JP2015502532A - 高性能ｆｒｃを形成し維持するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

新しい高性能の磁場反転配位（ＦＲＣ）の形成および維持を促進するシステムおよび方法が提供される。高性能のＦＲＣ（ＨＰＦ）に対するＦＲＣシステムは、２つの直径方向に対向する磁場反転シータピンチ形成部分、およびその形成部分を超えた、中性密度および不純物汚染を制御するための２つのダイバータ・チャンバによって包囲された中央閉じ込め容器を含む。磁気システムは、ＦＲＣシステムの構成要素に沿って軸方向に位置付けられた一連の疑似直流コイル、閉じ込めチャンバと隣接した形成部分との間の疑似直流ミラーコイル、ならびに形成部分とダイバータとの間のミラープラグを含む。形成部分は、ＦＲＣをその場で形成し、次いで加速し照射する（静的形成）、または形成し同時に加速する（動的形成）ことが可能な、モジュラーパルス電力形成システムを含む。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１１月１４日に出願された米国特許仮出願第６１／５５９，１５４号の優先権を主張し、かつ２０１１年１１月１５日に出願された米国特許仮出願第６１／５５９，７２１号の優先権を主張し、これらの出願が参照によって本明細書に組み込まれる。

本明細書に記載された実施形態は、一般に磁気プラズマ閉じ込めシステムに関し、より詳細には、優れた安定性ならびに粒子、エネルギーおよび磁束閉じ込めをもつ、磁場反転配位の形成および維持を促進するシステムおよび方法に関する。

磁場反転配位（ＦＲＣ）は、コンパクト・トロイド（ＣＴ）として公知の磁気プラズマ閉じ込めトポロジーの分類に属する。ＦＲＣは、主にポロイダル磁場を示し、自然発生のトロイダル磁場がない、または少ない（Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ２８、２０３３（１９８８）参照）。このような構造の魅力は、構築および維持が容易なその単純な形状、エネルギーの抽出および灰の除去を促進する無制限の自然ダイバータ、ならびに非常に高いβ（βはＦＲＣ内部の平均磁場圧力に対する平均プラズマ圧力の割合である）、すなわち、高出力密度である。高いβ特性は、経済運用、ならびにＤ−Ｈｅ^３およびｐ−Ｂ^１１などの進化した非中性子燃料の使用に有利である。

ＦＲＣを形成する従来の方法は、磁場反転シータピンチ技術を使用し、高温高密度のプラズマを生成する（Ａ．Ｌ．ＨｏｆｆｍａｎおよびＪ．Ｔ．Ｓｌｏｕｇｈ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ３３、２７（１９９３）（非特許文献１）参照）。この変形形態は、シータピンチ「源」内に生成されたプラズマが、概ね即座に一端から出て閉じ込めチャンバの中に放出される移動トラッピング方法である。次いで移動するプラズモイドは、チャンバの端部で２つの強いミラーの間に閉じ込められる（例えば、Ｈ．Ｈｉｍｕｒａ、Ｓ．Ｏｋａｄａ、Ｓ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、およびＳ．Ｇｏｔｏ、Ｐｈｙｓ．Ｐｌａｓｍａｓ ２、１９１（１９９５）（非特許文献２）参照）。一旦閉じ込めチャンバに入ると、ビーム入射（中性または中和された）、回転磁場、ＲＦまたはオーム加熱などの様々な加熱および電流駆動方法を適用してもよい。源と閉じ込め機能のこの分離は、潜在的な将来の核融合炉に対して重要な工学的利点を提供する。ＦＲＣは、非常に堅固であり、動的形成、移動、および激しい捕捉事象に耐性があることが判明している。さらに、ＦＲＣは、好ましいプラズマ状態を担う傾向を示す（例えば、Ｈ．Ｙ．Ｇｕｏ、Ａ．Ｌ．Ｈｏｆｆｍａｎ、Ｋ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒ、およびＬ．Ｃ．Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２、２４５００１（２００４）（非特許文献３）参照）。他のＦＲＣの形成方法、すなわち、逆向きのヘリシティをもつスフェロマックの融合（例えば、Ｙ．Ｏｎｏ、Ｍ．Ｉｎｏｍｏｔｏ、Ｙ．Ｕｅｄａ、Ｔ．Ｍａｔｓｕｙａｍａ、およびＴ．Ｏｋａｚａｋｉ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ３９、２００１（１９９９）（非特許文献４）参照）、ならびにこれもさらに安定性を提供する、回転磁場（ＲＭＦ）を用いて電流を駆動することによる（例えば、Ｉ．Ｒ．Ｊｏｎｅｓ、Ｐｈｙｓ．Ｐｌａｓｍａｓ ６、１９５０（１９９９）（非特許文献５）参照）発展が過去１０年に著しく進歩を遂げた。

最近、かなり昔に提案された衝突融合技法（例えば、Ｄ．Ｒ．Ｗｅｌｌｓ、Ｐｈｙｓ．Ｆｌｕｉｄｓ ９、１０１０（１９６６）（非特許文献６）参照）がさらに著しく発展した。すなわち、閉じ込めチャンバの対向する端部で２つの個別のシータピンチが、同時に２つのプラズモイドを生成し、プラズモイドを互いに向かって高速度で加速させ、次いでプラズモイドは、閉じ込めチャンバの中央で衝突し、複合ＦＲＣを形成するために融合する。今までで最大のＦＲＣ実験の１つの構築および成功した作動において、従来の衝突融合法は、安定して長持ちし、高磁束、高温のＦＲＣを生成することを示した（例えば、Ｍ．Ｂｉｎｄｅｒｂａｕｅｒ、Ｈ．Ｙ．Ｇｕｏ、Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０５、０４５００３（２０１０）（非特許文献７）参照）。

ＦＲＣは、セパラトリックスの内側の閉じた磁力線のトーラス、およびセパラトリックスのすぐ外側の開いた磁力線上の環状縁層からなる。縁層は、ＦＲＣの長さを超えて集結してジェットになり、自然ダイバータを提供する。ＦＲＣトポロジーは、磁場反転ミラープラズマのトポロジーと一致する。しかし、著しい違いは、ＦＲＣプラズマが約１０のβを有することである。固有の低い内部磁場は、ＦＲＣの短半径に匹敵する、若干の生来の動的粒子集団、すなわち、大きいラーモア半径をもつ粒子を提供する。これは、衝突融合実験において生成された安定性などの過去および現在のＦＲＣの安定性の合計に、少なくとも部分的に寄与すると思われるこれらの強い動的効果である。

典型的な過去のＦＲＣ実験は、主に粒子移動によって決まるエネルギー閉じ込めをもつ、対流損失によって支配されてきた。粒子は、セパラトリックス体積から主に径方向外方に拡散し、次いで縁層において軸方向に損失される。したがって、ＦＲＣ閉じ込めは、閉じた磁力線領域と開いた磁力線領域の両方の特性に依存する。セパラトリックスから出た粒子の拡散時間は、τ_⊥は約ａ^２／Ｄ_⊥（ａは約ｒ_ｓ／４であり、ここでｒ_ｓは中心セパラトリックスの半径である）と見積もられ、Ｄ_⊥は、特性ＦＲＣ拡散率であり（例えば、Ｄ_⊥は約１２．５ρ_ｉｅであり、ρ_ｉｅはイオンジャイロ半径を表し）、外部印加磁場で評価される。縁層の粒子閉じ込め時間

は、基本的に過去のＦＲＣ実験における軸方向通過時間である。定常状態において、径方向の粒子損失と軸方向の粒子損失との間の均衡は、セパラトリックスの密度勾配長さδ、約

をもたらす。ＦＲＣ粒子閉じ込め時間は、セパラトリックスで実質的な密度を有する過去のＦＲＣに対して

と見積もられる（例えば、Ｍ．ＴＵＳＺＥＷＳＫＩ、「Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ（磁場反転配位）」、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ２８、２０３３（１９８８）参照）。

先行のＦＲＣシステム設計の別の短所は、急成長するｎ＝２交換不安定性などの、回転不安定性を制御するために外部多極を使用する必要があったことである。このような方法で、通常の外部印加された四重極磁場は、これらの不安定モードの成長を抑えるために、必要な磁気を回復する圧力を提供した。この技法は熱バルクプラズマの安定制御に充分である一方で、高い動的大軌道の粒子集団が通常の熱プラズマと組み合わされる場合、この技法は、より動的なＦＲＣまたは進化したハイブリッドのＦＲＣに対して深刻な問題を有する。これらのシステムでは、このような多極磁場に起因する軸対称の磁場の歪みは、正準角運動量の保存を損失する結果、無衝突の確率的拡散を介して劇的に高速な粒子損失をもたらす。したがって、いかなる粒子の拡散も高めることなく、安定制御を提供する新規の解決策は、これらの今まで調査されなかった進歩したＦＲＣの概念の、より高い潜在性能を利用するために重要である。

Ａ．Ｌ．ＨｏｆｆｍａｎおよびＪ．Ｔ．Ｓｌｏｕｇｈ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ３３、２７（１９９３） Ｈ．Ｈｉｍｕｒａ、Ｓ．Ｏｋａｄａ、Ｓ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、およびＳ．Ｇｏｔｏ、Ｐｈｙｓ．Ｐｌａｓｍａｓ ２、１９１（１９９５） Ｈ．Ｙ．Ｇｕｏ、Ａ．Ｌ．Ｈｏｆｆｍａｎ、Ｋ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒ、およびＬ．Ｃ．Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２、２４５００１（２００４） Ｙ．Ｏｎｏ、Ｍ．Ｉｎｏｍｏｔｏ、Ｙ．Ｕｅｄａ、Ｔ．Ｍａｔｓｕｙａｍａ、およびＴ．Ｏｋａｚａｋｉ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ３９、２００１（１９９９） Ｉ．Ｒ．Ｊｏｎｅｓ、Ｐｈｙｓ．Ｐｌａｓｍａｓ ６、１９５０（１９９９） Ｄ．Ｒ．Ｗｅｌｌｓ、Ｐｈｙｓ．Ｆｌｕｉｄｓ ９、１０１０（１９６６） Ｍ．Ｂｉｎｄｅｒｂａｕｅｒ、Ｈ．Ｙ．Ｇｕｏ、Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０５、０４５００３（２０１０）

したがって前述を考慮すると、（医療用同位体製造および核廃棄物処理のために）小型中性子源から質量分離および濃縮システムに、また次世代のエネルギーのために軽核の融合のための炉心に、広範囲の適用への手段として定常状態のＦＲＣを使用するために、ＦＲＣの閉じ込めおよび安定性を向上させることが望ましい。

本明細書に提供された本実施形態は、新しい高性能の磁場反転配位（ＦＲＣ）の形成および維持を促進するシステムおよび方法を対象とする。この新しい高性能のＦＲＣパラダイムによれば、本システムは、多くの新規の発想と、粒子、エネルギーおよび磁束のＦＲＣ閉じ込めを劇的に向上させ、かつ負の副作用のない安定制御を提供する手段を組み合わせる。

本明細書に提供されたＦＲＣシステムは、２つの直径方向に対向する磁場反転シータピンチ形成部分、およびその形成部分を超えた、中性密度および不純物汚染を制御するための２つのダイバータ・チャンバによって包囲された中央閉じ込め容器を含む。磁気システムは、ＦＲＣシステムの構成要素に沿って軸方向位置にある一連の疑似直流コイル、閉じ込めチャンバのいずれかの端部と隣接した形成部分との間の疑似直流ミラー、ならびに、各形成部分と、ダイバータに向かって磁束表面の焦点を合わせるために、追加のガイド磁場を生成するダイバータとの間に小型の疑似直流ミラーコイルを備えるミラープラグを含む。形成部分は、ＦＲＣをその場で形成し、次いで加速し入射する（静的形成）、または形成し同時に加速する（動的形成）ことが可能な、モジュラーパルス電力形成システムを含む。

ＦＲＣシステムは、中性原子ビーム照射装置およびペレット照射装置を含む。また、ゲッタリング・システムも、軸方向プラズマガンと同様に含まれる。また、バイアス電極は、開いた磁束表面の電気的バイアスに対して提供される。

本発明のシステム、方法、特徴および利点は、以下の図および詳述を検討すると、当業者には明らかであり、または明らかになろう。すべてのこのような追加の方法、特徴および利点は、本明細書に含まれ、本発明の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。また、本発明は、例示的実施形態の詳細を必要とするように限定されないことも意図される。

添付図面は本明細書の一部として含まれ、この好ましい実施形態を示し、上に提供された概要および以下に提供される好ましい実施形態の詳述と共に、本発明の原理を説明し教示する働きをする。

高性能のＦＲＣレジーム（ＨＰＦ）下と従来のＦＲＣレジーム（ＣＲ）下との関係、および他の従来のＦＲＣ実験との関係において、本ＦＲＣシステムにおける粒子閉じ込めを示す図である。 本ＦＲＣシステムの構成要素、および本ＦＲＣシステムにおけるＦＲＣを生産可能な磁気トポロジーを示す図である。 中性ビーム、電極、プラズマガン、ミラープラグ、およびペレット照射装置の好ましい配置を含む、頂部から見た本ＦＲＣシステムの基本的配置を示す図である。 形成部分に対するパルス電力システムの構成要素の概略を示す図である。 個々のパルス電力形成スキッドのアイソメ図である。 形成管アセンブリのアイソメ図である。 中性ビームシステムおよび主要構成要素の部分断面アイソメ図である。 閉じ込めチャンバ上の中性ビーム配置のアイソメ図である。 ＴｉおよびＬｉゲッタリング・システムの好ましい配置の部分断面アイソメ図である。 ダイバータ・チャンバに搭載されたプラズマガンの部分断面アイソメ図である。また、関連した磁気ミラープラグおよびダイバータ電極アセンブリも示す。 閉じ込めチャンバの軸方向端部における環状バイアス電極の好ましい配置を示す図である。 ２つの磁場反転シータピンチ形成部分における一連の外部反磁性ループおよび中央金属閉じ込めチャンバ内に組み込んだ磁界プローブから獲得した、ＦＲＣシステムにおける排除磁束半径の展開を示す図である。時間は、形成源内の同期された磁場反転の瞬間から測定され、距離ｚは、機械の軸方向の中央平面に対して与えられる。 図１３（ａ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面における排除磁束半径が、時間関数として示されている。図１３（ｂ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面ＣＯ２干渉計からの線集積密度の６つのコードが、時間関数として示されている。図１３（ｃ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、ＣＯ２干渉計データからのアーベル逆変換密度半径の外形が、時間関数として示されている。図１３（ｄ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、圧力平衡からの合計プラズマ温度が、時間関数として示されている。 図１３に示された本ＦＲＣシステムの同じ放出に対して、選択された時間における排除磁束の軸方向の外形を示す図である。 閉じ込めチャンバの外側に装着されたサドルコイルのアイソメ図である。 ＦＲＣの耐用期間および入射された中性ビームのパルス長の相互関係を示す図である。示されたように、ビームパルスが長いほど、より長く耐用するＦＲＣを生成する。 ＦＲＣ性能のＦＲＣシステムの異なる構成要素の個々の効果および組み合わせた効果、ならびにＨＰＦレジームの達成を示す図である。 図１８（ａ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面における排除磁束半径が、時間関数として示されている。図１８（ｂ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面ＣＯ２干渉計からの線集積密度の６つのコードが、時間関数として示されている。図１８（ｃ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、ＣＯ２干渉計データからのアーベル逆変換密度半径の外径が、時間関数として示されている。図１８（ｄ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、圧力平衡からの合計プラズマ温度が、時間関数として示されている。 電子温度（Ｔ_ｅ）の関数として、磁束閉じ込めを示す図である。これは、ＨＰＦ放出に対して新しく確立された優れたスケーリングレジームを表すグラフを示す。

図は必ずしも一定の縮尺で描かれてはおらず、同様の構造または機能の要素は、説明のために図を通して同じ参照番号で概ね表されていることに留意されたい。また図は、本明細書に記載された様々な実施形態の説明を容易にすることを意図するに過ぎないことにも留意されたい。図は、必ずしも本明細書に開示された教示のすべての態様を説明せず、特許請求の範囲を限定するものではない。

本明細書に提供されたこの実施形態は、優れた安定性ならびに従来のＦＲＣを超える優れた粒子、エネルギーおよび磁束閉じ込めをもつ、高性能の磁場反転配位（ＦＲＣ）の形成および維持を促進するシステムおよび方法を対象とする。様々な付随システムおよび作動モードが、ＦＲＣ内に優れた閉じ込めレジームが存在するかどうかを評価するために調査されてきた。これらの努力は、本明細書に説明された高性能のＦＲＣパラダイムの画期的な発見および発展をもたらした。この新しいパラダイムによれば、本システムおよび方法は、多くの新規の発想と、図１に示したように、ＦＲＣ閉じ込めを劇的に向上させ、かつ負の副作用のない安定制御を提供する手段を組み合わせる。以下により詳細に論じるように、図１は、以下に説明する（図２および３参照）ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込めを示し、ＦＲＣを形成し維持するために従来のレジームＣＲによる作動に対して、また他の実施形態で使用されるＦＲＣを形成し維持するために従来のレジームによる粒子閉じ込めに対して、ＦＲＣを形成し維持するための高性能のＦＲＣレジーム（ＨＰＦ）により作動する。本開示は、ＦＲＣシステム１０の革新的な個々の構成要素および方法、ならびにそれらの集合効果の概要を説明し詳述する。

（ＦＲＣシステムの説明）
真空システム
図２および３は、本ＦＲＣシステム１０の概略を示す。ＦＲＣシステム１０は、２つの直径方向に対向する磁場反転シータピンチ形成部分２００、およびその形成部分２００を超えた、中性密度および不純物汚染を制御するための２つのダイバータ・チャンバ３００によって包囲された中央閉じ込め容器１００を含む。本ＦＲＣシステム１０は、超高真空を収容するように構築されており、一般的な基準圧１０〜８トルで作動する。このような真空圧は、嵌合構成要素、金属Ｏリング、高純度の内壁の間のダブルポンプの嵌合フランジを使用し、ならびに物理的および化学的洗浄に続き、２４時間２５０℃での真空焼成および水素グロー放電洗浄などの、組立て前にすべての部分を最初に慎重に表面調整する必要がある。

磁場反転シータピンチ形成部分２００は、以下に詳しく論じる（図４〜６参照）進化したパルス電力形成システムを備えているが、標準磁場反転シータピンチ（ＦＲＴＰ）である。各形成部分２００は、超高純度石英の２ミリメートルの内壁を特色とする、標準純度工業グレードの石英管から作成される。閉じ込めチャンバ１００は、ステンレス鋼から作成されて、複数の径方向および接線方向のポートが可能になる。また閉じ込めチャンバ１００は、以下に説明される実験の時間スケール上で磁束保存器として働き、高速過渡磁場を制限する。真空は、ドライスクロール粗引きポンプ、ターボ分子ポンプおよびクライオポンプのセットを備える、ＦＲＣシステム１０内に生成され維持される。

磁気システム
磁気システム４００は、図２および３に示されている。図２は、他の特徴の中でとりわけ、ＦＲＣシステム１０によって生産可能なＦＲＣ４５０に関する、ＦＲＣ磁束および密度等高線（径方向および軸方向座標の関数として）を示す。これらの等高線は、ＦＲＣシステム１０に対応するシステムおよび方法をシミュレーションするために開発されたコードを使用して、二次元抵抗性Ｈａｌｌ−ＭＨＤ数値シミュレーションによって獲得されたものであり、測定された実験データとよく合致する。図２に見られるように、ＦＲＣ４５０は、セパラトリックス４５１の内側のＦＲＣ４５０の内部４５３で、閉じた磁力線のトーラス、およびセパラトリックス４５１のすぐ外側の開いた磁力線４５２上の環状縁層４５６からなる。縁層４５６は、ＦＲＣの長さを超えて集結してジェット４５４になり、自然ダイバータを提供する。

主磁気システム４１０は、構成要素に沿って、すなわち、ＦＲＣシステム１０の閉じ込めチャンバ１００、形成部分２００およびダイバータ３００に沿って、特に軸方向位置にある一連の疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６を含む。疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６は、疑似直流スイッチング電源によって供給され、閉じ込めチャンバ１００、形成部分２００およびダイバータ３００内に約０．１Ｔの基本磁気バイアス磁場を生成する。疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６に加えて、主磁気システム４１０は、閉じ込めチャンバ１００のいずれかの端部と隣接した形成部分２００との間に疑似直流ミラーコイル４２０（スイッチング電源によって供給される）を含む。疑似直流ミラーコイル４２０は、最高５までの磁気ミラー比を提供し、平衡形状制御のために単独で活性化されることが可能である。加えて、ミラープラグ４４０は、それぞれの形成部分２００とダイバータ３００との間に位置付けられる。ミラープラグ４４０は、小型の疑似直流ミラーコイル４３０およびミラープラグコイル４４４を備える。疑似直流ミラーコイル４３０は、ミラープラグコイル４４４を通過して短い直径の通路４４２に向かって磁束表面４５５の焦点を合わせるために、追加のガイド磁場を生成する３つのコイル４３２、４３４および４３６（スイッチング電源によって供給される）を含む。ミラープラグコイル４４４は、短い直径の通路４４２を中心に巻き付き、ＬＣパルス電力回路によって供給され、最高４Ｔまでの強いミラー磁場を生成する。このコイル配置全体の目的は、堅く束ね、磁束表面４５５および端部に流れるプラズマジェット４５４を、ダイバータ３００の遠隔チャンバ３１０に導くことである。最後に、サドルコイル「アンテナ」４６０のセット（図１５参照）は、中央平面の各側面上に２つずつ、閉じ込めチャンバ１００の外側に配置され、直流電源によって供給される。サドルコイル・アンテナ４６０を、回転不安定性の制御および／または電子電流制御のために、約０．０１Ｔの準静的磁気双極子または四重極磁場を提供するように構成することができる。サドルコイル・アンテナ４６０は、印加電流の方向に依存して、中央平面に対して対称または反対称のいずれかである、磁場を柔軟に提供できる。

パルス電力形成システム
パルス電力形成システム２１０は、修正シータピンチ原理に基づいて作動する。それぞれが形成部分２００の１つに電力を供給する、２つのシステムが存在する。図４〜６は、形成システム２１０の主な構築ブロックおよび配置を示す。形成システム２１０は、個々のユニット（＝スキッド）２２０からなるモジュラーパルス電力配置から構成され、スキッド２２０のそれぞれは、形成石英管２４０を中心に巻き付くストラップアセンブリ２３０（＝ストラップ）のコイル２３２のサブセットを活性化する。各スキッド２２０は、コンデンサ２２１、インダクタ２２３、高速大電流スイッチ２２５および関連トリガー２２２ならびにダンプ回路２２４から構成される。全体で、各形成システム２１０は、３５０〜４００ｋＪの容量エネルギーを保存し、この容量エネルギーは、最高３５ＧＷまでの電力を提供してＦＲＣを形成し加速する。これらの構成要素の協調された作動は、最先端のトリガーおよび制御システム２２２および２２４を介して達成され、それによって各形成部分２００上の形成システム２１０間のタイミングを同期することが可能になり、スイッチングジッタを数十ナノ秒に最小化する。このモジュラー設計の利点は、その柔軟な作動である。すなわち、ＦＲＣをその場で形成でき、次いで加速し照射する（＝静的形成）、または形成し同時に加速する（＝動的形成）ことができる。

中性ビーム照射装置
中性原子ビームは、ＦＲＣシステム１０上に配置されて、加熱および電流駆動を提供し、ならびに高速粒子圧力を増強させる。図３および８に示したように、中性原子ビーム照射システム６１０および６４０を備える個々のビーム線は、中央閉じ込めチャンバ１００を中心に配置され、衝突パラメータをもつＦＲＣプラズマに接線方向に（また閉じ込めチャンバ１００の軸に垂直に）高速粒子を照射し、その結果、目標トラッピング領域は、セパラトリックス４５１内に良好に存在する（図２参照）。照射システム６１０および６４０のそれぞれは、最高１ＭＷまでの中性ビーム出力を２０〜４０ｋｅＶの粒子エネルギーでＦＲＣプラズマに照射することができる。システム６１０および６４０は、陽イオンのマルチアパーチャ抽出源に基づき、幾何学的収束、イオン抽出グリッドの慣性冷却および差動排気を利用する。異なるプラズマ源の使用を別として、システム６１０および６４０は、それぞれの装着場所に嵌合するためにシステム６１０および６４０の物理的設計によって主に差別化され、側部および頂部の照射能力をもたらす。これらの中性ビーム照射装置の典型的な構成要素は、側部照射装置システム６１０に対して図７に具体的に示されている。図７に示したように、個々の中性ビームシステム６１０はそれぞれ、端部を被覆する磁気遮蔽６１４を備える入力端部にＲＦプラズマ源６１２を含む（これは、システム６４０ではアーク源に置き換えられる）。イオン光源および加速グリッド６１６は、プラズマ源６１２に連結され、仕切弁６２０は、イオン光源および加速グリッド６１６と中和装置６２２との間に位置付けられる。偏向磁気６２４およびイオンダンプ６２８は、中和装置６２２と出口端における照準装置６３０との間に配置される。冷却システムは、２つのクライオ冷凍機６３４、２つのクライオパネル６３６およびＬＮ２シュラウド６３８を備える。この柔軟な設計により、ＦＲＣパラメータの広範囲に亘る作動が可能になる。

ペレット照射装置
新しい粒子を照射し、ＦＲＣの粒子インベントリをより良好に制御する手段を提供するために、１２バレルペレット照射装置７００（例えば、Ｉ．Ｖｉｎｙａｒら、「Ｐｅｌｌｅｔ Ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｔ ＰＥＬＩＮ ｆｏｒ ＪＥＴ， ＴＡＥ， ａｎｄ ＨＬ−２Ａ（ＪＥＴ、ＴＡＥ、およびＨＬ−２Ａに対してＰＥＬＩＮで開発されたペレット照射装置）」第２６回Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（核融合科学技術シンポジウム）の報告書、９月２７日〜１０月１日（２０１０）参照）がＦＲＣシステム１０上に利用される。図３は、ＦＲＣシステム１０上のペレット照射装置７００の配置を示す。円筒形ペレット（Ｄは約１ｍｍ、Ｌは約１〜２ｍｍ）は、ＦＲＣに速度１５０〜２５０ｋｍ／ｓの範囲で照射される。個々のペレットはそれぞれ、約５×１０^１９の水素原子を含み、これはＦＲＣの粒子インベントリに匹敵する。

ゲッタリング・システム
中性ハロガスは、すべての閉じ込めシステムにおいて深刻な問題であることは周知である。電荷交換および再利用（壁からの低温の不純物材料の放出）プロセスは、エネルギーおよび粒子閉じ込めに壊滅的な影響を与える可能性がある。加えて、縁部におけるまたは縁部付近のいかなる高濃度の中性ガスも、照射された大きい軌道（高エネルギー）の粒子（大きい軌道は、ＦＲＣトポロジーの規模の軌道、または少なくとも特性磁界勾配長さスケールよりはるかに大きい軌道半径を有する粒子を指す）の耐用期間を即座に喪失させる、または少なくとも大幅に短くする、すなわち、これは、補助ビーム加熱を介する融合を含め、すべてのエネルギープラズマの適用に弊害をもたらす。

表面調整は、それによって中性ガスおよび不純物の悪影響を、閉じ込めシステムにおいて制御または低減できる手段である。この目的を達成するために、本明細書に提供されたＦＲＣシステム１０は、チタニウム（Ｔｉ）およびリチウム（Ｌｉ）成膜システム８１０および８２０を利用し、閉じ込めチャンバ（または容器）１００およびダイバータ３００のプラズマ対向面をＴｉおよび／またはＬｉの薄膜（厚さ数十マイクロメートル）で被覆する。被覆は蒸着技法により達成される。中実のＬｉおよび／またはＴｉは、被覆を形成するために近傍表面上に蒸着され、かつ／または昇華されまた噴霧される。源は、ガイドノズル（Ｌｉの場合）８２２を備える原子炉、またはガイドシュラウド（Ｔｉの場合）８１２を備える中実の加熱球である。Ｌｉ蒸着システムは、通常、連続モードで作動するが、Ｔｉ昇華装置は、普通はプラズマ作動の間に断続的に作動される。これらのシステムの作動温度は、速い蒸着速度を得るために６００℃を超える。良好な壁被覆を達成するために、複数の戦略的に配置された蒸着／昇華システムが必要とされる。図９は、ＦＲＣシステム１０におけるゲッタリング蒸着システム８１０および８２０の好ましい配置を詳しく示す。被覆は、ゲッタリング表面ならびに有効なポンプの原子および分子の水素種（ＨおよびＤ）として作用する。また被覆は、炭素および酸素などの他の通常の不純物をかなりの水準で低減する。

ミラープラグ
上述のように、ＦＲＣシステム１０は、図２および３に示したように、ミラーコイル４２０、４３０、および４４４のセットを利用する。ミラーコイル４２０の第１のセットは、閉じ込めチャンバ１００の２つの軸方向端部に配置され、主磁気システム４１０の閉じ込めコイル４１２、４１４および４１６から単独に活性化される。ミラーコイル４２０の第１のセットは、主に融合中にＦＲＣ４５０を進め軸方向に包含する助けとなり、持続している間に平衡成形制御を提供する。第１のミラーコイルセット４２０は、中央閉じ込めコイル４１２によって生成された中央閉じ込め磁場より名目上高い磁場（約０．４〜０．５Ｔ）を生成する。ミラーコイル４３０の第２のセットは、３つの小型の疑似直流ミラーコイル４３２、４３４および４３６を含み、形成部分２００とダイバータ３００との間に配置され、一般的なスイッチ電源によって駆動される。ミラーコイル４３２、４３４および４３６は、より小型のパルスミラープラグコイル４４４（容量電源によって供給される）および物理的収縮部４４２と一緒に、狭い低ガス伝導通路を非常に高い磁場（約１０〜２０ｍｓの立上り時間で２〜４Ｔ）で提供する、ミラープラグ４４０を形成する。最も小型のパルスミラーコイル４４４は、閉じ込めコイル４１２、４１４および４１６のメートルプラススケールの孔およびパンケーキ型設計に比べて、小型の径方向寸法、２０ｃｍの孔および同様の長さである。ミラープラグ４４０の目的は、以下のように多種多様である。（１）コイル４３２、４３４、４３６および４４４を堅く束ね、磁束表面４５２および端部に流れるプラズマジェット４５４を、遠隔ダイバータ・チャンバ３００に導く。これは、排出粒子がダイバータ３００に適切に到着し、中央ＦＲＣ４５０の開いた磁力線４５２領域からダイバータ３００までずっと追跡する、連続した磁束表面４５５が存在することを確実にする。（２）ＦＲＣシステム１０における物理的収縮部４４２は、それを通ってコイル４３２、４３４、４３６および４４４が磁束表面４５２およびプラズマジェット４５４を通過することができ、ダイバータ３００内に着座するプラズマガン３５０からの中性ガス流を妨げる。同じように、収縮部４４２は、形成部分２００からダイバータ３００へのガスの逆流を防止し、それによってＦＲＣの起動を開始するときに、ＦＲＣシステム１０全体に導入しなければならない中性粒子の数が低減する。（３）コイル４３２、４３４、４３６および４４４によって生成された強い軸方向のミラーは軸方向の粒子損失を低減し、それによって開いた磁力線上の平行な粒子拡散係数が低減する。

軸方向のプラズマガン
ダイバータ３００のダイバータ・チャンバ３１０内に装着されたガン３５０からのプラズマ流は、安定性および中性ビーム性能を向上させることを意図する。ガン３５０は、図３および１０に示したように、ダイバータ３００のチャンバ３１０の内側の軸上に装着され、プラズマ流をダイバータ３００内の開いた磁力線４５２に沿って、閉じ込めチャンバ１００の中心に向かって生成する。ガン３５０は、ワッシャー積層チャネル内に高濃度ガス放出で作動し、５〜１０ｍｓに完全にイオン化されたプラズマを数キロアンペア生成するように設計されている。ガン３５０は、出力プラズマ流を閉じ込めチャンバ１００内の所望のサイズのプラズマに一致させる、パルス磁気コイルを含む。ガン３５０の技術パラメータは、５〜１３ｃｍの外径、および最高１０ｃｍまでの内径を有するチャネルを特徴とし、ガンの内部磁場は０．５〜２．３Ｔで、４００〜６００Ｖで１０〜１５ｋＡの放電電流を提供する。

ガンプラズマ流は、ミラープラグ４４０の磁場を貫通し、形成部分２００および閉じ込めチャンバ１００に流入することができる。ミラープラグ４４０を通るプラズマ移動の効率は、ガン３５０とプラグ４４０との間の距離を低減し、プラグ４４０をより広く短くすることによって高まる。妥当な条件下で、ガン３５０はそれぞれ、約１５０〜３００ｅＶおよび約４０〜５０ｅＶの高いイオン温度および電子温度で、２〜４Ｔのミラープラグ４４０を通り約１０^２２プロトン／ｓを送達する。ガン３５０は、ＦＲＣの縁層４５６の著しい燃料補給および改良されたＦＲＣ全体の粒子閉じ込めを提供する。

プラズマ密度をさらに高めるために、ガスボックスを利用して、追加のガスをガン３５０からプラズマ流に吹き入れることが可能である。この技法により、照射されたプラズマ密度を数倍に高めることができる。ＦＲＣシステム１０では、ミラープラグ４４０の側部のダイバータ３００上に搭載されたガスボックスは、ＦＲＣの縁層４５６の燃料補給、ＦＲＣ４５０の形成、およびプラズマ磁力線短絡を向上させる。

上に論じたすべての調整パラメータを所与とし、また、一方のみまたは両方のガンを備えた作動が可能であることを考慮すると、広いスペクトルの作動モードが利用可能であることがすぐにわかる。

バイアス電極
開いた磁束表面の電気バイアスは、方位Ｅ×Ｂ運動を起こす径方向電位を提供することができ、方位Ｅ×Ｂ運動は、開いた磁力線プラズマの回転、ならびに速度シアを介して実際のＦＲＣコア４５０を制御するための、ノブを回すのに類似した制御機構を提供する。この制御を達成させるために、ＦＲＣシステム１０は、機械の様々な部分に配置された様々な電極を戦略的に利用する。図３は、ＦＲＣシステム１０内の好ましい場所に位置付けられたバイアス電極を示す。

原則として、以下の４つの分類の電極がある。（１）局所電荷を提供するために、ＦＲＣ４５０の縁部において特定の開いた磁力線４５２に接触させる、閉じ込めチャンバ１００内の点電極９０５、（２）方位が対称的な形で遠端磁束層４５６に帯電させるための、閉じ込めチャンバ１００と形成部分２００との間の環状電極９００、（３）複数の同心磁束層４５５（それによって層の選択は、ダイバータ磁場を調節するためにコイル４１６を調節することによって制御可能であり、その結果、適切な電極９１０上で所望の磁束層４５６を終了する）に帯電させるための、ダイバータ３００内の同心電極９１０の積層、および最後に（４）プラズマガン３５０自体（これは、ＦＲＣ４５０のセパラトリックス付近で内部の開いた磁束表面４５５を遮断する）の陽極９２０（図１０参照）。図１０および１１は、これらの一部に対するいくつかの典型的な設計を示す。

すべての場合において、これらの電極は、最高約８００Ｖまでの電圧でパルスまたは直流電源によって駆動される。電極のサイズおよびどの磁束表面が交差しているかに依存して、電流をキロアンペア範囲で引くことができる。

（ＦＲＣシステムの非持続作動−従来のレジーム）
良好に開発された磁場反転シータピンチ技法の後に、ＦＲＣシステム１０上の標準プラズマ形成が続く。ＦＲＣを開始するための通常のプロセスは、定常状態作動のために疑似直流コイル４１２、４１４、４１６、４２０、４３２、４３４および４３６を駆動することにより開始する。次いでパルス電力形成システム２１０のＲＦＴＰパルス電力回路は、パルス高速磁場反転コイル２３２を駆動して、形成部分２００内に約−０．０５Ｔの一時的な逆バイアスを生成する。この点で、９〜２０ｐｓｉの所定の量の中性ガスを、形成部分２００の外端上に配置されたフランジにおいて方位角に配向されたパフ弁のセットを介して、（北および南の）形成部分２００の石英管チャンバ２４０によって画定された２つの形成容積の中に照射する。次に、小さいＲＦ（約数百キロヘルツ）の磁場を、石英管２４０の表面上のアンテナのセットから生成して、中性ガス柱内に局所シードイオン化領域（ｌｏｃａｌ ｓｅｅｄ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）の形でプレプレイオン化（ｐｒｅ−ｐｒｅ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）を生成する。これに続いて、パルス高速磁場反転コイル２３２を駆動する電流上にシータリング変調を加え、これによりガス柱のより広範囲のプレイオン化がもたらされる。最後に、パルス電力形成システム２１０の主要パルスパワーバンクを燃やして、最高０．４Ｔまでの順方向バイアス磁場を生成するためにパルス高速磁場反転コイル２３２を駆動する。このステップは、順方向バイアス磁場が形成管２４０の全長に亘って均一に生成されるように（静的形成）、または連続蠕動磁場変調が、形成管２４０の軸に沿って達成されるように（動的形成）、時系列にすることができる。

この形成プロセス全体で、プラズマ内の実際の磁場反転が約５μｓ内で急速に起きる。形成プラズマに容易に送達されたマルチギガワットのパルス電力は、高温のＦＲＣを生成し、次いで高温のＦＲＣは形成部分２００から順方向磁場（磁場蠕動）の時系列の装着、または形成管２１０（閉じ込めチャンバ１００に向かって軸方向を指す、軸方向の磁場勾配を形成する）の軸方向の外端近傍のコイルセット２３２の最後のコイル内の一時的に増加した電流のいずれかの適用によって、形成部分２００から照射される。そのように形成され、加速された２つ（北および南）の形成ＦＲＣは、より大きい直径閉じ込めチャンバ１００に拡大し、この場合、疑似直流コイル４１２は、順方向バイアス磁場を生成して、径方向の拡大を制御し平衡外部磁束を提供する。

一旦北および南の形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００の中央平面近傍に到達すると、ＦＲＣは衝突する。衝突中、北および南の形成ＦＲＣの軸方向の運動エネルギーは、ＦＲＣが単一のＦＲＣ４５０に最終的に融合すると、大きく熱化される。プラズマ診断の大きいセットは、ＦＲＣ４５０の平衡を調査するために閉じ込めチャンバ１００の内で利用可能である。ＦＲＣシステム１０内の通常の作動条件は、セパラトリックスの半径が約０．４ｍおよび軸方向に約３ｍ延在する化合したＦＲＣを生成する。さらなる特性は、約０．１Ｔの外部磁場、約５×１０^１９ｍ^−３のプラズマ密度および最高１ｋｅＶまでの合計プラズマ温度である。いかなる持続もなしに、すなわち中性ビーム照射または他の補助手段によって加熱および／または電流駆動なしに、これらのＦＲＣの耐用期間は、本来の特性構成減衰時間の約１ｍｓに制限される。

（非持続作動の実験データ−従来のレジーム）
図１２は、ＦＲＣ４５０のシータピンチ融合プロセスの力学を示すために、セパラトリックスの半径ｒ_ｓに近づく、排除磁束半径ｒ_ΔФの通常の時間発展を示す。２つ（北および南）の個々のプラズモイドは、同時に生成され、次いでそれぞれの形成部分２００から出て超音速ｖ_ｚ約２５０ｋｍ／ｓで加速され、中央平面近傍でｚ＝０で衝突する。衝突中、プラズモイドは軸方向に圧迫し、続いて即座に径方向および軸方向に拡大し、最後に融合してＦＲＣ４５０を形成する。融合するＦＲＣ４５０の径方向および軸方向の力学の両方は、詳しく示した密度プロファイルの測定およびボロメータに基づいた断層撮影によって証明される。

ＦＲＣシステム１０の代表的な非持続放出からのデータは、図１３に時間関数として示されている。ＦＲＣは、ｔ＝０で開始される。機械の軸方向の中央平面における排除磁束半径は、図１３（ａ）に示されている。このデータは、磁気プローブのアレイから得られ、閉じ込めチャンバのステンレス鋼壁のすぐ内側に配置され、これは軸方向磁場を測定する。鋼壁は、この放出の時間スケール上の良好な磁束保存器である。

線集積密度は、ｚ＝０に配置された６つのコードのＣＯ_２／Ｈｅ−Ｎｅ干渉計から図１３（ｂ）に示されている。垂直（ｙ）ＦＲＣ変位を考慮すると、ボロメータの断層撮影によって測定されたように、アーベル逆変換は図１３（ｃ）の密度等高線をもたらす。初めの０．１ｍｓ間に一部の軸方向および径方向のスロッシング後、ＦＲＣは、中空密度プロファイルを有して定着する。このプロファイルは極めて平坦であり、必要に応じて通常の二次元ＦＲＣ平衡により実質的な密度を軸上にもつ。

圧力平衡から得られ、トムソン散乱分光測定と完全に一致する、合計プラズマ温度が、図１３（ｄ）に示されている。

排除磁束アレイ全体からの分析は、ＦＲＣのセパラトリックス（排除磁束軸方向プロファイルによって見積もられる）の形状が、レーストラック型から楕円形に次第に進化することを示す。図１４に示されたこの進化は、２つのＦＲＣから単一のＦＲＣへの段階的な磁気再結合に一致する。実際に、概算は、この特定の場合では、最初の２つのＦＲＣ磁束の約１０％が、衝突中に再結合すると示唆している。

ＦＲＣの長さは、ＦＲＣの耐用期間中に３ｍ〜約１ｍに確実に収縮する。この収縮は図１４に見られ、ほとんどの対流エネルギー損失は、ＦＲＣ閉じ込めより優先されることを示唆する。セパラトリックスの内側のプラズマ圧力は、外部磁気圧力より急速に低減するので、端部領域における磁力線張力は、ＦＲＣを軸方向に圧迫し、軸方向および径方向の平衡を回復する。図１３および１４に論じた放出に対して、ＦＲＣの磁束、粒子インベントリ、および熱エネルギー（それぞれ、約１０ｍＷｂ、７×１０^１９粒子、および７ｋＪ）は、ＦＲＣ平衡が低下するように見えたとき、最初のミリ秒後におよそ１桁低減する。

（持続作動−ＨＰＦレジーム）
図１２〜１４における例は、いかなる持続もなしにＦＲＣを減衰する特性である。しかし、いくつかの技法は、ＦＲＣシステム１０に展開されて、さらにＦＲＣ閉じ込め（内部コアおよび縁層）をＨＰＦレジームに向上させ、閉じ込めを持続させる。

中性ビーム
まず、高速（Ｈ）中性を８個の中性ビーム照射装置６００からビーム内のＢ_ｚに垂直に照射する。高速中性のビームは、北および南の形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００内で融合した瞬間から１つのＦＲＣ４５０の中に照射される。高速イオンは電荷交換によって主に生成され、ＦＲＣ４５０の方位電流に加えるベータトロン軌道（ＦＲＣトポロジーのスケール上または特性磁場勾配長さスケールよりはるかに長い主要半径を有する）を有する。放出のわずか後（照射の０．５〜０．８ｍｓ後）、充分に大きい高速イオン集団は、内部ＦＲＣの安定性および閉じ込め特性を著しく向上させる（例えば、Ｍ．Ｗ．ＢｉｎｄｅｒｂａｕｅｒおよびＮ．Ｒｏｓｔｏｋｅｒ、Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓ．５６、ｐａｒｔ ３、４５１（１９９６）参照）。さらに、持続の観点から、中性ビーム照射装置６００からのビームも、電流を駆動しＦＲＣプラズマを加熱する主な手段である。

ＦＲＣシステム１０のプラズマレジームでは、高速イオンはプラズマ電子上で主に減速する。放出の初期の間、高速イオンの通常の軌道の平均減速時間は０．３〜０．５ｍｓであり、これは著しいＦＲＣの主に電子の加熱をもたらす。高速イオンは、内部ＦＲＣ磁場が本質的に低いので（０．１Ｔの外部軸方向磁場に対して平均約０．０３Ｔ）、セパラトリックスの外側の径方向の偏位を大きくする。高速イオンは、中性ガス濃度がセパラトリックスの外側で高過ぎた場合、電荷交換損失に対して弱いはずである。したがって、ＦＲＣシステム１０上に展開した壁ゲッタリングおよび他の技法（とりわけガス制御に寄与するプラズマガン３５０およびミラープラグ４４０など）は、端中性を最小にし、高速イオン電流の必要な構築を可能にする。

ペレット照射
電子がより高温でＦＲＣの耐用期間がより長い、超高速イオン集団がＦＲＣ４５０内に構築される際、冷凍のＨまたはＤペレットは、ペレット照射装置７００からＦＲＣ４５０の中に照射されて、ＦＲＣ４５０のＦＲＣ粒子インベントリを持続させる。予想されるアブレーション時間スケールは充分に短いので、かなりのＦＲＣ粒子源を提供する。またこの速度は、個々のペレットをより小さい片に砕くことにより、照射された片の表面積を拡大することによって増大させることができるが、ペレット照射装置７００のバレルまたは照射管内で、また閉じ込めチャンバ１００に入る前に、閉じ込めチャンバ１００の中に入る直前に照射管の最後の部分の曲げ半径を締め付けることにより、ペレットと照射管の壁との間の片を増加させることによってステップを達成できる。１２バレル（照射管）の燃焼順序および速度、ならびに粉砕を変化させる恩恵により、ペレット照射システム７００を調整して、まさに所望のレベルの粒子インベントリの持続を提供することができる。その結果、これはＦＲＣ４５０内の内部動圧ならびにＦＲＣ４５０の持続作動および耐用期間を維持する役に立つ。

一旦、除去された原子がＦＲＣ４５０内で著しいプラズマに衝突すると、除去された原子は完全にイオン化される。次いで得られた低温のプラズマ構成要素は、本来のＦＲＣプラズマにより衝突して加熱される。所望のＦＲＣ温度を維持するために必要なエネルギーは、ビーム照射装置６００により最終的に供給される。この意味で、ペレット照射装置７００は中性ビーム照射装置６００と一緒に、定常状態を維持しＦＲＣ４５０を持続するシステムを形成する。

サドルコイル
定常状態の電流駆動を達成し、必要なイオン電流を維持するために、電子イオン摩擦力（衝突イオン電子運動量移動からもたらされる）に起因する電子スピンを防止するまたは著しく低減することが望ましい。ＦＲＣシステム１０は、外部印加された静磁場双極子または四重極磁場を介して、電子遮断を提供する革新的な技法を利用する。これは、図１５に示した外部サドルコイル４６０を介して実現される。サドルコイル４６０から横方向に印加された径方向の磁場は、回転するＦＲＣプラズマ内の軸方向の電界を誘導する。得られる軸方向の電子電流は、径方向の磁場と相互作用して、電子上に方位遮断力Ｆ_θ＝−σＶ_ｅθ＜｜Ｂ_ｒ｜^２＞を生成する。ＦＲＣシステム１０における典型的な条件に対して、プラズマ内部に必要な印加された磁場双極子（または四重極磁場）は、適切な電子遮断を提供するために約０．００１Ｔのみであることが必要である。約０．０１５Ｔの対応する外部磁場は充分に小さいので、多くの高速粒子損失あるいは閉じ込めに悪影響をもたらすことはない。事実、印加された磁場双極子（または四重極磁場）は、不安定性の抑制に寄与する。接線中性ビーム照射と軸方向プラズマ照射を組み合わせて、サドルコイル４６０は、電流の維持および安定性に関して追加レベルの制御を提供する。

ミラープラグ
ミラープラグ４４０内のパルスコイル４４４の設計により、適度（約１００ｋＪ）の容量エネルギーで高磁場（２〜４Ｔ）の局所発生が可能になる。ＦＲＣシステム１０のこの作動の通常の磁場形成に対して、形成容積内のすべての磁力線は、図２における磁力線によって示唆されたように、ミラープラグ４４０で収縮部４４２を通過し、プラズマ壁の接触は起きない。さらに、疑似直流ダイバータ磁気４１６と連動してミラープラグ４４０を、磁力線をダイバータ電極９１０の上に導く、または磁力線を端部カスプ配位（図示せず）内で燃焼させるように、調節することができる。後者は安定性を向上させ、平行な電子熱伝導を抑圧する。

またミラープラグ４４０自体も、中性ガス制御に寄与する。ミラープラグ４４０は、ダイバータ３００の中へのガス逆流が、プラグの少量のガスコンダクタンス（わずか５００Ｌ／ｓ）によって著しく低減するので、ＦＲＣ形成中に石英管に吹き入れられる重水素ガスのより良好な利用が可能になる。形成管２１０内部の残りの吹き入れられたガスのほとんどは、急速にイオン化される。加えて、ミラープラグ４４０を通って流れる高密度プラズマは、有効な中性イオン化、ひいては有効なガス障壁を提供する。結果として、ＦＲＣ縁層４５６からダイバータ３００内に再利用されたほとんどの中性は、閉じ込めチャンバ１００に戻らない。加えて、プラズマガン３５０の作動に関連した中性は（以下に論じるように）、ダイバータ３００に大部分が閉じ込められることになる。

最後に、ミラープラグ４４０は、ＦＲＣ縁層閉じ込めを向上する傾向がある。ミラー比（プラグ／閉じ込め磁場）が２０〜４０の範囲で、北と南のミラープラグ４４０の間の長さが１５ｍで、縁層粒子閉じ込め時間

は、最高１０倍まで増加する。向上する

は、ＦＲＣ粒子閉じ込めを容易に増加させる。

セパラトリックス容積４５３からの径方向の拡散（Ｄ）粒子損失が、縁層４５６からの軸方向損失

によって均衡がとられたと仮定すると、

が得られ、そこからセパラトリックス密度勾配長さを

と書き換えることができる。式中、ｒ_ｓ、Ｌ_ｓおよびｎ_ｓはそれぞれ、セパラトリックス半径、セパラトリックス長さおよびセパラトリックス密度である。ＦＲＣ粒子閉じ込め時間は、

であり、式中、τ_┴＝ａ^２／Ｄであり、ａ＝ｒ_ｓ／４である。物理的に、

が向上すると、δが増加し（セパラトリックス密度勾配およびドリフトパラメータが低減し）、したがってＦＲＣ粒子損失が低減する。ＦＲＣ粒子閉じ込めにおける全体の向上は、ｎ_ｓが

と共に増加するので、概ね二次方程式より若干少ない。

における著しい向上はまた、縁層４５６が大幅な安定（すなわち、ｎ＝１のフルート、ファイアホース、または開放システムに特有の他のＭＨＤの不安定性がない）を維持することも必要とする。プラズマガン３５０の使用は、この好ましい縁部の安定性を提供する。この意味では、ミラープラグ４４０およびプラズマガン３５０は、有効な縁部制御システムを形成する。

プラズマガン
プラズマガン３５０は、磁力線短絡によりＦＲＣ排除ジェット４５４の安定性を向上させる。プラズマガン３５０からのガンプラズマは、方位角運動量なしに生成され、これはＦＲＣ回転不安定性の制御に有用であることがわかる。したがって、ガン３５０は、より古い四重極の安定化技術を必要としない、ＦＲＣの安定性を制御する有効な手段である。結果として、プラズマガン３５０は、高速粒子の有益な効果を利用する、または本開示に概要を述べたように、進化したハイブリッド運動ＦＲＣレジームに近づくことを可能にする。したがって、プラズマガン３５０により、ＦＲＣシステム１０がまさに電子遮断に適切だが、ＦＲＣの不安定性を引き起こす、かつ／または劇的な高速粒子拡散をもたらすはずである閾値より低い、サドルコイル電流で作動されることが可能になる。

上に論じたミラープラグで述べたように、

を著しく向上できる場合、供給されたガンプラズマは、縁層粒子損失速度（約１０^２２／ｓ）に匹敵するはずである。ＦＲＣシステム１０内のガンを生成したプラズマの耐用期間は、ミリ秒の範囲である。実際には、密度ｎ_ｅ約１０^１３ｃｍ^−３およびイオン温度約２００ｅＶのガンプラズマが、端部ミラープラグ４４０の間に閉じ込められるとみなしていただきたい。トラップ長さＬおよびミラー率Ｒは、それぞれ約１５ｍおよび２０である。クーロン衝突によるイオン平均自由行程は、λ_ｉｉ約６×１０^３ｃｍであり、λ_ｉｉＩｎＲ／Ｒ＜Ｌであるので、イオンはガス動的レジーム内に閉じ込められる。このレジームにおけるプラズマ閉じ込め時間は、τ_ｇｄ約ＲＬ／２Ｖ_ｓ約２ｍｓであり、式中、Ｖ_ｓはイオン音速である。比較のために、これらのプラズマパラメータに対する古典的イオン閉じ込め時間は、τ_ｃ約０．５τ_ｉｉ（ｌｎＲ＋（ｌｎＲ）^０．５）約０．７ｍｓであるはずである。異常横拡散は、原則としてプラズマ閉じ込め時間を短縮してもよい。しかし、ＦＲＣシステム１０では、ボーム拡散速度を前提とする場合、ガンプラズマに対する見積もられた横閉じ込め時間は、τ_⊥＞τ_ｇｄ約２ｍｓである。それ故、ガンは、ＦＲＣ縁層４５６の著しい燃料補給、および全体が改良されたＦＲＣ粒子閉じ込めを提供するはずである。

さらに、ガンプラズマ流を、約１５０〜２００マイクロ秒後にオンすることができ、それによってＦＲＣの起動、移動および閉じ込めチャンバ１００への融合に使用可能になる。ｔが約０でオンする場合（ＦＲＣ主要バンク開始）、ガンプラズマは、この動的に形成され融合されたＦＲＣ４５０を持続する役に立つ。形成ＦＲＣから、およびガンから組み合わせた粒子インベントリは、中性ビームの捕捉、プラズマの加熱、および長い持続に充分である。ｔが−１〜０ｍｓの範囲でオンする場合、ガンプラズマは、プラズマで石英管２１０を充填できる、または石英管の中に吹き入れたガスをイオン化でき、したがって、吹き入れたガスを低減する、または恐らく０でさえあるＦＲＣ形成が可能になる。後者は、逆バイアス磁場の高速拡散が可能になるために、充分に低温の形成プラズマが必要な場合がある。ｔが＜−２ｍｓでオンする場合、プラズマ流は、形成の約１〜３ｍ^３の磁力線容積ならびに形成部分２００の閉じ込め領域および目標プラズマ密度がわずか１０^１３ｃｍ^−３である閉じ込めチャンバ１００を充填することができ、ＦＲＣの到達前に中性ビームの構築が充分に可能である。次いで形成ＦＲＣを形成し、得られる閉じ込め容器プラズマの中に移動できる。このような方法で、プラズマガン３５０は、広範囲の作動条件およびパラメータレジームが可能である。

電気的バイアス
縁層４５６内の径方向電界の制御は、ＦＲＣの安定性および閉じ込めに様々な方法で有利である。ＦＲＣシステム１０に展開した革新的なバイアス構成要素の恩恵により、電位の様々な意図的な分散を閉じ込めチャンバ１００内の中央閉じ込め領域の充分に外側の領域から機械全体に亘って開いた磁束表面の群に印加することができる。このような方法で、径方向磁場を、ＦＲＣ４５０のすぐ外側の縁層４５６を横切って生成することができる。次いでこれらの径方向電界は、縁層４５６の方位回転を修正し、Ｅ×Ｂ速度シアによってその閉じ込めをもたらす。次いで縁層４５６とＦＲＣコア４５３との間のあらゆる差動回転を、シアによりＦＲＣプラズマの内側に移動できる。結果として、縁層４５６を制御することは、ＦＲＣコア４５３に直接影響を与える。さらに、プラズマ回転における自由エネルギーも不安定性に関与できるので、この技法は、不安定性の開始および成長を制御する直接手段を提供する。ＦＲＣシステム１０では、適切な縁バイアスは、開いた磁力線の移動および回転、ならびにＦＲＣコア回転の有効な制御を提供する。様々な提供された電極９００、９０５、９１０および９２０の場所および形状により、磁束表面４５５の異なる群の制御が異なる独立した電位で可能になる。このような方法で、多様な異なる電界構成および強度を認識でき、それぞれはプラズマ性能に対する異なる性質の影響をもつ。

すべてのこれらの革新的バイアス技法の主要な利点は、コアおよび縁部のプラズマ挙動が、ＦＲＣプラズマの充分に外側から影響を与えることができる、すなわち、いかなる物理的な構成要素も中央高温プラズマ（中央高温プラズマは、エネルギー、磁束および粒子の損失に深刻な影響をもつはずである）に接触させる必要がないという事実である。これは、ＨＰＦの概念の性能およびすべての潜在用途に対して主要な有利な影響を有する。

（実験データ−ＨＰＦ作動）
中性ビームガン６００からのビームによる高速粒子の照射は、ＨＰＦレジームを可能にする重要な役割を果たす。図１６はこの事実を示す。示されているのは、ＦＲＣの耐用期間がビームパルスの長さにどのように関連するかを示す曲線のセットである。すべての他の作動条件は、この研究を含むすべての放出に対して一定に保たれる。データは、多くの照射に亘って平均し、したがって、通常の挙動を表す。ビーム期間が長いほど、より長く存続するＦＲＣを生成させることが極めて明白である。この証拠ならびにこの研究中の他の診断を見ると、ビームは安定性を高め、損失を低減することを実証している。ビームパルス長さとＦＲＣの耐用期間との間の相互関係は、ビームトラッピングがある種のプラズマサイズ未満で効力がないので、すなわち、照射されたビームのすべての物理的サイズにおけるＦＲＣ４５０の収縮が、捕捉されるまたはトラッピングされるわけではないので、完全ではない。ＦＲＣの収縮は、放出中のＦＲＣプラズマからの総エネルギー損失（約４ＭＷ）は、特定の実験設定に対して、中性ビーム（約２．５ＭＷ）を介してＦＲＣに供給された全電力より若干大きいという事実に主に起因する。容器１００の中央平面に近接した場所にビームを配置することは、これらの損失を低減し、ＦＲＣの耐用期間を延ばす傾向があるはずである。

図１７は、ＨＰＦレジームを達成するための異なる構成要素の効果を示す。図１７は、時間関数としてＦＲＣ４５０の耐用期間を示す典型的な曲線族を示す。すべての場合において、ビーム電力の一定の適度の量（約２．５ＭＷ）が、各放出の全期間照射される。各曲線は、構成要素の異なる組合せを表す。例えば、ミラープラグ４４０、プラズマガン３５０またはゲッタリング・システム８００からのゲッタリングのいずれもなしにＦＲＣシステム１０を作動させると、回転の不安定性の急激な発生およびＦＲＣトポロジーの損失をもたらす。ミラープラグ４４０のみを加えると、不安定性の発生を遅らせ、閉じ込めを増加させる。ミラープラグ４４０とプラズマガン３５０の組合せを利用すると、さらに不安定性を低減し、ＦＲＣの耐用期間を増加させる。最後にガン３５０およびプラグ４４０の上にゲッタリング（この場合Ｔｉ）を加えると、最良の結果を得る、すなわち、得られるＦＲＣは、不安定性がなく、最長の耐用期間を示す。構成要素の完全な組合せが最良の効果を生み出し、最良の目標条件をもつビームを提供することが、この実験証明から明らかである。

図１に示したように、最近発見されたＨＰＦレジームは、劇的に改良された移動挙動を示す。図１は、従来のレジームとＨＰＦレジームとの間のＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間の変化を示す。見てわかるように、これは、ＨＰＦレジームにおいて５倍をはるかに超えて改良されている。加えて、図１は、従来のＦＲＣ実験前の粒子閉じ込め時間に対して、ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間を詳しく示す。これらの他の機械に関して、ＦＲＣシステム１０のＨＰＦレジームは、５倍〜ほぼ２０倍に閉じ込めを改良してきた。最後に最も重要なことだが、ＨＰＦレジームにおけるＦＲＣシステム１０の閉じ込めスケーリングの本質は、すべての以前の測定とは劇的に異なる。ＦＲＣシステム１０におけるＨＰＦレジームの確立前に、様々な実証的スケーリング則が、以前のＦＲＣ実験における閉じ込め時間を予測するためにデータから導き出された。これらのすべてのスケーリング則は、割合Ｒ^２／ρ_ｉに主に依存する。式中、Ｒは磁場のない半径（機械の物理的スケールの粗測）であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径（印加磁場の粗測）である。従来のＦＲＣにおける長い閉じ込めは、大型機械のサイズおよび／または高磁場のみで可能であることが図１から明らかである。従来のＦＲＣレジームＣＲにおいてＦＲＣシステム１０を作動することは、図１に示したように、これらのスケーリング則に従う傾向がある。しかし、ＨＰＦレジームは非常に優れており、はるかに良好な閉じ込めが、大型機械のサイズまたは高磁場なしに達成可能である。より重要なことには、ＨＰＦレジームは、ＣＲレジームに比べて低減したプラズマサイズをもつ、改良された閉じ込め時間をもたらすことも図１から明らかである。また、同様の傾向は、以下に説明するように磁束およびエネルギー閉じ込め時間にも見られ、その上、磁束およびエネルギー閉じ込め時間は、ＦＲＣシステム１０において３〜８倍を超えて増加した。したがって、ＨＰＦレジームの進歩は、ＦＲＣシステム１０におけるＦＲＣ平衡を持続し維持するために、わずかなビーム電力、より低い磁場およびより小さいサイズの使用、ならびに未来のより高エネルギーの機械の使用が可能になる。これらの改良に関連して、作動および構築費用を下げ、ならびに工学の複雑さを減らす。

さらなる比較のために、図１８は、ＦＲＣシステム１０における代表的なＨＰＦレジーム放出からのデータを時間関数として示す。図１８（ａ）は、中央平面での排除磁束半径を示す。これらのより長い時間スケールに対して、誘導鋼鉄壁は、もはや磁束保存器のように良好ではなく、壁の内部にある磁気プローブは、鋼鉄を通る磁束拡散を適切に構成する壁の外側のプローブで増大される。図１３に示したように、従来のレジームＣＲにおける通常の性能と比較して、ＨＰＦレジームの作動モードは、４００％を超える長い耐用期間を示す。

線集積密度追跡の代表的コードは、図１８（ｃ）におけるそのアーベル逆変換相補、密度等高線と共に、図１８（ｂ）に示されている。従来のＦＲＣレジームＣＲと比較して、図１３に示したように、プラズマは、非常に安定した作動を示し、パルス全体を通してより不活発である。またピーク濃度は、ＨＰＦ照射においてわずかに低く、これは、図１８（ｄ）に示したように、より高い合計プラズマ温度（最高２倍まで）の結果である。

図１８に示されたそれぞれの放出に対して、エネルギー、粒子および磁束閉じ込め時間はそれぞれ、０．５ｍｓ、１ｍｓおよび１ｍｓである。放出への基準時間１ｍｓで、保存されたプラズマエネルギーは２ｋＪであるが、損失は約４ＭＷであり、この目標を中性ビーム持続に非常に適合させる。

図１９は、ＨＰＦレジームのすべての利点を最近確立された実験的ＨＰＦの磁束閉じ込めスケーリングの形で要約する。図１９からわかるように、ｔ＝０．５ｍｓの前後、すなわち、ｔ≦０．５ｍｓおよびｔ＞０．５ｍｓで取った測定値に基づいて、閉じ込めスケールは電子温度のほぼ二乗に匹敵する。正電力Ｔ_ｅ（および負電力ではない）をもつこの強いスケーリングは、従来のトカマクによって示されたスケーリングと正反対であり、この場合、閉じ込めは、通常、電子温度の一部の電力に反比例する。このスケーリングの発現は、ＨＰＦの状態および大軌道（すなわち、ＦＲＣトポロジーのスケール上の軌道および／または少なくとも特性磁場勾配長さスケール）イオン集団の直接的な結果である。基本的に、この新しいスケーリングは、実質的に高い作動温度を好み、比較的わずかなサイズのリアクターを可能にする。

本発明は様々な修正形態および代替形態の影響を受けやすいが、その具体例が図面に示され、本明細書に詳述された。しかし、本発明は開示された特定の形または方法に限定されないが、逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に収まる、すべての修正形態、均等物および代替形態を網羅するものであることを理解されたい。

上述では、説明目的に過ぎず、具体的な用語は、本開示の完全な理解を提供するために説明されている。しかし、これらの具体的な詳述は、本開示の教示を実施するために必要とはされないことが、当業者には明らかになろう。

代表的な例および従属請求項の様々な特徴は、本教示の追加の有益な実施形態を提供するために、具体的にかつ明確に列挙されていないようなやり方で組み合わされていることがある。エンティティの群のすべての階級区分または表示は、本来の開示目的のため、ならびに特許請求の範囲の主題を限定する目的のために、あらゆる可能な中間値または中間エンティティを開示することも明白に留意されたい。

ＨＰＦレジームＦＲＣを生成し維持するシステムおよび方法が開示されてきた。本明細書に記載された実施形態は、解明のためであり、本開示の主題を限定するとみなされるべきではないことを理解されたい。様々な修正形態、使用、置換、組合せ、改良、生産方法が、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、当業者に明らかであるはずである。例えば、本明細書に記載されたプロセス行為の具体的な順序および組合せは、特定の指定がない限り例示に過ぎず、本発明を、異なるもしくは追加のプロセス行為、またはプロセス行為の異なる組合せもしくは順序を使用して実施することができることを、読者は理解するべきである。別の例として、一実施形態のそれぞれの特徴を、他の実施形態に示された他の特徴と混合または整合することができる。当業者に公知の特徴およびプロセスを、要望通りに同様に組み合わせてもよい。加えてまた明らかに、特徴を要望通りに加えてもよく、または差し引いてもよい。したがって、本発明は、添付された特許請求の範囲およびそれらの均等物を考慮する以外に限定されない。

Claims (99)

1. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
   閉じ込めチャンバと、
   前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
   前記閉じ込めチャンバに連結された複数の中性原子ビーム照射装置であって、前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成される、複数の中性原子ビーム照射装置と
   を備える、システム。
2. 前記第１および第２の形成部分に連結された、第１および第２のダイバータをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１および第２のダイバータは、軸方向に向いたプラズマガンを含む、請求項２に記載のシステム。
4. ミラープラグをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
5. 表面ゲッタリング・システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記閉じ込めチャンバに連結された複数のサドルコイルをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
7. ペレット照射装置をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
8. 開いた磁束表面の電気的バイアスに対してバイアス電極をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
9. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
   閉じ込めチャンバと、
   前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分であって、前記形成部分は、ＦＲＣを生成するためのモジュール化された形成システムを備え、前記ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって移動させる、第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
   前記第１および第２の形成部分に連結された第１および第２のダイバータと、
   前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンと、
   前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置と、
   前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに連結された磁気システムであって、前記磁気システムは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとの間の位置に第１および第２のミラープラグを含む、磁気システムと、
   前記閉じ込めチャンバおよび前記第１および第２のダイバータに連結されたゲッタリング・システムと、
   生成されたＦＲＣの電気的バイアスの開いた磁束表面に対する１つまたは複数のバイアス電極であって、前記１つまたは複数のバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータの１つまたは複数の内部に位置付けられる、１つまたは複数のバイアス電極と、
   前記閉じ込めチャンバに連結された２つ以上のサドルコイルと、
   前記閉じ込めチャンバに連結されたイオンペレット照射装置と
   を備える、システム。
10. 前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成され、但し、Ｒは前記ＦＲＣの磁場のない半径であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径である、請求項９に記載のシステム。
11. 前記システムは、約１０^−８トル以下の基準圧を有する真空を収容するように構築される、請求項９に記載のシステム。
12. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに沿った位置に軸方向に離間された、複数の疑似直流コイルを含む、請求項９に記載のシステム。
13. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバの端部と前記第１および第２の形成部分との間に位置付けられた、ミラーコイルの第１のセットをさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ミラープラグは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間にミラーコイルの第２のセットを備える、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ミラープラグは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間の通路内の収縮部を中心に巻き付けられた、ミラープラグのセットをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ミラープラグコイルは、小型パルスミラーコイルである、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記第１および第２の形成部分は、細長い管を備える、請求項９に記載のシステム。
18. 前記細長い管は、ライナーを有する石英管である、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記ライナーは、超高純度石英で形成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記形成システムは、パルス電力形成システムである、請求項１７に記載のシステム。
21. 前記形成システムは、前記第１および第２の形成部分の前記細長い管を中心に巻き付けられた、前記ストラップアセンブリの個々のコイルのセットを活性化するために、複数のストラップアセンブリの個々に連結された、複数の電力および制御ユニットを備える、請求項１７に記載のシステム。
22. 前記複数の電力および制御ユニットのそれぞれは、トリガーおよび制御システムを備える、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記複数の電力および制御ユニットの前記それぞれの前記トリガーおよび制御システムは、前記ＦＲＣが形成され次いで照射される、静的ＦＲＣ形成、または前記ＦＲＣが形成され同時に移動される、動的ＦＲＣ形成を可能にするために同期可能である、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記複数の中性原子ビーム照射装置は、１つまたは複数のＲＦプラズマ源中性原子ビーム照射装置、および１つまたは複数のアーク源中性原子ビーム照射装置を備える、請求項９に記載のシステム。
25. 前記複数の中性原子ビーム照射装置は、前記ＦＲＣのセパラトリックス内の目標トラッピング領域を備える前記ＦＲＣに接する照射通路で配向される、請求項９に記載のシステム。
26. 前記ペレット照射装置は、前記閉じ込めチャンバに連結され、イオンペレットを前記ＦＲＣに直接配向する、１２バレルペレット照射装置である、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記ゲッタリング・システムは、前記閉じ込めチャンバおよび前記第１および第２のダイバータのプラズマ対向面を被覆する、チタニウム成膜システムおよびリチウム成膜システムの１つまたは複数を備える、請求項９に記載のシステム。
28. 前記成膜システムは、蒸着技法を利用する、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記リチウム成膜システムは、ガイドノズルを備える複数の原子炉を備える、請求項２７に記載のシステム。
30. 前記チタニウム成膜システムは、ガイドシュラウドを備える複数の中実の加熱球を備える、請求項２７に記載のシステム。
31. バイアス電極は、開いた磁力線に接触するために、前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられた１つまたは複数の点電極、方位的に対称の形で遠端磁束層に帯電させるための、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成部分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層に帯電させるための、前記第１および第２のダイバータ内に位置付けられた複数の同心積層電極、ならびに開いた磁束を遮断するための前記プラズマガンの陽極の１つまたは複数を含む、請求項９に記載のシステム。
32. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
    閉じ込めチャンバと、
    前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
    前記第１および第２の形成部分に連結された第１および第２のダイバータと、
    前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンと、
    前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置と、
    前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに連結された磁気システムであって、前記磁気システムは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとの間の位置に第１および第２のミラープラグを含む、磁気システムと
    を備える、システム。
33. 前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成され、但し、Ｒは前記ＦＲＣの磁場のない半径であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径である、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに沿った位置に軸方向に離間された、複数の疑似直流コイルを含む、請求項３２に記載のシステム。
35. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバの端部と前記第１および第２の形成部分との間に位置付けられた、ミラーコイルの第１のセットをさらに備える、請求項３４に記載のシステム。
36. 前記ミラープラグは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間にミラーコイルの第２のセットを備える、請求項３５に記載のシステム。
37. 前記ミラープラグは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間の通路内の収縮部を中心に巻き付けられた、ミラープラグのセットをさらに備える、請求項３６に記載のシステム。
38. 前記ミラープラグコイルは、小型パルスミラーコイルである、請求項３７に記載のシステム。
39. 前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置をさらに備える、請求項３２に記載のシステム。
40. 前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンをさらに備える、請求項３９に記載のシステム。
41. 前記閉じ込めチャンバおよび前記第１および第２のダイバータに連結されたゲッタリング・システムをさらに備える、請求項３９に記載のシステム。
42. 生成されたＦＲＣの電気的バイアスの開いた磁束表面に対する１つまたは複数のバイアス電極であって、前記１つまたは複数のバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータの１つまたは複数の内部に位置付けられる、１つまたは複数のバイアス電極をさらに備える、請求項３９に記載のシステム。
43. 前記閉じ込めチャンバに連結された２つ以上のサドルコイルをさらに備える、請求項３９に記載のシステム。
44. 前記閉じ込めチャンバに連結されたイオンペレット照射装置をさらに備える、請求項３９に記載のシステム。
45. 前記形成部分は、ＦＲＣを生成するためのモジュール化された形成システムを備え、前記ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって移動させる、請求項３９に記載のシステム。
46. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
    閉じ込めチャンバと、
    前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
    前記第１および第２の形成部分に連結された第１および第２のダイバータと、
    前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置と、
    前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに連結された磁気システムと、
    生成されたＦＲＣの電気的バイアスの開いた磁束表面に対する１つまたは複数のバイアス電極であって、前記１つまたは複数のバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータの１つまたは複数の内部に位置付けられる、１つまたは複数のバイアス電極と
    を備える、システム。
47. 前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成され、但し、Ｒは前記ＦＲＣの磁場のない半径であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径である、請求項４６に記載のシステム。
48. バイアス電極は、開いた磁力線に接触するために、前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられた１つまたは複数の点電極、方位的に対称の形で遠端磁束層に帯電させるための、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成部分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層に帯電させるための、前記第１および第２のダイバータ内に位置付けられた複数の同心積層電極、ならびに開いた磁束を遮断するための前記プラズマガンの陽極の１つまたは複数を含む、請求項４６に記載のシステム。
49. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに沿った位置に軸方向に離間された、複数の疑似直流コイルを含む、請求項４６に記載のシステム。
50. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバの端部と前記第１および第２の形成部分との間に位置付けられた、ミラーコイルの第１のセットをさらに備える、請求項４９に記載のシステム。
51. 前記磁気システムは、第１および第２のミラープラグをさらに備え、ミラープラグの前記第１および第２のセットは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間にミラーコイルの第２のセットを備える、請求項５０に記載のシステム。
52. 前記第１および第２のミラープラグは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間の通路内の収縮部を中心に巻き付けられた、ミラープラグのセットをさらに備える、請求項５１に記載のシステム。
53. 前記ミラープラグコイルは、小型パルスミラーコイルである、請求項５２に記載のシステム。
54. 前記第１および第２の形成部分は、細長い石英管を備える、請求項４６に記載のシステム。
55. 前記形成部分は、前記石英管に連結されたパルス電力形成システムを備える、請求項５４に記載のシステム。
56. 前記形成システムは、前記第１および第２の形成部分の前記細長い管を中心に巻き付けられた、前記ストラップアセンブリの個々のコイルのセットを活性化するために、複数のストラップアセンブリの個々に連結された、複数の電力および制御ユニットを備える、請求項５５に記載のシステム。
57. 前記複数の電力および制御ユニットのそれぞれは、トリガーおよび制御システムを備える、請求項５６に記載のシステム。
58. 前記複数の電力および制御ユニットの前記それぞれの前記トリガーおよび制御システムは、前記ＦＲＣが形成され次いで照射される、静的ＦＲＣ形成、または前記ＦＲＣが形成され同時に移動される、動的ＦＲＣ形成を可能にするために同期可能である、請求項５７に記載のシステム。
59. 前記複数の中性原子ビーム照射装置は、前記ＦＲＣのセパラトリックス内の目標トラッピング領域を備える前記ＦＲＣに接する照射通路で配向される、請求項４６に記載のシステム。
60. 前記閉じ込めチャンバに連結されたイオンペレット照射装置をさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
61. 前記閉じ込めチャンバに連結された２つ以上のサドルコイルをさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
62. 前記閉じ込めチャンバおよび前記第１および第２のダイバータに連結されたゲッタリング・システムをさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
63. 前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンをさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
64. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
    閉じ込めチャンバと、
    前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
    前記第１および第２の形成部分に連結された第１および第２のダイバータと、
    前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンと、
    前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置と、
    前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに連結された磁気システムと
    を備える、システム。
65. 前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成され、但し、Ｒは前記ＦＲＣの磁場のない半径であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径である、請求項６４に記載のシステム。
66. 前記第１および第２の形成部分のそれぞれは、細長い管、および前記細長い管に連結されたパルス電力形成システムを備える、請求項６４に記載のシステム。
67. 前記形成システムは、前記第１および第２の形成部分の前記細長い管を中心に巻き付けられた、前記ストラップアセンブリの個々のコイルのセットを活性化するために、複数のストラップアセンブリの個々に連結された、複数の電力および制御ユニットを備える、請求項６６に記載のシステム。
68. 前記複数の電力および制御ユニットのそれぞれは、トリガーおよび制御システムを備える、請求項６７に記載のシステム。
69. 前記複数の電力および制御ユニットの前記それぞれの前記トリガーおよび制御システムは、前記ＦＲＣが形成され次いで照射される、静的ＦＲＣ形成、または前記ＦＲＣが形成され同時に移動される、動的ＦＲＣ形成を可能にするために同期可能である、請求項６８に記載のシステム。
70. 生成されたＦＲＣの電気的バイアスの開いた磁束表面に対する１つまたは複数のバイアス電極をさらに備える、請求項６４に記載のシステム。
71. 前記１つまたは複数のバイアス電極は、開いた磁力線に接触するために、前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられた１つまたは複数の点電極、方位的に対称の形で遠端磁束層に帯電させるための、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成部分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層に帯電させるための、前記第１および第２のダイバータ内に位置付けられた複数の同心積層電極、ならびに開いた磁束を遮断するための前記プラズマガンの陽極の１つまたは複数を含む、請求項７０に記載のシステム。
72. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに沿った位置に軸方向に離間された、複数の疑似直流コイル、ならびに前記閉じ込めチャンバの端部と前記第１および第２の形成部分との間に位置付けられた、ミラーコイルの第１のセットを含む、請求項６４に記載のシステム。
73. 前記磁気システムは、第１および第２のミラープラグをさらに備え、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間のミラーコイルの第２のセットを備える、請求項７２に記載のシステム。
74. 前記ミラープラグは、前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間の通路内の収縮部を中心に巻き付けられた、小型パルスミラープラグコイルのセットをさらに備える、請求項７３に記載のシステム。
75. 前記複数の中性原子ビーム照射装置は、前記ＦＲＣのセパラトリックス内の目標トラッピング領域を備える前記ＦＲＣに接する照射通路で配向される、請求項６４に記載のシステム。
76. 前記閉じ込めチャンバに連結されたイオンペレット照射装置をさらに備える、請求項６４に記載のシステム。
77. 前記閉じ込めチャンバに連結された２つ以上のサドルコイルをさらに備える、請求項６４に記載のシステム。
78. 前記閉じ込めチャンバおよびゲッタリング材料の層を有する前記第１および第２のダイバータの前記プラズマ対向面を被覆するように構成されたゲッタリング・システムをさらに備える、請求項４６に記載のシステム。
79. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
    閉じ込めチャンバと、
    前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
    前記第１および第２の形成部分に連結された第１および第２のダイバータと、
    前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置と、
    前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに連結された磁気システムと、
    前記閉じ込めチャンバおよびゲッタリング材料の層を有する前記第１および第２のダイバータの前記プラズマ対向面を被覆するように構成されたゲッタリング・システムと
    を備える、システム。
80. 前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成され、但し、Ｒは前記ＦＲＣの磁場のない半径であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径である、請求項７９に記載のシステム。
81. 前記ゲッタリング・システムは、前記閉じ込めチャンバおよび前記第１および第２のダイバータのプラズマ対向面を被覆する、チタニウム成膜システムおよびリチウム成膜システムの１つまたは複数を備える、請求項７９に記載のシステム。
82. 前記成膜システムは、蒸着技法を利用する、請求項８１に記載のシステム。
83. 前記リチウム成膜システムは、ガイドノズルを備える複数の原子炉を備える、請求項８１に記載のシステム。
84. 前記チタニウム成膜システムは、ガイドシュラウドを備える複数の中実の加熱球を備える、請求項８１に記載のシステム。
85. 前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンをさらに備える、請求項７９に記載のシステム。
86. 前記第１および第２の形成部分のそれぞれは、細長い管、および前記細長い管に連結されたパルス電力形成システムを備える、請求項７９に記載のシステム。
87. 前記形成システムは、前記第１および第２の形成部分の前記細長い管を中心に巻き付けられた、前記ストラップアセンブリの個々のコイルのセットを活性化するために、複数のストラップアセンブリの個々に連結された、複数の電力および制御ユニットを備える、請求項８６に記載のシステム。
88. 生成されたＦＲＣの電気的バイアスの開いた磁束表面に対する１つまたは複数のバイアス電極をさらに備える、請求項７９に記載のシステム。
89. 前記１つまたは複数のバイアス電極は、開いた磁力線に接触するために、前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられた１つまたは複数の点電極、方位的に対称の形で遠端磁束層に帯電させるための、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成部分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層に帯電させるための、前記第１および第２のダイバータ内に位置付けられた複数の同心積層電極、ならびに開いた磁束を遮断するための前記プラズマガンの陽極の１つまたは複数を含む、請求項８８に記載のシステム。
90. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに沿った位置に軸方向に離間された、複数の疑似直流コイル、前記閉じ込めチャンバの端部と前記第１および第２の形成部分との間に位置付けられた、ミラーコイルの第１のセット、ならびに前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間のミラーコイルの第２のセットを含む、請求項７９に記載のシステム。
91. 前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間の通路内の収縮部を中心に巻き付けられた、小型パルスミラーコイルのセットをさらに備える、請求項７９に記載のシステム。
92. 磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場を生成し維持するシステムであって、
    閉じ込めチャンバと、
    前記閉じ込めチャンバに連結された第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成部分と、
    前記第１および第２の形成部分に連結された第１および第２のダイバータと、
    前記閉じ込めチャンバに連結され、前記閉じ込めチャンバの前記軸に垂直に配向された複数の中性原子ビーム照射装置と、
    前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに連結された磁気システムであって、前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバの前記中央平面の各側面上に前記閉じ込めチャンバに連結された２つ以上のサドルコイルを備える、磁気システムと
    を備える、システム。
93. 前記システムは、割合Ｒ^２／ρ_ｉに実質的に依存する従来のＦＲＣ閉じ込めスケーリングより、少なくとも２倍の偏差だけ従来のＦＲＣの粒子閉じ込めより大きい前記粒子閉じ込めを有する、ＦＲＣを生成するように構成され、但し、Ｒは前記ＦＲＣの磁場のない半径であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径である、請求項９２に記載のシステム。
94. 前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成部分ならびに前記閉じ込めチャンバに作動可能に連結された第１および第２の軸方向プラズマガンをさらに備える、請求項９２に記載のシステム。
95. 前記第１および第２の形成部分のそれぞれは、細長い管、および前記細長い管に連結されたパルス電力形成システムを備える、請求項９２に記載のシステム。
96. 生成されたＦＲＣの電気的バイアスの開いた磁束表面に対する１つまたは複数のバイアス電極をさらに備える、請求項９２に記載のシステム。
97. 前記１つまたは複数のバイアス電極は、開いた磁力線に接触するために、前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられた１つまたは複数の点電極、方位的に対称の形で遠端磁束層に帯電させるための、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成部分との間の環状電極のセット、複数の同心磁束層に帯電させるための、前記第１および第２のダイバータ内に位置付けられた複数の同心積層電極、ならびに開いた磁束を遮断するための前記プラズマガンの陽極の１つまたは複数を含む、請求項９６に記載のシステム。
98. 前記磁気システムは、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成部分、ならびに前記第１および第２のダイバータに沿った位置に軸方向に離間された、複数の疑似直流コイル、前記閉じ込めチャンバの端部と前記第１および第２の形成部分との間に位置付けられた、ミラーコイルの第１のセット、ならびに前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間のミラーコイルの第２のセットを含む、請求項９２に記載のシステム。
99. 前記第１および第２の形成部分と前記第１および第２のダイバータとのそれぞれの間の通路内の収縮部を中心に巻き付けられた、小型パルスミラーコイルのセットをさらに備える、請求項９８に記載のシステム。

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