KR101488573B1

KR101488573B1 - 발사체 재순환을 이용한 플라즈마 압축 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101488573B1
Application number: KR1020127005149A
Authority: KR
Inventors: 스테펜 제임스 하워드; 마이클 조지 래버지; 론 맥일레이스; 더글라스 하비 리차드슨; 제임스 그렉슨
Original assignee: 제너럴 퓨전, 아이엔씨.
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2015-02-02
Also published as: BR112012002147B1; KR20120039740A; EP2460160B8; US20110026658A1; US20160150627A1; CN102483959B; CA2767904A1; EP2460160B1; US9271383B2; CA2767904C; US20150036777A1; US8891719B2; BR112012002147A2; IN2012DN00841A; CN102483959A; US20110243292A1; JP5363652B2; RU2535919C2; RU2012101217A; WO2011014577A1

Abstract

플라즈마 압축 시스템 및 방법의 실시예가 개시되며, 플라즈마는 액체 금속 공동 내에서 자화 플라즈마에 대한 발사체의 충돌에 의해 압착될 수 있다. 발사체는 액체 금속 공동 내에서 용융될 수 있고, 상기 액체 금속은 새 발사체 형성을 위해 재순환될 수 있다.

Description

발사체 재순환을 이용한 플라즈마 압축 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR PLASMA COMPRESSION WITH RECYCLING OF PROJECTILES}

본 발명은 플라즈마 압축 시스템 및 방법의 실시예에 관한 것이다.

플라즈마를 고온 및 고밀도로 압축하기 위한 일부 시스템은 일반적으로 크고 비싸며, 반복 속도 및 작동 수명이 제한된다. 플라즈마 내에 자기장을 인가하는 것을, 플라즈마 볼륨으로부터 입자 및 에너지 손실 속도가 감소함에 따라, 임의의 주어진 가열 기법의 유효성을 개선시키는 유망한 방법이 된다.

플라즈마 압축 방법은 다음의 6가지 기법을 포함한다.

(1) 시간에 따라 증가하는 외부 자기장을 이용한 플라즈마의 직접 압축.

(2) (소정의 ICF(Inertial confinement Fusion) 소자와 같은) 강렬한 전자기파 또는 고에너지 입자빔에 의해 구동되는, 내파 캡슐(implosion capsule)의 외측 표면의 융제용 로켓 효과(ablative rocket effect)에 의한 압축. 예를 들어, R. W. Moir et al., "HYLIFE-II: An approach to a long-lived, first-wall component for inertial fusion power plants," Report Numbers UCRL-JC-117115; CONF-940933-46, Lawrence Livermore Lab, August 1994 참조.

(3) 내파 라이너에 흐르는 큰 펄스의 전류에 의해 구동되는, 전도 라이너(일반적으로 금속)의 전자기파 내파에 의한 압축.

(4) 전도성 매체에서 큰 진폭의 음향 펄스의 구형 또는 원통형 포커싱에 의한 압축. 예를 들어, 미국특허출원공보 제2006/0198483호 및 제2006/0198486호에 개시되는 시스템 및 방법 참조. 일부 구현예에서, 전도성 매체의 압축은 외부 가압 가스를 이용하여 수행가능함. 예를 들어, R. L. Millar and R. A. Krakowski, "Assessment of the slowly-imploding liner (LINUS) fusion reactor concept", Rept. No. LA-UR-80-3071, Los Alamos Scientific Laboratory, Los Altos, NM 1980에 개시된 LINUS 시스템 참조.

(5) 플라즈마 운동 에너지가 벽체 경계 구획에 의해 결정되는 압축을 구동하도록, 전도 매체 내의 정적인, 그러나, 원추형으로 좁아지는 보이드(void) 내로 이동 플라즈마를 주입시킴에 의한 수동적 압축. 예를 들어, C. W. Hartman et al, "A Compact Torus Fusion Reactor Utilizing a Continuously Generated String of CT's. the CT String Reactor", CTSR Journal of Fusion Energy, vol. 27, pp. 44-48 (2008); and "Acceleration of Spheromak Toruses: Experimental results and fusion applications," UCRL-102074, in Proceeding of 11th US/Japan workshop on field-reversed configurations and compact toroids; 7-9 Nov 1989; Los Alamos, NM 참조.

(6) 예를 들어 고정 표적 매체에 충돌하는 단일한 발사체에 의한, 또는, 한 쌍의 충돌 발사체에 의한, 고운동 에너지 육안형 발사체의 충돌에 의해 구동되는 플라즈마의 압축. 예를 들어, 미국특허공보 제4,328,070호 참조. C. W. Hartmann et al., "Acceleartion of Spheromak Toruses: Experimental results and fusion applications" 참조.

플라즈마 압축 시스템의 일 실시예가 개시된다. 시스템은 자화 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 플라즈마 형성 시스템과, 제 1 부분, 제 2 부분, 및 상기 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 종방향 축을 갖는 플라즈마 가속기를 포함하는 플라즈마 인젝터를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 가속기는 상기 제 1 부분에서 자화 플라즈마를 수용하도록, 그리고, 상기 자화 플라즈마를 상기 종방향 축을 따라 상기 제 2 부분을 향해 가속시키도록 구성될 수 있다. 상기 플라즈마 압축 시스템은 상기 플라즈마 가속기의 제 2 부분으로부터 자화 플라즈마를 수용하도록 구성되는 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 액체 금속을 제공하도록 구성되는 액체 금속 순환 시스템을 또한 포함할 수 있다. 상기 자화 플라즈마는 상기 챔버 내에 수용될 때 제 1 압력을 가질 수 있다. 상기 시스템은 상기 종방향 축의 적어도 일부분을 따라 상기 챔버를 향해 발사체를 가속시키도록 구성되는 발사체 가속기를 또한 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 발사체가 상기 챔버 내에서 자화 플라즈마를 압축시키도록 구성될 수 있고, 상기 압축된 자화 플라즈마는 상기 제 1 압력보다 큰 제 2 압력을 가질 수 있다.

플라즈마 압축 방법의 일 실시예가 개시된다. 플라즈마 압축 방법은, 토로이드 플라즈마를 발생시키는 단계와, 액체 금속 내 공동을 향해 상기 토로이드 플라즈마를 가속시키는 단계와, 상기 액체 금속 내 공동을 향해 발사체를 가속시키는 단계와, 상기 토로이드 플라즈마가 액체 금속 내 공동 내에 있을 때, 상기 발사체를 이용하여 상기 토로이드 플라즈마를 압축하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 공동 형성을 위해 액체 금속을 유동시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 적어도 하나의 새 발사체 형성을 위해 상기 액체 금속의 일부분을 재순환시키는 단계를 또한 포함할 수 있다.

플라즈마 압축 장치의 일 실시예가 개시된다. 상기 플라즈마 압축 장치는 액체 금속 내 공동을 향해 플라즈마의 컴팩트 토로이드를 가속시키도록 구성되는 플라즈마 인젝터를 포함할 수 있다. 상기 공동은 오목한 형상을 가질 수 있다. 상기 플라즈마 압축 장치는 상기 공동을 향해 발사체를 가속시키도록 구성되는 발사체 가속기와, 상기 발사체가 상기 액체 금속 내 공동 내 컴팩트 토로이드를 국한시키도록 상기 컴팩트 토로이드의 가속 및 상기 발사체의 가속을 조율하도록 구성되는 타이밍 시스템을 또한 포함할 수 있다.

도 1은 액체 금속 벽체 구획을 갖는 플라즈마 압축 시스템의 일례의 실시예를 제시하는 개략적 단면도로서, 시스템은 발사체 가속 장치, 플라즈마 인젝터, 액체 금속 재순환 용기, 및 발사체 형성 서브시스템을 포함한다.
도 2는 발사체 가속기의 포구(muzzle) 주위로 동축으로 위치하는 플라즈마 인젝터의 일례의 실시예의 일부분을 도시하는 개략적 단면도다. 도시되는 실시예에서, 플라즈마 인젝터는 발사체 가속축(40a) 주위로 회전 대칭이다.
도 3은 발사체 및 플라즈마가 최대 압력 지점까지 액체 금속과의 충돌로부터 어떻게 거동할지, 및 그 후 발사체의 파열구와, 발사체 물질의 재순환에 사용되는 액체 금속과의 혼합을 시간 순으로 도시하는 단순화된 개략적 단면도(A-I)다. kg/m³ 단위의 다양한 밀도가 도면 우측의 상태 바의 값에 따라 그레이스케일 레벨로 표시된다.
도 4A-4F는 발사체의 다양한 실시예를 나타내는 개략적 단면도다.
도 5는 발사체 가속기의 일례의 실시예에서 가스 벤트 벨브의 타이밍의 예시를 개략적으로 도시한다.
도 6은 자화된 플라즈마 상의 발사체의 충돌을 이용한 액체 금속 챔버 내 플라즈마의 압축 방법의 일례의 실시예를 개략적으로 제시하는 순서도다.

상술한 플라즈마 압축 기법은 다양한 장점 및 단점을 갖는다. 그러나, 임의의 플라즈마 압축 기법의 효과적 구현에 있어 주목할만한 장애물은 필요한 물리적인 스케일로 이러한 장치를 구성할 때의 금전적 비용이다. 위 기법 중 일부의 경우, 구성 비용은 풀-스케일로 원형(prototype)의 검사 및 개발을 방해하거나 심지어 불가능하게 한다. 따라서, 일부 종래의 방법 및 재료를 이용하여, 원형 및 풀-스케일로 알맞게 구성될 수 있으면서, 비교적 직관적인 전체 설계 및 비교적 소형의 물리적 스케일을 갖는, 기술을 고려하는 것이 유익할 수 있다.

상술한 압축 기법의 실시예들은 일반적으로 펄스의 속성을 갖는다. 고려해야할 두 가지 인자는 펄스 당 비용과 펄스 반복 속도다. 각각의 펄스 사이클마다 파괴되는 고정밀부를 이용하는 기법들(가령, 기법 2, 기법 3, 또는, 기법 6의 일부 버전)은, 비-파괴적(가령, 기법 1)이거나 물질의 수동적 리사이클링을 이용하는 기법(가령, 기법 4, 5, 또는, 기법 6의 일부 버전)보다 훨씬 높은 펄스당 비용을 갖는 것이 일반적일 수 있다. 비-파괴적 펄스 기법은 소정의 구현예에서 kHz 범위만큼 높을 수 있는 최고 반복 속도(자기 효과에 의해 제한될 수 있음)를 가지는 경향이 있다. 수동 리사이클링은 소정의 구현예에서 수 Hz만큼 높을 수 있는 다음으로 빠른 반복 속도(선형 유체 유동 속도에 의해 제한될 수 있음)를 가질 수 있다. 펄스형 압축을 위한 중앙 조립체가 매 펄스마다 파괴되는 기법은, 파괴된 요소를 비우고 새 조립체를 삽입하는데 걸리는 시간에 의해 결정되는, 가장 느린 진성 반복 속도를 가지는 경향이 있다. 이는 일부 구현예에서 기껏해야 수 초마다 한번씩보다 자주 발생하지 않는다.

고밀도 및 고온의 플라즈마로부터 강렬한 X-선 및 여기 입자들의 방출 가능성 때문에, 플라즈마로부터의 복사 산물이 압축 장치의 영구적인 구조적 요소에 도달하는 정도를 감소시키기 위해 다량의 교체가능 흡수제 물질을 통합하는 기법을 고려하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 흡수제 물질이나 블랭킷을 통합하지 않는 장치는 구조적 구성요소의 복사물 손상을 겪을 수 있고, 이에 따라 짧은 작동 수명을 갖게 될 수 있다. 기법 1, 2, 3의 일부 실시예가 소정 양의 흡수제 물질을 수용하도록 구성될 수 있으나, 이는 설계를 복잡하게 할 수 있다(Moir, 등에 의한 상술한 논문에 설명된 HYLIFE-II 반응기 설계를 참조할 수 있다). 이와 달리, 기법 4, 5, 6은 압축 선형 유체에 사용되는 물질의 선택에 의해, 또는, 장치를 둘러싸는 사용되는 않은 많은 볼륨 내로 물질을 첨가함으로써, 흡수제 물질을 통합할 수 있다. 재순환 흡수제 유체를 갖는 시스템은 압축 중 생성되는 열을 추출하기 위한 저비용 방법을 또한 제공할 수 있다. 흡수제 유체의 재순환은 또한, 압축 플라즈마로부터의 복사 산물이, 흡수제 유체에 포함된 동위 원소를 변화시키는 데 사용될 수 있게 한다. 이러한 방식은 폐물질을 처리하는데 사용될 수 있고, 또는, 희귀한 동위 원소의 비용 경쟁력있는 생성 방법을 제공하는데 사용될 수 있다.

충격-구동 압축 기법은 일반적으로, 가장자리 구획 성질만을 갖는 자기장으로, 또는 자기장없이, 고체 발사체를 극도로 치밀한 고온 플라즈마 상태로 압축 및 가열하는데 필요한 초고속으로 작은 그러나 육안으로 보이는 발사체를 가속시키기 위한 방법과 관련되는 것이 일반적이다. 요건 속도에 도달하기 위해 극단적으로 긴 전자기 가속기(예를 들어, 수 킬로미터 길이)의 이용을 일반적으로 요하며, 이는 엄청나게 비싼 구성 비용으로 나타나게 된다.

본 발명의 다양한 실시예들은 이러한 문제점 및 그외 다른 문제점들 중 일부를 취급한다. 예를 들어, 발사체를 이용하는 대부분의 시스템에서, 발사체 물질을 재순환하는 방법이 존재하지 않았으며, 이는 고정밀부의 파괴로 이어져, 펄스 당 비용을 크게 증가시키게 된다. 추가적으로, 유용한 용도로 플라즈마 복사 산물을 흡수하기 위한 메커니즘이 일부 종래 설계 내로 통합되지 않고, 따라서, 결과론적으로, 임의의 흡수제 블랭킷이, 가능하다면 상당한 공정 복잡도와 함께, 추가되어야 한다.

본 발명의 일부 실시예는 플라즈마 압축 구동을 위해 발사체의 충돌 이용과 관련되며, 종래의 방식에 비해 긴 시스템 수명 및/또는 높은 반복 속도로 훨씬 소형 스케일 시스템을 구현하는 시스템 구조를 제공한다. 일부 충돌 압축 방법에 비해(가령, 미국특허공보 제4,435,354호 참조), 본 발명의 소정의 실시예들은, 정상자화된 플라즈마를 압축하도록 작용하는, 저속으로 이동하는 큰 매스를 이용한다. 이에 따라, 플라즈마 압축을 위해 덜 복잡하고 더 저렴한 발사체 가속 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 대략 100m의 길이에 걸쳐 최대 수 km/s의 속도로 발사체를 가속시키는데 광 가스 건(light gas gun)이 사용된다. 여기서 개시되는 플라즈마 압축 시스템의 실시예와 함께 사용될 수 있는 광 가스 건 및 발사체 런처(projectile launchers)의 예는 미국특허공보 제5,429,030호 및 제4,534,263호에 설명되어 있고, 그 내용은 본 발명에 포함된다. L. R. Bertolini, et al., "SHARP, a first step towards a full sized Jules Verne Launcher", Report Number UCRL-JC--114041; CONF-9305233-2, Lawrence Livermore National Lab, May 1993의 문헌에 설명된 발사체 런처가, 플라즈마 압축 시스템의 실시예와 함께 또한 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 발사체 물질에 대한 일체형 수동 사이클링 시스템을 통합할 수 있다. 이에 따라, 반복 속도가 개선되고(가령, 비교적 높아지고), 및/또는, 시스템 수명이 연장된다. 적절한 물질을 선택하여, 발사체 및 라이너 유체는 플라즈마 복사 산물의 효율적 흡수제로 작용할 수 있어서, 경제성 및 실용성을 갖는 시스템을 도출할 수 있다.

플라즈마 압축 시스템 및 방법의 예시

플라즈마 압축 시스템 및 방법의 실시예가 설명된다. 일부 실시예에서, 플라즈마는 액체 금속 공동 내에서 자화 플라즈마 토로이드에 대한 발사체의 충돌에 의해 압축될 수 있다. 발사체는 액체 금속 공동 내에서 용융될 수 있고, 액체 금속은 재순환되어 새 발사체를 형성할 수 있다. 플라즈마는 압축 중 가열될 수 있다.

도면을 참조하면, 개선된 방식의 새로운 일례의 플라즈마 압축 시스템(10)의 일 실시예의 개략도가 도 1에 도시된다. 일례의 시스템(10)은 자화 플라즈마 형성/주입 장치(34)와, 액체 금속(46)의 수렴 흐름에 의해 부분적으로 형성되는 압축 챔버(26)를 향해 가속 축(40a)을 따라 발사체(12)를 발사하는 가속기(40)(예를 들어, 광 가스 유압 건 또는 전자기 가속기)를 포함한다. 액체 금속(46)은 액체 금속 재순환 용기(18) 내에 보유되고, 원추형 노즐(24)은 액체 금속(46)의 흐름을 압축 챔버(26)에서 요망 형상을 갖는 표면(27)을 구비한 자속 보유 라이너 내로 지향시킨다. 압축 챔버(26)는 축 주위로 실질적으로 대칭일 수 있다. 압축 챔버(26)의 축은 가속축(40a)과 실질적으로 동선형일 수 있다(도 1, 2 참조). 시스템(10)은 플라즈마 형성, 플라즈마 가속, 발사체의 발사 또는 가속과 같은 이벤트의 상대적 타이밍을 조율하도록 구성되는 타이밍 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 발사체 속도가 플라즈마 주입 속도보다 상당히 느릴 수 있기 때문에, 플라즈마 형성 및 주입은 지연되고, 발사체(12)가 가속기(40)의 규정된 위치(가령, 포구 근처)에 도달할 때 타이밍 시스템에 의해 트리거링될 수 있다.

도 1은 압축 챔버(26)를 향해 이동하는 3개의 예시적인 발사체(12a, 12b, 12c)를 개략적으로 도시한다. 제 4 발사체(12d)는 플라즈마의 최대 압축점 근처에서 액체 금속(46) 내에 있다. 4개의 발사체(12a-12d)는 시스템(10)의 특징을 설명하고자 하는 것이며, 제한하고자 하는 것이 아니다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 임의의 시기에 가속기(40)에 의해 여러 개의 발사체(가령, 1, 2, 4, 또는, 그 이상)가 가속될 수 있다. 도 1은 시스템(10) 내 3가지 위치에서 플라즈마 원환체(plasma torus)를 개략적으로 또한 도시한다. 도시되는 실시예에서, 자화 플라즈마 원환체는 형성/주입 장치(34)의 형성 영역(36a) 근처에 형성될 수 있다. 위치(36b)에 도시되는 자화 플라즈마는 동축 전극(48, 50) 사이에서 가속 및 압축되어 있다. 위치(36c)에서, 가속기(40)의 포구 근처에서, 자화 플라즈마는 액체 금속의 표면(27)과 발사체(12c)의 전방 표면(도 1 참조)에 의해 구획되는 압축 챔버(26)의 더 큰 볼륨 내로 동축 전극(48, 50)의 단부로부터 팽창된다. 자화 플라즈마는 압축 챔버(26) 내 위치(36c)에서 지속될 수 있고, 압축 시간보다 몇배 긴 자화 지연 시간을 갖는다.

발사체(12c)의 운동은 위치(36c) 근처에서 플라즈마를 압축시킬 수 있고, 플라즈마의 내부 자기 구획은 초기 압축 단계 중 플라즈마 인젝터 내로의 상당한 입자 손실을 감소시키거나 방지한다. 도 1에 개략적으로 도시되는 시스템(10)에서, 가속축(40a)을 가로지르는 발사체(12c)의 크기는 압축 챔버(26)에 대한 개구부의 크기보다 작아서, 발사체가 위치(36c) 근처에 있을 때 발사체 외부 주위로 환형 개구부가 존재하게 된다. 챔버에 대한 개구부를 발사체(12c)가 닫은 후 다음 압축 단계가 시작되고, 압축 챔버(26)는 발사체(12c) 및 액체 금속의 표면(27)에 의해 실질적으로 또는 완전히 에워싸인다. 압축 기하구조의 시뮬레이션된 시간 순을 개략적으로 도시하는 도 3을 참조할 수 있다. 따라서, 압축 챔버 내 플라즈마에서의 발사체(12)의 충돌은 플라즈마의 압력, 밀도, 및/또는 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 플라즈마는 압축 챔버(26)에 있을 때 제 1 압력(또는 밀도 또는 온도), 그리고, 발사체의 충돌 이후 제 2 압력(또는 밀도 또는 온도)을 가질 수 있고, 제 2 압력(또는 밀도 또는 온도)는 제 1 압력(또는 밀도 또는 온도)보다 크다. 제 2 압력은 예를 들어, 1.5, 2, 4, 10, 25, 50, 100, 또는 그 이상의 수치(배수)만큼 제 1 압력보다 클 수 있다. 발사체가 액체 금속(46) 내에 잠겨버린 후(도 1에서 발사체(12d)로 묘사됨), 발사체는 금속(56) 내로 신속하게 분리되어 용융될 수 있다. 아래에서 추가적으로 설명되는 바와 같이, 용기(18)로부터의 액체 금속(46)은 재순환되어 새 발사체를 형성할 수 있다.

압축 결과, 플라즈마가 가열될 수 있다. 액체 금속(46)의 가열은 압축 플라즈마로부터의 복사 산물의 흡수와, 발사체 운동 에너지의 열중성자화(thermalization)로 인해 발생할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 액체 금속(46)은 플라즈마 압축 이벤트에 의해 대략 섭씨 수백도까지 가열될 수 있다. 따라서, 도 1의 예에 도시되는 바와 같이, 액체 금속(46)이 펌프(14)에 의해 재순환됨에 따라, 액체 금속은 유입 파이프(28)에서 또는 원추형 노즐(28)에서 요망 온도를 유지하기 위해 열 교환 시스템(16)을 통해 냉각될 수 있다. 일부 구현예에서, 플라즈마 압축에 의해 발생되는 열은 열 교환기에 의해 추출될 수 있고, 전력 발생 시스템(가령, 추출 열로부터 발생되는 증기에 의해 구동되는 터빈)에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 금속의 온도는 그 융점 위(가령, Tmelt + 대략 10-15℃)에서 적당히 유지될 수 있다. 열 교환기(16)는 임의의 적절한 열 교환기일 수 있다.

일부 실시예에서, 열 교환기 출력이 다른 프로세스에 사용될 수 있다. 예를 들어, 압축 챔버(26)의 표면(27)을 생성하도록 원추형 노즐(24)로 액체 금속(46)의 흐름을 지향시키는 유입 파이프(28)에 추가하여, 재순환 파이프(30)가 새 묶음의 발사체(가령, 도 1에 도시되는 발사체 팩토리(37))의 제작을 위한 서브시스템 내의 발사체 몰드(32)로 액체 금속(46)의 공급을 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기(40)의 파열구(breach) 내로 새 발사체를 자동으로 로딩하는데 로딩 메커니즘(38)이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 발사체(12)의 어레이가, 로딩 메커니즘(38)에 의해 가속기(40)의 파열구 내로 로딩될 수 있는 카트리지 구조 내에 배치될 수 있고, 가속축(40a)을 따라 비교적 신속한 순서로 발사될 수 있다. 일부 경우에, 가속기(40) 발사없이, 짧은 시간 주기, 가능하다면, 일부 구현예에서 1~2초가 다음 발사체 카트리지를 로딩시키기 위해 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 로딩 메커니즘(38)은 직접 로딩-슛-로딩-슛 사이클(direct load-shoot-load-shoot cycle)을 가질 수 있고, 이 경우에 카트리지 구조가 사용되지 않을 수 있으며, 실질적으로 정상 상태의 발사체 발사가 유지될 수 있다.

일부 실시예에서, 발사체 몰드(32)는 자동화되어, 재순환되는 액체 금속을 수용할 수 있고, 다양한 제작 방법을 이용하여 새로운 발사체를 주물하도록 적절하게 냉각 사이클을 제공할 수 있다. 액체 금속 재순환 속도 및 새로운 발사체 제작은 요망 런치 속도로 발사체를 공급하기에 충분할 수 있다. 액체 금속이 몰드 내에서 충분하게 고형화되기 위한 총 냉각 시간은, 새 발사체의 배치(batch)를 제조하는 방법 내에, 연장선 상에서, 포함될 수 있다. 시스템(10)의 일부 구현예에서, 냉각 시간은 총을 따라 가속을 살리기 위해 발사체(12)의 기능 및/또는 로딩 메커니즘의 적절한 기계적 기능에 필요한 강성의 양에 의해 결정되거나 및/또는 실용적인 수준에서 짧을 수 있다. 이와 같은 고도로 자동화된 발사 사이클로, 이해가능한 수준으로 높은 반복 속도가 연장된 지속 시간동안 달성될 수 있다. 또한, 각각의 샷에 대해 플라즈마를 주입하는 예외를 고려할 때, 시스템(10)의 소정의 실시예는, 고체 발사체(12)가 액체 형태의 실질적으로 동일한 물질로 충전된 용기(18) 내로 발사될 수 있고 액체 금속(46)이 새 발사체(12) 형성을 위해 재순환될 수 있도록, 효과적으로 폐-루프를 형성하는 장점을 갖는다. 일부 실시예에서, 발사체 제작은 미국특허공보 제4,687,045호에 설명된 시스템 및 방법을 이용하여 수행될 수 있고, 그 내용은 본 발명에 포함된다.

시스템(10)은 다양한 실용적 및 유용한 응용분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 복사 산물의 흡수에 의해 동위 원소의 변화를 동반하는 응용분야에서, 예를 들어, 표준 게터-베드 기술(standard getter-bed technique)을 이용하여, 동위 원소가 액체 금속으로부터 추출될 수 있도록 하는 액체 금속 유동 사이클의 다른 브랜치(도시되지 않음)가 존재할 수 있다. 일부 실시예에서 필요할 경우, 추가적인 금속이 이러한 흐름에 첨가되어, 변화 또는 다른 손실 또는 비효율성으로 손실되는 양을 보충할 수 있다.

시스템(10)의 일부 구현예에서, 재순환 액체 금속 시스템의 전부 또는 일부는 상술한 압축 기법(4, 5)의 일부 구현예에 사용되는 시스템과 유사할 수 있다. 이 기법의 소정의 구현예는, 어떤 와동 유체 역학도 압축 챔버(26)의 중앙 공동을 생성하는데 사용되지 않고 대신에 선형 노즐 흐름이 사용될 수 있다는 점에서, 제 4 기법의 소정의 구현예와는 다를 수 있다. 본 기법의 일부 구현예는, 단일 발사체만을 이용하여 각각의 압축을 구동하며, 실질적으로 대칭인 음향 펄스를 생성하는데 사용되는 다수의 피스톤의 충격의 동기화가 필요치 않다는 점에서, 제 4 기법의 일부 구현예와 또한 다를 수 있다.

본 발명의 소정의 실시예는 제 5 기법에 비해 일부 가능한 장점을 또한 가지며, 이는 플라즈마의 완전한 압축을 도모하는데 필요한 운동 에너지를 발전시키기 위해 더 길고 더 강력한 플라즈마 인젝터를 이용하는 것이 일반적이며, 따라서, 용량성 에너지 저장의 가격으로 인한 높은 구성 비용으로 나타나게 된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 플라즈마를 압축하는데 사용될 수 있는 에너지는 가속기(40)에서 발사체(12)를 가속하는 가압 가스로부터 주로 도출될 수 있다. 일부 경우에, 이는 제 5 기법의 소정의 구현예에 사용되는 것보다 덜 복잡하고 더 저렴한 기술일 수 있다.

플라즈마 압축 시스템(10)의 실시예들은, 축(40a)을 따라 실질적으로 플라즈마 인젝터(34)의 중심을 통과하는, 그리고, 재순환 용기(18) 내의 압축 챔버(26)의 액체 금속 벽체 및 플라즈마와의 충돌로 종료되는, 실질적으로 선형인 경로를 따라 발사체(12)를 발사하기 위한 가속기(40)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기(40)는, 대형 캘리버 발사체(가령, 대략 100kg의 중량, 대략 400mm의 직경)에 대해 높은 발사체 속도(가령, 대략 1-3km/s)를 효과적으로 얻을 수 있도록, 그리고, 자동 반복 발사 모드에서 작동할 수 있도록, 구성될 수 있다. 이러한 응용분야에 대해 적응될 수 있는 가속기 장치가 다수 종 알려져 있다. 한가지 가능한 방식은 광 가스 건(light gas gun)을 이용하는 것일 수 있다. 일부 구현예에서, 건의 설계는 가압 광 "푸셔 가스"(pusher gas)(가령, 수소 또는 헬륨을 함유 가능)로 발사체 뒤에서 플레넘 볼륨을 신속하게 재충전시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 건의 후속 발사 이전에 발사체 전방의 영역이 부분적으로 진공화되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 발사체(12)가 전방으로 이동함에 따라, 경로 내 가스의 일부분을 압축 챔버(26) 내로 밀어낼 수 있다. 가스 조성에 따라, 이는 압축 챔버(26) 내로 주입되는 플라즈마를 오염시킬 가능성이 있다. 다른(불순물) 가스의 존재는 일부 경우에 라인 복사물의 방사를 통해 플라즈마를 냉각시킬 수 있고, 이는 플라즈마 가열에 사용되는 에너지를 감소시킨다. 수소가 푸셔 가스로 사용되는 실시예에서, 수소는 높은 확률의 이러한 냉각 문제점없이 완전하게 이온화되어 플라즈마 내로 통합될 수 있다. 더욱이, 발사체 전방의 잔류 가스는 드래그 힘으로 작용하여, 건 내 발사체의 가속을 느리게할 수 있다. 따라서, 발사체 전방의 적어도 부분 진공을 갖는 실시예에서, 개선된 건 효율을 달성할 수 있다.

일부 실시예에서, 종래의 광 가스 건은 샷간 시간 주기 중 총신(gun barrel)(44)의 신속한 진공화를 제공할 수 있다. 예를 들어, 가능한 하나의 건 설계에서, 주 총신(44)은 훨씬 큰 진공 탱크(도 1에 도시되지 않음)로 둘러싸이고, 다수의 작동가능한 벤트 밸브(42)가 건(44)의 길이를 따라 배치된다. 한가지 가능한 밸브 작동 방법의 예시는 다음을 포함한다. 샷간 시간 주기 중 모든 밸브(42)들이 열리고, 이전 발사체 발사로부터의 푸셔 가스는 진공 탱크 내에서 소진될 수 있다. 밸브가 열리면, 진공 탱크 표면에서 능동적 펌핑으로 인한 유출 효과를 포함하지 않을 때, 초기 평형 압력에 대한 추정치는 다음과 같다.

P_equ = P_push V_gun/V_tank = P_push(r_gun/r_tank)²

이때, P_push는 발사체가 포구를 떠난 후 건의 최종 압력이고, Vgun, Vtank는 각각 총신(44) 및 진공 탱크의 부피이며, 동축 원통형 건-탱크 시스템의 경우, 이는 총신 및 탱크의 반경의 비의 제곱에 또한 비례한다. 예를 들어, (r_gun/r_tank) = 1/10이고 최종 푸싱 압력 P_push = 1 기압(1기압은 대략 1.013x10⁵ Pa)일 때, 초기 평형 압력은 약 1/100 기압이 될 것이다. 소정의 시스템 실시예에서, 이러한 부피형 압력 강하는, 일부 가스 건 설계에서 제공되는 초고압에서 통상적으로 사용되지 않는, 시스템의 진공화를 위한 표준 고속 터보 펌프 기술을 이용할 수 있게 한다. 이러한 소정의 실시예에서, 진공 터보 펌프(도시되지 않음)는 진공 탱크의 표면을 따라 분포될 수 있고, 병렬로 펌핑하는 경우에, 발사체 구동을 위해 푸셔 가스의 주입으로 인한 시간 평균된 가스 유입 속도보다 크거나 동일한 조합된 펌핑 속도를 가질 수 있다. 한가지 가능한 배열은 푸셔 가스에 대한 폐-루프로서, 이 경우에, 압축기가 진공 펌프로부터 배기물을 흡수하고 건 플레넘을 직접 가압한다. 열 교환 시스템(16)으로부터의 열 에너지는 플레넘 내 가스를 열적으로 가압하기 위해 추가적으로, 또는, 대안으로, 사용될 수 있다.

밸브 작동의 예시 방법을 계속하면, 건(40)의 압력이 충분한 레벨로 감소하였을 때, 밸브(42)는 닫히기 시작하고, 건(40)의 파열구에 가장 가까운 밸브가 첫번째로 완전하게 닫힐 수 있도록 동기화될 수 있다. 일부 경우에, 밸브(42)의 완전 닫힘 시간은 건(40)의 길이를 따라 선형 순으로 엇갈릴 수 있어서, 발사체의 궤도를 추적하게 된다. 다른 동기화 패턴이 사용될 수도 있다. 적절한 동기화를 이용할 때, 건(40)의 일부 실시예는 파열구 근처의 밸브(42)가 닫히자 마자 다른 발사체(12)를 발사하도록 구성될 수 있고, 그 후 발사체(12)가 건(40)을 따라 진행함에 따라, 발사체는 새롭게 닫힌 밸브들을 지나치며, 발사체 앞의 밸브들은 닫히는 프로세스 중에 있으나, 진공 탱크 내로 임의의 잔류 가스를 밀어내기에 충분하게 여전히 열린 상태에 있다. 다른 건 발사 패턴이 다른 실시예에서 사용될 수 있다.

작동되는 벤트 밸브(42)는 예를 들어, 선형 또는 회전형의 속성을 가질 수 있는 모션을 통해 작동할 수 있다. 도 5는 발사체 가속기의 일 실시예에서 회전식 가스 벤트 밸브(42a-42d)의 타이밍의 일례를 개략적으로 도시한다. 모터(78a-78d)는 각각 밸브 로터(72a-72d)를 회전시키는데 사용될 수 있다. 본 예에서, 발사체 전방의 영역이 적어도 부분적으로 진공화될 수 있는 동안, 가스는 발사체 뒤의 영역에 적어도 부분적으로 국한될 수 있도록, 발사체의 위치(76) 앞에 적어도 부분적으로 열린 하나 이상의 벤트 구멍(74, 74d)을 밸브 로터(72c, 72d)가 각각 남기게 되고, 발사체의 위치(76) 뒤에서, 적어도 부분적으로 닫힌 하나 이상의 벤트 구멍(74a, 74b)을 밸브 로터(72a, 72b)가 남기도록, 타이밍이 배열될 수 있다. 일부 구현예에서, 시스템을 통한 푸셔 가스의 재순환은 짧은 샷간 시간 주기(서브-초 수준)동안 상당한 에너지 소모를 요구할 수 있다. 건 작동의 다른 방법에서, 벤트 밸브(사용될 경우)는 상술한 바와 다르게 작동할 수 있다.

소정의 실시예에서, 발사체 가속 시스템의 반복 속도는 압축 기법의 진성 반복 속도보다 크거나 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 발사체 가속 시스템의 반복 속도는 압축 기법의 진성 반복 속도보다 작을 수 있다.

다른 발사체 가속 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 가능한 발사체 가속 방법은 유도 코일 건의 이용을 포함하는 데, 이는 일부 실시예에서, 발사체 가속을 위해 자기 척력을 인가하도록 일 시퀀스의 펄스형 전자기 코일을 이용한다. 유도 코일 건의 한가지 가능한 장점은, 이러한 코일 건이 정상 방식으로 높은 진공 상태에서 유지될 수 있다는 것이다.

시스템(10)의 일부 실시예에서, 추가적 센서(도시되지 않음) 및 트리거링 회로(도시되지 않음)가 가속기(40) 발사의 정확한 트리거링을 위해 통합될 수 있다.

발사체(12) 및/또는 액체 금속(46)의 실시예는 금속, 합금, 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 원자 농도비로 대략 17%의 리튬을 함유한 납/리튬의 합금이 사용될 수 있다. 이 합금은 약 280℃의 융점 및 약 11.6g/cm³의 밀도를 갖는다. 다른 리튬 농도도 사용될 수 있고(예를 들어, 5%, 10%, 20%), 일부 구현예에서는 리튬이 사용되지 않는다. 일부 실시예에서, 발사체(12) 및 액체 금속(46)은 실질적으로 동일한 조성을 갖는다(예를 들어, 일부 펄스형, 재순환 구현예에서). 다른 실시예에서, 발사체(12) 및 액체 금속(46)은 설 다른 조성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 발사체(12) 및/또는 액체 금속(46)은 금속, 합금, 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 발사체 및/또는 액체 금속은 철, 이켈, 코발트, 구리, 알루미늄, 등을 함유할 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 금속(46)은 유용한 중성자 플럭스가 액체 금속을 탈출하기에 충분히 낮은 중성자 흡수율을 갖도록 선택될 수 있다.

플라즈마 원환체 인젝터(34)의 실시예는 동축 레일건-타입의 소정의 알려진 설계와 일반적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, J. H. Degnan, et al., "Compact toroid formation, compression, and acceleration," Phys. Fluids B, vol. 5, no. 8, pp. 2938-2958, 1993; R. E. Peterkin, "Direct electromagnetic acceleration of a compact toroid to high density and high speed", Physical Review Letters, vol. 74, no.16, pp. 3165-3170, 1995; and J. H. Hammer, et al., "Experimental demonstration of acceleration and focusing of magnetically confined plasma rings," Physical Review Letters, vol. 61 , no. 25, pp. 2843-2846, December 1988에 개시된 다양한 플라즈마 원환체 인젝터 실시예를 참고할 수 있다. 또한, H. S. McLean et al., "Design and operation of a passively switched repetitive compact toroid plasma accelerator," Fusion Technology, vol. 33, pp. 252-272, May 1998에서 실험적으로 테스트되고 설명된 인젝터 설계를 참고할 수 있다. 이러한 문헌의 내용은 본 발명에 포함된다. 또한, 미국특허출원공보 제2006/0198483호 및 제2006/0198486호에 설명된 플라즈마 발생기의 실시예는 플라즈마 원환체 인젝터(34)의 실시예와 함께 사용될 수 있고, 그 공개 내용은 본 발명에 포함된다.

플라즈마 인젝터(34)에 의해 발생되는 토로이드 플라즈마는 전도성 플라즈마에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자체 자기장에 의해 국한되는 토로이드 플라즈마인, 스페로마크(spheromak)와 같은, 컴팩트 토로이드일 수 있다. 다른 실시예에서, 컴팩트 토로이드는 플라즈마의 자계-역전 구조(FRC)일 수 있고, 이는 자계 라인의 중앙 투과가 거의 또는 전혀 없는 실질적으로 닫힌 자기장 라인을 가질 수 있다.

일부 이러한 플라즈마 원환체 인젝터 설계는 토로이드 구조의 강한 내부 자기장을 갖는 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있고, 이는 압축 및 리바운드 시간에 필적하거나 이를 넘어서는 지속 시간동안 플라즈마의 코어 내에 대전 플라즈마 입자를 국한시키도록 작용한다. 인젝터의 실시예는 플라즈마가 압축 챔버(26) 내에 의지하게 될 때 분사 운동 에너지의 열화로부터 직접 이온 가열 및/또는 내부 자기장의 부분적 붕괴를 가능하게 하면서, 전류를 외부적으로 구동함으로써 플라즈마의 상당한 예열, 예를 들어, 오옴식 또는 저항식 가열을 제공하도록 구성될 수 있다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 플라즈마 인젝터(34)의 일부 실시예는 여러가지 시스템 또는 영역을 포함할 수 있다 - 플라즈마 형성 시스템(60), 플라즈마 팽창 영역(62), 및 플라즈마 가속/포커싱 시스템 또는 가속기(64). 도 2에 도시되는 실시예에서, 플라즈마 가속/포커싱 시스템 또는 가속기(64)는 전극(48, 50)에 의해 경계를 형성한다. 전극(48, 50) 중 적어도 하나는 플라즈마가 가속기(64)의 축을 따라 이동함에 따라, 플라즈마의 압축을 제공하도록 테이퍼형(tapered)이거나 원추형일 수 있다. 도시되는 실시예에서, 플라즈마 형성 시스템(60)은 최대 직경을 갖고, 플라즈마 형성 시스템(60)의 외측 벽체와 동축인, 별도의 형성 전극(68)을 포함하며, 이는 고전압, 고전류 방전을 통해 분사되는 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성하기 위해, 여기될 수 있다. 플라즈마 형성 시스템(60)은 이온화 방전 이전에 최초 자기장을 생성하는 한 세트의 하나 이상의 솔레노이드 코일을 또한 가질 수 있고, 이는 그 후 플라즈마 형성 중 플라즈마 내에 묻힐 것이다. 팽창 영역(62)에서의 팽창 및 수축 중 플라즈마 프로세스에 의해 성형된 후, 초기 자계는 한 세트의 폐-토로이드 자속 표면 내로 발전할 수 있고, 이는 내부 플라즈마 전류에 의해 주로 유지되는 강한 입자 및 에너지 구획을 제공할 수 있다.

이러한 자화된 플라즈마 원환체(36)가 형성되면, 가속 전류가 플라즈마 사이에서 외측 전극(50)을 따라 다시, 중앙 원추 가속기 전극(48)으로부터 구동될 수 있다. 결과적인 로렌츠힘(JxB)은 플라즈마를 가속기(64) 아래로 가속시킨다. 플라즈마 가속기(64)는 가속기축(40a)과 실질적으로 동선형인 가속 축을 가질 수 있다. 수렴하는 원추형 전극(48, 50)은 플라즈마를 작은 반경으로 압축되게 할 수 있다(예를 들어, 도 1에 개략적으로 도시되는 바와 같은 위치(36b, 36c)). 일부 실시예에서, 약 4의 반경 방향 압축 팩터가 대략 2m의 외경을 갖는 대략 5m 길이의 중간-사이즈 인젝터(34)로부터 구현될 수 있다. 이는 인젝터의 팽창 영역 내 원래 밀도의 약 64배일 수 있는 분사된 플라즈마 밀도로 나타날 수 있고, 따라서, 높은 초기 밀도의 개시 플라즈마를 갖는 충돌 압축 프로세스를 제공한다. 다른 실시예에서, 압축 팩터는 예를 들어, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 또는 그 이상일 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 가속기 내 압축이 사용되지 않고, 시스템(10)은 주로 플라즈마에 대한 발사체의 충돌을 통해 플라즈마를 압축한다. 도시되는 실시예에서, 플라즈마 형성, 자화, 및 가속을 위한 전력은 펄스형 전력 시스템(52)에 의해 제공될 수 있다. 펄스형 전력 시스템(52)은 커패시터 뱅크를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 전력은 예를 들어, J. H. Hammer, et al., "Experimental demonstration of acceleration and focusing of magnetically confined plasma rings,'" Physical Review Letters, vol. 61 , no. 25, pp. 2843-2846, December 1988에 설명된 것과 같은 표준 방식으로 인가될 수 있고, 그 내용은 본 발명에 포함된다.

액체 금속 순환 용기(18)의 실시예는 도 1에 단면으로 도시되는 실질적으로 원통형 중앙부를 갖도록 구성될 수 있고, 상기 원통형 중앙부는 일 단부에서 가늘어지는 개구부(24)(원추형 노즐)를 통해 메인 챔버 내로 유입되고, 파이프(20) 또는 한 세트의 이러한 파이프들을 통해 대향 단부에서 빠져나가는, 축방향의 액체 금속의 알짜 흐름을 지원한다. 발사체 몰드(32)로 액체 금속(46)을 지향시키기 위한 선택적인 재순환 파이프(30)가 도 1에 또한 도시된다. 선택적인 사항으로서, 재순환 파이프(30)는 용기(18)의 또다른 영역으로부터 별도의 파이프일 수 있다. 다양한 실시예에서, 액체 금속(46)의 유속은 수 m/s 내지 수십 m/s 사이의 범위일 수 있고, 일부 실시예에서, 실질적으로 시스템(10) 전반에서 실질적으로 층상 흐름이 유지되는 것이 유리할 수 있다. 층상 흐름을 촉진시키기 위해, 벌집 요소들이 용기(18) 내로 통합될 수 있다. 지향성 베인(vane) 또는 하이드로포일 구조를 이용하여, 압축 엔진 내 요망 형태 내로 흐름을 지향시킬 수 있다. 수렴 흐름의 원추 각도는 발사체 형상의 주어진 원추 각도에 대한 충돌 유체역학을 개선시키도록 선택될 수 있다. 재순환 용기(18)는 발사체 충돌 및 플라즈마 압축 이벤트로부터 발원하는 유출 압력파에 견디기에 충분한 강도 및 두께를 갖는 물질로 제조될 수 있다. 선택적인 사항으로서, 용기(18) 유출구 근처의 특별한 흐름 요소를 이용하여, 열 교한 시스템에 손상을 야기할 수 있는 압력파를 감쇠시킬 수 있다. 선택적인 사항으로서, 히터(도시되지 않음)를 이용하여, 시동 작업 중 또는 관리 사이클 이후에, 액체 금속 온도를 융점 이상으로 증가시킬 수 있다. 소정의 실시예에서, 액체 금속 흐름을 위한 방법 및 시스템이 미국특허출원공보 제2006/0198483호 및 제2006/0198486호에 개시되어 있고, 그 내용은 본 발명에 포함된다.

발사체 가속 및 충돌 중, 장치의 구조물에 가해질 반동력으로 나타나는 상당한 모멘텀 전달이 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 재순환 용기(18) 내 벌크 유체의 중량은, 용기(18)의 변위가 약 1cm 수준일 수 있도록, 한 세트의 딱딱한 충격 흡수기 상에 용기(18)를 장착함으로써 충돌로부터의 반동력을 취급하기에 충분할 수 있다(예를 들어, 발사체 중량의 약 1000배보다 크다). 가속기(40)는 발사체를 가속시키도록 작용함에 따라 반동 반응을 또한 경험할 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기(40)는 발사체(12)의 수백배 중량일 수 있고, 가속기(40)는 용기(18)에 비해 이에 대응하여 발사 중 높은 반동 가속 및 총 변위 진폭을 경험하는 경향이 있다. 이러한 한정된 상대 모션으로, 도시되는 시스템의 3개의 시스템 구성요소(예를 들어, 가속기(40), 플라즈마 인젝터(34), 및 재순환 용기(18))는 요망되는 진공 및 유체 시일을 유지하기 위해, 벨로우(bellows)와 같은 실질적으로 가요성인 연결부에 의해 유리하게 접합될 수 있다. 일부 시스템(10)의 완전한 작동 중, 구동력은 수 Hz 주파수(가령, 약 1Hz 내지 약 5Hz 범위)에서 대략 주기적일 수 있다. 따라서, 구동 주파수와는 상당히 다른 공진 주파수를 갖도록 기계적 발진기 시스템(가령, 중량 + 충격 흡수기 스프링)을 구성하는 것이 유리하고, 강한 감쇠가 존재할 수 있는 것이 유리하다.

일부 실시예에서, 재순환 용기(18)의 크기는, 최대 압축점(22)을 둘러싸는 액체 금속(46)의 볼륨이 흡수제 요소(가령, 리튬)에 의한 복사물의 충분한 흡수를 제공하도록, 선택될 수 있고, 따라서, 시스템(10)의 고체 금속 구조물에 대한 복사물 전달이 거의 존재하지 않을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 약 17% 원자 농도의 Li를 갖는 납/리튬 혼합물에 대해 대략 1.5미터의 액체 두께는 적어도 약 104의 팩터만큼 고체 지지 구조물에 대한 복사 플럭스를 감소시킬 수 있다.

도 3은 액체 금속(46)을 포함하는 유체에 대한 발사체(12)의 충돌 중 가능한 압축 구조의 일례의 시간-시퀀스를 개략적으로 도시하는 단면도(A-I)를 도시한다. 도면은 충돌 이벤트 중 발사체 물질과 유체의 밀도를 보여준다. 도면은 고정 메시 상에서 무점성 유한 볼륨 방법을 이용한 시뮬레이션에 기초하며, 붕괴의 대강의 동역학을 개략적으로 나타내기 위해 손으로 플라즈마 볼륨(36)이 추가되었다. 본 예에서, 도면 A에 도시되는 시간 이전에, 가속기(40)는 발사체(12)를 런칭시키고, 발사체는 플라즈마 인젝터의 발사 시퀀스를 트리거링하는 포구의 단부 근처에서 센서를 통과한다. 본 예에서 플라즈마 원환체는 액체 금속(46)의 흐름에 의해 부분적으로 형성되는 압축 챔버(26)의 원추형 표면(27)과 발사체(12) 사이의 정상적으로 닫힌 볼륨 내로 분사될 수 있다. 발사체(12)가 압축 챔버(26)와 충돌함에 따라, 본 예의 플라즈마 원환체(36)는 액체 금속 흐름에 의해 형성된 원추형 압축 챔버(26) 내로 작은 반경으로 실질적으로 규칙적으로 압축된다. 플라즈마는, 2배 이상, 4배 이상, 10배 이상, 100배 이상, 또는 그외 다른 팩터만큼 밀도가 증가하도록 압축될 수 있다.

발사체(12)의 선단 에지가 (도3의 A에 도시되는 바와 같이) 액체 금속의 표면(27)과 충돌할 때, 플라즈마(36)는 닫힌 볼륨 내에 밀봉되게 된다. 발사체의 에지가 액체 금속을 통과하기 시작함에 따라(도3의 B, C, D 참조), 압축 속도가 증가한다. 액체 금속에서 음속, 또는 음속을 넘어서는 발사체 충돌 속도의 경우에, 충돌은 발사체와 함께 움직이는 보우형 충격파(bow shock wave)를 생성할 수 있다.

발사체(12)의 전방 표면은 압축 양을 증가시키도록 성형된 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시되는 예시적 시뮬레이션에서, 발사체(12)는 오목한 원추-형상의 전방부를 포함한다(도 4A 참조). 일부 실시예에서, 발사체 원추의 각도는 주어진 충돌 속도에 대해 보우형 충격의 각도와 실질적으로 동일하도록 선택될 수 있다. 이렇나 일부 실시예에서, 이러한 원추 각도 선택은, 발사체(12)의 표면 앞에서 놓일 수 있는 보우 충격의 교차 중 앞서보다는, 발사체(12)의 슬로우잉 다운 시간(slowing down time) 중 압축이 발생하도록 이루어질 수 있다.

발사체(12)가 먼저 충돌로부터 저항을 만남에 따라, 압축파(70)가 발사체의 벌크 압축을 야기하는 발사체를 통해 후방으로 런칭될 수 있고, 이와 동시에, 정규 충돌력이 발사체의 개구부를 벌리는 경향이 있고, 변형 프로세스가 시작된다. 발사체의 외측 에지 상에서는 난류 후류(turbulent wake)(72)가 액체에 형성될 수 있다. 발사체가 액체 금속의 음속 아래로 느려짐에 따라(가령, 도 3의 E), 압축파(70)가 액체 금속 흐름 내로 전방으로 또한 런칭될 수 있다. 플라즈마의 피크 압축은 이러한 압축파가 압축 챔버(26) 너머로 통과한 후에 발생할 수 있다(도 3의 F 참조). 후방으로 진행하는 압축파가 발사체의 후방 표면에 도달할 때, 반사되어, 발사체를 통해 전방으로 전파되는 압축 해제파(74)를 도출할 수 있다. 압축해제파가 플라즈마 함유 공동에 도달한 후, 내측 벽체 표면의 붕괴가 시작되어 속도를 감속시키고 피크 플라즈마 압력, 온도, 및 자기장 강도에서 지체되기 시작하며, 그 후, 플라즈마의 알짜 증가 압력에 의해 구동되는 재팽창을 시작하게 된다.

예시적인 예로서, 450MJ의 운동 에너지를 갖는, 3km/s의 충돌 속도로 진행하는 100kb 발사체의 경우에, 약 200 마이크로초의 에너지 전달 시간이 존재할 수 있어서, 2x10¹² 와트의 평균 파워가 나타나게 된다. 피크 압축 시간이 에너지 전달 시간의 대략 1/2이기 때문에, 유체 내로 에너지의 각도적 발산이 존재할 수 있어서, 임의의 주어진 시간에 대략 1/3의 에너지가 플라즈마 압축에 소요된다. 예를 들어, 본 예시적인 시뮬레이션에서, 총 에너지의 최대 대략 1/6이 플라즈마 압축으로 소요될 수 있다. 따라서, 본 예시적인 시뮬레이션에서, 대략 75MJ의 일이 플라즈마 압축을 위해 수행될 것이다. 발사체가 액체 금속 흐름 내에 완전히 잠긴 후, 발사체는 파괴 라인(76)을 발전시킬 것이고, 더 작은 부분들로 나누어지기 시작하여, 수초 또는 그 미만의 시간에 걸쳐 흐름 내로 재용융될 것이다.

도 3에 도시되는 시뮬레이션에서 도시되는 발사체(12)는 오목한 원추형 표면을 포함한다. 서로 다른 압축 특성을 제공할 수 있는 이러한, 및 그외 다른 발사체 설계와, 발사체 설계의 일부 예(12a-12f)가 도 4A-4F에 각각 개략적으로 도시된다. 발사체(12a-12f)는 압축 챔버(26) 내에 액체 금속을 국한시키는 표면(13a-13f)을 각각 갖는다. 일부 실시예에서, 표면은 실질적으로 원추형일 수 있고, 표면의 일부분은 오목하거나 볼록할 수 있다. 다른 표면 형상도 사용될 수 있다(가령, 구형부, 또는 다른 원추 섹션, 등). 원추형 표면을 포함하는 일부 실시예에서, 다양한 오목 표면 설계 제공을 위해 조정될 수 있는 한가지 가능한 파라미터는, 원추 각도로서, 도 4A 및 도 4B에 각도 Φ로 표시된다. 원추 각도는 발사체가 액체 금속 라이너와 충돌함에 따라 충격 및 흐름 동역학을 개선시키도록 선택될 수 있다. 원추 각도 Φ는 발사체(12f)에서보다 발사체(12a)에서 크다. 원추 각도 Φ는 약 20도, 약 30도, 약 40도, 약 45도, 약 50도, 약 60도, 또는 일부 다른 각도일 수 있다. 다양한 실시예에서, 원추 각도 Φ는 약 20도 내지 약 80도 범위, 또는, 약 30도 내지 약 60도 범위, 등의 범위 내에 있을 수 있다.

일부 실시예에서, 발사체(12c)는 플라즈마 인젝터(34)의 중앙 전극을 계속하도록 작용할 수 있는 기다란 부재(15)(가령, 중앙 스파이크, 도 4C 참조)를 포함할 수 있다. 시스템(10)의 일부 구현예에서, 이러한 기다란 부재(15)는 플라즈마 인젝터(34)를 떠날 때 자화된 플라즈마 원환체의 플리핑(flipping)을 방지할 수 있다. 이러한 일부 구현예에서, 플라즈마는 스파이크(15)의 전방 단부가 압축 챔버(26) 내의 액체 금속(46)과 접촉하자마자 분사될 수 있고, 플라즈마 볼륨은 압축 중 실질적으로 토로이드형의 구조로 유지될 수 있다. 이러한 구현예들은 구형 붕괴 구조보다 더 우수한 자기 구획을 유리하게 형성할 수 있으나, 플라즈마에 직접 노출되는 금속의 표면적이 더 커질 수 있고, 이는 일부 경우에 불순물 레벨을 증가시켜서 피크 플라즈마 온도를 낮출 수 있다.

일부 발사체 설계에서, 적절한 형상의 볼록 발사체(12d)(도 4D 참조)를 이용함으로써 유체 충격 효과에 의해 덜 지배되는 플라즈마 압축을 갖는 것이 가능할 수도 있으며, 이는 발사체가 액체 금속 표면과 교차하기 전에 총 붕괴 시간의 상당한 부분동안 플라즈마를 압축할 수 있다. 플라즈마 불순물을 감소 또는 완화시키기 위해, 발사체(12e)의 표면(13e)은 리튬이나 중수소화 리튬과 같은 제 2 물질로부터 형성되는 코팅(19)을 포함할 수 있다(도 4E 참조). 발사체의 다른 부분은 하나 이상의 코팅을 포함할 수 있다. 이들과 같은 물질은 일반적으로, 플라즈마의 에지 내로 불순물이 휩쓸려갈 경우 바람직하지 못한 플라즈마 냉각을 이끌게 되는 불순물을 유입시킬 가능성이 작다. 일부 실시예에서, 다중 코팅이 사용될 수 있다. 일부 설계에서 발사체는, 공압 가속기 건을 위한 시일로, 또는 로딩 시스템의 기계적 기능을 수용하기 위해 표면 주위로 그루브 및/또는 오목부와 같은 특징부를 가질 수 있다. 도 4F에 개략적으로 도시되는 발사체(13f)는 백 에지의 원주 주위로 그루브(17)를 갖고, 그 안에는 재사용가능한 밀봉 플랜지가 발사체의 초기 주물 중 끼워맞춰질 수 있다. 일부 실시예에서, 공간 건을 이용하여 발사체(12f)를 가속시키기 위해, 밀봉 플랜지 뒤의 선단 링이 잘려져서, 종래의 가스 건의 터짐 격막(burst diaphragm)의 작용과 같이 가속을 위해 발사체를 자유롭게 하도록, 충분히 높은 압력에 푸셔 가스가 도달할 때, 발사체(12f)의 발사가 이루어질 수 있다.

도 6은 플라즈마 상에서 발사체의 충돌을 이용하여 액체 금속 챔버 내 플라즈마를 압축하는 방법(100)의 일례의 실시예를 개략적으로 도시하는 순서도다. 단계(104)에서, 발사체(12)는 액체 금속 압축 챔버를 향해 가속된다. 예를 들어, 가속기는 광 가스 건 또는 전자기 가속기일 수 있다. 압축 챔버는 액체 금속과 같은 액체 물질에 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 압축 챔버의 적어도 일부분이 도 1을 참조하여 여기서 설명되는 액체 금속의 흐름에 의해 형성된다. 단계 108에서, 자화 플라즈마가 액체 금속 챔버를 향해 가속된다. 예를 들어, 자화 플라즈마는 컴팩트 원환체(가령, 스피로마크(spheromak) 또는 FRC)를 포함할 수 있다. 자화 플라즈마는 일부 실시예에서 플라즈마 원환체 가속기(34)를 이용하여 가속될 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 발사체가 압축 챔버를 향해 가속을 시작한 후 자화 플라즈마가 발생되고 가속되는 데, 이는 자화 플라즈마의 속도가 발사체의 속도보다 훨씬 높기 때문이다. 단계 112에서, 액체 금속에 대한 발사체의 충돌(플라즈마가 압축 챔버 내에 있을 때)은 압축 챔버 내 자화 플라즈마를 압축시킨다. 플라즈마는 압축 중 가열될 수 있다. 발사체는 해체되어, 액체 금속 내로 용융될 수 있다. 선택적인 블록(116)에서, 액체 금속의 일부분을 재순환하고 이용하여, 하나 이상의 새 발사체를 형성한다. 예를 들어, 도 1을 참조하여 설명한 액체 금속 재순환 시스템 및 발사체 팩토리(37)를 재순환에 이용할 수 있다. 새 발사체는 단계 104에서 사용되어, 플라즈마 압축을 위한 펄스형 시스템을 제공할 수 있다.

상술한 시스템 및 방법의 실시예들은, 예를 들어, 천체물리 현상 또는 핵무기의 실험실 연구와 관련한 응용분야를 포함하는, 고에너지 밀도 플라즈마의 연구의 적용에 적합하다. 상술한 시스템 및 방법의 소정의 실시예들을 이용하여, 핵융합 반응 및 유용한 중성자 생성이 이루어지기에 충분한 핵융합가능한 물질을 포함하는 플라즈마를 압축시킬 수 있다. 플라즈마 형성에 사용되는 가스는 핵융합가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 융합가능한 물질은 수소 동위원소(가령, 중소수 및/또는 삼중수소), 헬륨 동위원소(가령, 헬륨-3), 및/또는 리튬 동위원소(가령, 리튬-6 및/또는 리튬-7)와 같은 가벼운 원소의 하나 이상의 동위원소를 포함할 수 있다. 다른 핵융합가능한 물질도 사용될 수 있다. 원소 및 동위원소의 조합이 사용될 수 있다. 따라서, 시스템(10)의 소정의 실시예는 펄스-작용 방식의 하이 플럭스 중성자 발생기 또는 중성자 소스로 작동하도록 구성될 수 있다. 시스템(10)의 실시예에 의해 생성되는 중성자는 연구 및 산업 현장에서 넓은 이용 범위를 갖는다. 예를 들어, 시스템(10)의 실시예는 핵폐기물 재처리 및 의료용 뉴클레오타이드의 발생에 사용될 수 있다. 추가적으로, 중성자 소스로 구성되는 시스템(10)의 실시예들은, 하이 플럭스 중성자의 노출에 대한 (외부 샘플로서) 물질의 반응을 테스트함으로써, 또는, 물질 샘플을 압축 영역 내로 삽입하고 샘플을 극한 압력에 노출시킴으로써, 물질 연구를 위해 사용될 수 있고, 고압에 있을 때, 물질을 변형하기 위한 수단으로, 또는 진단 수단으로 중성자 플럭스가 사용될 수 있다. 중성자 소스로 구성되는 시스템(10)의 실시예는, 중성자 라디오그래피 및 토모그래피를 통해 물체의 내부 구조의 원격 이미징에 또한 사용될 수 있고, 고휘도로 중성자의 고속 펄스(가령, 수 마이크로초)를 요구하는 응용분야의 경우 유리할 수 있다.

일부 대규모 산업 응용 분야의 경우, 동일 설비에서 여러 플라즈마 압축 시스템을 가동하는 것이 경제적일 수 있고, 이러한 경우에, 2개 이상의 시스템으로부터 액체 금속을 재순환시키는, 그리고, 이어서, 각각의 가속기의 파열구에서 로딩 메커니즘에 완성 발사체를 분배하는, 단일 공유 발사체 주물 설비를 가짐으로써 일부 절감이 자연적으로 생길 수 있다. 이러한 일부 실시예는 단일 가속기의 오발사가, 나머지 압축 장치가 계속 작동할 수 있기 때문에, 전체 설비 사이클을 중지시키지 않을 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.

추가적인 실시예 및 예시

여기서 설명되는 시스템 및 방법은 다양한 방식으로 실시될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 플라즈마 압축 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 액체 금속을 용기를 통해 순환시키고, 공동 형성을 위해 노즐을 통과하도록 액체 금속을 지향시키는 단계와, (b) 자화 플라즈마 원환체를 발생시켜서 액체 금속 공동 내로 분사하는 단계와, (c) 액체금속과 실질적으로 동일한 조성을 갖는 발사체를 공동을 향해 가속시켜서, 자화 플라즈마 원환체와 충돌하게 하고, 이 때, 플라즈마가 가열되고 압축되며, 발사체는 분리되어 액체 금속 내로 용융되는 단계를 포함한다. 이 방법은 (d) 단계 (c)에서 사용하기 위해 새 발사체를 형성하는 발사체-형성 장치에 액체 금속의 일부분을 지향시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 이 방법의 하나 이상의 단계가 반복적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단계 (a)-(c)는 약 0.1Hz 내지 약 10Hz 범위의 속도로 반복된다.

이 방법의 일부 실시예에서, 공동은 개략적으로 원추 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 금속은 납-리튬 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 금속은 약 17%의 원자 농도의 리튬을 갖는 납-리튬 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 금속은 약 5% 내지 약 20% 범위의 리튬 원자 농도를 갖는 납-리튬 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 금속은 액체 금속의 온도를 낮추기 위해 열 교환기를 통해 순환될 수 있다.

이 방법의 일부 실시예에서, 플라즈마는 핵융합가능한 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 핵융합가능한 물질은 중수소 및/또는 3중수소를 포함한다. 일부 실시예에서, 중수소 및 3중수소는 약 50%의 중수소 및 약 50%의 3중수소의 혼합물로 제공된다. 이 방법의 일부 실시예에서, 플라즈마 압축은 플라즈마를 가열시키고, 및/또는 중성자 및/또는 다른 복사물을 생성하게 한다.

플라즈마 압축 시스템의 일 실시예가 제공된다. 시스템은 액체 물질 재순환 서브시스템을 포함하며, 상기 액체 금속 재순환 서브시스템은 격납 용기와, 격납 용기 내에 공동 형성을 위해 노즐을 통과하도록 액체 금속을 지향시키기 위한 순환 펌프를 포함한다. 시스템은 플라즈마 형성부와, 자화 플라즈마 원환체를 반복적으로 형성하고 이를 금속 공동 내로 분사하기 위한 분사 장치를 또한 포함한다. 시스템은 액체 금속과 실질적으로 동일한 조성을 갖는 발사체를 공동을 향해 반복적으로 지향시키기 위한 선형 가속기를 또한 포함한다. 시스템은 발사체-형상 몰드를 포함하는 발사체-형성 서브시스템을 또한 포함하며, 여기서, 새 발사체가 형성되어 선형 가속기로 지향되며, 이러한 몰드는 격납 용기로부터 재순환되는, 용융 발사체를 포함하는, 액체 금속을 적어도 주기적으로 수용하기 위해 연결된다.

플라즈마 압축 장치의 일 실시예가 제공된다. 장치는 포구 내부에 적어도 부분적인 진공을 생성하기 위해 진공 펌프에 연결되는 포구 내로 고속으로 발사체를 발사하기 위한 선형 가속기를 포함한다. 시스템은 전류 제공을 위해 전력 공급 회로에 연결되는, 테이퍼형 동축 전극을 갖는 원추형 포커싱 플라즈마 인젝터를 또한 포함한다. 시스템은 자화 컴팩트 원환체(가령, 스페로마크(spheromak))를 발생시키기 위한 물질을 분사하기 위한 자화 동축 플라즈마 건을 또한 포함하고, 건 포구의 열린 단부는 내측 전극과 전도성 접촉하는 원추 내부에서 밀봉될 수 있다. 시스템은, 베이스 영역 및 가속기의 테이퍼형 원추를 수용하기 위한 개구부를 갖고 금속 유체를 내포하기에 적합한 재순환 용기와, 베이스로부터 원추형 개구부까지 유체를 펌핑하기 위해 재순환 펌프를 이용하여 베이스와 원추형 개구부 영역 사이에 연결되는 열 교환 라인을 또한 포함한다. 가속기의 테이퍼형 전극들은 원추형 개구부 내에 밀봉되어, 외측 전극 표면이 테이퍼형 유체 벽체 내에 포커싱 영역을 생성하는 가압 금속 유체에 대한 수렴형 유동 경로를 안내하고, 상기 유동 경로는 용기의 내측 공동 내 최대 압축 존까지 압축될 수 있는, 자화 스페로마크 컴팩트 원환체를 국한시키고 추가적으로 포커싱한다. 재순환 용기가 유체 금속으로 충전되고 핵융합 가능 물질이 분사될 때, 발사체는 테이퍼형 유체 벽체 근처에서 진행할 때, 자화 플라즈마 링을 차단하도록 건에 의해 발사되며, 유체 내의 플라즈마를 증가 압력으로 압축시켜서, 운동 에너지를 플라즈마에 부여하고 이온 온도를 증가시키게 된다.

플라즈마 압축 시스템의 일 실시예는 고체 금속 또는 액체 금속 내 공동에서 자화 플라즈마(가령, 플라즈마 원환체)를 향해 발사체를 발사하기 위한 가속기를 포함한다. 시스템은 자화 플라즈마를 발생시키고 자화 플라즈마를 공동 내로 분사하기 위한 플라즈마 인젝터를 또한 포함할 수 있다. 액체 금속 내 공동을 포함하는 실시예에서, 시스템은 용기를 포함하는 데, 이 용기는 액체 금속을 내포하도록 구성되고, 액체 금속의 흐름에 의해 공동을 형성하도록 테이퍼형인 노즐을 갖는다. 자화 플라즈마가 공동 내로 분사되고, 가속기에 의해 발사되는 발사체가 플라즈마를 차단하여, 공동 표면에 대해 플라즈마를 압축시켜, 자화 플라즈마를 압축시키는 고압 충돌 이벤트를 생성한다. 플라즈마 압축은 플라즈마를 가열시킬 수 있다. 액체 금속 공동을 포함하는 실시예에서, 발사체는 액체 금속 내로 용융될 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, 액체 금속의 일부는 액체 금속의 실질적으로 닫힌 품목(inventory)을 이용하여 반복적 발사 사이클을 유지하는데 사용될 수 있는 새 발사체를 주물하도록 전환될 수 있다.

본 발명의 특정 요소, 실시예, 및 적용이 도시되고 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 이는 전술한 설명에 비추어, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 당 업자에 의해 변형이 가능하기 때문이다. 따라서, 예를 들어, 여기서 개시되는 방법 또는 프로세스에서, 방법/프로세스를 구성하는 단계 또는 작용은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있고, 개시되는 특정 순서로 제한되지 않는다. 요소 및 구성요소들은 다양한 실시예에서, 서로 다르게 구성되거나 배열될 수 있고, 조합되거나, 및/또는 제거될 수 있다. 모든 가능한 조합 및 서브조합들은 본 발명의 범위 내에 머루른다. '일부 실시예', '일 실시예'와 같은 표현들은 해당 실시예와 연계하여 설명되는 특정 특징, 구조, 단계, 프로세스, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, '일부 실시예에서', '일 실시예에서'라는 표현은 이러한 개시 내용이 반드시 동일 실시예를 의미하는 것이 아니라, 동일한 실시예 또는 서로 다른 실시예 중 하나 이상을 의미하는 것이다. 게다가, 여기서 설명되는 신규한 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 실시될 수 있고, 더욱이, 여기서 설명되는 실시예의 형태에서 다양한 생략, 추가, 대체, 등가물, 재배열, 및 변화가 여기서 설명되는 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다.

실시예의 다양한 형태 및 장점이 설명되었다. 이러한 모든 형태 또는 장점이 반드시 어떤 특정 실시예에 따라 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 여기서 설명되거나 암시되는 다른 형태 또는 장점을 반드시 달성할 필요없이 여기서 설명되는 한가지 장점 또는 여러가지 장점을 달성하거나 최적화시키는 방식으로 다양한 실시예가 실행될 수 있다.

"할 수 있다", "가능하다", "예를 들어", "가령", "등"과 같은 여기서 사용되는 조건 표현 언어들은 소정의 실시예가 포함하는, 그러나 다른 실시예는 포함하지 않는 소정의 특징, 요소, 및/또는 단계들을 제시한다.

여기서 설명되는 실시예의 예시적인 연산, 시뮬레이션, 결과, 그래프, 값, 및 파라미터는 예시적인 것으로서, 개시되는 실시예를 제한하고자 하는 것이 아니다. 여기서 설명되는 예시적 예와는 다르게 다른 실시예도 구성되거나 작동할 수 있다.

첨부된 청구범위 및 그 등가물은 여기서 개시되는 발명의 소정의 범위 및 사상 내에 있는 한 이러한 형태 또는 변형을 커버한다.

Claims

플라즈마를 압축하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은
플라즈마 인젝터 - 상기 플라즈마 인젝터는
자화 플라즈마(magnetized plasma)를 발생시키도록 구성된 플라즈마 형성 시스템, 및
제 1 부분, 제 2 부분, 및 상기 제 1 부분에서 상기 제 2 부분으로 뻗어 있는 종방향 축(longitudinal axis)(40a)을 갖는 플라즈마 가속기 - 상기 플라즈마 가속기는 제 1 부분에서 자화 플라즈마를 수신하고 종방향 축을 따라 상기 제 2 부분으로 향해 자화 플라즈마를 가속화하도록 구성됨 -
를 포함함 - ,
상기 플라즈마 가속기의 상기 제 2 부분으로부터 상기 자화 플라즈마를 수용하도록 구성된 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 액체 금속을 제공하도록 구성된 액체 금속 순환 시스템 - 상기 자화 플라즈마는 챔버에 수용될 때 제 1 압력을 가짐 - , 및
상기 종방향 축의 적어도 일부분을 따라 상기 챔버를 향해 발사체를 가속화하도록 구성된 발사체 가속기(projectile accelerator) 및 상기 자화 플라즈마의 가속화와 상기 발사체의 가속화를 조화시키도록(coordinate) 구성된 타이밍 시스템(timing system)
을 포함하며,
시스템은 상기 발사체가 상기 챔버 내에서 자화 플라즈마를 압축하도록 구성되며, 압축된 자화 플라즈마는 상기 제 1 압력보다 큰 제 2 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 발사체 가속기는 가압 가스를 이용해 발사체를 가속화하도록 구성된 가스 건(gas gun)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제2항에 있어서, 상기 가스 건은 상기 발사체 전방의 영역을 적어도 부분적으로 배기하도록 구성되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 고압 영역이 발사체 후방에서 유지되고 저압 영역이 발사체의 전방에서 유지되도록 동기화되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 발사체 가속기는 전자기 가속기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 발사체는 챔버에 자화 플라즈마를 가두도록(confine) 구성되는 표면을 포함하고, 상기 표면은 원추 형상을 포함하며, 상기 원추 형상은 오목하고, 20도 내지 80도 범위의 원추 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 발사체는 챔버에 자화 플라즈마를 가두도록 구성되는 표면을 포함하고, 상기 표면은 상기 발사체의 종방향 축을 따라 뻗어 있는 기다란 부재(elongated member)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 발사체는 챔버에 자화 플라즈마를 가두도록 구성되는 표면을 포함하고, 상기 표면은 하나 이상의 코팅을 포함하며, 상기 코팅 중 적어도 하나는 리튬 또는 중수소화 리튬을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 액체 금속 순환 시스템은 액체 금속의 유동을 출력하도록 구성되는 테이퍼형 노즐(tapered nozzle)과, 격납 시스템으로 액체 금속의 유동을 제공하도록 구성된 펌프 시스템을 포함하며, 상기 유동은 챔버의 적어도 일부분을 형성하도록 구성되고, 상기 액체 금속 내에서 챔버는 원추형을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 액체 금속의 일부분을 수용하고 상기 액체 금속의 수용된 부분으로부터 하나 이상의 발사체를 형성하도록 구성된 발사체 재순환 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
제9항에 있어서, 상기 발사체 재순환 시스템은 재순환된 발사체를 상기 발사체 가속기로 자동으로 로딩하도록 구성된 로딩 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 시스템.
플라즈마를 압축하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
토로이드 플라즈마(toroidal plasma)를 발생시키는 단계,
액체 금속 내 공동을 향해 상기 토로이드 플라즈마를 가속시키는 단계,
발사체를 상기 액체 금속 내 공동을 향해 가속시키는 단계, 및
상기 토로이드 플라즈마가 액체 금속 내 공동 내에 있는 동안 상기 토로이드 플라즈마를 발사체와 함께 압축하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 방법.
제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체 금속 내 공동을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 공동을 형성하는 단계는 액체 금속을 유동시켜 공동을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 방법.
제11항에 있어서, 상기 방법은 액체 금속의 일부분을 재순환시켜 적어도 하나의 새로운 발사체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 압축하기 위한 방법.
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