JP2017512315A - 高エネルギー荷電粒子を磁気カスプ配位に閉じ込める方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年3月11日に出願された米国仮特許出願第61/951,387号及び2015年3月11日に出願された米国特許出願第14/645,306号に関し、これらの文献の内容はあらゆる目的で引用により本明細書に組み入れられる。
図1Aに示すように、磁気カスプ配位は、中央部の閉じ込めプラズマシステムに向かう凸状の磁場曲率に起因して優れたプラズマ安定性を提供する[1]。図1A及び図1Bにおける点描領域は、プラズマチャンバ内のプラズマの広がりを示す。実験的には、このカスプ場配位は、最大β=1という非常に高いプラズマ圧で動作した。プラズマベータβは、閉じ込め磁場圧に対するプラズマ圧の比率として定められ、β=Pplasma/(B2/2μ0)であり、式中のPplasmaはプラズマ圧であり、μ0は透磁率であり、Bは磁場強度である。本開示では、カスプ内に閉じ込められたプラズマ体積の平均プラズマ圧に等しいプラズマ圧の値と、真空内でのカスプ点における磁場強度Bcuspを用いた磁気圧力値(Bcusp 2/2μ0)とを用いてカスプシステムのベータ値を求める。さらに、プラズマ圧はnκBTで与えられ、式中のnはプラズマ密度であり、κBはボルツマン定数であり、Tはプラズマ温度である。ビーム型プラズマの場合には、平均ビームエネルギーを用いてプラズマ圧を求め、例えば、ビームプラズマ圧=nbeam×Ebeamであり、式中のnbeamはビームプラズマ密度であり、Ebeamは平均ビームエネルギーである。これは、流体力学における静圧と動圧の区別に類似する。
方程式1:高βプラズマ状態中、電子損失率は、
という電子閉じ込め時間に対応して、
及び
として与えられ、式中のIeは電子損失電流であり、eは電子電荷であり、neは(イオン密度に等しいと仮定される)電子密度であり、veは電子速度であり、re gyroはカスプ点における電子ジャイロ半径であり、meは電子質量、Bcuspはカスプ点における磁場強度であり、Ncuspはシステム内のカスプ点の数であり、Rsystemはカスプ閉じ込めシステムの半径である。なお、本開示における単位及び数式は、広く使用されている米国海軍研究所プラズマ公式集[4]の慣例に従う。上記の式は、電子の質量、密度及びジャイロ半径を対応するイオンのパラメータに置き換えた場合にはイオン損失率に当てはまる。
一方で、いくつかの研究グループは、Farnsworth、Hirsch、Elmore、Tuck及びWatsonの研究に基づいて、潜在的中性子源、医療用アイソトープの生産及び発電核融合炉のために慣性静電閉じ込め(IEC)システムの実行可能性を研究していた[10−13]。IECシステムの場合、核融合反応のためのイオンの加速と閉じ込めは、負にバイアスされた物理電極(例えば、半透過性グリッド)又は電子ビーム注入によるプラズマ中の過剰電子によって生成されるプラズマ中の電場によってもたらされる。本開示に関連するIECシステムでは、電場が負の静電ポテンシャル井戸を生成する。中心領域の電位値は、外部領域の電位値に比べてさらに負である。したがって、イオンは、中心領域に向かって移動するにつれてエネルギーを獲得し、中心領域における高エネルギーイオンは、核融合反応よりも前に強力な静電反発力に打ち勝つことができる。IEC装置の主な技術的課題は、電極に対するイオン又は電子損失率が高いことによってエネルギー効率が低くなることである。例えば、典型的なビーム電子は、ビーム注入後から電極に衝突するまでシステム内で10〜20回しか振動せず、閉じ込め時間が非常に短くなる。この結果、IECシステムによって生成される総核融合電力量は、これまで入力電力の0.01%未満であり、IECシステムの商業的応用を制限している。
本発明の実施形態は、従来の内燃機関と同様に、注入電子閉じ込めの強化につながる高ベータプラズマ状態を達成するために特別な始動ステップを利用する。中性子生成、医療用アイソトープの生産、核廃棄物の核変換及び核融合発電プラントにとって有用な核融合炉の実施形態では、電子ビームの閉じ込めが強化されることにより、核融合反応のための負のポテンシャル井戸を形成する電子ビーム出力が大幅に低下する。
方程式2:低β磁気カスプ装置における電子及びイオン閉じ込め時間(τe及びτi)
式中のveは、エネルギーEeの電子速度であり、Bmaxは、カスプ点におけるピーク磁場強度であり、Rsystemは、カスプ閉じ込めシステム半径であり、Eiは、イオンエネルギーであり、mi/meは、陽子と電子の質量比であり、M*は、Bmax/B*minによって定められる有効ミラー率であり、B*minは、磁場勾配スケール長がジャイロ半径に相当する時に電子が磁力線に付着して出発する地点の磁場強度であり、ジャイロ半径は次式によって求められる。
式中のradiabaticは、電子が磁力線に付着した半径方向位置であり、rgyroは、re,i gyro=me,i*ve,i/(eB)によって与えられる電子e又はイオンiの粒子ジャイロ半径であり、Aは、所与の磁場プロファイルを表す3〜6の数値定数である。
によってプラズマ中に蓄積されるエネルギーWstoredに関連する。
方程式3:半径Rsystem及び磁場Bcuspを有するカスプ閉じ込めシステムに蓄積されるプラズマエネルギー
方程式4:電子磁化条件
式中のωceは電子ジャイロ周波数であり、eは電子電荷であり、Bは磁場強度であり、meは電子質量であり、cは光の速度であり、Aは磁場配位及びプラズマパラメータに依存する0.25〜5.0の数値定数であり、νeは電子衝突率であり、neはプラズマ注入によって得られるカスプ閉じ込めシステム内の電子密度であり、λはクーロン対数(通常は〜10)であり、Teは電子温度である。
本発明の実施形態による次のステップは、カスプ内の高圧プラズマによって高エネルギー電子の閉じ込めが大きく改善された後に、電子ビーム注入器[104]又は複数の電子注入器を使用して、イオンを加速させて閉じ込めるための深い負のポテンシャル井戸を生成することである。電子ビームは、パルス化することも、又はオフセットに基づいて変調するように(例えば50MWの)DCオフセットを伴ってパルス化することもできる。電子ビームは、連続して(例えば、50MWに維持されて)動作することもできる。いずれにせよ、電子ビームを利用して、イオンを加速させて磁気カスププラズマ領域に閉じ込める負のポテンシャル井戸を形成する。この閉じ込めは、プラズマイニシエータによって形成されたプラズマ、及び核融合燃料注入器によって後から導入されたプラズマの両方に適用することができる。
本発明の実施形態は、高出力プラズマ注入器を用いてカスプ内に高βプラズマを形成してプラズマ閉じ込めを改善し、電子ビームを用いてプラズマ内に深いポテンシャル井戸を生成するので、プラズマ内のイオンが電子ビームからエネルギーを得て核融合反応を生じる。
方程式5:制動放射放射率公式
式中のPbrは制動放射出力であり、ne beamは電子ビーム密度であり、Ee beamは電子ビームエネルギーであり、Zはイオンの荷電状態であり、ni(Z)は荷電状態Zのイオン密度であり、Z=1、2、3、・・・最大イオン荷電状態にわたって加算が行われる。この実証実験では、最大イオン荷電状態を1に制限することによって方程式5を単純化し、
を、カスプ内の高ベータ状態を生じるプラズマ電子密度であるne plasmaに置き換えることができる。この単純化が可能な理由は、可視分光分析から推定されるプラズマ温度が約10eVと比較的低く、イオンの大半が一価にしかイオン化されていないからである。図6の実験的構成では、レーザ干渉法によってプラズマ電子密度を直接測定しており、図10Aにne plasmaと表記して示す。
本実施形態は、高電子ビーム閉じ込めフェーズ中の強化された電子閉じ込めを実証した後に、電子ビーム注入器を利用してプラズマシステムの中心領域内に深い負のポテンシャル井戸を生成する。また、この電子ビーム注入器は、最初に形成されたプラズマを加熱して、カスプ磁気閉じ込め領域内の高ベータ状態を維持することもできる。半径80cmを有する5Tのカスプ磁場では、100eVのプラズマ注入の場合にβ=1の条件に達するために必要な電子密度が6.2×1017cm-3である。この密度では、50keVで注入された電子ビームから100eVのプラズマへのエネルギー移送時間が0.62μsである。比較すると、方程式1に基づいて予想される電子ビーム閉じ込め時間は0.13sである。したがって、50keVの電子ビームは、そのエネルギーをカスプ磁気閉じ込め領域内の高ベータプラズマに効率的に移送する。ビーム出力が十分に高い場合、電子ビームによるプラズマ加熱は、初期プラズマ開始後の自然プラズマ冷却を補償する。さらに、上述したように、電子注入出力が、カスププラズマ損失を補償するレベルまで増加すると、(プラズマイニシエータから、例えば5〜1000eVの比較的低いエネルギー電子で形成される)カスプ磁気閉じ込め領域内の実質的に全てのプラズマ内電子が、そのビームエネルギーの高エネルギー電子に置き換えられる。半径80cmを有する5Tのカスプシステムに50keVの電子を注入した場合、対応するビーム出力は、方程式1に基づいて165MWである。このレベルのビーム出力は、大きなものではあるが実際に利用することができる。比較すると、プラズマイニシエータを利用しなければ、高ベータプラズマを維持するための電子ビーム出力は、165MWよりもはるかに大きい。例えば、半径80cmの同じ5Tのカスプシステムでは、平均電子エネルギーが50keVのβ=0.01の場合、電子密度は1.2×1013cm-3である。この密度では、カスプ内のプラズマに注入される電子からのエネルギー移送時間が310μsである。比較すると、方程式2に基づいて予想される電子閉じ込め時間は2.1μsである。したがって、50keVの電子ビームは、そのエネルギーを低ベータプラズマに移送する前にカスプシステムから逃げ出す可能性が高い。前に推定したように、カスプ内のβ=0.01のプラズマを維持するために必要な電子ビーム出力は約200GWである。高ベータプラズマが、効率的なビーム加熱を通じたビームエネルギーに等しいエネルギーを有する電子によって高ベータに維持されると、核融合反応に必要な十分に負のポテンシャル井戸を生成することができる。図10Aを参照すると、電子ビームは、高電子ビーム閉じ込めフェーズの少なくとも中期から後期までにオンになることが好ましい。電子ビームは、高電子ビーム閉じ込めフェーズの初期又は開始前にオンにすることもできる。また、電子ビームエネルギーを時間的に変化させて負の井戸の値を制御することもできる。
本発明のいくつかの実施形態では、深い負のポテンシャル井戸を形成する必要なく中性子発生器を形成することができる。例えば、上述したようなパルスイニシエータ(例えば、注入器)を利用して高密度プラズマを形成した後に、約50keVの高エネルギーイオンビームを高密度プラズマに注入し、核融合反応(例えば、D−D、D=T)によって中性子を発生させることができる。これと同じ技術を用いて、医療用同位体の生産及び核廃棄物の核変換を行うことができる。
イオンは、効率的な電子ビーム注入によって深い負のポテンシャル井戸が確立されると核融合反応を受ける。最もよく引用される核融合反応は、以下の通りである。
102 コイル
103 プラズマ注入器
104 電子ビーム注入器
105 核融合燃料注入システム
106 ポンピングポート
107 ガス弁システム
108 真空ポンプシステム
109 機械的支持構造
110 電力供給及び冷却システム
111 プラズマ注入器
701 ターゲット材料
702 中心カソード
703 外側アノード
801 レーザターゲット送出システム801
802 小ターゲット
803、804 高出力レーザ
901 コンデンサ又はバッテリ
902 スイッチ
903、905、906、907、908 プラズマ形成材料
904 電極
909 ガス注入器
910 平行ガス噴射
911 液体又は粒子注入器
912 液滴又は微小微粒子
1201 中性ビーム注入部
Claims (21)
- 核融合反応発生装置であって、
反応チャンバと、
前記反応チャンバ内にカスプ磁場を発生させるコイルを有するコイルシステムと、
前記反応チャンバ内に高ベータプラズマを発生させるプラズマイニシエータと、
電子注入器と、
核融合反応によって消費されるイオンを補充する核融合燃料注入器と、を備え、
前記プラズマイニシエータは、前記反応チャンバ内に前記高ベータプラズマを生成して前記反応チャンバ内に電子を閉じ込め、
前記電子注入器は、前記反応チャンバ内にプラズマポテンシャル井戸を生成して前記反応チャンバ内にイオンを閉じ込め、核融合関連エネルギーまでイオンを加速させる、装置。 - 前記プラズマイニシエータは、方程式2によって求められる電子閉じ込め時間の0.1〜10倍のパルス持続時間で動作する、請求項1に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、方程式2によって求められる電子閉じ込め時間の0.1倍未満のパルス持続時間で動作する、請求項1に記載の装置。
- 前記コイルシステムによって生じるカスプ点における最大磁場は、0.5〜20テスラである、請求項1から3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、プラズマβが0.1〜10の前記高ベータプラズマをカスプ内に生成するのに十分なエネルギーで動作する、請求項1から4のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、方程式3のエネルギーの0.5〜50倍によって与えられるエネルギーを有する、請求項1から5のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、方程式3のエネルギーの0.5〜30倍、0.5〜10倍、1〜30倍、1〜20倍、1〜10倍、5〜30倍、5〜20倍及び5〜10倍によって与えられるエネルギーを有する、請求項1から6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、5〜1000eV、10〜500eV、10〜100eV、20〜250eV、50〜300eV、50〜500eV及び100〜1000eVのうちの1つの範囲から選択された電子エネルギーで動作する、請求項1から7のいずれか1項に記載の装置。
- 前記電子注入器は、10〜1000keV、10〜200keV、25〜150keV、50〜300keV、75〜500keV及び100〜1000keVのうちの1つの範囲内のビームエネルギーを有する電子ビームを生成して前記プラズマポテンシャル井戸を生成する、請求項1から8のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、気体、液滴又は固体材料のうちの少なくとも1つを用いてプラズマを生成する同軸プラズマガンを含む、請求項1から9のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、同軸プラズマガン、FRC及びレーザのうちの1つ又は2つ以上を含む、請求項1から10のいずれか1項に記載の装置。
- 前記プラズマイニシエータは、1又は複数のピンチプラズマ発生器を含む、請求項1から11のいずれか1項に記載の装置。
- 前記装置は、中性子発生器、医療用同位体発生器、又は核廃棄物核変換装置である、請求項1から12のいずれか1項に記載の装置。
- 前記カスプ磁場から低エネルギーイオンを除去する中性ビーム注入器を更に備える、請求項1から13のいずれか1項に記載の装置。
- 核融合発生方法であって、
反応チャンバを準備するステップと、
前記反応チャンバ内にカスプ磁場を発生させるステップと、
プラズマイニシエータを利用して前記反応チャンバ内にベータ圧力プラズマを発生させ、前記反応チャンバに高エネルギー電子を閉じ込めるステップと、
前記反応チャンバに電子を注入し、前記反応チャンバ内にプラズマポテンシャル井戸を生成して前記反応チャンバ内にイオンを閉じ込め、核融合関連エネルギーまでイオンを加速させるステップと、
核融合反応によって消費されるイオンを補充するステップと、を含む方法。 - 前記反応チャンバ内への中性ビーム注入を利用することによって前記反応チャンバに高エネルギーイオンを追加するステップを更に含む、請求項15に記載の方法。
- 前記プラズマイニシエータを、方程式2によって求められる電子閉じ込め時間の0.1〜10倍のパルス持続時間で動作させるステップを更に含む、請求項15又は16に記載の方法。
- 前記プラズマイニシエータを、方程式2によって求められる電子閉じ込め時間の0.1倍未満のパルス持続時間で動作させるステップを更に含む、請求項15又は16に記載の方法。
- 前記カスプ磁場のカスプ内に0.2〜5.0、0.3〜3.0、0.5〜2.0、0.7〜1.5、0.8〜1.2、0.9〜1.1のプラズマβ、又はほぼ1に等しい若しくは1に等しいプラズマβを含む高ベータプラズマを生成するように前記プラズマイニシエータを動作させるステップを含む、請求項15から18のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラズマイニシエータを、方程式3のエネルギーの0.5〜50倍によって与えられるエネルギーを有するように動作させるステップを更に含む、請求項15から19のいずれか1項に記載の方法。
- 中性子発生器であって、
反応チャンバと、
前記反応チャンバ内にカスプ磁場を発生させるコイルを有するコイルシステムと、
前記反応チャンバ内に高ベータプラズマを発生させるプラズマイニシエータと、
電子注入器と、
イオン注入器と、
核融合反応によって消費されるイオンを補充する核融合燃料注入器と、
を備え、
前記プラズマイニシエータは、前記反応チャンバ内に前記高ベータプラズマを生成して前記反応チャンバ内に電子を閉じ込め、
前記電子注入器及び前記イオン注入器は、前記プラズマを加熱して核融合反応を引き起こして中性子を発生させる、中性子発生器。
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