JP7245394B2

JP7245394B2 - プラズマ圧縮ドライバ

Info

Publication number: JP7245394B2
Application number: JP2022532027A
Authority: JP
Inventors: ヘイスティングスウィルキー、ジェイムズ; ジマーマン、イェルク; クリフォードワイト、マーティン; ジョンパヴェルエソウ、コーディー; ヴィクトロヴィチカールゾフ、イワン
Original assignee: ジェネラルフュージョンインコーポレイテッド
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: KR102519676B1; EP4070628A1; JP2022551766A; US11711884B2; KR20220097551A; CN114747300A; CN114747300B; BR112022010711A2; US20230003205A1; CA3159739A1; EP4070628A4; WO2021108908A1; CA3159739C

Description

本開示は、一般に、プラズマを圧縮するために使用されるドライバに関する。

本明細書で特に指示しない限り、本セクションに説明された材料は、本出願の特許請求の範囲の先行技術ではなく、本セクションに含めることによって先行技術であると認めるものではない。

液体ライナ内のキャビティに格納されるプラズマは、液体ライナを爆縮させることで圧縮することができる。液体ライナの爆縮は、圧縮ドライバによって駆動することができる。既知の圧縮ドライバのいくつかの例では、液体ライナの爆縮は、高圧流体（例えば高圧ガス）によって駆動され、ピストンを押し、その結果、ピストンは液体ライナと流体連通する液状媒体を押すことになる。１つの例示的な用途では、プラズマ圧縮システムは、プラズマが注入されるキャビティを画定する液体ライナを形成するために循環される液状媒体を格納する容器を備える。容器は、液状媒体と流体連通する複数の圧縮ドライバに接続されており、各圧縮ドライバは、アキュムレータからの高圧ガスが弁を通って移動し、液状媒体を容器内に押し込んで液体ライナを崩壊させるピストンに作用するように開く弁を備える。

いくつかの用途では、プラズマは、ミリ秒単位の非常に短い時間内に圧縮される必要がある。その結果、圧縮動作も、同様に短時間で実行されなければならず、ピストンを非常に速く動かす必要がある。液体ライナを崩壊させてプラズマを圧縮するために必要なエネルギーを供給するには、圧縮動作時間を短縮するために、それに比例して力を増す必要がある。目標時間内にプラズマを圧縮するのに十分な力を与えることは困難であり得る。

更に、圧縮ドライバが液状媒体を容器の内部に押し込むとき、特に圧縮動作が急速に、例えば、数ミリ秒のオーダーで起こるとき、容器は、極めて大きな外向きの応力を受ける可能性がある。外向きの応力は、２つの重要な力、即ち、（１）ドライバピストンが加速するときの圧縮ドライバからの反跳力、及び（２）ピストンの前方の液状媒体内の圧力上昇、によって引き起こされる。この第２の原因は、ピストンが液状媒体を加圧して内部に加速すると、加圧された液状媒体が容器を外向きに押すので、特に一般的に見られる。

いくつかの用途では、容器壁は６５ＭＰａ程度の圧力を受ける可能性がある。外向きの圧力を低減することができない限り、そのような圧力に耐えられるように容器を設計しなければならず、これは高価で複雑なものになる可能性がある。

一態様では、プラズマ圧縮システムの容器に格納された液状媒体からなる液体ライナによって画定されたキャビティ内でプラズマを圧縮するための圧縮ドライバが提供される。圧縮ドライバは、ドライバピストンがその中で摺動可能なドライバボアと、プッシャピストンがその中で摺動可能であり、かつドライバピストンの質量よりも小さい質量を有するプッシャボアであって、容器内の液状媒体と連通する遠位端、ボア接合部でドライバボアの遠位端に結合される近位端、及びドライバボアの長さよりも短い長さを有するプッシャボアと、ドライバボアに結合され、かつドライバピストンをドライバボアに沿って移動させるように動作可能な原動機と、ドライバピストンとプッシャピストンとの間の圧縮可能な圧縮流体又は磁場であって、ドライバピストンがプッシャピストンに向かって移動することによる圧縮流体又は磁場の圧縮がプッシャピストンに圧力をかけ、プッシャピストンが液状媒体を容器内に押し込んで液体ライナを崩壊させてプラズマを圧縮する、圧縮流体又は磁場とを備える。

プッシャボアは、ドライバボアの直径よりも小さい直径を有することができ、この場合、圧縮ドライバは、プッシャボアの近位端とドライバボアの遠位端とをボア接合部において相互接続する環状面表面を更に備えることができ、それによって、圧縮流体の圧縮により環状面表面に内向きの圧力がかかり、容器に対する外向きの圧力を打ち消す。

原動機は、加圧されたドライバ流体を収容するアキュムレータと、アキュムレータをドライバピストンの後方にあるドライバボアに流体結合するドライバ流体弁とを備えることができる。ドライバ流体弁は、ドライバ流体によってドライバピストンに加わる圧力を調整するように調整可能であり得る。ドライバボアには、ドライバ流体又は圧縮流体をドライバボアから排出するために、少なくとも１つの排出口をドライバボア内に設けることができる。排出口は、ドライバ流体又は圧縮流体によってドライバピストンに加えられる圧力を調整するように調整可能な排出弁を備える。圧縮流体注入口は、接合部に近接してドライバボア内に設けられ、圧縮流体をドライバピストンの前方にあるドライバボア内に注入するように機能することができ、かつ圧縮流体によってドライバピストンに加わる圧力を調整するように調整可能な圧縮流体注入弁を備える。

ドライバピストンは、円錐台形の突起を備える遠位端を有することができ、プッシャピストンは、ドライバピストンの遠位端を受け入れるように構成された円錐台形のレセプタクルを備える近位端を有することができる。ドライバピストンは、ドライバピストンがボア接合部にある場合、圧縮流体チャネルが環状リム、環状面表面、及び環状レッジによって形成されるように、環状面表面に平行な環状レッジと、隣接する環状レッジに垂直な環状リムとを有する遠位端を更に備えることができる。

別の態様では、液状媒体及び液状媒体を循環させてキャビティを有する液体ライナを形成するための循環機構を備えるプラズマ格納容器と、容器と流体連通し、かつキャビティ内にプラズマを注入するように動作可能なプラズマ発生器と、
容器に接続された圧縮ドライバとを備えるプラズマ圧縮システムが提供される。圧縮ドライバは、ドライバピストンがその中で摺動可能なドライバボアと、プッシャピストンがその中で摺動可能であり、かつドライバピストンの質量よりも小さい質量を有するプッシャボアであって、液状媒体と流体連通する遠位端、ボア接合部でドライバボアの遠位端に結合される近位端、及びドライバボアの長さよりも短い長さを有するプッシャボアと、ドライバボアに結合され、かつドライバピストンをドライバボアに沿って移動させるように動作可能な原動機と、ドライバピストンとプッシャピストンとの間の圧縮可能な圧縮流体又は磁場であって、ドライバピストンがプッシャピストンに向かって移動することによる圧縮流体又は磁場の圧縮がプッシャピストンに圧力をかけ、プッシャピストンが液状媒体を容器内に押し込んで液体ライナを崩壊させてプラズマを圧縮する、圧縮流体又は磁場とを備える。

上述の態様及び実施形態に加えて、更なる態様及び実施形態が、図面を参照し、以下の詳細な説明を検討することによって明らかになるであろう。

図面を通して、参照番号は、参照される要素間の対応を示すために再使用されてもよい。図面は、本明細書に説明の例示的な実施形態を例示するために提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。図面における要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。例えば、様々な要素の形状及び角度は縮尺通りに描かれておらず、これらの要素のいくつかは、図面の読みやすさを向上させるために任意に拡大及び配置される。

ドライバピストン、ドライバボア、プッシャピストン、及びプッシャボアを示す、一実施形態によるプラズマ圧縮ドライバの斜視断面図である。動作中の圧縮ドライバの概略図であり、４段階の動作中のドライバピストン及びプッシャピストンの位置を示している。圧縮ドライバの近位端の斜視断面図であり、ドライバガス注入弁が閉位置に、ドライバピストンが始動位置にある状態を示す。圧縮ドライバの近位端の斜視断面図であり、ドライバガス注入弁が開位置にあり、ドライバピストンが弁を流れるドライバガスによって変位する変位位置にある状態を示す。圧縮ドライバのドライバボアとプッシャボアとの接合部の断面図であり、プッシャピストンに接近するドライバピストンを示す。圧縮ドライバのドライバボアとプッシャボアとの接合部の断面図であり、接合部におけるドライバピストン及びプッシャピストンを示す。圧縮ドライバのドライバボアとプッシャボアとの接合部の断面図であり、接合部におけるドライバピストン及びドライバピストンから離れてプッシャボアに沿って加速するプッシャピストンを示す。ドライバピストンの斜視断面図である。プッシャピストンの斜視断面図である。複数のプラズマ圧縮ドライバを示すプラズマ圧縮システムの斜視部分図である。プラズマ圧縮ドライバと流体連通する液状媒体から形成された液体ライナを格納するプラズマ格納容器を示すプラズマ圧縮システムの概略図である。ドライバ圧縮動作中のドライバピストン、プッシャピストン及び液体ライナの位置、ならびにドライバ圧縮動作中のドライバボア及び容器の圧力のグラフである。ドライバピストン及びプッシャピストンの位置の軌跡を示す、ドライバの圧縮動作の実験結果のグラフ表示である。ドライバピストン及びプッシャピストンの位置の軌跡を示す、ドライバの圧縮動作の別の実験結果のグラフ表示である。

本明細書に説明の実施形態は、プラズマを格納するキャビティを取り囲む液体ライナを爆縮することによってプラズマを圧縮する、二段式プラズマ圧縮ドライバに関する。圧縮ドライバは、液体ライナを形成する液状媒体を格納するプラズマ格納容器に接続され、液体ライナ方向に順次駆動される同軸上に整列した一対のピストンを備える。より具体的には、圧縮ドライバは、ドライバボア内で移動可能なドライバピストンと、プッシャボア内で移動可能なプッシャピストンとを備える。プッシャボアは、容器と流体連通する遠位端と、ドライバボアの遠位端に接続された近位端とを有し、ドライバボアの近位端は、ドライバピストンを駆動するための原動機に結合される。プッシャボアは、ドライバボアと同軸であり、かつドライバボアよりも小さい直径を有し、ドライバとプッシャボアとの接合部で相互接続環状面表面が画定される。圧縮動作の開始時に、プッシャピストンはドライバボアとプッシャボアとの接合部に位置し、ドライバピストンはドライバボアの近位端に位置し、プッシャボアは液状媒体で満たされ、ドライバピストンとプッシャピストンとの間のドライバボアは圧縮性流体（「圧縮流体」）を収容する。圧縮動作中、原動機は、ドライバピストンをプッシャピストン方向に加速して圧縮流体を圧縮する。圧縮流体圧力がプッシャピストンに作用する液状媒体圧力を超えると、プッシャピストンはプッシャボアの遠位端方向に加速され、それによってプッシャボア内の液状媒体が容器内に押し込まれ、液体ライナが崩壊し、プラズマが圧縮される。プッシャボアはドライバボアの長さに比べて短く、プッシャピストンはドライバピストンの質量に比べて小さいので、プッシャピストンが液状媒体に対して与える力を効果的に増幅する。圧縮ドライバの反跳及び容器圧力の上昇によって引き起こされる容器壁にかかる外向きの力は、圧縮動作中に圧縮流体によって環状面表面上にかかる内向きの力によって打ち消される。この反対に作用する内向きの力により、プラズマ圧縮動作によって引き起こされる容器壁にかかる応力が低減することが予想される。

図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、ジェネラルフュージョン社（ＧｅｎｅｒａｌＦｕｓｉｏｎＩｎｃ．）によって開発されたシステムなどのプラズマ圧縮システム５０では、複数のプラズマ圧縮ドライバ１０が使用され得る。このプラズマ圧縮システム５０は、例えば液体金属などの液状媒体で部分的に満たされた略球形のプラズマ格納容器５２を備える。しかしながら、プラズマ圧縮ドライバは、他の実施形態では円筒形容器などの他の形状を有するプラズマ格納容器を用いて動作することができる。液状媒体は、キャビティを画定する液体ライナ５５が形成されるまで回転させることができる。プラズマ発生器５７は、キャビティ内に注入されるプラズマを生成する。次いで、圧縮ドライバ１０を動作させて、液体金属を容器５２内に押し込み、液体ライナ５５を爆縮させ、キャビティを崩壊させ、その中に閉じ込められたプラズマを圧縮する。

本明細書は、爆縮の軌跡を調整する能力を有する液体ライナを爆縮させることができる圧縮ドライバ１０の実施形態を開示する。図１は、外壁１３を有するハウジング１２と、ドライバボア１４と、ドライバボア１４内に摺動可能に挿入されたドライバピストン１５と、プッシャボア１６と、プッシャボア１６内に摺動可能に挿入されたプッシャピストン１７とを備える圧縮ドライバ１０の一実施形態を示す。圧縮ドライバ１０は、高圧流体（「ドライバ流体」）を貯蔵するためのアキュムレータ１８及び弁１９を備える原動機を更に備える。弁１９は、アキュムレータ１８からドライバピストン１５の後方にあるドライバボア１４へのドライバ流体の流れを制御する。弁１９が開くと、ドライバ流体は膨張し、アキュムレータ１８から弁１９を通ってドライバピストン１５に流れる。ドライバ流体は、ヘリウムなどの加圧ガスとすることができる。代替的に、比較的小さい流れ抵抗を有する他のガスをドライバ流体として使用することができる。一実施態様では、アキュムレータ圧力は約２０ＭＰａとすることができるが、アキュムレータ圧力は、異なる実施態様では異なる可能性があり、圧縮ドライバ１０の構成要素の寸法及び他の物理的特性などの要因に依存する。

加圧されたドライバ流体を収容するアキュムレータの代わりに、当技術分野で知られている他の原動機を使用することができ、例えば、原動機は、機械的ばね又は電磁的ドライバを備えることができる。

ドライバピストン１５は、ドライバボア１４内に存在し、弁１９に隣接するドライバボア１４の近位端にある初期始動位置を有する（図３Ａ参照）。ドライバピストン１５とプッシャピストン１７との間のドライバボア１４内の容積には、低圧圧縮性流体（「圧縮流体」）が含まれる。本出願の目的では、圧縮性流体とは、圧縮可能なあらゆる流体を意味することができる。例えば、一実施態様では、圧縮流体はヘリウムなどのガスであり得る。別の実施態様では、ピストン１５とピストン１７との間のボア１４内の圧縮流体混合物が圧縮可能である限り、圧縮流体は気体と液体との混合物であり得る。別の実施形態では、圧縮性流体は圧縮性磁場で置き換えられる。この代替的な実施形態では、ピストン１５とピストン１７との間のボア１４内に磁場を生成するために多数のコイル（図示せず）を使用することができ、ピストン１５、１７は、銅などの互いに対向する導電性材料で構成される。ドライバピストン１５がプッシャピストン１７に向かって加速すると、このような磁場は圧縮される。ドライバピストン１５が初期始動位置にあるとき、（ピストン１５とピストン１７との間の）圧縮流体又は磁場の初期圧力は、ドライバ流体の流体圧力よりも著しく低い。例えば、一実施態様では、圧縮流体の圧力は約０．７ＭＰａであるが、アキュムレータ１８の流体圧力よりも著しく低い限り、圧力は異なっていてもよい。

ドライバボア１４及びプッシャボア１６は、ボア接合部３１で接続される。プッシャボア１６の直径は、ドライバボア１４の直径よりも小さく、プッシャボア１６の近位端の環状面表面４１は、接合部３１でドライバボア１４の遠位端と向かい合う。プッシャピストン１７は、ボア接合部３１、即ち、プッシャボア１６の近位端に初期始動位置を有する。プッシャボア１６は、容器５２に開口した遠位端１１を有する。プッシャピストン１７の外側（遠位）面は、プッシャボア１６内の液状媒体（図示せず）と流体接触しており、液状媒体は、ドライバピストン１５が初期始動位置にあるときに圧縮流体よりも高い圧力を有し、この初期圧力差によって、プッシャピストン１７は初期始動位置に確実に留まることができる。代替的に、機械的、油圧的、又は気体的な圧力手段（図示せず）をプッシャピストン１７にかけて、プッシャピストンをその初期始動位置に保持することができる。

プッシャピストン１７は、ドライバボア１４内（ピストン１５とピストン１７との間）の圧縮流体とプッシャボア１６内の液状媒体とを分離する。プッシャボア１６の開口端１１には、プッシャピストン１７がプッシャボア１６から外れるのを防止するために、例えば、レッジ３３などの保持手段が配置されている。更に、プッシャボア１６内の液状媒体から加えられる圧力によってプッシャピストン１７がドライバボア１４内に押し込まれるのを防止するために、近位端３１に追加の保持手段３５（図４Ａ参照）を設けることができる。

ドライバピストン１５及びプッシャピストン１７は、ステンレス鋼又はチタン、又は液状媒体、ドライバ流体、及び圧縮流体と反応しない別の同等の材料で構成することができる。本実施形態における弁１９は、ポペット／スライダ２１とドライバであるが、他の実施形態では、ガス駆動弁や電磁弁など、他の比較的高速作動する弁を使用することができる。一実施態様では、圧縮ドライバ１０は、ドライバ１０の反跳を低減するように構成された第３のピストン２０（「リコイルピストン」）を更に備えることができる。リコイルピストンは、ドライバピストンよりも著しく大きい質量を有し、ダンパ又はばね（図示せず）によってドライバボアに接続することができる。より具体的には、リコイルピストン２０は、弁１９が開くと、ドライバピストン１５がドライバボア１４の方に駆動される一方で、リコイルピストン２０が反対方向に駆動されるようにドライバピストン１５とは反対側の弁１９の近くに配置される。リコイルピストンはドライバピストンよりも重いため、ドライバピストンよりもゆっくりと加速し、圧縮動作中に到達するピーク速度は小さい。換言すれば、第３のピストンの大きな質量は、反跳パルスを遅く、長くするように機能する。弁１９のサイズ及びドライバ流体圧力は、ドライバピストン１５をドライバボア１４に沿って目標時間内に接合部３１まで加速させるために、十分な流量のドライバ流体が弁１９を通ることができるように選択される。例えば、弁のサイズ及びドライバ流体圧力は、約１５ｍｓ内に６０ｋｇのピストンを長さ２ｍのボアに沿って加速するのに十分な圧力を供給するように選択され得る。

図２は、圧縮ドライバ１０の圧縮動作を概略的に示し、特に、圧縮動作の４段階の間のドライバピストン１５とプッシャピストン１７の軌跡及び位置を示す。第１段階は、圧縮ドライバ１０がトリガされる前の初期（始動）段階である。この段階では、アキュムレータ１８は完全に充填され、弁１９は閉じられ、ピストン１５、１７は初期位置にある。第２段階では、弁１９が開かれ、アキュムレータ１８内のドライバ流体が弁１９を通過しドライバピストン１５の後方にあるドライバボア１４に入り、ドライバピストン１５をプッシャピストン１７に向けてボア１４内を加速して、圧縮流体を圧縮する。この段階では、圧縮流体の圧力は上昇しているが、液状媒体によって引き起こされるプッシャピストン１７の流体圧力をまだ超えていないため、プッシャピストン１７はまだ大きく移動していない。第３段階では、ドライバピストン１５が接合部３１に到達し、圧縮流体が最大圧力となり、この圧力がプッシャピストン１７及び環状面表面４１にかかる。この段階で、圧縮流体圧力がプッシャボア１６内の液状媒体の圧力を超え、プッシャピストン１７が移動する。第４段階では、プッシャピストン１７が急速に加速し、液状媒体をプッシャボア１６から容器５２の中に押し込む。

ドライバボア１４の直径はプッシャボア１６よりも大きいので、ドライバピストン１５の直径はプッシャピストン１７よりも大きいことになる。加えて、この実施形態では、ドライバピストン１５はプッシャピストン１７よりも重く、ドライバボア１４はプッシャボア１６よりも長い。略全てのエネルギーがドライバピストン１５からプッシャピストン１７に伝達されると仮定すると、プッシャピストン１６によって液状媒体に加えられる力は、ドライバピストン１４によって圧縮流体に加えられる力よりも大きいことが予想される。換言すれば、圧縮ドライバ１０の２ピストン設計は、プッシャピストン１７が液状媒体に与える力を増幅するのに役立つ。このような力の増幅は、所与のエネルギー量、例えば、目標時間内にプラズマを圧縮するために必要なエネルギー量に対する圧縮動作時間の短縮に寄与する。

図３Ａは、弁１９が閉じられ、ポペット２１がシートに着座して出口を閉じているときの初期位置にあるドライバピストン１５を示す。弁１９は、電気パルスがコイル（図示せず）に供給されると、ポペット２１がそのシートから離れる（図３Ｂ参照）ように駆動されるような電磁弁であり得る。弁１９が開くと、アキュムレータからのドライバ流体がドライバピストン１５と第３のピストン２０との間のドライバボア１４に流入し、ドライバ流体圧力によってドライバピストン１５がドライバボア１４を加速して、第３のピストン２０（図３Ａ及び図３Ｂに部分的に示す）を反対方向に押す。

動作中、ドライバピストン１５の加速度プロファイルは、ドライバピストン１５の後方にあるドライバボア１４内のドライバ流体の圧力を制御することによって制御することができる。ドライバピストン１５の加速度プロファイルは、ドライバピストン１５の後方（上流）のドライバ流体圧力（アキュムレータ１８の圧力）を調整することによって調整することができる。例えば、ドライバピストンにかかるドライバ流体圧力は、弁１９の開口サイズ又は持続時間を調整してアキュムレータからのドライバ流体の流れを制御することによって、及び／又はドライバピストン１５の後方にあるドライバボア１４内のポート２２を介してドライバボア１４からドライバ流体を排出することによって、調整することができる。このポート２２は、ドライバ流体弁１９と同様の制御可能な弁（図示せず）を有することができる。ドライバピストン１５の加速度プロファイルは、ドライバピストン１５の前方（下流）の圧縮流体の圧力を制御することによっても制御することができる。ドライバピストン１５とプッシャピストン１７との間のハウジング１２の壁１３にあるポート２２（図１参照）は、圧縮流体を注入又は排出するように制御することができる。更に、追加の圧縮性流体をドライバボア１４の近位端の近くに注入して、ドライバピストン１５を減速させてプッシャピストン１７との衝突を防止することができる。ドライバボア１４の長さは、ドライバ流体の圧力及び／又は圧縮流体の圧力を変化させることによって、ドライバピストン１５の軌跡を調整することができるように、十分に長く設計することができる。ドライバピストン１５の位置を測定し、測定された信号をコントローラ（図示せず）に提供するために、いくつかのセンサ（図示せず）を設けることができる。

図４Ａ～図４Ｃを参照すると、ドライバボア１４とプッシャボア１６とは、接合部３１で、環状面表面４１によって接続されている。特に、図４Ｂ及び図４Ｃに見られるように、ドライバピストン１５は、ドライバピストン１５が圧縮流体が大きく圧縮される接合部３１にあるとき、環状面表面４１と協働して環状チャネル４３を画定するように設計された遠位端を有する。チャネル４３内の圧縮流体の高圧は、ドライバピストン１５を減速させ、環状面表面４１及び／又はプッシャピストン１７との衝突を防止する役割を果たす。更に、前述したように、圧縮流体は、環状面表面４１に内向きの力をかける。換言すれば、環状面表面４１は、容器に内向きの力をかけ、ドライバピストン１５によって発生する圧力パルスは、プッシャピストン１７がプッシャボア１６内の流体を押すことによって発生する圧力パルスを相殺又は低減し、したがって、圧縮ドライバ１０によって容器（又はドライバが接続されている任意の他の構造）に与えられる応力を低減（最小化）するように、圧力バランスリップの役割をする。

図５は、ドライバピストン１５の一実施形態を示す。ドライバピストン１５は、前壁４４、後壁４２、及び側壁４６を有する略円錐台形状を有する。前壁４４は、プッシャピストン１７に面するピストン１５の表面であり、後壁４２は、弁１９に面する表面であり、アキュムレータ１８からのドライバ流体が押し込まれる。側壁４６の周囲には、ピストン１５を軽量化するために環状流路４８が形成されている。いくつかのシールシート４７、４９が側壁４６に形成され、いくつかのシール（図示せず）を収容する。いくつかの実装形態では、シールシート４７及び対応するシールを省略することができる。代替的に、ドライバピストン１５は、ピストンがボア１４、１６内の圧力を保持し、プッシャピストン１７に衝突しない限り、異なる幾何学的形状を有することができる。

図６は、プッシャピストン１７の一実施形態を示す。プッシャピストン１７は、円錐台形状の内壁３４と、外壁３８と、側壁３２とを有する。プッシャピストン１７の内壁３４は、図４Ａ～図４Ｃから分かるように、ドライバピストン１５の前壁４４に面している。ドライバピストン１５及びプッシャピストン１７は、ドライバピストン１５の前壁４４がプッシャピストン１７の内壁３４に接近し、それらの円錐形部分の間に圧縮性流体を集中させることができるように成形されている。ピストン１５、１７の形状により、ピストンを軽量化することで、圧縮ドライバ１０の重量を低減することができる。プッシャピストン１７は、プッシャピストン１７の外壁３８に形成された複数のガセット３６を更に備えることができる。ガセット３６は、プッシャピストン１７の剛性を高めるように構成されている。代替的な一実施形態（図示せず）では、外壁３８は、ガセットとプッシャボア１６に収容される液状媒体とが接触しないように、ガセット３６を囲む中実プレートとすることができる。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、所望の剛性（及び軽さ）を提供することができる材料を使用することによって、又はガセット以外の異なる特徴を追加することによって、ガセット３６を省略することができ、プッシャピストン１７の剛性を高めることができることを理解することができる。プッシャピストン１７は、シール（図示せず）を収容するための一対のシールシート３９を更に備える。突出したレッジ３７は、側壁３２の外面から外向きに延在する。突出したレッジ３７は、プッシャボア１６の開口端１１に形成されたレッジ３３（図１参照）と協働して、プッシャピストン１７がボア１６から外れるのを防止する。更に、プッシャピストン１７が開口端１１に近づくと、２つのレッジ３３、３７の間の空間に捕捉される液状媒体は、レッジ３３、３７の周りを迂回しなければならない液体によって抵抗を生じ、したがってピストン１７を減速し、ピストン１７及び／又はボア１６の損傷を防止するのに寄与する。加えて、プッシャピストン１７は、プッシャピストン１７がドライバボア１４内に押し込まれるのを防止するために、プッシャボア１６の近位端３１に形成されたレッジ３５と相互作用することができる内壁３４の近くに形成されたレッジ３７ａを更に備えることができる。あるいは、当業者に容易に明らかな保持手段の他の構成を使用して、プッシャピストン１７がプッシャボア１６から外れたり、ドライバボア１４の中に押し込まれたりするのを防止することができる。

図８は、例示的な一実施形態について、圧縮動作中のドライバのボア及び容器壁における圧力パルス、ならびにドライバピストン、プッシャピストン、及びライナインタフェースの経時的な位置の軌跡をグラフで示す図である。図８に示す曲線は、本例示的実施形態の圧縮ドライバの一例であり、圧縮ドライバは、質量約５５ｋｇのドライバピストンと、長さ約２ｍで直径約３４０ｍｍのドライバボアと、質量約１０ｋｇで長さ約０．６ｍのプッシャピストンと、直径約２９０ｍｍのプッシャボアとを有する。ドライバピストンを加速するために、圧力２０ＭＰａのドライバ流体を収容する５０Ｌのアキュムレータが設けられている。２つのピストン間のドライバボア内の圧縮性流体の初期圧力は、約０．７ＭＰａである。圧縮ドライバは、液体ライナを爆縮させて、液体ライナの中に形成された半径約１．５ｍの球形のキャビティを崩壊させるために使用される。グラフによって分かるように、プッシャピストン及び液体ライナ（それぞれ曲線５０４及び５０６を参照）は、ドライバピストン（曲線５０２）がプッシャピストンの近くにあるとき（第２段階の終り）だけ加速する。ドライバとプッシャボアとの接合部における環状面表面の内向きのピーク圧力と容器５０７の壁の外向きのピーク圧力とが同時に発生するため（即ち、プッシャピストンが加速されると）、互いに対抗しあって、圧縮動作によって生じる容器壁の全体的な応力を低減させる。

圧縮ドライバ１０の一動作モードでは、図７Ａ及び図７Ｂに示すプラズマ圧縮システム５０では、複数の圧縮ドライバ１０を用いることができる。プラズマ圧縮システム５０は、液状媒体で部分的に充填することができる容器５２を備える。液体回転／循環機構５３は、液状媒体が開口端１１を通ってドライバ１０のプッシャボア１６内に押し込まれるように、容器５２内を流れる液状媒体を回転させるために設けられている。容器５２内の液状媒体の回転により、容器５２内に回転する内部界面を有する液体ライナ５５が形成され、この内部界面はライナ５５内に形成された真空キャビティを画定する。容器５２は、壁を貫通して延伸するポート５４を形成する複数の開口部を備えた壁を有する。複数の圧縮ドライバ１０は、容器５２の壁に取り付けられ、ドライバ１０のプッシャボア１６がポート５４に沿って延伸するように、容器５２の周囲に配列される。例えば、ドライバ１０のプッシャボア１６をポート５４に挿入し、プッシャボア１６の開口端１１を容器５２の内面と合わせるようにすることができる。プラズマ発生器５７は、プラズマを発生させることができる。プラズマ発生器５７は、容器５２の壁に形成された入口用開口部５９に接続された出口（図示せず）を有する。液体ライナ内に形成された真空キャビティは、生成されたプラズマがキャビティ内に注入されるように、プラズマ発生器５７の出口と位置合わせされた入口用開口部５９を有する。容器５２内の液体ライナ５５とプッシャボア１６内の液状媒体とは流体連通しているので、プッシャピストン１７の加速により、プッシャボア１６内の液状媒体がプッシャボア１６の外に変位すると（本明細書で上述したように）、それは液体ライナ５５を爆縮させて、キャビティを内向きに崩壊させ、そこに閉じ込められたプラズマを圧縮することになる。コントローラ（図示せず）を設けて、各ドライバ１０のセンサから得られた信号を受信して処理し、多数の弁に出力し、このようなドライバ１０のドライバピストン１５の位置を調整し、よってプッシャピストン１７の加速度プロファイルを調整し、したがって液体ライナの爆縮の軌跡を制御することができる。ドライバピストン１５の加速度プロファイルの調整は、ドライバピストン１５の後方の圧力（アキュムレータの圧力）を調整することによって、及び／又は圧縮動作中のドライバピストン１５とプッシャピストン１７との間の圧縮性流体の圧力を調整することによって行うことができる。例えば、より多くの流体をドライバピストン１５の後方に追加してそれを加速することができ、又は一部の流体を排出してピストン１５を減速し、したがってドライバピストン１５の加速度プロファイル、したがってプッシャピストン１７の加速度プロファイルを調整することができる。

圧縮ドライバ１０の実験的実施形態は、ジェネラルフュージョン社（ＧｅｎｅｒａｌＦｕｓｉｏｎＩｎｃ．）で試験されており、実験結果を理論的予測と比較した。実験及びコンピュータシミュレーションモデルの結果を図９Ａ及び図９Ｂにグラフで示す。実験は、０．７７ｋｇのドライバピストン、０．７７ｋｇのプッシャピストン、及び長さ０．４７ｍで直径４４ｍｍのドライバボアを有する圧縮ドライバを用いて行った。ドライバピストンを加速するために、２ＭＰａの圧力を有する１．１Ｌのアキュムレータが設けられ、２つのピストン間のドライバボア内の圧縮性流体の初期圧力は約０．１ＭＰａであった。５つの実験結果を、同じ条件をシミュレーションするコンピュータモデルから得られた結果と比較した。図９Ａは実験の全体を示し、図９Ｂのグラフは第３段階付近の時間に焦点を当てている。試験間にある程度のばらつきがあるが、シミュレーション結果と実験結果との間に相関があることが明らかである。

本開示の特定の要素、実施形態及び用途を示し説明してきたが、本開示の範囲から逸脱することなく、特に前述の教示に照らして当業者によって修正を行うことができるので、本開示の範囲はそれに限定されないことが理解されよう。したがって、例えば、本明細書に開示された任意の方法又はプロセスにおいて、方法／プロセスを構成する作用又は動作は、任意の適切な順序で実行されてもよく、必ずしも任意の特定の開示された順序に限定されない。要素及び構成要素は、様々な実施形態において、異なって構成又は配置され、組み合わされ、及び／又は排除され得る。上述した様々な特徴及びプロセスは、互いに独立して使用されてもよく、又は様々な方法で組み合わされてもよい。全ての可能な組合せ及び部分的な組合せは、本開示の範囲内に入ることが意図されている。本開示全体を通して「いくつかの実施形態」、「実施形態」などへの言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本開示全体を通して、「いくつかの実施形態では」、「実施形態では」などの語句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すとは限らず、同じ又は異なる実施形態のうちの１つ又は複数を指し得る。実際、本明細書に記載の新規な方法及びシステムは、様々な他の形態で具体化することができる。また、本明細書に説明された発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、均等物、再構成、変更を行うことができる。

実施形態の様々な態様及び利点が、適切な場合に説明されている。そのような態様又は利点の全てが、任意の特定の実施形態に従って必ずしも達成されるとは限らないことを理解されたい。したがって、例えば、様々な実施形態は、本明細書で教示又は示唆され得るような他の態様又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点又は利点群を達成又は最適化するように実行され得ることが認識されるべきである。

本明細書で使用される条件付き言語、例えば、とりわけ、「できる」、「可能性がある」、「場合によっては」、「であってもよい」、「例えば」などは、特に明記しない限り、又は使用される文脈内で他の意味で理解されない限り、一般に、特定の実施形態が特定の特徴、要素、及び／又はステップを含むが、他の実施形態は含まないことを伝えることを意図している。したがって、このような条件付き言語は、一般に、特徴、要素及び／又はステップが１つ又は複数の実施形態に何らかの形で必要とされること、又は１つ又は複数の実施形態が、オペレータ入力又はプロンプトの有無にかかわらず、これらの特徴、要素及び／又はステップが任意の特定の実施形態に含まれるか、又は実行されるべきかを決定するための論理を必然的に含むことを意味することを意図するものではない。単一の特徴又は特徴のグループは、任意の特定の実施形態に必要ではなく、又は必須ではない。「備える」、「含む」、「有する」などの用語は同義語であり、包括的に、オープンエンド方式で使用され、追加の要素、特徴、作用、動作などを排除しない。また、「又は」という用語は、包括的な意味で（排他的な意味ではなく）使用され、例えば、要素のリストを接続するために使用される場合、「又は」という用語は、リスト内の要素の１つ、いくつか、又は全てを意味する。

本明細書に説明の実施形態の例示的な計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータは、例示することを意図しており、開示された実施形態を限定することを意図していない。他の実施形態は、本明細書に説明の例示的な例とは異なるように構成及び／又は動作することができる。

Claims

プラズマ圧縮システムであって、
液状媒体及び前記液状媒体を循環させてキャビティを有する液体ライナを形成するための循環機構を備えるプラズマ格納容器と、
前記容器と流体連通し、かつ前記キャビティ内にプラズマを注入するように動作可能なプラズマ発生器と、
前記容器に接続された圧縮ドライバであって、
ドライバピストンがこの中で摺動可能なドライバボアと、
プッシャピストンがこの中で摺動可能であり、前記ドライバピストンの質量よりも小さい質量を有するプッシャボアであって、前記液状媒体と流体連通する遠位端、ボア接合部で前記ドライバボアの遠位端に結合される近位端、及び前記ドライバボアの長さよりも短い長さを有するプッシャボアと、
前記ドライバボアに結合され、かつ前記ドライバピストンを前記ドライバボアに沿って移動させるように動作可能な原動機と、
前記ドライバピストンと前記プッシャピストンとの間の圧縮可能な圧縮流体又は磁場であって、前記ドライバピストンが前記プッシャピストンに向かって移動することによる前記圧縮流体又は磁場の圧縮が前記プッシャピストンに圧力をかけ、前記プッシャピストンが前記液状媒体を前記容器内に押し込んで前記液体ライナを崩壊させて前記プラズマを圧縮する、圧縮流体又は磁場と、
を備える、圧縮ドライバと、
を備える、プラズマ圧縮システム。
前記プッシャボアが、前記ドライバボアの直径よりも小さい直径を有し、前記圧縮ドライバが、前記プッシャボアの近位端と前記ドライバボアの遠位端とを前記ボア接合部において相互接続する環状面表面を更に備え、それによって、前記圧縮流体の圧縮により前記環状面表面に内向きの圧力がかかり、前記容器に対する外向きの圧力を打ち消す、請求項１に記載のプラズマ圧縮システム。
前記原動機が、加圧されたドライバ流体を収容するアキュムレータと、前記アキュムレータを前記ドライバピストンの後方にある前記ドライバボアに流体結合するドライバ流体弁とを備える、請求項１に記載のプラズマ圧縮システム。
前記ドライバ流体弁が、前記ドライバ流体によって前記ドライバピストンに加えられる圧力を調整するように調整可能である、請求項３に記載のプラズマ圧縮システム。
前記ドライバボアに、前記ドライバ流体又は前記圧縮流体を前記ドライバボアから排出するための、前記ドライバボア内に少なくとも１つの排出口を更に備え、前記排出口が、前記ドライバ流体又は前記圧縮流体によって前記ドライバピストンに加えられる圧力を調整するように調整可能な排出弁を備える、請求項３又は４に記載のプラズマ圧縮システム。
前記ボア接合部に近接して前記ドライバボア内に設けられ、前記圧縮流体を前記ドライバピストンの前方にある前記ドライバボア内に注入するための圧縮流体注入口であって、前記圧縮流体によって前記ドライバピストンに加わる圧力を調整するように調整可能な圧縮流体注入弁を備える圧縮流体注入口を更に備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ圧縮システム。
前記ドライバピストンが、円錐台形の突起を備える遠位端を有し、前記プッシャピストンが、前記ドライバピストンの前記遠位端を受け入れるように構成された円錐台形のレセプタクルを備える近位端を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ圧縮システム。
前記ドライバピストンは、前記ドライバピストンが前記ボア接合部にある場合、環状リム、前記環状面表面、及び環状レッジによって圧縮流体チャネルが形成されるように、前記環状面表面に平行な前記環状レッジと、前記環状レッジに垂直でかつ隣接する環状リムとを有する遠位端を備える、請求項２～７のいずれか一項に記載のプラズマ圧縮システム。
前記ドライバボアの前記近位端に移動可能に取り付けられたリコイルピストンを更に備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ圧縮システム。
前記プラズマ格納容器が、前記プラズマ格納容器に接続された複数の圧縮ドライバを備える、請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ圧縮システム。
プラズマ圧縮システムの容器に格納された液状媒体からなる液体ライナによって画定されたキャビティ内でプラズマを圧縮するための圧縮ドライバであって、
ドライバピストンがこの中で摺動可能なドライバボアと、
プッシャピストンがこの中で摺動可能であり、前記ドライバピストンの質量よりも小さい質量を有するプッシャボアであって、前記容器内の前記液状媒体と連通するための遠位端、ボア接合部で前記ドライバボアの遠位端に結合される近位端、及び前記ドライバボアの長さよりも短い長さを有するプッシャボアと、
前記ドライバボアに結合され、かつ前記ドライバピストンを前記ドライバボアに沿って移動させるように動作可能な原動機と、
前記ドライバピストンと前記プッシャピストンとの間の圧縮可能な圧縮流体又は磁場であって、前記ドライバピストンが前記プッシャピストンに向かって移動することによる前記圧縮流体又は磁場の圧縮が前記プッシャピストンに圧力をかけ、前記プッシャピストンが前記液状媒体を前記容器内に押し込んで前記液体ライナを崩壊させて前記プラズマを圧縮する、圧縮流体又は磁場とを
備える、圧縮ドライバ。
前記プッシャボアが、前記ドライバボアの直径よりも小さい直径を有し、前記圧縮ドライバが、前記プッシャボアの前記近位端と前記ドライバボアの前記遠位端とを前記ボア接合部において相互接続する環状面表面を更に備え、それによって、前記圧縮流体の圧縮により前記環状面表面に内向きの圧力がかかり、前記容器に対する外向きの圧力を打ち消す、請求項１１に記載の圧縮ドライバ。
前記原動機が、加圧されたドライバ流体を収容するアキュムレータと、前記アキュムレータを前記ドライバピストンの後方にある前記ドライバボアに流体結合するドライバ流体弁とを備える、請求項１１又は１２に記載の圧縮ドライバ。
前記ドライバ流体弁が、前記ドライバ流体によって前記ドライバピストンに加えられる圧力を調整するように調整可能である、請求項１３に記載の圧縮ドライバ。
前記ドライバボアに、前記ドライバ流体又は前記圧縮流体を前記ドライバボアから排出するための、前記ドライバボア内に少なくとも１つの排出口を更に備え、前記排出口が、前記ドライバ流体又は前記圧縮流体によって前記ドライバピストンに加えられる圧力を調整するように調整可能な排出弁を備える、請求項１３又は１４に記載の圧縮ドライバ。
前記ボア接合部に近接して前記ドライバボア内に設けられ、前記圧縮流体を前記ドライバピストンの前方にある前記ドライバボア内に注入するための圧縮流体注入口であって、前記圧縮流体によって前記ドライバピストンに加わる圧力を調整するように調整可能な圧縮流体注入弁を備える圧縮流体注入口を更に備える、請求項１１～１５のいずれか一項に記載の圧縮ドライバ。
前記ドライバピストンが、円錐台形の突起を備える遠位端を有し、前記プッシャピストンが、前記ドライバピストンの前記遠位端を受け入れるように構成された円錐台形のレセプタクルを備える近位端を有する、請求項１１～１６のいずれか一項に記載の圧縮ドライバ。
前記ドライバピストンは、前記ドライバピストンが前記ボア接合部にある場合、環状リム、前記環状面表面、及び環状レッジによって圧縮流体チャネルが形成されるように、前記環状面表面に平行な前記環状レッジと、前記環状レッジに垂直でかつ隣接する環状リムとを有する遠位端を備える、請求項１２に記載の圧縮ドライバ。
前記ドライバボアの前記近位端に移動可能に取り付けられたリコイルピストンを更に備える、請求項１１～１８のいずれか一項に記載の圧縮ドライバ。