ES2900489T3

ES2900489T3 - Sistemas y métodos para la estabilidad de posición de plasma de FRC

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Publication number: ES2900489T3
Application number: ES16865181T
Authority: ES
Inventors: Jesus Antonio Romero Gonzalez
Original assignee: TAE Technologies Inc
Current assignee: TAE Technologies Inc
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2016-11-13
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2036-11-13
Also published as: US11615896B2; EP3357067A4; US20190141827A1; MY191665A; KR102658978B1; AU2016354566B2; AU2022202266B2; IL259313B1; HRP20211798T1; CY1124876T1; US20230335302A1; PH12018500880A1; MX2018005933A; UA126789C2; JP7007730B2; DK3357067T3; PT3357067T; IL259313A; EA038690B1; PL3357067T3

Abstract

Método para estabilizar un plasma de configuración de campo invertido (FRC) que comprende las etapas de: formar un plasma de FRC situado a lo largo de un eje longitudinal de una cámara de confinamiento (100) adyacente al plano medio de la cámara de confinamiento (100) formando un campo magnético de FRC alrededor de un plasma giratorio en la cámara de confinamiento (100), y estabilizar el plasma de FRC en una dirección radial normal al eje longitudinal para situar el plasma de FRC axisimétrico alrededor del eje longitudinal sintonizando un campo magnético aplicado generado dentro de la cámara (100) mediante componentes de corriente simétrica para inducir una estabilidad radial y una inestabilidad axial en el plasma de FRC; caracterizado por que: el plasma de FRC se estabiliza en una dirección axial a lo largo del eje longitudinal creando unos primer y segundo campos magnéticos radiales, en el que los primer y segundo campos magnéticos radiales interactúan con el plasma de FRC para desplazar axialmente el plasma de FRC para situar el plasma de FRC axisimétrico alrededor del plano medio.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y métodos para la estabilidad de posición de plasma de FRC

Campo

La materia objeto descrita en la presente memoria se refiere de manera general a sistemas de confinamiento magnético de plasma que presentan una configuración de campo invertido (FRC) y, más particularmente, a sistemas y métodos que facilitan la estabilidad de un plasma de FRC tanto en dirección radial como axial y el control de la posición del plasma de FRC a lo largo del eje de simetría de una cámara de confinamiento de plasma de FRC.

Información de antecedentes

La configuración de campo invertido (FRC) pertenece a la clase de las topologías de confinamiento magnético de plasma conocidas como toroides compactos (TC). Muestra campos magnéticos predominantemente poloidales y posee campos toroidales autogenerados nulos o pequeños (ver M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033, 1988). Los atractivos de dicha configuración son su geometría simple que facilita la construcción y el mantenimiento, un desviador no restringido natural que facilita la extracción de energía y la eliminación de cenizas y una 8 muy elevada (8 es la proporción entre la presión media del plasma y la presión media del campo magnético dentro de la FRC), es decir, una elevada densidad de potencia. La naturaleza de 8 elevada resulta ventajosa para el funcionamiento económico y para la utilización de combustibles aneutrónicos avanzados, tales como D-He3 y p-B11.

Los dispositivos FRC son dispositivos de alto vacío cerrados que se basan en un campo magnético para confinar los plasmas a alta temperatura con el fin, entre otros, de generar energía de fusión termonuclear. Un componente del campo magnético debe producirse necesariamente por una intensa corriente toroidal en el plasma, que interactúa con el campo magnético producido por bobinas externas al plasma. En contraste con otros dispositivos de confinamiento magnético, los dispositivos de FRC no presentan bobinas externas para producir un campo toroidal. Un plasma de FRC típico se asemeja a un elipsoide de revolución con su eje a lo largo del eje de la bobina externa. El límite elipsoidal es la separatriz del plasma, que limita un plasma toroidal compacto con su eje de simetría a lo largo del eje de revolución del elipsoide.

Debido a la falta de campo magnético toroidal, los plasmas FRC presentan una tendencia a romper la simetría del eje, lo que puede conducir a pérdidas incrementadas de energía, densidad y confinamiento en el caso de que no se adopten acciones correctoras. La inestabilidad más básica está relacionada con el hecho de que en un plasma de FRC la corriente de plasma fluye en dirección contraria a la corriente de la bobina externa, generando un momento de giro que actúa en la dirección de alineación del bucle de corriente de plasma con el campo externo (inestabilidad de inclinación). Otras roturas del eje de simetría están relacionadas con el desplazamiento radial del eje de revolución del plasma (desplazamiento radial), una deformación elípitica de la cintura de la FRC (modo rotacional), una combinación de desplazamiento radical y rotación (modo de tambaleo), microturbulencias del plasma y otras. Dichas roturas del eje de simetría, asimismo conocidas como inestabilidades del plasma, deben evitarse a fin de alcanzar un buen confinamiento de la masa y energía del plasma.

Una de las soluciones propuestas para conseguir estabilidad en la dirección radial se basa en el hecho de que los equilibrios de FRC contienen soluciones en las que la posición del plasma es estable en la dirección estable a expensas de ser inestable en la dirección transversal o radial, o es estable en la dirección radial a expensas de ser axialmente inestable, aunque no ambas simultáneamente. Hasta el primer orden, un equilibrio en el que la posición del plasma es transversalmente estable presenta la propiedad deseada de ser asimétrico, a expensas de ser axialmente inestable. Sin embargo, la inestabilidad de la posición axial puede controlarse activamente mediante la utilización de un conjunto de bobinas externas axisimétricas a fin de obtener estabilidad tanto en dirección axial como radial.

A partir de lo anteriormente expuesto, por lo tanto, resulta deseable proporcionar sistemas y métodos que faciliten el control de la posición axial de un plasma de FRC de una manera independiente de las propiedades de estabilidad axial de su equilibrio. Lo anterior resulta importante debido a que el equilibrio podría tener que transitar entre equilibrios axialmente estables e inestables en diferentes etapas de la descarga de FRC, por ejemplo en el caso de que el escenario de inestabilidad axial se pierda y recupere temporalmente durante la descarga del plasma.

Sumario

La presente invención se refiere a un método para estabilizar un plasma de FRC según la reivindicación 1 y a un sistema para generar y estabilizar un plasma de FRC según la reivindicación 14. Las formas de realización preferidas de la invención se dan a conocer en las reivindicaciones dependientes. Las formas de realización proporcionadas en la presente memoria se refieren a sistemas y métodos que facilitan la estabilidad de un plasma de FRC tanto en la dirección radial como axial y controlan la posición axial de un plasma de FRC a lo largo del eje de simetría de una cámara de confinamiento de plasma de FRC con independencia de las propiedades de estabilidad axial del equilibrio del plasma de FRC. Hasta el primer orden, un equilibrio en el que la posición del plasma es transversal o radialmente estable presenta la propiedad deseada de ser axisimétrico, a expensas de ser axialmente inestable. Sin embargo, la inestabilidad de la posición axial puede controlarse activamente mediante la utilización de un conjunto de bobinas externas axisimétricas que controlan la posición axial del plasma de FRC.

Las formas de realización presentadas en la presente memoria explotan los equilibrios axialmente inestables de la FRC para forzar la estabilidad radial, estabilizando o controlando simultáneamente la inestabilidad axial. De esta manera, puede conseguirse la estabilidad en ambas direcciones, axial y radial. La metodología de control está diseñada para alterar el campo magnético externo o de equilibrio para conseguir que el plasma de FRC sea radial o transversalmente estable a expensas de que sea axialmente inestable y después actuar sobre la corriente de la bobina de campo radial a fin de restaurar rápidamente la posición del plasma de FRC hacia el plano medio, minimizando simultáneamente la sobrecompensación y/o las oscilaciones en torno al plano medio de la cámara de confinamiento. La ventaja de dicha solución es que reduce la complejidad de los accionadores requeridos para el control. En comparación con las soluciones convencionales con múltiples grados de libertad, la metodología de la forma de realización presentada en la presente memoria reduce la complejidad a un problema de control a lo largo del eje de revolución del plasma de f Rc que presenta un grado de libertad.

La solicitud de patente internacional WO 2015/048092 da a conocer un sistema de configuración de campo invertido (FRC) de alto rendimiento que incluye una vasija de confinamiento central, dos secciones de formación de estricción ortogonal de campo invertido diametralmente opuestos acopladas con la vasija y dos cámaras desviadoras acopladas con las secciones de formación. Un sistema magnético incluye bobinas cuasi-dc posicionadas axialmente a lo largo de los componentes del sistema FRC, bobinas especulares cuasi-dc entre la cámara de confinamiento y las secciones de formación, y tapones especulares entre las secciones de formación y los desviadores. Entre las secciones de formación se incluyen sistemas modulares de formación de energía pulsada que permiten la formación estática y dinámica y la aceleración de los FRC. El sistema de FRC incluye además inyectores de haces de átomos neutros, inyectores de gránulos (“pellet”), sistemas de adsorción, cañones de plasma axial y electrodos de polarización superficial de flujo.

La solicitud de patente estadounidense US n° 4.314.879 da a conocer la utilización de un cañón de plasma coaxial para producir un anillo de plasma que se dirige al interior a un campo magnético de manera que forma un plasma de campo invertido confinado en un espejo magnético. El plasma producido de esta manera puede utilizarse como diana para una posterior inyección de haz neutro u otros anillos de plasma producidos de manera similar y proyectados o para la liberación directa de energía de fusión en un modo pulsado.

El documento XP000320502A J. T Slough et al., "Confinement and Stability of Plasmas in a Field-Reverse Configuration", Physical Review Letters, American Physical Society, vol. 69, n° 15, 12 de octubre de 1992 da a conocer experimentos que se han llevado a cabo en un dispositivo LSX en que los plasmas confinados en una geometría magnética de campo invertido han mostrado tiempos de vida de energía, partículas y configuración récord. El escalado respecto a dispositivos previos, más pequeños, ha mostrado un escalado del confinamiento muy positivo con s, el número de girorradios iónicos dentro de la configuración de campo invertido. Se observó que dichos plasmas presentaban una estabilidad bruta en modos de orden bajo global, tal como la inclinación interna.

El documento XP000320502A J. T. Slough et al., "Enhanced Confinement and Stability of Plasmas in a Field-Reverse Configuration with Rotating Magnetic Field Current Drive", Physical Review Letters, vol. 85, n° 7, 14 de agosto de 2000 da a conocer un nuevo experimento que se ha construido para estudiar el mantenimiento de una configuración de campo invertido (FRC) con un campo magnético giratorio (RMF). Los FRC se formaron con iones no magnetizados fríos y, de esta manera, sin un componente iónico cinético que se creía que proporcionaba estabilidad a los modos de inclinación interna. No se observaron inestabilidades destructivas en la FRC RMF. Sólo se observó la penetración radial periférica del RMF.

Los sistemas y métodos descritos en la presente memoria proporcionan ventajosamente: control por retroalimentación de la posición axial del plasma de FRC mediante la acción sobre voltajes aplicados en un conjunto de bobina externas concéntricas con el plasma; control por retroalimentación de la posición axial de FRC mediante la utilización de una técnica de control no lineal y control por retroalimentación de la posición axial de FRC independientemente de las propiedades de estabilidad del equilibrio del plasma. Dicha independencia resulta ventajosa debido a que el equilibrio podría tener que transitar entre equilibrios axialmente estables e inestables en diferentes etapas de la descarga de FRC, por ejemplo en el caso de que el escenario de inestabilidad axial se pierda y recupere temporalmente durante la descarga del plasma.

Los sistemas, métodos, características y ventajas de las formas de realización ejemplificativas resultarán evidentes o se pondrán de manifiesto al experto en la materia tras el examen de las figuras y descripción detallada siguientes. El alcance de la invención se define mediante las reivindicaciones.

Breve descripción de las figuras

Las figuras adjuntas, que se incluyen como parte de la presente memoria descriptiva, ilustran las formas de realización actualmente ejemplificativas y, junto con la descripción general proporcionada anteriormente y la descripción detallada de las formas de realización ejemplificativas, proporcionada a continuación, sirven para explicar y enseñar los principios de la presente invención.

La figura 1 ilustra el confinamiento de partículas en el presente sistema de FRC bajo un régimen de FRC de alto rendimiento (HPF) frente a un régimen de FRC convencional (CR) y frente a otros experimentos de FRC convencionales.

La figura 2 ilustra los componentes del presente sistema de FRC y la topología magnética de un FRC producible en el presente sistema de FRC.

La figura 3A ilustra la organización básica del presente sistema de FRC visto desde la parte superior, incluyendo la disposición preferida de haces neutros, electrodos, cañones de plasma, tapones especulares e inyector de gránulos.

La figura 3B ilustra la cámara de confinamiento central vista desde la parte superior y que muestra los haces neutros dispuestos en un ángulo normal respecto al eje principal de simetría en la cámara de confinamiento central.

La figura 3C ilustra la cámara de confinamiento central vista desde la parte superior y que muestra los haces neutros dispuestos en un ángulo inferior al normal respecto al eje principal de simetría en la cámara de confinamiento central y dirigidos para inyectar partículas hacia el plano medio de la cámara de confinamiento central.

La figura 4 ilustra un esquema de los componentes de un sistema de energía pulsada para las secciones de formación.

La figura 5 ilustra una vista

isométrica de un posicionador individual de formación de energía pulsada. La figura 6 ilustra una vista

isométrica de un ensamblaje de tubo de formación.

La figura 7 ilustra una vista isométrica de una sección parcial de un sistema de haz neutro y componentes clave.

La figura 8 ilustra una vista

isométrica de la organización del haz neutro en la cámara de confinamiento. La figura 9 ilustra una vista

isométrica de una sección parcial de una disposición preferida de los sistemas de adsorción de Ti y Li.

La figura 10 ilustra una vista isométrica de una sección parcial de una pistola de plasma instalada en la cámara del desviador. Asimismo se muestra el tapón especular magnético asociado y un ensamblaje de electrodos del desviador.

La figura 11 ilustra un diseño preferido de un electrodo de polarización anular en el extremo axial de la cámara de confinamiento.

La figura 12 ilustra la evolución del radio de flujo excluido en el sistema de FRC obtenido de una serie de bucles diamagnéticos externos en las dos secciones de formación de estricción ortogonal de campo invertido y sondas magnéticas incluidas dentro de la cámara de confinamiento metálica central. El tiempo se midió desde el instante de inversión del campo sincronizado en las fuentes de formación y la distancia z se proporciona respecto al plano medio axial del aparato.

Las figuras 13(a) a (d) ilustran datos de una descarga no HPF no sostenida representativa en el sistema de FRC actual. Se muestran como funciones del tiempo: (a) radio de flujo excluido en el plano medio, (b) 6 cuerdas de densidad integrada de las líneas del plano medio de interferometría de CO2, (c) perfiles radiales de densidad inversa de Abel de los datos de interferometría de CO2 y (d) temperatura total del plasma en equilibrio de presión.

La figura 14 ilustra los perfiles axiales de flujo excluido en tiempos seleccionados para la misma descarga en el sistema de FRC actual, mostrado en la figura 13.

La figura 15 ilustra una vista isométrica de las bobinas de silla montadas fuera de la cámara de confinamiento.

La figura 16 ilustra las correlaciones del tiempo de vida de FRC y la longitud de pulso de los haces neutros inyectados. Tal como se muestra, los pulsos de haces más largos producen FRC de vida más larga.

La figura 17 ilustra los efectos individuos y combinados de diferentes componentes del sistema de FRC sobre el rendimiento de la FRC y la consecución del régimen de HPF.

Las figuras 18(a) a (d) ilustran datos de una descarga HPF no sostenida representativa en el sistema de FRC actual. Se muestran como funciones del tiempo: (a) radio de flujo excluido en el plano medio, (b) 6 cuerdas de densidad integrada de las líneas del plano medio de interferometría de CO², (c) perfiles radiales de densidad inversa de Abel de los datos de interferometría de CO²y (d) temperatura total del plasma en equilibrio de presión.

La figura 19 ilustra el confinamiento de flujo como función de la temperatura electrónica (T^e). Es una representación gráfica del recién establecido régimen de escalado superior de las descargas HPF.

La figura 20 ilustra el tiempo de vida de FRC correspondiente a la longitud de pulso de haces neutros inyectados no tangencialmente y tangencialmente.

Las figuras 21A y 21B ilustran la organización básica de un inyector toroide compacto (TC).

Las figuras 22A y 22B ilustran la cámara de confinamiento central, que muestra el inyector de TC montado en la misma.

Las figuras 23A y 23B ilustran la organización básica de una forma de realización alternativa del inyector de TC que presenta un tubo de deriva acoplado en el mismo.

La figura 24 es un esquema que ilustra un mecanismo de control de la posición axial de un plasma de FRC dentro de una cámara de confinamiento (CC).

La figura 25 es un diagrama de flujo de un esquema de control genérico por modos deslizantes.

La figura 26 es un gráfico compuesto de ejemplos de una simulación de control de posición axial por modos deslizantes.

La figura 27 es un gráfico compuesto de ejemplos de una simulación de control de posición axial por modos deslizantes.

Debe indicarse que las figuras no se han dibujado necesariamente a escala y que los elementos de estructuras o funciones similares se representan generalmente por números de referencia iguales con fines ilustrativos en todas las figuras. Debe indicarse además que las figuras sólo pretenden facilitar la descripción de las diversas formas de realización descritas en la presente memoria. Las figuras no describen necesariamente todo aspecto de las enseñanzas dadas a conocer en la presente memoria y no limitan el alcance de las reivindicaciones.

Descripción detallada

Las presentes formas de realización proporcionadas en la presente memoria se refieren a sistemas y métodos que facilitan la estabilidad de un plasma de FRC tanto en la dirección radial como axial y controlan la posición axial de un plasma de FRC a lo largo del eje de simetría de una cámara de confinamiento de plasma de FRC con independencia de las propiedades de estabilidad axial del equilibrio del plasma de FRC. A continuación, se describen con mayor detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos, ejemplos representativos de las formas de realización descritas en la presente memoria, en la que los ejemplos utilizan muchas de dichas características y enseñanzas adicionales tanto por separado como en combinación. Dicha descripción detallada está únicamente destinada a enseñar al experto en la materia datos adicionales para la puesta en práctica de aspectos preferidos de las presentes enseñanzas y no pretende ser limitativo del alcance de la invención. Por lo tanto, las combinaciones de características y etapas dadas a conocer en la descripción detallada siguiente pueden no resultar necesarias para la puesta en práctica de la invención en el sentido más amplio y por el contrario se enseñan únicamente para describir particularmente ejemplos representativos de las presentes enseñanzas.

Además, las diversas características de los ejemplos representativos y las reivindicaciones dependientes pueden combinarse de maneras que no se indican específica y explícitamente a fin de proporcionar formas de realización útiles adicionales de las presentes enseñanzas.

Las soluciones convencionales a las inestabilidades de FRC típicamente proporcionan estabilidad en la dirección axial a expensas de inestabilidad en la dirección radial, o estabilidad en la dirección radial a expensas de inestabilidad axial, pero no estabilidad en ambas direcciones simultáneamente. Hasta el primer orden, un equilibrio en el que la posición del plasma es transversal o radialmente estable presenta la propiedad deseada de ser axisimétrico, a expensas de ser axialmente inestable. A partir de lo anteriormente expuesto, las formas de realización proporcionadas en la presente memoria se refieren a sistemas y métodos que facilitan la estabilidad de un plasma de FRC tanto en la dirección radial como axial y controlan la posición axial de un plasma de FRC a lo largo del eje de simetría de una cámara de confinamiento de plasma de FRC con independencia de las propiedades de estabilidad axial del equilibrio del plasma de FRC. Sin embargo, la inestabilidad de la posición axial puede controlarse activamente mediante la utilización de un conjunto de bobinas externas axisimétricas que controlan la posición axial del plasma de FRC. Los sistemas y métodos proporcionan control por retroalimentación de la posición axial del plasma de FRC con independencia de las propiedades de estabilidad del equilibrio del plasma mediante acción sobre los voltajes aplicados a un grupo de bobinas externas concéntricas al plasma y utilizando una técnica de control no lineal.

La combinación de formas de onda en las corrientes de bobina, alimentación y energía de haz neutro que resultan en un plasma axialmente inestable definen el escenario de control del plasma que lleva al plasma a una situación axialmente inestable. El escenario puede preprogramarse utilizando conocimientos anteriores de simulaciones o experimentos, o controlarse por retroalimentación para mantener un equilibrio que es axialmente inestable. La posición del plasma debe controlarse durante las descargas independientemente de las propiedades de estabilidad del equilibrio, por ejemplo, el esquema de control debe funcionar para plasmas axialmente estables o para plasmas axialmente inestables, hasta un límite. El plasma más axialmente inestable que puede controlarse presenta un tiempo de crecimiento comparable al tiempo de la piel del reactor.

Antes de referirse a los sistemas y métodos que facilitan la estabilidad de un plasma de FRC tanto en la dirección radial como axial y en el control de la posición axial de un plasma de FRC a lo largo del eje de simetría de una cámara de confinamiento del plasma de FRC, se proporciona un comentario de los sistemas y métodos para formar y mantener FRC de alto rendimiento con una estabilidad superior, así como un confinamiento superior de partículas, energía y flujo en comparación con los FRC convencionales. Dichos FRC de alto rendimiento proporcionan un camino a toda una diversidad de aplicaciones, incluyendo fuentes de neutrones compactas (para la producción de isótopos médicos, recuperación de residuos nucleares, investigación de materiales, radiografía de neutrones y tomografía), fuentes de fotones compactas (para la producción y procesamiento químicos), sistemas de separación y enriquecimiento de masas, y núcleos de reactores para la fusión de núcleos ligeros para la futura generación de energía.

Se han explorado diversos sistemas auxiliares y modos operativos para evaluar si existe un régimen de confinamiento superior en los FRC. Estos esfuerzos han llevado a avances innovadores y al desarrollado de un paradigma de f Rc de alto rendimiento descrito en la presente memoria. Según dicho nuevo paradigma, los presentes sistemas y métodos combinan un conjunto de nuevas ideas y medios para mejorar drásticamente el confinamiento de FRC, tal como se ilustra en la figura 1, así como proporcionar control de la estabilidad sin efectos secundarios negativos. Tal como se expone con mayor detalle a continuación, la figura 1 ilustra el confinamiento de partículas en un sistema de FRC 10 descrito a continuación (ver las figuras 2 y 3), que funciona de acuerdo con un régimen de FRC de alto rendimiento (HPF) para formar y mantener un FRC frente a la operación de acuerdo con un régimen convencional de CR para la formación y mantenimiento de un FRC y frente al confinamiento de partículas de acuerdo con regímenes convencionales para la formación y mantenimiento de un FRC utilizados en otros experimentos. La presente exposición describirá de manera general y detallará los componentes individuales innovadores del sistema de FRC 10 y métodos, así como sus efectos colectivos.

Sistema de FRC

Sistema de vacío

Las figuras 2 y 3 ilustran un esquema del presente sistema de FRC 10. El sistema de FRC 10 incluye una vasija de confinamiento central 100 que circunda dos secciones de formación de estricción ortogonal de campo invertido diametralmente opuestas 200 y, más allá de las secciones de formación 200, dos cámaras desviadoras 300 para controlar la densidad neutra y la contaminación por impurezas. El presente sistema de FRC 10 fue construido para contener un vacío ultraelevado y operar a presiones de base típicas de 10-8torr. Dichas presiones de vacío requieren la utilización de bridas de acoplamiento de doble bomba entre componentes de acoplamiento, juntas tóricas metálicas, paredes internas de alta pureza, así como un acondicionamiento inicial de la superficial cuidadoso de todas las piezas antes del ensamblaje, tal como limpieza física y química seguido de un horneo al vacío a 250°C durante 24 horas y limpieza con descarga incandescente de hidrógeno.

Las secciones de formación de estricción ortogonal de campo invertido 200 son dispositivos estándar de estricción ortogonal de campo invertido (FRTP), aunque con un sistema avanzado de formación de energía pulsada expuesto en detalle a continuación (ver las figuras 4 a 6). Cada sección de formación 220 está constituida por tubos de cuarzo de grado industrial opacos estándares que presentan un recubrimiento interno de 2 milímetros de cuarzo ultrapuro. La cámara de confinamiento 100 está realizada en acero inoxidable para permitir una multitud de orificios radiales y tangenciales; asimismo sirve como conservador de flujo en la escala temporal de los experimentos descritos a continuación y limita los transitorios magnéticos rápidos. Se crean los vacíos y se mantienen dentro del sistema de FRC 10 con un conjunto de bombas de espiral en seco previas, bombas turbomoleculares y bombas criogénicas.

Sistema magnético

El sistema magnético 400 se ilustra en las figuras 2 y 3. La figura 2, entre otras características, ilustra las isolíneas de flujo y densidad magnéticos de FRC (como funciones de las coordenadas radial y axial) referentes a un FRC 450 producible por el sistema de FRC 10. Dichas isolíneas se obtuvieron mediante una simulación numérica 2-D de Hall-MHD resistiva utilizando el código desarrollado para simular sistemas y métodos correspondientes al sistema de FRC 10 y concuerdan bien con los datos experimentales medidos. Tal como se observa en la figura 2, la FRC 450 consiste en un anillo de líneas de campo cerradas en el interior 453 de la FRC 450 dentro de una separatriz 451 y una capa de borde anular 456 en las líneas de campo abiertas 452 inmediatamente fuera de la separatriz 451. La capa de borde 456 se fusiona en chorros 454 más allá de la longitud de la FRC, proporcionando un desviador natural.

El sistema magnético principal 410 incluye una serie de bobinas cuasi-dc 412, 414 y 416 que están situadas en posiciones axiales particulares a lo largo de los componentes, es decir, a lo largo de la cámara de confinamiento 100, las secciones de formación 200 y los desviadores 300 del sistema de FRC 10. Las bobinas cuasi-dc 412, 414 y 416 están alimentadas por suministros de potencia de conmutación cuasi-dc y producen campos de polarización magnética básica de aproximadamente 0.1 T en la cámara de confinamiento 100, las secciones de formación 200 y los desviadores 300. Además de las bobinas cuasi-dc 412, 414 y 416, el sistema magnético principal 410 incluye bobinas especulares cuasi-dc 420 (alimentadas por fuentes conmutadas) entre cualquiera de los extremos de la cámara de confinamiento 100 y las secciones de formación contiguas 200. Las bobinas especulares cuasi-dc 420 proporcionan relaciones de espejo magnético de hasta 5 y pueden energizarse independientemente para el control de la forma de equilibrio. Además, los tapones especulares 440 están localizados entre cada una de las secciones de formación 200 y desviadores 300. Los tapones especulares 440 comprenden bobinas especulares cuasi-dc compactas 430 y bobinas 444 de tapón especular. Las bobinas especulares cuasi-dc 430 incluyen tres bobinas 432, 434 y 436 (alimentadas por fuentes conmutadas) que producen campos guía adicionales para enfocar las superficies del flujo magnético 455 hacia el pasaje de pequeño diámetro 442 que pasa por las bobinas 444 de tapón especular. Las bobinas 444 de tapón especular que envuelven el pasaje de pequeño diámetro 442 y que están alimentadas por los circuitos de energía pulsada de lC, producen campos especulares magnéticos fuertes, de hasta 4 T El objetivo de toda organización de bobinas es agrupar estrechamente y guiar las superficies de flujo magnético 455 y chorros de plasma terminales 454 hacia el interior de las cámaras remotas 310 de los desviadores 300. Finalmente, un conjunto de "antenas" de bobina de silla 460 (ver la figura 15) está localizado fuera de la cámara de confinamiento 100, dos en cada lado del plano medio y están alimentados por fuentes de energía dc. Las antenas de bobina de silla 460 pueden configurarse para proporcionar un campo magnético dipolo o cuadrupolo cuasi-estático de aproximadamente 0.01 T para controlar las inestabilidades rotacionales y/o el control de la corriente de electrones. Las antenas de bobina de silla 460 pueden proporcionar flexiblemente campos que son simétricos o antisimétricos respecto al plano medio de la máquina, dependiendo de la dirección de las corrientes aplicadas.

Sistemas de formación de energía pulsada

Los sistemas de formación de energía pulsada 210 funcionan en un principio modificado de estricción ortogonal. Existen dos sistemas cada uno de los cuales alimenta una de las secciones de formación 200. Las figuras 4 a 6 ilustran los bloques constructivos principales y la organización de los sistemas de formación 210. El sistema de formación 210 está compuesto por una organización de energía pulsada modular que consiste en unidades modulares (=patines) 220 cada uno de los cuales energiza un subgrupo de bobinas 232 de un conjunto de correas 230 (=correas) que se envuelven en torno a los tubos de cuarzo de formación 240. Cada posicionador 220 está compuesto de condensadores 221, inductores 223, interruptores rápidos de alta corriente 225 y circuitos asociados de activación 222 y descarga 224. En total, cada sistema de formación 210 almacena entre 350 y 400 kJ de energía capacitiva, que proporciona hasta 35 GW de potencia para formar y acelerar los FRC. El funcionamiento coordenado de dichos componentes se consigue mediante un sistema del estado de la técnica de inducción y control 222 y 224 que permite la temporización sincronizada entre los sistemas de formación 210 en cada sección de formación 200 y minimiza la variación de retardo de la conmutación a decenas de nanosegundos. La ventaja de dicho diseño modular es su funcionamiento flexible: pueden formarse FRC in situ y después acelerarse e inyectarse (=formación estática) o formarse y acelerarse simultáneamente (=formación dinámica).

Inyectores de haz neutro

Se lanzan haces atómicos neutros 600 sobre el sistema de FRC 10 para proporcionar calentamiento y corriente, además de para desarrollar una presión rápida de las partículas. Tal como se muestra en las figuras 3A, 3B y 8, las líneas de haces individuales que comprenden los sistemas inyectores de haces de átomos neutros 610 y 640 están localizados en torno a la cámara central de confinamiento 100 e inyectan partículas rápidas tangencialmente al plasma de FRC (y en perpendicular o en un ángulo normal al eje principal de simetría del vaso de confinamiento central 100) con un parámetro de impacto para que la zona de atrapado de la diana se encuentre perfectamente dentro de la separatriz 451 (ver la figura 2). Cada sistema inyector 610 y 640 es capaz de inyectar hasta 1 MW de energía de haz neutro en el plasma de FRC con energías de las partículas de entre 20 y 40 keV. Los sistemas 610 y 640 se basan en fuentes de extracción multiapertura de iones positivos y utilizan el enfoque geométrico, enfriamiento inercial de las rejillas de extracción de iones y bombeo diferencial. Aparte de usar fuentes de plasma diferentes, los sistemas 610 y 640 se diferencian principalmente por su diseño físico para cumplir con los respectivos sitios de montaje, proporcionando capacidades de inyección lateral y superior. Los componentes típicos de estos inyectores de haz neutro se ilustran específicamente en la figura 7 para los sistemas de inyección lateral 610. Tal como se muestra en la figura 7, cada sistema 610 de haz neutro incluye una fuente 612 de plasma de RF en un extremo de entrada (éste se sustituye por una fuente de arco en los sistemas 640) con una pantalla magnética 614 que cubre el extremo. Una fuente óptica de iones y las rejillas de aceleración 616 están acopladas a la fuente de plasma 612 y una válvula de compuerta 620 está situada entre la fuente óptica de iones y las rejillas de aceleración 616 y un neutralizador 622. Un imán de deflexión 624 y una descarga de iones 628 están situados entre el neutralizador 622 y un dispositivo apuntador 630 en el extremo de salida. Un sistema de enfriamiento comprende dos criorrefrigeradores 634, dos criopaneles 636 y una cubierta de N2 líquido 638. Este diseño flexible permite el funcionamiento en un gran intervalo de parámetros de la FRC.

Una configuración alternativa para los inyectores 600 de haces de átomos neutros es la de inyección de partículas rápidas tangencialmente al plasma de FRC, aunque con un ángulo A inferior a 90° respecto al eje principal de simetría de la vasija de confinamiento central 100. Estos tipos de orientación de los inyectores 615 de haces se muestran en la figura 3C. Además, los inyectores 615 de haces pueden orientarse de manera que los inyectores 615 de haces en cada lado del plano medio de la vasija de confinamiento central 100 inyecten sus partículas hacia el plano medio. Finalmente, la posición axial de dichos sistemas 600 de haces puede seleccionarse como más próxima al plano medio. Dichas formas de realización de inyección alternativa facilitan una opción de alimentación más central, que proporciona un mejor acoplamiento de los haces y una eficiencia de atrapado más alta de las partículas rápidas inyectadas. Además, dependiendo del ángulo y posición axial, dicha disposición de los inyectores de haces 615 permite un control más directo e independiente de la elongación axial y otras características de la FRC 450. Por ejemplo, la inyección de los haces en un ángulo bajo A respecto al eje principal de simetría de la vasija creará un plasma de FRC con una extensión axial más larga y una temperatura más baja, mientras que la selección de un ángulo más perpendicular A conducirá a un plasma axialmente más corto, aunque más caliente. De esta manera, el ángulo de inyección A y la localización de los inyectores de haces 615 pueden optimizarse con diferentes fines. Además, dicha fijación del ángulo y el posicionamiento de los inyectores de haces 615 pueden permitir la inyección de haces de energía más alta (que es generalmente más favorable para depositar más energía con menos divergencia del haz) en campos magnéticos inferiores de los que serían necesarios para atrapar dichos haces. Lo anterior se debe al hecho de que es el componente azimutal de la energía el que determina la escala de la órbita de los iones rápidos (que se vuelve progresivamente menor a medida que el ángulo de inyección respecto al eje de simetría principal de la vasija se reduce a energía constante del haz). Además, la inyección en ángulo hacia el plano medio y con posiciones de haz axiales próximas al plano medio mejor el acoplamiento de haz-plasma, incluso a medida que el plasma de FRC se encoge o de otro modo se contrae axialmente durante el periodo de inyección.

Haciendo referencia a las figuras 3D y 3E, otra configuración alternativa incluye desviadores internos 302 además de los inyectores 615 de haces en ángulo. Los desviadores internos 302 se localizan entre las secciones de formación 200 y la cámara de confinamiento 100 y se configuran y operan de manera sustancialmente similar a los desviadores externos 300. Los desviadores internos 302, que incluyen bobinas magnéticas de conmutación rápida en los mismos, se encuentran efectivamente inactivos durante el proceso de formación para permitir que las FRC de formación pasen por los desviadores internos 302 a medida que las FRC de formación se trasladan hacia el plano medio de la cámara de confinamiento 100. Una vez las FRC de formación han pasado por los desviadores internos 302 al interior de la cámara de confinamiento 100, los desviadores internos resultan activados, funcionando de manera sustancialmente similar a los desviadores externos y aislando la cámara de confinamiento 100 respecto de las secciones de formación 200.

Inyector de gránulos

Para proporcionar un medio para inyectar nuevas partículas y un mejor control del inventario de partículas de la FRC se utilizó un inyector 700 de gránulos de 12 barriles (ver, por ejemplo, I. Vinyar et al., "Pellet Inyectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A", Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 a 10/01 (2010)) en el sistema de FRC 10. La figura 3 ilustra el diseño del inyector de gránulos 700 en el sistema 10 de la FRC. Los gránulos cilíndricos (D ~ 1 mm, L ~ 1 - 2 mm) se inyectaron en la FRC con una velocidad comprendida en el intervalo de 150 a 250 km/s. Cada gránulo individual contenía aproximadamente 5x1019 átomos de hidrógeno, que es comparable al inventario de partículas de la FRC.

Sistemas de adsorción

Es bien conocido que el gas halógeno neutro es un problema grave en todos los sistemas de confinamiento. Los procesos de intercambio y de reciclado de la carga (liberación del material de impurezas frío de la pared) puede tener un efecto destructivo del confinamiento de energía y partículas. Además, cualquier densidad significativa de gas neutro en o en proximidad al borde conducirá a pérdidas rápidas o por lo menos reducirá severamente, el tiempo de vida de las partículas de órbita grande (alta energía) (órbita grande se refiere a partículas que presentan unas órbitas en la escala de la topología de la FRC o por lo menos radios de órbita mucho mayores que la escala característica de la longitud del gradiente del campo magnético), un hecho que resulta perjudicial para todas las aplicaciones de plasma energéticas, incluyendo la fusión por medio del calentamiento por haces auxiliares.

El acondicionamiento de la superficie es un medio mediante el que los efectos perjudiciales del gas neutro y de las impurezas pueden controlarse o reducirse en un sistema de confinamiento. Con este fin, el sistema 10 de la FRC proporcionado en la presente memoria emplea sistemas de deposición de titanio y litio 810 y 820 que recubren las superficies de recubrimiento orientadas hacia el plasma de la cámara (o vasija) de confinamiento 100 y los desviadores 300 y 302 con películas (decenas de micrómetros de espesor) de Ti y/o Li. Los recubrimientos se consiguen mediante técnicas de deposición con vapor. El Li y/o Ti sólido se evapora y/o se sublima y se pulveriza sobre las superficies próximas, formando los recubrimientos. Las fuentes son hornos atómicos con toberas de guía (en el caso del Li) 822 o esferas de sólidos calientes con una envolvente de guía (en el caso del Ti) 812. Los sistemas evaporadores de Li funcionan típicamente en un modo continuo, mientras que los sublimadores de Ti se hacen funcionar mayoritariamente de modo intermitente durante la operación del plasma. Las temperaturas operativas de estos sistemas son superiores a 600°C para obtener tasas rápidas de deposición. Para conseguir una buena cobertura de la pared, resulta necesarios múltiples sistemas de evaporador/sublimador situados estratégicamente. La figura 9 detalla una disposición preferida de los sistemas de deposición de adsorción 810 y 820 en el sistema de FRC 10. Los recubrimientos actúan como superficies de adsorción y efectivamente bombean especies hidrógenas atómicas y moleculares (H y D). Los recubrimientos asimismo reducen otras impurezas típicas, tales como carbono y oxígeno, a niveles insignificantes.

Tapones especulares

Tal como se ha indicado anteriormente, el sistema de FRC 10 utiliza un conjunto de bobinas especulares 420, 430 y 444, tal como se muestra en las figuras 2 y 3. Un primer grupo de bobinas especulares 420 está localizado en los extremos axiales de la cámara de confinamiento 100 y se energiza independientemente a partir de las bobinas de confinamiento 412, 414 y 416 del sistema magnético principal 410. El primer conjunto de bobinas especulares 420 ayuda principalmente a dirigir y contener axialmente la FRC 450 durante la unión y proporciona control de configuración en equilibrio durante el mantenimiento. El primer conjunto de bobinas especulares 420 produce campos magnéticos nominalmente más elevados (aproximadamente 0.4 a 0.5 T) que el campo central de confinamiento producido por las bobinas de confinamiento centrales 412. El segundo conjunto de bobinas especulares 430, que incluye tres bobinas especulares cuasi-dc compactas 432, 434 y 436, está localizado entre las secciones de formación 200 y los desviadores 300 y están impulsados por un suministro de potencia de conmutación común. Las bobinas especulares 432, 434 y 436, junto con las bobinas 444 de tapones especulares pulsados más compactos (alimentados por un suministro de potencia capacitiva) y el estrechamiento físico 442 forman los tapones especulares 440 que proporcionan una trayectoria estrecha de baja conductancia de gas con campos magnéticos muy elevados (entre 2 y 4 T con tiempos de subida de aproximadamente 10 a 20 ms). Las bobinas especulares 444 pulsadas más compactas son de dimensiones radiales compactas, un diámetro interior de 20 cm y una longitud similar, en comparación con el diámetro interior de metro más escala y diseño de disco de las bobinas de confinamiento 412, 414 y 416. El objeto de los tapones especulares 440 es múltiple: (1) las bobinas 432, 434, 436 y 444 agrupan estrechamente y guían las superficies 452 de flujo magnético y los chorros del plasma de fuga terminales 454 hacia el interior de las cámaras 300 de desviadores remotos. Lo anterior garantiza que las partículas de escape alcancen los desviadores 300 de forma apropiada y la existencia de superficies 455 de flujo continuo que van desde la zona de líneas de campo abiertas 452 de la f Rc central 450 todo el camino hasta llegar hasta los desviadores 300. (2) Los estrechamientos físicos 442 en el sistema de la FRC, a través de los cuales las bobinas 432, 434, 436 y 444 permiten el paso de las superficies 452 de flujo magnético y de los chorros de plasma 454, proporcionan un impedimento al flujo de gas neutro procedente de los cañones de plasma 350 que se encuentran en los desviadores 300. De manera similar, los estrechamientos 442 impiden las fugas hacia atrás del gas procedente de las secciones de formación 200 hacia los desviadores 300, reduciendo de esta manera el número de partículas neutras que deben introducirse en todo el sistema 10 de FRC al iniciar el arranque de una FRC. (3) Los fuertes espejos axiales producidos por las bobinas 432, 434, 436 y 444 reducen las pérdidas de partículas axiales y de esta manera reducen la difusividad de partículas paralelas en las líneas de campo abiertas.

En la configuración alternativa mostrada en las figuras 3D y 3E, se muestra un conjunto de bobinas 421 del estrangulamiento de perfil bajo entre los desviadores internos 302 y las secciones de formación 200.

Cañones de plasma axiales

Los flujos de plasma procedente de los cañones 350 montados en las cámaras 310 de los desviadores 300 pretenden mejorar la estabilidad y el rendimiento del haz neutro. Los cañones 350 están montados sobre un eje dentro de la cámara 310 de los desviadores 300 ilustrados en las figuras 3 y 10 y producen un plasma que fluye a lo largo de las líneas de flujo abiertas 452 en el desviador 300 y hacia el centro de la cámara de confinamiento 100. Los cañones 350 operan en una descarga de gas de alta densidad en un canal de la pila de lavado de gases y están diseñados para generar varios kiloamperios de plasma totalmente ionizado durante 5 a 10 ms. Los cañones 350 incluyen una bobina magnética pulsada que coincide con el flujo del plasma de salida con el tamaño deseado del plasma en la cámara de confinamiento 100. Los parámetros técnicos de los cañones 350 están caracterizados por un canal que presenta un diámetro exterior de 5 a 13 cm y hasta aproximadamente 10 cm de diámetro interior y proporcionan una corriente de descarga de 10 a 15 kA a 400-600 V con un campo magnético interior del cañón de entre 0.5 y 2.3 T

Los flujos del plasma del cañón pueden penetrar en los campos magnéticos de los tapones especulares 440 y fluir hacia el interior de la sección de formación 200 y la cámara de confinamiento 100. La eficiencia de la transferencia de plasma a través del tapón especular 440 se incrementa según disminuye la distancia entre el cañón 350 y el tapón 440, y haciendo que el tapón 440 sea más ancho y más corto. Bajo condiciones razonables, cada uno de los cañones 350 puede generar aproximadamente 1022 protones/s a través de los tapones especulares 440 de 2 a 4 T a altas temperaturas de iones y electrones, de aproximadamente 150 a 300 eV y de aproximadamente 40 a 50 eV, respectivamente. Los cañones 350 proporcionan un reabastecimiento significativo de la capa de borde 456 de la FRC, y un confinamiento de partículas mejorado de la FRC en general.

Con el fin de incrementar adicionalmente la densidad del plasma se podría utilizar una caja de gases para soplar un gas adicional hacia el interior de la corriente de plasma procedente de los cañones 350. Esta técnica permite un incremento de varias veces de la densidad del plasma inyectado. En el sistema 10 de la FRC, una caja de gases instalada en el lado del desviador 300 de los tapones especulares 440 mejora el reabastecimiento de la capa de borde 456 de la FRC, la formación de la FRC 450, y la interconexión de la línea de plasma.

Dados todos los parámetros de ajuste expuestos anteriormente y considerando además que resulta posible el funcionamiento con únicamente un cañón o con ambos cañones, resulta fácilmente evidente que puede accederse a un amplio espectro de modos de funcionamiento.

Electrodos de polarización

La polarización eléctrica de las superficies de flujo abierto puede proporcionar potenciales radiales que dan lugar al movimiento acimutal ExB que proporciona un mecanismo de control, análogamente al giro de una perilla, para controlar la rotación del plasma de líneas de campo abiertas, así como el núcleo mismo 450 de la FRC mediante la velocidad de cizalla. Para llevar a cabo dicho control, el sistema 10 de la FRC utiliza diversos electrodos situados estratégicamente en diversas partes de la máquina. La figura 3 ilustra los electrodos de polarización situados en localizaciones preferidas dentro del sistema 10 de la FRC.

En principio existen 4 clases de electrodos: (1) electrodos de punta 905 en la cámara de confinamiento 100 que hacen contacto con unas líneas de campo abiertas particulares 452 en el borde de la FRC 450 para proporcionar carga local, (2) electrodos anulares 900 entre la cámara de confinamiento 100 y las secciones de formación 200 para cargar las capas de flujo 456 del borde distante de manera acimutalmente simétrica, (3) pilas de electrodos concéntricos 910 en los desviadores 300 para cargar múltiples capas de flujo concéntrico 455 (de manera que la selección de capas es controlable mediante ajuste de las bobinas 416 para ajustar el campo magnético del desviador para terminar las capas de flujo deseadas 456 en los electrodos apropiados 910), y finalmente (4) los ánodos 920 (ver la figura 10) de los cañones de plasma 350 mismos (que interceptan las superficies 455 de flujo abierto interior en proximidad a la separatriz de la FRC 450). Las figuras 10 y 11 muestran algunos diseños típicos para algunos de ellos.

En todos los casos estos electrodos están impulsados por fuentes de potencia pulsada o dc a tensiones de hasta aproximadamente 800 V. Dependiendo del tamaño del electrodo y de qué superficies del flujo resultan intersectadas, pueden generarse corrientes del orden de kiloamperios.

Funcionamiento no sostenido del sistema de FRC: régimen convencional

La formación de plasma estándar en el sistema 10 de FRC sigue la bien desarrollada técnica de estricción magnética ortogonal de campo invertido. Un procedimiento típico para arrancar una FRC se inicia llevando las bobinas cuasi-dc 412, 414, 416, 420, 432, 434 y 436 a un funcionamiento de estado estacionario. Los circuitos de potencia pulsada RFTP de los sistemas de formación 210 de potencia pulsada impulsan a continuación las bobinas 232 de campo invertido rápido pulsado 232, creando una polarización temporalmente invertida de aproximadamente -0.05 T en las secciones de formación 200. En este punto se inyecta una cantidad predeterminada de gas neutro a 9-20 psi en los dos volúmenes de formación definidos por las cámaras 240 de tubo de cuarzo de las secciones de formación 200 (norte y sur) por medio de unas válvulas de soplado orientadas acimutalmente en las bridas situadas en los extremos exteriores de las secciones de formación 200. Después se genera un pequeño campo RF (~ cientos de kilohercios) a partir de un conjunto de antenas en la superficie de los tubos de cuarzo 240 para crear una preionización en la forma de zonas seminales locales de ionización dentro de las columnas de gas neutro. A lo anterior sigue la aplicación de una modulación en anillo angular theta ("theta ringing") de la corriente que impulsa las bobinas 232 de campo magnético invertido rápido pulsado, conduciendo a una preionización más global de las columnas de gas. Finalmente, los principales bancos de potencia pulsada de los sistemas de formación 210 de potencia pulsada son disparados a las bobinas 232 de campo magnético invertido rápido pulsado para crear un campo de polarización directa de hasta 0.4 T Esta etapa puede secuenciarse en el tiempo de modo que se genere el campo polarizado hacia adelante uniformemente a lo largo de la longitud de los tubos de formación 240 (formación estática) o de manera que se consiga una modulación de campo peristáltica consecutiva a lo largo del eje de los tubos de formación 240 (formación dinámica).

En todo este procedimiento de formación, la inversión del campo real en el plasma ocurre rápidamente, en aproximadamente 5 ps. La potencia pulsada de multigigawatios suministrada al plasma en formación produce rápidamente FRC calientes que son después expulsadas de las secciones de formación 200 mediante la aplicación de una modulación secuenciada en el tiempo del campo magnético directo (peristalsis magnética) o de corrientes incrementadas temporalmente en las últimas bobinas de los conjuntos de bobinas 232 próximos a los extremos exteriores axiales de los tubos de formación 210 (formando un gradiente del campo magnético axial orientado axialmente hacia la cámara de confinamiento 100). Las dos FRC de formación (norte y sur) formadas y aceleradas de esta manera se expanden a continuación en la cámara de confinamiento 100 de diámetro mayor, en donde las bobinas 412 cuasi-dc producen un campo de polarización directa para controlar la expansión radial y proporcionar el flujo magnético externo de equilibrio.

Una vez que las FRC de formación norte y sur llegan a situarse próximas al plano medio de la cámara de confinamiento 100, las FRC colisionan. Durante la colisión, las energías cinéticas axiales de las FRC de formación norte y sur se encuentran mayoritariamente termalizadas a medida que las FRC se fusionan formando finalmente una única FRC 450. Se encuentra disponible un gran conjunto de diagnósticos del plasma en la cámara de confinamiento 100 para estudiar los equilibrios de la FRC 450. Las condiciones de funcionamiento típicas en el sistema de FRC 10 producen unas FRC compuestas con radios de separatriz de entre aproximadamente 0.4 m y aproximadamente 3 m de extensión axial. Otras características son los campos magnéticos externos de aproximadamente 0.1 T, densidades de plasma de aproximadamente 5x1019 m-3y una temperatura total del plasma de hasta 1 keV. Sin cualquier mantenimiento, es decir, sin calentamiento y/o impulsión de la corriente por medio de una inyección de haz neutro u otros medios auxiliares, el tiempo de vida de estas FRC está limitado a aproximadamente 1 ms, el tiempo de degradación (“decay”) de la configuración característica natural.

Datos experimentales de funcionamiento no sostenido: régimen convencional

La figura 12 muestra un curso temporal típico del radio de flujo excluido, ra®, que es aproximadamente el radio de separatriz, rs, a fin de ilustrar la dinámica del procedimiento de fusión de estricción magnética ortogonal de la FRC 450. Los dos plasmoides individuales (norte y sur) son producidos simultáneamente y después acelerados fuera de las respectivas secciones de formación 200 a una velocidad supersónica, vz ~ 250 km/s, y colisionan cerca del plano 30 medio en z=0. Durante la colisión, los plasmoides se comprimen axialmente, seguido por una rápida expansión radial y axial, antes de fusionarse eventualmente para formar una FRC 450. Ambas dinámicas radial y axial de la FRC 450 en fusión se ponen de manifiesto en las mediciones detalladas del perfil de densidad y en la tomografía de bolómetro.

Se muestran en la figura 13 los datos de una descarga no sostenida representativa del sistema de FRC 10 como funciones del tiempo. La FRC se inició en t=0. El radio de flujo excluido en el plano medio axial de la máquina se muestra en la figura 13(a). Dichos datos se obtuvieron de una red de sondas magnéticas, situada inmediatamente en el interior de la pared de acero inoxidable de la cámara de confinamiento, que mide el campo magnético axial. La pared de acero es un buen conservador del flujo a las escalas de tiempo de dicha descarga.

Las densidades integradas por línea se muestran en la figura 13(b), a partir de un interferómetro de 6 cuerdas de CO2/He-Ne situado en z=0. Considerando el desplazamiento vertical (y) de la FRC, según medición mediante tomografía bolométrica, la inversión de Abel proporciona las isolíneas de densidad de la figura 13(c). Después de cierto movimiento oscilatorio ("sloshing") axial y radial durante el primer 0.1 ms, la FRC se asienta con un perfil de densidad hueco. Este perfil es bastante plano, con una densidad sustancial en el eje, según requieren los equilibrios típicos de la FRC en 2-D.

La temperatura total del plasma se muestra en la figura 13(d), derivada del equilibrio de presión y es totalmente consistente con las mediciones de dispersión de Thomson y espectroscópicas.

El análisis de toda la matriz de flujo excluida indica que la forma de la separatriz de FRC (aproximada por los perfiles axiales de flujo excluido) evoluciona gradualmente de pista de carreras a elíptica. Esta evolución, mostrada en la figura 14, es compatible con una reconexión magnética gradual de dos a una única FRC. En efecto, estimaciones aproximadas sugieren que en este instante particular aproximadamente 10% de los dos flujos magnéticos de FRC se reconectan durante la colisión.

La longitud de la FRC se contrae constantemente de 3 bajando hasta aproximadamente 1 m durante el tiempo de vida de la FRC. Esta contracción, visible en la figura 14, sugiere que la mayor parte de la pérdida de energía convectiva domina el confinamiento de la FRC. A medida que disminuye la presión del plasma dentro de la separatriz más rápidamente que la presión magnética externa, la tensión de la línea del campo magnético en las zonas terminales comprime la FRC axialmente, restaurando el equilibrio axial y radial. Para la descarga expuesta en las figuras 13 y 14, el flujo magnético de la FRC, el inventario de partículas y la energía térmica (aproximadamente 10 mWb, 7x1019 partículas, y 7 kJ, respectivamente) disminuyen aproximadamente un orden de magnitud en el primer milisegundo, cuando el equilibrio de la FRC aparentemente cede.

Funcionamiento sostenido: régimen HPF

Los ejemplos en las figuras 12 a 14 son característicos de las FRC en degradación sin ningún mantenimiento. Sin embargo, se han desarrollado varias técnicas en el sistema 10 de la FRC para mejorar adicionalmente el confinamiento de la FRC (núcleo interior y capa de borde) al régimen HPF y sostener la configuración.

Haces neutros

En primer lugar, se inyectan neutros (H) rápidos perpendicularmente a Bz en haces desde los ocho inyectores 600 de haz neutro. Los haces de neutros rápidos se inyectan desde el momento en que las FRC de formación norte y sur se funden en la cámara de confinamiento 100 en una sola FRC 450. Los iones rápidos, creados principalmente por intercambio de cargas, presentan órbitas betatrón (con radios primarios en la escala de la topología de la FRC o por lo menos mucho mayores que la escala de la longitud de gradiente del campo magnético característico) que se añaden a la corriente azimutal de la FRC 450. Después de cierta fracción de la descarga (transcurridos 0.5 a 0.8 ms desde el disparo), una población de iones rápidos suficientemente grande mejora significativamente la estabilidad interior de la FRC y las propiedades de confinamiento (ver, p. ej., M.W. Binderbauer y N. Rostoker, Plasma Phys. 56, parte 3, 451, 1996,). Además, desde una perspectiva de mantenimiento, los haces procedentes de los inyectores 600 de haz neutro son asimismo los principales medios para impulsar corriente y calentar el plasma de la FRC.

En el régimen de plasma del sistema 10 de la FRC, los iones rápidos se enlentecen principalmente en los electrones del plasma. Durante la primera parte de una descarga, los tiempos de enlentecimiento típicos promediados por órbita de los iones rápidos son de 0.3 a 0.5 ms, dando como resultado un calentamiento significativo de la FRC, principalmente de los electrones. Los iones rápidos hacen grandes excursiones radiales fuera de la separatriz debido a que el campo magnético interno de la FRC es inherentemente bajo (aproximadamente 0.03 T de promedio para un campo axial externo de 0.1 T). Los iones rápidos serían vulnerables a la pérdida de intercambio de cargas, en el caso de que la densidad del gas neutro fuera excesivamente alta fuera de la separatriz. Por lo tanto, las técnicas de adsorción en la pared y otras técnicas (tales como el cañón de plasma 350 y los tapones especulares 440 contribuyen, entre otras cosas, al control del gas) desplegadas en el sistema 10 de la FRC tienden a minimizar los neutros del borde y a permitir la requerida acumulación de una corriente de iones rápidos.

Inyección de gránulos

Cuando se ha formado dentro de la FRC 450 una población significativa de iones rápidos, con unas temperaturas de electrones más altas y mayores tiempos de vida de las FRC, se inyectan gránulos de H o D congelados en la FRC desde el inyector de gránulos 700 para sostener el inventario de partículas de FRC de la FRC 450. Las escalas de tiempo de disminución anticipadas son suficientemente cortas para proporcionar una fuente de partículas de FRC significativa. Esta tasa asimismo puede incrementarse mediante ampliación del área superficial de la pieza inyectada mediante fragmentación del gránulo individual en fragmentos más pequeños mientras están en los barriles o tubos de inyección del inyector de gránulos 700 y antes de entrar en la cámara de confinamiento 100, una etapa que puede llevarse a cabo mediante incremento de la fricción entre el gránulo y las paredes del tubo de inyección mediante ajuste del radio de la curva del último segmento del tubo de inyección inmediatamente antes de entrar en la cámara de confinamiento 100. En virtud de la variación de la secuencia de disparo y la tasa de los 12 barriles (tubos de inyección), así como de la fragmentación, resulta posible ajustar el sistema de inyección de gránulos 700 para proporcionar exactamente el nivel deseado de mantenimiento del inventario de partículas. A su vez, lo anterior ayuda a mantener la presión cinética interna en la FRC 450 y el funcionamiento sostenido y tiempo de vida de la FRC 450.

Una vez los átomos sometidos a ablación se encuentran con una cantidad significativa de plasma en la FRC 450, se ionizan por completo. El componente de plasma frío resultante a continuación se calienta por colisión con el plasma de FRC nativo. La energía necesaria para mantener una temperatura deseada de la FRC se suministra en última instancia desde los inyectores 600 de haz. En este sentido, los inyectores de gránulos 700 junto con los inyectores 600 de haz neutro forman el sistema que mantiene un estado estacionario y sostienen la FRC 450.

Inyector de TC

Como alternativa al inyector de gránulos, se proporciona un inyector de toroide compacto (TC), principalmente para abastecer los plasmas de configuración de campo invertido (FRC). El inyector de TC 720 comprende un cañón de plasma coaxial magnetizado (MCPG), que, tal como se muestra en la figura 21, incluye electrodos interno y externo cilíndricos coaxiales 722 y 724, una bobina polarizada situada internamente al electrodo interno 726 y un disyuntor eléctrico 728 en un extremo opuesto a la descarga del inyector 720 de TC. El gas inyectado por un orificio de inyección de gas 730 en un espacio entre los electrodos interno y externo 722 y 724, y se genera un plasma de tipo Spheromak a partir del mismo mediante descarga y es expulsado del cañón por la fuerza de Lorentz. Tal como se muestra en las figuras 22A y 22B, un par de inyectores 720 de TC están acoplados con la vasija de confinamiento 100 en proximidad y en lados opuestos del plano medio de la vasija 100 para inyectar los TC en el plasma de FRC central dentro de la vasija de confinamiento 100. El extremo de descarga de los inyectores 720 de TC se dirige hacia el plano medio de la vasija de confinamiento 100 en ángulo respecto al eje longitudinal de la vasija de confinamiento 100 de manera similar a los inyectores de haz neutro 615.

En una forma de realización alternativa, el inyector 720 de TC, tal como se muestra en las figuras 23A y 23B, incluye un tubo de deriva de tubos 740 que comprende un tubo cilíndrico alargado acoplado con el extremo de descarga del inyector 720 de TC. Tal como se ilustra, el tubo de deriva 740 incluye bobinas 742 del tubo de deriva situados en torno y espaciados axialmente a lo largo del tubo. Se ilustra una pluralidad de orificios diagnósticos 744 a lo largo de la longitud del tubo.

Las ventajas del inyector 720 de TC son: (1) control y ajustabilidad del inventario de partículas por cada TC inyectado; (2) el plasma caliente se deposita (en lugar de gránulos criogénicos); (3) el sistema puede operarse en modo de tasa de repetición de manera que permita el abastecimiento continuo; (4) el sistema asimismo puede restaurar cierto flujo magnético ya que los TC inyectados portan un campo magnético incluido. En una forma de realización para el uso experimental, el diámetro interno de un electrodo externo es de 83.1 mm y el diámetro externo de un electrodo interno es de 54.0 mm. La superficie del electrodo interno 722 preferentemente se recubre con tungsteno a fin de reducir las impurezas procedentes del electrodo 722. Tal como se ilustra, la bobina de polarización 726 está montada dentro del electrodo interno 722.

En experimentos recientes se ha conseguido una velocidad de traslación de TC supersónica, de hasta ~100 km/s. Otros parámetros típicos del plasma son los siguientes: densidad electrónica ~5*1021 m-3, temperatura de electrones -30-50 eV, e inventario de partículas de ~0.5-1.0*1019. La elevada presión cinética del TC permite que el plasma inyectado penetre profundamente en el FRC y deposite las partículas dentro de la separatriz. En experimentos recientes, el abastamiento de partículas de FRC ha resultado en que ~10-20% del inventario de partículas de la FRC proporcionados por los inyectores de TC demuestran con éxito que el abastecimiento puede llevarse a cabo fácilmente sin disrupción del plasma de FRC.

Bobinas de silla

Para conseguir una impulsión de corriente en estado estacionario y mantener la requerida corriente de iones resulta deseable impedir o reducir significativamente el giro de los electrones debido a la fuerza de fricción electrón-ion (resultante de la transferencia colisional del momento de ion-electrón). El sistema 10 de la FRC utiliza una técnica innovadora para proporcionar la rotura de electrones mediante un campo dipolar o cuadripolar magnético estático aplicado externamente. Lo anterior se consigue mediante las bobinas de silla 460 ilustradas en la figura 15. El campo magnético radial aplicado transversalmente desde las bobinas de silla 460 induce un campo eléctrico axial en el plasma rotatorio de la FRC. La corriente de electrones axial resultante interactúa con el campo magnético radial para producir una fuerza de rotura acimutal sobre los electrones,

Fe=-aVee<|Brl2>

Para las condiciones típicas en el sistema 10 de la FRC, el campo magnético dipolar (o cuadripolar) aplicado requerido dentro del plasma necesita ser solamente del orden de 0.001 T para proporcionar una rotura de electrones adecuada. El correspondiente campo externo de aproximadamente 0.015 T es suficientemente pequeño para no causar pérdidas apreciables de partículas rápidas, evitando de esta manera perjudicar al confinamiento. De hecho, el campo dipolar (o cuadripolar) magnético aplicado contribuye a suprimir inestabilidades. En combinación con la inyección de un haz neutro tangencial y la inyección de plasma axial, las bobinas de silla 460 proporcionan un nivel de control adicional con respecto al mantenimiento y la estabilidad de la corriente.

Tapones especulares

El diseño de las bobinas pulsadas 444 dentro de los tapones especulares 440 permite la generación local de campos magnéticos altos (2 a 4 T) con una modesta energía capacitiva (aproximadamente 100 kJ). Para la formación de campos magnéticos típicos del presente funcionamiento del sistema 10 de la FRC, todas las líneas de campo dentro del volumen de formación están pasando por estrechamientos 442 en los tapones especulares 440, tal como sugieren las líneas del campo magnético en la figura 2 y no se produce el contacto del plasma con la pared. Además, los tapones especulares 440 en tándem con los imanes 416 del desviador cuasi- dc pueden ajustarse para guiar las líneas de campo a los electrodos 910 del desviador, o hacer sobresalir las líneas de campo en una configuración de lóbulo terminal (no representada). Esto último mejora la estabilidad y suprime la conducción térmica electrónica paralela.

Los tapones especulares 440 por sí mismos asimismo contribuyen al control del gas neutro. Los tapones especulares 440 permiten una mejor utilización del gas deuterio soplado al interior de los tubos de cuarzo durante la formación de la FRC, ya que se reduce significativamente el gas que fluye hacia atrás hacia el interior de los desviadores 330 por la conductancia reducida a gases de los tapones (únicamente 500 l/s). La mayor parte del gas soplado residual dentro de los tubos de formación 210 resulta rápidamente ionizado. Además, el plasma de alta densidad que fluye a través de los tapones especulares 440 proporciona una ionización neutra eficiente, y por lo tanto una barrera de gas efectiva. Como resultado, la mayoría de los neutros reciclados en los desviadores 300 procedentes de la capa 456 de borde de la FRC no vuelven a la cámara de confinamiento 100. Además, los neutros asociados al funcionamiento de los cañones de plasma 350 (tal como se expone a continuación) se confinarán mayoritariamente a los desviadores 300.

Finalmente, los tapones especulares 440 tienden a mejorar el confinamiento de la capa de borde de la FRC. Con relaciones especulares (tapón/campos magnéticos de confinamiento) en el intervalo de 20 a 40, y con una longitud de 15 m entre los tapones especulares norte y sur 440, el tiempo de confinamiento de partículas de la capa de borde, í ^h, se incrementa hasta en un orden de magnitud. La mejora de í ^hincrementa rápidamente el confinamiento de partículas de la FRC.

Suponiendo la pérdida de partículas (D) difusiva radial del volumen 453 de la separatriz equilibrada por la pérdida axial (t^h) desde la capa de borde 456, se obtiene (2'nT^sL^s)(Dn^s/8)=(2'nT^sL^s8)(n^s/Tn), de donde puede reexpresarse la longitud del gradiente de la densidad de la separatriz como 8 = (Dt^h)^1/2En ella, rs, Ls y ns son el radio de la separatriz, la longitud de la separatriz y la densidad de la separatriz, respectivamente. El tiempo de confinamiento de las partículas de la FRC es tⁿ= [nr^s2Ls<n>]/[(2nr^sL^s)(Dn^s/8)] = (<n>/n^s)(T±Tn)^1/2, en donde T±=a²/D con a=r^s/4. Físicamente, la mejora de t^hlleva a una 8 incrementada (gradiente de densidad de la separatriz y parámetro de deriva reducidos), y, por lo tanto, una pérdida reducida de partículas de la FRC. La mejora total del confinamiento de partículas de la FRC es generalmente algo menor que cuadrático debido a que ns se incrementa con t^h.

Una mejora significativa de t^hasimismo requiere que la capa de borde 456 se mantenga estable en términos generales (es decir, ninguna inestabilidad de onda n=1, manguera, u otra inestabilidad MHD típica de los sistemas abiertos). La utilización de los cañones de plasma 350 favorece esta estabilidad de borde preferida. En este sentido, los tapones especulares 440 y el cañón de plasma 350 forman un sistema de control de borde efectivo

Cañones de plasma

Los cañones de plasma 350 mejoran la estabilidad de los chorros de escape 454 de la FRC mediante interconexión de líneas. Los plasmas procedentes de los cañones de plasma 350 se generan sin un momento acimutal angular, lo que resulta ser útil en el control de las inestabilidades rotacionales de la FRC. De esta manera, los cañones 350 son un medio efectivo para controlar la estabilidad de la FRC sin necesidad de la antigua técnica de estabilización cuadripolar. Como resultado, los cañones de plasma 350 hacen posible aprovechar los efectos beneficiosos de las partículas rápidas o acceder al régimen de FRC cinético híbrido avanzado tal como señala de manera general en la presente exposición. Por lo tanto, los cañones de plasma 350 permiten que el sistema 10 de la FRC sea operado con corrientes de bobinas en forma de silla exactamente precisas para la rotura de electrones, aunque inferiores al umbral que provocaría la inestabilidad de la FRC y/o llevaría a una difusión drástica de partículas rápidas.

Tal como se ha mencionado en la exposición anterior sobre tapones especulares, en el caso de que t^hpueda ser mejorado significativamente, el plasma suministrado por el cañón sería comparable a la tasa de pérdida de partículas de la capa de borde (~ 10²²/s). El tiempo de vida del plasma producido por el cañón en el sistema 10 de la FRC es del orden de milisegundos. En efecto, se considera el plasma del cañón con una densidad ne ~ 10¹³cm^-3y una temperatura iónica de aproximadamente 200 eV, confinado entre los tapones especulares terminales 440. La longitud L de atrapado y la relación especular R son de aproximadamente 15 m y 20, respectivamente. El recorrido libre medio iónico debido a las colisiones de Coulomb es Aⁱⁱ~ 6*10³cm y, ya que AⁱⁱInR/R < L, los iones se encuentran confinados en el régimen dinámico del gas. El tiempo de confinamiento del plasma en este régimen es T^gd~ RL/2Vs ~ 2 ms, en donde Vs es la velocidad de sonido iónica. A título comparativo, el tiempo de confinamiento iónico clásico de estos parámetros del plasma sería T^c~ 0.5T^ü(1nR (1nR)⁰⁵) ~0.7 ms. Una difusión transversal anómala puede, en principio, acortar el tiempo de confinamiento del plasma. No obstante, en el sistema 10 de la FRC, bajo la premisa de que la tasa de difusión de Bohm, el tiempo de confinamiento transversal estimado para el plasma del cañón sea t^±> T^gd~ 2 ms. Por lo tanto, los cañones proporcionarían un reabastecimiento significativo de la capa de borde 456 de la FRC, y un confinamiento de partículas de FRC general mejorado.

Además, los flujos de plasma del cañón pueden activarse en aproximadamente 150 a 200 microsegundos, lo que permite el uso en el arranque, traslación, y fusión de la FRC en la cámara de confinamiento 100. En caso de arranque en t~0 (iniciación de banco principal de la FRC), los plasmas de cañón ayudan a sostener la FRC 450 actualmente formada y fusionada dinámicamente. Los inventarios de partículas combinadas procedentes de la formación de la FRC y de los cañones resultan adecuados para la captura del haz neutro, el calentamiento del plasma, y un sostenimiento prolongado. En caso de arranque en el intervalo de -1 a 0 ms, los plasmas del cañón pueden llenar los tubos de cuarzo 210 con plasma o ionizar el gas soplado en los tubos de cuarzo, permitiendo de este modo la formación de la FRC con una cantidad reducida o incluso nula de gas soplado. Lo último puede requerir suficiente plasma de formación en frío para permitir la rápida difusión del campo magnético de polarización invertida. En caso de arranque en t<-2 ms, los flujos de plasma podrían llenar un volumen de líneas de campo aproximado de 1 a 3 m y zonas de confinamiento de las secciones de formación 200 y de la cámara de confinamiento 100 con una densidad de plasma objetivo de unos cuantos 1013 cm-3, en grado suficiente para permitir la acumulación de un haz neutro antes de la llegada de la FRC. Las FRC de formación podrían entonces formarse y trasladarse al interior del plasma de la vasija de confinamiento resultante. De esta manera, los cañones 350 de plasma permiten una amplia diversidad de condiciones de funcionamiento y de regímenes paramétricos.

Polarización eléctrica

El control del perfil del campo eléctrico radial en la capa de borde 456 resulta beneficioso en diversas formas a la estabilidad y el confinamiento de la FRC. En virtud de los innovadores componentes de polarización desplegados en el sistema 10 de la FRC resulta posible aplicar una diversidad de distribuciones deliberadas de potenciales eléctricos en un grupo de superficies de flujo abierto en toda la máquina desde zonas perfectamente exteriores a la zona de confinamiento central en la cámara de confinamiento 100. De esta manera, se pueden generar campos eléctricos radiales a través de la capa de borde 456 inmediatamente en el exterior de la FRC 450. Estos campos eléctricos radiales modifican seguidamente la rotación acimutal de la capa de borde 456 y producen su confinamiento por medio de la velocidad de cizalla E x B. Cualquier rotación diferencial entre la capa de borde 456 y el núcleo 453 de la FRC puede entonces ser transmitida al interior del plasma de FRC mediante cizalla. Como resultado, el control de la capa de borde 456 impacta directamente el núcleo 453 de la FRC. Además, debido a que la energía libre en la rotación del plasma asimismo puede ser responsable de inestabilidades, dicha técnica proporciona un medio directo para controlar la aparición y crecimiento de inestabilidades. En el sistema 10 de la FRC, una polarización de borde apropiada proporciona un control efectivo del transporte y rotación de las líneas de campo abiertas, así como de la rotación del núcleo de la FRC. La localización y la forma de los diversos electrodos proporcionados 900, 905, 910 y 920 permite el control de los diferentes grupos de superficies de flujo 455 y a potenciales diferentes e independientes. De esta forma se puede realizar un amplio abanico de diferentes configuraciones y fuerzas del campo eléctrico, cada una con un impacto característico diferente sobre el funcionamiento del plasma.

Una ventaja clave de todas estas técnicas innovadoras de polarización es el hecho de que el comportamiento del núcleo y el borde del plasma pueden ser efectuados desde totalmente el exterior del plasma de la FRC, es decir, no hay necesidad de poner en contacto cualesquiera componentes físicos con el plasma caliente central (que tendría unas consecuencias graves en cuanto a pérdida de energía, flujo y partículas). Lo anterior presenta un efecto beneficioso importante sobre el funcionamiento y todas las aplicaciones potenciales del concepto de HPF.

Datos experimentales: funcionamiento HPF

La inyección de partículas rápidas por medio de haces procedentes de los cañones 600 de haces neutros presenta un papel importante en proporcionar el régimen HPF. La figura 16 ilustra este hecho. Se ilustra un conjunto de curvas que muestran cómo el tiempo de vida de la FRC se corresponde con la longitud de los pulsos de los haces. Todas las demás condiciones operativas se mantienen constantes para todas las descargas que comprende el presente estudio. Se promedian los datos de muchos disparos y, por lo tanto, representan un comportamiento típico. Resulta claramente evidente que una duración mayor del haz producirá una mayor vida de las FRC. Considerando estos datos, así como otros diagnósticos durante el presente estudio, se demuestra que los haces incrementan la estabilidad y reducen las pérdidas. La correlación entre la longitud de pulso del haz y el tiempo de vida de la FRC no es perfecta, ya que el atrapado del haz se hace ineficiente con tamaños del plasma inferiores a un determinado umbral, es decir cuando la FRC 450 se reduce en tamaño físico, no todos los haces inyectados resultan interceptados y atrapados. La contracción de la FRC se debe principalmente al hecho de que la pérdida de energía (~ 4 MW a medio camino a través de la descarga) desde el plasma de la FRC durante la descarga es algo mayor que la potencia total alimentada a la FRC por medio de los haces neutros (~ 2,5 MW) para la configuración particular del experimento. La localización de los haces en un sitio más cercano al plano medio de la vasija 100 tendería a reducir dichas pérdidas y a ampliar el tiempo de vida de la FRC.

La figura 17 ilustra los efectos de diferentes componentes para conseguir el régimen HPF. La figura 17 muestra una familia de curvas típicas de ilustran el tiempo de vida de la FRC 450 como una función del tiempo. En todos los casos una cantidad modesta constante de potencia del haz (aproximadamente 2.5 MW) es inyectada para toda la duración de cada descarga. Cada curva es representativa de una combinación diferente de componentes. Por ejemplo, el funcionamiento del sistema 10 de FRC sin cualesquiera tapones especulares 440, cañones de plasma 350 o sistemas de adsorción 800 resulta en una rápida aparición de la inestabilidad rotacional y en la pérdida de la topología de la FRC. La adición de los tapones especulares 440 retrasa la aparición de las inestabilidades e incrementa el confinamiento. La utilización de la combinación de tapones especulares 440 y un cañón de plasma 350 reducen adicionalmente las inestabilidades e incrementa el tiempo de vida de la FRC. Finalmente, la adición de adsorción (Ti en este caso) en la parte superior del cañón 350 y los tapones 440 proporciona los mejores resultados: la FRC resultante está libre de inestabilidades y muestra el tiempo de vida más largo. Resulta evidente a partir de dicha demostración experimental que la combinación total de componentes produce el mejor efecto y proporciona a los haces las mejores condiciones objetivo.

Tal como se representa en la figura 1, el recién encontrado régimen HPF muestra un comportamiento de transporta drásticamente mejorado. La figura 1 ilustra el cambio de tiempo de confinamiento de partículas en el sistema 10 de la FRC entre el régimen convencional y el régimen HPF. Tal como puede observarse, se ha mejorado en mucho más de un factor de 5 en el régimen HPF. Además, la figura 1 detalla el tiempo de confinamiento de las partículas en el sistema 10 de la FRC con relación al tiempo de confinamiento de las partículas en anteriores experimentos convencionales de FRC. Con respecto a estas otras máquinas, el régimen HPF del sistema 10 de la FRC ha mejorado el confinamiento en un factor de entre 5 y casi 20. Finalmente, y más importante, la naturaleza de la escala de confinamiento del sistema 10 de la FRC en el régimen HPF es muy diferente de todas las anteriores mediciones. Antes del establecimiento del régimen HPF en el sistema 10 de la FRC, se obtuvieron diversas leyes de escalado empíricas a partir de datos para predecir los tiempos de confinamiento en experimentos de FRC previos. Todas las reglas de escalado dependen en gran medida de la relación R2/pi, en donde R es el radio del campo magnético nulo (una medida aproximada de la escala física de la máquina) y pi es el radio de Larmor iónico evaluado en el campo aplicado externamente (una medida aproximada del campo magnético aplicado). Resulta evidente a partir de la figura 1 que un confinamiento prolongado en FRC convencionales sólo resulta posible en un tamaño de máquina grande y/o en un campo magnético alto. La operación del sistema 10 de la FRC en el régimen convencional de la FRC CR tiende a seguir esas reglas de escalado, tal como se indica en la figura 1. Sin embargo, el régimen HPF resulta muy superior y muestra que se puede conseguir un confinamiento mucho mejor sin un tamaño grande de máquinas o de altos campos magnéticos. Más importante, asimismo resulta claro a partir de la figura 1 que el régimen HPF da lugar a un tiempo de confinamiento mejorado con un tamaño de plasma reducido en comparación con el régimen CR. Asimismo se observan tendencias similares para los tiempos de confinamiento del flujo y la energía, tal como se indica más adelante, que se han incrementado en un factor superior a 3-8 asimismo en el sistema de la FRC. Por lo tanto, este avance innovador en el régimen HPF, permite el uso de una potencia de haz modesta, de unos campos magnéticos inferiores y de un tamaño menor para sostener y mantener los equilibrios del sistema 10 de la FRC y futuras máquinas de energía superior. Junto a estas mejoras, se llega a unos costes de operación y construcción menores, así como una complejidad ingenieril reducida.

A título comparativo adicional, la figura 18 representa los datos de una descarga de régimen HPF representativa en el sistema 10 de la FRC como una función del tiempo. La figura 18(a) representa el radio del flujo excluido en el plano medio. Para estas escalas de tiempo más largas, la pared de acero conductora ya no es un conservador del flujo tan bueno y las sondas magnéticas internas a la pared se potencian con sondas exteriores a la pared para considerar apropiadamente la difusión de flujo magnético a través del acero. En comparación con el funcionamiento típico en el CR del régimen convencional, tal como se muestra en la figura 13, el modo operativo del régimen HPF muestra un tiempo de vida más de 400% superior.

En la figura 18(b) se representa una cuerda representativa de la traza de densidad integrada de las líneas con su complemento Abel invertido, las isolíneas de densidad, en la figura 18(c). En comparación con el CR del régimen convencional de la FRC, tal como se muestra en la figura 13, el plasma es más inactivo en todo el pulso, indicativo de un funcionamiento muy estable. La densidad pico es asimismo ligeramente inferior en disparos HPF; esto es una consecuencia de que la temperatura del plasma total es más alta (hasta en un factor de 2), tal como se muestra en la figura 18(d).

Para la respectiva descarga ilustrada en la figura 18, los tiempos de confinamiento de la energía, partículas y flujo son 0.5 ms, 1 ms y 1 ms, respectivamente. En un tiempo de referencia de 1 ms iniciada la descarga, la energía del plasma almacenada es de 2 kJ mientras que las pérdidas son aproximadamente de 4 MW, lo que hace que este objetivo resulte muy adecuado para el sostenimiento del haz neutro.

La figura 19 resume todas las ventajas del régimen HPF en la forma de un escalado del confinamiento del flujo HPF experimental nuevamente establecido. Tal como puede verse en la figura 19, basado en medidas tomadas antes y después t=0.5 ms, es decir t <0.5 ms y t > 0.5 ms, el confinamiento del flujo (y de manera similar, el confinamiento de partículas y de energía) aumenta con aproximadamente el cuadrado de la temperatura de los electrones (Te) para un determinado radio de separatriz (rs). Este fuerte aumento con una potencia positiva de Te (y no una potencia negativa) es completamente opuesto a la mostrada por los tokamaks convencionales, en los que el confinamiento es típicamente inversamente proporcional a alguna potencia de la temperatura de los electrones. La manifestación de este escalado es una consecuencia directa del estado HPF y de la gran población de iones orbitales (es decir, las órbitas en la escala de la topología de la FRC y/o por lo menos la escala de longitud del gradiente del campo magnético característico). Fundamentalmente, este nuevo aumento favorece sustancialmente las altas temperaturas operativas y permite unos reactores de un tamaño relativamente modesto.

Con las ventajas que presenta el régimen HPF, resulta posible conseguir el mantenimiento o estado estacionario de la FRC impulsada por los haces neutros y mediante la utilización de inyección de gránulos, es decir, los parámetros de plasma globales, tales como la energía térmica del plasma, el número total de partículas, el radio y la longitud del plasma, así como el flujo magnético, son sostenibles a niveles razonables sin degradación sustancial. En comparación, la figura 20 muestra datos en el gráfico A partir de una descarga de régimen HPF en el sistema FRC 10 en función del tiempo y en el gráfico B, para una descarga representativa proyectada del régimen HPF en el sistema 10 de la FRC como función del tiempo, en el que la FRC se mantiene sin degradación a través de la duración del pulso del haz neutro. Para el gráfico A, se inyectaron unos haces neutros con potencia total en el intervalo comprendido entre aproximadamente 2.5 y 2.9 MW en la FRC 450 para una longitud de pulso de haz activo de aproximadamente 6 ms. La duración de vida diagmagnética del plasma representada en el gráfico A era de aproximadamente 5.2 ms. Los datos más recientes muestran una duración de vida diagmagnética del plasma de aproximadamente 7.2 ms se puede conseguir con una longitud de pulso del haz de aproximadamente 7 ms.

Tal como se ha mencionado anteriormente con respecto a la figura 16, la correlación entre la longitud de pulso del haz y la duración de vida de la FRC no es perfecta, dado que el atrapado del haz no resulta eficiente por debajo de un determinado tamaño del plasma, es decir, a medida que se contrae el tamaño físico de la FRC 450, no todos los haces resultan interceptados y atrapados. La contracción o degradación de la FRC se debe principalmente al hecho de que la pérdida neta de energía (-4 MW aproximadamente a medio camino de la descarga) del plasma de la FRC durante la descarga es algo mayor que la potencia total suministrada a la FRC a través de los haces neutros (-2.5 MW) para el diseño experimental particular. Tal como se ha señalado anteriormente en la figura 3C, la inyección de haz en ángulo a partir de los cañones de haces neutros 600 hacia el plano medio mejora el acoplamiento de haz-plasma, incluso a medida que el plasma de la FRC se contrae o de otro modo se contrae axialmente durante el periodo de inyección. Además, el abastecimiento apropiado de gránulos mantendrá la densidad requerida del plasma.

El gráfico B es el resultado de simulaciones ejecutadas mediante la utilización de una longitud de pulso del haz activo de aproximadamente 6 ms y una potencia total del haz a partir de los cañones de haces neutros 600 ligeramente superior a aproximadamente 10 MW, donde los haces neutros inyectarán neutros de H (o D) con una energía de partículas de aproximadamente 15 keV. La corriente equivalente inyectada por cada uno de los haces es de aproximadamente 110 A. Para el gráfico B, el ángulo de inyección del haz respecto al eje del dispositivo era de aproximadamente 20°, con un radio de la diana de 0,19 m. El ángulo de inyección puede ser modificado dentro del intervalo comprendido entre 15° y 25°. Los haces deben ser inyectados en la dirección paralela a la corriente acimutalmente. Se debe minimizar la fuerza lateral neta, así como la fuerza axial neta de la inyección del momento de haz neutro. Al igual que con el gráfico A, se inyectan neutros rápidos (H) desde los inyectores de haz neutro 600 a partir del momento en que la formación de las FRC norte y sur se fusionan en la cámara de confinamiento 100 en una FRC 450.

Las simulaciones que son la base para el gráfico B utilizan resolutores de hall-MHD multidimensionales para el plasma de fondo y el equilibrio, los resolutores basados en Montecarlo totalmente cinéticos para los componentes de haz energético y todos los procedimientos de dispersión, así como un conjunto de ecuaciones de transporte acoplado para todas las especies de plasma para el modelado de procesos de pérdida interactiva. Los componentes de transporte se calibran empíricamente y se comparan ampliamente con una base de datos experimental.

Tal como se muestra en el gráfico B, el tiempo de vida diamagnético de estado estacionario de la FRC 450 será la longitud del pulso de haz. Sin embargo, es importante señalar que la correlación clave mostrada en el gráfico B es que, al desactivar los haces, el plasma o FRC se empiezan a degradar en ese tiempo, y no antes. La degradación será similar a la que se observa en descargas que no están asistidas por un haz, probablemente del orden de 1 ms más allá del tiempo de desactivación del haz, y es simplemente un reflejo del tiempo de degradación característico del plasma impulsado por los procesos intrínsecos de pérdida.

Estabilidad del plasma y control de la posición axial

Haciendo referencia a los sistemas y métodos que facilitan la estabilidad de un plasma de FRC en las direcciones tanto radial como axial y el control de la posición axial de un plasma de FRC a lo largo del eje de simetría de una cámara de confinamiento de plasma de FRC, la figura 24 representa un esquema simplificado para ilustrar una forma de realización ejemplificativa de un mecanismo de control 510 de la posición axial. Un plasma de FRC giratorio 520 representado dentro de una cámara de confinamiento 100 presenta una corriente de plasma 522 y una dirección de desplazamiento axial 524. Se produce un campo en equilibrio (no mostrado) dentro de la cámara 100 mediante componentes de corriente simétricos, tales como, por ejemplo, las bobinas cuasi-dc 412 (ver las figuras 2 y 3). El campo en equilibrio no produce una fuerza neta en la dirección de desplazamiento axial 524, aunque puede ajustarse para producir un plasma transversal/radial o axialmente estable. En el contexto de la forma de realización presentada en la presente memoria, el campo en equilibrio se ajusta para producir un plasma de FRC transversal/radialmente estable 520. Tal como se ha indicado anteriormente, lo anterior resulta en inestabilidad axial y, de esta manera, el desplazamiento axial del plasma de FRC 520 en una dirección de desplazamiento axial 524. A medida que el plasma de FRC 520 se desplaza axialmente, induce las corrientes 514 y 516, que son antisimétricas, es decir, en direcciones contrarias en las paredes de la cámara de confinamiento 100 en cada lado del plano medio de la cámara de confinamiento 100. El plasma de FRC 520 inducirá dichos tipos de componentes de corriente tanto en el recipiente como asimismo en las bobinas externas. Dichos componentes de corriente antisimétrica 514 y 516 producen un campo radial que interactúa con la corriente de plasma toroidal 522, produciendo una fuerza que se opone al movimiento del plasma de FRC 520, y el resultado de dicha fuerza es que enlentece los desplazamientos axiales del plasma. Dichas corrientes 514 y 516 se disipan gradualmente con el tiempo, debido a la resistividad de la cámara de confinamiento 100.

Las bobinas de campo radiales 530 y 531 dispuestas en la cámara de confinamiento 100 en cada lado del plano medio proporcionan componentes adicionales de campo radiales que se deben a las corrientes 532 y 534 inducidas en direcciones contrarias en las bobinas 530 y 531. Las bobinas de campo radial 530 y 531 pueden comprender un conjunto de bobinas axisimétricas que pueden situarse interna o externamente a la vasija de contención 100. Las bobinas radiales 530 y 531 se muestran en posición externa a la vasija de contención 100 de manera similar a las bobinas cuasi-dc 412 (ver las figuras 2 y 3). Cada una de las bobinas 530 y 531, o conjuntos de bobinas, puede llevar una corriente diferente que las bobinas en el lado contrario del plano medio, aunque las corrientes son antisimétricas con respecto al plano medio de la vasija de contención 100 y producen una estructura de campo magnético con Bz t 0, Br = 0 a lo largo del plano medio. Las bobinas de campo radial 530 y 531 crean un componente complementario de campo radial que interactúa con la corriente de plasma toroidal 522 para producir una fuerza axial. La fuerza axial a su vez desplaza el plasma de vuelta hacia el plano medio de la cámara de confinamiento 100.

El mecanismo de control 510 incluye un sistema de control configurado para actuar sobre la corriente de la bobina de campo radial a fin de restaurar rápidamente la posición del plasma hacia el plano medio, minimizando simultáneamente la sobrecompensación y/o las oscilaciones en torno al plano medio de la máquina. El sistema de control incluye un procesador funcionalmente acoplado con las bobinas 530 y 531 de campo radial, las bobinas cuasi-dc 412, sus suministros de potencia respectivos, y otros componentes, tales como, por ejemplo, sensores magnéticos, que proporcionan la posición del plasma, la velocidad del plasma y mediciones de la corriente de bobina activa. El procesador puede configurarse para llevar a cabo los cálculos y análisis indicados en la presente solicitud y puede incluir o acoplarse comunicativamente con una o más memorias, incluyendo un medio legible por ordenador no transitorio. Puede incluir un sistema basado en procesadores o basado en microprocesadores, incluyendo sistemas que utilizan microcontroladores, ordenadores de número reducido de instrucciones (RISC), circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC), circuitos lógicos y cualquier otro circuito o procesador capaz de ejecutar las funciones indicadas en la presente memoria. Los ejemplos anteriores son únicamente ejemplificativos y, de esta manera, no pretenden limitar en modo alguno la definición y/o el significado del término "procesador" u "ordenador".

Las funciones del procesador pueden implementarse mediante la utilización de rutinas de software, componentes de hardware o combinaciones de los mismos. Los componentes de hardware pueden implementarse mediante la utilización de una diversidad de tecnologías, incluyendo, por ejemplo, circuitos integrados o componentes electrónicos discretos. La unidad de procesador típicamente incluye un dispositivo de almacenamiento de memoria legible/grabable y típicamente incluye además el hardware y/o el software para escribir y/o leer el dispositivo de almacenamiento de memoria.

El procesador puede incluir un dispositivo computador, un dispositivo de entrada, una unidad de visualización y una interfaz, por ejemplo, para acceder a Internet. El ordenador o procesador puede incluir un microprocesador. El microprocesador puede conectarse a un bus de comunicaciones. El ordenador o procesador puede incluir además una memoria. La memoria puede incluir memoria de acceso aleatorio (RAM) y memoria de solo lectura (ROM). El ordenador o procesador puede incluir además un dispositivo de almacenamiento, que puede ser una unidad de disco duro o una unidad de almacenamiento extraíble, tal como una unidad de disco blando, una unidad de disco óptico y similar. El dispositivo de almacenamiento puede ser además otro medio similar para cargar programas de ordenador u otras instrucciones en el ordenador o procesador.

El procesador ejecuta un conjunto de instrucciones que están almacenadas en uno o más elementos de almacenamiento, a fin de procesar los datos de entrada. Los elementos de almacenamiento pueden almacenar además datos u otra información según se desee o requiera. El elemento de almacenamiento puede encontrarse en forma de una fuente de información o un elemento de memoria física dentro de una máquina de procesamiento.

El problema de controlar la posición de una configuración de FRSC axialmente estable o inestable mediante la utilización de los accionadores de bobina de campo radial se resuelve mediante la utilización de una rama de la teoría del control no lineal conocida como control por modos deslizantes. Una función lineal de estados del sistema (la superficie deslizante) actúa como la señal de error con el comportamiento asintóticamente estable (deslizante) deseado. La superficie deslizante se diseña mediante la utilización de la teoría de Liapunov para mostrar estabilidad asintótica en un amplio abanico de parámetros dinámicos de FRC. El esquema de control propuesto seguidamente puede utilizarse para plasma tanto axialmente estables como axialmente inestables, sin necesidad de reajustar los parámetros utilizados en la superficie deslizante. Dicha propiedad resulta ventajosa debido a que, tal como se ha indicado anteriormente, el equilibrio puede transitar entre los equilibrios axialmente estable y axialmente inestable en diferentes etapas de la descarga de FRC.

La configuración del esquema de control 500 se muestra en la figura 25. El filtro pasa-baja restringe las frecuencias de conmutación dentro del ancho de banda de control deseado. Se supone un bucle de control digital que requiere el muestreo y transmisión de señales con retraso de una muestra. La señal de error (la superficie deslizante) es una combinación lineal de corriente de bobina, posición del plasma y velocidad del plasma. La posición del plasma y la velocidad del plasma se obtienen a partir de mediciones magnéticas externas. Las corrientes en los sistemas de bobinas activos pueden medirse mediante métodos estándares.

Las corrientes de bobina y la posición del plasma resultan necesarias para implementar el control de la posición. La velocidad del plasma resulta necesaria para mejorar el rendimiento, aunque es opcional. Una función no lineal de dicha señal de error (ley de control de relé) genera niveles de tensión discretos para cada pareja de suministros de potencia conectados a bobinas simétricas respecto al plano medio. Las bobinas simétricas respecto al plano medio se alimentan con tensiones de relé de la misma intensidad, aunque signo contrario. Lo anterior crea un componente de campo radial para restaurar la posición del plasma al plano medio.

Para demostrar la viabilidad del esquema de control, se utiliza un modelo de plasma rígido para simular la dinámica del plasma. El modelo utiliza una geometría del imán. La distribución de corriente del plasma corresponde a equilibrios axialmente inestables con un tiempo de crecimiento de 2 ms en el caso de que se consideren solo el plasma y la vasija. Los suministros de potencia se supone que funcionan con niveles de tensión discretos, típicamente en pasos de 800 V.

La figura 26 representa varias simulaciones de control del plasma que subrayan la relación entre las tensiones aplicadas a las bobinas y los tiempos de estabilización de la posición del plasma, junto con la corriente pico de bobina requerida y las tasas de rampa para devolver al plano medio un plasma que se ha desplazado axialmente 20 cm. Dichos ejemplos de simulación por modos deslizantes del control de la posición axial se ejecutan a 0.3 T mediante la utilización de cuatro parejas de bobinas ajustadas. Se muestran cuatro casos correspondientes a suministros de potencia con niveles de tensión discretos en pasos de 200 V (cuadrados negros), de 400 V (círculos negros), de 800 V (triángulos negros) y 1600 V (cuadrados blancos). En los cuatro casos la anchura de banda de control era de 16 kHz y la frecuencia de muestreo era de 32 kHz. Se muestra la posición del plasma (figura superior), la corriente en la pareja de bobinas más externas (figura media) y la tasa de rampa de corriente de bobina (figura inferior). El desplazamiento del plasma se deja que resulte más inestable hasta alcanzar 20 cm. En este punto, se aplicó el control por retroalimentación.

Los resultados de la simulación indican que:

1. Para devolver el plasma al plano medio en 5 ms (registros de cuadrados negros), la tasa de la rampa de incremento de bobina de 0.5 MA/s resulta suficiente, requiriendo un suministro de potencia de 200 V.

2. Para devolver el plasma al plano medio en 2.3 ms (registros de círculos negros), la tasa de la rampa de incremento de bobina de 1 Ma /s resulta suficiente, requiriendo un suministro de potencia de 400 V.

3. Para devolver el plasma al plano medio en 1.3 ms (registros de triángulos negros), la tasa de la rampa de incremento de bobina de 2 MA/s resulta suficiente, requiriendo un suministro de potencia de 800 V.

4. Para devolver el plasma al plano medio en 1.0 ms (registros de cuadrados blancos), la tasa de la rampa de incremento de bobina de 4 MA/s resulta suficiente, requiriendo un suministro de potencia de 1600 V.

Las corrientes pico para todas las bobinas ajustadas para el tercer caso estudiado anteriormente (el caso de la tasa de rampa de 2 Ma /s), asimismo se muestran en la figura 27 como función de la posición de la bobina ajustada. Los ejemplos de simulación por modos deslizantes de control de la posición axial se llevaron a cabo a 0.3 T mediante la utilización de cuatro parejas de bobinas ajustadas externas utilizando un suministro de potencia con tres niveles (+800 V, 0 y -800 V), un ancho de banda de control de 16 kHz y una tasa de muestreo de 32 kHz. Para devolver el plasma al plano medio en 1.3 ms, se requirió una tasa de la rampa de incremento de bobina de 2 MA/s. La corriente pico requerida en todas las parejas de bobinas era inferior a 1.5 kA. La frecuencia de conmutación real requerida (aproximadamente 2 kHz) era muy inferior al ancho de banda del sistema de control.

El sistema de control asimismo puede implementarse en una superficie diana que es función de la corriente de bobina y la velocidad del plasma exclusivamente, sin la posición del plasma. En este caso, el bucle de control de la posición axial proporciona únicamente estabilización de la dinámica axial, pero no control. Lo anterior significa que el plasma se encuentra en una situación metaestable y puede derivar lentamente a lo largo de su eje. A continuación, se proporciona el control de la posición mediante la utilización de un bucle de retroalimentación adicional que controla los huecos del plasma entre la separatriz del mismo y la vasija, por lo tanto, realiza un control simultáneo de la forma del plasma y de la posición.

Otro dispositivo de confinamiento del plasma en el que se utilizan sistemas de control similares es el tokamak. A fin de mantener el confinamiento del plasma, la corriente del plasma en un tokamak debe mantenerse entre un límite inferior y un límite superior que son aproximadamente proporcionales a la densidad del plasma y el campo toroidal, respectivamente. Para operar a una densidad elevada del plasma, debe incrementarse la corriente del plasma. Simultáneamente, el campo poloidal debe mantenerse tan bajo como resulte posible de manera que el factor de seguridad q sea superior a q=2. Lo anterior se consigue alargando el plasma a lo largo de la dirección del eje de la máquina, permitiendo ajustar una corriente elevada del plasma (y, por lo tanto, permitiendo una densidad elevada del plasma) sin incrementar el campo magnético límite más allá de sus límites de seguridad. Dichos plasmas alargados son inestables a lo largo de la dirección del eje de la máquina (conocida en la jerga del tokamak como la dirección vertical) y además requieren mecanismos de estabilización del plasma. El control de la posición vertical del plasma en los tokamaks asimismo se restaura utilizando un conjunto de bobinas de campo radial, por lo que es muy similar al problema de control de la posición de la FRC. Sin embargo, los motivos para requerir la estabilización en un tokamak y en un FRC son diferentes. En un tokamak, la inestabilidad vertical del plasma es una penalización que debe pagarse para operar con una corriente elevada del plasma, que requiere que el alargamiento del plasma opere con un campo toroidal elevado. En el caso de la FRC, la inestabilidad del plasma es una penalización que debe pagarse para obtener estabilidad transversal. Los tokamaks presentan un campo toroidal que estabiliza la configuración, por lo que no requieren la estabilización transversal.

Las formas de realización ejemplificativas proporcionadas en la presente memoria, sin embargo, están destinadas únicamente a ser ejemplos ilustrativos y no limitativos en modo alguno.

En muchos casos, se describen entidades en la presente memoria como acopladas a otras entidades. Debe entenderse que los términos "acoplado" y "conectado" (o cualquiera de sus formas) se utilizan intercambiablemente en la presente memoria y, en ambos casos, son genéricos del acoplamiento directo de dos entidades (sin ninguna entidad intermedia no despreciable (por ejemplo, parasitaria)) y el acoplamiento indirecto de dos entidades (con una o más entidades intermedias no despreciables). Cuando se muestran entidades como directamente acopladas entre sí, o descritas como acopladas entre sí sin descripción de cualquier entidad intermedia, debe entenderse que aquellas entidades asimismo pueden acoplarse indirectamente entre sí, a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

El alcance de la invención se define mediante las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método para estabilizar un plasma de configuración de campo invertido (FRC) que comprende las etapas de: formar un plasma de FRC situado a lo largo de un eje longitudinal de una cámara de confinamiento (100) adyacente al plano medio de la cámara de confinamiento (100) formando un campo magnético de FRC alrededor de un plasma giratorio en la cámara de confinamiento (100), y

estabilizar el plasma de FRC en una dirección radial normal al eje longitudinal para situar el plasma de FRC axisimétrico alrededor del eje longitudinal sintonizando un campo magnético aplicado generado dentro de la cámara (100) mediante componentes de corriente simétrica para inducir una estabilidad radial y una inestabilidad axial en el plasma de FRC; caracterizado por que:

el plasma de FRC se estabiliza en una dirección axial a lo largo del eje longitudinal creando unos primer y segundo campos magnéticos radiales, en el que los primer y segundo campos magnéticos radiales interactúan con el plasma de FRC para desplazar axialmente el plasma de FRC para situar el plasma de FRC axisimétrico alrededor del plano medio.

2. Método según la reivindicación 1, en el que el campo magnético aplicado se genera dentro de la cámara (100) mediante bobinas cuasi-dc (412) extendidas alrededor de la cámara (100).

3. Método según la reivindicación 1 o 2, en el que la etapa de estabilizar el plasma de FRC incluye monitorizar la posición del plasma de FRC.

4. Método según la reivindicación 3, en el que la etapa de monitorizar la posición del plasma de FRC incluye monitorizar las mediciones magnéticas asociadas al plasma de FRC.

5. Método según la reivindicación 3 o 4, en el que los primer y segundo campos magnéticos radiales se generan debido a las corrientes inducidas en direcciones contrarias en las primera y segunda bobinas radiales (530, 531) situadas alrededor de la cámara de confinamiento (100), que comprende además la etapa de medir la corriente en las primera y segunda bobinas radiales (530, 531).

6. Método según la reivindicación 5, que comprende además la etapa de monitorizar la velocidad del plasma de FRC.

7. Método según las reivindicaciones 1 a 5, comprende además mantener el plasma de FRC en o aproximadamente un valor constante sin degradación inyectando haces de átomos neutros rápidos desde inyectores de haz neutro (600, 615) en el plasma de FRC en un ángulo hacia el plano medio de la cámara de confinamiento (100) e inyectar un plasma toroide compacto en el plasma de FRC.

8. Método según las reivindicaciones 1 a 7, en el que la etapa de formar el plasma de FRC incluye formar un plasma de FRC de formación en una sección de formación (200) acoplada a un extremo de la cámara de confinamiento (100) y acelerar el plasma de FRC de formación hacia el plano medio de la cámara (100) para formar el plasma de FRC.

9. Método según la reivindicación 8, en el que la etapa de formar el plasma de FRC incluye uno de: formar un plasma de FRC de formación mientras se acelera el plasma de FRC de formación hacia el plano medio de la cámara de confinamiento (100) o formar un plasma de FRC de formación y acelerar a continuación el plasma de FRC de formación hacia el plano medio de la cámara (100).

10. Método según la reivindicación 8, que comprende además la etapa de guiar superficies de flujo magnético (452, 455) del plasma de FRC en desviadores (300, 302) acoplados a los extremos de las primera y segunda secciones de formación (200).

11. Método según las reivindicaciones 1 a 10, que comprende además la etapa de acondicionar las superficies internas de la cámara de confinamiento (100), las secciones de formación (200) y los desviadores (300, 302) con un sistema de adsorción (800).

12. Método según la reivindicación 11, en el que el sistema de adsorción (800) incluye uno de un sistema de deposición de titanio (810) y un sistema de deposición de litio (820) o que comprende además la etapa de inyectar axialmente plasma en el plasma de FRC a partir de cañones de plasma montados axialmente (350).

13. Método según las reivindicaciones 1 a 12, que comprende además la etapa de controlar el perfil de campo eléctrico radial en una capa de borde (456) del plasma de FRC.

14. Sistema para generar y estabilizar un plasma de configuración de campo invertido (FRC) configurado para llevar a cabo el método según la reivindicación 1, que comprende:

una cámara de confinamiento (100),

unas primera y segunda secciones de formación de plasma de FRC diametralmente opuestas (200) acopladas a la cámara de confinamiento (100), comprendiendo la sección de formación (200) unos sistemas de formación modularizados para generar un plasma de FRC y trasladar el plasma de FRC hacia un plano medio de la cámara de confinamiento (100),

unos primer y segundo desviadores (300, 302) acoplados a las primera y segunda secciones de formación (200), unos primer y segundo cañones de plasma axiales (350) acoplados funcionalmente a los primer y segundo desviadores (300, 302), las primera y segunda secciones de formación (200) y la cámara de confinamiento (100),

una pluralidad de inyectores de haces de átomos neutros (600, 615) acoplados a la cámara de confinamiento (100) y orientados para inyectar haces de átomos neutros hacia un plano medio de la cámara de confinamiento (100) en un ángulo inferior a la normal a un eje longitudinal de la cámara de confinamiento (100),

un sistema magnético (400) que comprende una pluralidad de bobinas cuasi-dc (412, 414) situadas alrededor de la cámara de confinamiento (100), las primera y segunda secciones de formación (200) y los primer y segundo desviadores (300, 302), primer y segundo conjuntos de bobinas especulares cuasi-dc (420, 430) situados entre la cámara de confinamiento (100) y las primera y segunda secciones de formación (200), y los primer y segundo tapones especulares (440) situados entre las primera y segunda secciones de formación (200) y los primer y segundo desviadores (300, 302),

un sistema de adsorción (800) acoplado a la cámara de confinamiento (100) y los primer y segundo desviadores (300, 302),

caracterizado por que comprende además:

unos primer y segundo conjuntos de bobinas de campo magnético radial (530, 531) configurados para generar unos primer y segundo campos magnéticos radiales dentro de la cámara (100), y

un sistema de control (224) acoplado funcionalmente a la pluralidad de bobinas cuasi-dc (412, 414) y los primer y segundo conjuntos de bobinas de campo magnético radial (530, 531), incluyendo el sistema de control (224) un procesador acoplado a una memoria no transitoria que comprende una pluralidad de instrucciones que cuando se ejecutan hacen que el procesador sintonice el campo magnético generado por la pluralidad de bobinas cuasi-dc (412, 414) y los primer y segundo conjuntos de bobinas de campo radial (530, 531) para estabilizar el plasma de FRC en una dirección radial normal a un eje longitudinal de la cámara (100) y situar el plasma de f Rc axisimétrico alrededor del eje longitudinal y en una dirección axial a lo largo del eje longitudinal para situar el plasma de FRC axisimétricio alrededor del plano medio.

15. Sistema según la reivindicación 14, en el que el sistema se configura además para generar un plasma de FRC y mantener el plasma de FRC en o aproximadamente un valor constante sin degradación mientras se inyectan haces de átomos neutros en el plasma de FRC o en el que los primer y segundo campos magnéticos radiales son antisimétricos alrededor del plano medio.