JP5317346B2 - 磁場反転配位におけるプラズマの磁気的閉じ込めおよび静電気的閉じ込め - Google Patents
磁場反転配位におけるプラズマの磁気的閉じ込めおよび静電気的閉じ込め Download PDFInfo
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Description
本発明は、一般に、プラズマ物理学の分野に関し、より詳細には、プラズマを閉じ込めるための方法および装置に関する。プラズマの閉じ込めは、核融合反応を可能にするために特に重要である。
D + D → He3(0.8MeV) + n(2.5MeV);
D + T → α(3.6MeV) + n(14.1MeV);
D + He3 → α(3.7MeV) +p (14.7MeV);および、
p + B11 → 3α(8.7MeV);
ここで、Dは、ジュウテリウムを示し、Tは、トリチウムを示し、αは、ヘリウム核を示し、nは、中性子を示し、pは、陽子を示し、Heは、ヘリウムを示し、そしてB11は、ホウ素−11を示す。各式中の括弧内の数は、融合生成物の動力学的エネルギーを示す。
荷電粒子である。この次世代燃料の利点は、この燃料がほとんど中性子を生成せず、それによって中性子に付随した欠点をほとんど伴わないことである。D−He3の場合において、いくつかの高速中性子が二次反応によって生成されるが、これらの中性子は、融合生成物のエネルギー1セントあたり約10個のみとみなす。p−B11反応は、高速中性子を伴わないが、数個の低速中性子(二次反応により生じるが、ほとんど問題にはならない)を生成する。次世代燃料の別の利点は、これらの融合生成物のエネルギーが、高い効率(90個/セントまで)で収集され得ることである。直接エネルギー変換プロセスにおいて、これらの荷電した融合生成物の速度は低下し、そしてそれらの動力学的エネルギーは、電気に直接変換され得る。
Thermonuclear Experiment Reactor(ITER)に
おいて達成された。トカマクを用いた近年の実験は、古典的輸送(
に対する特許文献4およびFarnsworthに対する特許文献5(これらは、イオンの静電気的閉じ込めおよび電子の慣性閉じ込めを開示している);Hirschらに対する特許文献6およびHirschらに対する特許文献7(Farnsworthと同様である);Limpaecherに対する特許文献8(これは、多極カスプ反射壁を用いた、イオンの静電気的閉じ込めおよび電子の磁気的閉じ込めを開示している);ならびに、Bussardに対する特許文献9(これらは、Limpaecherと同様であり、ポイントカプスを含む)。これらの特許は、電子の静電気的閉じ込めおよびイオンの磁気的閉じ込めを全く考慮しない。イオンの静電気的閉じ込めに対する多くの研究計画が存在しているが、これらは、イオンが融合反応器に必要とされる密度を有する場合、必要とされる静電場を設定することに成功していない。最後に、上に列挙された特許は、磁場反転配位の磁気的トポロジーを議論していない。
以前のプラズマ閉じ込めシステムが直面した問題を取り扱うために、プラズマを閉じ込めるためのシステムおよび装置が、本明細書中に記載されており、ここにおいて、プラズマイオンは、磁気によって安定に閉じ込められており、大きな軌道および電子は、静電気によってエネルギー井戸中に閉じ込められている。FRCを用いた以前の研究を超える本
発明の主な革新は、同時の、電子の静電気的閉じ込めおよびイオンの磁気的閉じ込めであり、これは、異常輸送を回避し、かつ電子とイオンの両方の古典的閉じ込めを容易にする傾向がある。この構成において、イオンは、適切な密度および温度を有し得、その結果、衝突の際、これらのイオンは、核力によってともに融合され、それによって融合エネルギーを放出する。
電子用の冷却機構を提供し、これは、それらの放射損失を低下させる。
(項目1)
プラズマ閉じ込めデバイスであって、以下:
チャンバ、
このチャンバの主軸に実質的に沿って、このチャンバ内に磁場を適用するための磁場発生器、
このチャンバ内に方位性電場を誘導するための電流コイル、および
電子およびイオンを含むプラズマをこのチャンバに注入するためのプラズマ供給源、
を備える、プラズマ閉じ込めデバイス。
(項目2)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバの周りで伸長する複数の磁場コイルを備える、閉じ込めデバイス。
(項目3)
項目2に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記磁場発生器が、複数のミラーコイルを備える、閉じ込めデバイス。
(項目4)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバの外部に配置される、閉じ込めデバイス。
(項目5)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバ内に配置される、閉じ込めデバイス。
(項目6)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバ内に静電場を生成し、そして制御するために調節可能である、閉じ込めデバイス。
(項目7)
項目6に記載の閉じ込めデバイスであって、上記磁場発生器に接続される制御システムをさらに備える、閉じ込めデバイス。
(項目8)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記電流コイルが、ベータトロンフラックスコイルである、閉じ込めデバイス。
(項目9)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記電流コイルが、複数の別々のコイルの平行巻線を備える、閉じ込めデバイス。
(項目10)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、イオンビームを上記チャンバに注入するためのイオンビーム注入器をさらに含む、閉じ込めデバイス。
(項目11)
項目11に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記イオンビーム注入器が、電荷中和イオンビームを上記チャンバに注入するように適合される、閉じ込めデバイス。
(項目12)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記チャンバが、ほぼ円筒形である、閉じ込めデバイス。
(項目13)
項目1に記載の閉じ込めデバイスであって、ここで、上記チャンバが、ほぼ環状である、閉じ込めデバイス。
(項目14)
プラズマを閉じ込めるための装置であって、以下:
チャンバ、
上記チャンバに作動可能に関連する、磁場および静電気閉じ込めシステム、および
このチャンバに作動可能に関連する、プラズマ供給源、を備える、装置。
(項目15)
項目14に記載の装置であって、ここで、上記閉じ込めシステムが、上記チャンバ内に磁場を発生させるための磁場発生器を備える、装置。
(項目16)
項目15に記載の装置であって、ここで、上記磁場が、磁場反転トポロジーを有する、装置。
(項目17)
項目16に記載の装置であって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバの周りに伸長する複数の磁場コイルを備える、装置。
(項目18)
項目17に記載の装置であって、ここで、上記磁場発生器が、上記磁場コイルと作動可能に関連する複数のミラーコイルをさらに備える、装置。
(項目19)
項目18に記載の装置であって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバ内に方位性電場を誘導するために、上記チャンバの主軸に沿って配置される電流コイルをさらに備える、装置。
(項目20)
項目19に記載の装置であって、ここで、上記電流コイルが、ベータトロンフラックスコイルである、装置。
(項目21)
項目20に記載の装置であって、ここで、上記ベータトロンフラックスコイルが、複数の別々のコイルの平行巻線を備える、装置。
(項目22)
項目15に記載の装置であって、ここで、上記磁場発生器が、静電ポテンシャル井戸を生成し、そして制御するために調節可能である、装置。
(項目23)
項目22に記載の装置であって、ここで、上記閉じ込めシステムが、さらに、上記磁場発生器に接続される制御システムをさらに備える、装置。
(項目24)
項目14に記載の装置であって、ここで、上記プラズマ供給源が、上記チャンバの中間平面に向かってこのチャンバの主軸に沿ってバックグラウンドプラズマを注入するために配向される、複数のバックグラウンドプラズマガンを備える、装置。
(項目25)
項目24に記載の装置であって、ここで、上記プラズマ供給源が、イオンビームを上記チャンバに注入するためのイオンビーム注入器をさらに備える、装置。
(項目26)
項目25に記載の装置であって、ここで、上記イオンビーム注入器が、電荷中和イオンビ
ームを上記チャンバに注入するように適合される、装置。
(項目27)
項目14に記載の閉じ込め装置であって、ここで、上記チャンバが、ほぼ円筒形である、閉じ込め装置。
(項目28)
項目14に記載の閉じ込め装置であって、ここで、上記チャンバが、ほぼ環状である、閉じ込め装置。
(項目29)
プラズマ閉じ込めシステムであって、以下:
チャンバ、
このチャンバと作動可能な関係の、磁場発生器、
磁場反転トポロジー磁場であって、この磁場反転磁場が、この磁場発生器によって発生される磁場によって少なくとも一部形成される、磁場反転トポロジー磁場、
この磁場発生器によって発生される磁場を調整することによって生成されそして制御される、このチャンバ内の静電場、および
このチャンバ内に閉じ込められる電子およびイオンを含むプラズマであって、ここで、複数のプラズマイオンが、この磁場反転磁場によって閉じ込められ、そして複数のプラズマ電子が、この静電場によって静電的に閉じ込められる、プラズマ、
を備える、システム。
(項目30)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記複数のプラズマイオンおよび電子が、実質的に古典的に閉じ込められる、システム。
(項目31)
項目30に記載のシステムであって、ここで、上記複数のプラズマイオンが、実質的に非断熱的である、システム。
(項目32)
項目31に記載のシステムであって、ここで、上記複数のプラズマイオンが、実質的にエネルギー性であり、そして上記チャンバ内で大きな半径の軌道で回る、システム。
(項目33)
項目32に記載のシステムであって、ここで、上記イオンの軌道の半径が、異常な輸送を引き起こす揺らぎの波長を超える、システム。
(項目34)
項目32に記載のシステムであって、ここで、上記イオンの軌道が、実質的にベータトロン軌道である、システム。
(項目35)
項目32に記載のシステムであって、ここで、上記イオンの軌道が、実質的に反磁性方向である、システム。
(項目36)
項目35に記載のシステムであって、ここで、イオンドリフトの軌道が、実質的に反磁性方向である、システム。
(項目37)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記磁場発生器によって発生する磁場の磁力線が、実質的に上記チャンバの主軸に沿った方向に伸長する、システム。
(項目38)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記磁場反転磁場が、第1磁場と第2磁場の組み合わせを含み、ここで、この第1磁場が、上記磁場発生器によって発生される、システム。
(項目39)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記静電場が、静電ポテンシャルエネルギー井戸を形成する、システム。
(項目40)
項目39に記載のシステムであって、ここで、上記複数のプラズマ電子が、上記静電ポテンシャルエネルギー井戸内に実質的に閉じ込められる、システム。
(項目41)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記磁場反転磁場が、上記複数のプラズマイオンを磁気的に閉じ込めるための静電場力を支配する、この複数のプラズマイオンに対するローレンツ力を生成する、システム。
(項目42)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記静電場が、上記複数のプラズマイオンのイオンドリフト軌道を反磁性方向に方向付けるのに適合される、システム。
(項目43)
項目38に記載のシステムであって、ここで、ポロイダルトポロジーを有する第2磁場が、上記プラズマの回転に起因して形成される、システム。
(項目44)
項目29に記載のシステムであって、上記チャンバの主軸に沿って配置される電流コイルおよびこの電流コイルによってこのチャンバ内に発生される方位性の電場をさらに備える、システム。
(項目45)
項目44に記載のシステムであって、ここで、上記磁場発生器が、上記チャンバの周りで伸長する複数の磁場コイル、ならびに上記電流コイルの反対の端部に隣接して配置される第1ミラーコイルおよび第2ミラーコイルを備え、ここで、この第1ミラーコイルおよび第2ミラーコイルが、この電流コイルの第1端部および第2端部に隣接する磁場発生器によって発生される磁場の大きさを増加させる、システム。
(項目46)
項目44に記載のシステムであって、ここで、上記電流コイルが、複数の別々のコイルの平行巻線を備える、システム。
(項目47)
項目45に記載のシステムであって、ここで、上記チャンバが、ほぼ円筒形である、システム。
(項目48)
項目45に記載のシステムであって、ここで、上記チャンバが、ほぼ環状である、システム。
(項目49)
項目45に記載のシステムであって、上記磁場反転磁場の磁力線に実質的に垂直な方向で、イオンビームをこの磁場反転磁場に注入するイオンビーム注入器をさらに備え、ここで、上記磁場反転磁場が、このイオンビームを上記チャンバ内の軌道に捕捉しそして曲げる、システム。
(項目50)
項目49に記載のシステムであって、ここで、上記イオンビームが、自己偏極である、システム。
(項目51)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記プラズマが、少なくとも2つの異なるイオン種を含む、システム。
(項目52)
項目29に記載のシステムであって、ここで、上記プラズマが、次世代燃料を含む、システム。
(項目53)
電子およびイオンを有するプラズマを閉じ込める方法であって、この方法が、以下の工程:
複数のプラズマイオンを磁気的に閉じ込める工程、および
複数のプラズマ電子を静電的に閉じ込める工程、
を包含する、方法。
(項目54)
項目53に記載の方法であって、さらに、以下の工程:
閉じ込め構造内に磁場を発生する工程であって、この磁場が、磁場反転配位(FRC)トポロジーを有する、工程、
この閉じ込め構造内に静電場を発生する工程であって、この静電場が、ポテンシャルエネルギー井戸を形成する、工程、および
上記複数のプラズマイオンをこのFRC磁場内に磁気的に閉じ込め、この複数のプラズマ電子をこのポテンシャルエネルギー井戸内に静電的に閉じ込める、工程、
を包含する、方法。
(項目55)
項目54に記載の方法であって、上記複数のプラズマイオンを実質的に古典的に閉じ込める工程をさらに包含する、方法。
(項目56)
項目55に記載の方法であって、上記複数のプラズマ電子を実質的に古典的に閉じ込める工程をさらに包含する、方法。
(項目57)
項目55に記載の方法であって、ここで、上記複数のプラズマイオンを実質的に古典的に閉じ込める工程が、このプラズマの燃焼時間よりも長い時間の間、上記閉じ込め構造内にこのイオンを閉じ込める、方法。
(項目58)
項目55に記載の方法であって、ここで、上記複数のプラズマイオンが、実質的に非断熱的である、方法。
(項目59)
項目58に記載の方法であって、ここで、上記複数のプラズマイオンが、実質的にエネルギー性である、方法。
(項目60)
項目58に記載の方法であって、上記複数のプラズマイオンを、上記FRC磁場内で、大きな半径ベータトロン軌道で回す工程をさらに包含し、ここで、この軌道半径が、異常な輸送を引き起こす揺らぎの波長を超える、方法。
(項目61)
項目54に記載の方法であって、上記複数のプラズマイオンを磁気的に閉じ込める工程が、この複数のプラズマイオン上に作用するローレンツ力に起因して、FRC磁場内で、この複数のプラズマイオンを回す工程を包含する、方法。
(項目62)
項目61に記載の方法であって、上記複数のプラズマイオンを反磁性方向で回す工程をさらに包含する、方法。
(項目63)
項目62に記載の方法であって、反磁性方向にイオンドリフト軌道を実質的に方向付ける工程をさらに包含する、方法。
(項目64)
項目54に記載の方法であって、上記閉じ込め構造内に適用される磁場を発生させる工程をさらに包含する、方法。
(項目65)
項目64に記載の方法であって、上記プラズマを回転させ、そして自己磁場を形成する工程をさらに包含する、方法。
(項目66)
項目65に記載の方法であって、上記適用される磁場と上記自己磁場を組み合わせて、FRC磁場を形成する工程をさらに包含する、方法。
(項目67)
項目54に記載の方法であって、上記複数のプラズマ電子を冷却する工程をさらに包含する、方法。
(項目68)
項目54に記載の方法であって、融合生成物イオンを形成する工程をさらに包含する、方法。
(項目69)
項目68に記載の方法であって、上記静電ポテンシャル井戸のポテンシャルエネルギーから上記融合生成物イオンにエネルギーを移動させる工程をさらに包含する、方法。
(項目70)
項目54に記載の方法であって、ここで、上記プラズマが、次世代燃料イオン種を含む、方法。
(項目71)
項目53に記載の方法であって、さらに、以下の工程:
適用される磁場を発生させる工程、および
この適用される磁場を操作して、静電場を生成しそして制御する、工程
を包含する、方法。
(項目72)
反応器チャンバ内に磁場反転配位磁場を形成する方法であって、以下の工程:
プラズマが満たされる反応器チャンバ内に、適用される磁場を発生する工程、
イオンビームを、この反応器チャンバ内の適用される磁場に注入する工程、
このチャンバ内で、ポロイダル自己磁場を有する回転プラズマビームを形成する工程、
方位性電場を適用して、このプラズマビームの回転速度を、このプラズマビーム内の自己磁場の大きさが適用される磁場の大きさに打ちかつ速度まで増加させ、磁場反転を引き起こす、工程、および
この適用される磁場およびこの自己磁場の磁力線を、磁場反転配位(FRC)トポロジーを有する組み合わせ磁場に結合する工程、
を包含する、方法。
(項目73)
項目72に記載の方法であって、ここで、上記適用される磁場を発生させる工程が、上記チャンバの周りで伸長する、複数の磁場コイルにエネルギーを与える工程を包含する、方法。
(項目74)
項目73に記載の方法であって、ここで、上記イオンビームが、上記適用される磁場に対して実質的に横切って注入される、方法。
(項目75)
項目74に記載の方法であって、ここで、上記イオンビームを注入する工程が、さらに、以下の工程:
このイオンビームを中和する工程、
この中和イオンビームから電気偏極をドレインする工程、
上記適用される磁場に起因するローレンツ力を、この中和イオンビームに及ぼして、このイオンビームをベータトロン軌道に曲げる、工程、
を包含する、方法。
(項目76)
項目72に記載の方法であって、所定の半径の大きさで上記回転するビームプラズマを維持するために、上記適用される磁場の大きさを増加する工程をさらに包含する、方法。
(項目77)
項目72に記載の方法であって、ここで、上記電場を適用する工程が、上記チャンバ内のベータトロンフラックスコイルにエネルギーを与える工程を包含する、方法。
(項目78)
項目77に記載の方法であって、上記回転プラズマビームを融合レベル回転エネルギーに加速するために、上記フラックスコイルを通る電流を増加させる工程をさらに包含する、方法。
(項目79)
項目78に記載の方法であって、融合レベルエネルギーのイオンビームをFRCに注入し、そしてこのFRC内のベータトロン軌道にこのビームを捕捉する工程をさらに包含する、方法。
(項目80)
反応器チャンバ内に磁場反転配位磁場を形成する方法であって、以下の工程;
適用される磁場をチャンバ内に発生させる工程、
このチャンバ内の適用される磁場にプラズマを注入する工程、
このチャンバ内に方位性電場を適用して、プラズマを回転させ、そしてポロイダル自己磁場を形成させる、工程、および
このプラズマの回転速度を増加させて、このプラズマ内の自己磁場の大きさを、適用される磁場の大きさに打ち勝つレベルまで増加させ、磁場反転を引き起こす、工程、および
適用される磁場の磁力線と自己磁場を、磁場反転配位(FRC)トポロジーを有する組み合わせ磁場に結合する工程、
を包含する、方法。
(項目81)
項目80に記載の方法であって、ここで、上記適用される磁場を発生させる工程が、このチャンバに沿って伸長する、複数の磁場コイルおよびミラーコイルにエネルギーを与える工程を包含する、方法。
(項目82)
項目81に記載の方法であって、上記回転するプラズマを所定の半径の大きさに維持するために、適用される磁場の大きさを増加する工程をさらに包含する、方法。
(項目83)
項目82に記載の方法であって、ここで、上記電場を適用する工程が、上記チャンバ内のベータトロンフラックスコイルにエネルギーを与える工程を包含する、方法。
(項目84)
項目83に記載の方法であって、上記回転プラズマを融合レベル回転エネルギーまで加速するために、上記フラックスコイルを通る電流を増加させる工程をさらに包含する、方法。
(項目85)
項目84に記載の方法であって、融合レベルエネルギーのイオンビームをFRCに注入し、そしてFRC内のベータトロン軌道にこのビームを捕捉する工程をさらに包含する、方法。
(項目86)
項目85に記載の方法であって、ここで、上記イオンビームを注入する工程が、さらに以下の工程:
このイオンビームを中和する工程、
この中和イオンビームから電気偏極をドレインする工程、
上記適用される磁場に起因するローレンツ力を、この中和イオンビームに及ぼして、このイオンビームをベータトロン軌道に曲げる、工程、
を包含する、方法。
本発明の他の局面および特徴は、添付の図面とともに付けられた以下の説明を考慮することによって明らかになる。
を回避し、かつ電子とイオンの両方の古典的閉じ込めを容易にする方法および装置が提供される。
理想的な融合反応器は、イオンと電子の両方の異常輸送の問題を解決する。イオンの異常輸送は、イオンの大部分が大きな非断熱性軌道を有し、それらのイオンを、断熱性イオンの異常輸送を引き起こす短波長の揺らぎに対して非感受性にするような様式で、磁場反転配位(FRC)中の磁気的閉じ込めによって回避される。電子について、エネルギーの異常輸送は、外部から適用された磁場を調整して、強力な電場を発生させること(これは、静電気によって深いポテンシャル井戸にそれらの電子を閉じ込める)によって回避される。さらに、本発明の閉じ込めプロセスおよび装置とともに使用され得る融合燃料プラズマは、中性子燃料に制限されるのではなく、次世代燃料も有利に含む(次世代燃料の議論については、R.Feldbacher & M.Heindler,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,A271(1988)JJ−64(North Holland Amsterdam)を参照のこと)。
システムおよび装置を詳細に記載する前に、本明細書中に含まれる概念を理解するために必要な数個の重要な概念を最初に検討することは、有用である。
磁場
ほとんどのプラズマは、断熱性粒子を含む。断熱性粒子は、密接に、磁力線に従い、そして小さなジャイロ半径を有する。図5は、磁力線68に密接に従う断熱性粒子の粒子軌道66を示す。示される磁力線68は、トカマクの磁力線である。
移動中の荷電粒子は、電磁波を放射する。この粒子により放射される力は、電荷の2乗に比例する。イオンの電荷は、Zeであり、ここで、eは、電子の電荷であり、そしてZ
は、原子番号である。従って、各イオンについて、放射されるZ個の遊離電子が存在する。これらのZ個の電子により放射される全力は、原子番号の3乗(Z3)に比例する。
図8は、FRCの磁場を示す。この系は、その軸78に対して円柱状の対称性を有する。このFRCにおいて、磁力線の2つの領域:開領域80および閉領域82が存在する。2つの領域を分ける表面は、セパラトリクス84と呼ばれる。このFRCは、磁場が消滅する円柱状の零曲面86を形成する。FRCの中央部88において、磁場は、軸方向にはそれほど変化しない。端部90において、この磁場は、軸方向にかなり変化する。中心軸78に沿った磁場は、FRC中の方向を反転し、これは、磁場反転配位(Field Reversed configuration)中の用語「反転(reversed)」の由来である。
一方、零サークルの内側の磁場は、124である。勾配ドリフトの方向は、クロス乗積:
イオンを閉じ込める。図15Bにおいて、磁場150中を速度148で逆反磁性方向に移動するイオンが示される。右手の法則を用いることによって、ローレンツ力152が、開いた磁力線の領域にイオンを押し戻す傾向があることが理解され得る。従って、この場合、ローレンツ力152は、イオンを閉じ込めない。
プラズマ層106(図10を参照のこと)は、イオンの反磁性方向102で、零曲面86の周りにエネルギー性イオンビームをインジェクトすることによって、FRC中に形成され得る(FRCおよびプラズマリングの異なる形成方法の詳細な考察は、以下の通りである)。循環プラズマ層106において、イオンのほとんどは、ベータトロン軌道112を有し(図11を参照のこと)、エネルギー性であり、そして非断熱性である;従って、これらは、異常輸送を引き起こす短波長揺らぎに対して非感受性である。
ωe=ωi[1−ωi/Ω0]、ここで、Ω0=ZeB0/mic (4)
方程式4において、Zは、イオンの原子番号であり、miは、イオン質量であり、eは、電子の電荷であり、B0は、付与される磁場の大きさであり、そしてcは、光速である。この関係において、以下の3つの自由なパラメータがある:付与される磁場B0、電子の角速度ωe、およびイオンの角速度ωi。これらのうち2つが、既知である場合、3番目は、方程式4から決定され得る。
Wi=1/2×miVi 2=1/2×mi(ωir0)2
ここで、Vi=ωir0であり、ここで、Viは、イオンのインジェクション速度であり、ωiは、イオンのサイクロトロン振動数であり、そしてr0は、零曲面86の半径である。電子質量meは、イオン質量miよりはるかに小さいため、ビーム中の電子の運動エネルギーは、無視されている。
Ω0>ωiを意味し、その結果、電子は、逆反磁性方向で回転することを理解する。図16Bは、B0およびωeの値の同じセットについての電位(ボルト)を示す。図16Aおよび16Bにおいて、横軸は、FRC軸78からの距離を表す(このグラフ中でcmで示される)。電場および電位の解析式は、本発明の原理と共に以下に示される。これらの式は、ωeに強く依存する。
の燃料イオンにより促進される次世代燃料に、特に重要である。
本発明をモデル化するために、図10に示されるように、衝突ビーム系についての一次元平衡モデルを使用する。上記の結果は、このモデルから導かれた。このモデルは、粒子密度、磁場、電場および電位についての平衡式をどのように導き出すかを示す。本明細書中に示される平衡モデルは、1つのタイプのイオン(例えば、D−D反応)または複数のタイプのイオン(例えば、D−T、D−He3、およびp−B11)を含むプラズマ燃料に有効である。
FRC中の粒子密度および電磁場についての平衡解は、以下のブラソフ−マクスウェル方程式を首尾一貫して解くことによって得られる:
(a)全ての平衡特性は、軸方向位置zから独立している。
方程式10〜12を解くために、FRC中の電子およびイオンの回転ビームを適切に表す分布関数を選択しなければならない。この目的のための合理的な選択は、いわゆる剛性回転子分布であり、これは、均一に回転している基準系中のマクスウェルの分布である。剛性回転子分布は、運動の定数の関数である:
(証明)
本発明者らは、ドリフトマクスウェル(drifted Maxwellian)の形式のヴラソフ方程式(方程式10)の解を必要とする:
剛性ローター分布によってイオンおよび電子を記載することが適切であることが証明された以上、ヴラソフ方程式(方程式10)は、その1次モーメント、すなわち
完全に分解された1つの型のイオンの場合を、最初に考える。電荷を、ej=−e,Zeで与える。電子方程式を用いてErについて方程式24を解くことによって、
電子角運動量ωeについての表現もまた、方程式24〜26から誘導し得る。イオンが平均エネルギー1/2mi(rωi)2を有することが想定され、これは、FRCの形成方法によって決定される。従って、ωiは、FRC形成方法によって決定され、そしてωeは、電子およびイオンについての方程式を組み合わせて磁場を排除することによって、方程式24により決定され得る:
図21A〜Dにおいて、量
この分析を、複数の型のイオンを含むプラズマを含有するように実施し得る。目的の核融合燃料は、2種の異なる種のイオン(例えば、D−T、D−He3、およびB11)を含む。この等式(等式24〜26)は、j=e、1、2は、各場合においてZ1=1である場合、そして上記燃料に対してZ2=Z=1、2、5である場合、電子および2種の型のイオンを示すことを除いて、適用する。電子および2種の型のイオンの関する等式では、初等関数の点から正確に解かれ得ない。従って、適切な解で開始する反復法が、開発されている。
図25は、本発明に従う閉じ込めシステム300の好ましい実施形態を例示する。この
閉じ込めシステム300は、この閉じ込めシステム内に充填チャンバ310を規定するチャンバ壁305を備える。好ましくは、このチャンバ310は、円筒形状であり、主軸315は、このチャンバ310の中心に沿っている。閉じ込めシステム300を融合反応に適用するために、このチャンバ310内部に真空状態または真空に近い状態を作製することが必要である。主軸315の同軸には、kのチャンバ310内に配置されたベータトロン束コイル320が存在する。このベータトロン束コイル320は、示されるように、長いコイルの回りに直流が適用された、電流輸送媒体を備え、この長いコイルは、好ましくは、平行な多重の巻線分離コイル、そして最も好ましくは、平行な約4回の巻線分離コイルを備え、長いコイルを形成する。当業者は、ベータトロンコイル320を流れる電流により、ベータトロンコイル320内に磁場を実質的に主軸315の方向に生じることを理解する。
FRCを形成するために使用される従来の手順は、θ狭窄領域の反復手順を主に使用する。この従来の方法において、磁気バイアス領域は、中性ガスバック充填チャンバの周りの外部コイルによって適用される。一旦、これが生じると、このガスはイオン化され、そして磁性バイアス領域は、プラズマ中で凍結される。次に、外部コイル中の電流を迅速に逆方向に向け、そして先に凍結されたラインと接続する磁力線を逆方向に向け、閉じたFRC位相を形成する(図8を参照のこと)。この形成プロセスは、ほぼ経験的であり、そしてFRCの形成を制御する手段はほとんど存在しない。この方法は、乏しい再現性を有し、そして結果としてチューニング能力を有さない。
径a<<r0のリングによって実施される電流Ipを考える。このリングに対するリング基準の中心の磁場は、Bp=2πIp/(cr0)である。リングの電流Ip=Npe(Ω0/2π)は、角速度Ω0を有するNpによって輸送されると仮定する。半径r0=V0/Ω0で循環する単一イオンについて、Ω0=eB0/micが外部磁場B0のサイクロトロン振動数である。V0が、ビームイオンの平均速度であると仮定する。磁場反転は、以下のように規定され:
上記の閉じ込めシステム300内にFRCを形成する好ましい方法は、本明細書において、組み合わせビーム/ベータトロン形成と呼ばれる。このアプローチは、プラズマイオンの低いエネルギービームと、ベータトロン束コイル320を使用するベータトロン加速度を組み合わせる。
Physics of Intense Charged Particle Beams,(1982)を参照のこと)。当業者に理解されるように、外部に適用された磁場は、イオンビームがチャンバ310に入るとすぐに、この注入されたイオンビームにローレンツ力を及ぼすが、このビームは偏向せず、イオンビームが循環プラズマビーム335に到達するまでベータトロン軌道に入らないことが所望される。この問題を解決するために、このチャンバ310に入る前に、イオンビームは電子で中性化され、そして実質的に方向付けされていない磁場を介して方向付けされる。図26に例示されるように、イオン
ビーム350が適切な磁場を介して方向付けされた場合、正に荷電されたイオンおよび負に荷電された電子は、分離する。従って、このイオンビーム350は、電場に起因して、電気自己局在化を得る。この磁場は、例えば、永久磁石またはイオンビームの経路に沿った電磁石によって作製され得る。続いて、閉じ込めチャンバ310に導入される場合、得られる電場は、ビーム粒子の磁力と釣り合い、イオンビームが偏光しないようにする。図27は、イオンビーム350がプラズマ335と接触する場合のイオンビーム350の上面図を示す。示されるように、プラズマ335からの電子は、ビーム350に向かってまたは遠ざかるように電場に沿って移動し、これにより、ビームの電子局在化を弱める。このビームがもはや電気的に局在化しなくなった場合、このビームは、図25に示されるように、主軸315の回りのベータトロン軌道にある循環プラズマビーム335に加わる。
(a)密度分布は、以下:
(b)電場は、以下:
と同じである。式67もまた同様であるが、フラックス関数Ψは、さらなる項を有する。すなわち、Ψ=πr0 2<Bz>であり、ここで、
閉じ込め系300内にFRCを形成する別の好ましい方法は、本明細書中において、ベータトロン形成技術と称される。この技術は、ベータトロンフラックスコイル320を使用して、ベータトロンにより誘導された電流を直接駆動して、循環プラズマビーム335を加速することに基づく。この技術の好ましい実施形態は、低エネルギーのイオンビームの注入が不要であることを除いて、図25に示される閉じ込め系300を使用する。
(実験1:FRCを作製するための、磁気閉じ込め容器内での中性ビームの伝播および捕捉)
ビームの伝播および捕捉を、以下のパラメータレベルで、首尾よく実証した:
・減圧チャンバ寸法:約1m直径、1.5m長。
・ベータトロンコイル半径10cm。
・結晶ビーム軌道半径20cm。
・流れるビームプラズマの平均運動エネルギーは、約100eVであると測定され、密度約1013cm−3、運動温度(kinetic temperature)10eVのオーダー、およびパルス長約20μs。
・捕捉体積中で発生した平均磁場は、約100ガウスであり、上昇周期150μs。供給源:外側のコイルおよびベータトロンコイル。
・中和バックグラウンドプラズマ(実質的に水素ガス)は、約1013cm−3の平均密度、運動温度10eV未満によって特徴付けられた。
アセンブリの異なる構造設計を、全体的に円筒形配置で利用した。荷電電圧を、代表的に、5kVと7.5kVとの間に調節した。銃におけるピーク破壊電流は、250,000Aを超えた。実験の実行の部分の間、予めイオン化されたさらなるプラズマを、中心の銃電極アセンブリに供給する小さな周囲ケーブル銃のアレイによって、中性気体の注入前、注入中または注入後に提供した。これは、25μsを超える延長したパルス長を提供した。
FRC形成を、組み合わせたビーム/ベータトロン形成技術を利用して、首尾よく実証した。組み合わせたビーム/ベータトロン形成技術を、直径1mおよび長さ1.5mのチャンバにおいて、外部から適用される500Gまでの磁場、ベータトロンフラックスコイル320からの5kGまでの磁場および1.2×10−5トルの減圧を使用して、実施した。この実験において、バックグラウンドプラズマは、1013cm−3の密度を有し、そしてイオンビームを、1.2×1013cm−3の密度、2×107cm/sの速度、および約20μsのパルス幅(半分の高さにおいて)を有する中性水素ビームであった。場の反転が観察された
(実験3:ベータトロン形成技術を利用するFRC形成)
ベータトロン形成技術を利用するFRC形成を、以下のパラメータレベルにおいて首尾よく実証した:
・減圧チャンバ寸法:約1m直径、1.5m長。
・ベータトロンコイル半径10cm。
・プラズマ軌道半径20cm。
・減圧チャンバ内で発生した平均外部磁場は100ガウスまでであり、上昇周期150μsおよびミラー比2:1(供給源:外部コイルおよびベータトロンコイル)。
・バックグラウンドプラズマ(実質的に水素ガス)は、約1013cm−3の平均密度、10eV未満の運動温度によって特徴付けられた。
・このコンフィギュレーションの寿命は、この実験中に貯蔵された全エネルギーによって制限され、そして一般に、約30μsであった。
ベータトロン形成技術を利用してFRCを形成する試みを、実験的に、1mの直径および1.5mの長さのチャンバにおいて、外部から適用される500Gまでの磁場、ベータトロンフラックスコイル320からの5kGまでの磁場および5×10−6トルの減圧を使用して、実施した。この実験において、バックグラウンドプラズマは、実質的に、1013cm−3の密度および約40μsの寿命を有する水素ビームを含んだ。場の反転が観察された
(融合)
重要なことに、上記の閉じ込め系300などの内側にFRCを形成するためのこれら2つの技術は、内部で核融合を起こすために適切な特性を有するプラズマを生じ得る。より具体的には、これらの方法によって形成されたFRCは、任意の所望のレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速され得る。このことは、融合の適用および古典的な高エネルギー燃料ビームの閉じ込めのために重要である。従って、閉じ込め系300において、高
エネルギーのプラズマビームを、融合反応を起こすために十分な時間にわたって捕捉し、そして閉じ込めることが可能となる。
平均イオン温度:約30〜230keVの範囲、そして好ましくは、約80keV〜230keVの範囲
平均電子温度:約30〜100keVの範囲、そして好ましくは、約80〜100keVの範囲
燃料ビームのコヒーレントエネルギー(注入イオンビームおよび循環プラズマビーム):約100keV〜3.3MeVの範囲、そして好ましくは、約300keV〜3.3MeVの範囲
全磁場:約47.5〜120kGの範囲、そして好ましくは、約95〜120kGの範囲(外部から適用される場は、約2.5〜15kGの範囲、そして好ましくは、約5〜15kGの範囲)
古典的閉じ込め時間:燃料燃焼時間より長く、そして好ましくは、約10〜100秒の範囲
燃料イオン密度;約1014〜1016cm−3未満の範囲、そして好ましくは約1014〜1015cm−3の範囲
全融合電力:好ましくは、約50〜450kW/cm(チャンバの長さ1cmあたりの電力)の範囲。
ギーは、本願において議論されるような古典的輸送を提供するために必須である。これはまた、燃料プラズマに対する不安定性の影響を最少にする。磁場は、ビーム回転エネルギーからなる。この磁場は、部分的にプラズマビームによって作製され(自己の場)、次に、このプラズマビームを所望の軌道に維持するための支持および力を提供する。
融合生成物は、ゼロ表面(この表面から、これらの生成物は、セパラトリクス84(実施例8を参照のこと)に向かって拡散することによって、発生する)の近くで優先的に生じる。このことは、電子との衝突に起因する(イオンとの衝突は、質量中心を変化させず、従って、これらに磁力線を変化させない)。これらの高い運動エネルギー(生成物イオンは、燃料イオンよりずっと高いエネルギーを有する)に起因して、融合生成物は、セパラトリクス84を容易に横切り得る。一旦、これらの生成物イオンがセパラトリクス84を越えると、これらの生成物イオンがイオン−イオン衝突から生じる散乱を経験すると仮定すると、開いた磁力線80に沿って離れ得る。この衝突プロセスは、拡散を生じないが、イオン速度ベクトルの方向を、磁場に対して平行に向くように変化させ得る。これらの開いた磁力線80は、コアのFRCトポロジーを、FRCトポロジーの外側に提供される均一に適用される場と接続する。生成物イオンは、異なる磁力線上に生じ、これらのイオンは、エネルギーの分布を伴って(好都合には、回転する環状ビームの形態で)、この磁力線を辿る。セパラトリクス84の外側に見出される強い磁場(代表的に、約100kG)において、生成物イオンは、約1cmの最小値から最もエネルギーの高い生成物イオンに対する約3cmの最大値まで変化する回転半径の、関連する分布を有する。
Claims (20)
- 閉じ込め構造内に、電子およびイオンを有するプラズマを閉じ込める方法であって、該方法が、以下の工程:
磁場反転配位(FRC)磁場内で、複数のプラズマイオンを閉じ込め構造内に磁気的に閉じ込める工程、
該閉じ込め構造中の静電場によって形成された静電気ポテンシャルエネルギー井戸に、複数のプラズマ電子を静電的に閉じ込める工程、および
該複数のプラズマ電子を閉じ込めかつ適用された磁場の強度に対応する静電場の強度および注入されるイオンビームの速度で、該静電場を発生する工程、
を包含する、方法。 - 静電場をチューニングする工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記静電場をチューニングする工程が、前記適用された磁場の強度を調整する工程を包含する、請求項2に記載の方法。
- 前記静電場を発生する工程が、前記プラズマを前記FRC磁場内で反磁性方向で回す工程、および該プラズマを離れる電子に起因する正電荷を該プラズマ内に生成する工程を包含する、請求項3に記載の方法。
- 前記正電荷を生成する工程が、ローレンツ力を前記プラズマ電子に及ぼす工程を包含する、請求項4に記載の方法。
- 前記磁気的に閉じ込められた複数のプラズマイオンと、前記静電的に閉じ込められた複数のプラズマ電子とは、内側半径と外側半径とを有する環状プラズマ層を形成し、前記方法は、該イオンを、前記FRC磁場内で、ベータトロン軌道で回す工程をさらに包含し、該ベータトロン軌道は、該環状プラズマ層の内側半径より大きく、該環状プラズマ層の外側半径より小さい半径を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記イオンを磁気的に閉じ込める工程が、前記複数のプラズマイオンに作用するローレンツ力によって、前記FRC磁場内で前記イオンを軌道で回らせる工程を包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記イオンを反磁性方向で軌道で回す工程をさらに包含する、請求項7に記載の方法。
- 前記磁気的に閉じ込められた複数のプラズマイオンと、前記静電的に閉じ込められた複数のプラズマ電子とは、内側半径と外側半径とを有する環状プラズマ層を形成し、
前記方法は、イオンドリフト軌道を反磁性方向に実質的に方向付ける工程をさらに包含し、
ドリフト軌道を有するイオンは、小さな円上の点に対応する経路を追跡し、該小さな円は、相対的に大きな円上を回転し、
該小さな円の直径は、該内側半径と該外側半径との間の距離よりも小さく、
該相対的に大きな円の半径は、該環状プラズマ層の内側半径より大きく、該環状プラズマ層の外側半径より小さい、請求項8に記載の方法。 - イオンドリフト軌道を反磁性方向に方向付ける前記工程が、静電場からの静電気力を前記プラズマイオンに及ぼす工程を包含する、請求項9に記載の方法。
- 前記閉じ込め構造内に適用される磁場を発生させ、前記プラズマを回転し、電流を発生させて、該プラズマを囲む自己磁場を形成する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
- 磁場反転配位(FRC)を有する磁場を形成する工程をさらに包含する、請求項11に記載の方法。
- 前記FRC磁場を形成する工程が、前記適用される磁場と前記自己磁場を組み合わせて、FRC磁場を形成する工程を包含する、請求項12に記載の方法。
- 前記閉じ込め構造内に方位性電場を生成する工程をさらに包含する、請求項13に記載の方法。
- 前記方位性電場を前記プラズマイオンおよび電子に結合し、該プラズマイオンおよびプラズマ電子に加速力を及ぼす工程をさらに包含する、請求項14に記載の方法。
- 前記方位性電場を生成する工程が、複数の別々のコイルの平行巻線を含むベータトロンフラックスコイルを通る電流を増加させる工程を包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記複数のプラズマ電子を静電的に閉じ込める工程が、前記FRC磁場内で該複数のプラズマ電子を逆反磁性方向で軌道で回す工程を包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記電子を冷却する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記プラズマが、少なくとも2種の異なるイオン種を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記プラズマが、燃料としてD−He 3 またはp−B 11 を使用する、請求項1に記載の方法。
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