JP2015501918A - プラズマを高エネルギー状態に圧縮するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

コンパクト・トロイド・プラズマ構造などのコンパクト・トロイド・プラズマが、エネルギー保存によって加熱を生じさせる方法で、らせん通路の壁に対して、それ自体の運動量を使用して、コンパクト・トロイド・プラズマ構造を圧縮することによって、高エネルギー状態へと効率的に圧縮可能な細長いらせん通路を含む、コンプレッサーアセンブリおよび同じものを使用する方法。コンプレッサーアセンブリにはさらに、らせん通路と連通し、圧縮されたコンパクト・トロイド・プラズマ構造が圧縮に続いて取り入れられる燃焼室が含まれる。

Description

本発明は、一般的にプラズマ物理学の分野に関する。より詳細には、本発明はプラズマを高エネルギー状態に圧縮するための方法および装置に関するものである。

簡単な背景として、１９４２年、アンリコ・フェルミは、エネルギーの大規模ソースを生成するために、核融合によって軽原子核を結合するというアイデアを論じはじめた。彼は、重水素、水素の豊富な安定同位体の燃焼を提案した。

今日、核融合生成を達成する課題に対する主要な２つのアプローチが磁気閉じ込め（ＭＣＦ）およびレーザー慣性閉じ込め（ＩＣＦ）デモンストレーション装置で、ＭＣＦを使用する国際熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）トカマクまたはＩＣＦを使用する国立点火施設（ＮＩＦ）などである。これらのプラズマ実験は、非常に大きな規模に拡大するので、２桁のメーター幅（ｍｅｔｅｒｓ ａｃｒｏｓｓ）を測定する。

これらのアプローチに基づく原子炉は、さらに大きな規模に拡大する。その理由は、同時に十分な期間でエネルギープラズマを達成するためのＬａｗｓｏｎ基準を実現するために必要な密度条件のどちらかの極度を占めるからである。ＭＣＦでは、外部磁場を使用して、約２秒から４秒の長期の間、低密度１０^２０ｍ^−３プラズマを持続するよう試みるが、プラズマの不安定性に悩まされる。ＩＣＦでは、ナノ秒の間、高密度１０^２８ｍ^−３プラズマを保持するよう試みている。磁気ターゲット核融合（Ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ Ｔａｒｇｅｔ Ｆｕｓｉｏｎ：ＭＴＦ）は、数ミリ秒間のみ中密度１０^２４ｍ^−３プラズマを持続することによって、どちらかの極度で直面する問題を軽減化し、同時に、ＭＣＦまたはＩＣＦに比べると、原子炉の最小規模およびコストも同時に削減する。

ロスアラモス国立研究所（ＬＡＮＬ）では、早期にＭＴＦへの研究を開始したが、利用可能な最高の理論および実験によりスケール調整するのではなく、電源として隣接するＳｈｉｖａ Ｓｔａｒコンデンサーバンクを使用して実験をスケール調整するという推進力によって妨害されるようになった。Ｓｈｉｖａ Ｓｔａｒ施設は、ニューメキシコ州アルバカーキのカートランド空軍基地に位置している。それらの施設は、物理学に基づく原理の証明向けの設計に最適化されておらず、むしろ、それらの電源の制約に基づいている。それらのアプローチの別の弱点は、コンパクトトーラス（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｔｏｒｕｓ）（ＣＴ）プラズマ構造を形成するために、より効率的なアンテナ方法ではなく、テータピンチ（ｔｈｅｔａ ｐｉｎｃｈ）を使用していることであった。最後に、それらは、単発の実験で、再使用不可能な圧縮方法（アルミニウム缶クラッシャ）に固執している。

カナダの会社はこのより早期の実施形態を改良して、より小さい規模のＭＴＦアプローチを試み、それは必要な入力エネルギーがより低いものである。しかし、このアプローチは、点火が発生する前に、放射損失によってプラズマを急冷する高原子番号の不純物（鉛など）を取り込んでしまった。この会社のアコースティック圧縮方法のタイミングの制御にも問題がある。

カリフォルニア工科大学およびローレンス・リバモア国立研究所（ＬＬＮＬ）は、後者を持続させるために、トカマクへのコンパクトトーラス（ＣＴ）の注入に焦点を合わせた。それらのプロトタイプ（ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ）「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｔｏｒｕｓ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ」手法は、テーパー壁に対してコンパクト・トーラス・プラズマ構造を移動させることによって、コンパクト・トーラス・プラズマ構造の変換と圧縮の両方を行うことが可能であることを示した。しかし、不純物の問題（鋼電極からの鉄）を経験し、最初の達成を、らせん状などの曲線形状に拡大する試みはしなかった。

ワシントン大学のプラズマ物理研究所は、プラズマの不純物を回避するための清浄度要件を長く主張している。同研究所はさらに、コンパクトトロイド（ｔｏｒｏｉｄｓ）を形成し、加速するためのより新しくて、より効率的な方法も活用している。しかし、大学の純粋な研究では、ＭＴＦの高度なプラズマ圧縮に焦点を合わせず、大学は、（二酸化ケイ素から作られる）それらの壁よりも大幅により低いＺ物質である、ベリリウムまたはリチウムシリコンから作られる曲線状の壁に沿ってＣＴを変換することは試みていない。

従来の技術のコンパクトトロイド圧縮メカニズムには、これらに限定されないが、次が含まれている。

ａ．爆発物（ライナーテクノロジー）−例えば、ロスアラモス／Ｓｈｉｖａ Ｓｔａｒなどのプロジェクト。そのようなメカニズムは、再利用不可能で、高入力エネルギー要件が要求され、大型のシステム規模が必要とされる。

ｂ．空気圧式（ガスの注入）−そのようなメカニズムは通常、圧力の不安定性を示し、一般的に、大きなプラズマには遅すぎる。

ｃ．水圧式（水が形成する壁）−例えば、カナダの「ジェネラル核融合炉（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｆｕｓｉｏｎ）」ＭＴＦコンセプト。サブマイクロ秒の正確さのタイミングが要求される、そのようなメカニズムでは、高度に複雑な制御システムが必要とされる。さらに、そのようなメカニズムの液体の壁は、高原子番号の不純物を、プラズマからの放射線損失率が大幅に増大するプラズマに追加する。

ｄ．機械式（ピストン）−例えば、カナダの「ジェネラル核融合炉（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｆｕｓｉｏｎ）」コンセプト。反復的にサブマイクロ秒のタイミングが要求される、そのようなメカニズムでは、高度に複雑な制御システムが必要とされる。

ｅ．電気式（リレーピストン）−例えば、カナダの「ジェネラル核融合炉（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｆｕｓｉｏｎ）」コンセプト。反復的にサブマイクロ秒のタイミングが要求される、そのようなメカニズムでは、高度に複雑な制御システムが必要とされる。

ｆ．磁気式（コイル電流スパイク）−このメカニズムは、初期のＴＲＩＳＯＰＳ（フロリダ大学での実験法）からワシントン大学のプラズマ物理研究所の最新のＣＴ装置まで、多くの研究プログラムとの関連で試みられてきている。そのようなメカニズムには、優れたタイミング、大規模なエネルギー入力が必要とされ、プラズマの不安定性が引き起こされる場合がある。

本発明の要旨は、前項に記述された各種メカニズムに関連付けた問題を克服し、より優れた、コンパクト・トロイド・プラズマ構造圧縮アセンブリを提供することである。より具体的には、前述の従来のアプローチの欠点の分析により、明確な利点を伴う新しいアプローチをもたらす設計特性の独自のセットを導き出すことが可能になっている。これらの新しい設計特性の詳細は、続く明細書でさらに述べられる。

前述を考慮して、本発明の目的は、プラズマが高エネルギー状態に効率的に圧縮され得る新しい設計のコンプレッサーアセンブリを提供することである。

より具体的には、本発明の目的は、前述の特徴のコンプレッサーアセンブリを提供することであり、それには、コンパクトトロイド（ＣＴ）プラズマ構造が、エネルギー保存によって加熱を生じさせる方法で、らせん通路の壁に対して、それ自体の運動量を使用して、ＣＴを圧縮することによって、高エネルギー状態へと効率的に圧縮可能な細長いらせん通路が含まれる。

本発明の別の目的は、前項に記述された特徴のコンプレッサーアセンブリを提供することであり、それには、らせん通路と連通し、圧縮されたＣＴが圧縮に続いて取り入れられる燃焼室が含まれる。

本発明の別の目的は、前項に記述された特徴の燃焼室を提供することであり、それには、磁気センサーが、時間あたりの磁場ベクトルを測定するために燃焼室に埋め込まれている。

本発明の別の目的は、前項に記述された特徴のコンプレッサーアセンブリを提供することであり、その中で、燃焼室が、圧縮されたＣＴを受けるための少なくとも１つの入口ポートを有し、多数のより小さい排出ポートを有する一定断面積のトロイダルリング（ｔｏｒｏｉｄａｌ ｒｉｎｇ）を備えている。

本発明の別の目的は、通路の壁に沿ってＣＴの跳ね返り（ｒｉｃｏｃｈｅｔ）を回避する方法でＣＴをらせん通路に注入することによって、細長いらせん通路を有するコンプレッサーを使用して、ＣＴを高エネルギー状態に圧縮するための方法を提供することである。より具体的には、本発明の方法に従って、跳ね返りは、注入時点でのＣＴの体積軸方向運動エネルギー（ｂｕｌｋ ａｘｉａｌ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ）が圧縮の最後で達成しようとする設計「ターゲット（ｔａｒｇｅｔ）」熱エネルギーより大きいことが確保されることによって回避される。

本発明の別の目的は、前項に記述された特徴の方法を提供することであり、その中で、ＣＴを細長いらせん通路に放つ前に、熱伝導損失および粒子拡散損失が形成の間のＣＴ内に大規模な磁場を埋め込むことによって回避される。高度に磁化したＣＴは、埋め込まれた磁力線に垂直な熱伝導損失および粒子拡散損失の両方を妨げる。

本発明の別の目的は、前項に記述された特徴の方法を提供することであり、その中では、熱伝導損失および粒子拡散損失がプラズマ不純物防止コーティングを細長いらせん通路の壁に塗布することによって回避される。これらのコーティングの例には、ベリリウムまたはリチウムシリコンなどの、低原子番号物質が含まれる。

本発明の別の目的は、前項に記述された特徴の方法を提供することであり、その中では、設計「ターゲット」熱エネルギーへのＣＴの圧縮に続き、ＣＴが、圧縮されたＣＴのための少なくとも１つの入口ポートを有し、多数のより小さい排出ポートを有する一定断面積のトロイダルリングを備える燃焼室に取り入れられる。

本発明の別の目的は、記述された特徴の方法を提供することであり、その中で、設計「ターゲット」熱エネルギーへのＣＴの圧縮に続き、ＣＴが燃焼室に取り入れられ、燃焼完了後、圧縮されたＣＴが中性ガスに消散されるようにされ、そのガスは適切な真空ポンプによって燃焼室からくみ出される。

本発明の他の目的のほか、前述の目的も、添付図面に図示された装置によって達成され、続く明細書で記述される。

プラズマを高エネルギー状態に圧縮するための本発明の装置の一形態の概観透視図である。 プラズマコンプレッサーに取り入れられる位置で圧縮されるプラズマ構造を示す装置のプラズマコンプレッサーの一形態の概観透視分解組立図である。 図２で図示されたプラズマコンプレッサーの概観透視分解組立図である。 プラズマコンプレッサーの長手方向の断面図である。 図４の４Ａ−４Ａの線に沿って取得された断面図である。 圧縮された状態のプラズマを図示するプラズマコンプレッサーの燃焼室の概観透視分解組立図である。 プラズマコンプレッサーに取り入れられる位置で圧縮されるプラズマを示す装置のプラズマコンプレッサーの代替形成の概観透視分解組立図である。 図６で図示されたプラズマコンプレッサーの概観透視分解組立図である。 図６で示されたプラズマコンプレッサーの長手方向の断面図である。 圧縮された状態のプラズマを図示する本発明のこの最新の形のプラズマコンプレッサーの燃焼室の概観透視分解組立図である。 電子の損失方程式のリストである。 イオンの損失方程式のリストである。 粒子移動の損失方程式のリストである。

（定義）
本明細書で使用される場合、次の記号には次の意味がある。

（核融合）
２つの軽原子核がより重い原子核を形成するために組み合われるプロセス。核融合プロセスは、動きの速い粒子の形で、膨大な量のエネルギーを放出する。原子核には、陽子が含まれ、プラスの電荷を帯びているので、原子核間には反発する静電気、すなわちクローン（Ｃｏｕｌｏｍｂ）がある。融合する２つの原子核の場合、反発するバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を克服する必要があり、それは、短距離の原子力がクローン力を克服し、原子核を融合するのに十分強力になる場合に、２つの原子核が共に十分近くなる際に発生する。原子核がクローンバリアを克服するために必要なエネルギーは、非常に高い必要がある、熱エネルギーによって提供される。例えば、核融合速度は、温度が、およそ絶対温度で１億度に対応する、少なくとも１０ｋｅＶ程度の場合に、感知することができる。核融合反応の速度は温度の関数であり、反応度と呼ばれる数量によって特徴付けられている。Ｄ−Ｔ反応の反応度には、例えば、３０ｋｅＶから１００ｋｅＶの間の広範なピークがある。

（逆転磁界配位（ＦＲＣ））
コンパクト・トロイド・プラズマ構造の例は、軸方向磁場を生成する円筒コイルで形成される逆転磁界配位である。最初に、軸方向のバイアス磁場が加えられ、それから、ガスが事前にイオン化され、それはバイアス磁場を「凍結して閉ざし（ｆｒｅｅｚｅｓ ｉｎ）」、最終的に、軸方向磁場が反転される。最後に、バイアス磁場とメイン磁場との再接続が発生し、閉じたポロイダル（ｐｏｌｏｉｄａｌ）磁力線が生成される。当業者によく知られた概説は、「Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ」，Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ，Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１１，（１９８８），ｐｐ．２０３３−２０９２にある。

（コンパクトトロイド）
ＦＲＣは、コンパクトトロイドと同族である。「コンパクト」は、内部材料構造（例えば、電磁コイル）がないことを暗示しており、プラズマは幾何学上の軸まで伸長することができる。「トロイド」は、閉じたドーナツ型の磁気面のトポロジー（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を暗示している。ＦＲＣは、プラズマ内に感知可能なトロイダル磁場がないことによって、他のコンパクトトロイドと区別される。

（原動力サブシステム）
本明細書で使用する場合、原動力サブシステムは、核融合で生成されたイオンおよび／または中性子熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムを意味する。原動力サブシステムは、熱交換器を備えることができ、さらに、当業者にもよく知られている特徴の選択された直接変換サブシステムの各種タイプも備えることができる。

（本発明の装置）
次に、図面、具体的には図１を参照すると、プラズマを高エネルギー状態に圧縮するための本発明の装置の一形態が示され、通常、番号２０で指定されている。装置のこの形態は、コンプレッサー２２、出口ポート２５によりコンプレッサーに接続された真空ポンプサブシステム２４、およびコンプレッサーに動作的に関連付けられた壁クリーニングサブシステムを備えている。本発明の壁クリーニングサブシステムは、オハイオ州コロンバスのＢＨ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎや同様の供給源から容易に購入できるものなどのヒーターブランケット２６ａ、カリフォルニア州レッドウッドシティーのＸＥＩ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ．から容易に購入できるシステムなどのグロー放電洗浄（ＧＤＣ）システム２６ｂ、およびコロラド州コロラド・スプリングズのＳＡＥＳ Ｇｅｔｔｅｒｓ ＵＳＡなどの商業的供給源から容易に購入できる特徴のイオン残留ガス除去ポンプ２６ｃを備えている。装置２０はさらに、カリフォルニア州へーワードのＡｌｐｈａ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓなどの供給源から購入できるものなどの事前イオン化機能付の固定子アンテナコイル、ニュージャージー州Ｐｉｎｅ ＢｒｏｏｋのＰａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎから入手できる特徴の防火ユニット（ｆｉｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）付のガスパルス注入バルブ３０、およびＡｌｐｈａ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓからさらに入手できる排出コイルサブシステム３２を本発明では備えるプラズマ・ソース・サブシステム２８も含んでいる。事前イオン化プロセスは、ニューヨーク州ロチェスターのＴ＆Ｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎから入手できる特徴の無線周波数ジェネレーターを装備していることが好適である。続く項でより詳細に説明するように、通常、図１の番号３４で指定された、原動力サブシステムは、核融合で生成されたイオンおよび／または中性子熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、コンプレッサー２２に動作的に関連付けられている必要がある。本発明の原動力装置３４は、当業者によりよく理解される特徴の熱交換器を備えている。熱交換器には、蒸気タービンが取り付けられており、次に、蒸気タービンには、発電機が取り付けられている（図面には個別に図示されていない）。原動力サブシステムはさらに、当業者にもよく知られている特徴の選択された直接変換サブシステムの各種タイプも備えることができる。

本発明の装置の非常に独自の機能は、すでに同定されたコンプレッサー２２であり、その構造の詳細は図面の図２から図４に図示されている。本発明の本形態では、プラズマコンプレッサー２２は、アルミニウム、鋼鉄、銅、シリコン、マグネシウム、炭素−炭素合成物、ニッケル超合金、タングステン、または他の耐熱合金（モリブデン、ニオブ、またはレニウムなど）から構成されるグループから選択された物質から作成された第１および第２の密封可能で相互接続された部分３６および３８を備えている。部分３６および３８は、従来のコンピューター数値制御された（ＣＮＣ）マシン、または従来の放電加工機（ＥＤＭ）を使用するか、あるいはキャスティング法（ｃａｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ）によって形成されることが好適である。図面の図３および図４で最良に理解されるように、部分３６と３８のそれぞれには、途切れのない壁４０ａを有する細長いらせん通路４０が装備されている。らせん通路のそれぞれは、注入口４０ｂおよび出口４０ｃを有している（図３）。コンプレッサー２２の中心に隣接して配置され、らせん通路の出口と連通するのは、重要な燃焼室４１であり、その構造、組み立ておよび動作についてこれから説明する。

さらに、コンプレッサー２２の一部の形成には、注入口ポート構成部品４２および燃焼室４１に動作的に関連付けられている内側リング４４がある。注入口ポート構成部品４２は、部分３６および３８が、ろう付け、溶接、拡散接合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）、または機械的組み立て（ボルトと封印を含む）によって図面の図２で図示された方法で結合されるときに、形成されるらせん通路４３（図４）の注入口と連通する。図２で図示しているように、らせん通路４３は、燃焼室４１と連通している通路の最小直径を含め、徐々に直径が小さくなっている。注入口ポート構成部品と内側リングの両方はさらに、アルミニウム、鋼鉄、銅、シリコン、マグネシウム、炭素−炭素合成物、タングステン、または他の耐熱合金から構成されるグループから選択された物質から形成されることが好適である。

圧縮プロセスの間のプラズマの不純物混入を回避するために、プラズマに暴露されるコンプレッサー２２の細長いらせん通路４０の壁のほか、コンプレッサーの他のすべての内側表面も、リチウム−シリコン、ベリリウム、または二ホウ化セラミックのいずれかを備えることが好適であるコーティング「Ｃ」を装備しており、そのすべてが導電性で、低原子番号物質である必要がある（図３および図４Ａを参照）。リチウム・シリコン・コーティングに関して、純粋なリチウム金属は空中の水蒸気と反応するので、コーティング粉末の製造時点とコンプレッサーの内壁への塗布の間は厳密に真空状態を維持する必要があることに留意されたい。特定の適用例の場合、コンプレッサーの内壁をコーティングするために、低原子番号要素から構成され、ゆっくりとスパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）する、導電性の二ホウ化セラミックまたは同様の合成物コーティングを使用でき得ることも利点となる。コンプレッサーの内壁をコーティングするための各種技術は、当業者にはよく知られている。ベリリウムコーティングの場合、これらの技術は、Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｋｅｎｎｅｔｈ Ａ． Ｗａｌｓｈ，Ｅｄｇａｒ Ｅ．Ｖｉｄａｌ，ｅｔ ａｌ，ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（２００９）（特に、第２２章、「Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」，Ａｌｆｒｅｄ Ｇｏｌｄｂｅｒｇ，ｐｐ．３６１−３９９を参照）と題する著作物の中で十分説明されている。

機械加工され、適切にコーティングされたなら、プラズマに暴露するコンプレッサー２２の、注入口ポート構成部品４２、内側リング４４、および内壁は注意深くクリーニングされ、コンプレッサーの各種構成部品は、ろう付け、溶接、拡散接合、または機械的組み立てなど、当業者によりよく理解される方法で結合される。

さらなるクリーニングおよび漏れのチェック後、コンプレッサー２２は、図面の図１で図示されている方法で本発明の装置のもう一方のサブシステムと一体化される。これらのサブシステムには、前述の真空ポンプサブシステム２４、ヒーターブランケット２６ａ、グロー放電洗浄（ＧＤＣ）システム２６ｂ、およびイオン残留ガス除去ポンプ２６ｃを備える壁クリーニングサブシステム、ならびにプラズマ・ソース・サブシステム２８が含まれている。これら各種サブシステムがコンプレッサーと相互接続され、完成したシステムが徹底的にテストされた後、原動力サブシステム３４は図面の図１に図示されている方法でコンプレッサー２２と相互接続される。

本発明の装置の動作の前に、中性子診断とともに、ショット（ｓｈｏｔｓ）を観察するための高速Ｘ線カメラ、さらに、入力ポートを通過するＣＴの放出速度のほか、燃焼室４１のＣＴの速度を計るためのＲｏｇｏｗｓｋｉコイルなどのよく知られた多様な診断ツールを装置周辺（図面には図示せず）に含めることが望ましい。

本発明の方法を考慮する前に、コンプレッサーユニットの代替の実施形態を考慮することにする。コンプレッサーユニットのこの代替形態は、図面の図６〜図９に図示されており、通常、番号５２で指定されている。この実施形態は、多くの箇所で、図１から図５で図示されている実施形態と同様であり、機能も実質的に同一の方法である。本発明の最新の実施形態と前述の実施形態間の主な相違点は、コンプレッサーが、ベリリウム合金などの低原子番号を有する、導電性の金属合金から作成されている点にある。より具体的には、本発明のこの最新の実施形態では、コンプレッサーユニット５２の部分５４および５６は、従来のコンピューター数値制御された（ＣＮＣ）マシン、または従来の放電加工機（ＥＤＭ）を使用するベリリウム合金のブロックから、あるいはキャスティング法によって形成される。本発明の前述の実施形態にあるように、さらに図面の図７および図８で図示しているように、部分５４と５６のそれぞれには、途切れのない壁５８ａを有する細長いらせん通路５８が装備されている。らせん通路のそれぞれは、注入口５８ｂおよび出口５８ｃを有している（図７）。

さらに、コンプレッサー５２の一部の形成には、注入口ポート構成部品６０、出口ポート構成部品６１、および内側リング６２があり、その機能は、前述の実施形態の注入口ポート４２および内側リング４４の機能と実質的に同一である。注入口ポート構成部品と内側リングの両方はさらに、ベリリウム合金などの低原子番号で、導電性物質から形成されることが好適である。機械加工されたなら、注入口ポート構成部品６０、内側リング６２、ならびに部分５４および５６は注意深くクリーニングされ、ろう付け、溶接、拡散接合、またはボルトと封印を使用する機械的組み立てなどにより、当業者によりよく理解される方法で結合される。部分５４および５６が融合された後、部分のそれぞれで形成された細長いらせん通路５８はらせん通路６３を定義するために協働する（図８）。図８で図示しているように、らせん通路５８は、燃焼室６５と連通している通路の最小直径を含め、徐々に直径が小さくなっている。コンプレッサー５２の中心に隣接して配置され、らせん通路６３の出口と連通するのは、本発明のこの最新の形態の重要な燃焼室６５で、その構造、組み立ておよび動作は実質的に、すでに同定された燃焼室４１と同一である。

圧縮構造５２を作成する点で使用するための他の候補物質には、炭素−炭素合成物と耐熱金属合金（両方ともベリリウムより原子番号が大きい物質）が含まれる。

コンプレッサーを作成する際のベリリウム合金の使用は、そのすべてがベリリウムよりよくＸ線を吸収する、鋼鉄、銅、シリコン、マグネシウム、タングステン、または他の耐熱合金などのより一般的な物質の使用より、やや望ましくない。さらに、これらの物質の使用は、有害性がかなり少なく、当該物質により、真空構造の壁とＸ線遮蔽壁の機能を１つの構成部品に組み合わせられる。

水素、重水素、重水素−トリチウムの混合物、純粋なトリチウム、ヘリウム−３、ジボラン、およびそれらの混合物を含むがこれに限定されない、多様なガスが本発明の圧縮装置で使用できることに留意されたい。圧縮装置が重水素の濃いガスを点火および／または「燃焼」条件に圧縮するために使用される場合、焼却灰の一部には、まれなガスであるヘリウム−３が含まれる。このことは、反応した重水素から生成されたヘリウム−３の最初の速度が、トリチウムなど、生成された他の粒子より遅いためであり、したがって、プラズマではより容易に熱運動化する。しかし、核融合反応速度もトリチウム−重水素反応速度より遅いので、熱運動化したトリチウムほど速く消費されない。この増殖プロセスの結果、重水素反応からの灰分は、まれに安定したアイソトープヘリウム−３を蓄積する。

ヘリウム−３を収集するためには、真空ポンプに取り付けられたろ過システムにより、排気からアイソトープを分離することが必要とされる。この装置はヘリウム−３のほか、ポンプの排気から空気中に放出されるべきではない他の排出生成物（トリチウムなど）を収集して浄化するために使用される。それに加えて、アイソトープ分離ろ過システムを使用する排気から、水素−１（陽子）およびヘリウム−４が取得される場合がある。

本発明の方法を実行するために最初のステップは、コンパクトトーラス（ＣＴ）プラズマ構造を形成することである。１つのタイプのＣＴは、逆転磁界配位（ＦＲＣ）である。ＦＲＣは、軸方向磁場を生成する円筒コイルで形成される。最初に、軸方向のバイアス磁場が加えられ、それから、ガスが事前にイオン化され、それはバイアス磁場を「凍結して閉ざし」、最終的に、軸方向磁場が反転される。最後に、バイアス磁場とメイン磁場との再接続が発生し、閉じた磁力線が生成される。

ＣＴの形成に続いて、コンパクトトロイド圧縮メカニズムの使用を含むすでに同定された従来技術の方法とは異なり、図面では番号６８で識別されるＣＴが高速で、本発明のプラズマコンプレッサーの注入口ポート構成部品４２に放たれる。続く項でより詳細に説明するように、ＣＴがプラズマコンプレッサーを通過すると、それ自体の慣性によって細長いらせんの低原子番号物質の壁で粉砕され、エネルギー保存によって加熱が生じる。ＣＴ内部の熱エネルギーは運動エネルギーが減少するにつれ、増大する。

ＣＴがらせん通路４３の壁で圧縮されると、作用する圧力には、前進運動に対して反対方向にベクトル成分がある（壁が一定断面積からできている場合を除く）。したがって、壁に沿った跳ね返り効果を回避するためには、放出時点でのＣＴの体積軸方向運動エネルギーが圧縮の最後での設計「ターゲット（ｔａｒｇｅｔ）」熱エネルギーより大きいものであることが重要である。

らせん通路４３の壁のほか、ＣＴが接触するプラズマコンプレッサーの他の壁も、熱の一部を吸収し、その程度は、放出前、形成の間のＣＴ内に大規模な磁場を埋め込むことによって大幅に低減化される。高度に磁化したＣＴは、中心から外壁まで熱伝導損失および粒子拡散損失の両方を妨げる。

設計「ターゲット」熱エネルギーに圧縮されると、圧縮されたＣＴ６８ａは、比較的短い移動導管７０に入り、それによって、コンプレッサーの対称面から離れて、燃焼室４１に誘導される。前述のとおり、燃焼室には、圧縮されたＣＴ６８ａのための単一の入口ポートを含む、一定断面積のトロイダルリング（図３および図７）、および真空システム２４と連通する複数のより小さい排出ポート７２（図５）が備わっている。

燃焼が完了すると、圧縮されたＣＴ６８ａは中性ガスに消散し、メイン真空出口ポート７４からくみ出される。図面の図５および図９を参照すると、丸穴７８には内側リングが装備されており、丸穴は組み立ての間、調整ゲージピン（図示せず）を受けるように適合されていることに留意されたい。組み立て後、調整ゲージピンは除去され、Ｒｏｇｏｗｓｋｉコイルループなどの診断プローブの挿入に都合よく使用することのできる２つの貫通孔が残される。

本発明の方法の主な利点は、中性粒子ビームがプラズマを加熱するために必ずしも必要ではなく、コンパクト・トロイド・プラズマ熱エネルギーを維持したり、プラズマ構造に安定性を提供することである。本方法の別の利点は、プラズマの圧縮のために、折り畳み可能な壁が必要とされないことである。それに加えて、実際のところ、本発明の圧縮装置は複数回、使用可能である。

背景として、水素の豊富な安定同位体である、重水素の燃焼で、反応サイクルは次の５つの方程式から構成される。

本発明の方法を実行する際に、らせん通路の壁のほか、ＣＴプラズマ構造が直接、視程接触（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ ｃｏｎｔａｃｔするようになるあらゆる表面も低原子番号からできており、クリーンで、ゆっくりとスパッタすることを理解することが重要である。これらの機能は、壁からプラズマに入る不純物による損失を最小限化する。それに加えて、壁に導電性があることは有益であり、その理由は、放出されたミリメートル波長の光を再吸収のためにプラズマへ反射することによって、加熱されたプラズマからのシンクロトロン（サイクロトロン）放射による損失を最小限化するからである。このことは、システムのエネルギーバランスを管理する基本方程式を再検討すると明らかになる。

核融合反応によって得られる力の方程式は次のとおりである。

電子、イオン、および粒子移動の損失方程式は、それぞれ、図面の図１０、図１１、および図１２に示されており、さらに、すべての変数は前述の記号定義表で定義されているものである。

これらの方程式に基づく、主な観察結果のほか、以前の実験的文献も、不純物による損失の回避は熱いプラズマを維持するための極めて重要な要件であるということである。このことを達成するには、プラズマが、鋼鉄などの高原子番号（高Ｚ）物質と接触しないようにすることが不可欠である。プラズマの不純物の最終結果は、損失速度が桁単位で増大するということである。高Ｚ不純物混入による複数の損失経路がある。Ｚで最も大幅に増加する容積放射電力損失メカニズムは、制動放射（Ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ）、再結合（Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）、および励起線（Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ）である。しかし、平均のＺでも熱伝導損失や熱化速度にも影響を与える。

制動放射は、多極で、非相対論的な方程式Ａ．２（図１０）が示しているように、プラズマの平均イオン電荷Ｚによって強く影響される。この方程式に加えて、制動放射損失速度の双極子と相対論的バージョンの両方のほか、各イオン種のすべての量子力学的な「ガウント因子（ｇａｕｎｔ ｆａｃｔｏｒ）」補正も、制動放射による支配的な損失速度に達する前に、計算することは重要である。制動放射はＸ線スペクトルで発生し、プラズマを残す。しかし、制動放射は、燃焼条件に相応の高エネルギーレベルでのみ支配的である。このため、そしてプラズマはＸ線に対して透過性があるので、制動放射は通常、シミュレーションプログラムで考慮される主な損失メカニズムである。中性ガス状態から燃焼条件に達するために、プラズマが通過する必要のある、より低いエネルギーレベルでは、再結合および励起線放射がプラズマの放射損失メカニズムの中心（ｄｏｍｉｎａｔｅ）となる。このことは、高不純物含有プラズマの場合には、特に当てはまる。

方程式Ａ．３（図１０）によって制御される、再結合放射は、Ｚによって最も強く影響される損失である。被積分関数内で理解できるように、再結合放射は、Ｚの増大に極めて敏感である。純粋な水素プラズマの制動放射より桁単位で少なくなる場合があるが、普通の不純物含有のより低いエネルギーレベルであっても制動放射を急速に超過する場合がある。したがって、不純物を制御することによって、再結合放射の損失メカニズムを最小限化することができる。同様に、方程式Ａ．４（図１０）の励起線放射もＺによって影響される。このトップレベルの方程式からは明らかではないが、Ｎ_ａの計算には、Ｚを伴う非線形関数を直接的な依存変数として活用する。

再結合および線形放射は通常、制動放射に比べると無視できると見なされるので、サイジング計算（ｓｉｚｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ）において見落とされる。このことは、特定の環境下では当てはまるが、不純物がプラズマに入る場合には、それらの方程式も含めることが重要である。全般的に見れば、平均Ｚを最小化することは常に有益（損失の低減化）である。このことは、可能な限り低速度でスパッタするクリーンで、低Ｚの壁を活用することによって、プラズマからの不純物を保持することによって最良に達成される。

クリーンであるが、非磁化プラズマの場合、支配的な損失メカニズムは通常、壁に対する熱伝導で（方程式Ａ．６およびＡ．８−図１０および図１１）、それに次いで、粒子拡散（方程式Ａ．１５−図１２）である。壁に平行する周囲の磁場の増大はこれらの損失を阻止するが、さらに、シンクロトロン放射からの損失が徐々に増大する（方程式Ａ．５−図１０）。シミュレーションから、コンパクトトーラス（ＣＴ）プラズマは、シンクロトロン放射が制動放射の損失速度を超過する前に、数百テスラを持続することができる。このことは、プラズマは、シンクロトロン放射によって放出されたミリメートル波長のスペクトルに対する吸収力が大きく、導電性の壁が効率的にシンクロトロン放射を反射するほか、シンクロトロン放射がＺによって影響されないためである。

表に含まれる他の損失は、イオン制動放射（方程式Ａ．１０−図１１）およびイオンシンクロトロン（方程式Ａ．１１−図１１）放射であるが、それらは、準中性プラズマ（ｑｕａｓｉ−ｎｅｕｔｒａｌ ｐｌａｓｍａｓ）の電子対応物にとって比較的少ないものである。中性粒子加重（Ｎｅｕｔｒａｌ ｄｒａｇ）（方程式Ａ．９−図１１）も比較的小さな損失であるが、それに含まれるものによって、無視できる加重損失を伴うプラズマの移動を持続するために必要な真空の程度を予測することができる。同様に、壁からの不純物のスパッタリング（方程式Ａ．１６−図１２）および磁気消散のトラッキング（方程式Ａ．７−図１０）のシミュレーションによって、壁が過渡プラズマに与える不純物の数量および内部磁場が続く長さをそれぞれ推定することができる。イオンから電子への運動移行の衝突（方程式Ａ．１２−図１１）、生成物エネルギーイオンの配分（方程式Ａ．１３−図１１）、生成物エネルギーイオンの熱化（方程式Ａ．１４−図１２）、および粒子熱化（方程式Ａ．１７−図１１）の残りの効果は、中心燃焼力に由来するエネルギーおよび粒子の分配を明らかにするために不可欠である。実際のところ、プラズマの状態が外部の装置によって駆り立てられるような場合には、それによって燃焼速度は決まらないが、しかしむしろ、元々の利得方程式Ａ．１に由来する核融合エネルギーの分配方法が決まる。

支配方程式が明らかにされたなら、本発明の方法のためのパラメータの最適化を行うことが可能である。一例として、重水素ガスの場合、開始および終了ＣＴの都合のよい直径はそれぞれ、１３７および１９ミリメートルである。最初に埋め込まれる磁場は約６±１テスラで、最初の最小プラズマイオン密度は立法センチメートルあたりおよそ５×１０^１５個の粒子であることが好適である。最適な性能のために、ＣＴの放出速度は最低、毎秒４．８×１０^６メートルが必要とされ、圧縮に必要な最低時間は約２マイクロ秒である。

これまで、特許制定法の要件に従って本発明を詳細に述べてきたが、当業者にとっては、特定の要件または条件を満たすために、個別の部分または関連アセンブリで変更や修正を行うことは難しくないはずである。そのような変更や修正は、次の特許請求の範囲で説明される本発明の範囲から、趣旨を逸脱することなく行うことができる。

Claims (22)

1. 導電性物質から作成されたプラズマコンプレッサーを備え、プラズマを高エネルギー状態に圧縮するための装置であって、前記プラズマコンプレッサーはプラズマを受けるための注入口、中央に配置された燃焼室、および前記注入口と前記燃焼室を相互接続するらせん通路を有し、前記らせん通路は徐々に直径が減少するものからなり、低原子番号の、導電性物質でコーティングされた途切れのない壁を有する装置。
2. 前記低原子番号の、導電性物質がベリリウム合金を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記プラズマコンプレッサーが２つの密封可能で相互接続された部分を備え、各部分がアルミニウム、鋼鉄、銅、シリコン、マグネシウム、炭素−炭素合成物、または耐熱合金から構成されるグループから選択された物質から形成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記プラズマコンプレッサーの前記燃焼室が少なくとも１つの排出ポートを有する環状リングを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記プラズマコンプレッサーの前記燃焼室が単一の入口ポートおよび円周方向に間隔をあけて多数の排出ポートを有するトロイダルリングを備える、請求項１に記載の装置。
6. 当該箇所からガスを除去するために、前記プラズマコンプレッサーに接続され、前記燃焼室に動作的に関連付けられた真空ポンプサブシステムをさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記らせん通路の前記途切れのない壁をクリーニングするために、前記プラズマコンプレッサーに動作的に関連付けられた壁クリーニングサブシステムをさらに含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記プラズマコンプレッサーに動作的に関連付けられたプラズマ・ソース・サブシステムであって、前記プラズマ・ソース・サブシステムが事前イオン化機能付の固定子アンテナコイルを備えるプラズマ・ソース・サブシステムをさらに含む、請求項１に記載の装置。
9. 核融合で生成されたイオンおよび中性子熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、前記プラズマコンプレッサーに動作的に関連付けられた原動力サブシステムをさらに含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記原動力サブシステムが熱交換器を備える、請求項８に記載の装置。
11. 導電性のベリリウム合金から作成されたプラズマコンプレッサーを備え、プラズマを高エネルギー状態に圧縮するための装置であって、前記プラズマコンプレッサーはプラズマを受けるための注入口、中央に配置された燃焼室、および前記注入口と前記燃焼室を相互接続するらせん通路を有し、前記らせん通路は徐々に直径が減少するものからなる装置。
12. 前記プラズマコンプレッサーの前記燃焼室がトロイダルリングで、単一の入口ポート、円周方向に間隔をあけた多数の排出ポート、および前記トロイダルリングに埋め込まれた磁気センサーを有するトロイダルリングを備える、請求項１１に記載の装置。
13. 導電性物質から作成されたプラズマコンプレッサーを備え、コンパクト・トーラス・プラズマ構造を高エネルギー状態に圧縮するための装置であって、前記プラズマコンプレッサーは前記プラズマを受けるための注入口、中央に配置された燃焼室、および前記注入口と前記燃焼室を相互接続するらせん通路を有し、前記らせん通路は徐々に直径が減少するものからなり、低原子番号の、導電性物質でコーティングされた途切れのない壁を有し、前記燃焼室はトロイダルリングで、単一の入口ポート、円周方向に間隔をあけた多数の排出ポート、および前記トロイダルリングに埋め込まれた磁気センサーを有するトロイダルリングを備える装置。
14. 前記プラズマコンプレッサーが２つの密封可能で相互接続された部分を備え、各部分がアルミニウム、鋼鉄、銅、シリコン、マグネシウム、炭素−炭素合成物、または耐熱合金から構成されるグループから選択された物質から形成される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記低原子番号の、導電性物質がベリリウム合金を含む、請求項１４に記載の装置。
16. プラズマ注入口、燃焼室、および徐々に直径が減少するものからなり、途切れのない壁を有し、前記プラズマ注入口と前記燃焼室を相互接続するらせん通路を有するプラズマコンプレッサーを使用してプラズマを高エネルギー状態に圧縮するための方法であって、前記方法が、
    （ａ）前記プラズマ注入口に前記プラズマを取り入れるステップと、
    （ｂ）前記らせん通路の前記壁に対して物体力圧縮により、核融合を達成するのに十分な温度に前記プラズマを断熱的に加熱する方法で、前記燃焼室方向へ前記らせん通路に沿って前記プラズマを移動させるステップと
    を含む方法。
17. プラズマ注入口、燃焼室、および徐々に直径が減少するものからなり、前記プラズマ注入口と前記燃焼室を相互接続する途切れのない壁を有するらせん通路を有するプラズマコンプレッサーを使用して核融合反応を達成するための方法であって、前記方法が、
    （ａ）コンパクト・トロイド・プラズマ構造を形成するステップと、
    （ｂ）前記プラズマ注入口に前記コンパクト・トロイド・プラズマ構造を取り入れるステップと、
    （ｃ）核融合を達成するのに十分な温度で圧縮されたプラズマを形成するために、前記らせん通路の前記壁に対して物体力圧縮により、前記逆転磁界配位を断熱的に加熱する方法で、前記燃焼室方向へ前記らせん通路に沿って前記プラズマを移動させるステップと、
    （ｄ）前記燃焼室からの前記圧縮したプラズマを消散するステップと
    を含む方法。
18. 前記コンパクト・トロイド・プラズマ構造の開始直径が約１３７ミリメートルで、前記ＣＴの前記終了直径が約１９ミリメートルである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記コンパクト・トロイド・プラズマ構造の最初の最小プラズマ密度が立法センチメートルあたりおよそ５×１０^１５個の粒子である、請求項１７に記載の方法。
20. 前記圧縮されたプラズマが毎秒４．８×１０^６メートルの最低速度で前記燃焼室から放出される、請求項１７に記載の方法。
21. 前記プラズマが約２マイクロ秒の時間の期間で前記らせん通路に沿って移動し、燃焼されるようになる、請求項１７に記載の方法。
22. 前記圧縮されたプラズマが約１０ミリ秒の間、前記燃焼室で点火して燃焼する、請求項１７に記載の方法。

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