величина β, например, близкая к 1, представляет эффективное использование выделяемой магнитной энергии и, следовательно, является существенной для обеспечения наиболее экономичной работы системы. Кроме того, высокая средняя β по существу обуславливает использование нейтронного топлива, такого как D-He³ и р-В¹¹.The magnetically reversed configuration (FRC) field belongs to a class of plasma magnetic confinement topologies known as compact toroids. It is characterized predominantly by 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 simple geometry to build and maintain, the inherent unrestricted divertor to facilitate energy recovery and ash removal, and its very high average (or external) β (β is the ratio of the average plasma pressure to the average magnetic field pressure inside the FRC ), i.e. high power density. The β-criterion is also a very good measure of magnetic efficiency. A high average value of β, for example close to 1, represents an efficient use of the generated magnetic energy and is therefore essential to ensure the most economical operation of the system. In addition, the high average β essentially dictates the use of neutron fuels such as D-He ³ and p-B ¹¹ .

В традиционном способе формирования FRC используется технология обращения поля в θ-пинче, дающая горячие высокоплотные плазмы (см. A. L. Hoffman and J. Т. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Разновидностью этого является способ переноса-захвата, в котором плазма, созданная в источнике тета-пинча, практически сразу эжектируется из области формирования в камеру удержания. Затем переносимый плазмоид захватывается между двумя прочными зеркалами по концам камеры удержания (см., например, Н. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). При его нахождении в камере удержания могут применяться различные методы нагрева и возбуждения тока, например инжекция пучка (нейтрального или нейтрализованого), вращающиеся магнитные поля, РЧ или омический нагрев и т.д. Это разделение функций источника и удержания обеспечивает ключевые конструктивные преимущества для потенциальных будущих термоядерных реакторов. Оказалось, что FRC являются чрезвычайно надежными, податливыми к динамическому формированию, переносу и событиям сильного захвата. Более того, они продемонстрировали тенденцию обуславливать предпочтительное состояние плазмы (см., например, Н. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. Е. Miller, and L. С. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). Значительный прогресс был достигнут в последнее десятилетие в разработке других способов формирования FRC: посредством слияния сферомаков с противоположно направленными спиральностями (см., например, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, и Т. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) и посредством тока возбуждения с вращающимися магнитными полями (RMF) (см., например, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), что также обеспечивает дополнительную устойчивость.The traditional method of FRC formation uses θ-pinch field reversal technology to produce hot, high-density plasmas (see A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). A variation of this is the transfer-capture method, in which the plasma created in the theta pinch source is almost immediately ejected from the formation region into the confinement chamber. The transfer plasmoid is then captured between two strong mirrors at the ends of the holding chamber (see, for example, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). While it is in the containment chamber, various methods of heating and current excitation can be applied, such as beam injection (neutral or neutralized), rotating magnetic fields, RF or ohmic heating, etc. This separation of source and containment functions provides key design advantages for potential future fusion reactors. It turned out that FRCs are extremely robust, amenable to dynamic shaping, transfer, and strong capture events. Moreover, they have shown a tendency to cause a preferential plasma state (see, for example, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004) ). Significant progress has been made in the last decade in the development of other ways to form FRC: through the fusion of 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 a rotating magnetic field (RMF) excitation current (see, for example, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), which also provides additional stability.

FRC состоят из тороида замкнутых силовых линий внутри сепаратрисы и кольцевого краевого слоя открытых силовых линий сразу за пределами сепаратрисы. Краевой слой сливается в струи за пределами длины FRC, образуя естественный дивертор. Топология FRC совпадает с топологией FRM-плазмы (плазма обращенной магнитной конфигурации удерживаемая зеркалом - Field-Reversed-Mirror plasma). Тем не менее, существенное отличие состоит в том, что FRC-плазма может иметь величину внутренней β примерно 10. Присущее низкое внутреннее магнитное поле обеспечивает определенную локальную кинетическую плотность частиц, то есть частиц с большими ларморовскими радиусами, сравнимыми с малым радиусом FRC. Именно эти сильные кинетические эффекты, по-видимому, по меньшей мере, частично способствуют общей устойчивости прошлых и настоящих FRC, таких как те, которые создавались в недавних экспериментах по столкновению-слиянию.FRCs consist of a toroid of closed field lines inside the separatrix and an annular edge layer of open field lines just outside the separatrix. The edge layer merges into jets beyond the FRC length, forming a natural divertor. The topology of the FRC coincides with the topology of the FRM plasma (Field-Reversed-Mirror plasma). However, the essential difference is that an FRC plasma can have an internal β value of about 10. The inherent low internal magnetic field provides a certain local kinetic density of the particles, i.e. particles with large Larmor radii comparable to the small FRC radius. It is these strong kinetic effects that seem to contribute at least in part to the overall stability of past and present FRCs, such as those created in recent collision-fusion experiments.

Технология столкновения-слияния, предложенная много лет назад (см., например, D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)), позднее была значительно развита: два отдельных тета-пинча на противоположных концах камеры удержания одновременно генерируют два плазмоида (например, два компактных тороида) и ускоряют эти плазмоиды навстречу друг другу при высокой скорости; после сталкивают в центре камеры удержания и сливают с образованием соединенного FRC. При разработке и успешном осуществлении одного из крупнейших на сегодняшний день FRC-экспериментов обычный способ столкновенияслияния показал, что он дает устойчивые долгоживущие высокотемпературные FRC с высокой плотностью потока (см., например, статью М. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010), которая включена в настоящее описание по ссылке). В схожем эксперименте та же самая группа исследователей объединила технологию столкновения-слияния с одновременным аксиальным ускорением и радиальным сжатием для получения в центральной камере сжатия нестационарной высокоплотной плазмы (см. документ V. Bystritskii, M. Anderson, M. Binderbauer et al., Paper P1-1, IEEE PPPS 2013, San Francisco, CA. (здесь и далее доклад Быстрицкого, включенный в настоящее описание по ссылке). Этот последний эксперимент, о котором сообщалось в докладе Быстрицкого, перед финальным слиянием при столкновении использует множество ступеней ускорения и сжатия и является предшест- 1 041092 венником концепции системы, составляющей предмет изобретения по данной патентной заявке.The collision-fusion technology proposed many years ago (see, e.g., D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)), was later developed significantly: two separate theta pinches at opposite ends of the containment chamber simultaneously generate two plasmoids (e.g. , two compact toroids) and accelerate these plasmoids towards each other at high speed; then collide at the center of the retention chamber and merge to form a connected FRC. In the development and successful implementation of one of the largest FRC experiments to date, the conventional collision-fusion method has been shown to produce stable, long-lived, high-temperature, high-flux FRCs (see, for example, M. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al. , Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010), which is incorporated herein by reference). In a similar experiment, the same group of researchers combined collision-fusion technology with simultaneous axial acceleration and radial compression to produce a transient high-density plasma in a central compression chamber (see V. Bystritskii, M. Anderson, M. Binderbauer et al., Paper P1 -1, IEEE PPPS 2013, San Francisco, CA (hereinafter Bystritsky's paper incorporated herein by reference) This latest experiment, reported in Bystritsky's paper, uses multiple stages of acceleration and compression before final collisional merging and is a precursor to the system concept that is the subject of this patent application.

В отличие от вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, предшествующая система, описанная в докладе Быстрицкого, характеризовалась одновременным сжатием и ускорением компактных тороидов в пределах одной и той же ступени посредством использования быстрых активных магнитных катушек. Пять таких ступеней были развернуты по каждую сторону от центральной камеры сжатия до магнитного сжатия слившихся компактных тороидов. Несмотря на то, что предшествующий эксперимент показал приличные результаты, он имел следующие недостатки:Unlike the embodiments described herein, the prior system described in Bystritsky's report was characterized by the simultaneous compression and acceleration of compact toroids within the same stage through the use of fast active magnetic coils. Five such stages were deployed on each side from the central compression chamber to magnetically compress the fused compact toroids. Despite the fact that the previous experiment showed decent results, it had the following disadvantages:

(1) одновременное сжатие и ускорение привело к неэффективному использованию энергии драйвера, задействованной для магнитного сжатия, вследствие временного рассогласования;(1) simultaneous compression and acceleration resulted in inefficient use of driver energy used for magnetic compression due to timing mismatch;

(2) температура и плотность плазмы при ее расширении во время перехода между секциями уменьшалась;(2) the temperature and density of the plasma during its expansion during the transition between sections decreased;

(3) резкие переходы между соседними секциями приводили к большим потерям из-за контакта плазма-стенка и из-за генерации ударных волн.(3) abrupt transitions between neighboring sections led to large losses due to the plasma-wall contact and due to the generation of shock waves.

Помимо фундаментальной проблемы устойчивости в концепциях импульсного синтеза в режиме средней плотности придется решать задачи, связанные с адекватными масштабами времени переноса, эффективными драйверами, возможностями по частоте следования и соответствующими финальными целевыми условиями. Несмотря на то, что предшествующая система успешно достигала устойчивых одиночных разрядов при благоприятных целевых условиях, совокупные потери в промежутке между параметрами формирования и финальными целевыми условиями (в настоящее время примерно 90% энергии, потока и частиц), а также эффективность взаимодействия между драйвером и плазмой (в настоящее время примерно 10-15% энергии) должны быть существенно улучшены.In addition to the fundamental problem of stability in the concepts of pulsed synthesis in the medium density mode, one will have to solve problems related to adequate transfer time scales, efficient drivers, repetition rate capabilities, and appropriate final target conditions. Although the previous system has successfully achieved sustained single discharges under favorable target conditions, the cumulative losses between the formation parameters and the final target conditions (currently about 90% of energy, flux and particles), as well as the efficiency of the interaction between the driver and plasma (currently about 10-15% of energy) should be significantly improved.

Поэтому в свете вышеизложенного желательно обеспечить улучшенные системы и способы для концепций импульсного термоядерного синтеза, которые способствовали бы значительному сокращению потерь на перемещение и сжатие и повышению эффективности драйвера.Therefore, in light of the foregoing, it is desirable to provide improved systems and methods for pulsed fusion concepts that would greatly reduce travel and compression losses and improve driver efficiency.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Приведенные здесь варианты осуществления относятся к системам и способам, которые облегчают слияние и сжатие компактных тороидов с превосходной устойчивостью, а также значительное сокращение потерь на перемещение и сжатие и увеличение эффективности взаимодействия между драйверами и плазмой. Такие системы и способы прокладывают дорогу к целому ряду приложений, включая компактные источники нейтронов (для производства изотопов медицинского назначения, утилизации ядерных отходов, материаловедения, нейтронной радиографии и томографии), компактные источники фотонов (для химического производства и переработки), разделение изотопов и системы обогащения, а также активные зоны реакторов для термоядерного синтеза для будущего поколения источников энергии и термоядерных энергетических установок.The embodiments provided herein relate to systems and methods that facilitate the fusion and compression of compact toroids with excellent stability, as well as a significant reduction in movement and compression losses and an increase in the efficiency of interaction between drivers and plasma. Such systems and methods pave the way for a range of applications, including compact neutron sources (for medical isotope production, nuclear waste disposal, materials science, neutron radiography and tomography), compact photon sources (for chemical production and processing), isotope separation, and enrichment systems. , as well as fusion reactor cores for the next generation of energy sources and fusion power plants.

Описанные здесь системы и способы основаны на применении последовательного аксиальносимметричного ускорения и ступеней адиабатического сжатия для нагрева и ускорения двух компактных тороидов друг к другу и, в конечном счете, для столкновения и быстрого магнитного сжатия этих компактных тороидов внутри центральной камеры сжатия.The systems and methods described here are based on the use of successive axisymmetric acceleration and adiabatic compression stages to heat and accelerate two compact toroids towards each other and ultimately to collide and rapidly magnetically contract these compact toroids within a central compression chamber.

В некоторых вариантах осуществления система для слияния и сжатия компактных тороидов содержит ступенчатую симметричную последовательность формирования компактных тороидов, аксиальное ускорение быстрыми активными магнитными катушками, пассивное адиабатическое сжатие посредством конически сужающегося консервера потока, и, в конечном итоге, слияние компактных тороидов и финальное быстрое магнитное сжатие в центральной камере сжатия. Промежуточные этапы достаточного аксиального ускорения, за которым следует адиабатическое сжатие, могут многократно повторяться для достижения адекватных целевых условий перед слиянием и финальным сжатием. Таким образом, реактор может быть реализован посредством добавления к системе дополнительных секций.In some embodiments, a system for fusing and shrinking compact toroids comprises a stepwise symmetrical compact toroid formation sequence, axial acceleration by fast active magnetic coils, passive adiabatic compression by a conically tapering flux conservator, and ultimately compact toroid fusion and final fast magnetic contraction in central compression chamber. Intermediate steps of sufficient axial acceleration followed by adiabatic contraction may be repeated many times to achieve adequate target conditions before merging and final contraction. Thus, the reactor can be implemented by adding additional sections to the system.

Ступеням или секциям формирования и ускорения, а также центральной камере сжатия предпочтительно придана цилиндрическая форма со стенками, сформированными из непроводящего или изолирующего материала, такого как, например, керамика. Ступеням или секциям сжатия предпочтительно придана форма усеченного конуса со стенками, сформированными из проводящего материала, такого как, например, металл.The shaping and accelerating stages or sections and the central compression chamber are preferably given a cylindrical shape with walls formed from a non-conductive or insulating material such as, for example, ceramic. The compression stages or sections are preferably shaped like a truncated cone with walls formed from a conductive material such as, for example, metal.

Помимо поля подмагничивания (направляющее магнитное поле постоянного тока), созданного медленными катушками, секции формирования, секции ускорения и камера сжатия включают в себя модульные системы импульсного питания, которые возбуждают быстрые активные магнитные катушки. Эти системы импульсного питания позволяют, чтобы компактные тороиды были образованы непосредственно на месте, внутри секций формирования и ускорены и инжектированы (=статическому формированию) в первые секции сжатия, ускорены в секциях ускорения и инжектированы в следующие секции сжатия и так далее, а затем были сжаты магнитным способом в камере сжатия. Системы медленных или магнитных катушек постоянного тока, расположенных повсюду и вдоль оси системы, обеспечивают аксиальное направляющее магнитное поле для центрирования компактного тороида должным образом во время его перемещения через секцию к средней плоскости центральной камеры сжатия.In addition to the bias field (directing DC magnetic field) created by the slow coils, the shaping sections, the acceleration sections and the compression chamber include modular switching power systems that drive fast active magnetic coils. These pulsed power systems allow compact toroids to be formed in situ, inside the formation sections and accelerated and injected (=static formation) into the first compression sections, accelerated in the acceleration sections and injected into the next compression sections and so on, and then were compressed magnetically in the compression chamber. Systems of slow or magnetic DC coils located throughout and along the axis of the system provide an axial guiding magnetic field to properly center the compact toroid as it travels through the section to the midplane of the central compression chamber.

Альтернативно, модульные системы импульсного питания секций формирования также могут воз- 2 041092 буждать быстрые активные магнитные катушки, так что компактные тороиды образуются и ускоряются одновременно (=динамическому формированию).Alternatively, modular pulse power systems for the formation sections can also excite fast active magnetic coils so that compact toroids are formed and accelerated simultaneously (=dynamic formation).

Описанные здесь системы и способы используют FRC в плазмах с самыми высокими бета, среди известных в магнитном удержании, обеспечивая тем самым стартовую конфигурацию. Далее пассивное и активное сжатие достраивает эту высокоэффективную магнитную топологию. Процесс использования аксиального ускорения посредством использования быстрых активных магнитных секций, за которым следует адиабатическое сжатие в простых конических секциях сохранения потока, обеспечивает наиболее эффективный перенос энергии при наименее сложной схеме импульсного питания. Кроме того, эти основные строительные блоки можно последовательно повторять, извлекая дополнительное преимущество из заведомо благоприятного продольного масштабирования, то есть Ара R⁴.The systems and methods described here use the FRC in the highest beta plasmas known in magnetic confinement, thereby providing a starting configuration. Further, passive and active compression completes this highly efficient magnetic topology. The process of exploiting axial acceleration through the use of fast active magnetic sections followed by adiabatic compression in simple conical flow conserving sections provides the most efficient energy transfer with the least complex switching power scheme. In addition, these basic building blocks can be repeated sequentially, taking advantage of the inherently favorable longitudinal scaling, ie Ara R ⁴ .

В другом варианте осуществления система выполнена с возможностью использования сферомаков вместо начальных плазм FRC.In another embodiment, the system is configured to use spheromaks instead of initial FRC plasmas.

В другом варианте осуществления система включает в себя ступенчатую асимметричную последовательность с одной стороны центральной камеры сжатия, содержащей формирование компактных тороидов, аксиальное ускорение быстрыми активными магнитными катушками, пассивное адиабатическое сжатие посредством консервера с коническим ограничением потока и, в конечном итоге, слияние компактных тороидов и финальное быстрое магнитное сжатие в центральной камере сжатия. Такая асимметричная система могла бы включать в себя зеркало или отражательный конус, который расположен прилегающим к другой стороне центральной камеры сжатия.In another embodiment, the system includes a stepped asymmetric sequence on one side of a central compression chamber comprising the formation of compact toroids, axial acceleration by fast active magnetic coils, passive adiabatic compression by means of a canister with conical flow restriction, and ultimately compact toroid fusion and final fast magnetic compression in the central compression chamber. Such an asymmetric system could include a mirror or reflective cone that is adjacent to the other side of the central compression chamber.

В еще одном варианте осуществления система включает в себя тонкую цилиндрическую оболочку или лайнер, состоящий из проводящего материала, такого как, например, металл, для быстрого сжатия лайнера внутри центральной камеры сжатия.In yet another embodiment, the system includes a thin cylindrical shell or liner consisting of a conductive material, such as metal, for rapidly compressing the liner within a central compression chamber.

Другие системы, способы, отличительные признаки и преимущества приведенных в качестве примеров вариантов осуществления будут или станут очевидными для специалистов в области техники при изучении нижеследующих чертежей и подробного описания.Other systems, methods, features, and advantages of the exemplary embodiments will or will become apparent to those skilled in the art upon examination of the following drawings and detailed description.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Сопроводительные чертежи, которые включены в виде части настоящего описания, иллюстрируют предпочтительный в настоящее время вариант осуществления и вместе с вышеприведенным общим описанием и подробным описанием предпочтительного варианта осуществления, представленным ниже, служат для объяснения принципов настоящего изобретения и обучения им.The accompanying drawings, which are included as part of this specification, illustrate the presently preferred embodiment and, together with the above general description and the detailed description of the preferred embodiment below, serve to explain and teach the principles of the present invention.

Фиг. 1 показывает основную схему расположения системы формирования, ускорения, адиабатического сжатия, слияния и, наконец, магнитного сжатия компактных тороидов;Fig. 1 shows the basic layout of the system for the formation, acceleration, adiabatic contraction, fusion, and finally magnetic contraction of compact toroids;

фиг . 2 показывает схему компонентов системы импульсного питания для секций формирования и ускорения;fig. 2 shows a diagram of the components of the switching power supply system for the shaping and acceleration sections;

фиг . 3 показывает изометрический вид отдельного агрегата импульсного питания секций формирования и ускорения;fig. 3 shows an isometric view of a separate pulsed power supply unit for the formation and acceleration sections;

фиг . 4 показывает изометрический вид узла трубы формирования и ускорения;fig. 4 shows an isometric view of the formation and acceleration tube assembly;

фиг . 5 показывает основную схему расположения альтернативного варианта осуществления асимметричной системы формирования, ускорения, адиабатического сжатия, слияния и, наконец, магнитного сжатия компактных тороидов;fig. 5 shows a basic layout of an alternative embodiment of an asymmetric system for forming, accelerating, adiabatically contracting, merging, and finally magnetically contracting compact toroids;

фиг. 6 показывает детальный вид системы, показанной на фиг. 1, модифицированной таким образом, что включает в себя оболочку или лайнер, расположенный внутри центральной камеры сжатия для быстрого сжатия лайнера внутри центральной камеры сжатия.fig. 6 shows a detailed view of the system shown in FIG. 1 modified to include a shell or liner located within the central compression chamber to rapidly compress the liner within the central compression chamber.

Следует отметить, что эти чертежи необязательно выполнены в масштабе и что в иллюстративных целях на всех фигурах одинаковые конструктивные элементы или функции, как правило, обозначены одними и теми же ссылочными позициями. Следует также отметить, что эти чертежи предназначены только лишь для облегчения описания представленных здесь различных вариантов осуществления. Эти чертежи не обязательно описывают каждый аспект раскрытых здесь идей, и они не ограничивают объем пунктов формулы изобретения.It should be noted that these drawings are not necessarily drawn to scale and that, for illustrative purposes, the same structural elements or functions are generally identified by the same reference numerals throughout the figures. It should also be noted that these drawings are only intended to facilitate the description of the various embodiments presented here. These drawings do not necessarily describe every aspect of the ideas disclosed here, and they do not limit the scope of the claims.

ОписаниеDescription

Представленные здесь настоящие варианты осуществления относятся к системам и способам, которые облегчают слияние и сжатие компактных тороидов с превосходной устойчивостью, а также со значительным уменьшением потерь на перенос и сжатие и увеличением эффективности взаимодействия между драйверами и плазмой. Такие системы и способы прокладывают дорогу к целому ряду приложений, включая компактные источники нейтронов (для производства изотопов медицинского назначения, утилизации ядерных отходов, для материаловедения, нейтронной радиографии и томографии), компактные источники фотонов (для химического производства и переработки), разделение изотопов и системы обогащения, а также активные зоны реакторов термоядерного синтеза для систем будущих источников энергии и ядерных энергетических установок.Presented herein, the present embodiments relate to systems and methods that facilitate the fusion and compression of compact toroids with excellent stability, as well as a significant reduction in transfer and compression losses and an increase in the efficiency of interaction between drivers and plasma. Such systems and methods pave the way for a range of applications, including compact neutron sources (for medical isotope production, nuclear waste management, materials science, neutron radiography and tomography), compact photon sources (for chemical production and processing), isotope separation, and systems enrichment, as well as active zones of fusion reactors for systems of future energy sources and nuclear power plants.

Описанные здесь системы и способы основаны на применении последовательного аксиальносимметричного ускорения и ступеней адиабатического сжатия для нагрева и ускорения двух компактных тороидов навстречу друг к другу и, в конечном итоге, столкновения и быстрого магнитного сжатия этихThe systems and methods described here are based on the use of sequential axially symmetric acceleration and adiabatic compression stages to heat and accelerate two compact toroids towards each other and, ultimately, the collision and rapid magnetic compression of these

- 3 041092 компактных тороидов внутри центральной камеры сжатия. Фиг. 1 иллюстрирует основную схему расположения системы 10 для формирования, ускорения, адиабатического сжатия, слияния и, наконец, магнитного сжатия компактных тороидов.- 3 041092 compact toroids inside the central compression chamber. Fig. 1 illustrates the basic layout of a system 10 for forming, accelerating, adiabatically contracting, merging, and finally magnetically contracting compact toroids.

Как это изображено, система включает в себя ступенчатую симметричную последовательность формирования компактных тороидов в секциях 12N и 12S формирования, аксиального ускорения через секции 12N, 12S, 16N и 16S посредством быстрых активных магнитных катушек 32N, 32S, 36N и 36S, пассивного адиабатического сжатия посредством конически сужающегося консервера потока в секциях 14N, 14S, 18N и 18S, и, в конечном итоге, слияния компактных тороидов и финального быстрого магнитного сжатия в центральной камере 20 сжатия быстрыми активными магнитными катушками 40. Как это изображено, промежуточные этапы достаточного аксиального ускорения, за которым следует адиабатическое сжатие, могут повторяться несколько раз для достижения адекватных целевых условий перед слиянием и финальным сжатием. Таким образом, реактор может быть реализован посредством добавления к изображенной системе дополнительных секций.As depicted, the system includes a stepped symmetrical sequence of forming compact toroids in forming sections 12N and 12S, axial acceleration through sections 12N, 12S, 16N and 16S by means of fast active magnetic coils 32N, 32S, 36N and 36S, passive adiabatic compression by conically converging flow conservator in sections 14N, 14S, 18N and 18S, and ultimately the merging of compact toroids and the final fast magnetic compression in the central compression chamber 20 by fast active magnetic coils 40. As shown, the intermediate stages of sufficient axial acceleration, followed by followed by adiabatic compression may be repeated several times to achieve adequate target conditions before confluence and final compression. Thus, the reactor can be implemented by adding additional sections to the illustrated system.

Как это изображено, ступеням формирования и ускорения или секциям 12N, 12S, 16S и 16N и центральной камере 20 сжатия предпочтительно придана цилиндрическая форма со стенками, образованными из непроводящего или изолирующего материала, такого, например, как керамика. Ступени сжатия или секции 14N, 14S, 18N и 18S предпочтительно имеют усеченную коническую форму со стенками, образованными из проводящего материала, такого, например, как металл.As shown, the shaping and accelerating stages or sections 12N, 12S, 16S and 16N and the central compression chamber 20 are preferably given a cylindrical shape with walls formed from a non-conductive or insulating material such as ceramic. The compression stages or sections 14N, 14S, 18N and 18S preferably have a truncated conical shape with walls formed from a conductive material such as metal.

Помимо поля подмагничивания (направляющее магнитное поле постоянного тока), созданного медленными катушками 30, секции 12N и 12S формирования, секции 16N и 16S ускорения и камера 20 сжатия включают в себя модульные системы импульсного питания, которые возбуждают быстрые активные магнитные катушки 32N, 32S, 36N, 36S и 40. Эти системы импульсного питания позволяют, чтобы компактные тороиды были образованы непосредственно на месте, внутри секций 12N и 12S формирования и ускорены и инжектированы (= статическому формированию) в первые секции 14N и 14S сжатия, ускорены в секциях 16N и 16S ускорения и инжектированы в следующие секции 18N и 18S сжатия, и так далее, и затем сжаты магнитным способом в камере сжатия 20. Системы 30 медленных магнитных катушек, расположенных повсюду и вдоль оси системы, обеспечивают аксиальное направляющее магнитное поле для центрирования компактных тороидов должным образом.In addition to the bias field (directing DC magnetic field) created by the slow coils 30, the shaping sections 12N and 12S, the acceleration sections 16N and 16S, and the compression chamber 20 include modular switching power systems that drive fast active magnetic coils 32N, 32S, 36N , 36S and 40. These switching power systems allow compact toroids to be formed directly in place, inside the formation sections 12N and 12S and accelerated and injected (= static formation) into the first compression sections 14N and 14S, accelerated in the acceleration sections 16N and 16S and injected into the next compression sections 18N and 18S, and so on, and then magnetically compressed in the compression chamber 20. Systems of 30 slow magnetic coils located throughout and along the axis of the system provide an axial guiding magnetic field to properly center the compact toroids.

Альтернативно, модульные системы импульсного питания секций формирования также могут возбуждать быстрые активные магнитные катушки, так что компактные тороиды образуются и ускоряются одновременно (= динамическому формированию).Alternatively, modular pulse power systems for the formation sections can also drive fast active magnetic coils so that compact toroids are formed and accelerated simultaneously (= dynamic formation).

Описанные здесь системы и способы используют FRC в плазмах с самыми высокими бета среди известных в магнитном удержании, обеспечивая тем самым начальную конфигурацию. Далее пассивное и активное сжатие достраивает эту высокоэффективную магнитную топологию. Процесс использования аксиального ускорения посредством быстрых активных магнитных секций, за которым следует адиабатическое сжатие в простых конических секциях сохранения потока, обеспечивает наиболее эффективный перенос энергии с наименее сложной схемой импульсного питания. Кроме того, эти основные строительные блоки можно последовательно повторять, извлекая дополнительное преимущество из заведомо благоприятного продольного масштабирования, то есть Ара R⁴.The systems and methods described here use the FRC in the highest beta plasmas known in magnetic confinement, thereby providing an initial configuration. Further, passive and active compression completes this highly efficient magnetic topology. The process of utilizing axial acceleration through fast active magnetic sections followed by adiabatic compression in simple conical flow conserving sections provides the most efficient energy transfer with the least complex switching power scheme. In addition, these basic building blocks can be repeated sequentially, taking advantage of the inherently favorable longitudinal scaling, ie Ara R ⁴ .

На основании известных на сегодняшний день экспериментальных и теоретических исследований в предшествующем эксперименте, как описано в докладе Быстрицкого, при использовании стартовой плазмы FRC были достигнуты плотности примерно 10¹⁷ см^-3 на 1 кэВ. В предложенных здесь вариантах осуществления по оценкам будут достигнуты плотности около 10¹⁸ см^-3 на 1 кэВ, в то время как добавление дополнительных ступеней и соответствующие доработки центральной камеры и быстрых магнитных катушек могут дать конечные плотности около 10¹⁸ см^-3 на 1 кэВ при полном соответствии критериям Лоусона.Based on experimental and theoretical studies known to date, densities of approximately 10 ¹⁷ cm ^-3 per 1 keV were achieved in a previous experiment, as described in Bystritsky's report, using the FRC starting plasma. In the embodiments proposed here, densities of about 10 ¹⁸ cm ^-3 per keV are estimated to be achieved, while the addition of additional stages and corresponding modifications to the central chamber and fast magnetic coils can give final densities of about 10 ¹⁸ cm ^-3 per 1 keV at full compliance with Lawson's criteria.

В другом варианте осуществления система выполнена с возможностью развертывания сферомаков вместо стартовой плазмы FRC.In another embodiment, the system is configured to deploy spheromaks instead of the launch FRC plasma.

В другом варианте осуществления система включает в себя ступенчатую асимметричную последовательность с одной стороны центральной камеры сжатия, содержащую формирование компактных тороидов, аксиальное ускорение быстрыми активными магнитными катушками, пассивное адиабатическое сжатие посредством консервера с коническим ограничением потока и, в конечном итоге, слияние компактных тороидов и финальное быстрое магнитное сжатие в центральной камере сжатия. Такая асимметричная система обычно включала бы в себя зеркало или отражательный конус.In another embodiment, the system includes a staggered asymmetric sequence on one side of a central compression chamber, comprising the formation of compact toroids, axial acceleration by fast active magnetic coils, passive adiabatic compression by means of a canister with conical flow restriction, and ultimately compact toroid fusion and final fast magnetic compression in the central compression chamber. Such an asymmetric system would typically include a mirror or reflective cone.

Сегодняшние концепции термоядерного синтеза сфокусированы либо на стационарном состоянии, либо на режимах с ультракороткими импульсами. Оба подхода требуют больших финансовых затрат: при стационарном магнитно-термоядерном синтезе высокие затраты обусловлены большими сверхпроводящими магнитами и технологиями дополнительного нагрева/тока возбуждения; инерционные режимы характеризуются высокой стоимостью драйвера из-за подачи огромной энергии в течение наносе- 4 041092 кундных масштабов времени. Выдвинутые здесь варианты осуществления характеризуются компактными размерами и субмиллисекундными масштабами времени. Это приводит к режиму, который имеет пониженные требования к пиковой мощности и приемлемые промежуточные масштабы времени.Today's fusion concepts focus on either steady state or ultrashort pulse modes. Both approaches are costly: in steady-state fusion, the high costs are due to large superconducting magnets and additional heating/drive current technologies; inertial modes are characterized by a high cost of the driver due to the supply of huge energy during nanosecond time scales. The embodiments provided herein are characterized by compact size and sub-millisecond time scales. This results in a regime that has reduced peak power requirements and acceptable intermediate time scales.

Обратимся более подробно к чертежам, как это изображено на фиг. 1, система 10 для слияния и сжатия плазмы компактных тороидов включает в себя центральную камеру 20 сжатия и пару северной и южной диаметрально противоположных секций 12N и 12S формирования компактных тороидов. Эти первая и вторая секции 12N и 12S формирования включают в себя модульные системы 120 формирования и ускорения (подробно описаны далее со ссылками на фиг. 2-4) для генерации первого и второго компактных тороидов и аксиального ускорения и переноса этих компактных тороидов в направлении средней плоскости камеры 20 сжатия.Let us turn in more detail to the drawings, as shown in Fig. 1, the compact toroid plasma fusion and compression system 10 includes a central compression chamber 20 and a pair of north and south diametrically opposed compact toroid formation sections 12N and 12S. These first and second generation sections 12N and 12S include modular formation and acceleration systems 120 (described in detail below with reference to FIGS. 2-4) for generating first and second compact toroids and axially accelerating and transporting these compact toroids in the median plane direction. compression chambers 20.

Как это изображено, система 10 дополнительно включает в себя первую пару северной и южной диаметрально противоположных секций 14N и 14S сжатия, присоединенных на первом конце к выходному концу северной и южной секций 12N и 12S формирования. Северная и южная секции 14N и 14S сжатия выполнены с возможностью адиабатического сжатия компактных тороидов, в то время как эти компактные тороиды пересекают северную и южные секции 14N и 14S сжатия по направлению к средней плоскости камеры 20 сжатия.As depicted, system 10 further includes a first pair of north and south diametrically opposed compression sections 14N and 14S connected at a first end to an outlet end of north and south formation sections 12N and 12S. The north and south compression sections 14N and 14S are configured to adiabatically compress the compact toroids while these compact toroids traverse the north and south compression sections 14N and 14S towards the median plane of the compression chamber 20.

Как это изображено, система 10 дополнительно включает в себя пару северной и южной диаметрально противоположных секций 16N и 16S ускорения, присоединенных на первом конце ко второму концу северной и южной секций 14N и 14S сжатия. Северная и южная секции 16N и 16S ускорения включают в себя модульные ускорительные системы (подробно описаны далее со ссылками на фиг. 2-4) для аксиального ускорения и переноса компактных тороидов к средней плоскости камеры 20 сжатия.As depicted, system 10 further includes a pair of north and south diametrically opposed acceleration sections 16N and 16S connected at a first end to a second end of north and south compression sections 14N and 14S. The north and south acceleration sections 16N and 16S include modular accelerator systems (described in detail below with reference to FIGS. 2-4) for axial acceleration and transfer of compact toroids to the midplane of the compression chamber 20.

Как это изображено далее, система 10 дополнительно включает в себя вторую пару северной и южной диаметрально противоположных секций 18N и 18S сжатия, присоединенных на первом конце ко второму концу северной и южной секций 16N и 16S ускорения, а на втором конце - к первому и второму диаметрально противоположным концам камеры сжатия, причем вторая пара северной и южной секций 18N и 18S сжатия выполнена с возможностью адиабатического сжатия компактных тороидов, в то время как эти компактные тороиды пересекают вторую пару северной и южной секций 18N и 18S сжатия по направлению к средней плоскости камеры 20 сжатия.As shown below, the system 10 further includes a second pair of north and south diametrically opposed compression sections 18N and 18S attached at the first end to the second end of the north and south acceleration sections 16N and 16S, and at the second end to the first and second diametrically opposed opposite ends of the compression chamber, wherein the second pair of north and south compression sections 18N and 18S is configured to adiabatically compress the compact toroids while these compact toroids traverse the second pair of north and south compression sections 18N and 18S towards the median plane of the compression chamber 20 .

Камера сжатия включает в себя модульные системы сжатия, выполненные с возможностью магнитного сжатия компактных тороидов после их столкновения и слияния.The compression chamber includes modular compression systems configured to magnetically compress compact toroids after they collide and merge.

Как это изображено, северной и южной секциям 12N и 12S формирования, северной и южной секциям 16N и 16S ускорения и камере 20 сжатия придана цилиндрическая форма. Диаметр северной и южной секций 16N и 16S ускорения меньше диаметра северной и южной секций 12N и 12S формирования, в то время как диаметр камеры 20 сжатия меньше, чем диаметры северной и южной секций 16N и 16S ускорения.As shown, the north and south formation sections 12N and 12S, the north and south acceleration sections 16N and 16S, and the compression chamber 20 are given a cylindrical shape. The diameter of the north and south acceleration sections 16N and 16S is smaller than the diameter of the north and south formation sections 12N and 12S, while the diameter of the compression chamber 20 is smaller than the diameters of the north and south acceleration sections 16N and 16S.

Первой и второй паре северной и южной секций сжатия 14N, 14S, 18N и 18S придана усеченная коническая форма, при этом их диаметр на первом конце больше, чем на втором конце, делая возможным переход по общему диаметру системы 10 от секций 12N и 12S формирования к секциям 16N и 16S ускорения и к камере 20 сжатия. Как это изображено, северная и южная секции 12N и 12S формирования, первая пара северной и южной секций 14N и 14S сжатия, северная и южная секции 16N и 16S ускорения и вторая пара северной и южной секций 18N и 18S сжатия являются аксиально симметричными.The first and second pair of north and south compression sections 14N, 14S, 18N and 18S are given a truncated conical shape, with a larger diameter at the first end than at the second end, making it possible to transition along the overall diameter of the system 10 from the formation sections 12N and 12S to acceleration sections 16N and 16S and to compression chamber 20. As shown, the north and south formation sections 12N and 12S, the first pair of north and south compression sections 14N and 14S, the north and south acceleration sections 16N and 16S, and the second pair of north and south compression sections 18N and 18S are axially symmetrical.

Как это изображено, первый и второй наборы из множества активных магнитных катушек 32N и 32S расположены вокруг и аксиально вдоль северной и южной секций 12N и 12S формирования, третий и четвертый наборы из множества активных магнитных катушек 36N и 36S расположены вокруг и аксиально вдоль северной и южной секций 16N и 16S ускорения, а пятый набор из множества активных магнитных катушек 40 расположен вокруг и аксиально вдоль камеры 20 сжатия.As shown, the first and second sets of a plurality of active magnetic coils 32N and 32S are located around and axially along the northern and southern formation sections 12N and 12S, the third and fourth sets of a plurality of active magnetic coils 36N and 36S are located around and axially along the northern and southern sections 16N and 16S acceleration, and the fifth set of many active magnetic coils 40 is located around and axially along the chamber 20 compression.

Секции сжатия 14N, 14S, 18N и 18S предпочтительно выполнены из проводящего материала, такого как, например, металл, в то время как центральная камера 20 сжатия и секции формирования и ускорения 12N, 12S, 16N и 16S предпочтительно сформированы из непроводящего или изолирующего материала, такого как, например, керамика.The compression sections 14N, 14S, 18N and 18S are preferably formed from a conductive material such as, for example, metal, while the central compression chamber 20 and the formation and acceleration sections 12N, 12S, 16N and 16S are preferably formed from a non-conductive or insulating material, such as ceramics.

Как это изображено, множество магнитных катушек 30 постоянного тока расположено вокруг и аксиально вдоль центральной камеры 20 сжатия и секций 12N, 12S, 14N, 14S, 16N, 16S, 18N и 18S формирования, сжатия и ускорения, чтобы создавать смещающее или направляющее поле постоянного тока, находящееся внутри и простирающееся аксиально через центральную камеру сжатия и секции формирования, сжатия и ускорения.As shown, a plurality of DC magnetic coils 30 are arranged around and axially along the central compression chamber 20 and the shaping, compressing, and accelerating sections 12N, 12S, 14N, 14S, 16N, 16S, 18N, and 18S to create a biasing or guiding DC field. inside and extending axially through the central compression chamber and the shaping, compression and acceleration sections.

Показанные на фиг. 2-4 триггерные системы 120 управления и переключения выполнены с предоставлением возможности ступенчатой симметричной последовательности формирования компактных тороидов посредством активных магнитных катушек 32N и 32S в северной и южной секциях 12N и 12S формирования, аксиального ускорения посредством активных магнитных катушек 36N и 36S в северной и южной секциях 16N и 16S ускорения и сжатия посредством активных магнитных катушек 40 в камере 20 сжатия. Триггерные системы 120 управления и переключения выполнены с возможностью синхронизации формирования компактных тороидов и ускорения в северной и южной секциях 12N и 12S форми- 5 041092 рования, ускорения компактных тороидов в северной и южной секциях 16N и 16S ускорения и слияния и сжатия компактных тороидов в камере 20 сжатия.Shown in FIG. 2-4 trigger control and switching systems 120 are configured to allow stepwise symmetrical formation of compact toroids by active magnetic coils 32N and 32S in the northern and southern formation sections 12N and 12S, axial acceleration by active magnetic coils 36N and 36S in the northern and southern sections. 16N and 16S are accelerated and compressed by the active magnetic coils 40 in the compression chamber 20 . Trigger control and switching systems 120 are designed to synchronize the formation of compact toroids and acceleration in the northern and southern sections 12N and 12S of formation, acceleration of compact toroids in the northern and southern sections 16N and 16S of acceleration and merging and compression of compact toroids in chamber 20 compression.

Обратимся к фиг. 2-4, где представлена отдельная система 120 импульсного питания, соответствующая первому, второму, третьему, четвертому и пятому наборам из множества активных магнитов 32N, 32S, 36N, 36S и 40 секций 12N и 12S формирования, секций 16N и 16S ускорения и камеры 20 сжатия, и подающая питание отдельно на каждую из них. В секциях формирования система 120 импульсного питания работает на модифицированном тета-пинч-принципе для формирования компактных тороидов. Фиг. 2-4 иллюстрируют основные строительные блоки и конфигурацию системы 120 импульсного питания. Система 120 импульсного питания образована модульным агрегатом импульсного питания, состоящим из отдельных блоков (= модуль на салазках) 122, каждый из которых запитывает поднабор катушек 132 ленточной сборки 130 (= лента), которая намотана вокруг секционных труб 140. Каждый модуль 122 составлен из конденсаторов 121, катушек 123 индуктивности, быстрых переключателей 125 сильного тока и присоединенных триггера 124 и схемы сброса 126. Согласованная работа этих компонентов достигается посредством находящихся на современном уровне 124 триггера и системы 126 управления, что обеспечивает синхронизацию по времени между системами 120 импульсного питания каждой из секций 12N и 12S формирования, секций 16N и 16S ускорения и камеры 20 сжатия и минимизирует погрешность синхронизации переключения до десятков наносекунд. Преимуществом этой модульной конструкции является ее гибкая работа. В секциях 12N и 12S формирования компактные тороиды могут быть сформированы непосредственно на месте, а затем ускорены и инжектированы (= статическому формированию) или сформированы и ускорены одновременно (= динамическому формированию).Let us turn to Fig. 2-4 showing a separate pulse power system 120 corresponding to the first, second, third, fourth and fifth sets of a plurality of active magnets 32N, 32S, 36N, 36S and 40 forming sections 12N and 12S, acceleration sections 16N and 16S, and chamber 20 compression, and supplying power separately to each of them. In the formation sections, the pulsed power system 120 operates on a modified theta-pinch principle to form compact toroids. Fig. 2-4 illustrate the basic building blocks and configuration of a switching power system 120. The switching power supply system 120 is formed by a modular switching power supply unit, consisting of separate blocks (= skid module) 122, each of which feeds a subset of coils 132 of a tape assembly 130 (= tape) that is wound around sectional pipes 140. Each module 122 is composed of capacitors 121, inductors 123, high current fast switches 125, and attached trigger 124 and reset circuit 126. Coordinated operation of these components is achieved through state-of-the-art triggers 124 and control system 126, which provides time synchronization between the switching power systems 120 of each of the sections 12N and 12S shaping, acceleration sections 16N and 16S, and compression chamber 20 and minimizes switching timing error to tens of nanoseconds. The advantage of this modular design is its flexible operation. In forming sections 12N and 12S, compact toroids can be formed directly in place and then accelerated and injected (=static formation) or formed and accelerated simultaneously (=dynamic formation).

Во время работы пассивными катушками 30 создано направляющее магнитное поле постоянного тока, находящееся внутри и простирающееся аксиально через камеру 20 сжатия, секции 12N и 12S формирования, секции 16N и 16S ускорения и секции 14N, 14S, 18N и 18S сжатия. Затем компактные тороиды формируются и ускоряются в ступенчатой симметричной последовательности внутри секций 12N и 12S формирования и секций 16N и 16S ускорения к средней плоскости центральной камеры 20, пассивно адиабатически сжимаются внутри секций 14N, 14S, 18N и 18S сжатия и сливаются и сжимаются магнитным способом внутри центральной камеры 20. Эти этапы формирования, ускорения и сжатия компактных тороидов приводят к их столкновению и слиянию внутри центральной камеры 20.During operation, the passive coils 30 generate a direct current guiding magnetic field inside and extending axially through the compression chamber 20, the forming sections 12N and 12S, the acceleration sections 16N and 16S, and the compression sections 14N, 14S, 18N and 18S. The compact toroids are then formed and accelerated in a stepwise symmetrical sequence within the formation sections 12N and 12S and the acceleration sections 16N and 16S towards the midplane of the central chamber 20, are passively adiabatically compressed within the compression sections 14N, 14S, 18N and 18S, and merge and are magnetically compressed within the central chamber 20. These steps of formation, acceleration and compression of compact toroids lead to their collision and merging inside the central chamber 20.

Компактные тороиды формируются и ускоряются мощными активными магнитными катушками 32N и 32S, простирающимися вокруг и аксиально вдоль секций 12N и 12S формирования, дополнительно ускоряются мощными активными магнитными катушками 35N и 35S, простирающимися вокруг и аксиально вдоль секций 16N и 16S ускорения, и сжимаются мощными активными магнитными катушками 40, простирающимися вокруг и аксиально вдоль камеры 20 сжатия. Этапы формирования, ускорения и сжатия компактных тороидов дополнительно содержат синхронное включение диаметрально противоположных пар активных магнитных катушек 32N, 32S и 36N, 36S, расположенных вокруг и вдоль секций 12N и 12S формирования и 16N и 16S ускорения, а также набора активных магнитных катушек 40, расположенных вокруг и вдоль камеры 20 сжатия.Compact toroids are formed and accelerated by powerful active magnetic coils 32N and 32S extending around and axially along the formation sections 12N and 12S, further accelerated by powerful active magnetic coils 35N and 35S extending around and axially along the acceleration sections 16N and 16S, and compressed by powerful active magnetic coils 40 extending around and axially along the compression chamber 20. The stages of formation, acceleration and compression of compact toroids additionally include the synchronous activation of diametrically opposed pairs of active magnetic coils 32N, 32S and 36N, 36S, located around and along the formation sections 12N and 12S and 16N and 16S acceleration, as well as a set of active magnetic coils 40 located around and along the compression chamber 20.

Во время ускорения компактных тороидов к средней плоскости камеры 20 сжатия компактные тороиды сжимаются, в то время как эти компактные тороиды переносятся через конически сужающиеся консерверы потока секций 14N, 14S, 18N и 18S сжатия.During the acceleration of the compact toroids towards the midplane of the compression chamber 20, the compact toroids are compressed while the compact toroids are carried through the conically tapering flow conservators of the compression sections 14N, 14S, 18N and 18S.

Обратимся к фиг. 5, где проиллюстрирован альтернативный вариант осуществления системы 100 для слияния и сжатия компактных тороидов. Как изображено, система 100 содержит ступенчатую асимметричную последовательность с одной стороны центральной камеры 20 сжатия. Система 100 включает в себя одну секцию 12S формирования компактного тороида, первую секцию 14S сжатия, подсоединенную на первом конце к выходному концу секции 12S формирования, секцию 16N ускорения, подсоединенную на первом конце ко второму концу секции 14S сжатия, вторую секцию 18S сжатия, подсоединенную на первом конце ко второму концу секции 16S ускорения, а на втором конце - к первому концу камеры 20 сжатия. Прилежащим к другому концу центральной камеры 20 сжатия расположено зеркало или отражательный конус.Let us turn to Fig. 5, which illustrates an alternate embodiment of a system 100 for fusion and compression of compact toroids. As shown, the system 100 comprises a stepped asymmetric sequence on one side of the central compression chamber 20. The system 100 includes one compact toroid forming section 12S, a first compression section 14S connected at the first end to the output end of the forming section 12S, an acceleration section 16N connected at the first end to the second end of the compression section 14S, a second compression section 18S connected at the first end to the second end of the acceleration section 16S, and at the second end to the first end of the compression chamber 20. Adjacent to the other end of the central compression chamber 20 is a mirror or reflective cone.

Во время работы первый компактный тороид формируется и ускоряется в ступенчатой последовательности внутри секции 12S формирования, а затем ускоряется в одной или более секциях 16S ускорения в направлении средней плоскости центральной камеры 20, чтобы столкнуться и слиться со вторым компактным тороидом. Первый компактный тороид пассивно адиабатически сжимается внутри одной или более ступеней 14S и 18S сжатия, а затем сжимается магнитным путем в виде слитого компактного тороида со вторым компактным тороидом внутри центральной камеры 20.During operation, the first compact toroid is formed and accelerated in a staggered sequence within the formation section 12S and then accelerated in one or more acceleration sections 16S towards the midplane of the central chamber 20 to collide with and merge with the second compact toroid. The first compact toroid is passively adiabatically compressed within one or more compression stages 14S and 18S and then magnetically compressed into a fused compact toroid with the second compact toroid within the central chamber 20.

Второй компактный тороид формируется и ускоряется в ступенчатой последовательности внутри секции 12S формирования и в одной или более ступеней 16S ускорения к средней плоскости центральной камеры 20, пассивно адиабатически сжимается внутри одной или более ступеней сжатия, а затем смещается назад в направлении средней плоскости центральной камеры 20, проходя через эту центральную камеру 20 с зеркалом или отражательным конусом 50, расположенным прилежащим к концу центральной камеры 20.The second compact toroid is formed and accelerated in a staggered sequence within the formation section 12S and in one or more acceleration stages 16S towards the center plane of the central chamber 20, passively adiabatically compressed within one or more compression stages, and then shifted back towards the center plane of the central chamber 20, passing through this central chamber 20 with a mirror or reflective cone 50 adjacent to the end of the central chamber 20.

Обратимся к фиг. 6, где альтернативный вариант осуществления системы 200 для слияния и сжатияLet us turn to Fig. 6, where an alternative embodiment of the system 200 for merging and compressing

- 6 041092 компактных тороидов плазмы проиллюстрирован на частичном подробном виде, который показывает камеру 20 сжатия с диаметрально противоположными секциями 18N и 18S сжатия, соединенными с противоположными сторонами камеры 20. Система 200 дополнительно включает в себя цилиндрическую оболочку или лайнер 60, находящийся внутри центральной камеры 20 сжатия для быстрого сжатия лайнера.- 6 041092 compact plasma toroids is illustrated in partial detail view which shows a compression chamber 20 with diametrically opposed compression sections 18N and 18S connected to opposite sides of the chamber 20. The system 200 further includes a cylindrical shell or liner 60 located within the central chamber 20 compression for quick compression of the liner.

Хотя изобретение допускает различные изменения и альтернативные формы, его конкретные примеры были показаны на чертежах и подробно описаны в настоящем документе. Однако следует понимать, что изобретение не должно быть ограничено какими-то раскрытыми конкретными формами или способами, наоборот, изобретение предполагает охват всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, находящихся в рамках сущности и объема приложенных пунктов формулы изобретения.While the invention is susceptible to various variations and alternative forms, specific examples have been shown in the drawings and are described in detail herein. However, it is to be understood that the invention is not to be limited to any specific forms or methods disclosed, rather, the invention is intended to cover all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the appended claims.

В вышеприведенном описании в пояснительных целях для обеспечения полного понимания настоящего изобретения использованы некоторые специальные элементы. Однако для специалиста в данной области техники будет очевидно, что для практического осуществления идей настоящего описания эти специальные элементы не требуются.In the foregoing description, some specific elements have been used for explanatory purposes in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, one of ordinary skill in the art will appreciate that these special elements are not required to practice the teachings of the present disclosure.

Различные признаки показательных примеров и зависимых пунктов формулы изобретения могут быть объединены способами, которые здесь специально или явным образом не описаны, с целью обеспечения дополнительных полезных вариантов осуществления настоящих идей. Заметим также, что все диапазоны величин или параметры групп объектов представляют собой каждую возможную промежуточную величину или промежуточный объект с целью первоначального описания, а также с целью ограничения заявленного предмета изобретения.Various features of the exemplary examples and dependent claims may be combined in ways not specifically or explicitly described herein to provide additional useful embodiments of the present teachings. Note also that all ranges of values or parameters of groups of objects represent every possible intermediate value or intermediate object for the purpose of initial description, as well as for the purpose of limiting the claimed subject matter.

В настоящем документе были раскрыты системы и способы для объединения и слияния компактных тороидов плазмы. Понятно, что описанные здесь варианты осуществления приведены с целью разъяснения и не должны рассматриваться как ограничивающие предмет изобретения. Для специалиста в области техники будут очевидны различные модификации, применения, замены, комбинации, усовершенствования, способы изготовления, не выходящие за рамки объема или сущности настоящего изобретения. Например, читатель должен понимать, что описанная здесь конкретная последовательность и сочетание действий процесса являются лишь иллюстративными, если не указано иное, а изобретение может быть реализовано с использованием иных или дополнительных операций, или другой комбинации или последовательности операций процесса. В качестве другого примера, каждый признак одного варианта осуществления может быть скомбинирован и подобран с другими признаками, показанными в других вариантах осуществления. Аналогичным образом, при необходимости сюда могут быть включены признаки или процессы, известные обычным специалистам в данной области. Кроме того, очевидно, что при необходимости признаки могут как добавляться, так и исключаться. Соответственно изобретение не должно быть ограничено ничем иным, как только приложенными пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.Systems and methods for combining and fusing compact plasma toroids have been disclosed herein. It is understood that the embodiments described herein are for the purpose of explanation and should not be construed as limiting the subject matter of the invention. Various modifications, uses, substitutions, combinations, improvements, manufacturing methods will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope or spirit of the present invention. For example, the reader should understand that the specific sequence and combination of process steps described herein are illustrative only, unless otherwise indicated, and the invention may be practiced using different or additional steps, or other combination or process steps. As another example, each feature of one embodiment may be combined and matched with other features shown in other embodiments. Likewise, if necessary, features or processes known to those of ordinary skill in the art may be included here. In addition, it is obvious that, if necessary, features can be both added and excluded. Accordingly, the invention is not to be limited otherwise than by the appended claims and their equivalents.

Варианты осуществления изобретения могут быть, в частности, следующими:Embodiments of the invention may be, in particular, the following:

1. Система для слияния и сжатия компактных тороидов плазмы, содержащая камеру сжатия, первую и вторую диаметрально противоположные секции формирования компактного тороида, содержащие модульные системы формирования и ускорения для генерации первого и второго компактных тороидов плазмы и аксиального ускорения компактных тороидов и переноса компактных тороидов к средней плоскости камеры сжатия, первую и вторую диаметрально противоположные секции сжатия, подсоединенные на первом конце к выходному концу первой и второй секций формирования, причем первая и вторая секции сжатия выполнены с возможностью адиабатического сжатия компактных тороидов, в то время как компактные тороиды пересекают первую и вторую секции сжатия к средней плоскости камеры сжатия, первую и вторую диаметрально противоположные секции ускорения, подсоединенные на первом конце ко второму концу первой и второй секций сжатия, при этом первая и вторая секции ускорения содержат модульные системы ускорения для аксиального ускорения компактных тороидов и переноса компактных тороидов к средней плоскости камеры сжатия, и третью и четвертую диаметрально противоположные секции сжатия, подсоединенные на первом конце ко второму концу первой и второй секций ускорения, а на втором конце - к первому и второму диаметрально противоположным концам камеры сжатия, причем третья и четвертая секции сжатия выполнены с возможностью адиабатического сжатия компактных тороидов, в то время как компактные тороиды пересекают третью и четвертую секции сжатия к средней плоскости камеры сжатия.1. A system for fusion and compression of compact plasma toroids, containing a compression chamber, first and second diametrically opposite sections of compact toroid formation, containing modular formation and acceleration systems for generating the first and second compact plasma toroids and axial acceleration of compact toroids and transfer of compact toroids to the middle planes of the compression chamber, first and second diametrically opposed compression sections connected at the first end to the outlet end of the first and second forming sections, wherein the first and second compression sections are configured to adiabatically compress the compact toroids while the compact toroids traverse the first and second sections compression to the median plane of the compression chamber, the first and second diametrically opposed acceleration sections connected at the first end to the second end of the first and second compression sections, while the first and second acceleration sections contain modular acceleration systems for axial acceleration compact toroids and transfer of compact toroids to the middle plane of the compression chamber, and the third and fourth diametrically opposite compression sections connected at the first end to the second end of the first and second acceleration sections, and at the second end to the first and second diametrically opposite ends of the compression chamber, wherein the third and fourth compression sections are configured to adiabatically compress the compact toroids while the compact toroids traverse the third and fourth compression sections toward the median plane of the compression chamber.

2. Система по п.1, причем камера сжатия выполнена с возможностью магнитного сжатия компактных тороидов после их столкновения и слияния.2. The system of claim 1, wherein the compression chamber is configured to magnetically compress the compact toroids after they collide and merge.

3. Система по п.1, причем камера сжатия содержит модульную систему ускорения для магнитного сжатия компактных тороидов после их столкновения и слияния.3. The system of claim 1, wherein the compression chamber comprises a modular acceleration system for magnetically contracting compact toroids after they have collided and merged.

4. Система по пп.1-3, причем первой и второй секциям формирования, первой и второй секциям ускорения и камере сжатия придана цилиндрическая форма, причем диаметры первой и второй секций ускорения меньше, чем диаметр первой и второй секций формирования, а диаметр камеры сжатия меньше, чем диаметр первой и второй секций ускорения.4. The system according to claims 1 to 3, wherein the first and second forming sections, the first and second acceleration sections and the compression chamber are given a cylindrical shape, and the diameters of the first and second acceleration sections are less than the diameter of the first and second formation sections, and the diameter of the compression chamber less than the diameter of the first and second acceleration sections.

- 7 041092- 7 041092

5. Система по пп.1-4, причем первой, второй, третьей и четвертой секциям сжатия придана усеченная коническая форма, причем диаметр первой, второй, третьей и четвертой секции сжатия больше на первом конце, чем на втором конце.5. The system according to claims 1-4, wherein the first, second, third and fourth compression sections are given a truncated conical shape, and the diameter of the first, second, third and fourth compression sections is larger at the first end than at the second end.

6. Система по пп.1-5, причем первая и вторая секции формирования, первая и вторая секции сжатия, первая и вторая секции ускорения и третья и четвертая секции сжатия являются аксиально симметричными.6. The system according to claims 1 to 5, wherein the first and second forming sections, the first and second compression sections, the first and second acceleration sections, and the third and fourth compression sections are axially symmetrical.

7. Система по пп.1-6, причем множество активных магнитных катушек расположено вокруг и аксиально вдоль первой и второй секций формирования, первой и второй секций ускорения и камеры сжатия.7. System according to claims 1 to 6, wherein a plurality of active magnetic coils are disposed around and axially along the first and second forming sections, the first and second acceleration sections, and the compression chamber.

8. Система по пп.1-7, дополнительно содержащая триггерные системы управления и переключения, выполненные с обеспечением возможности ступенчатой симметричной последовательности формирования компактных тороидов в первой и во второй секциях формирования и аксиального ускорения посредством активных магнитных катушек в первой и во второй секциях ускорения.8. The system according to claims 1-7, additionally containing trigger control and switching systems, made with the possibility of a stepwise symmetrical sequence of formation of compact toroids in the first and second sections of formation and axial acceleration by means of active magnetic coils in the first and second acceleration sections.

9. Система по пп.1-8, причем триггерные системы управления и переключения выполнены с возможностью синхронизации формирования и ускорения компактных тороидов в первой и во второй секциях формирования и синхронизации ускорения компактных тороидов в первой и во второй секциях ускорения.9. The system according to claims 1-8, wherein the trigger control and switching systems are configured to synchronize the formation and acceleration of compact toroids in the first and second sections of the formation and synchronization of the acceleration of compact toroids in the first and second acceleration sections.

10. Система по п.9, причем триггерные системы управления и переключения дополнительно выполнены с возможностью синхронизации магнитного сжатия с формированием и ускорением компактных тороидов в первой и во второй секциях формирования и ускорением компактных тороидов в первой и во второй секциях ускорения.10. The system according to claim 9, wherein the trigger control and switching systems are additionally configured to synchronize the magnetic compression with the formation and acceleration of compact toroids in the first and second formation sections and the acceleration of compact toroids in the first and second acceleration sections.

11. Система по пп.1-10, дополнительно содержащая множество магнитных катушек постоянного тока, расположенных вокруг и аксиально вдоль центральной камеры сжатия и секций формирования, сжатия и ускорения для создания смещающего или направляющего поля постоянного тока, находящегося внутри и аксиально простирающегося через центральную камеру сжатия и секции формирования, сжатия и ускорения.11. The system of claims 1-10 further comprising a plurality of DC magnetic coils positioned around and axially along the central compression chamber and shaping, compression and accelerating sections to create a biasing or guiding DC field within and axially extending through the central chamber compression and shaping, compression and acceleration sections.

12. Система по пп.1-11, дополнительно содержащая цилиндрическую оболочку или лайнер, расположенный внутри центральной камеры сжатия для быстрого сжатия лайнера.12. The system according to claims 1 to 11, further comprising a cylindrical shell or liner located inside the central compression chamber for rapidly compressing the liner.

13. Система для слияния и сжатия компактных тороидов плазмы, содержащая камеру сжатия, секцию формирования компактного тороида, содержащую модульные секции формирования и ускорения для генерации компактного тороида и аксиального ускорения компактного тороида и переноса этого компактного тороида к средней плоскости камеры сжатия, первую секцию сжатия, подсоединенную на первом конце к выходному концу секций формирования, причем первая секция сжатия выполнена с возможностью адиабатического сжатия компактного тороида, в то время как компактный тороид пересекает первую секцию сжатия к средней плоскости камеры сжатия, секцию ускорения, подсоединенную на первом конце ко второму концу первой секции сжатия, при этом секция ускорения содержит модульные системы ускорения для аксиального ускорения компактного тороида и переноса этого компактного тороида к средней плоскости камеры сжатия, вторую секцию сжатия, подсоединенную на первом конце ко второму концу секции ускорения, а на втором конце - к первому концу камеры сжатия, причем вторая секции сжатия выполнена с возможностью адиабатического сжатия компактного тороида, в то время как компактный тороид пересекает вторую секцию сжатия к средней плоскости камеры сжатия.13. A system for fusion and compression of compact plasma toroids, containing a compression chamber, a compact toroid formation section, containing modular formation and acceleration sections for generating a compact toroid and axial acceleration of a compact toroid and transferring this compact toroid to the middle plane of the compression chamber, the first compression section, connected at the first end to the output end of the forming sections, the first compression section being configured to adiabatically compress the compact toroid while the compact toroid crosses the first compression section to the median plane of the compression chamber, an acceleration section connected at the first end to the second end of the first section compression, while the acceleration section contains modular acceleration systems for axial acceleration of a compact toroid and transfer of this compact toroid to the middle plane of the compression chamber, the second compression section connected at the first end to the second end of the acceleration section, and at the second end to the to the first end of the compression chamber, wherein the second compression section is configured to adiabatically compress the compact toroid while the compact toroid traverses the second compression section toward the median plane of the compression chamber.

14. Система по п.13, причем камера сжатия выполнена с возможностью магнитного сжатия компактного тороида.14. The system of claim 13, wherein the compression chamber is configured to magnetically compress the compact toroid.

15. Система по пп.13-14, причем секции формирования, секции ускорения и камере сжатия придана цилиндрическая форма, причем диаметр секции ускорения меньше диаметра секции формирования, а диаметр камеры сжатия меньше диаметра секции ускорения.15. The system according to claims 13-14, wherein the formation section, the acceleration section and the compression chamber are given a cylindrical shape, and the diameter of the acceleration section is less than the diameter of the formation section, and the diameter of the compression chamber is less than the diameter of the acceleration section.

16. Система по пп.13-15, причем первой и второй секциям сжатия придана усеченная коническая форма, причем диаметры первой и второй секций сжатия больше на первом конце, чем на втором конце.16. The system according to claims 13-15, wherein the first and second compression sections are given a truncated conical shape, the diameters of the first and second compression sections being larger at the first end than at the second end.

17. Система по пп.13-16, причем секция формирования, первая и вторая секции сжатия, секция ускорения и камера сжатия выставлены аксиально.17. The system according to claims 13-16, wherein the forming section, the first and second compression sections, the acceleration section and the compression chamber are axially aligned.

18. Система по пп.13-17, причем множество активных магнитных катушек расположено вокруг и аксиально вдоль секции формирования, секции ускорения и камеры сжатия.18. System according to claims 13-17, wherein a plurality of active magnetic coils are disposed around and axially along the forming section, the acceleration section and the compression chamber.

19. Система по пп.13-18, дополнительно содержащая триггерные системы управления и переключения, выполненные с обеспечением возможности ступенчатой последовательности формирования и аксиального ускорения компактного тороида активными магнитными катушками.19. The system according to claims 13-18, additionally containing trigger control and switching systems, made with the possibility of a stepped sequence of formation and axial acceleration of a compact toroid by active magnetic coils.

20. Система по п.19, причем триггерные системы управления и переключения дополнительно выполнены с обеспечением возможности магнитного сжатия компактного тороида посредством активных магнитных катушек в ступенчатой последовательности, следующей за ступенчатой последовательностью формирования и аксиального ускорения компактного тороида активными магнитными катушками.20. The system of claim 19, wherein the trigger control and switching systems are further configured to magnetically compress the compact toroid by the active magnetic coils in a step sequence following the step sequence of forming and axially accelerating the compact toroid by the active magnetic coils.

21. Система по п.19, причем триггерные системы управления и переключения выполнены с возможностью синхронизации формирования и ускорения компактного тороида в секции формирования и21. The system according to claim 19, wherein the trigger control and switching systems are configured to synchronize the formation and acceleration of a compact toroid in the formation section and

- 8 041092 синхронизации ускорения компактного тороида в секции ускорения с позиционированием компактного тороида в средней плоскости камеры сжатия.- 8 041092 synchronization of the compact toroid acceleration in the acceleration section with the positioning of the compact toroid in the middle plane of the compression chamber.

22. Система по п.20, причем триггерные системы управления и переключения дополнительно выполнены с возможностью синхронизации сжатия компактного тороида и второго компактного тороида с формированием и ускорением компактного тороида в секции формирования, ускорением компактного тороида в секции ускорения и позиционированием компактного тороида в средней плоскости камеры сжатия.22. The system according to claim 20, wherein the trigger control and switching systems are further configured to synchronize the compression of the compact toroid and the second compact toroid with the formation and acceleration of the compact toroid in the formation section, the acceleration of the compact toroid in the acceleration section, and the positioning of the compact toroid in the middle plane of the chamber compression.

23. Система по пп.13-22, дополнительно содержащая множество магнитных катушек постоянного тока, расположенных вокруг и аксиально вдоль центральной камеры сжатия и секций формирования, сжатия и ускорения, для создания смещающего или направляющего поля постоянного тока, находящегося внутри и простирающегося аксиально через центральную камеру сжатия и секции формирования, сжатия и ускорения.23. The system according to claims 13-22, further comprising a plurality of DC magnetic coils located around and axially along the central compression chamber and sections of formation, compression and acceleration, to create a biasing or guiding DC field located inside and extending axially through the central compression chamber and sections of formation, compression and acceleration.

24. Система по пп.13-23, дополнительно содержащая цилиндрическую оболочку или лайнер, расположенный внутри центральной камеры сжатия для быстрого сжатия лайнера.24. The system according to claims 13-23, further comprising a cylindrical shell or liner located inside the central compression chamber for rapidly compressing the liner.

25. Система по пп.13-24, дополнительно содержащая одно из зеркала и отражательного конуса, подсоединенного ко второму концу центральной камеры сжатия.25. The system according to claims 13-24, further comprising one of a mirror and a reflective cone connected to the second end of the central compression chamber.

26. Система для слияния и сжатия компактных тороидов плазмы, содержащая центральную камеру, пару диаметрально противоположных секций формирования;26. A system for merging and compressing compact plasma toroids, comprising a central chamber, a pair of diametrically opposed formation sections;

одну или более диаметрально противоположных пар секций ускорения и одну или более диаметрально противоположных пар секций сжатия, расположенных между секциями формирования и секциями ускорения, соседними с секциями формирования, и расположенных между центральной камерой и секциями ускорения, соседними с центральной камерой, при этом система выполнена с обеспечением возможности ступенчатой симметричной последовательности формирования компактных тороидов, аксиального ускорения посредством активных магнитных катушек вокруг секций формирования и ускорения, пассивного адиабатического сжатия компактных тороидов внутри конически сужающегося консервера потока секций сжатия и магнитного сжатия внутри центральной камеры.one or more diametrically opposed pairs of acceleration sections and one or more diametrically opposed pairs of compression sections located between the formation sections and the acceleration sections adjacent to the formation sections, and located between the central chamber and the acceleration sections adjacent to the central chamber, while the system is made with enabling stepwise symmetrical sequence of compact toroid formation, axial acceleration by active magnetic coils around the formation and acceleration sections, passive adiabatic compression of the compact toroids within the conically tapering flow conservator of the compression sections, and magnetic compression within the central chamber.

27. Система по п.26, причем камера сжатия выполнена с возможностью магнитного сжатия компактных тороидов после их столкновения и слияния.27. The system of claim 26, wherein the compression chamber is configured to magnetically compress the compact toroids after they collide and merge.

28. Система по п.26 и 27, причем секциям формирования, секциям ускорения и центральной камере придана цилиндрическая форма, причем диаметры секций ускорения меньше, чем диаметры секций формирования и меньше, чем предшествующая секция ускорения в направлении от секции формирования к центральной камере, а диаметр камеры сжатия меньше, чем диаметры секций ускорения.28. The system according to claims 26 and 27, wherein the forming sections, the acceleration sections and the central chamber are given a cylindrical shape, and the diameters of the acceleration sections are less than the diameters of the formation sections and less than the previous acceleration section in the direction from the formation section to the central chamber, and the diameter of the compression chamber is smaller than the diameters of the acceleration sections.

29. Система по пп.26-28, причем секциям сжатия придана усеченная коническая форма, причем диаметр секции сжатия больше на первом конце, чем на втором конце, при этом второй конец каждой секции сжатия является ближе к центральной камере, чем первый конец.29. The system according to claims 26-28, wherein the compression sections are given a truncated conical shape, the diameter of the compression section is larger at the first end than at the second end, and the second end of each compression section is closer to the central chamber than the first end.

30. Система по пп.26-29, причем секции формирования, одна или более пар секций сжатия и одна или более пар секций ускорения являются аксиально симметричными.30. The system of claims 26-29, wherein the shaping sections, one or more pairs of compression sections, and one or more pairs of acceleration sections are axially symmetrical.

31. Система по пп.26-30, причем множество активных магнитных катушек расположено вокруг и аксиально вдоль секций формирования, секций ускорения и центральной камеры.31. The system of claims 26-30, wherein a plurality of active magnetic coils are disposed around and axially along the forming sections, the acceleration sections and the central chamber.

32. Система по пп.26-31, дополнительно содержащая триггерные системы управления и переключения, выполненные с обеспечением возможности ступенчатой симметричной последовательности формирования компактных тороидов в секциях формирования и аксиального ускорения в секциях ускорения.32. The system according to claims 26-31, additionally containing trigger control and switching systems, made with the possibility of a stepwise symmetrical sequence of formation of compact toroids in the formation sections and axial acceleration in the acceleration sections.

33. Система по п.32, причем триггерные системы управления и переключения дополнительно выполнены с обеспечением возможности магнитного сжатия компактных тороидов активными магнитными катушками в ступенчатой последовательности, следующей за ступенчатой последовательностью формирования компактных тороидов, и аксиального ускорения активными магнитными катушками.33. The system of claim 32, wherein the trigger control and switching systems are further configured to magnetically compress the compact toroids by the active magnetic coils in a step sequence following the step sequence of compact toroid formation and axially accelerate by the active magnetic coils.

34. Система по п.32, причем триггерные системы управления и переключения выполнены с возможностью синхронизации формирования и ускорения компактных тороидов в паре секции формирования и синхронизации ускорения компактных тороидов в одной или более пар секций ускорения.34. The system of claim 32, wherein the trigger control and switching systems are configured to synchronize the formation and acceleration of compact toroids in a pair of the formation section and synchronization of the acceleration of compact toroids in one or more pairs of acceleration sections.

35. Система по п.33, причем триггерные системы управления и переключения дополнительно выполнены с возможностью синхронизации сжатия компактных тороидов с формированием и ускорением компактных тороидов в секции формирования и с ускорением компактных тороидов в секции ускорения.35. The system of claim 33, wherein the trigger control and switching systems are further configured to synchronize the contraction of the compact toroids with the formation and acceleration of the compact toroids in the formation section and with the acceleration of the compact toroids in the acceleration section.

36. Система по пп.26-35, причем секции сжатия расположены между центральной камерой и соседними секциями ускорения.36. The system according to claims 26-35, wherein the compression sections are located between the central chamber and adjacent acceleration sections.

37. Система по пп.26-36, дополнительно содержащая множество магнитных катушек постоянного тока, расположенных вокруг и аксиально вдоль центральной камеры сжатия и секций формирования, сжатия и ускорения для создания смещающего или направляющего поля постоянного тока, находящегося внутри и простирающегося аксиально через центральную камеру сжатия и секции формирования, сжатия и ускорения.37. The system of claims 26-36 further comprising a plurality of DC magnetic coils positioned around and axially along the central compression chamber and shaping, compression and accelerating sections to create a biasing or guiding DC field located within and extending axially through the central chamber compression and shaping, compression and acceleration sections.

38. Система по пп.26-37, дополнительно содержащая цилиндрическую оболочку или лайнер, распо-38. The system according to claims 26-37, additionally containing a cylindrical shell or liner located

- 9 041092 ложенный внутри центральной камеры сжатия, для быстрого сжатия лайнера.- 9 041092 placed inside the central compression chamber, for quick compression of the liner.

39. Способ слияния и сжатия компактных тороидов плазмы внутри системы, содержащей центральную камеру, диаметрально противоположные секции формирования, одну или более ступеней ускорения и множество ступеней сжатия, расположенных между секциями формирования и соседними ступенями ускорения и центральной камерой и соседними ступенями ускорения, при этом этапы включают в себя:39. A method for merging and compressing compact plasma toroids within a system comprising a central chamber, diametrically opposed formation sections, one or more acceleration stages, and a plurality of compression stages located between the formation sections and adjacent acceleration stages and the central chamber and adjacent acceleration stages, wherein the steps include:

формирование и ускорение компактных тороидов в ступенчатой симметричной последовательности внутри секций формирования и ступеней ускорения к средней плоскости центральной камеры, пассивное адиабатическое сжатие компактных тороидов внутри секций сжатия, и магнитное сжатие слившегося компактного тороида внутри центральной камеры.formation and acceleration of compact toroids in a stepwise symmetrical sequence inside the formation sections and acceleration steps towards the central chamber midplane, passive adiabatic compression of compact toroids inside compression sections, and magnetic compression of a merged compact toroid inside the central chamber.

40. Способ по п.39, причем этапы формирования, ускорения и сжатия компактных тороидов приводят к сталкиванию и слиянию компактных тороидов внутри центральной камеры.40. The method of claim 39, wherein the steps of forming, accelerating, and compressing the compact toroids cause the compact toroids to collide and merge within the central chamber.

41. Способ по п.39 и 40, причем этапы формирования и ускорения компактных тороидов включают в себя запитку активных магнитных катушек, расположенных вокруг и аксиально вдоль секций формирования и ступеней ускорения.41. The method of claims 39 and 40, wherein the steps of forming and accelerating compact toroids include energizing active magnetic coils located around and axially along the formation sections and acceleration stages.

42. Способ по пп.39-41, причем этап сжатия компактных тороидов включает в себя перенос компактных тороидов через конически сужающиеся консерверы потока ступеней сжатия.42. The method according to claims 39-41, wherein the step of compressing the compact toroids includes passing the compact toroids through the conically tapering flow canisters of the compression stages.

43. Способ по пп.39-42, причем этап формирования и ускорения компактных тороидов дополнительно включает в себя синхронное включение диаметрально противоположных пар активных магнитных катушек, расположенных вокруг и вдоль секций формирования и ускорения.43. The method according to claims 39-42, wherein the step of forming and accelerating compact toroids further includes synchronously turning on diametrically opposed pairs of active magnetic coils located around and along the forming and accelerating sections.

44. Способ по п.43, причем этап магнитного сжатия слившегося компактного тороида включает в себя синхронное включение активных магнитных катушек, расположенных вокруг и вдоль камеры сжатия, с включением активных магнитных катушек, расположенных вокруг и вдоль секций формирования и ускорения.44. The method of claim 43, wherein the step of magnetically squeezing the fused compact toroid includes synchronously turning on active magnetic coils located around and along the compression chamber, with turning on active magnetic coils located around and along the formation and acceleration sections.

45. Способ по пп.39-44, причем секции сжатия расположены между центральной камерой и соседними ступенями ускорения.45. The method according to claims 39-44, wherein the compression sections are located between the central chamber and adjacent acceleration stages.

46. Способ по пп.39-45, дополнительно включающий в себя этап генерации направляющего поля постоянного тока, находящегося внутри и простирающегося аксиально через камеру сжатия, секции формирования, ступени ускорения и ступени сжатия.46. The method of claims 39-45, further comprising the step of generating a direct current guiding field within and extending axially through the compression chamber, the shaping section, the acceleration stage, and the compression stage.

47. Способ слияния и сжатия компактных тороидов плазмы внутри системы, содержащей центральную камеру, секцию формирования, одну или более ступеней ускорения и одну или более ступеней сжатия, расположенных между секцией формирования и соседней ступенью ускорения и соседними ступенями ускорения, при этом этапы включают в себя формирование и ускорение первого компактного тороида в ступенчатой последовательности внутри секции формирования и одной или более ступеней ускорения к средней плоскости центральной камеры для столкновения и слияния со вторым компактным тороидом, пассивное адиабатическое сжатие компактного тороида внутри одной или более секций сжатия и магнитное сжатие слившегося компактного тороида из первого и второго компактных тороидов внутри центральной камеры.47. A method for merging and compressing compact plasma toroids within a system comprising a central chamber, a formation section, one or more acceleration stages, and one or more compression stages located between the formation section and an adjacent acceleration stage and adjacent acceleration stages, the steps including formation and acceleration of the first compact toroid in a stepwise sequence within the formation section and one or more stages of acceleration towards the middle plane of the central chamber for collision and fusion with the second compact toroid, passive adiabatic compression of the compact toroid inside one or more compression sections, and magnetic compression of the merged compact toroid from the first and second compact toroids inside the central chamber.

48. Способ по п.47, причем этапы формирования, ускорения и сжатия первого компактного тороида приводят к столкновению и слиянию первого компактного тороида со вторым компактным тороидом внутри центральной камеры.48. The method of claim 47, wherein the steps of forming, accelerating, and compressing the first compact toroid cause the first compact toroid to collide and merge with the second compact toroid within the central chamber.

49. Способ по п.47 и 48, причем этапы формирования и ускорения первого компактного тороида включают в себя запитку активных магнитных катушек вокруг и аксиально вдоль секции формирования и одной или более ступеней ускорения.49. The method of claims 47 and 48, wherein the steps of forming and accelerating the first compact toroid include energizing active magnetic coils around and axially along the forming section and one or more acceleration stages.

50. Способ по пп.47-49, причем этап сжатия первого компактного тороида включает в себя перенос компактного тороида через конически сужающийся консервер потока одной или более секций сжатия.50. The method of claims 47-49, wherein the step of compressing the first compact toroid includes passing the compact toroid through a conically tapered flow conserver of one or more compression sections.

51. Способ по пп.47-50, причем этап формирования и ускорения первого компактного тороида дополнительно включает в себя синхронное включение активных магнитных катушек, расположенных вокруг и вдоль секций формирования и ускорения с позиционированием второго компактного тороида внутри центральной камеры.51. The method according to claims 47-50, wherein the step of forming and accelerating the first compact toroid further includes synchronously turning on active magnetic coils located around and along the forming and accelerating sections with positioning the second compact toroid inside the central chamber.

52. Способ по пп.47-51, причем одна или более ступеней сжатия расположена между центральной камерой и соседней ступенью ускорения.52. The method according to claims 47-51, wherein one or more compression stages are located between the central chamber and an adjacent acceleration stage.

53. Способ по пп.47-52, дополнительно включающий в себя этап генерации направляющего поля постоянного тока, находящегося внутри и простирающегося аксиально через камеру сжатия, секции формирования, ступени ускорения и ступени сжатия.53. The method of claims 47-52, further comprising the step of generating a direct current guiding field within and extending axially through the compression chamber, the shaping section, the acceleration stage, and the compression stage.

54. Способ по пп.47-53, дополнительно включающий в себя этапы формирования и ускорения второго компактного тороида в ступенчатой последовательности внутри секции формирования и одной или более ступеней ускорения к средней плоскости центральной камеры, пассивное адиабатическое сжатие второго компактного тороида внутри одной или более ступеней сжатия и смещение второго компактного тороида назад к средней плоскости центральной камеры, в то время54. The method of claims 47-53, further comprising the steps of forming and accelerating the second compact toroid in a staggered sequence within the shaping section and one or more stages of accelerating toward the midplane of the central chamber, passively adiabatically compressing the second compact toroid within the one or more stages compression and displacement of the second compact toroid back to the middle plane of the central chamber, while

--

Claims

as it passes through a central chamber with a mirror that is positioned adjacent to the end of the central chamber.

55. The method of claims 47-54, further comprising the steps of forming and accelerating the second compact toroid in a staggered sequence within the shaping section and one or more stages of accelerating toward the central chamber midplane, passively adiabatically compressing the second compact toroid within the one or more stages compression, and shifting the second compact toroid back toward the midplane of the central chamber as it passes through the central chamber with a reflective cone which is adjacent to the end of the central chamber.

56. The system according to claims 1-38, wherein the compact toroids are one of the inverted magnetic configuration (FRC) starting field plasma and spheromak.

57. The system according to claims 1-38, wherein the compression sections are formed from a conductive material, and the central compression chamber and the formation and acceleration sections are formed from a non-conductive material.

58. The method according to claims 39-55, wherein the compact toroids are one of the FRC starting plasma and spheromak.

59. The method according to claims 39-55, wherein the compression sections are formed from a conductive material, and the central compression chamber and the formation and acceleration sections are formed from a non-conductive material.

CLAIM

1. Method for fusion and compression of compact plasma toroids inside a system for fusion and compression of compact plasma toroids, containing a central chamber (20), a plurality of active magnetic coils (40) located around and axially along the central chamber for magnetic compression of compact toroids, diametrically opposite sections (12N, 12S) formations, a plurality of active magnetic coils (32N, 32S) located around and axially along the formation sections to form and accelerate compact toroids in a stepped symmetrical sequence, one or more acceleration sections (16N, 16S), a plurality of sections (14N , 14S) compressions, made with a conically tapering converter for adiabatic compression of compact toroids and located between the formation sections and adjacent acceleration sections and located between the central chamber and adjacent acceleration sections, and a plurality of active magnetic coils (36N and 36S) located around and axially along sections (16N, 16S) accelerated for accelerating compact toroids in a stepwise symmetrical sequence, the steps comprising forming and accelerating compact toroids in a stepwise symmetrical sequence within the formation sections and accelerating sections to the central chamber midplane, passive adiabatic compression of the compact toroids within the compression sections, and magnetic compression of the merged compact toroid inside the central chamber.

2. The method of claim 1 further comprising the steps of colliding and merging the compact toroids within the central chamber.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, wherein the step of forming and accelerating compact toroids comprises energizing said plurality of active magnetic coils located around and axially along the forming and accelerating sections.

4. The method according to any one of claims 1 and 2, wherein the step of forming and accelerating compact toroids further comprises synchronously turning on diametrically opposite pairs of active magnetic coils located around and along the forming and accelerating sections.

5. The method according to claim 3, wherein the step of forming and accelerating compact toroids further comprises synchronously turning on diametrically opposite pairs of active magnetic coils located around and along the forming and accelerating sections.

6. The method according to claim 4, wherein the step of magnetically squeezing the merged compact toroid comprises synchronously turning on active magnetic coils located around and along the central chamber, with turning on active magnetic coils located around and along the formation sections and acceleration sections.

7. The method according to claim 5, wherein the step of magnetically squeezing the merged compact toroid comprises synchronously turning on active magnetic coils located around and along the central chamber, with turning on active magnetic coils located around and along the formation sections and acceleration sections.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, further comprising the step of generating a direct current guiding field within and extending axially through the central chamber, the shaping section, the acceleration section and the compression section.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the compact toroids are one of the inverted magnetic configuration (FRC) and spheromak starting field plasmas.

-