JP7203768B2 - プラズマ閉込めシステムおよび使用するための方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年６月７日に提出された、米国仮特許出願第６２／５１６，５０８号の利益を主張しており、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれている。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、エネルギー省（ＤＯＥ）によって授与された許可番号ＤＥ－ＡＲ００００５７１の下に政府の支援により作成された。政府は、本発明に特定の権利を有する。
そうでないことが本明細書で指摘されなければ、このセクションに記載される題材は、本出願における特許請求の範囲に対する従来技術ではなく、このセクションに含まれるものによって従来技術であると認められるわけでもない。
核融合は、２つの原子核を結合するプロセスである。鉄より少ない原子数を有する元素の２つの原子核が融合されたとき、エネルギーが放出される。エネルギーの放出は、反応物と融合反応の生成物との質量のわずかな差によるものであり、ΔＥ=Δｍｃ2によって決められる。エネルギーの放出はまた、反応原子核の間の、反発する静電力に打ち勝つ反応原子核同士の引きつけ合う強力な核力にも左右される。
最も低いプラズマ温度を必要とする融合反応は、ジュウテリウム（１つのプロトンと１つの中性子を含む水素原子核）とトリチウム（１つのプロトンと２つの中性子を含む水素原子核）との間に起きる。この反応は、ヘリウム－４原子核と、中性子を生み出す。
核融合を達成するための１つの手法は、原子炉室の内部でガスを含有する融合反応物を活性化させることである。活性化されたガスは、イオン化を通してプラズマになる。融合するのに十分な温度と密度を有する状態を達成するためにはこのプラズマを閉じ込める必要がある。
本開示の第１の態様は、プラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された丸められた第１の端部を有する内側電極と、内側電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含むプラズマ閉込めシステムである。外側電極は、固体導電シェルと、固体伝導シェル上に配置され、プラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された導電性材料とを含む。導電性材料は、１大気圧で１７０℃～８００℃の範囲内の溶融点を有する。
本開示の第２の態様は、プラズマ閉込めシステムを作動させるための方法である。プラズマ閉込めシステムは、プラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された丸められた第１の端部を有する内側電極と、内側電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含む。方法は、プラズマ閉込めシステムにガスを流し込むことと、電源を介して、内側電極と外側電極との間に電圧を印加し、これによりガスの少なくとも一部を（ｉ）外側電極の固体伝導シェル上に配置され、プラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された導電性材料と(ｉｉ)内側電極の丸められた第１の端部との間を流れるＺピンチプラズマに変換することとを含む。導電性材料は、１大気圧で１７０℃～８００℃の範囲内の溶融点を有する。方法はまた、導電性材料の第１の液体部分をプラズマ閉込めシステムから外に移動させることも含む。導電性材料の第１の液体部分は、Ｚピンチプラズマの反応生成物を介して加熱される。
本開示の第３の態様は、内側電極と、内側電極を少なくとも部分的に取り囲む中間電極と、中間電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含むプラズマ閉込めシステムである。外側電極は、固体伝導シェルと、固体伝導シェル上に配置された導電性材料とを含む。導電性材料は、１大気圧で１８０℃～８００℃の範囲内の溶融点を有する。
本開示の第４の態様は、プラズマ閉込めシステムを作動させるための方法である。プラズマ閉込めシステムは、内側電極と、内側電極を少なくとも部分的に取り囲む中間電極と、中間電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含む。方法は、内側電極と中間電極との間の加速領域にガスを流し込むことと、第１の電源を介して、内側電極と中間電極との間に電圧を印加し、これによりガスの少なくとも一部を、実質的に環状の断面を有するプラズマに変換することとを含み、プラズマは、加速領域の中を軸方向に内側電極の第１の端部および外側電極の第１の端部に向かって流れる。方法はまた、第２の電源を介して、内側電極と外側電極との間に電圧を印加して、（ｉ）外側電極の固体伝導シェル上に配置された導電性材料と（ｉｉ）内側電極の第１の端部との間を流れるＺピンチプラズマを確立することを含む。導電性材料は、１大気圧で１８０℃～８００℃の範囲内の溶融点を有する。方法はまた、導電性材料の第１の液体部分をプラズマ閉込めシステムから外に移動させることも含む。導電性材料の第１の液体部分は、Ｚピンチプラズマの反応生成物を介して加熱される。
「実質的に」または「およそ」という用語が本明細書で使用される場合、それは、説明される特徴、パラメータまたは値を正確に達成する必要はないが、例えば、公差、測定誤差、測定精度の限界および当業者に知られる他の要因を含めたずれや変動が、その特徴が与えることが意図された作用を妨げることのない量で生じる可能性があることを意味している。本明細書に開示される一部の例では、「実質的に」または「およそ」は、説明される値の+／-５％の範囲内を意味している。
このような、ならびに他の態様、利点および代替形態は、必要に応じて添付の図面を参照して以下の詳細な記載を読むことによって当業者に明らかになるであろう。さらに、この概要および他の記載ならびにここに提供される図面は、単なる例として本発明を例示することが意図されており、したがってその多くの変形形態も可能であることを理解されたい。
一例の実施形態によるプラズマ閉込めシステムの概略断面図である。 一例の実施形態によるプラズマ閉込めシステムの概略断面図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムを作動させるための方法のブロック図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムを作動させるための方法のブロック図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。 一例の実施形態による、プラズマ閉込めシステムおよび作動のための方法のいくつかの態様を例示する図である。
プラズマ閉込めシステムおよびその使用のための方法の種々の実施形態が本明細書に開示される。開示される実施形態は、既存のシステムおよび方法と比較したとき、向上したプラズマ安定性、より強固なせん断プラズマ流れ、より小さいＺピンチプラズマ半径、より高い磁場および／またはより高いプラズマ温度を促進し得る。開示される実施形態の一部は、プラズマ加速とプラズマ圧縮の独立した制御も同様に呈示する。
開示される実施形態の一部の付加的な特徴は、そこに配置された（例えばプラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された）液体電極材料を有する１つまたは複数の電極を含む。液体電極材料は、プラズマ放電から熱を吸収し移動させ、中性子遮へい体を提供し、追加のトリチウムを増殖し、追加の真空汲み出し（排気）を実現し、トリチウム回収媒体を提供することができる。液体電極材料の使用は、例えばプラズマ放電の熱によって生じる（固体）電極の損傷などの問題を軽減するのに役立つ場合がある。液体電極材料が真空チャンバ内のその流れに対して方位角成分および／または軸方向成分を有するように、真空チャンバ（例えば堰付きの壁を横切るように）の中で液体電極材料を循環させることもできる。
図１は、プラズマ閉込めシステム１００の概略側面図である。プラズマ閉込めシステム１００は、プラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６（例えば円筒対称の軸）の上に配置された丸められた第１の端部１０４を有する内側電極１０２を含む。プラズマ閉込めシステム１００はまた、内側電極１０２を少なくとも部分的に取り囲む外側電極も含む。外側電極は、固体伝導シェル１０８と、固体伝導シェル１０８上に配置され、プラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６の上に配置された導電性材料１１０とを含む。導電性材料１１０は、１大気圧で１７０℃～８００℃（例えば１８０℃～５５０℃）の範囲内の溶融点を有する。種々の例では、導電性材料１１０は、共融合金、合金またはリチウム、鉛またはスズのうちの１つまたは複数の混合物の形態を採る場合がある。
内側電極１０２は一般に、実質的に円筒形の本体を有する導電性のシェル（例えばステンレス鋼、モリブデン、タングステンまたは銅のうちの１つまたは複数で形成された）の形態を採る。内側電極１０２は、第１の端部１０４（例えば丸められた端部）と、対向する第２の端部１２６（例えば実質的にディスク形状の端部）とを含む。第１の端部１０４は、例えばグラファイトまたはカーボンファイバなどの炭素系材料、あるいはステンレス鋼、モリブデン、タングステンまたは銅のうちの１つまたは複数で形成することができる。いくつかの実施形態において、内側電極１０２は、１大気圧で１８０°～８００°（例えば１８０°～５５０°）の範囲内の溶融点を有する導電性材料を含むコーティングをその外面上に有する。種々の例では、導電性材料は、共融合金、合金、あるいはリチウム、鉛またはスズのうちの１つまたは複数の混合物の形態を採る場合がある。あるいは導電性材料は、元素として存在するのリチウム、鉛またはスズの形態を採る場合もある。
プラズマ閉込めシステム１００は、内側電極１０２を長手方向軸１０６に沿ってプラズマ閉込めシステム１００の中に、またはそこから外に移動させるように構成された送り機構１１２（例えば電気機械システム）をさらに含む。作動中、内側電極１０２は、プラズマ放電によって腐食する可能性があり、内側電極１０２とプラズマ閉込めシステム１００の他の構成要素との間に相対的な空間を維持するために、内側電極１０２を送り込むように送り機構１１２を作動させることができる。
プラズマ閉込めシステム１００は、プラズマ閉込めシステム１００の作動中、内側電極１０２を冷却するように構成された冷却システム１１４（例えば熱交換器）をさらに含む。
外側電極は一般に、実質的に円筒形の本体を有する導電性の（例えばステンレス鋼）のシェルの形態を採る。外側電極の固体伝導シェル１０８は、固体伝導外側シェル１３２と、固体伝導外側シェル１３２の中に配置され、固体伝導外側シェル１３２と接触する固体内側シェル１３４（導電性材料、またはシリコンカーバイドなどの高い抵抗性材料で形成された）とを含む。より具体的には、固体内側シェル１３４は、プラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６を少なくとも部分的に取り巻く（例えば内側電極１０２を部分的に取り巻く）軸方向の壁１３６と、軸方向の壁１３６を固体伝導外側シェル１３２に結合する半径方向の壁１３８とを含む。
外側電極は、第１の端部１２０と、対向する第２の端部１２２とを含む。内側電極１０２の丸められた第１の端部１０４は、外側電極の第１の端部１２０（例えば実質的にディスク形状の端部）と外側電極の第２の端部１２２（例えば実質的に環状の端部）との間にある。半径方向の壁１３８と外側電極の第１の端部１２０は、プラズマ閉込めシステム１００内にプール領域１４０を形成する。プール領域１４０は、プラズマ閉込めシステム１００の中にあるかなりの量の（例えば液体の）導電性材料１１０のための貯蔵槽として機能する。示されるように、導電性材料１１０はまた、以下でより詳細に考察するように、ポンプ１５０および／またはポンプ１５６によって軸方向の壁１３６の端部１４８を横切るように循環させることもできる。
外側電極は、（すなわち固体伝導シェル１０８および導電性材料１１０）は、内側電極１０２のほとんどを取り囲む。内側電極１０２と外側電極は、同軸であってよく、長手方向軸１０６に対して半径方向の対称性を有してよい。
プラズマ閉込めシステム１００はまた、熱交換器１４２と、熱交換器１４２からプール領域１４０に導電性材料１１０を誘導するように構成された第１の出入り口１４４と、プール領域１４０から熱交換器１４２に導電性材料１１０を誘導するように構成された第２の出入り口１４６とを含む。熱交換器１４２は、第２の出入り口１４６を通して、プラズマ閉込めシステム１００内で加熱された導電性材料１１０を受け取り、導電性材料１１０から熱を抜き取り、プラズマ閉込めシステム１００の中で起こる融合反応によって再び加熱されるように、第１の出入り口１４４を通して導電性材料１１０をプール領域１４０に戻るように移動させる（例えばポンプで汲み上げる）ように構成される。図１では、第１の出入り口１４４は、第２の出入り口１４６より上に示されているが、他の例では、第２の出入り口１４６が第１の出入り口１４４より上である場合もある。当業者は、種々の例において、出入り口１４４と１４６は様々な相対的な位置を有する場合があることを認識するであろう。
上記で指摘したように、軸方向の壁１３６は、外側電極の第２の端部１２２に面する端部１４８を含む。プラズマ閉込めシステム１００はまた、プール領域１４０から、軸方向の壁１３６の外側であり半径方向の壁１３８によってプール領域１４０から隔てられた領域１５２に導電性材料１１０を移動させるように構成された第１のポンプ１５０も含む。第１のポンプ１５０は、軸方向の壁１３６の端部１４８を横切って軸方向の壁１３６の内側の領域１５４に導電性材料１１０を移動させるように構成される。
プラズマ閉込めシステム１００はまた、プール領域１４０から、軸方向の壁１３６の外側にあり半径方向の壁１３８によってプール領域１４０から隔てられた領域１５２に導電性材料１１０を移動させるように構成された第２のポンプ１５６も含む。
プラズマ閉込めシステム１００はまた、プラズマ閉込めシステム１００の中のベース圧力が１０-5～１０-8トールの範囲内になるように、プラズマ閉込めシステム１００の外に空気を汲み出すように構成されたポンプ１７０（例えばターボ分子ポンプ）も含む。
プラズマ閉込めシステム１００はまた、ガス源１２８（例えば加圧されたガスタンク）から、半径方向に内側電極１０２と外側電極との間にある加速領域１２１にガス（例えばトリチウム、ジュウテリウム、ヘリウム－３、水素、ホウ素含有ガスまたはボラン）を誘導するように構成された１つまたは複数のガスの出入り口１１６も含む。加速領域１２１は、内側電極１０２および固体伝導シェル１０８の形状によって画定された実質的に環状の断面を有する。図１に示されるように、１つまたは複数のガスの出入り口１１６は、内側電極１０２の第１の端部１０４と内側電極１０２の第２の端部１２６との間に軸方向に位置決めされる。
プラズマ閉込めシステム１００はまた、内側電極１０２と外側電極（固体伝導シェル１０８）との間に電圧を印加するように構成された電源１１８も含む。電源１１８は一般に、例えば５００ｋＪまで、または３～４ＭＪまでの蓄積が可能なコンデンサバンクの形態を採る。電源１１８の正端子は、内側電極１０２に結合される場合、または代替として外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）に結合される場合もある。
プラズマ閉込めシステム１００は、内側電極１０２の第１の端部１０４と外側電極の第１の端部１２０との間で外側電極の範囲内に堆積領域１２４を含む。プラズマ閉込めシステム１００は、以下に記載するように堆積領域１２４の中でＺピンチプラズマを維持するように構成されている。
プラズマ閉込めシステム１００はまた、内側電極１０２と外側電極との間の電気的な隔離を維持するために、外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）の第２の端部１２２と内側電極１０２との間に絶縁体１１７を含む。絶縁体１１７（例えばセラミック材料）は一般に、環状の断面を有する。
図２は、プラズマ閉込めシステム２００の概略断面図である。プラズマ閉込めシステム２００は、以下に記載される違いがあるが、プラズマ閉込めシステム１００の特徴のうちのいくつかを有することができる。プラズマ閉込めシステム１００とプラズマ閉込めシステム２００の１つの違いは、以下に記載するようにプラズマ閉込めシステム２００の一部としての中間電極２０５の存在である。
プラズマ閉込めシステム２００は、内側電極２０２と、内側電極２０２を少なくとも部分的に取り囲む中間電極２０５（例えば実質的に環状の電極）と、中間電極２０５を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含む。外側電極は、固体伝導シェル２０８と、固体伝導シェル２０８上に（例えば長手方向軸２０６上に）配置された導電性材料２１０とを含む。導電性材料２１０は、１大気圧で１８０℃～８００℃（例えば１８０℃～５５０℃）の範囲内の溶融点を有する。種々の例では、導電性材料２１０は、共融合金、合金、あるいはリチウム、鉛またはスズのうちの１つまたは複数の混合物の形態を採る場合がある。
内側電極２０２は一般に、実質的に円筒形の本体を有する導電性のシェル（例えばステンレス鋼、モリブデン、タングステンまたは銅のうちの１つまたは複数で形成された）の形態を採る。内側電極２０２は、第１の端部２０４（例えば丸められた端部）と、対向する第２の端部２２６（例えば実質的にディスク形状の端部）とを含む。第１の端部２０４は、例えばグラファイトまたはカーボンファイバなどの炭素系材料、あるいはステンレス鋼、モリブデン、タングステンまたは銅のうちの１つまたは複数で形成される場合がある。いくつかの実施形態において、内側電極２０２は、１大気圧で１８０°～８００°（例えば１８０°～５５０°）の範囲内の溶融点を有する導電性材料を含むコーティングをその外面上に有する。種々の例では、導電性材料は、共融合金、合金あるいはリチウム、鉛またはスズのうちの１つまたは複数の混合物の形態を採る場合がある。
中間電極２０５は、外側電極の第１の端部２２０と外側電極の第２の端部２２２との間に第１の端部２２７（例えば実質的に環状の端部）を含む。中間電極２０５はまた、実質的に環状の対向する第２の端部２２３も含む。
プラズマ閉込めシステム２００は、内側電極２０２を長手方向軸２０６に沿ってプラズマ閉込めシステム２００内に、またはそこから外に移動させるように構成された送り機構２１２（例えば電気機械システム）をさらに含む。作動中、内側電極２０２は、プラズマ放電によって腐食する可能性があり、内側電極２０２とプラズマ閉込めシステム２００の他の構成要素との間に相対的な空間を維持するために、内側電極２０２を送り込むように送り機構２１２を作動させることができる。
プラズマ閉込めシステム２００は、プラズマ閉込めシステム２００の作動中、内側電極２０２を冷却するように構成された冷却システム２１４（例えば熱交換器）をさらに含む。
外側電極は一般に、実質的に円筒形の本体を有する導電性の（例えばステンレス鋼）シェルの形態を採る。外側電極の固体伝導シェル２０８は、固体伝導外側シェル２３２と、固体伝導外側シェル２３２上に配置され、固体伝導外側シェル２３２と接触する固体内側シェル２３４（例えば導電性材料、またはシリコンカーバイドなど高い抵抗性の材料で形成された）とを含む。より具体的には、固体内側シェル２３４は、プラズマ閉込めシステム２００の長手方向の軸２０６を少なくとも部分的に取り巻く（例えば内側電極２０２を部分的に取り巻く）軸方向の壁２３６と、軸方向の壁２３６を固体伝導外側シェル２３２に結合する半径方向の壁２３８とを含む。
外側電極は、第１の端部２２０と、対向する第２の端部２２２とを含む。内側電極２０２の丸められた第１の端部２０４は、外側電極の第１の端部２２０（例えば実質的にディスク形状の端部）と外側電極の第２の端部２２２（例えば実質的に円形または環状の端部）との間にある。半径方向の壁２３８と外側電極の第１の端部２２０は、プラズマ閉込めシステム２００の内部にプール領域２４０を形成する。プール領域２４０は、プラズマ閉込めシステム２００の中にあるかなりの量の（例えば液体の）導電性材料２１０のための貯蔵槽として機能する。示されるように、導電性材料２１０はまた、以下でより詳細に考察するように、ポンプ２５０および／またはポンプ２５６によって軸方向の壁２３６の端部２４８を横切るように循環させることもできる。
外側電極は、（すなわち固体伝導シェル２０８および導電性材料２１０）は、内側電極２０２のほとんどを取り囲む。内側電極２０２と外側電極は、同軸であってよく、長手方向軸２０６に対して半径方向の対称性を有してよい。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、熱交換器２４２と、熱交換器２４２からプール領域２４０に導電性材料２１０を誘導するように構成された第１の出入り口２４４と、プール領域２４０から熱交換器２４２に導電性材料２１０を誘導するように構成された第２の出入り口２４６とを含む。熱交換器２４２は、第２の出入り口２４６を通して、プラズマ閉込めシステム２００内で加熱された導電性材料２１０を受け取り、導電性材料２１０から熱を抜き取り、プラズマ閉込めシステム２００の中で起こる融合反応によって再び加熱されるように、第１の出入り口２４４を通して導電性材料２１０をプール領域２４０に戻るように移動させる（例えばポンプで汲み上げる）ように構成される。図２では、第１の出入り口２４４は、第２の出入り口２４６より上に示されているが、他の例では、第２の出入り口２４６が第１の出入り口２４４より上である場合もある。当業者は、種々の例において、出入り口２４４と２４６は様々な相対的な位置を有する場合があることを認識するであろう。
上記で指摘したように、軸方向の壁２３６は、外側電極の第２の端部２２２に面する端部２４８を含む。プラズマ閉込めシステム２００はまた、プール領域２４０から、軸方向の壁２３６の外側であり半径方向の壁２３８によってプール領域２４０から隔てられた領域２５２に導電性材料２１０を移動させるように構成された第１のポンプ２５０も含む。第１のポンプ２５０は、軸方向の壁２３６の端部２４８を横切って軸方向の壁２３６の内側の領域２５４に導電性材料２１０を移動させるように構成される。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、プール領域２４０から、軸方向の壁２３６の外側にあり半径方向の壁２３８によってプール領域２４０から隔てられた領域２５２に導電性材料２１０を移動させるように構成された第２のポンプ２５６も含む。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、プラズマ閉込めシステム２００の中のベース圧力が１０-5～１０-8トールの範囲内になるように、プラズマ閉込めシステム２００の外に空気を汲み出すように構成されたポンプ２７０（例えばターボ分子ポンプ）も含む。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、ガス源２２８（例えば加圧されたガスタンク）から、半径方向に内側電極２０２と中間電極２０５との間にある加速領域２１８にガス（例えばトリチウム、ジュウテリウム、ヘリウム－３、水素、ホウ素含有ガスまたはボラン）を誘導するように構成された１つまたは複数のガスの出入り口２１６も含む。加速領域２１８は、内側電極２０２および中間電極２０５の形状によって画定された実質的に環状の断面を有する。図２に示されるように、１つまたは複数のガスの出入り口２１６は、内側電極２０２の第１の端部２０４と内側電極１０２の第２の端部２２６との間に軸方向に位置決めされる。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、内側電極１０２と中間電極２０５との間に電圧を印加するように構成された電源２１８も含む。電源２１８は一般に、例えば５００ｋＪまで、または３～４ＭＪまでの蓄積が可能なコンデンサバンクの形態を採る。電源２１８の正端子は、内側電極１０２に結合される場合、または代替として中間電極２０５に結合される場合もある。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、内側電極１０２と外側電極（例えば固体伝導シェル２０８）との間に電圧を印加するように構成された電源２１９も含む。電源２１９は一般に、例えば５００ｋＪまで、または３～４ＭＪまでの蓄積が可能なコンデンサバンクの形態を採る。電源２１９の正端子は、内側電極１０２に結合される場合、または代替として外側電極（例えば固体伝導シェル２０８）に結合される場合もある。
プラズマ閉込めシステム２００は、内側電極２０２の第１の端部２０４と外側電極の第１の端部２２０との間で外側電極の範囲内に堆積領域２２４を含む。
プラズマ閉込めシステム２００は、以下に記載するように堆積領域２２４の中でＺピンチプラズマを維持するように構成されている。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、内側電極２０２と中間電極２０５との間の電気的な隔離を維持するために、中間電極２０５の第２の端部２２３と内側電極２０２との間に絶縁体２１７を含む。絶縁体２１７（例えばセラミック材料）は一般に、環状の断面を有する。
プラズマ閉込めシステム２００はまた、固体伝導シェル２０８と中間電極２０５との間の電気的な隔離を維持するために、固体伝導シェル２０８と中間電極２０５との間にも絶縁体２２９を含む。絶縁体２２９（例えばセラミック材料）は一般に、環状の断面を有する。
図３は、プラズマ閉込めシステム（例えばプラズマ閉込めシステム１００）を作動させるための方法３００のブロック図である。プラズマ閉込めシステムは、プラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された丸められた第１の端部を有する内側電極と、内側電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含む。図４～図９は、以下に記載するように方法３００の態様の一部を例示している。図４～図９は、水平方向に位置合わせされたプラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６を示しているが、実際には、長手方向軸１０６は一般に垂直方向に位置合わせされる。
ブロック３０２において、方法３００は、プラズマ閉込めシステムにガスを流し込むことを含む。
図４に示されるように、例えば１つまたは複数のガスの出入り口１１６が、ガス３１０（例えばトリチウム、ジュウテリウム、ヘリウム－３、水素、ホウ素含有ガスまたはボランのうちの１つまたは複数）を、内側電極１０２と内側電極１０２を概ね取り囲む外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）との間の加速領域１２１に誘導することができる。図４は、最初の量のガス３１０が加速領域１２１に進入するのを示しており、図５は、その後、追加の量のガス３１０が加速領域１２１に進入するのを示している。
ガス３１０が流れた後、加速領域１２１の中の１つまたは複数のガスの出入り口１１６に隣接するガス圧は、電源１１８を介して内側電極１０２と外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）との間の電圧が印加される前は１０００から５８００トール（例えば５４５０～５５５０トール）の範囲内であり得る。
ブロック３０４において、方法３００は、電源を介して、内側電極と外側電極との間に電圧を印加し、これにより、ガスの少なくとも一部を（ｉ）外側電極の固体伝導シェルの上およびプラズマ閉込めシステムの長手方向軸の上に配置された導電性材料と（ｉｉ）内側電極の丸められた第１の端部との間を流れるＺピンチプラズマに変換することを含む。導電性材料は、１大気圧で１７０℃～８００℃（例えば１８０℃～５５０℃）の範囲内の溶融点を有する。
例えば図６～図９を参照すると、電源１１８は、内側電極１０２と外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）との間に電圧を印加し、これによりガス３１０の少なくとも一部を（ｉ）外側電極の固体伝導シェル１０８の上およびプラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６上に配置された導電性材料１１０と（ｉｉ）内側電極１０２の丸められた第１の端部１０４との間を流れるＺピンチプラズマ３１８に変換することができる。
例えば電源１１８は、内部電極１０２と固体伝導シェル１０８との間に電圧を印加し、これによりガス３１０の少なくとも少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマ３１６（図６～図９を参照）に変換することができる。その独自の電流によって生成される磁場により、プラズマ３１６は、図６～図９に順を追って示されるように、加速領域１２１内を軸方向に内側電極１０２の第１の端部１０４および外側電極の第１の端部１２０に向かって流れてよい。
図８および図９に示されるように、プラズマ３１６が加速領域１２１を越えて移動する際、Ｚピンチプラズマ３１８が、堆積領域１２４内で、（ｉ）外側電極の固体伝導シェル１０８上およびプラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６上に配置された導電性材料１１０と（ｉｉ）内側電極１０２の丸められた第１の端部１０４との間に確立される。
Ｚピンチプラズマ３１８は、せん断軸方向流れを呈し、０．１ｍｍから５ｍｍの間の半径、９００～５０，０００ｅＶの間のイオン温度、５００ｅＶを超える(例えば５０，０００ｅＶまでの)電子温度、１ｘ１０23イオン／ｍ3を超えるイオン数密度、１ｘ１０23電子／ｍ3を超える電子数密度、８Ｔを超える磁場を有することができる、および／または少なくとも１０μｓの間安定している場合もある。
ブロック３０６では、方法３００は、導電性材料の第１の液体部分をプラズマ閉込めシステムから外に移動させることを含む。導電性材料の第１の液体部分は、Ｚピンチプラズマの反応生成物（例えば中性子および他の高エネルギー粒子）を介して加熱される。
熱交換器１４２が、第２の出入口１４６を通して、プラズマ閉込めシステム１００内で加熱される導電性材料１１０の一部を受け取り、導電性材料１１０から熱を抜き取り、プラズマ閉込めシステム１００の中で起こる融合反応によって再び加熱されるように、第１の出入口１４４を通して導電性材料１１０をプール領域１４０に戻るように移動させる（例えばポンプで汲み上げる）ことができる。プラズマ閉込めシステム１００内にプラズマ放電を形成する前に、導電性材料１１０は一般にプラズマ閉込めシステム１００の中に配置された（例えば電気の）加熱要素を利用して液体状態になるように加熱される（例えば溶解される）。
プラズマ閉込めシステム１００は、内側電極１０２を長手方向軸１０６に沿ってプラズマ閉込めシステム１００内に、またはそこから外に移動させることができる送り機構１１２（例えば電気機械システム）を含む。作動中、内側電極１０２は、プラズマ放電によって腐食する可能性があり、内側電極１０２とプラズマ閉込めシステム１００の他の構成要素との間に相対的な空間を維持するために、内側電極１０２を送り込むように送り機構１１２を作動させることができる。
加えて、ポンプ１５０および１５６は、導電性材料１１０を外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）を横切るように移動させる、または循環させることができ、その結果、導電性材料１１０の異なる部分を使用して、経時的にＺピンチプラズマ３１８から電流および／または熱を（例えば長手方向軸１０６において）吸収することができる。プラズマ閉込めシステム１００の作動中、導電性材料１１０のほとんど、またはその全ては概ね、液体状態である。
いくつかの実施形態において、ポンプ１５０および１５６は、外側電極を横切るように（例えば固体伝導シェル１０８を横切るように）移動された導電性材料１１０が、プラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸１０６に対して方位角方向に（例えばそのページの中へ、および／またはそのページから外に）、および／または軸方向に移動させられるように導電性材料１１０を移動させる。
より具体的には、ポンプ１５０または１５６は、導電性材料１１０を、プール領域１４０から、軸方向の壁１３６の外側にあり半径方向の壁１３８によってプール領域１４０から隔てられた領域１５２に移動させることができる。加えて、ポンプ１５０または１５６は、導電性材料１１０を、軸方向の壁１３６の端部１４８を横切って軸方向の壁１３６の内側の領域１５４に移動させ、またプール領域１４０に向かって戻るように移動させることもできる。
種々の実施形態において、内側電極１０２と外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）との間に印加される電圧は、２ｋＶ～３０ｋＶの範囲内である。内側電極１０２と外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）との間に印加される電圧は、３０ｋＶ／ｍから５００ｋＶ／ｍの範囲内で半径方向の電場を生じさせることができる。
いくつかの実施形態において、Ｚピンチプラズマ３１８は、０．１ｍｍから５ｍｍの間の半径、９００から５０，０００ｅＶの間のイオン温度および５００ｅＶを超える(例えば５０，０００ｅＶまでの)電子温度を有する。Ｚピンチプラズマ３１８は、１ｘ１０23イオン／ｍ3を超えるイオン数密度、または１ｘ１０23電子／ｍ3を超える電子数密度を有することができ、８Ｔを超える磁場を有するせん断流れを呈することができる。Ｚピンチプラズマ３１８は、少なくとも１０μｓの間安定を示す場合もある。
いくつかの実施形態において、Ｚピンチプラズマ３１８の反応生成物は、中性子を含む。したがってプラズマ閉込めシステム１００の作動中、中性子および導電性材料１１０の一部は、熱交換器１４２において回収するための追加のトリチウム燃料を生成するために消費される場合がある。導電性材料１１０の反応性質はまた、蒸気粒子を捕らえることによって、プラズマ閉込めシステム１００内のベース圧力を低減させるような役割を果たす場合もある。
一部の実施形態は、熱交換器１４２が導電性材料１１０を熱交換器１４２からプール領域１４０に移動させる速度を調節することによって、または導電性材料１１０がプール領域１４０から熱交換器１４２に移動する速度を調節することによって、固体伝導シェル１０８上の導電性材料１１０の厚さを制御することを含む。導電性材料１１０がプール領域１４０に流れ込む速度を上げることは大抵、固体伝導シェル１０８上の導電性材料１１０の厚さを拡大することになる。導電性材料１１０がプール領域１４０を出て熱交換器１４２へと流れる速度を上げることは大抵、固体伝導シェル１０８上の導電性材料１１０の厚さを縮小することになる。
図１０は、プラズマ閉込めシステム（例えばプラズマ閉込めシステム２００）を作動させるための方法１０００のブロック図である。プラズマ閉込めシステムは、内側電極と、内側電極を少なくとも部分的に取り囲む中間電極と、中間電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを含む。図１１～図１６は、以下に記載するように、方法１０００の態様の一部を例示している。図１１～図１６は、水平方向に位置合わせされたプラズマ閉込めシステム２００の長手方向軸２０６を示しているが、実際には長手方向軸２０６は一般に垂直方向に位置合わせされる。
ブロック１００２において、方法１０００は、内側電極と中間電極との間の加速領域にガスを流し込むことを含む。
図１１に示されるように、例えば１つまたは複数のガスの出入り口２１６が、ガス３１０（例えばトリチウム、ジュウテリウム、ヘリウム－３、水素、ホウ素含有ガスまたはボランのうちの１つまたは複数）を、内側電極２０２と内側電極２０２を部分的に取り囲む中間電極２０５との間の加速領域２２１に誘導することができる。図１１は、最初の量のガス３１０が加速領域２２１に進入するのを示しており、図１２は、その後、追加の量のガス３１０が加速領域２２１に進入するのを示している。
ガス３１０が流れた後、加速領域２２１の中の１つまたは複数のガスの出入り口２１６に隣接するガス圧は、電源２１８を介して内側電極１０２と中間電極２０５との間の電圧が印加される前は１０００から５８００トール（例えば５４５０～５５５０トール）の範囲内であり得る。
ブロック１００４において、方法１０００は、第１の電源を介して、内側電極と中間電極との間に電圧を印加し、これによりガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換し、プラズマは、加速領域の中を軸方向に内側電極の第１の端部および外側電極の第１の端部に向かって流れることを含む。
図１１～図１４を参照すると、例えば電源２１８は、内側電極２０２と中間電極２０５との間に電圧を印加し、それによりガス３１０の少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマ３１６に変換することができる。プラズマ３１６は、加速領域２２１内を軸方向に、内側電極２０２の第１の端部２０４および外側電極の第１の端部２２０に向かって流れることができる。その独自の電流によって生成される磁場により、プラズマ３１６は、図１１～図１４に順を追って示されるように、加速領域１２１内を軸方向に内側電極２０２の第１の端部２０４および外側電極の第１の端部２２０に向かって流れることができる。
ブロック１００６において、方法１０００は、第２の電源を介して、内側電極と外側電極との間に電圧を印加することで（ｉ）外側電極の固体伝導シェル上に配置された導電性材料と（ｉｉ）内側電極の第１の端部との間を流れるＺピンチプラズマを確立することを含む。導電性材料は、１大気圧で１８０℃～８００℃（例えば１８０℃～５５０℃）の範囲内の溶融点を有する。
図１５および図１６を参照すると、例えば、電源２１９は、内側電極２０２と外側電極（例えば固体伝導シェル２０８）との間に電圧を印加することで、（ｉ）外側電極の固体伝導シェル２０８上に配置された導電性材料２１０と（ｉｉ）内側電極２０２の第１の端部２０４との間を流れるＺピンチプラズマ３１８を確立することができる。導電性材料２１０は、１大気圧で１８０℃～８００℃（例えば１８０℃～５５０℃）の範囲内の溶融点を有する。
図１５および図１６に示されるように、プラズマ３１６が加速領域２２１を越えて移動する際、Ｚピンチプラズマ３１８が、堆積領域２２４内で、（ｉ）外側電極の固体伝導シェル２０８上およびプラズマ閉込めシステム２００の長手方向軸２０６上に配置された導電性材料２１０と（ｉｉ）内側電極２０２の丸められた第１の端部２０４との間に確立される。
Ｚピンチプラズマ３１８は、せん断軸方向流れを呈し、０．１ｍｍから５ｍｍの間の半径、９００～５０，０００ｅＶの間のイオン温度、５００ｅＶを超える(例えば５０，０００ｅＶまでの)電子温度、１ｘ１０23イオン／ｍ3を超えるイオン数密度、１ｘ１０23電子／ｍ3を超える電子数密度、８Ｔを超える磁場を有することができる、および／または少なくとも１０μｓの間安定している場合もある。
ブロック１００８において、方法１０００は、導電性材料の第１の液体部分をプラズマ閉込めシステムから外に移動させることを含む。導電性材料の第１の液体部分は、Ｚピンチプラズマの反応生成物を介して加熱される。
図２を参照すると、例えば、熱交換器２４２が、第２の出入口２４６を通して、プラズマ閉込めシステム２００内で加熱される導電性材料２１０の一部を受け取り、導電性材料２１０から熱を抜き取り、プラズマ閉込めシステム２００の中で起こる融合反応によって再び加熱されるように、第１の出入口２４４を通して導電性材料２１０をプール領域２４０に戻るように移動させる（例えばポンプで汲み上げる）ことができる。プラズマ閉込めシステム２００内にプラズマ放電を形成する前に、導電性材料２１０は一般にプラズマ閉込めシステム２００の中に配置された（例えば電気の）加熱要素を利用して液体状態になるように加熱される（例えば溶解される）。
プラズマ閉込めシステム２００は、内側電極２０２を、長手方向軸２０６に沿ってプラズマ閉込めシステム２００内に、またはそこから外に移動させることができる送り機構２１２（例えば電気機械システム）を含む。作動中、内側電極２０２は、プラズマ放電によって腐食する可能性があり、内側電極２０２とプラズマ閉込めシステム２００の他の構成要素との間に相対的な空間を維持するために、内側電極２０２を送り込むように送り機構２１２を作動させることができる。
加えて、ポンプ２５０および２５６は、導電性材料２１０を外側電極（例えば固体伝導シェル２０８）を横切るように移動させる、または循環させることができ、その結果、導電性材料２１０の異なる部分を使用して、経時的にＺピンチプラズマ３１８から電流および／または熱を（例えば長手方向軸１０６において）吸収することができる。プラズマ閉込めシステム２００の作動中、導電性材料２１０のほとんど、またはその全ては概ね液体状態である。
いくつかの実施形態において、ポンプ２５０および２５６は、外側電極を横切るように（例えば固体伝導シェル２０８を横切るように）移動される導電性材料２１０が、プラズマ閉込めシステム１００の長手方向軸２０６に対して方位角方向に（例えばそのページ内へ、および／またはそのページから外に）、および／または軸方向に移動させられるように導電性材料２１０を移動させる。
より具体的には、ポンプ２５０または２５６は、導電性材料２１０を、プール領域２４０から、軸方向の壁２３６の外側にあり半径方向の壁２３８によってプール領域２４０から隔てられた領域２５２に移動させることができる。加えて、ポンプ２５０または２５６は、導電性材料２１０を、軸方向の壁２３６の端部２４８を横切って軸方向の壁２３６の内側の領域２５４に移動させ、またプール領域２４０に向かって戻るように移動させることもできる。
種々の実施形態において、内側電極２０２と外側電極（例えば固体伝導シェル１０８）との間、または内側電極２０２と中間電極２０５との間に印加される電圧は、２ｋＶ～３０ｋＶの範囲内である。印加される電圧は、３０ｋＶ／ｍから５００ｋＶ／ｍの範囲内で半径方向の電場を生じさせることができる。
一実施形態において、Ｚピンチプラズマ３１８は、０．１ｍｍから５ｍｍの間の半径、９００～５０，０００ｅＶの間のイオン温度、および５００ｅＶを超える(例えば５０，０００ｅＶまでの)電子温度を有する。Ｚピンチプラズマ３１８は、１ｘ１０23イオン／ｍ3を超えるイオン数密度または１ｘ１０23電子／ｍ3を超える電子数密度を有することができ、また８Ｔを超える磁場を有するせん断流れを呈する場合もある。Ｚピンチプラズマ３１８は、少なくとも１０μｓの間安定を示す場合もある。
いくつかの実施形態において、Ｚピンチプラズマ３１８の反応生成物は、中性子を含む。したがってプラズマ閉込めシステム２００の作動中、中性子および導電性材料２１０の一部は、熱交換器２４２において回収するための追加のトリチウム燃料を生成するために消費される場合がある。導電性材料２１０の反応性質はまた、蒸気粒子を捕らえることによって、プラズマ閉込めシステム２００内のベース圧力を低減させるような役割を果たす場合もある。
一部の実施形態は、熱交換器２４２が導電性材料２１０を熱交換器２４２からプール領域２４０に移動させる速度を調節することによって、または導電性材料２１０がプール領域２４０から熱交換器２４２に移動する速度を調節することによって、固体伝導シェル２０８上の導電性材料２１０の厚さを制御することを含む。導電性材料２１０がプール領域２４０に流れ込む速度を上げることは大抵、固体伝導シェル２０８上の導電性材料２１０の厚さを拡大することになる。導電性材料２１０がプール領域２４０を出て熱交換器２４２へと流れる速度を上げることは大抵、固体伝導シェル２０８上の導電性材料２１０の厚さを縮小することになる。
種々の一例の態様および一例の実施形態を本明細書で開示してきたが、他の態様および実施形態が当業者には明らかであろう。本明細書に開示される種々の一例の態様および一例の実施形態は、例示の目的のためであり、限定することは意図されておらず、真の範囲および精神は以下の特許請求の範囲によって指摘されている。

Claims (19)

  1. 内側電極と、
    前記内側電極を少なくとも部分的に取り囲む中間電極と、
    前記中間電極を少なくとも部分的に取り囲む外側電極とを備え、
    前記外側電極は、
    固体伝導シェルと、
    前記固体伝導シェルの上に配置された導電性材料とを有する、プラズマ閉込めシステムであって、前記導電性材料は、１大気圧で１８０℃～８００℃の範囲内の溶融点を有し、
    当該プラズマ閉込めシステムは、
    前記導電性材料が液体状態であるとき、前記外側電極を横切るように前記導電性材料を循環させるように構成されたポンプシステムをさらに備える、プラズマ閉込めシステム。
  2. 前記内側電極を前記プラズマ閉込めシステムの長手方向軸に沿って移動させるように構成された送り機構をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  3. 前記プラズマ閉込めシステムの作動中、前記内側電極を冷却するように構成された冷却システムをさらに備える、請求項１又は２に記載のプラズマ閉込めシステム。
  4. 前記内側電極と前記中間電極との間に電圧を印加するように構成された第１の電源と、
    前記内側電極と前記外側電極との間に電圧を印加するように構成された第２の電源とをさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ閉込めシステム。
  5. 前記導電性材料は、リチウム、鉛またはスズのうちの１つまたは複数を含む、請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ閉込めシステム。
  6. 前記内側電極は、前記外側電極によって少なくとも部分的に取り囲まれた第１の端部を有し、
    前記プラズマ閉込めシステムは、前記内側電極の前記第１の端部と前記導電性材料との間にＺピンチプラズマを維持するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のプラズマ閉込めシステム。
  7. 前記固体伝導シェルは、
    固体伝導外側シェルと、
    前記固体伝導外側シェルの中に配置され、前記固体伝導外側シェルと接触する固体内側シェルとを備え、
    前記固体内側シェルは、
    前記プラズマ閉込めシステムの前記長手方向軸を少なくとも部分的に取り巻く軸方向の壁と、
    前記軸方向の壁を前記固体伝導外側シェルに結合する半径方向の壁とを備え、
    前記半径方向の壁と前記外側電極の第１の端部は、プール領域を形成し、
    前記プラズマ閉込めシステムは、
    熱交換器と、
    前記熱交換器から前記プール領域に前記導電性材料を誘導するように構成された第１の出入り口とをさらに備える、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  8. 前記ポンプシステムは、前記導電性材料の移動が、前記プラズマ閉込めシステムの長手方向軸に対して方位角成分または軸方向成分のうちの１つまたは複数を含むように前記導電性材料を循環させるように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のプラズマ閉込めシステム。
  9. 前記内側電極の第１の端部はグラファイトまたはカーボンファイバで形成される、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  10. 前記内側電極と前記中間電極との間にある加速領域にガスを誘導するように構成された１つまたは複数のガスの出入り口をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  11. 前記内側電極は、前記外側電極によって少なくとも部分的に取り囲まれた第１の端部を有する、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  12. 前記内側電極の前記第１の端部は丸められる、請求項１１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  13. 前記外側電極の第２の端部と前記中間電極との間に絶縁体をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  14. 前記プラズマ閉込めシステムは、前記内側電極の第１の端部と前記プラズマ閉込めシステムの長手方向軸上の前記導電性材料との間にＺピンチプラズマを維持するように構成される、請求項１３に記載のプラズマ閉込めシステム。
  15. 前記Ｚピンチプラズマは半径方向に変動する軸方向の流れを有する、請求項１４に記載のプラズマ閉込めシステム。
  16. 前記軸方向の壁は、前記外側電極の第２の端部に面する端部を備え、
    前記プラズマ閉込めシステムは、
    前記プール領域から、前記軸方向の壁の外側であり前記半径方向の壁によって前記プール領域から隔てられた領域に前記導電性材料を移動させるように構成された第１のポンプをさらに備える、請求項７に記載のプラズマ閉込めシステム。
  17. 前記プラズマ閉込めシステムは、
    前記プール領域から、前記軸方向の壁の外側にあり前記半径方向の壁によって前記プール領域から隔てられた前記領域に前記導電性材料を移動させるように構成された第２のポンプをさらに備える、請求項１６に記載のプラズマ閉込めシステム。
  18. 前記導電性材料は、Ｚピンチプラズマ及び当該導電性材料の両方を介して前記内側電極と前記外側電極との間で電流が流れることを許容する、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
  19. 前記中間電極は、キャビティを形成し、
    前記内側電極は、前記キャビティ内に少なくとも部分的に位置する、請求項１に記載のプラズマ閉込めシステム。
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