KR100843283B1 - 플라즈마 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역장 배열(FRC)의 자기 위상(magnetic topology)에서의 융합을 제어하고, 융합 생성물의 에너지를 전력으로 직접적으로 변환하기 위한 시스템 및 장치를 제공한다. 바람직하게는, 플라즈마 이온이 FRC에서 자기적으로 감금되고, 플라즈마 전자는 외부에서 인가된 자기장을 튜닝함으로써 생성되는 깊은 에너지 우물 내에 정전기적으로 감금된다. 이러한 배열에서, 이온과 전자는 적절한 밀도와 온도를 가질 수 있어서, 충돌 시에 이들 이온 및 원자는 원자력에 의해 함께 융합되고, 그에 따라 환형 빔의 형태로 출현하는 융합 생성물을 형성한다. 에너지는 이온이 역 사이클로트론 변환기의 전극을 나선형으로 지나는 때에 융합 생성물의 이온으로부터 제거된다. 유리하게는, 본 발명의 감금 시스템 및 에너지 변환 시스템과 함께 사용될 수 있는 융합 연료의 플라즈마는 진보된 연료(어뉴트로닉 연료)를 포함한다.

Description

플라즈마 발전 시스템{PLASMA-ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM}

도 1은 본 발명의 예시적인 잠금 챔버를 도시하고,

도 2는 FRC의 자기장을 도시하고,

도 3의 a 및 b는 FRC에서의 반자화 방향과 역반자화(counterdiamagnetic) 방향을 각각 도시하고,

도 4는 본 발명의 충돌 빔 시스템을 도시하고,

도 5는 베타트론 궤도를 도시하고,

도 6a 및 도 6b는 각각 FRC에서의 구배 드리프트(gradient drift)의 방향과 자기장을 각각 도시하고,

도 7a 및 도 7b는 FRC에서의

드리프트의 방향과 전기장을 각각 도시하고,

도 8a 내지 도 8c는 이온 드리프트 궤도(ion drift orbit)를 도시하고,

도 9의 a 및 b는 FRC의 단부에서의 로렌츠힘을 도시하고,

도 10a 및 도 10b는 충돌 빔 시스템에서 전기장과 전위의 튜닝을 도시하고,

도 11은 맥스웰 분포를 도시하고,

도 12a 및 도 12b는 큰 각도의 이온-이온 충돌로 인한 베타트론 궤도로부터 드리프트 궤도로의 전이를 도시하고,

도 13a 내지 도 13d는 작은 각도의 전자-이온 충돌이 고려되는 때의 A, B, C 및 D 베타트론 궤도를 도시하고,

도 14는 잠금 챔버로 도입되기 전에 전기적으로 극성이 있는 때의 중성화된 이온 빔을 도시하고,

도 15는 잠금 챔버에서 플라즈마와 접촉할 때의 중성화된 이온 빔의 평면도(head-on view)이고,

도 16은 기동 절차의 바람직한 실시예에 따른 잠금 챔버의 개략적인 측면도이고,

도 17은 기동 절차의 다른 바람직한 실시예에 따른 잠금 챔버의 개략적인 측면도이고,

도 18은 FRC의 형성을 표시하는 B-도트 프로브의 흔적을 도시하고,

도 19a는 역 사이클로트론 직접 에너지 변환기에 결합된 충돌 빔 융합 반응기를 구비하는 부분 플라즈마 전력 발생 시스템을 도시하고,

도 19b는 도 19a의 역 사이클로트론 변환기의 단부도를 도시하고,

도 19c는 역 사이클로트론 변환기에서의 이온의 궤도를 도시하고,

도 20a는 역 사이클로트론 변환기의 변형예에 결합된 충돌 빔 융합 반응기를 구비하는 부분 플라즈마 전력 발생 시스템을 도시하고,

도 20b는 도 20a의 역 사이클로트론 변환기의 단부도를 도시하고,

도 21a는 통상의 사이클로트론 내측의 입자 궤도를 도시하고,

도 21b는 진동하는 전기장을 도시하고,

도 21c는 가속 입자의 변경 에너지를 도시하고,

도 22는 각속도를 갖는 이온이 겪는, ICC의 전극 사이의 갭에서의 방위상 전기장을 도시하고,

도 23은 집속 4극의 2겹 렌즈를 도시하고,

도 24의 a 및 b는 보조 자기장- 필드 코일 시스템을 도시하고,

도 25는 100 MW 반응기를 도시하고,

도 26은 반응기 지지 설비를 도시하고,

도 27은 플라즈마-추력 추진 시스템을 도시하고 있다.

본 발명은 플라즈마 물리학의 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 핵 융합을 가능하게 하도록 플라즈마를 감금하고, 융합 생성물로부터의 에너지를 전기로 변환시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

융합은 2개의 가벼운 핵을 결합하여 무거운 하나의 핵을 형성하는 공정이다. 융합 공정은 고속으로 이동하는 입자의 형태로 매우 큰 양의 에너지를 방출한다. 원자핵이 그 내부에 포함된 양성자로 인해 양으로 하전되기 때문에, 그들 사이에 정전기적 척력 또는 쿨롱 힘이 존재한다. 2개의 핵을 융합시키기 위해서는, 그러한 반발 장벽이 극복되어야 하는데, 이러한 장벽은 2개의 핵이 서로 충분히 근접하게 되어, 근거리의 핵력이 쿨롱 힘을 극복하여 그 핵들을 융합시키기에 충분히 강 한 경우에 발생하는 것이다. 핵이 쿨롱 장벽을 극복하기 위한 필요 에너지는 열에너지에 의해 제공되며, 이 열에너지는 매우 높아야 한다. 예컨대, 핵용합 속도는 온도가 적어도 10⁴ eV 정도, 즉 대략 1억도 K(degree Kelvin)에 대응하는 경우 인지될 수 있다. 융합 반응의 속도는 온도의 함수이며, 반응성으로 지칭되는 양(quantity)에 의해 특징 지워진다. 예컨대, D-T 반응의 반응도는 30 keV와 100 keV 사이에서 넓은 피크를 갖는다.

통상적인 융합 반응은,

D + D →He³(0.8 MeV) + n(2.5 MeV),

D + T →α(3.6 MeV) + n(14.1 MeV),

D + He³ →α(3.7 MeV) + p(14.7 MeV),

p + B¹¹ → 3α(8.7 MeV)을 포함한다.

여기서, D는 중수소, T는 3중수소, α는 헬륨 핵, n은 중성자, p는 양성자, He는 헬륨, B¹¹은 붕소-11을 나타낸다. 각 화학식에서 괄호 내의 숫자는 융합 생성물의 운동 에너지를 나타낸다.

전술한 처음의 두 반응, 즉 D-D 및 D-T 반응은 뉴트로닉 반응인데, 이는 융합 생성물의 대부분의 에너지가 고속 중성자에 의해 수반되는 것을 의미하는 것이다. 뉴트로닉 반응(neutronic reaction)은 다음의 단점을 갖는다. 즉, (1) 고속 중성자의 자속(flux)이 반응기 벽의 구조적 손상과 대부분의 구성 물질에 대한 높 은 수준의 방사능을 비롯한 많은 문제점을 초래하며, (2) 고속 중성자의 열에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 고속 중성자의 에너지가 수집되는데, 이는 매우 비효율적인 것이다(효율이 30% 미만). 뉴트로닉 반응의 장점은, (1) 그 반응도가 비교적 낮은 온도에서 피크에 도달하며, (2) 중수소와 3중수소의 원자 번호가 1이기 때문에 방사선에 의한 손실이 비교적 작다는 것이다.

나머지 두 식, 즉 D-He³ 및 p-B¹¹ 에서의 반응물은 차세대 연료(advanced fuel)로 지칭된다. 뉴트로닉 반응에서와 같이 고속 중성자를 생성하는 대신에, 이들 반응의 융합 생성물들은 하전된 입자이다. 차세대 연료의 장점은 이들 연료가 훨씬 적은 수의 중성자를 생성하고, 이로 인해 중성자와 관련한 단점을 덜 겪는다는 점이다. D-He³의 경우에, 일부 고속 중성자는 2차 반응에 의해 생성되지만, 이들 중성자는 융합 생성물의 에너지의 약 10퍼센트만을 차지한다. p-B¹¹ 반응은, 2차 반응으로부터 얻어지며 훨씬 적은 문제를 초래하는 약간의 저속 중성자를 생성하지만, 고속 중성자는 없다. 차세대 연료의 다른 장점은, 그들 연료의 융합 생성물이 전기로 직접적으로 변환될 수 있는 운동 에너지를 갖는 하전 입자를 포함한다는 것이다. 적절한 직접 에너지 변환 공정에 있어서는, 차세대 연료의 융합 생성물의 에너지는 고효율로, 가능하게는 90% 이상의 효율로 수집될 수 있다.

차세대 연료는 단점도 또한 갖는다. 예컨대, 차세대 연료의 원자 번호는 너무 높다(He³의 경우 2, B¹¹의 경우 5). 따라서, 그 연료의 방사 손실은 뉴트로닉 반응에서보다 크다. 또한, 차세대 연료를 융합하는 것이 훨씬 더 어렵다. 그 연료의 피크 반응도는 훨씬 높은 온도에서 발생하고, D-T 반응도만큼 높이 도달하지 못한다. 따라서, 차세대 연료를 사용하여 융합 반응을 야기하는 데에는 차세대 연료가 그 연료의 반응성이 현저하게 되는 보다 높은 에너지 상태로 될 필요가 있다. 따라서, 차세대 연료는 적절한 융합 조건에 이를 수 있게 하는 보다 긴 시간 동안 감금되어야 한다.

플라즈마에 대한 구속 시간(containment time)은 Δt = r²/D 이며, 여기서 r은 최소 플라즈마 치수이며, D는 확산 계수이다. 고전적인 확산 계수의 값은 Dc = a_i ²/τ_ie 이고, 여기서 a_i는 이온의 회전 반경(gyroradius)이며, τ_ie는 이온-전자 충돌 시간이다. 고전적인 확산 계수에 따른 확산은 고전적 이송으로 지칭된다. 단파장의 불안정성에 기인한 Bohm 확산 계수는 D_B = (1/16)a_i ²Ω_i이며, 여기서 Ω_i는 이온의 회전 주파수(gyrofrequency)이다. 이러한 관계에 따른 확산은 이상 이송(anomalous transport)으로 지칭된다. D_B/D_C = (1/16)Ω_iτ_ie ≒ 10⁸인 융합 조건에 있어서, 이상 이송에 있어서의 구속 시간은 고전적 이송에서의 구속 시간보다 훨씬 짧다. 이러한 관계는, 소정 양의 플라즈마에 대한 구속 시간이 플라즈마가 핵 융합 반응을 일으키기 위한 시간보다 더 길어야만 하는 요건에 의해, 얼마나 큰 플라즈마가 융합 반응기 내에 있어야 하는 가를 결정한다. 따라서, 보다 작은 초 기 플라즈마를 허용하는 융합 반응기에서는 고전적인 이송 조건이 더욱 바람직하다.

플라즈마의 토로이달 감금과 관련한 초기의 실험에서는, Δt ≒ r²/D_B의 구속 시간이 관찰되었다. 지난 40년 간의 발전으로 구속 시간은 Δt ≒ 1000r²/D_B 까지 증가하였다. 한 가지 기존 융합 반응기의 개념은 토카막(Tokamak) 반응기이었다. 토카막 반응기(68)의 자기장 및 통상의 입자 궤도(66)가 도 5에 예시되어 있다. 과거 30년 동안, 융합에 대한 연구는 D-T 연료를 사용한 토카막 반응기에 초점을 맞추어 왔다. 이러한 연구는 도 7에 예시된 국제 열융합 실험 반응기(ITER)에서 그 절정에 이르게 되었다. 토카막 반응기에 대한 최근의 실험에서는, Δt ≒ r²/D_C이 가능한 고전적 이송을 제안하고 있는데, 이 경우에 최소의 플라즈마 치수는 미터 단위에서 센티미터 단위로 감소할 수 있다. 이들 실험은 플라즈마를 10 내지 30 keV의 온도로 가열하기 위하여 활성 빔(50 내지 100 keV)을 주입하는 것을 포함하였다[W. Heidbrink & G.J. Sadler, 34 Nuclear Fusion 535(1994) 참조]. 이들 실험에서는, 활성 빔의 이온이 느려지고 고전적으로 확산되며, 열 플라즈마가 계속해서 변칙적으로 빠르게 확산되는 것이 관찰되었다. 그 이유는, 활성 빔의 이온이 큰 회전 반경을 가지며, 그로 인해 이온 회전 반경 보다 짧은 파장(λ < a_i)에 대한 변동에 둔감하기 때문이다. 단파장 변동은 소정 사이클에 걸쳐 평균화되고, 이로 인해 상쇄되는 경향이 있다. 그러나, 전자는 훨씬 작은 회전 반경을 가지므로, 변 동 및 이송에 변칙적으로 응답한다.

변칙적인 이송 때문에, 플라즈마의 최소 치수는 적어도 2.8 m 이어야 한다. 이러한 치수로 인하여, ITER은 30 m의 높이와, 30 m의 직경으로 제조되었다. 이는 구현될 수 있는 가장 작은 D-T 토카막형 반응기이다. D-He³, p-B¹¹과 같은 차세대 연료의 경우에는, 연료 이온이 핵반응을 일으키는 시간이 훨씬 길기 때문에, 토카막형 반응기는 훨씬 더 커져야 한다. D-T 연료를 사용하는 토카막 반응기는 추가의 문제점을 갖는데, 즉 융합 생성물의 대부분의 에너지가 14 MeV의 중성자에 의해 수반되고, 이로 인해 방사선 손상이 야기되고, 중성자 자속에 기인해 거의 모든 구성 물질에서 반응이 유도된다. 또한, 그들의 에너지는 열 공정에 의해 전기 에너지로 변환되어야 하는데, 이는 효율이 30%보다 작다.

다른 제안된 반응기 구조로는 충돌 빔 반응기가 있다. 충돌 빔 반응기에서, 배경 플라즈마(background plasma)가 이온의 빔에 의해 공격을 받는다. 이 빔은 열 플라즈마보다 훨씬 큰 에너지를 갖는 이온을 포함한다. 이러한 타입의 반응기에서는 배경 플라즈마가 이온 빔을 감속시키기 때문에, 유용한 융합 반응을 발생시키는 것이 실현 불가능하였다. 이러한 문제점을 경감시키고, 핵반응의 수를 최대화하기 위해 다양한 제안이 있었다.

예컨대, Jassby 등의 미국 특허 제4,065,351호에는 토로이달 감금 시스템에서 중수소 및 3중수소와 역으로 흐르는 충돌 빔을 발생시키는 방법이 개시되어 있다. Jassby 등의 미국 특허 제4,057,462호에서는, 전자기 에너지가 입사되어 하나 의 이온 종에 대한 벌크 평형 플라즈마 드래그(bulk equilibrium plasma drag)의 효과를 상쇄한다. 토로이달 감금 시스템은 토카막으로서 간주된다. Rostoker의 미국 특허 제4,894,199호에서는, 중수소 및 3중수소의 빔이 토카막의 미러 또는 역장 배열(field reversed configuration)에서 동일한 평균 속도로 입사되어 포집된다. 이 빔을 포집하는 것을 유일한 목적으로 하는 저밀도의 차가운 배경 플라즈마가 존재한다. 빔이 높은 온도를 가지므로 빔은 반응하며, 감속은 주로 입사되는 이온을 수반하는 전자에 의해 야기된다. 상기 전자는 이온에 의해 가열되며, 이 경우 감속은 최소화된다.

그러나, 이들 장치 중 어떤 것에서도, 임의의 부분이 평형 전기장을 발생시키지 않는다. 또한, 이상 이송을 감소시키거나, 심지어 그 이송을 고려하는 시도도 없다.

다른 특허는 이온의 정전기적 감금을 고려하며, 몇몇 경우에는 전자의 자기적 감금을 고려한다. 이들 특허로는, 이온의 정전기적 감금 및 전자의 관성 감금이 개시되어 있는 Farnsworth의 미국 특허 제3,258,402호 및 제3,386,883호와, Farnsworth의 특허와 유사한 Hirsch 등의 미국 특허 제3,350,036호 및 제3,530,497호와, 다극 첨두(multipole cusp) 반사벽에 의한 이온의 정전기적 감금 및 전자의 자기적 감금을 개시하고 있는 Limpaecher의 미국 특허 제4,233,537호와, Limpaecher의 특허와 유사하며 포인트 첨두(point cusp)를 수반하는 Bussard의 미국 특허 제4,826,646호가 포함된다. 이들 특허 중 어떤 것도 전자의 정전기적 감금 및 이온의 자기적 감금을 고려하고 있지 않다. 이온의 정전기적 감금에 대한 많은 연구 프로젝트가 있었지만, 그들 중 어떤 프로젝트도 이온이 융합 반응기에 요구되는 밀도를 가질 때 요구되는 정전기장을 생성하는 데에 성공하지 못했다. 마지막으로, 전술한 특허 중 어느 것도 역장 배열의 자기적 위상(topology)을 논하지 않았다.

역장 배열(FRC)은 1960년경 Naval Research Laboratory에서 세타 핀치(theta pinch) 실험 중에 우연히 발견되었다. 내부 자기장의 방향이 반대로 된 통상적인 FRC 위상이 도 8 및 도 10에 도시되어 있으며, FRC에서의 입자 궤도는 도 11 및 도 14에 도시되어 있다. FRC와 관련하여, 미국 및 일본에서 많은 연구 프로그램이 지원되어 왔다. 1960부터 1988년까지의 FRC의 이론 및 실험에 대한 종합적인 검토 논문이 있다[M. Tuszewski, 28 Nuclear Fusion 2033, (1988) 참조]. FRC 개발에 대한 백서(白書)에는 1996년도에서의 연구와 미래의 연구를 위한 권장 사항이 기재되어 있다[L.C. Steinhauser 등의 30 Fusion Technology 116(1996) 참조]. 현재까지의 FRC 실험에서는, FRC가 세타 핀치 방법으로 형성되어 왔다. 이러한 형성 방법의 결과로, 이온과 전자는 각각 전류의 절반을 수반하며, 그 결과 무시할 수 있는 정전기장이 플라즈마에 내에 초래되며, 어떠한 정전기적 감금도 없다. 이들 FRC에서의 이온과 전자는 자기적으로 구속된다. 거의 모든 FRC 실험에서, 이상 이송이 가정되었다〔예컨대, Tuszewski, page 2072의 beginning of section 1.5.2 참조].

따라서, 이온 및 전자의 이상 이송을 실질적으로 감소시키거나 제거하는 경 향이 있는 구속 시스템과, 고효율로 융합 생성물의 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 시스템을 구비하는 융합 시스템을 제공하는 것이 유리하다.

본 발명은 역장 위상을 갖는 자기장에서의 융합 제어와, 융합 생성물의 에너지를 전력으로 직접 변환시키는 것을 용이하게 하는 시스템에 관한 것이다. 이하에서 플라즈마 전력 발생(PEG) 시스템으로 지칭하는 시스템은 바람직하게는 구속 시스템을 갖춘 융합 반응기를 구비하며, 상기 구속 시스템은 이온 및 전자의 이상 이송을 실질적으로 감소시키거나 제거하는 경향이 있다. 추가로, PEG 시스템은 고효율로 융합 생성물의 에너지를 전기로 직접 변환시키는 반응기에 결합된 에너지 변환 시스템을 구비한다.

본 발명의 한 가지 혁신적인 양태에 있어서, 이온 및 전자 모두에 대한 이상 이송은 실질적으로 감소하거나 제거되는 경향이 있다. 이온의 이상 이송은 이온을 역장 배열(FRC)의 자기장 내에 자기적으로 감금함으로써 회피되는 경향이 있다. 전자(電子)의 경우에, 에너지의 이상 이송은 강한 자기장을 발생시키도록 외부에서 인가된 자기장을 튜닝함으로써 회피되는데, 상기 강한 자기장은 깊은 포텐셜 우물에 전자를 정전기적으로 감금한다. 그 결과, 본 발명의 잠금 장치 및 공정에 사용될 수 있는 융합 연료 플라즈마는 뉴트로닉 연료(neutronic fuel)로 제한되지 않으며, 유리하게는 차세대 연료 또는 어뉴트로닉 연료(aneutronic fuel)를 포함한다. 어뉴트로닉 연료의 경우에, 융합 반응 에너지는 거의 전적으로 하전 입자, 즉 활성 이온의 형태로 있으며, 이는 자기장에서 조작될 수 있으며, 연료에 따라서 거의 또 는 전혀 방사능을 발생시키지 않는다.

본 발명의 다른 혁신적인 양태에서는, 전자기장을 통과하는 하전 입자를 감속시킴으로써 융합 생성물의 운동 에너지를 전력으로 직접적으로 변환시키는 직접 에너지 변환 시스템이 사용된다. 유리하게는, 본 발명의 직접 에너지 변환 시스템은, 약 5 MHz의 융합 출력의 주파수 및 상(相)을 외부의 60 Hz 전력망의 주파수 및 상과 일치되게 변환시키는 효율, 입자-에너지 허용한계(particle-energy tolerance) 및 전자적 성능을 갖는다.

바람직한 실시예에서, 융합 반응기의 플라즈마 구속 시스템은 챔버와, 실질적으로 주축을 따른 방향으로 자기장을 인가하는 자기장 발생기와, 회전 이온 빔으로 이루어진 환형의 플라즈마 층을 포함한다. 환형의 플라즈마 빔 층의 이온은 자기적으로 궤도(orbit)의 챔버 내에 실질적으로 구속되고, 전자는 정전기 에너지 우물(energy well)에 실질적으로 구속된다. 바람직한 일실시예의 한 양태에서, 자기장 발생기는 전류 코일을 포함한다. 바람직하게는, 시스템은 챔버의 단부에서 인가된 자기장의 크기를 증대시키는 미러 코일(mirror coil)을 챔버의 단부 근처에 더 구비한다. 시스템은 인가된 자기장 내로 중성화된 이온 빔을 주입하기 위한 빔 주입기를 또한 구비할 수 있으며, 여기서 빔은 인가된 자기장에 의해 야기된 힘에 기인하여 궤도로 도입된다. 바람직한 실시예의 다른 양태에서, 시스템은 역장 배열의 위상(topology)을 갖는 자기장을 형성한다.

다른 바람직한 실시예에서, 에너지 변환 시스템은 융합 반응기의 양단부에 결합된 역 사이클로트론 변환기(ICC)를 포함한다. ICC는 복수의, 바람직하게는 4 개 또는 그 이상의 반원통형 전극으로 형성되는 중공의 원통형 기하형상을 갖고, 상기 전극 사이에서는 작은 직선 갭(gap)이 연장된다. 동작 시에, 진동 포텐셜이 교호하는 방식으로 전극에 인가된다. ICC 내의 전기장(E)은 다극 구조를 갖고, 대칭 축선에서 소멸되며, 반경에 따라 선형으로 증가되며, 갭에서의 값이 피크값이다.

또한, ICC는 융합 반응기의 구속 시스템의 방향과 실질적으로 반대 방향으로 균일한 단방향 자기장을 인가하기 위한 자기장 발생기를 구비한다. 융합 반응기의 파워 코어(power core)로부터 가장 먼 단부에서, ICC는 이온 수집기를 구비한다. 파워 코어와 ICC 사이에 대칭의 자기 첨두(magnetic cusp)가 있으며, 여기서 구속 시스템의 자기장은 ICC의 자기장과 합쳐진다. 환형의 전자 수집기가 자기 첨두 둘레에서 위치하고 이온 수집기에 전기적으로 접속되어 있다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 생성물의 핵과 하전 중성화 전자는 소정 밀도로 반응기의 파워 코어의 양단으로부터 환형 빔으로서 출현하며, 이 밀도에서 자기 첨두는 전자와 이온의 에너지 차에 의해 전자와 이온을 분리시킨다.

전자는 전자 수집기까지 자기력선을 따르며, 이온은 이온 궤적이 ICC의 길이를 따라 실질적으로 나선형 경로를 따르도록 변형되는 첨두(cusp)를 통과한다. 에너지는 공진 회로에 연결된 전극을 나선형으로 지날 때 이온으로부터 제거된다. 수직 에너지의 손실은 전극에 인접하여 초기에 회전되는 가장 큰 에너지 이온에 대하여 최대로 되는 경향이 있는데, 여기서 전기장이 가장 강하다.

본 발명의 다른 양태 및 특징은 첨부 도면과 관련한 이하의 설명을 고려하면 명백하게 될 것이다.

동일 도면 부호가 동일 구성 요소를 지시하고 있는 첨부 도면에 바람직한 실시예가 예로서 도시되어 있지만, 한정의 의도는 없다.

도면에 예시된 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 발전 시스템은 바람직하게는 직접 에너지 변환 시스템에 결합된 충돌 빔 융합 반응기를 구비한다. 전술한 바와 같이, 이상적인 융합 반응기는 이온과 전자 모두의 이상(異常) 이송의 문제를 해결한다. 본 명세서에서 제시하는 이상 이송의 문제에 대한 해결책은 역장 배열(FRC)을 갖는 자기장을 갖는 구속 시스템을 사용하는 것이다. 이온의 이상 이송은, 대부분의 이온이 크고 비단열(non-adiabatic)의 궤도를 가져서, 그들 이온을 단열 이온의 이상 이송을 야기하는 단파장 변동에 대해 둔감하게 하도록 하는 FRC에서의 자기 구속에 의해 회피된다. 특히, 자기장이 소멸되는 FRC의 소정 영역의 존재는 대부분의 단열 이온으로 이루어진 플라즈마를 갖는 것을 가능하게 한다. 전자의 경우에, 에너지의 변칙적인 이송은 강한 전기장을 발생시키도록 외부에서 인가된 자기장을 튜닝함으로써 회피되며, 상기 강한 전기장은 깊은 포텐셜 우물에 전자를 정전기적으로 감금한다.

본 발명의 감금 장치 및 공정에 사용될 수 있는 융합 연료 플라즈마는 D-D(중수소-중수소) 또는 D-T(중수소-3중수소)과 같은 뉴트로닉 연료에 한정되는 것이 아니라, 유리하게는 D-He³(중수소-헬륨-3) 또는 p-B¹¹(수소-붕소-11)과 같은 차세대 연료 또는 어뉴트로닉 연료도 포함한다. [(차세대 연료에 대한 논의는 R.Feldbacher & M.Heindler, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A271(1988)JJ-64(North Holland Amsterdam) 참조]. 이러한 어뉴트로닉 연료의 경우에, 융합 반응 에너지는 거의 전적으로 하전 입자, 즉 활성 이온의 형태로 있으며, 이는 자기장에서 조작될 수 있으며, 연료에 따라서 방사능을 거의 또는 전혀 야기하지 않는다. D-He³ 반응은 18.2 MeV 에너지와 함께 H 이온과 He⁴ 이온을 발생시키며, p-B¹¹ 반응은 3개의 He⁴ 이온과 8.7 MeV 에너지를 발생시킨다. 어뉴트로닉 연료를 활용하는 융합 장치에 대한 이론적 모델링을 기초로 하여, 출력 에너지 변환 효율은 예컨대 Fusion Technology, 19,870(19901)에서 K. Yoshikawa, T. Noma 및 Y. Yamamoto가 설명한 바와 같이 약 90%만큼 높을 수 있다. 이러한 효율은 어뉴트로닉 융합에 대한 기대를 가변(1-1000 MW)의 컴팩트한, 저비용 구조로 현저하게 증대시킨다.

본 발명의 직접 에너지 변환 공정에서, 융합 생성물의 하전 입자는 감속될 수 있으며, 그들의 운동 에너지는 전기로 직접 변환된다. 유리하게는, 본 발명의 직접 에너지 변환 시스템은, 약 5 MHz의 융합 출력의 주파수 및 상(相)을 외부의 60 Hz 전력망의 주파수 및 상과 일치되게 변환시키는 효율, 입자-에너지 허용한계 및 전자적 능력을 갖는다.

융합 구속 시스템

도 1은 본 발명에 따른 구속 시스템(300)의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 이 구속 시스템(300)은 내부에 감금 챔버(310)를 형성하는 챔버 벽(305)을 구 비한다. 바람직하게는, 이 감금 챔버(310)는 원통 형상이고, 주축(315)이 챔버(310)의 중심을 따라 있다. 이러한 구속 시스템(300)을 융합 반응기에 적용하기 위해서는, 챔버(310)의 내부를 진공 또는 거의 진공 상태로 만들어야 할 필요가 있다. 챔버(310) 내에 위치된 베타트론 플럭스 코일(320)은 주축(315)과 동심으로 있다. 베타트론 플럭스 코일(320)은, 도시된 바와 같이 긴 코일 둘레에서 전류를 지향시키도록 되어 있는 전류 전달 매체를 포함하고, 이는 바람직하게는 복수의 개별 코일의 평행한 권선(windings)을 포함하며, 가장 바람직하게는 긴 코일을 형성하는 약 4개의 별개인 코일의 평행한 권선을 포함한다. 당업자라면, 베타트론 코일(320)을 통과하는 전류로 인해 베타트론 코일(320) 내부에 실질적으로 주축(315) 방향으로 자기장이 발생되는 것을 알 것이다.

챔버 벽(305)의 외부 둘레에는 외부 코일(325)이 있다. 이 외부 코일(325)은 주축(315)에 실질적으로 평행한 자속을 갖는 비교적 일정한 자기장을 발생시킨다. 이 자기장은 방위상으로 대칭이다. 외부 코일(325)로 인한 자기장이 일정하고 주축(315)에 평행하다는 가정이 챔버(310)의 단부로부터 먼 곳에서 가장 유효하다. 챔버(310)의 각 단부에는 미러 코일(330)이 있다. 이 미러 코일(330)은 각 단부에서 챔버(310) 내부의 자기장을 증대시켜, 각 단부에서 자기력선을 안쪽으로 휘게 하도록 되어 있다(도 8 및 도 10을 참조). 설명한 바와 같이, 이와 같이 자기력선을 안쪽으로 휘게 하는 것은, 플라즈마가 구속 시스템(300)을 탈출할 수 있는 위치인 단부로부터 멀어지게 플라즈마를 압박함으로써 플라즈마(335)를 챔버(310) 내부의 감금 영역에서 일반적으로 미러 코일(330) 사이에 수용하는 것을 돕는다. 미러 코일(330)은, 미러 코일(330) 내의 권선수를 증가시키는 것과, 미러 코일(330)을 통과하는 전류를 증대시키는 것과, 또는 미러 코일(330)과 외부 코일(325)을 중첩시키는 것을 비롯한 당업계에 알려진 다양한 방법에 의해 단부에서 증대된 자기장을 발생시키도록 될 수 있다.

도 1에서는 외부 코일(325)과 미러 코일(330)이 챔버 벽(305)의 외측에 구현된 것으로 도시되어 있지만, 이들 코일은 챔버(310)의 내측에 있을 수도 있다. 챔버 벽(305)이 금속과 같은 전도성 물질로 구성되는 경우에, 자기장이 챔버 벽(305)을 통해 확산하는 데 걸리는 시간이 비교적 길어서 시스템(300)이 활발하지 않게 반응될 수 있기 때문에, 코일(325, 330)을 챔버 벽(305) 내측에 배치하는 것이 유리할 수 있다. 마찬가지로, 챔버(310)는 중공 실린더 형상일 수 있고, 챔버 벽(305)은 긴 환형 링을 형성한다. 이러한 경우에, 베타트론 플럭스 코일(320)은 상기 환형 링의 중심에서 챔버 벽(305)의 외측에 구현될 수 있다. 바람직하게는, 환형 링의 중심을 형성하는 내부 벽은 유리와 같은 비전도성 물질로 이루어질 수 있다. 명백한 바와 같이, 챔버(310)는 회전 플라즈마 빔 또는 층(335)이 주축(315)을 중심으로 하여 소정 반경으로 회전할 수 있게 하도록 충분한 사이즈와 형상으로 이루어져야 한다.

챔버 벽(305)은 철과 같이 투자율이 높은 물질로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 이러한 물질에서 유도된 역전류로 인해, 챔버 벽(305)은 자속이 챔버(310)를 탈출하지 못하게 하는 것, 즉 자속을 "압축"시키는 것을 돕는다. 챔버 벽을 플렉시글라스(plexiglass)와 같이 투자율이 낮은 물질로 제조하는 경우, 자속을 구속 하기 위한 다른 장치가 필요하다. 이러한 경우에, 일련의 폐루프 형태의 평탄 금속 링이 마련될 수 있다. 당업계에 플럭스 디리미터(flux delimiter)로 알려진 상기 링들은 외부 코일(325) 내에 마련되지만, 회전 플라즈마 빔(335)의 외측에 마련된다. 또한, 이들 플럭스 디리미터는 수동형 또는 능동형일 수 있으며, 능동형 플럭스 디리미터는 챔버(310) 내에 자속을 구속하는 것을 보다 용이하게 하도록 예정된 전류에 의해 구동된다. 선택적으로, 외부 코일(325) 자체가 플럭스 디리미터로서 기능할 수 있다.

이하에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 하전 입자로 이루어진 회전 플라즈마 빔(335)은, 외부 코일(325)로 인한 자기장에 의해 야기되는 로렌츠힘에 의해서 챔버(310) 내부에 구속될 수 있다. 그에 따라, 플라즈마 빔(335)의 이온은, 외부 코일(325)로부터의 자속선의 주위에서 큰 베타트론 궤도에 자기적으로 구속되며, 상기 궤도는 주축(315)에 평행하다. 또한, 플라즈마 이온을 회전 플라즈마 빔(335)에 부가하기 위하여, 하나 이상의 빔 주입 포트(340)가 챔버(310)에 마련되어 있다. 바람직한 실시예에서, 주입 포트(340)는 회전 플라즈마 빔(335)이 구속되는 곳인 주축(315)으로부터 거의 동일한 반경 방향 위치에 〔즉, 후술하는 널 표면(null surface) 주위에〕 이온빔을 주입하도록 되어 있다. 또한, 주입 포트(340)는 구속된 플라즈마 빔(335)의 베타트론 궤도 방향과 그 접선 방향으로 이온빔(350)을 주입하도록 되어 있다(도 16 참조).

또한, 비활성 플라즈마의 구름(cloud)을 챔버(310) 내로 주입하기 위하여, 하나 이상의 배경 플라즈마 소스(345)가 마련된다. 바람직한 실시예에서, 배경 플라즈마 소스(345)는 플라즈마(335)를 챔버(310)의 축방향 중심을 향해 지향시키도록 되어 있다. 이러한 방향으로 플라즈마를 지향시키는 것이 플라즈마(335)를 보다 잘 구속하는 데 도움이 되고, 보다 고밀도의 플라즈마(335)를 챔버(310) 내의 감금 영역으로 안내하는 것으로 판명되었다.

FRC 중의 하전 입자

도 2는 FRC(70)의 자기장을 도시하고 있다. 시스템은 그 축선(78)에 대해 원통형으로 대칭이다. FRC에는 2개 영역의 자기력선, 즉 개방측(80)과, 폐쇄(82)측이 있다. 두 영역을 분할하는 표면을 세파라트릭스(separatrix; 84)로 지칭한다. FRC는 자기장이 소멸되는 원통형 널 표면(86)을 형성한다. FRC의 중앙부(88)에서, 자기장은 축방향으로 현저하게 변화하지는 않는다. 단부(90)에서, 자기장은 축방향으로 현저하게 변화한다. 중앙 축선(78)을 따른 자기장은 FRC에서 방향이 역전되어, 역장 배열(FRC)에서 "역(Reversed)"이라는 용어를 발생시킨다.

도 3a에서, 널 표면(94) 외측의 자기장은 제1 방향(96)으로 있다. 널 표면 내측의 자기장은 제1 방향과 반대의 제2 방향(98)으로 있다. 이온이 방향 100으로 이동하는 경우, 그 이온에 작용하는 로렌츠힘(30)은 널 표면(94)을 향한다. 이는 오른손 법칙을 적용함으로써 쉽게 이해할 수 있다. 입자가 반자화 방향 102로 이동하는 경우에, 로렌츠힘은 항상 널 표면(94)을 향한다. 이 현상은 이하에서 설명하는 베타트론 궤도라 불리는 입자 궤도를 생성한다.

도 3b는 역반자화 방향 104로 이동하는 이온을 도시하고 있다. 이 경우에 로렌츠힘은 널 표면(94)으로부터 멀어지게 향한다. 이 현상은 이하에서 설명하는 드리프트 궤도라 불리는 궤도 형태를 생성한다. 이온에 대한 반자화 방향은 전자에 대한 역반자화이며, 그 반대도 마찬가지다.

도 4는 이온의 반자화 방향(102)으로 회전하는 플라즈마(106)의 링 또는 환형 층을 도시한다. 상기 링(106)은 널 표면(86) 둘레에 위치한다. 환형 플라즈마 층(106)에 의해 생성된 자기장(108)은 외부 인가 자기장(110)과 조합되어, (도 2에 도시된) FRC의 위상을 갖는 자기장을 형성한다.

플라즈마 층(106)을 형성하는 이온빔은 소정 온도를 가지며, 이로 인해 이온의 속도는 이온빔의 평균 각속도로 회전하는 프레임 내에 맥스웰 분포를 형성한다. 상이한 속도의 이온 사이의 충돌은 융합 반응을 유도한다. 이러한 이유로, 플라즈마 빔 층 또는 파워 코어(106)는 충돌형 빔 시스템으로 불린다.

도 5는 충돌형 빔 시스템에서 베타트론 궤도(112)로 불리는 이온 궤도의 주요 타입을 도시한다. 베타트론 궤도(112)는 널 서클(null circle)(114) 상에 센터링된 사인파로서 표현될 수 있다. 전술한 바와 같이, 널 서클(114) 상에서의 자기장은 소멸한다. 베타트론 궤도(112)의 평면은 FRC의 축선(78)에 대해 수직이다. 이 궤도(112)의 이온은 시작점(116)으로부터 반자화 방향(102)으로 이동한다. 베타트론 궤도 내의 이온은 두 가지의 운동, 즉 반경 방향[널 서클(114)에 수직]의 진동과, 널 서클(114)을 따른 병진 운동을 한다.

도 6a는 FRC에서의 자기장(118)의 그래프이다. 그래프의 수평 축선은 FRC 축선(78)으로부터의 거리를 센티미터 단위로 나타내는 것이다. 자기장의 단위는 킬로가우스이다. 그래프가 나타내는 바와 같이, 자기장(118)은 널 서클의 반지름(120)에서 소멸된다.

도 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 널 서클 근처에서 이동하는 입자는 널 서클(86)로부터 멀어지게 향하는 자기장의 구배(126)를 나타낸다. 널 서클 외측의 자기장은 제1 방향(122)으로 있고, 널 서클 내측의 자기장은 제1 방향과 반대인 제2 방향(124)으로 있다. 구배 드리프트의 방향은 외적

에 의해 제공되며, 여기서 ▽B는 자기장의 구배인데, 이는 이온이 널 서클(128)의 외측에 있는지 내측에 있는지에 관계 없이 구배 드리프트의 방향이 역반자화 방향이라는 것을 오른손 법칙을 적용함으로써 이해할 수 있다.

도 7a는 FRC에서 전기장(130)의 그래프이다. 그래프의 수평 축선은 FRC 축선(78)으로부터 거리를 센티미터 단위로 나타낸 것이다. 전기장은 단위가 볼트/㎝이다. 그래프가 도시하는 바와 같이, 전기장(130)은 널 서클의 반지름(120)에 인접하여 소멸된다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 이온에 대한 전기장은 감금을 해제시키고, 널 표면(86)으로부터 멀어지는 방향(132, 134)을 향한다. 이전과 같이, 자기장은 널 표면(86)의 내측 및 외측에서 반대 방향(122, 124)이다. 이온이 널 표면(136)의 외측에 있는지 내측에 있는지에 관계 없이

드리프트의 방향이 반자화 방향(102)이라는 것을 오른손 법칙을 적용함으로써 이해할 수 있다.

도 8a 및 도 8b에는 드리프트 궤도(138)로 불리는, FRC에서의 공통 궤도의 다른 타입을 나타낸다. 드리프트 궤도(138)는 도 8a에 도시한 바와 같이 널 표면(114)의 외측에, 또는 도 8b에 도시한 바와 같이 그 내측에 있을 수 있다. 드리프트 궤도(138)는

드리프트가 우세한 경우에는 반자화 방향으로 회전하고, 구배 드리프트가 우세한 경우 역반자화 방향으로 회전한다. 도 8a 및 도 8b에 도시되어 있는 드리프트 궤도(138)는 시작점(116)으로부터 반자화 방향(102)으로 회전한다.

도 8c에 도시한 바와 같은 드리프트 궤도는 비교적 큰 원 위에서 구르는 작은 원으로서 생각될 수 있다. 작은 원(142)은 의미상 축선 둘레(144)를 맴돈다. 또한, 작은 원은 큰 원(146) 위에서 102 방향으로 구른다. 지점(140)은 도면 번호 138에 유사한 경로를 공간에서 그린다.

도 9a 및 도 9b는 FRC(151)의 단부에서 로렌츠힘의 방향을 도시한다. 도 9a에는, 이온이 자기장(150)에서 소정 속도(148)로 반자화 방향(102)으로 이동하는 것으로 도시되어 있다. 오른손 법칙을 적용함으로써, 로렌츠힘(152)이 이온을 폐쇄 자기력선의 영역 안으로 다시 미는 경향이 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 이 경우에, 로렌츠힘(152)은 이온을 감금한다. 도 9b에는, 이온이 자기장(150)에서 소정 속도(148)로 역반자화 방향으로 이동하는 것으로 도시되어 있다. 오른손 법칙을 적용함으로써, 로렌츠힘(152)이 개방 자기력선의 영역안으로 이온을 미는 경향이 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 이 경우에는 로렌츠힘(152)이 이온에 대한 감금을 해제시킨다.

FRC 에서의 자기적 감금 및 정전기적 감금

활성 이온빔을 이온의 반자화 방향(102)으로 널 표면(86) 둘레에 주입함으로써 플라즈마 층(106)(도 4 참조)을 FRC에 형성할 수 있다. (FRC와 플라즈마 링을 형성하는 다른 방법에 대한 상세한 논의는 이하에서 설명한다.) 회전 플라즈마 층(106)에서, 대부분의 이온은 베타트론 궤도(102)를 가지면서(도 5 참조), 활성이고 비단열성이며, 따라서 이상 이송을 야기하는 단파장 변동에 둔감하다.

평형 상태로 있으며 FRC에 형성된 플라즈마 층(106)에 있어서, 운동량의 보존은 이온의 각속도 ω_i과, 전자의 각속도 ω_e 사이에 소정의 관계를 부여하는 것을 발견하였다. 그 관계는 다음과 같다.

식 1

식 1에서, Z는 이온의 원자 번호이며, m_i는 이온 질량이고, e는 전자의 전하이고, B₀는 인가 자기장의 크기이고, c는 빛의 속도이다. 이러한 관계에서는, 3개의 자유 매개 변수, 즉 인가 자기장(B₀), 전자의 각속도(ω_e), 이온의 각속도(ω_i)가 있다. 이들 중 2개를 알고 있으면, 제3의 매개 변수를 식 1로부터 결정할 수 있다.

플라즈마 층(106)이 FRC 내로 이온빔을 주입함으로써 형성되기 때문에, 이온의 각속도(ω_i)는 빔의 주입 운동 에너지 W_i에 의해 결정되며, 이는 이하의 식으로 주어진다.

식 2

여기서, V_i = ω_ir₀이며, V_i는 이온의 주입 속도, ω_i는 이온의 사이클로트론 주파수, r₀는 널 표면(86)의 반지름이다. 빔에서 전자의 운동 에너지는 전자의 질량 m_e가 이온의 질량 m_i보다 훨씬 작기 때문에 무시하였다.

빔의 고정된 주입 속도(고정된 ω_i)에 대해, 인가 자기장(B₀)을 튜닝하여 ω_e의 상이한 값을 얻을 수 있다. 도시한 바와 같이, 외부 자기장(B₀)을 튜닝하면 플라즈마 층 내부에 상이한 값의 정전기장을 또한 발생시킬 수 있다. 본 발명의 이러한 특징은 도 10a 및 도 10b에 도시되어 있다. 도 10a는 동일한 주입 속도, 즉 ω_i = 1.35 x 10⁷s^-1에 대해 얻은 자기장(볼트/cm)과 3가지의 상이한 값의 인가 자기장(B₀)의 3개의 플롯을 도시하고 있다.

플롯	인가 자기장(B0)	전자의 각속도(ωe)
154	B0 = 2.77 kG	ωe = 0
156	B0 = 5.15 kG	ωe = 0.625 x 107s-1
158	B0 = 15.5 kG	ωe = 1.11 x 107s-1

상기 표 1에서 ω_e의 값은 식 1에 따라 결정되었다. 식 1에서 ω_e > 0이라는 것은 Ω₀ > ω_i임을 의미하여, 전자가 그들의 역반자화 방향으로 회전한다는 것을 이해할 것이다. 도 10b는 B₀와 ω_e의 동일한 값의 세트에 대한 전기 포텐셜(볼트 단위)을 도시한다. 도 10a 및 도 10b에서의 수평 축선은 FRC 축선(78)으로부터의 거리를 그래프에 센티미터 단위로 도시하고 있다. 전기장과 전기 포텐셜은 ω_e에 크게 의존한다.

전술한 결과는 간단한 물리학적 근거로 설명될 수 있다. 이온이 반자화 방향으로 회전할 때, 이온은 로렌츠힘에 의해 자기적으로 감금된다. 이는 도 3a에 도시되어 있다. 전자의 경우, 이온과 동일한 방향으로 회전하면, 로렌츠힘은 반대 방향으로 되어, 전자가 감금되지 않는다. 전자는 플라즈마를 떠나게 되고, 그 결과 과잉의 양전하가 발생한다. 이는 다른 전자가 플라즈마를 떠나는 것을 방지하는 전기장을 형성한다. 평형 상태에서, 이러한 전기장의 방향 및 크기는 운동량 보존에 의해 결정된다.

정전기장은 전자 및 이온 모두의 이송에 대해 필수적인 역할을 한다. 따라서, 본 발명의 중요한 양태는, 강한 정전기장을 플라즈마 층(106) 내부에 생성하고, 그 정전기장의 크기는 용이하게 조절될 수 있는 인가 자기장(B₀)의 값에 의해 제어된다는 것이다.

설명한 바와 같이, 정전기장은 ω_e > 0인 경우 전자를 감금한다. 도 10b에 도시한 바와 같이, 우물의 깊이는 인가 자기장(B₀)을 튜닝함으로써 증가될 수 있다. 널 서클 근처의 매우 좁은 영역을 제외하면, 전자는 항상 작은 회전 반경을 갖는다. 따라서, 전자는 변칙적으로 빠른 확산 속도로 단파장 변동에 응답한다. 실제로, 이러한 확산은 일단 융합 반응이 일어나는 경우에 포텐셜 우물을 유지하는 데에 도움이 된다. 훨씬 더 큰 에너지를 갖는 융합 생성물 이온은 플라즈마를 떠난다. 전하의 준중성(準中性)을 유지하기 위해, 융합 생성물은 그들과 함께 플라즈마 외부로 전자를 당겨야하며, 이로 인해 주로 플라즈마 층의 표면으로부터의 전자를 취한다. 플라즈마의 표면에서의 전자 밀도는 매우 낮고, 융합 생성물과 함께 플라즈마를 떠난 전자는 대체되어야 하며, 그렇지 않으면 포텐셜 우물이 사라진다.

도 11은 전자의 맥스웰 분포(162)를 도시하고 있다. 맥스웰 분포의 테일(tail)(160)로부터 매우 활성적인 전자만이 플라즈마 표면에 도달하여 융합 이온과 함께 떠날 수 있다. 따라서, 맥스웰 분포(162)의 테일(160)은 널 표면 근처의 고밀도 영역에서 전자-전자의 충돌에 의해 계속적으로 생성된다. 활성 전자가 여전히 작은 회전 반경을 가지므로, 이상(異常) 확산은 떠나는 융합 생성물 이온을 수용하기에 충분히 빠르게 전자들이 표면에 도달할 수 있게 한다. 활성 전자는 포텐션 우물을 거슬러 올라감에 따라 에너지를 잃어서, 거의 에너지를 갖지 않고 떠나게 된다. 전자는 이상 이송으로 인해 자기장을 신속하게 가로지르질 수 있지만, 에너지가 거의 이송되지 않기 때문에 변칙적인 에너지 손실은 방지되는 경향이 있다.

포텐션 우물의 다른 결과는 증발 냉각과 유사한, 전자에 대한 강력한 냉각 메커니즘이다. 예컨대, 물이 증발되도록 하기 위해, 물에는 증발 잠열이 공급되어야 한다. 잔류하는 액상의 물과 주위의 매질에 의해 상기 열이 공급되며, 그 후 열 이송 공정이 에너지를 대체할 수 있는 것보다 빨리 더 낮은 온도로 신속하게 열중성자화(thermalize)된다. 마찬가지로, 전자의 경우에, 포텐셜 우물의 깊이는 물의 증발 잠열에 상응하는 것이다. 전자는 포텐셜 우물을 거슬러 오르기 위해 요구되는 에너지를 맥스웰 테일의 에너지를 재공급하는 열중성자화 공정에 의해 공급하여, 그 전자가 탈출할 수 있게 한다. 따라서, 열중성자화 공정은 어떤 가열 공정보다 훨씬 빠르기 때문에 낮은 전자 온도를 초래한다. 전자와 양성자 사이의 질량 차이 때문에, 양성자로부터의 에너지 전달 시간은 전자 열중성자화 시간보다 약 1800배 작다. 냉각 메커니즘은 또한 전자의 방사 손실을 감소시킨다. 이는, 방사 손실이 원자 번호 Z가 1보다 큰, Z > 1인 연료 이온에 의해 증대되는 것인 차세대 연료에 대해 특히 중요하다.

정전기장도 이온 이송에 영향을 미친다. 플라즈마 층(106) 내의 대부분의 입자 궤도는 베타트론 궤도(112)이다. 큰 각도의 충돌, 즉 90°와 180°사이의 산란 각도를 갖는 충돌은 베타트론 궤도를 드리프트 궤도로 변경시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 드리프트 궤도의 회전 방향은

드리프트와 구배 드리프트 사이의 경합(competition)에 의해 결정된다.

드리프트가 우세하면, 드리프트 궤도는 반자화 방향으로 회전한다. 구배 드리프트가 우세하면, 드리프트 궤도는 역반자화 방향으로 회전한다. 이는 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있다. 도 12a는 지점(172)에서 발생하는 180°충돌로 인한 베타트론 궤도로부터 드리프트 궤도로의 전이를 도시하고 있다. 드리프트 궤도는

드리프트가 우세하기 때문에 반자화 방향으로 계속하여 회전한다. 도 12b는 다른 180°의 충돌을 도시하지만, 이 경우에는 정전기장이 약하여 구배 드리프트가 우세하다. 따라서, 드리프트 궤도는 역반자화 방향으로 회전한다.

드리프트 궤도의 회전 방향은 감금의 여부를 결정한다. 또한, 드리프트 궤도에서 이동하는 입자는 FRC 축선에 평행한 속도를 가진다. 입자가 FRC의 일단부로부터 타단부로 가는 데에 걸리는 시간은 평행 운동의 결과로서 전이 시간(transit time)으로 불리며, 따라서 드리프트 궤도가 전이 시간 정도의 시간 내에 FRC의 단부에 도달한다. 도 9a와 관련하여 도시한 바와 같이, 상기 FRC의 단부에서 로렌츠힘은 반자화 방향으로 회전하는 드리프트 궤도에 대해서만 감금한다. 따라서, 전이 시간 후에, 역반자화 방향으로 회전하는 드리프트 궤도 내의 이온은 소실된다.

이 현상은, 모든 FRC 실험에서 존재했던 것으로 예상되는, 이온에 대한 손실 메커니즘을 설명한다. 실제로, 이들 실험에서, 이온은 전류의 절반을 수반하였으며, 전자가 나머지 절반을 수반하였다. 이들 조건에서, 플라즈마 내부의 전기장은 무시할 수 있으며, 구배 드리프트는 항상

드리프트보다 우세하였다. 따라서, 큰 각도의 충돌에 의해 생성된 드리프트 궤도는 모두 전이 시간 후에 소실된다. 이들 실험으로부터 고전적 확산 평가(classical diffusion estimates)에 의해 예상되었던 것보다 더 빠른 이온 확산 속도가 보고되었다.

강한 정전기장이 있는 경우,

드리프트가 구배 드리프트보다 우세하며, 드리프트 궤도는 반자화 방향으로 회전한다. 이는 앞서 도 12a와 관련하여 도시되어 있다. 이들 궤도가 FRC의 단부에 도달하는 경우, 이들 궤도는 로렌츠힘에 의해 폐쇄 자기력선의 영역 안으로 다시 반사되며, 따라서 시스템 내에 감금된 상태로 유지된다.

충돌 빔 시스템에서의 정전기장은 충분히 강하므로,

드리프트가 구배 드리프트보다 우세할 수 있다. 따라서, 시스템의 정전기장은 이온 소실 메커니즘을 제거함으로써 이온 이송을 피할 수 있는데, 상기 메커니즘은 미러 장치(mirror device)의 소실 원뿔(loss cone)과 유사하다.

이온 확산의 다른 양태는 베타트론 궤도상에서 작은 각도의 전자-이온 충돌의 영향을 고려함으로써 이해할 수 있다. 도 13a는 베타트론 궤도(112)를 도시하며, 도 13b는 작은 각도의 전자-이온 충돌이 고려될 때의 동일한 궤도(112)를 도시하고(174), 도 13c는 10배 더 긴 시간 후의 도 13b의 궤도를 도시하며(176), 도 13d는 20배 더 긴 시간 후의 도 13b의 궤도를 도시한다(178). 베타트론의 궤도의 위상은 작은 각도의 전자-이온 충돌로 인해 변경되지 않지만, 그 반경 방향 진동의 진폭은 시간에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 실제로, 도 13a 내지 도 13d에 도시되어 있는 궤도는 시간에 따라 커지고, 이는 고전적 확산을 나타내는 것이다.

FRC 의 형성

FRC를 형성하는 데 사용된 종래의 과정은 주로 세타 핀치 필드 역전 절차를 채용한다. 이러한 종래의 방법에서는, 중성 가스가 재충전된 챔버를 둘러싸는 외부 코일에 의해 바이어스 자기장이 인가된다. 이와 같이 인가되면, 가스는 이온화되고 바이어스 자기장은 플라즈마에서 동결된다. 다음에, 외부 코일 내의 전류는 신속히 역전되고, 반대 방향을 향하는 자기력선은 이전에 동결된 자기력선과 연결되어 FRC의 폐쇄된 위상을 형성한다(도 2 참조). 이러한 형성 공정은 상당히 경험적인 것이며, FRC의 형성을 제어하는 수단은 거의 존재하지 않는다. 상기 방법은 재현성이 불충분하며, 그 결과 튜닝 능력도 없다.

이와 달리, 본 발명의 FRC 형성 방법은 충분한 제어를 허용하여, 훨씬 분명하고 재현이 가능한 공정을 제공한다. 실제로, 본 발명의 방법에 의해 형성되는 FRC는 튜닝될 수 있으며, FRC의 형상과 그 밖의 특성은 외부의 필드 코일(325)에 의해 인가되는 자기장을 조작함으로써 직접적으로 영향을 받을 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 의해 FRC를 형성하면, 상세히 설명한 방식으로 전기장과 포텐셜 우물을 형성할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 방법은 FRC를 반응기 레벨의 파라미터 및 고에너지 연료 흐름까지 가속하도록 쉽게 확장될 수 있으며, 유리하게는 이온의 고전적인 감금을 가능하게 한다. 또한, 이 기술은 컴팩트한 장치에 채용될 수 있고, 매우 견고할뿐만 아니라 반응기 시스템의 모든 유리한 특징을 쉽게 구현할 수 있다.

본 발명의 방법에서, FRC 형성은 회전 플라즈마 빔(335)에 관한 것이다. 회전 플라즈마 빔(335)은 전류이므로, 원형 와이어 내의 전류와 마찬가지로 극각(poloidal) 자기장을 형성한다는 것을 알 수 있다. 회전 플라즈마 빔(335)의 내부에서 유도되는 자체 자기장은 외부 코일(325)로 인해 외부에서 인가되는 자기장과 반대이다. 플라즈마 빔(335)의 외부에서, 상기 자체 자기장의 방향은 상기 인가 자기장의 방향과 동일하다. 플라즈마 이온 전류가 충분히 클 경우, 상기 자체 자기장은 인가 자기장을 극복하며, 회전 플라즈마 빔(335) 내부에서 자기장은 역전되며, 이로 인해 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같은 FRC 위상을 형성한다.

자장 역전의 요건은 간단한 모델을 이용하여 추정할 수 있다. 1차 반경 r₀과 2차 반경 α<< r₀으로 이루어진 링에 의해 수반되는 전류 I_p를 고려한다. 링에 수직한, 링의 중심에서의 자기장은 B_p = 2πI_p/(cr₀)이다. 각속도가 Ω₀인 N_p 이온이 링의 전류 I_p = N_pe(Ω₀/2π)를 수반한다고 가정한다. 반경 r₀ = V₀/Ω₀ 로 회전하는 단일 이온의 경우에, 외부 자기장 B₀에 대한 사이클로트론 주파수는 Ω₀ = eB₀/m_ic이다. V₀는 빔 이온의 평균 속도로 가정한다. 자장 역전은 다음과 같이 정의된다.

식 3

이 식은 N_p>2r₀/α_i 라는 것을 나타내고,

식 4

라는 것을 알 수 있다. 상기 식에서, α_i = e²/m_ic² = 1.57 x 10^-16cm이고, 이온빔 에너지는 ½m_iV₀ ² 이다. 1차원 모델에서, 플라즈마 전류로부터의 자기장은 B_p = (2π/c)i_p이고, 여기서 i_p는 단위 길이당 전류이다. 자장 역전의 요건은 i_p > eV₀/πr₀α_i = 0.225 kA/cm이고, 여기서 B₀ = 69.3 G이며, ½m_iV₀ ² = 100 eV 이다. 주기적 링을 갖고, 축방향 좌표에 대하여 평균인 B_z가 <B_z> = (2π/c)(I_p/s) (s는 링의 간격)인 모델에 있어서, s = r₀이면 이 모델은 i_p = I_p/s를 갖는 1차원 모델과 동일한 평균 자기장을 갖는다.

빔/베타트론 형성 조합 기술

전술한 감금 시스템(300) 내에서 FRC를 형성하는 바람직한 방법을 본원에서는 빔/베타트론 조합 기술이라고 칭한다. 이 기술은 저에너지 플라즈마 이온빔과, 베타트론 플럭스 코일(320)을 이용하는 베타트론 가속을 조합한 것이다.

이 방법에서, 제1 단계는, 배경 플라즈마 소스(345)를 이용하여 실질적으로 환형인 배경 플라즈마의 구름층을 챔버(310) 내에 주입하는 것이다. 외부 코일(325)은 챔버(310) 내부에 자기장을 발생시키며, 이 자기장은 배경 플라즈마를 자화시킨다. 짧은 간격으로, 외부에서 챔버(310) 내부에 인가되는 자기장을 실질적으로 가로지르도록 저에너지 이온빔을 주입 포트(340)를 통해 챔버(310) 내로 주입한다. 전술한 바와 같이, 이온빔은 상기 자기장에 의해 챔버(310) 내부에서 큰 베타트론 궤도에 포집된다. 이온빔은, 이온 다이오드와 Marx 발생기[R.B. Miller의 "An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams(1982) 참조]를 포함하는 가속기와 같은 이온 가속기에 의해 발생될 수 있다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 외부 인가 자기장은 주입된 이온빔이 챔버(310)에 들어가는 즉시 이온빔에 로렌츠힘을 가하지만, 상기 이온빔은 편향되지 않아서, 회전 플라즈마 빔(335)에 도달할 때까지는 베타트론 궤도에 들어가지 않는 것이 유리하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 이온빔은 전자에 의해 중성화되며, 챔버(310)에 들어가기 전에 실질적으로 일정한 단방향 자기장을 통하여 지향된다. 도 14에 예시된 바와 같이, 이온빔(350)이 적절한 자기장을 통하여 지향되는 경우, 양으로 하전된 이온과 음으로 하전된 전자는 분리된다. 따라서, 이온빔(350)은 자기장으로 인해 자체적으로 전기 분극되게 된다. 자기장은, 예컨대 이온빔의 경로를 따라 마련되는 전자석 또는 영구 자석에 의해 발생될 수 있다. 그 결과로 형성된 전기장은, 후속하여 감금 챔버(310) 내로 도입될 때, 빔 입자에 작용하는 자력의 균형을 맞추어, 이온빔이 편향되지 않는 상태로 드리프트될 수 있게 한다. 도 15는 이온빔(350)이 플라즈마(335)와 접촉할 때 이온빔의 평면도를 보여준다. 도시된 바와 같이, 플라즈마(335)로부터의 전자는 자기력선을 따라 빔(350) 내측으로 또는 빔으로부터 멀어지게 이동하며, 이로써 빔의 전기 분극이 소실된다. 이온빔이 더이상 전기 분극되어 있지 않는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 빔은 회전 플라즈마 빔(335)을 주축(315) 주위에 있는 베타트론 궤도에 연결시킨다(도 4를 또한 참조할 것).

플라즈마 빔(335)이 그 베타트론 궤도에서 이동하는 경우, 이동 이온은 전류를 포함하며, 이로 인해 자체 극각 자기장이 발생된다. 챔버(310) 내에서 FRC 위상을 발생시키기 위하여, 플라즈마 빔(335)의 속도를 증대시켜 플라즈마 빔(335)이 야기하는 자체 자기장의 강도를 증대시킬 필요가 있다. 자체 자기장이 충분히 큰 경우, 플라즈마 빔(335) 내에서 주축(315)으로부터 반경 방향으로 거리를 둔 곳에서의 자기장의 방향은 역전되어, FRC를 발생시킨다(도 2 및 도 4 참조). 베타트론 궤도에서 회전 플라즈마 빔(335)의 반경 방향 거리를 유지하기 위해서는, 플라즈마 빔(335)의 속도가 증대됨에 따라 외부 코일(325)로부터 인가된 자기장을 증대시킬 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 적절하게 인가된 자기장을 유지하기 위하여, 외부 코일(325)을 통하는 전류에 의해 지시를 받는 제어 시스템이 마련된다. 선택적으로, 제2 외부 코일을 사용하여, 플라즈마 빔이 가속될 경우 플라즈마 빔의 궤도 반경을 유지하는 데 필요한 자기장을 추가적으로 인가할 수 있다.

궤도에서 회전 플라즈마 빔(335)의 속도를 증대시키기 위해, 베타트론 플럭스 코일(320)이 마련된다. 도 16을 참조하면, 베타트론 플럭스 코일(320)을 통하는 전류를 증대시키면, 암페어 법칙에 의해 챔버(310) 내부에 방위상 전기장(E)이 유도된다는 것을 알 수 있다. 플라즈마 빔(335)에서 양으로 하전된 이온은 이렇게 유도된 전기장에 의해 가속되어, 전술한 바와 같이 자장 역전을 야기한다. 이온빔이 회전 플라즈마 빔(335)에 부가되는 경우, 전술한 바와 같이 플라즈마 빔(335)은 이온빔의 극성을 없앤다.

자장 역전을 위해, 회전 플라즈마 빔(335)은 약 100 eV, 바람직하게는 약 75 eV 내지 125 eV의 회전 에너지로 가속되는 것이 유리하다. 융합 관련 조건에 도달하기 위하여, 회전 플라즈마 빔(335)은 약 200 keV, 바람직하게는 약 100 keV 내지 3.3 MeV의 범위로 가속되는 것이 유리하다.

빔/베타트론 형성 조합 기술을 이용하여 FRC를 성공적으로 형성하였다. 빔/베타트론 형성 조합 기술은, 직경이 1 m 이고 길이가 1.5 m인 챔버에서 500 G 이하의 외부 인가 자기장과, 5 kG 이하의 베타트론 플럭스 코일(320) 및 1.2 x 10^-5 torr의 진공에 의한 자기장을 이용하여 실험적으로 실행되었다. 이 실험에서, 배경 플라즈마의 밀도는 10¹³ cm^{- 3} 로 하였고, 이온빔은 1.2 x 10¹³ cm^-3의 밀도와 2 x 10⁷ cm/s의 속도와, 대략 20 ㎲의 펄스 길이(절반 높이에서)를 갖는 중화된 수소 빔으로 하였다. 자장 역전이 관찰되었다.

베타트론 형성 기술

감금 시스템(300) 내에 FRC를 형성하는 다른 바람직한 방법으로는 본 명세서에서 베타트론 형성 기술이라 칭하는 것이 있다. 이 기술은 베타트론 플럭스 코일(320)을 사용하여 회전 플라즈마 빔(355)을 직접적으로 가속시키기 위하여, 베타트론 유도 전류를 드라이빙하는 것을 기초로 한다. 이 기술의 바람직한 실시예는, 저에너지 이온빔의 주입이 필요없다는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 감금 시스템(300)을 이용한다.

지시된 바와 같이, 베타트론 형성 기술에 있어서 주요 구성 요소는 챔버(310)의 중심에, 그리고 챔버의 축선을 따라 장착된 베타트론 플럭스 코일(320)이다. 별도의 평행한 권선 구조로 인하여, 코일(320)은 매우 낮은 인덕턴스를 나타내며, 적합한 전원에 연결된 경우에 낮은 LC 시간 상수를 갖고, 이로 인해 플럭스 코일(320)에 있어서 전류의 신속한 상승(ramp up)이 가능해진다.

바람직하게는, FRC의 형성은 외부 필드 코일(325, 330)을 활성화시킴으로써 개시된다. 이로 인하여, 단부 부근에 축방향 가이드 자장 및 반경방향 자장 성분이 제공되어, 챔버(310) 내로 주입되는 플라즈마를 축방향으로 감금한다. 충분한 자기장이 형성되면, 배경 플라즈마 소스(345)에는 자체 파워 서플라이로부터 전력이 공급된다. 건(gun)으로부터 발사된 플라즈마는 상기 축방향 가이드 자장을 따라 흐르며, 그 온도로 인해 약간 퍼지게 된다. 플라즈마가 챔버(310)의 중간 평면에 도달하면, 차갑고 느리게 이동하는 플라즈마의 연속적이고 축방향으로 연장되는 환형 층이 형성된다.

이 시점에서, 베타트론 플럭스 코일(320)이 활성화된다. 코일(320) 내의 전류를 신속하게 상승시키면, 축방향 플럭스가 코일 내부에서 빠르게 변화하게 된다. 유도 효과로 인하여, 축방향 플럭스의 상기 신속한 증대는, 플럭스 코일 둘레의 공간에 침투하는 방위상 전기장(E)의 발생을 야기한다(도 17 참조). 맥스웰 식에 의해, 상기 전기장(E)은 코일 내부의 자속의 강도 변화에 직접적으로 비례하는데, 즉 베타트론 코일 전류의 상승이 보다 빠를수록 전기장이 보다 강해지게 된다.

유도 발생된 전기장(E)은 플라즈마의 하전 입자에 결합되어 판드로모티브 힘(ponderomotive force)을 야기하고, 이 힘이 환형 플라즈마 층에 있는 입자를 가속시킨다. 전자는 그 작은 질량 덕분에 가속을 경험하는 첫 번째 종이 된다. 따라서, 이 공정에 의해 형성되는 초기 전류는 주로 전자로 인해 발생되는 것이다. 그러나, 충분한 가속 시간(대략 수백 마이크로초)이 경과하면 결국에는 이온 전류가 된다. 도 17을 참조하면, 상기 전기장(E)은 전자와 이온을 반대 방향으로 가속시킨다. 두 개의 종 모두 그 최종 속도에 도달하면, 전류는 이온과 전류에 의해 거의 균등하게 수반된다.

전술한 바와 같이, 회전 플라즈마에 의해 수반되는 전류는 자체 자기장을 발생시킨다. 플라즈마 층에서 전류에 의해 발생된 자체 자기장이 외부 필드 코일(325, 330)로부터 인가되는 자기장과 필적할 때, 실제 FRC 위상이 세팅된다. 이 시점에서, 자기의 재접속이 일어나며, 초기에 외부에서 발생된 자기장의 개방 자기력선이 폐쇄되어 FRC 플럭스 표면을 형성하기 시작한다(도 2 및 도 4 참조).

이 방법에 의해 형성된 베이스 FRC는, 일반적으로 반응기 관련 작동 파라미터가 아닌 적당한 자기장과 입자 에너지를 나타낸다. 그러나, 베타트론 플럭스 코일(320)의 전류가 빠른 속도로 계속 증대되는 한은, 가속된 유도 전기장은 지속된다. 이러한 공정의 결과, FRC의 전체 자기장 강도 및 에너지는 계속 증대된다. 따라서, 전류의 지속적인 이송이 대형의 에너지 저장 뱅크를 필요로 하므로, 상기 공정의 범위는 주로 플럭스 코일의 파워 서플라이에 의해 제한된다. 그러나, 대개 시스템을 반응기 관련 조건까지 가속하는 것은 간단하다.

자장 역전(field reversal)을 위해, 회전 플라즈마 빔(335)은 약 100 eV, 바람직하게는 약 75 eV 내지 125 eV의 회전 에너지로 가속되는 것이 바람직하다. 융합 관련 조건에 도달하기 위하여, 회전 플라즈마 빔(335)은 약 200 keV, 바람직하게는 약 100 keV 내지 3.3 MeV의 범위로 가속되는 것이 유리하다. 이온빔이 회전 플라즈마 빔(335)에 부가되는 경우, 전술한 바와 같이 플라즈마 빔(335)은 이온빔의 극성을 없앤다.

다음의 파라미터 레벨에서 베타트론 형성 기술을 이용하여 성공적으로 FRC를 형성하였다.

- 진공 챔버의 치수 : 직경 대략 1 m, 길이 1.5 m

- 베타트론 코일의 반경 : 10 cm

- 플라즈마 궤도 반경 : 20 cm

- 진공 챔버에서 발생된 평균 외부 자기장은 100 Gauss 이하였고, 상승 기간은 150 ㎲ 였으며, 미러 비율(mirror rate)은 2 대 1이었다(소스 : 외부 코일 및 베타트론 코일).

- 배경 플라즈마(실질적으로 수소 가스)는 평균 밀도 약 10¹³ cm^-3과, 운동 온도 10 eV 미만을 특징으로 하였다.

- 이러한 조건의 수명은 실험에서 저장된 총 에너지에 의해 제한되며, 일반적으로 대략 30 ㎲ 이었다.

상기 실험은, 챔버 내부에 원형으로 장착된 2세트의 동축 케이블 건에 의하여 먼저 배경 플라즈마 층을 주입함으로써 진행된다. 8개의 건으로 이루어진 각 집합체를 2개의 미러 코일 조립체 중 하나에 장착하였다. 건은 동일 간격으로 방위상으로 배치되며, 다른 세트에 대해서는 오프셋되어 있다. 이러한 구성으로 인하여, 건을 동시에 발사할 수 있게 되어, 환형 플라즈마 층을 형성한다.

이러한 플라즈마 층이 형성되면, 베타트론 플럭스 코일이 활성화된다. 베타트론 코일 권선 내의 전류를 상승시키면, 코일 내부의 플럭스가 증대되어, 베타트론 코일의 둘레를 감는 방위상 전기장이 발생된다. 베타트론 플럭스 코일에서의 빠른 상승 및 높은 전류로 인하여 강한 전기장이 발생하였고, 이 전기장은 환형 플라즈마 층을 가속시켜 상당히 큰 전류를 유도하였다. 충분히 강한 플라즈마 전류는 자체 자기장을 발생시키고, 이 자기장은 외부에서 공급된 자장을 변화시키고 자장 역전 환경을 조성하였다. B-도트 루프에 의한 세부 측정에 의해, FRC의 범위, 강도 및 유지 기간이 확인하였다.

전형적인 데이터의 예를 도 18에 B-도트 프로브 신호의 흔적으로 도시하였다. 데이터 곡선 A는, 실험 챔버의 축방향 중간 평면(양 단부판으로부터 75 cm의 위치)에서와 15 cm의 반경 방향 위치에서 자기장의 축방향 성분의 절대 강도를 나타낸다. 데이터 곡선 B는, 챔버의 축방향 중간 평면에서와 30 cm의 반경 방향 위치에서 자기장의 축방향 성분의 절대 강도를 나타낸다. 따라서, 곡선 A의 데이터 세트는 연료 플라즈마 층 내부의 (베타트론 코일과 플라즈마 사이의) 자기장 강도를 나타내며, 곡선 B의 데이터 세트는 연료 플라즈마 층 외부의 자기장 강도를 나타낸다. 이 데이터는, 내부 자기장이 약 23 내지 47 ㎲ 사이에서 방위가 (음으로) 역전되지만 외부 자기장은 양으로 유지되는 것을, 즉 방위가 역전되지 않는다는 것을 확실히 보여준다. 역전 시간은 베타트론 코일에 있어서의 전류의 상승에 의해 제한된다. 일단 베타트론 코일에서 최대 전류에 도달하면, 연료 플라즈마 층에 유도된 전류는 줄어들기 시작하며 FRC는 급격히 쇠퇴된다. 현재까지, FRC의 수명은 실험에서 저장될 수 있는 에너지에 의해 제한된다. 주입 및 포집 실험에서와 마찬가지로, 시스템은 FRC의 수명을 보다 길게 하고 FRC를 반응기 관련 파라미터까지 가속하도록 업그레이드될 수 있다.

전반적으로, 상기 기술은 컴팩트한 FRC를 발생시킬뿐만 아니라, 실행하기에 확실하고 용이하다. 가장 중요한 것은, 이 방법에 의해 발생된 베이스 FRC가 임의의 바람직한 레벨의 회전 에너지 및 자기장 강도까지 용이하게 가속될 수 있다는 것이다. 이것은 고에너지 연료 빔의 고전적인 감금 및 융합 용례에서 중요한 것이다.

융합

중요하게는, 전술한 구속 시스템(300)의 내부에 FRC를 형성하기 위한 상기 2가지 기술 등을 이용하면, 플라즈마가 그 내부에서 핵 융합을 일으키기에 적합한 특성을 갖게 될 수 있다. 보다 구체적으로 말하면, 이들 방법에 의해 형성된 FRC는 임의의 바람직한 레벨의 회전 에너지 및 자기장 강도까지 가속될 수 있다. 이는 고에너지 연료 빔의 고전적인 감금 및 융합 용례에서 중요한 것이다. 따라서, 감금 시스템(300)에서는, 융합 반응을 일으키기에 충분한 기간 동안 고에너지 플라즈마 빔을 포집하여 감금할 수 있게 된다.

융합에 적합하도록, 상기 방법에 의해 형성되는 FRC는 베타트론 가속에 의해 적절한 수준의 회전 에너지 및 자기장 강도까지 가속되는 것이 바람직하다. 그러나, 융합은 임의의 반응이 일어나기 위한 물리적 조건의 특정 세트를 필요로 하는 경향이 있다. 또한, 연료의 효율적인 소비를 달성하고 양의 에너지 균형을 얻기 위하여, 연료는 장기간 동안 실질적으로 변화되지 않고 상기 상태로 유지되어야 한다. 이는, 높은 운동 온도 및/또는 에너지가 융합 관련 상태를 특징짓기 때문에 중요하다. 따라서, 이러한 상태를 형성하는 데에는 상당히 큰 에너지의 입력이 필요하고, 이러한 입력은 대부분의 연료가 융합된 경우에만 회복될 수 있다. 그 결과, 연료의 감금 시간이 그 연소 시간보다 길어야 한다. 이로써, 양의 에너지 균형이 달성되고, 결과적으로 정미 에너지가 출력된다.

본 발명의 중요한 장점은 본 명세서에 설명된 감금 시스템 및 플라즈마가 긴 감금 시간을 허용한다는 것인데, 즉 감금 시간이 연료 소비 시간을 초과한다. 따라서, 융합에 관한 통상적인 상태는 (연료 및 작동 모드에 기초하여 변경되는 경향이 있는) 이하의 물리적 조건에 의해 특징 지워진다.

평균 이온 온도 : 약 30 내지 230 keV이고, 바람직하게는 약 80 keV 내지 230 keV

평균 전자 온도 : 약 30 내지 100 keV이고, 바람직하게는 약 80 keV 내지 100 keV

연료 빔(주입 이온빔과 회전 플라즈마 빔)의 간섭 에너지 : 약 100 keV 내지 3.3 MeV이고, 바람직하게는 약 300 keV 내지 3.3 MeV

총 자기장 : 약 47.5 내지 120 kG의 범위이고, 바람직하게는 약 95 내지 120 kG (외부 인가 자기장의 경우 약 2.5 내지 15 kG이고, 바람직하게는 약 5 내지 15 kG)

고전적인 감금 시간 : 연료 소비 시간보다 크고, 바람직하게는 약 10 내지 100 초의 범위

연료 이온 밀도 : 약 10¹⁴ 내지 10¹⁶cm^-3이고, 바람직하게는 약 10¹⁴ 내지 10¹⁵cm^-3의 범위

총 융합 파워 : 바람직하게는 약 50 내지 450 kW/cm(챔버의 길이(cm) 당 파워)

전술한 융합 상태에 적합하게 하도록, FRC는 바람직하게는 약 100 keV 내지 3.3 MeV, 더 바람직하게는 약 300 keV 내지 3.3 MeV 범위의 간섭 회전 에너지의 레벨로, 그리고 바람직하게는 약 45 내지 120 kG, 더 바람직하게는 약 90 내지 115 kG 범위의 자기장 강도의 레벨까지 가속되는 것이 바람직하다. 이들 레벨에서, 고에너지 이온빔은 FRC 내로 주입될 수 있고, 플라즈마 빔 층을 형성하도록 포집될 수 있으며, 여기서 상기 플라즈마 빔 이온은 자기적으로 감금되고 플라즈마 빔 전자는 정전기적으로 감금된다.

전자의 온도는 제동 방사(bremsstrahlung radiation)의 양을 실질적으로 감소시킬 수 있을 정도로 낮게 유지되는 것이 바람직하며, 그렇지 않은 경우에는 방사 에너지가 손실될 수 있다. 본 발명에 따른 정전 에너지 우물은 이를 달성하는 효과적인 수단을 제공한다.

융합 조각(cross-section)이 이온 온도의 함수이므로, 이온 온도는 효과적인 연료 소비를 위해 제공되는 소정의 레벨에서 유지되는 것이 바람직하다. 상기 용례에서 설명된 바와 같이 고전적인 이송을 제공하기 위해서는, 연료 이온빔의 높은 직접 에너지가 필요하다. 또한, 연료 플라즈마에 미치는 불안정 요소의 효과를 최소화한다. 자기장은 빔 회전 에너지와 일치한다. 자기장은 플라즈마 빔(자체 자기장)에 의해 부분적으로 발생되어, 플라즈마 빔을 바람직한 궤도 상에 유지하기 위한 지지 및 힘을 제공한다.

융합 생성물

융합 생성물은 주로 널 표면(86) 부근의 파워 코어에서 생성되며, 이곳으로부터 세파라트릭스(84)를 향한 확산에 의해 출현된다(도 2 및 도 4 참조). 이는 전자와의 충돌에 기인한다(이온과의 충돌은 질량 중심을 변화시키지 않으므로, 자기력선의 변화를 일으키지 않는다). 운동 에너지가 높기 때문에(생성물 이온은 연료 이온보다 훨씬 큰 에너지를 가짐), 융합 생성물은 세파라트릭스(84)를 용이하게 가로지를 수 있다. 융합 생성물이 세파라트릭스(84)를 지나면, 개방 자기력선(80)을 따라 떠나서 이온-이온 충돌에 의해 분산될 수 있다. 이러한 충돌 공정이 확산으로 유도되는 것은 아니지만, 이온 속도 벡터가 자기장에 평행한 방향을 향하도록 그 벡터의 방향을 변화시킬 수 있다. 이들 개방 자기력선(80)은 코어의 FRC 위상과 이 FRC 위상의 외부에 마련된 균일한 인가 자기장을 연결시킨다. 생성물 이온은 에너지의 분포를 따르는 상이한 자기력선에 출현한다. 유리하게는, 생성물 이온과 전하 중성화 전자는 연료 플라즈마의 양단으로부터 회전 환형 빔의 형태로 출현한다. 예컨대 p-B¹¹ 반응의 50 MW 구조의 경우에, 이들 빔은 약 50cm의 반경과 약 10cm의 두께를 갖는다. 세파라트릭스(84) 외부에 발견되는 강한 자기장에서(일반적으로 대략 100 kG), 생성물 이온은 회전 반경의 관련 분포를 갖는데, 이는 약 1 cm의 최소값으로부터 가장 활동성이 큰 생성물 이온의 경우 약 3 cm의 최대값까지 변동한다.

초기에, 생성물 이온은 종방향 에너지 ½M(v_par)²와 회전 에너지 ½M(v_perp)²를 갖는다. v_perp는 궤도 중심으로서의 자기력선 둘레에서의 회전과 관련된 방위상 속도이다. 자기력선은 FRC 위상의 부근을 나온 후에 퍼지므로, 회전 에너지는 감소하는 반면에 전체 에너지는 일정하게 유지되는 경향이 있다. 이는 생성물 이온의 자기 모멘트의 단열 불변성의 결과이다. 자기장에서 궤도 운동하는 하전 입자가 그 운동과 관련된 자기 모멘트를 갖는다는 것은 당업계에 잘 알려져 있다. 느리게 변화하는 자기장을 따라 이동하는 입자의 경우에도, ½M(v_perp)²/B로 표현되는 단열 불변성 운동이 존재한다. 각 자기력선의 둘레에서 궤도 운동하는 생성물 이온은 자기 모멘트를 갖고, 예컨대 그 운동과 관련한 단열 불변성을 갖는다. B는 대략 10배만큼 감소되므로(자기력선의 분산에 의해 표시), 그 후 v_perp도 이와 마찬가지로 대략 3.2 까지 감소된다. 따라서, 생성물 이온이 균등 자장 영역에 도달하는 시간에 의해, 그 회전 에너지가 총 에너지의 5% 미만이 되며, 다시 말해서 거의 모든 에너지가 종방향 성분에 있다.

에너지 변환

본 발명의 직접 에너지 변환 시스템은 플라즈마 발전 시스템(400)을 형성하도록 충돌 빔 융합 반응기(CBFR; 410)의 파워 코어(436; 부분적으로 도시되어 있음)에 결합된, 도 19a 및 도 20a에 도시된 역 사이클로트론 변환기(ICC; 420)를 구비한다. CBFR(410)의 좌측에 대칭으로 제2 ICC(도시 생략)가 배치될 수 있다. CBFR(410)과 ICC(420)의 사이에 자기 첨두(486)가 위치되어 있고, 이는 CBFR(410)과 ICC(420) 자기장이 합쳐질 때 형성된다.

ICC(420)와 그것의 동작을 상세하게 설명하기 전에, 통상의 사이클로트론 가속기에 대하여 검토한다. 통상의 사이클로트론 가속기에서, 자기장에 수직한 속도를 갖는 활성 이온은 원을 그리며 회전한다. 활성 이온의 궤도 반경은 자기장 세기와 그들의 전하 대 질량의 비에 의해 결정되고, 에너지에 따라 증가한다. 그러나, 이온의 회전 주파수는 그들의 에너지와 독립적이다. 이 사실은 사이클로트론 가속의 구조에서 사용되어 왔다.

도 21a를 참고하면, 통상의 사이클로트론 가속기(700)는 2개의 거울 이미지의 C형 전극(710)을 구비하여, 균일한 자기장(720)에 배치된 거울 이미지의 D형 공동을 형성하고, 상기 자기장은 대칭의 전극 평면, 즉 페이지의 평면에 수직한 자기력선을 갖는다. 진동 전위가 C형 전극 사이에 인가된다(도 21b 참조). 이온(I)은 사이클로트론(700)의 중앙에 배치된 소스로부터 방출된다. 자기장(720)은 이온의 회전 주파수가 전위 및 관련 전기장의 회전 주파수와 일치하도록 조정된다. 이온(I)이 전기장과 동일한 방향으로 C형 전극(710) 사이의 갭(730)을 가로지르는 경우, 이온은 가속된다. 이온(I)을 가속시킴으로써, 이온의 에너지와 궤도 반경은 증가한다. 이온이 (에너지의 증가를 겪지 않고) 반원의 호를 주행하는 경우에, 이온은 다시 갭(730)을 가로지른다. 이제, C형 전극(710) 사이의 전기장은 역전 방향을 갖는다. 이온(I)은 다시 가속되고, 그 에너지는 더욱 증가한다. 이 공정은 그 회전 주파수가 진동 전기장의 주파수와 계속적으로 동일한 경우에 갭(730)을 가로지를 때마다 반복된다(도 21c 참조). 다른 한편으로, 전기장이 반대 방향으로 있을 때 입자가 갭(730)을 가로지르면, 입자는 감속되어 중심에서 소스로 복귀된다. 단지 자기장(720)에 수직한 초기 속도를 갖고 진동 전기장의 적절한 상에서 갭(730)을 가로지르는 입자만이 가속된다. 따라서, 가속을 위해서는 적절한 상 일치가 필수적이다.

원리적으로, 사이클로트론은 동일한 활성 이온의 펜슬 빔(pencil beam)으로부터 운동 에너지를 추출하는 데 사용될 수 있다. 양성자에 대하여 에너지 추출이 없는 상태에서 사이클로트론에 의한 이온의 감속이 관찰되었으며, 이는 Phys. Rev. 80, 305(1950)에서 Bloch와 Jeffries에 의해 개시되어 있다. 이온은 진동 전기장에 대하여 감속상(decelerating phase)으로 되도록 공동 내로 주입될 수 있다. 그 후, 모든 이온은 도 21a에 도시된 가속 이온의 궤적(T)을 역전시킨다. 전기장과의 상호 작용에 의해 이온이 감속됨에 따라, 이온의 운동 에너지는, 사이클로트론을 일부로 하는 전기 회로에서 진동 전기 에너지로 변환된다. 전기 에너지로의 직접 변환은 매우 높은 효율로 달성될 수 있다.

실제로, 이온 빔의 이온은 모든 가능한 상으로 사이클로트론에 도입된다. 다양한 위상이 사이클로트론의 설계에 대해 보상되지 않으면, 이온의 반은 가속되고, 이온의 나머지 반은 감속된다. 그 결과, 최대 변환 효율은 효과적으로 50%이다. 또한, 전술한 환형의 융합 생성물 이온 빔은 통상의 사이클로트론에 대하여 불안정한 기하형상이다.

이하에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명의 ICC는 융합 반응기 파워 코어의 FRC를 나가는 융합 생성물 빔의 환형 특성과, 빔 내의 이온의 랜덤한 상대 위상과, 그들 에너지의 퍼짐에 적합하다.

다시 19a를 참조하면, CBFR(410)의 파워 코어(436)의 일부는 좌측에 도시되어 있으며, 여기서 플라즈마 연료 코어(435)는 외측의 필드 코일(425)에 의해 인가된 자기장에 의해 부분적으로 형성된 FRC(470)에 감금되어 있다. FRC(470)는 폐쇄 자기력선(482), 세파라트릭스(484), 및 개방 자기력선(480)을 포함하며, 이는 전술한 바와 같이 융합 생성물의 환형 빔(437)의 특성을 결정한다. 개방 자기력선(480)은 파워 코어(436)로부터 멀어져 자기 첨두(486)를 향하여 연장된다. 전술한 바와 같이, 융합 생성물은 환형 빔(437)의 형태로 개방 자기력선(480)을 따라 파워 코어(436)로부터 출현하며, 활성 이온 및 전하 중성화 전자를 포함한다.

ICC(420)의 기하형상은 길이가 약 5m인 중공의 실린더와 유사하다. 바람직하게는, 작은 직선 갭(497)을 갖는 4개 이상의 반원통형 전극이 원통 표면을 이룬다. 동작 시에, 교호 방식으로 진동 포텐셜이 전극(494)에 인가된다. 변환기 내의 전기장(E)은 도 19b에 도시된 단부도에 표시된 바와 같이 4극 구조를 갖는다. 전기장(E)은 대칭 축선에서 소멸되며, 반경에 따라 선형으로 증가하며, 피크값은 갭(497)에서의 값이다.

또한, ICC(420)는 ICC의 중공 실린더 기하형상 내에 균일한 필드를 형성하도록 외부 필드 코일(488)을 구비한다. 전류가 CBFR 필드 코일(425)을 통하여 흐르는 전류의 방향과 반대의 방향으로 ICC 필드 코일(488)을 통하여 흐르기 때문에, ICC(420)에서의 자기력선(496)은 CBFR(410)의 개방 자기력선(480)의 방향과 반대의 방향으로 연장된다. CBFR(410)의 파워 코어(436)로부터 가장 먼 단부에서, ICC(420)은 이온 수집기(492)를 구비한다.

CBFR(410)과 ICC(420) 사이에 대칭의 자기 첨두가 있으며, 여기서 CBFR(410)의 개방 자기력선은 ICC(420)의 자기력선(496)과 합쳐진다. 환형의 전자 수집기(490)가 자기 첨두(486) 둘레에서 위치되고 이온 수집기(498)에 전기적으로 접속되어 있다. 후술하는 바와 같이, 자기 첨두(486)의 자기장은 빔(437)의 축방향 속도를 고효율로 회전 속도로 변환시킨다. 도 19c는 변환기(420) 내의 통상의 이온 궤도(422)를 도시한다.

CBFR(410)은 원통형 대칭을 갖는다. 융합 반응이 일어나는 FRC(470) 자기장 위상에 구속된 융합 플라즈마 코어(435)를 갖는 융합 파워 코어(436)가 그 중심에 있다. 전술한 바와 같이, 생성물의 핵과 전하 중성화 전자는 연료 플라즈마(435)의 양단으로부터 환형 빔(437)으로서 출현한다. 예컨대, p-B¹¹ 반응의 50 MW 구조에서는, 이들 빔의 반경이 약 50 ㎝이고 두께가 약 10 ㎝ 이다. 환형 빔은 n≒ 10⁷-10⁸ ㎤의 밀도를 갖는다. 이러한 밀도에서, 자기 첨두(486)는 전자와 이온을 분리한다. 전자는 자기력선을 따라 전자 수집기(490)로 흐르고, 이온은 첨두(486)를 통과하며, 여기서 이온 궤적은 ICC(420)의 길이를 따라 실질적으로 나선형 경로를 따르도록 변형된다. 에너지는 공진 회로(도시 생략)에 연결된 전극(494)을 나선형으로 지날 때 이온으로부터 제거된다. 수직 에너지의 손실은 전극에 인접하여 초기에 회전되는 최고 에너지 이온에 대하여 최대로 되는 경향이 있는데, 여기서 전기장이 최대로 된다.

이온은 초기의 전체 에너지, 즉 ½Mv_p ² ≒ ½Mv₀ ²과 대략 동일한 회전 에너지로 자기 첨두(486)에 도달한다. 이온이 자기 첨두(486)에 도달한 때에 이온 에너지와 이온 초기 반경(r₀)의 분포가 있다. 그러나, 초기 반경(r₀)은 초기 속도(v₀)에 대략 비례하는 경향이 있다. 반경 방향 자기장과 반경 방향의 빔 속도는 방위상 방향으로 로렌츠의 힘을 발생시킨다. 자기 첨두(486)에서의 자기장은 입자 에너지를 변경시키지 않고, 초기 축방향 속도(v_p ≒ v₀)를 잔류 축방향 속도(v_z)와 방위상 속도(v_ㅗ)로 변환시키고, 여기서, v_o ² = v_z ² + v_ㅗ ²이다. 방위각 속도(v_ㅗ)의 값은 정준 운동량(canonical momentum)의 보존으로부터 결정될 수 있다.

식 5

빔 이온이 B_z = B_o, v_z = v_o, v_ㅗ = 0 및 r = r_o인 상태로 첨두(486)의 좌측으로 도입된다. 빔 이온이 r = r_o, B_z = -B_o, v_ㅗ = qB_or_o/Mc 및

인 상태로 첨두(486)의 우측으로 도입된다.

식 6

여기서, Ωo = qB_o/Mc 는 사이클로트론의 주파수이다. 이온의 회전 주파수는 약 1-10 MHz, 바람직하게는 약 5-10 MHz의 범위로 있으며, 이는 전력 발생이 일어나는 주파수이다.

이온이 첨두(486)를 통과하도록 하기 위하여, 효과적인 이온 회전 반경은 반경(r₀)에서 첨두(486)의 폭보다 커야 한다. 잔류 축방향 에너지가 1000배만큼 감소하도록 축방향 속도를 10배만큼 줄이는 것은 실험적으로 실현 가능한 것이다. 그 후, 이온 에너지의 99%가 회전 에너지로 변환된다. 이온 빔은 v₀ 및 r₀의 값에 대한 소정의 분포를 갖는다. 그러나, FRC 베이스 반응기의 특성에 의해 이전에 표시한 바와 같이 r₀가 v₀에 비례하므로, 회전 에너지로의 변환 효율은 모든 이온에 대하여 99%로 되는 경향이 있다.

도 19b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 ICC(420)의 대칭적인 전극 구조는 4개의 전극(494)을 구비하는 것이 바람직하다. 탱크 회로(도시 생략)가 전극 구조(494)에 연결되어, 순간 전압 및 전기장은 도시된 바와 같이 된다. 전압 및 탱크 회로는 ω= Ω_O의 진동수로 진동한다. 갭(497)에서의 방위상 전기장(E)이 도 19b 및 도 22에 예시되어 있다. 도 22는 각속도(Ω_O)로 회전하는 때에 이온이 겪는 자기장과 전극(494) 사이의 갭(497)에서의 전기장을 도시하고 있다. 완전한 일회전으로, 입자가 초기 위상에 의해 결정되는 순서로 교호하는 가속도 및 감속도를 겪는 것은 명백하다. 방위상 전기장(E_θ)에 더하여, 반경 방향 전기장(E_r)도 있다. 방위상 전기장(E_θ)은 갭(497)에서 최대이고, 반경이 감소함에 따라 작아진다. 도 22는 입자가 일정 반경을 유지하면서 회전하는 것을 가정한 것이다. 전기장에서의 구배 때문에, 감속도가 가속도에 비해 항상 우세하다. 가속기는 이온 반경을 증가시켜서, 이온이 감속 전기장과 만날 때 이온 반경이 보다 커진다. 감속기는, 방위상 전기장(E_θ)의 반경 방향 구배가 항상 양이기 때문에 이온의 초기 위상과는 독립적으로 우세하다. 그 결과, 에너지 변환 효율은 통상의 사이클로트론과 관련된 초기 위상 문제에 기인하여 50%로 제한되지 않는다. 전기장(E)도 또한 중요하다. 전기장은 진동하고, 도 19c에서와 같이 축선에 대해 수직한 평면에서 제로 속도로 원래의 반경으로 빔 궤적을 복귀시키는 반경 방향의 알짜효과(net effect)를 발생시킨다.

이온을 항상 감속시키는 공정은 미국 특허 제2,736,799호에 개시된 바와 같은 현대 가속기의 필수 특징부인 강한 집속의 원리와 유사하다. 포지티브(포커싱) 및 네가티브(디포커싱) 렌즈의 조합은 자기장이 양의 구배를 갖는 경우에 양으로 된다. 강한 포커싱의 4극 2겹 렌즈가 도 23에 도시되어 있다. 제1 렌즈는 x 방향으로 포커싱이고, y 방향으로 디포커싱이다. 제2 렌즈는 x와 y의 성질이 상호 변경된 상태로 유사하다. 자기장은 대칭 축선에서 소멸되고, 양의 반경 방향 구배를 갖는다. 두 렌즈를 통과하는 이온 빔에 대한 알짜 결과는 통과 순서에 관계 없이 모든 방향으로 집중된다.

강한 축방향 자기장을 포함하는 공명 공동(resonant cavity)을 통과하고 TE₁₁₁ 모드(Yoshikawa 등을 참조)에서 동작하는 빔에 대해서도 유사한 결과가 보고되었다. 이 장치는 페니오트론(peniotron)으로 불린다. TE₁₁₁ 모드에서, 공명 공동은 정상파를 포함하며, 여기서 전기장이 4중 대칭을 갖는다. 그 결과는 본 명세서에 설명한 일부 결과와 정량적으로 유사하다. 공명 공동의 사이즈(10m 길이)가 훨씬 크고, 훨씬 높은 주파수(155 MHz) 및 자기장(10 T)에서 동작하는 점에서 정성적으로 차이가 있다. 고주파로부터의 에너지 추출은 렉테나(rectenna)를 필요로 한다. 빔의 에너지 스펙트럼은 변환 효율을 감소시킨다. 두 종류의 이온이 존재하는 것은 매우 심각한 문제이지만, 변환 효율은 15 MeV 양성자를 발생시키는 D-He³ 반응기에 충분하다.

ICC(420) 내의 입자에 대한 단일의 입자 궤도(422)가 도 19c에 도시되어 있다. 이 결과는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 얻었으며, 유사한 결과를 페니트론에 대해 얻었다. 일부 반경(r₀)으로 도입되는 이온은 ICC의 길이 아래로 나선형으로 지나가며, 초기의 회전 에너지가 손실된 후에, 동일 반경(r₀)의 원 상의 점으로 수렴한다. 초기 조건은 대칭이며, 초기 상태가 이러한 대칭을 반영하지만, 모든 입자가 감속되도록 초기 위상과는 독립적이다. ICC의 이온 수집기 단부에서의 빔은 역시 환형이며, 유사한 치수로 있다. 축방향 속도는 10배만큼 줄어들고, 밀도는 상응하게 증가한다. 단일의 입자에 대하여, 99%의 추출 효율이 가능하다. 그러나, 변환기에 들어가기 전에 환형 빔의 수직 회전 에너지와 같은 다양한 요인이 이 효율을 약 5%만큼 저하시킬 수 있다. 전력 추출은 약 1-10 MHz이고, 바람직하게는 약 5-10 MHz이며, 전력망(power grid)에 연결되는 파워 컨디셔닝에 기인하여 변환 효율이 추가로 저하된다.

도 20a 및 도 20b에 도시된 바와 같이, ICC(420)에서의 전극 구조(494)의 변형예는 2개의 대칭적인 반원 전극 및/또는 이온 수집기(492)를 향해 테이퍼지는 테이퍼진 전극(494)을 포함할 수 있다.

ICC(420)의 메인 자기장 내측의 이온 동력학에 대한 조정은 도 24a 및 도 24b에 도시된 바와 같이 2개의 보조 코일 세트(500, 510)를 이용하여 실행될 수 있다. 양 코일 세트(500, 510)는 전류가 반대로 향하는 인접 컨덕터를 포함하여, 자기장은 짧은 범위를 갖는다. 도 24a에 개략적으로 도시된 바와 같은 자기장 구배는 이온 회전 주파수 및 상을 변경시킨다. 도 24b에 도시된 바와 같은 다극의 자기장은 선형 가속기에서와 같이 번칭(bunching)을 발생시킨다.

반응기

도 25는 100 MW 반응기를 도시한다. 발생기를 절결하여, 역장 위상을 갖는 자기장을 형성하기 위하여 플럭스 코일과 균일한 자기장을 인가하도록 초전도 코일을 갖는 융합 파워 코어 영역을 보여주고 있다. 융합 파워 코어 영역의 대향 단부에 인접하게 융합 생성물의 운동 에너지를 전력으로 직접 변환하기 위한 ICC 에너지 변환기가 있다. 이러한 반응기를 위한 지지 장치가 도 26에 도시되어 있다.

추진 시스템

도 27은 플라즈마-스러스트 추진 시스템(800)을 도시하고 있다. 이 시스템은 FRC 파워 코어(836)를 구비하고, 이 내부에 융합 연료 코어(835)가 수용되고, 이 코어의 양단부로부터 융합 생성물이 환형 빔(837)의 형태로 출현한다. ICC 에너지 변환기(820)가 파워 코어의 일단에 결합되어 있다. 자기 노즐(850)이 파워 코어의 타단에 인접하게 배치되어 있다. 융합 생성물의 환형 빔(837)은 에너지 변환을 위하여 융합 파워 코어의 일단으로부터 자기력선을 따라 ICC로 흐르고, 스러스트(T)를 위하여 파워 코어의 타단으로부터 노즐의 자기력선을 따라 흐른다.

본 발명의 특정예가 도면에 도시되어 있고 명세서에 상세히 기술되어 있지만, 본 발명은 다양한 수정 및 변형 형태로 될 수 있다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태에 제한되지 않으며, 오히려 본 발명은 첨부된 청구범위의 정신 및 범위 내에 있는 모든 수정예, 균등물 및 변형예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따르면, 이온 및 전자의 이상 이송을 실질적으로 감소시키거나 제거하는 경향이 있는 구속 시스템과, 고효율로 융합 생성물의 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 시스템을 구비하는 융합 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (21)

1. 주축(315)을 갖는 챔버(310);

   챔버의 중앙 영역 내에 챔버의 주축과 실질적으로 평행한 자속(480)을 갖는 방위상 대칭의 자기장을 발생시키는 제1 자기장 발생기(325, 425);

   챔버 내에 방위상 전기장을 발생시키도록 챔버의 주축과 동심으로 있는 전류 코일(320);

   챔버의 제1 단부 영역에서 원통형 표면을 형성하고, 서로 인접한 전극들 사이에 연장형 갭(497)을 형성하도록 이격되어 있는 2개 이상의 전극을 포함하며, 2극 이상의 다극 구조를 갖는 전기장을 형성하는 복수의 제1 전극(494);

   챔버의 제1 단부 영역 내에 챔버의 주축과 실질적으로 평행한 자속(496)을 갖는 방위상 대칭의 자기장을 발생시키는 제2 자기장 발생기(488);

   복수의 전극의 제1 단부에 인접해서 제1 및 제2 자기장 발생기 사이에 개재되는 전자 수집기(490);

   복수의 전극의 제2 단부에 인접해서 위치하는 이온 수집기(492)

   를 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   챔버의 제2 단부 영역에서 원통형 표면을 형성하고, 서로 인접한 전극들 사이에 연장형 갭을 형성하도록 이격되어 있는 2개 이상의 전극을 포함하는 복수의 제2 전극;

   챔버의 제2 단부 영역 내에 챔버의 주축과 실질적으로 평행한 자속을 갖는 방위상 대칭의 자기장을 발생시키는 제3 자기장 발생기;

   복수의 제2 전극의 제1 단부에 인접해서 제1 및 제3 자기장 발생기 사이에 개재되는 제2 전자 수집기;

   복수의 제2 전극의 제2 단부에 인접해서 위치하는 제2 이온 수집기

   를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
3. 제1 자기장 발생기(425)를 구비하는 융합 반응기(410)와,

   상기 융합 반응기의 제1 단부에 접속된 역 사이클로트론 에너지 변환기(42)

   를 구비하는 플라즈마 발전 시스템으로서, 상기 에너지 변환기는

   원통형 표면을 형성하고, 인접한 전극들 사이에 갭(497)을 형성하도록 이격되어 있는 4개 이상의 전극(494)과,

   제2 자기장 발생기(488)와,

   상기 4개 이상의 전극의 제1 단부에 인접해서 제1 및 제2 자기장 발생기 사이에 개재되는 전자 수집기(490)와,

   상기 4개 이상의 전극의 제2 단부에 인접해서 위치하는 이온 수집기(492)를 포함하는 것인 플라즈마 발전 시스템.
4. 제3항에 있어서, 융합 반응기의 제2 단부에 접속된 제2 역 사이클로트론 에너지 변환기를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
5. 제3항에 있어서, 원통형 챔버(305)를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 융합 반응기는 파워 코어 영역(436) 내에 챔버의 주축(315)과 동심으로 위치하는 전류 코일(320)을 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 전극에 접속된 공진 회로를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 전극에 접속된 탱크 회로를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전자 수집기는 환형(環形)인 것인 플라즈마 발전 시스템.
10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자기장 발생기는 챔버의 둘레에 배치된 환형 자기장 코일을 포함하며, 제1 자기장 발생기의 자기장 코일에 의해 발생된 자기장의 자기력선은 제2 자기장 발생기의 자기장 코일에 의해 발생된 자기장의 자기력선과 반대 방향으로 형성되어 있는 것인 플라즈마 발전 시스템.
11. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전자 수집기와 이온 수집기는 전기적으로 접속되어 있는 것인 플라즈마 발전 시스템.
12. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전극들은 대칭인 것인 플라즈마 발전 시스템.
13. 제10항에 있어서, 상기 제1 자기장 발생기는 챔버의 둘레에 이격되어 배치되고 사이에 파워 코어 영역(436)을 형성하는 제1 및 제2 세트의 미러 코일(330)을 더 포함하는 것인 플라즈마 발전 시스템.
14. 제1항 또는 제5항에 있어서, 챔버에 접속된 플라즈마 주입기(345)를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 플라즈마 주입기는 챔버의 중간 평면(mid-plane)을 향하여 플라즈마를 주입하도록 축방향으로 정향되어 있는 것인 플라즈마 발전 시스템.
16. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 자기장 발생기는 조정 가능한 것인 플라즈마 발전 시스템.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 자기장 발생기에 접속된 제어 시스템을 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
18. 제1항 또는 제6항에 있어서, 전류 코일은 베타트론 플럭스 코일인 것인 플라즈마 발전 시스템.
19. 제1항 또는 제6항에 있어서, 전류 코일은 복수의 개별 코일의 평행한 권선을 포함하는 것인 플라즈마 발전 시스템.
20. 제1항 또는 제5항에 있어서, 챔버에 결합된 이온 빔 주입기(340)를 더 포함하는 플라즈마 발전 시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 이온 주입기는 주입기로부터 방출된 이온 빔의 전하를 중성화시키는 중성화 수단을 포함하는 것인 플라즈마 발전 시스템.

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