KR101490302B1 - 하전 입자 빔으로부터의 직접적인 에너지 추출을 위한 회로 - Google Patents

하전 입자 빔으로부터의 직접적인 에너지 추출을 위한 회로 Download PDF

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Abstract

그리드 연계형 양방향 컨버터 및 공진 컨버터를 포함하는 핵융합 에너지 추출 회로(FEEC)가 제공된다. 공진 컨버터는 두 개 이상의 4중극 플레이트들 및 복수의 회로 스위치들을 구비한 역 싸이클로트론 컨버터를 포함할 수 있다. 양방향 컨버터는 3상 그리드 연계형 컨버터를 포함할 수 있다. FEEC 디바이스는 플라즈마 입자들을 감속시켜서, 감속으로부터 에너지를 추출하고, 추출된 에너지를 전기 에너지로 변환시키며, 이 전기 에너지를 전력 그리드에 보낼 수 있다.

Description

하전 입자 빔으로부터의 직접적인 에너지 추출을 위한 회로{CIRCUIT FOR DIRECT ENERGY EXTRACTION FROM A CHARGED-PARTICLE BEAM}
일반적으로 본 발명은 전기 회로에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 제어된 핵융합 반응(fusion reaction)의 결과로서의 하전 입자들로부터의 에너지의 추출을 촉진시키고, 수요에 따라 이 에너지를 단위 역률(unity power factor), 진상 역률(leading power factor), 또는 지상 역률(lagging power factor)을 가지면서 전력 그리드에 보내는 전기 회로에 관한 것이다.
제어된 핵융합 전력 생성은 풍부하고 청결한 에너지원으로 문을 열 것이다. 이러한 화제는 미국과 전세계에서 상당한 연구 노력들을 끌어들여왔다. 보고된 접근법들은 일반적으로 핵융합 에너지로부터 열 에너지를 거친 후 전기 에너지로 변환하는 것에 기초하고 있다.
"Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion"이라는 명칭의 미국 특허 제6,611,106호(이하, '106 특허)(이것은 본 명세서에서 참조로서 병합된다)에서 기술된 대안적인 접근법에서는, 4중극(quadropole) 역 사이클로트론 컨버터(inverse cyclotron converter; ICC)를 이용하여 하전된 입자들을 감속시킴으로써, 운동량(momentum)의 형태로 하전 입자 빔들에 의해 운송되는, 제어된 핵융합 에너지가 직접적으로 전기로 변환될 수 있다. 따라서, 보다 높은 에너지 변환이 기대된다. ICC로부터 에너지를 추출하고 이 에너지를 유틸리티 그리드에 주입시키는 핵심적인 기술이 필요하다.
이에 따라, 플라즈마 입자들을 감속시키고, 감속 반응으로부터 에너지를 추출하고, 플라즈마 에너지를 전기 에너지로 직접적으로 변환시키며, 이 전기를 전력 그리드에 보내는데 이용되는 전력 전자 회로를 제공하는 것이 요망될 것이다.
본 명세서에서 설명된 핵융합 에너지 추출 회로(fusion energy extraction circuit; FEEC) 디바이스의 예시적인 실시예들은 FEEC 디바이스의 수 많은 잠재적인 구현예들 중의 불과 몇개의 예들을 나타내는 것일 뿐이며, 본 설명의 주제를 제한시키려고 의도된 것은 전혀 아니다.
일 실시예에서, 바람직하게 FEEC 디바이스는 그리드 연계형(grid-tied) 양방향 컨버터 컴포넌트 및 공진 컨버터 컴포넌트를 포함한다. 양방향 컨버터 컴포넌트는 여러가지 목적을 위해 진상 역률, 지상 역률, 또는 단위 역률 그리드 연계형 컨버터들을 구현할 수 있다.
공진 컨버터는 바람직하게, 역 사이클로트론 컨버터(ICC), 인덕터, 및 dc 전압을 펄스 파형으로 잘라내는(chopping) 브릿지를 형성하는 복수의 회로 스위치들을 포함한다. 바람직하게, ICC는 캐패시터(이것은 인덕터와 함께 공진 탱크로서 역할을 함)로서 기능을 하는 두 개 이상의 4중극 플레이트들을 갖추도록 구성된다. 4중극 플레이트들은 바람직하게 플레이트들 사이에 형성된 축방향으로 연장된 세장형 갭들을 가지면서 세장형의 환상형 원통모양의 체임버를 형성하는 아치형 단면을 갖고 길게 늘어져 있다.
FEEC 디바이스의 시동 동안에, 에너지는 유틸리티 그리드로부터 그리드 연계형 양방향 컨버터 컴포넌트를 거쳐 공진 컨버터로 흐른다. 이것은 공진을 구축하고 플레이트들 사이의 갭들에 걸쳐 4중극 전기장을 여기시킨다. 전력 생성 또는 에너지 추출 동안에, 예컨대 핵융합 프로세스로부터의 하전 입자 빔들의 하전된 입자들은 하전 입자 빔들이 ICC를 통해 이동할 때에 4중극 전기장에 의해 감속된다. 또한 전력 생성 동안에, 손실 에너지는 이미지 전류의 형태로 ICC의 4중극 플레이트들에 의해 수집될 것이다. 그런 후 이미지 전류는 공진 컨버터 및 그리드 연계형 양방향 컨버터 컴포넌트를 거쳐 유틸리티 그리드로 흐를 것이다.
그리드 연계형 컨버터는 시동 시간 동안에 ac/dc 정류기로서 기능을 하고 전력 생성 동안에는 dc/ac 그리드 연계형 인버터로서 기능을 한다. 양쪽의 경우들에서, 그리드 연계형 컨버터는 수요에 따라 유효 전력 및 무효 전력(VAR)을 제공하기 위해 단위 역률, 진상 역률, 또는 지상 역률을 갖고 동작할 것이다.
전기장 여기 및 에너지 추출을 실현하기 위해, 바람직하게, 공진 컨버터의 공진 주파수 및 전압은 정확하게 제어된다. 이 경우에서, 패턴 변조 피드백 조절을 스위칭함으로써 전압 제어가 달성될 수 있으면서, 주파수는 공진 탱크의 공진 주파수보다 약간 높게 고정된다. 두 개의 변조 방법들, 즉 위상 천이 변조(phase shift modulation; PSM) 및 펄스 폭 변조(pulse-width modulation; PWM)는 전압 제어를 제공할 수 있다. 공진 컨버터의 에러가 공진 컨버터내의 스위치들의 위상 또는 펄스 폭을 변조시키는데 이용되면서, 감지된 공진 전압을 기준점과 비교함으로써 피드백 조절이 달성된다. 이러한 변조로, 동작 모드에 따른 자동화된 양방향 에너지 흐름이 보장된다.
FEEC 디바이스의 대안적인 실시예에서, FEEC 디바이스 동작을 최적화하기 위해 공진 컨덕터는 직렬로 연결된 다중 페라이트 인덕터들을 구현시킬 수 있다. 직렬 연결된 공진 인덕터들은 단일 공진 인덕터에 비해 여러가지 장점들을 갖는다.
공진 컨버터의 에러가 공진 컨버터내의 복수의 스위치들의 위상 또는 펄스 폭을 변조시키는데 이용되면서, 감지된 공진 전압을 기준점과 비교함으로써 피드백 조절이 달성된다.
또다른 예시적인 실시예에서, 자동화된 양방향 전력 흐름을 촉진시키기 위해 공진 컨버터의 피드백 제어 루프가 활용될 수 있다. 피드백 제어 루프는 공진 전압 감지 회로, 에러 보상기, 및 PWM 또는 PSM 펄스 생성기로 구성된다.
본 발명의 다른 시스템들, 방법들, 특징들 및 장점들은 아래의 도면들과 상세한 설명을 검토해봄으로써 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이와 같은 모든 추가적인 시스템들, 방법들, 특징들, 및 장점들은 본 설명내에 포함되며, 본 발명의 범위내에 속하며, 첨부된 청구범위들에 의해 보호되는 것으로 한다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 또한 예시적인 실시예들의 세부사항으로 한정되지 않는 것으로 한다.
플라즈마 입자들을 감속시키고, 감속 반응으로부터 에너지를 추출하고, 플라즈마 에너지를 전기 에너지로 직접적으로 변환시키며, 이 전기를 전력 그리드에 보내는데 이용되는 전력 전자 회로가 제공될 수 있다.
제조, 구조, 및 동작을 포함한 본 발명의 세부사항들은 첨부 도면들의 검토에 의해 부분적으로 얻어질 수 있으며, 첨부 도면에서 동일한 참조 번호들은 동일한 부분들을 가리킨다. 도면에 있는 구성 요소들은 반드시 실척도로 도시될 필요는 없으며, 대신에 본 발명의 원리를 도해할 때 강조된다. 뿐만 아니라, 모든 도해들이 본 발명 개념들을 전달하도록 의도하였으며, 상대적인 크기, 형상, 및 다른 세부적인 속성들은 글자 그대로 또는 정확하게 도해된 것이라기 보단 개략적으로 도해된 것이다.
도 1은 핵융합 에너지 추출 회로(FEEC)의 개략도이다.
도 2는 등가적인 이미지 전류원을 갖는 공진 컨버터 회로의 개략도이다.
도 3은 병렬 공진 탱크의 보드선도를 도시하는 그래프이다.
도 4는 펄스 폭 변조 방법 도해를 도시하는 그래프이다.
도 5는 펄스 폭 변조 생성의 메카니즘을 도시하는 그래프이다.
도 6은 위상 천이 변조 도해를 제공하는 그래프이다.
도 7은 위상 천이 변조 생성 회로의 개략도이다.
도 8은 핵융합 에너지 추출 회로의 피드백 루프의 개략도이다.
도 9는 공진 전압 감지 회로의 개략도이다.
도 10은 입자 빔 주입에 응답하는 전력 흐름의 동적 파형에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 11은 (4중극 플레이트들을 모방하는) 캐패시터에서의 공진 전압의 실험적 결과를 보여주는 그래프이다.
본 명세서에서 설명된 시스템들 및 방법들은 직접적인 핵융합 에너지 추출에 관한 것이다.
도 1은 핵융합 에너지 추출 회로(FEEC) 디바이스(100)의 바람직한 실시예를 도시하는 블럭도이다. FEEC 디바이스(100)는 그리드 연계형(grid-tied) 양방향 컨버터 컴포넌트(110) 및 공진 컨버터(120)로 구성된다. 도 1에서의 FEEC 디바이스(100)의 바람직한 실시예에서, 양방향 컨버터 컴포넌트(110)는 3상 그리드 연계형 컨버터(112)를 구현한다. 하지만, 양방향 컨버터 컴포넌트(110)는 여러가지 목적을 위해 여러가지의 계수 위상 그리드 연계형 컨버터들을 구현할 수 있다. 예를 들어, 저전력 응용을 위해 단상 그리드 연계형 컨버터(미도시)가 구현될 수 있다.
FEEC 디바이스(100)의 바람직한 실시예에서, 공진 컨버터(120)는 역 싸이클로트론 컨버터(ICC)(122)와 복수의 스위치들(S1-S4)을 포함한다. (본 명세서에 병합되어 있는) '106 특허에서 보다 자세하게 설명된 ICC(122)는 바림직하게, 본 예시에서 4중극 구성으로 도시된 복수의 플레이트들(124)을 갖도록 구성된다. ICC(122)의 4중극 플레이트들(124)은 캐패시터로서 기능을 하고, 인덕터(L)와 함께 공진 탱크(130)를 형성하는데, 이것은 이후에 보다 자세하게 설명할 것이다. 4중극 플레이트들(124)은 바람직하게 플레이트들 사이에 형성된 축방향으로 연장된 세장형 갭들을 가지면서 세장형의 환상형 원통모양의 체임버를 형성하는 아치형 단면을 갖고 길게 늘어져 있다. 전류가 플레이트에 인가될 때 다중극 전기장이 플레이트들 사이의 갭들에 걸쳐서 형성된다.
디바이스가 시동되는 동안, 에너지는 유틸리티 그리드(114)로부터 그리드 연계형 양방향 컨버터 컴포넌트(110)를 거쳐 공진 컨버터(120)로 흘러서 공진을 구축하고 공진 컨버터(120)의 4중극 전기장을 여기시킨다. 전력 생성 또는 에너지 추출 동안에, 예컨대 핵융합 프로세스와 같은 프로세스로부터의 하전 입자 빔들은 ICC(122)를 통과하고, ICC(122)의 플레이트들(124) 사이의 갭들에 걸쳐 형성된 4중극 전기장에 의해 감속된다. 또한 전력 생성/추출 동안에, 손실 에너지는 이미지 전류(is)의 형태로 4중극 플레이트들(122)에 의해 수집될 것이다. 그런 후 이미지 전류(is)는 공진 컨버터(120) 및 그리드 연계형 양방향 컨버터 컴포넌트(110)를 거쳐 유틸리티 그리드(114)로 흐를 것이다. 그리드 연계형 컨버터(110)는 시동 시간 동안에 ac/dc 정류기로서 기능을 하고 전력 생성 시간 동안에는 dc/ac 그리드 연계형 인버터로서 기능을 한다. 양쪽의 경우들에서, 그리드 연계형 컨버터(110)는 수요에 따라 유효 전력 및 무효 전력(VAR)을 제공하기 위해 단위 역률, 진상 역률, 또는 지상 역률을 갖고 동작할 것이다.
공진 컨버터(120)가 전기장 여기 및 에너지 추출을 실현하기 위해, 공진 전압 및 주파수는 정확하게 제어되는 것이 바람직하다. 이 경우에서, 패턴 변조 및 피드백 조절을 스위칭함으로써 전압 제어가 달성될 수 있는 동안에, 제로 전압 소프트 스위칭을 보장하기 위해, 주파수는 공진 탱크(130)의 공진 주파수보다 약간 높게 고정된다. 이하에서는 두 개의 변조 방법들, 즉 위상 천이 변조(PSM) 및 펄스 폭 변조(PWM)를 검토한다. 양쪽 방법들은 전압 제어의 업무가 가능하지만, PSM은 동적 처리를 위해 보다 넓은 동작 범위를 유발시킨다. 공진 컨버터의 에러가 공진 컨버터(120)내의 스위치들(S1-S4)의 위상 또는 펄스 폭을 변조시키는데 이용되면서, 감지된 공진 전압을 기준점과 비교함으로써 피드백 조절이 달성된다. 이러한 변조로, 동작 모드에 따른 자동화된 양방향 에너지 흐름이 보장된다.
도 2는 공진 컨버터(120)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이며, 여기서 그리드 연계형 양방향 컨버터(110)에 의해 dc 전압(Vdc)이 제공된다(Vdc는 또한 도 1에서도 도시된다). 여기서, 공진 컨버터(120)는 복수의 스위치들(Sl, S2, S3, 및 S4)을 포함한다. 스위치들(Sl, S2, S3, 및 S4)은 dc 전압(Vdc)을 스위칭 주파수(fs)(이것은 전력 그리드(114)의 주파수보다 훨씬 높다)에서 AB에 걸친 펄스 파형(VAB)으로 잘라내는 브릿지를 형성한다. 캐패시터(C)는 ICC(122)의 4중극 플레이트들(124)을 나타낸다. 위에서 언급한 바와 같이, 캐패시터(C)와 인덕터(L)는 공진 탱크(130)를 형성한다. 펄스 파형(VAB)의 기초성분만이 공진 탱크(130)를 통과할 것이며, 이 경우 기초성분은 H(s) 이득을 얻고, 사인파형(vs)으로서 4중극 플레이트들(122)에 걸쳐서 나타날 것이다. 하전된 입자들이 감속될 때 전류원(is)은 보정된 이미지 전류를 나타내며, 저항(Rc)은 하전된 입자들로부터의 열 손실 및 방사 손실을 나타낸다.
공진 탱크의 이득 H(s)는,
[수학식 1]
Figure 112011005682412-pct00001
이다.
그러므로, 진폭(전압 이득)은,
[수학식 2]
Figure 112011005682412-pct00002
이다.
최대 진폭 주파수는 출력 전압이 최대값을 가질 때의 주파수(ωm)이다.
[수학식 3]
Figure 112011005682412-pct00003
FEEC 디바이스(100)의 경우, 저항(Rc)은 일반적으로 매우 크며, 이에 따라,
[수학식 4]
Figure 112011005682412-pct00004
이다.
도 3은 병렬 공진 탱크(130)의 보드선도를 도시한다. 최대 이득은 대략 공진 주파수(ωr)에서 나타난다. 공진 회로에 대한 또다른 중요한 파라미터는 양호도(Quality Factor)(Q),
[수학식 5]
Figure 112011005682412-pct00005
이다.
Ro은 공진 탱크(130)의 특성 임피던스이다.
[수학식 6]
Figure 112011005682412-pct00006
그러므로,
[수학식 7]
Figure 112011005682412-pct00007
이다.
[수학식 7]으로부터, RC가 클수록 Q는 높아지고, 공진 전압 이득 변경의 기울기는 보다 급격해진다는 것을 유념한다.
상술한 바와 같이, 공진 컨버터(120)의 출력 전압 제어는 패턴 변조 및 피드백 조절을 스위칭함으로써 달성될 수 있다. 위상 천이 변조(PSM) 및 펄스 폭 변조(PWM) 모두는 전압 제어의 업무가 가능할 수 있다.
펄스 폭 변조(PWM): PWM을 통해, 두 개의 레그들에서의 스위치들(S1, S2, S3, 및 S4)의 펄스 폭들은 조정된다. 결과적인 전압차는 기초 성분이 펄스 폭에 의해 조정가능한 계단 형상을 취한다.
도 4는 도 2에 도시된 모든 스위치들(S1, S2, S3, 및 S4)에 대한 트리거 펄스 파형을 도시한다. 스위치들(S1, S2)의 온(on) 시간은 0-50% 사이에서 조정된다. 스위치들(S4, S3)은 스위치들(S1, S2)에 대해 각각 상보적이다. 도 4는 또한 도 2에서 도시된 회로 실시예의 노드 A(VA)와 노드 B(VB)에서의 전압 펄스 파형을 나타낸다.
(도 4에서 도시된) 브릿지 전압(VAB)의 기초성분은 다음과 같이 표현된다:
[수학식 8]
Figure 112011005682412-pct00008
모든 스위치들에 대한 적절한 트리거 신호들은 단순하고 빈번하게 사용되는 회로에 의해 실현될 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 위상 천이가 TS/2인, 두 개의 톱니파형들(151, 152)이 동일한 제어 신호(VC)와 비교된다. 듀티비(duty ratio)(D)는 VC가 톱니파의 진폭보다 클 때의 시간 부분에 해당한다. 결과적인 두 개의 펄스들은 MOSFET 스위치들(S1, S2)을 각각 트리거하는데 이용된다. 상술한 바와 같이, 스위치들(S4, S3)은 스위치들(S1, S2)의 상보적인 신호들에 의해 각각 구동된다. 듀티비(D)는 0-50% 사이에서만 변할 수 있다는 것을 유념한다. 바람직한 실시예에서, 공진 컨버터(120)는 MOSFET 스위치들(S1-S4)을 갖도록 구성된다. 공진 컨버터(120)는 동일한 결과를 달성할 다양한 회로 스위치들을 갖도록 구성될 수 있다는 것을 이해한다.
위상 천이 변조(PSM): PSM 방법에서, 두 개의 레그들의 스위치들에 대한 트리거 펄스들 사이의 위상차를 조정함으로써 공진 컨버터(120)의 출력 전압이 조절된다. 도 6은 스위치 네트워크의 전형적인 PSM 파형들을 나타내며, 여기서 α는 레그 A와 레그 B 사이의 위상 천이이다. 스위치들의 펄스 폭은 변경되지 않는다는 점을 유념한다. α가 변할 때, 브릿지 전압(VAB)의 펄스 폭은 변한다. 결과적으로, 기초성분은 변하며 공진 전압(VS)은 조절된다. 브릿지 전압(VAB)의 기초성분은 α의 함수이다:
[수학식 9]
Figure 112011005682412-pct00009
위상 천이 α는 브릿지 전압(VAB)의 진폭을 제어할 수 있다는 것은 명백하다.
도 7은 VA와 VB 사이에서 조정가능한 위상 천이를 구현할 수 있는 회로의 하나의 예시적인 실시예를 도시한다. 수 많은 다른 회로 실시예들이 동일한 목적을 달성할 수 있다는 것을 이해한다. 예를 들어, 조정가능한 위상 천이를 구현시키기 위한 목적으로 다양한 디지털 회로들이 이용될 수 있다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 두 개의 DC 전압들, 즉 제어 신호(VC)와 고정된 DC 신호(Vfix)와 비교하기 위한 캐리어로서 톱니파(170)가 이용된다. 톱니파(170)가 제어 신호(VC)와 비교되어질 때, 비교 결과는 위상 천이값을 가져다준다. 톱니파(170)가 고정된 DC 신호(Vfix)와 비교되어질 때, 비교 결과는 제어 회로내의 모든 디지털 컴포넌트들에 대한 클럭 신호를 가져다준다. 톱니파의 주파수는 스위칭 주파수의 두 배이며, 이것은 D 플립 플롭을 지나친 후에는 2로 나뉘어진다.
공진 인덕터 구현: FEEC 디바이스(100)의 대안적인 실시예에서, FEEC 디바이스(100) 동작을 최적화하기 위해 공진 컨덕터(120)는 직렬로 연결된 다중 페라이트 인덕터들을 구현시킬 수 있다. 직렬 연결된 공진 인덕터들은 단일 공진 인덕터에 비해 여러가지 장점들을 갖는다. 첫째로, 각각의 직렬연결된 인덕터는 낮은 코어 손실과 작은 플럭스 스윙을 갖는 작은 크기의 고주파수 페라이트 코어에 의해 실현될 수 있기 때문에, 전력 손실이 감소될 수 있다. 두번째로, 각각의 공진 인덕터가 단일층 구조를 갖춤에 따라, 층들간에 고전압 격리에 대한 필요성을 제거시키는 것이 가능하다. 뿐만 아니라, 층들간의 기생 캐패시턴스와 커플링 인덕턴스가 또한 제거된다. 이러한 기생 캐패시턴스와 커플링 인덕턴스는 FEEC 디바이스(100)의 공진 회로(120)에 대해 심각한 영향을 미칠 수 있다. 세번째로, 단층 구조는 내부층들을 과열시키지 않고서 공진 인덕터들에 대한 효과적인 냉각 솔루션을 제공할 수 있다. 마지막으로, 직렬연결된 공진 인덕터들은 작은 크기의 페라이트 코어들에 의해 구현될 수 있는데, 이 코어들은 고주파수 전력 응용들을 위해 상업적으로 입수가능하다.
피드백 제어 루프: 상술한 바와 같이, 공진 컨버터(120)의 출력 전압 제어는 패턴 변조 및 피드백 조절을 스위칭함으로써 달성될 수 있다. 두 개의 변조 방법들이 위에서 자세하게 설명되었다. 공진 컨버터의 에러가 공진 컨버터(120)내의 스위치들(S1-S4)의 위상 또는 펄스 폭을 변조시키는데 이용되면서, 감지된 공진 전압을 기준점과 비교함으로써 피드백 조절이 달성된다.
도 8은 공진 컨버터(120)의 피드백 제어 루프(180)의 예시적인 실시예를 도시한다. 공진 컨버터(120)의 피드백 제어 루프(180)는 FEEC 디바이스(100)의 중요한 엘리먼트인데, 그 이유는 피드백 제어 루프가 자동화된 양방향 전력 흐름을 촉진시키기 때문이다. 피드백 제어 루프(180)는 공진 전압 감지 회로(182), 에러 보상기(184), 및 PWM 또는 PSM 펄스 생성기(186)로 구성된다. 시동 모드 동안에, 공진 전압(VS)은 초기에 0이다. 공진 전압(VS)의 이러한 0 값은 에러 보상기(184)로부터 커다란 에러 및 높은 출력을 불러일으키며, 그런 후 공진 전압(VS)을 램프 업시키기 위해 PWM 또는 PSM 펄스 생성기(186)는 높은 듀티비 또는 작은 위상 천이를 각각 발생시킬 것이다.
전력 생성 또는 추출 모드 동안에, 하전된 입자 빔들은 ICC(122)를 통과할 것이며, 이 빔들은 4중극 플레이트들(124) 사이의 갭들에 걸쳐 형성된 4중극 전기장을 통해 회전함으로써 감속된다. 4중극 플레이트들(124)에서 수집된 손실 에너지는 피드백 루프(180)에 의해 공진 컨버터(120)로 흐르도록 강제될 것이다. 마찬가지로, 그리드 연계형 양방향 컨버터(110)의 피드백 제어 루프(180)는 dc 버스(181)에서 수집된 에너지가 전력 그리드로 되흘러가도록 강제시킬 것이다.
도 9는 공진 전압 감지 회로(182)의 예시적인 실시예를 도시한다. 공진 전압 감지 회로의 입력(Vo)은 공진 출력 단자(Vs)에 결합되며, 공진 출력 단자(Vs)의 공진 전압은 광 다이오드 전류를 변조시킨다. 공진 전압 감지 전류의 출력("V0 피드백은 고전압 광학 격리를 갖는 PWM 또는 PSM 제어기의 에러 보상기에 결합된다. 그러므로, 공진 전압에서의 변화는 제어 루프(180)에 대한 피드백 신호로서 광학적으로 전송될 수 있다.
이 방법의 장점들은 저비용, 고전압 격리, 및 단순한 구현을 포함한다. 구체적으로, 고전압(high voltage; HV) 분할 저항기들을 갖춘 AC 입력 광결합기는 공진 동작에 거의 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 HV 분할 저항기들은 매우 높은 저항을 갖기 때문이다.
시뮬레이션 및 실험: 도 10은 다양한 입자 세기에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 도 1에서 도시된, FEEC 컨버터 디바이스(100)를 이용하여, 도 10에서 도시된 시뮬레이션 결과에 의해 직접적인 핵융합 에너지 추출이 증명된다. 시동 시간 및 전력 생성 시간 동안의 평균적인 DC 링크 전류(IDC) 값들은 입자 빔 주입의 세기에 대응하는 것으로 도시되며, 이것은 이미지 전류원(IS)에 의해 모델링된다. 도 10에서, 하전된 입자들은 300㎲에서 ICC(122)내로 주입되었다. 하전된 입자들이 ICC(122)에 의해 감속될 때, 핵융합 에너지는 이미지 전류에 대략 비례한다. 이 시뮬레이션에서, 열 손실 및 방사 손실은 1㏁ 저항기(RC)에 의해 모델링된다. 시동 시간 동안에, 평균적인 DC 링크 전류(IDC)값은 117.5mA이며, 이것은 회로 손실들을 나타낸다. 이미지 전류가 주입된 후, 핵융합 에너지 입력으로 인해 전류(IDC)값은 감소된다. 예를 들어, 3mA 이미지 전류가 공진 컨버터(120)내로 주입(이것은 5W 주입 경우임)될 때에, DC 링크 전류(IDC)값은 87.5mA 까지 감소된다. 도 10으로부터, 핵융합 에너지가 15W와 2OW 사이일 때, 평균적인 DC 링크 전류(IDC)값은 0(손익분기점)에 도달하고, 그 후 음의 값(전력 생성)까지 감소된다는 것이 예상된다.
제시된 FEEC 디바이스(100)는 감속 프로세스를 시작하기 위해 ICC(122)의 4중극 플레이트들(124)에 에너지를 제공할 수 있다. 이미지 전류가 4중극 플레이트들(124)에서 수집될 때, 에너지는 양방향 그리드 연계형 컨버터(110)를 거쳐 전력 그리드로 되보내질 것이다.
도 11은 (도 2에서 도시된) 공진 캐패시터(C) 양단에서 측정된 실험적 파형을 도시한다. 이 실험에서, 공진 인덕터(L)값은 대략 370μH이며, 4중극 플레이트들의 모방된 캐패시터 값(C)은 70pF이다. 열 손실 및 방사 손실의 추정된 저항(Rc)은 2㏁이며, 이미지 전류의 주파수는 공진 컨버터의 스위칭 주파수와 동일한 1MHz이다. 폐루프 제어(180)를 통해, 도 11에서 도시된 시동 시간 동안에 공진 컨버터의 126V DC 링크 전압(VDC)은 3kV, 1MHz의 공진 전압을 발생시킬 수 있다.
본 명세서에서 제공된 시스템들 및 방법들은 직접적인 핵융합 에너지 추출에 관련된 예시만을 위해 설명되었다. 하지만, 본 발명분야의 당업자는, 하전된 입자들의 운동에너지를 추출하기 위해 본 명세서에서 제공된 시스템들 및 방법들은 고전류 이온 가속기들에서의 에너지의 복구를 위해 이용될 수 있다는 것을 손쉽게 이해할 것이다. 본 발명분야의 당업자가 잘 알고 있는 바와 같이, 고전류 이온 가속기들로부터의 고전력 이온 빔들은 과학계 및 기술공학계에서 다양한 상업적 및 학문적 연구 세팅으로 이용된다. 이러한 모든 응용들은 에너지 집약적이다. 오늘날 대부분의 에너지는 단순하게 낭비된다. 본 명세서에서 설명된 에너지 추출 프로세스는 이와 같은 에너지를 복구하고 이러한 장치의 에너지 소모를 감소시키는 수단을 제공한다. 이것을 달성하기 위해, 타겟 영역을 지나서 빔 라인의 끝부분에서 에너지 추출 설계가 단순하게 추가될 것이다.
본 발명분야의 당업자는 또한, 본 명세서에서 제공된 시스템들 및 방법들은 에너지의 복구 및 추출을 위한 다른 시스템들과 조합으로 이용될 수 있다는 것을 손쉽게 이해할 것이다. 본 명세서에서 참조로서 병합되어 있는, "Plasma Electric Generation System"의 명칭의 PCT 출원 번호 제PCT/US2006/008251호에서는 직접적인 공간 플라즈마 추진을 제공하는데 이용되는 에너지 발생기 시스템을 언급하고 있다. 본 발명분야의 당업자는, 추진이 요망되지 않을 때에 본 명세서에서 설명된 에너지 추출 프로세스가 핵융합 에너지 스트림으로부터의 에너지 복구 및 추출을 촉진시킬 수 있다는 것을 손쉽게 알 것이다.
본 발명분야의 당업자는 또한, 하전된 입자들의 운동에너지를 추출하기 위한 프로세스는 중성 빔 가속기들에서의 효율성 향상을 위해 이용될 수 있다는 것을 손쉽게 이해할 것이다. 양 이온 소스 및/또는 음 이온 소스로부터의 고전력 중성 원자 빔들이 여러가지 상업적 및 학문적 셋팅에서 진단을 위해 이용되거나 또는 원자 에너지원으로서 이용될 수 있다. 이러한 모든 응용들에서, 빔 소스들은 매우 작은 전하 교환 단면으로부터 일어나는 효율성 제약에 의해 특성지어진다. 순수 중성 원자 빔들을 달성하기 위해, 중성화 셀을 지나친 모든 잔여 이온들은 편향되고 덤핑된다. 보통 이러한 낭비적인 에너지는 플러그 전력의 절반이다. 본 명세서에서 설명된 유형의 추출 시스템들은 이러한 "필터링된" 이온들의 에너지의 대부분을 복구하는데 도움을 줄 수 있다.
전술한 설명에서는, 특정 실시형태를 언급하면서 본 발명을 설명하였다. 그러나, 본 발명의 광의의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에 대한 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 자명할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 프로세스 흐름도들에서 도시된 프로세스 동작들의 특정한 순서와 조합은 별도로 언급하지 않는 한 단순히 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 서로 다른 프로세스 동작들 또는 추가적인 프로세스 동작들을 이용하여 수행될 수 있거나, 또는 프로세스 동작들의 서로 다른 조합 또는 순서를 이용하여 수행될 수 있다는 것을 독자는 이해해야 한다. 또다른 예로서, 하나의 실시예의 각 특징들은 다른 실시예들에서 도시된 다른 특징들과 혼합되고 서로 연결될 수 있다. 본 발명분야의 당업자에게 알려진 특징들 및 프로세스들이 이와 마찬가지로 희망하는 바에 따라 병합될 수 있다. 추가적으로 및 명백히, 특징들이 희망하는 바에 따라 추가되거나 또는 삭감될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위와 이 청구 범위의 등가물의 고려를 배제한 채 제한되어서는 안된다.
170: 톱니파, 182: 공진 전압 감지 회로
186: PWM/PSM 펄스 생성 회로, 184: 보상기

Claims (16)

  1. 하전 입자 빔으로부터 에너지를 추출하기 위한 에너지 추출 회로에 있어서,
    전기 전원 그리드와 결합 가능한 양방향 컨버터; 및
    다중극(multi-pole) 역(inverse) 싸이클로트론 컨버터, 인덕터 및 상기 양방향 컨버터에 전기적으로 결합된 복수의 회로 스위치들을 포함하는 공진 컨버터를 포함하고,
    상기 다중극 역 싸이클로트론 컨버터는 두 개 이상의 세장형 플레이트들 사이에 형성된 축방향으로 연장된 세장형 갭들을 가지는 세장형의 환상의 원통모양의 체임버를 형성하는 아치형의 단면을 가지는 상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들을 포함하고,
    상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들은 캐패시터로서 기능을 하며, 상기 캐패시터는 상기 인덕터와 조합되어 공진 탱크를 형성하고,
    상기 복수의 회로 스위치들은 직류 전압을 펄스 파형으로 잘라내는(chop) 브릿지를 형성하도록 구성되고,
    전류가 상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들에 인가될 때 상기 다중극 역 싸이클로트론 컨버터는, 하전 입자들의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 추출하기 위해서 상기 원통모양의 체임버를 통해 통과하는 하전 입자 빔의 상기 하전 입자들을 감속하는 상기 플레이트들 사이의 갭들을 가로지르는 다중 극 전기장을 형성하며,
    상기 전력 그리드와 연결될 때 상기 양방향 컨버터로부터 수신된 변환된 전기 에너지는 상기 다중극 역 싸이클로트론 컨버터의 공진을 구축(establish)하는 것인, 에너지 추출 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그리드 연계형 양방향 컨버터는 그리드 ac 전압과 인터페이싱하도록 구성된 것인, 에너지 추출 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그리드 연계형 양방향 컨버터는 양방향 전력 및 무효전력(reactive power) 흐름을 달성하도록 제어되는 것인, 에너지 추출 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 공진 컨버터는 H 브릿지 또는 하프 브릿지 공진 컨버터에 의해 구성된 것인, 에너지 추출 회로.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 공진 컨버터는, 공진 전압 감지 회로, 보상기, 변조 생성기, 및 상기 공진 컨버터에 대한 인터페이스를 구비한 피드백 제어 루프에 의해 조절되는 것인, 에너지 추출 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변조 생성기는 펄스 폭 변조 생성기인 것인, 에너지 추출 회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 변조 생성기는 위상 천이 변조 생성기인 것인, 에너지 추출 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 변조 생성기는 상기 공진 컨버터의 공진 전압을 조정하는 것인, 에너지 추출 회로.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 그리드 연계형 양방향 컨버터는 시동 동작 모드 동안에 ac/dc 정류기로서 기능을 하고, 생성 동작 모드 동안에는 dc/ac 그리드 연계형 인버터로서 기능을 하도록 구성된 것인, 에너지 추출 회로.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 그리드 연계형 양방향 컨버터는 단위 역률(unity power factor), 진상(leading phase), 또는 지상(lagging phase) 중 적어도 하나를 갖고 동작하도록 구성된 것인, 에너지 추출 회로.
  13. 공진 컨버터와 양방향 컨버터를 포함하는 에너지 추출 시스템에서 공진 컨버터를 통해 지나가는 하전 입자 빔들의 하전된 입자들로부터 에너지를 추출하기 위한 방법에 있어서,
    유틸리티 그리드에 연결되는 상기 양방향 컨버터에 전기적으로 결합하는 공진 컨버터를 포함하는 에너지 추출 시스템의 양방향 컨버터를 통해 상기 유틸리티 그리드로부터 전기 에너지를 수신하는 단계로서, 상기 공진 컨버터는 다중극 역 싸이클로트론 컨버터, 인덕터, 및 복수의 회로 스위치들을 포함하고, 상기 다중극 역 싸이클로트론 컨버터는 두 개 이상의 세장형 플레이트들 사이에 형성된 축방향으로 연장된 세장형 갭들을 가지는 세장형의 환상의 원통모양의 체임버를 형성하는 아치형의 단면을 가지는 상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들을 포함하고, 상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들은 공진 탱크를 형성하는 상기 인덕터와 조합되어 캐패시터로서 기능을 하며, 상기 복수의 회로 스위치들은 직류 전압을 펄스 파형으로 잘라내는(chop) 브릿지를 형성하도록 구성되고, 전류가 상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들에 인가될 때 상기 다중극 역 싸이클로트론 컨버터는, 상기 원통모양의 체임버를 통해 통과하는 하전 입자 빔의 상기 하전 입자들을 감속하는 상기 플레이트들 사이의 갭들을 가로지르는 다중 극 전기장을 형성하는, 상기 전기 에너지를 수신하는 단계;
    상기 양방향 컨버터로부터 수신된 변환된 전기 에너지로 상기 다중극 역 싸이클로트론 컨버터의 공진을 구축(establish)하는 단계; 및
    상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들의 갭들에 걸쳐 다중극 전기장을 여기(excite)시키는 단계를 포함하는, 에너지 추출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공진 컨버터에서 하전 입자 빔들을 수신하는 단계;
    상기 하전된 입자들의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 추출하기 위해 상기 하전 입자 빔들의 상기 하전된 입자들을 감속시키는 단계; 및
    상기 하전된 입자들을 감속시키는 것으로 인한 손실 에너지를 상기 두 개 이상의 세장형 플레이트들에 의한 이미지 전류의 형태로 수집하는 단계를 더 포함하는, 에너지 추출 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공진 컨버터에 이미지 전류를 흐르게 하는 단계; 및
    이미지 전류를 상기 양방향 컨버터를 거쳐서 상기 유틸리티 그리드로 다시 흐르게 하는 단계를 더 포함하는, 에너지 추출 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 추출된 전기 에너지를 상기 유틸리티 그리드로 되보내는 단계를 더 포함하는, 에너지 추출 방법.
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