KR101564865B1

KR101564865B1 - 관성 구속 핵융합 반응을 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101564865B1
Application number: KR1020147021529A
Authority: KR
Inventors: 커티스 에이. 버른바흐
Original assignee: 어드밴스드 퓨젼 시스템스 엘엘씨
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2015-10-30
Also published as: ES2628579T3; EP3007522B1; KR20140114412A; NZ596167A; JP2009539117A; PL2033197T3; US20080063132A1; NZ599154A; IL195593A; WO2008033587A2; EP3007522A1; EP3007522B9; EP3208808B1; US9036765B2; IL241799A0; CA2915301A1; US9008131B2; US10181376B2; NZ596166A; RU2008150241A

Abstract

핵융합 타겟 재료를 수용하기 위한 중앙 타겟 챔버를 포함하는, 관성 구속 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템이 개시된다. 다수의 에너지 드라이버는 핵융합 반응 에너지 및 열의 형태로 에너지를 방출하는 상기 재료의 관성 구속 핵융합 반응을 개시하도록 상기 챔버내에서의 핵융합 타겟 재료에 에너지를 공급하기 위하여 상기 타겟 챔버 주위에 배치된다. 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 다수의 구조들이 제공되며, 핵융합 반응 에너지로부터 고전압 DC 에너지를 추출하는 장치 및 중앙 타겟 챔버로부터 열 에너지를 추출하기 위한 수단을 포함한다. 에너지 드라이버는 유체 역학적 불안정성을 피하기 위하여 핵융합 반응을 일으키기 위한 구동 에너지의 파면에 원하는 형태를 부여하는 아포다이징 필터를 이용할 수 있다.

Description

관성 구속 핵융합 반응을 위한 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEM FOR INERTIAL CONFINEMENT FUSION REACTIONS}

우선권

이 출원은 2006년 5월 30일 출원된 "제어된 핵융합 반응을 위한 방법 및 장치"라는 제목의 미국 가특허출원 제60/809,453호의 우선권을 주장한다. 전술한 출원은 그 전체 내용이 참고로 본 출원 명세서에 포함된다.

발명의 분야

본 발명은 제어된 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

제어된 핵융합(controlled fusion)은 깨끗하고 풍부한 에너지 자원을 제공하는 것으로 널리 인식되고 있다. 그러나, 수십억 달러의 투자에도 불구하고, 효과적인 지속형(self-sustaining) 핵융합 반응의 생성에 있어서, 제한된 성공만이 달성되었다. 이전의 모든 접근방법들은 3가지 주요 요인들에 의해 제한되고 있다:

(a) 단일의 에너지 추출 수단만이 이용되고 있다.

(b) 직접 구동의 X-선 피구동 반응에 초점을 두는 대신에, 대다수의 작업은, 특히 드라이버로서 대형 레이저를 이용하는 간접 구동 반응에 초점이 맞추어 왔다.

(c) 유체 역학적인 불안정성(hydrodynamic instability)이 큰 문제이다. 이것은 타겟 펠릿의 압축이 충분이 균일하지 않을 때 일어난다. 차례로, 그것은 국소적인 열적 불균일(thermal non-uniformity)을 발생시켜서, 국소적인 냉각을 초래한다. 이것은 연료의 비대칭적 연소를 초래한다.

에너지는 핵융합 반응으로부터 2개의 주요 수단에 의해 열적 및 전기적으로 추출될 수 있다. 열적 추출은 랭킨 열 사이클(Rankine Thermal Cycle)의 직접적 적용이며, 이는 거의 모든 전기 발전소에서 이용되고 있다. 이 프로세스에서, 냉각제(coolant)는 가열되고, 가열된 냉각제는 터빈을 돌리는데 이용되며, 터빈은 발전기를 돌리는데 이용된다. 이 프로세스는 명목상 55% 효율을 가진다.

핵융합 반응 에너지로부터 직접 전기를 추출하는 것은 가능하고, 또한 실현 가능하다. 이것은 여러 번 증명되었고, 약 85% 효율을 가지는 프로세스이다. 종래의핵융합 전력 시스템에 대한 이 기술의 단점은 고전압 DC를 생성한다는 점이다. 고전압 DC는 취급이 곤란하고, 더 중요한 점은, 장거리 송전 및 배전에 적합하지 않다는 점이다. 고전압 DC는, AC 전력에서와 같이, 전압으로 용이하게 또는 효과적으로 바꿀 수 없다.

유체 역학적인 불안정성은 모든 핵융합 전력 시스템의 설계자가 대면하는 큰 문제이다. 레일러-테일러(Rayleigh-Taylor)의 불안정성으로서 공식적으로 잘 알려졌지만, 그것은 타겟 펠릿의 불균일한 압축으로부터 생기는 문제이다. 압축에 있어서 1%를 초과하는 불균일성은 외부로 향해 증대되어 국부적으로 타깃 펠릿을 냉각시키는 에너지의 "분출(jets)" 형태를 가져온다. 현재 세대의 레이저 구동 핵융합 시스템은 연료 펠릿의 충분히 균일한 압축을 제공하기 위하여 다중 빔(하나의 시스템에서 192개 정도)을 이용한다.

열 에너지 및 고전압 DC 에너지가 모두 추출되는, 제어된 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

추출된 고전압 DC 에너지가, 제어된 핵융합 반응을 유지하기 위한 에너지원으로서 이용될 수 있다면 바람직할 것이다.

또한, 연료 펠릿의 매우 균일한 압축을 달성하기 위한 높은 유체 역학적 안정성을 수반하는, 제어된 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템을 설계하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 일실시예는 제어된 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템을 제공한다.

상기 시스템은 핵융합 타겟 재료를 수용하기 위한 중앙 타겟 챔버를 포함한다. 다수의 에너지 드라이버는, 타깃 챔버내의 핵융합 타겟 재료에 에너지를 공급하여, 핵융합 타겟 재료의 제어된 핵융합 반응을 일으키도록 타겟 챔버의 주위에 배치되며, 핵융합 반응 에너지 및 열 형태로 에너지를 방출한다. 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 다수의 수단이 제공되며, 이러한 수단은 핵융합 반응 에너지로부터 고전압 DC 에너지를 추출하는 수단; 및 중앙 타겟 챔버로부터 열 에너지를 추출하는 수단을 포함한다.

상기 실시예는 고전압 DC 에너지 및 열 에너지를 모두 추출함으로써 핵융합 전력 시스템의 효율을 증대시킨다.

본 발명의 다른 실시예는 제어된 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템을 제공하며, 다수의 에너지 드라이버가 에너지 저장 수단에 의해 전력을 공급받는다. 상기 에너지 저장 수단은 기동(start-up) 및 보충(make-up) 전력을 제공하는 제1 전원 공급장치; 및 상기 핵융합 반응 에너지로부터 추출된 고전압 DC 에너지으로부터 에너지를 유도하는(deriving) 제2 전원 공급장치로부터 전력을 수신한다. 상기 기동 전력은 상기 핵융합 반응을 시작하기 위하여 요구된 총 에너지이고, 상기 보충 전력은 상기 핵융합 반응의 동작을 유지하기 위하여 상기 제2 전원 공급장치로부터의 에너지에 추가된 에너지이다.

상기 실시예에는 핵융합 반응을 일으키는 에너지 드라이버의 전력원으로서 핵융합 반응으로부터 추출된 고전압 DC 에너지를 이용하여 고효율을 달성한다. 이것은 핵융합 반응을 일으키기 위한 대부분의 에너지가 (이전의) 핵융합 반응 그 자체로부터 나온다는 것을 의미한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 다수의 에너지 드라이버 각각이 단일의 장치(unitary apparatus)를 포함한, 제어된 핵융합 반응으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 단일의 장치는 (a) 핵융합 반응 에너지 및 열의 형태로 에너지를 방출하기 위하여 상기 핵융합 타겟 재료가 상기 제어된 핵융합 반응을 거치도록 하는 X-선 펄스; 및 b) 상기 핵융합 타겟 재료를 동시에 가열하는 RF 에너지를 생성한다.

본 발명의 상기 실시예는, 효율의 저하 없이, X-선 구동 펄스와 동시적으로 RF 가열(heating) 펄스를 생성하는 능력을 가진다. 이것은, RF 가열의 사용이, 약간의 추가 비용과 에너지 상의 불이익(energy penalty) 없이, 핵융합 전력 시스템의 효율을 증가시키도록 한다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 핵융합 타겟 재료의 양상으로부터 X-선 펄스의 파면(wavefront)이 오목하게 되도록 정형(reshaping) 하기 위해, 아포다이징(apodizing) 구조체가 각각의 에너지 드라이버에 관련되는, 핵융합 전력 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 상기 언급된 아포다이징 필터를 이용하여 레일러-테일러의 유체 역학적 불안정성을 일으키는 파면 오차를 교정한다. 타겟 펠릿이 구형이기 때문에, 아포다이징 필터는, 압축 파면의 형상을, 타겟 펠릿의 반경과 일치하는 반경을 가지는, 고도로 오목한 표면으로 변형시키는 데 이용된다. 이에 의해, 파면은 타겟 펠릿의 일면의 "주위를 감싸고(wraps around)", 타겟의 전체적으로 균일한 압축을 제공한다.

상기 압축 파면을 교정하는 아포다이징 필터의 이용에 의한 직접적인 이득은 타겟 펠릿을 조사하기 위하여 이용되는 빔의 수가 감소된다는 점이다. 캘리포니아주 로렌스 리버모아 연구소 소재의 국립 점화 설비(NIF, National Ignition Facility) 핵융합 반응로가 이용하는 192개의 빔 대신에, 본 발명의 실시예에서는 6개와 같은, 매우 적은 빔의 이용이 가능하다. 이것은 직접적으로 반응로의 비용 및 크기를 줄이는 한편, 신뢰성을 증대시킨다.

도 1은 제어된 핵융합 반응에 의해 에너지의 발생시키기 위한 반응로의 단순화된 사시도이다.
도 2a 및 2b는 도 1의 반응로의 단면도로서, 도 2a는 도 1의 "도 2a-도 2a"로서 나타낸 단면을 도시하고, 도 2b는 도 1의 "도 2b-도 2b"로서 나타낸 단면을 도시한다.
도 3은 도 1의 반응로 시스템의 에너지 흐름의 블록도이고, 도 1에서 보다 더욱 간단하게 반응로를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는, 각각, 기본적인 유도 X-선 이미터(SXE ; Stimulated X-ray Emitte)의 에너지 드라이버의 단순화된 단부 및 측단면도이다.
도 5a는 도 4a 및 도 4b의 SXE와 함께 이용되는 그리드 및 위상(phase) 정합 네트워크의 사시도이다.
도 5b는 도면에서 "도 5a-도 5a"로서 표시된 단면을 보여주는 도 5a의 그리드 및 위상 정합 네트워크의 도면이다.
도 5c는 도 5a의 위상 정합 네트워크의 개략적인 다이어그램이다.
도 6은 아포다이징 필터상에 부딪히는 평면 파면 및 필터를 통과함으로써 생성되는 교정 파면의 단면도이다.
도 7은 도 4의 커패시터 강화형 SXE의 사시도이다.
도 8은 전자 결합 변압기(Electron Coupled Transformer)의 길이에 따른 단면도이다.
도 9는 도 8의 전자 결합 변압기의 일반적인 파형을 나타낸 것이다.
도 10은 결합된 SXE-버캐토르(Vircator) 드라이버의 길이에 따른 단면도이다.
도 11은 도 10의 버캐토르 RF 헤드의 길이에 따른 부분 단면도이다.
도 12는 결합된 SXE-MILO 드라이버의 길이에 따른 단면도이다.
도 13은 도 12의 MILO RF 헤드의 길이에 따른 부분 단면도이다.
도 14는 도 12의 MILO RF 헤드에서 이용된 드리프트 튜브(Drift Tube)의 길이에 따른 단면도이고, 도 14b는 "도 14b"로 명명된 도 14a내에 원형 영역의 확대도이다.

도면 참조 번호의 리스트, 이들이 관련된 부품 및 그 부품을 위해 선택된 재료는 바람직한 실시예에 대한 설명의 말미에서 볼 수 있다. 참고 문헌들은 도면 참조 번호의 리스트 다음에 상세히 인용되어 있다. 본 서술에서, 예를 들어 저자 "나카이"에 대한 간략한 참고 문헌은 (나카이 참조)와 같이 나타낸다.

바람직한 실시예의 주요 원리

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 주요 원리는 도 1-3과 관련하여 설명되고 있다.

도 1은 제어된 핵융합에 의해 에너지를 생성하기 위한 반응로를 나타낸다. 시스템은 중앙의 타겟 챔버 또는 타겟 영역(10)을 포함한다. 6 개 또는 그 이상의 직렬 에너지 드라이버(12)는 중앙 타겟 영역 주위에 대칭 쌍으로 배열된다. 대칭적인 에너지 드라이버(12)는 타겟 펠릿 위치(22)에 대하여 대칭적으로 배열되어, 타겟 핵융합 펠릿에 영향을 미치는 고도의 구형 파면(spherical wavefront)을 22의 위치에서 집합적으로 생성한다. 에너지 드라이버는 핵융합 반응을 이끌고 유지하는 타겟에 대칭적으로 압력을 가하는 고주파수에서 x-선 광을 생산한다. 에너지 드라이버는 미국 특허 번호 4,723,263에서 본 발명의 발명자가 처음으로 서술한 것과 같이 바람직하게는 여기 X-선 방사기(stimulated x-ray emitters, SXE)이다. 우선 실시예에서, 언급된 SXE 드라이버는 반응에 추가적인 열을 제공하기 위해 RF 에너지의 동시적인 펄스를 제공하는 RF 생성 장치를 갖추고 있다. 이 사항은 도 10-13의 논의에서 더 서술될 것이다.

도 1-3을 참조하여, 다수의 에너지 추출 콘(cone)(14)이 중앙 타겟 영역(10) 주위로 배치되어 있다. 이들 각각의 콘은 진공 시스템의 일 부분이다. 각 콘은 SXE 에너지 드라이버를 구동하는 데 이용되는 직류(DC) 고전압(high voltage) 출력을 생산하는 에너지 수집 그리드(46)를 포함한다. 에너지 추출 콘(14)은 원통형과 같이 다른 형태를 가질 수도 있다. 이 과정에 대한 상세한 논의는 아래의 도 3에서 논의될 것이다.

도 1-3의 시스템은 표준 랭킨(Rankine) 사이클 열적 루프(loop)로 구성될 수도 있는 제 2 에너지 추출 장치를 포함한다. 냉각제가 입력 파이프(18)에 의해 내부 열교환 서브시스템에 인입되어, 열교환기(24)를 통해 순환되고, 파이프(20)를 거쳐 반응로로부터 여기된다. 가열된 냉각제는 전기를 발생시키는 발전기를 구동시키는 터빈을 가동하는 데 이용된다. 이 전기의 대부분은 외부 에너지 그리드에 공급된다. 일 부분은 직류 고전압(HVDC) 에너지 추출 콘 (14)의 작은 비효율을 보상하기 위한 시스템에 전력을 만드는(make-up power) 데 이용된다. 연료 펠릿 주입 시스템(16)은 반응로에 핵융합 타겟 펠릿을 주입하는 데 이용된다. 실제 시스템에서, 펠릿 주입기(16)는 도 2b와 같이 수직으로 향해 있다.

도 2a-2b는 주요 내부 및 외부 구성, 그리고 기하학적 관계를 나타낸다. 도 2a는 반응로의 단면도이다. 에너지 드라이버(12)와 에너지 추출 콘(14)이 배열되어 있다. 또한 반응로의 내부 구조는 도 2b에 나타나 있다. 반응로 챔버 벽(wall)은 제일 바깥 층(10)이며, 내부 구조를 지지하는 구조로 되어 있고, 또한 진공 밀폐(enclosure)되어 있다. 구형의 몸체, 또는 다른 형태의 것도 이용될 수 있다. 챔버의 형태는 시스템의 기능과는 별 관계가 없다.

다음의 가장 안쪽 층은 자기 구속(magnetic confinement) 코일(30)로 구성된다. 이 코일은 핵융합 반응 에너지를 가두고 그 플라즈마가 라이너(28) 및 다른 내부 구조와 접촉하지 못하도록 하는 강한 자기장을 만들어 낸다. 자기 구속 코일에 의해 생성된 자기장은 에너지 추출 콘과 SXE 에너지 드라이버의 위치에 따르는 개구부들(apertures)(낮은 자기장 영역)을 갖는다.

다음의 가장 안쪽 층은 냉각제 통로 층(열교환기)(24)이다. 냉각제는 인입구(18)를 통해 들어와서, 냉각제 통로(24)를 순환하고, 비등점 이상으로 가열된 상태(superheated state)로 배출구(20)를 통해 나간다. 이처럼 가열된 냉각제는 전기를 생산하기 위한 터빈과 발전기에 동력을 공급하는 데 이용된다. 여기서, 펠릿 주입기(16)는 수직 방향이다.

도 3은 도 1의 반응로 시스템의 구성도이며, 두 개의 에너지 추출 루프를 보였다. 열적 루프는 냉각제 인입구(18), 냉각제 배출구(20), 냉각제 통로 층(열교환기)(24)로 구성된다. 이 루프의 동작은 상기 도 2의 논의에서 서술되었다. 직류 고전압(HVDC) 추출 루프는 추출 콘(14), 추출 그리드(46), DC 귀환(return)(48), 에너지 저장 및 동력 조절(power conditioning) 장치(38), 펄스 변조기(34), 그리고 두 개의 동기화된 출력 (a) SXE 에너지 드라이버(12)로 가는 HVDC(36)와 (b) 자기 구속 구동 신호 (32)로 구성된다. 본 발명에 따른 우선 실시예에서는 SXE 에너지 드라이버에 직접적으로 추출된 HVDC를 기본적으로 이용하였다. SXE는 HVDC로 구동되므로, 에너지 추출 콘(14)의 직접 DC 출력과 직접적으로 호환성이 있다. 추출된 에너지는 에너지 저장 장치(38)를 충전하는 데 쓰인다. 에너지 저장 시스템은 용량성의(capacitive) 저장 장치 또는 유도성의(inductive) 저장 장치 또는 둘 다 이용한다. 우선 실시예에서는 용량성 저장 장치가 시스템의 일부로서 이용되었다. 에너지 저장 및 동력 조절 서브시스템(38)은 제 2의 에너지 입력을 가지며, 이것은 동력을 외부 소스(42, 44)로부터 공급받아 시스템에 가한다. 외부 소스 42 는 전자 결합 변환기(electron coupled transformer)일 수도 있으며, 소스 44는 직류 고전압 공급기이다. 제 2 에너지 입력(40)으로부터 온 동력은 시스템의 시동(startup) 및 가동중에 동력을 만드는 데 이용된다. 이는 서술한 HVDC 추출 루프에서 비효율에 의한 손실을 보상하기 위한 것이다.

도 4a와 4b는 기본적인 SXE 에너지 드라이버의 단면도이며, 도 1에서 에너지 드라이버(12)로서 이용되었다. 도 4a는 단면도이고, 도 4b는 측면도이다. 도면에 애노드(64), 그리드(66) 및 캐소드(68)이 나타나 있다. SXE는 3극 진공관이며, 캐소드(68)과 그리드(66)로 구성된 새로운 전자총 구조를 하고 있다. 이러한 요소들의 병렬 배치는 원형 도파로를 형성하고 있는 것과 같다. 원형 도파로는 진공에서 광속 "c" 로 전파되는 트랜스버스 일렉트릭 모드(TEM ; Transverse Electric Mode)를 지원한다. 이러한 성질은 전자선(electron beam)이 화살표로 나타낸 것처럼 애노드를 광속으로 지나가고, 따라서 파면의 위상 속도(phase velocity)와 군 속도(group velocity)가 일치하는 것을 보장한다는 점에서, SXE의 기능에 있어 중요하다. 이것은 감쇄 진행파(collapsing traveling wave)로 알려져 있다. 이것은 전자선에 의해 형성된 x-선이 항상 고도로 이온화된 영역(ionized zone)을 지나가고, 따라서 자기 흡수(self-absorption) 과정에 의해서 흡수되지 않음을 보장한다는 점에서, x-선 형성 과정에서 중요하다.

그리드(도 5에서 상세히 서술함)는 매우 대칭적 구조를 하고 있다. 이것은 애노드를 향하는 파의 감쇄가 완벽하게 대칭적임을 보장한다. 그 결과로, 전자가 애노드에 부딪칠 때, 브렘스트랄룽(Bremsstrahlung)의 고도로 이온화된 영역이 형성된다. 그러한 고도 이온화 영역에는 또한 수많은 제 2 전자들이 존재한다. 애노드는 레이징(lasing) 물질들로 가득 차게 된다. 브렘스트랄룽 양자(photon)들은 레이징 물질의 원자들과 충돌하고, 원자의 k-쉘(shell) 이온화 포텐셜 보다 더 높은 에너지에서 그 양자들이 존재하는 결과로서. 원자는 모두 이온화된다. 결과적인 계단식 수량 증가(repopulation cascade)는 원자의 각 전자 쉘로부터 광자의 방출을 야기한다. 잉여 전자들은 이 반응이 매우 빨리 일어나도록 촉진한다. 일련의 연쇄적 반응(cascade reaction)이 일어난다. rm 반응은 처음에는 등방성(isotropic) 이다. 그러나 애노드의 길이 방향으로 진행됨에 따라, 축에서 벗어난(off-axis) 방사(radiation)는 벽(wall)에 의해 억제되거나, 다른 원자들을 이온화시키는데 이용된다. 이 모든 것이 애노드를 진공에서 광속 "c"로 지나가는 이온화 영역에서 일어난다. 결과적으로 광은 애노드에 의해서 기하학적으로 정렬되며, 대부분 k-쉘 양자 및 l-쉘 양자, m-쉘의 양자들로 구성된다.

도 5a, 5b, 5c는 도 4a 및 4b의 SXE의 그리드와 위상 정합 네트워크를 상세히 보여 준다. 도 5a는 전체적인 그리드-위상 정합 네트워크와 그리드 절연(insulation)의 상세를 나타낸다. 이 두 요소들은 실제로는 하나의 구조의 일부이다. 도 5b는 선호되는 그리드 텐셔닝(tensioning) 및 절연 장치의 상세도이다. 도 5c는 위상 정합 네트워크의 전기 개략도이다. 그리드에 대한 설계 요구는 진행파 전자총 (TWEG)과 함께 모든 진공관에 공통으로 적용되었다. 진공관의 크기와 파전력 레벨이 어떻게 설계되든지, TWEG가 동작하기 위해서는 다음의 특성을 공통적으로 가져야 한다.

진행파 전자총(TWEG)은 TEM을 지원하는 원형 도파로 구조를 만들기 위해 그리드(66)와 캐소드(68)를 가까이 병렬 배치한다는 점에서 독특한 구조이다. 원형 도파로 내의 TEM은 항상 광속 "c"의 속도로 진행한다. TWEG의 극도로 빠른 라이즈타임(risetime)은 이것으로 설명된다(1 피트 또는 전자총 길이 30.48센티미터에 1 나노초).

그리드는 캐소드로부터 전자를 뽑아내는데 필요한 전기장을 만드는데 그리고 그러한 전자의 흐름을 제어하는데 이용된다. 이것은 캐소드에 대하여 선택적으로 그리드에 바이어스(bias)를 가함으로써 달성된다. 스위치 및 변조 기능은 진공관에 적절한 바이어스를 가함으로써 얻어진다.

TWEG 구조에서의 그리드를 설계할 때 반드시 충족해야 하는 다음과 같은 몇 가지의 조건이 있다.

(1) 그리드-캐소드 간격은 그리드의 전체 길이에 걸쳐서 일정해야 한다. 이것은 그리드가 고장력(high tension)을 갖도록 하거나 단단한 구조로 만듦으로써 가능하다.

(2) 그리드 내의 각 요소들의 갯수는 그리드와 캐소드 사이에서 형성된 전기장이 일정하고 균일하게 되도록 충분히 많아야 한다.

(3) 그리드 구조의 어디에서나 날카로운 끝 부분이 없어야 한다. 개별 성분들은 둥글고, 평평하거나 또는 높은 종횡비(aspect-ratio)를 갖는 타원 형태일 수 있다. 모든 끝단은 완전한 반경형(fully radiused)이어야 한다. 여기서 "완전한 반경형"은 논의되는 끝단이 그 물체의 두께의 절반과 같은 반경을 가짐을 의미한다.

이러한 설계 법칙의 실제적 수행은 그리드의 크기에 의해 결정된다. 그리드는 하나의 조각으로부터, 또는 어느 한 끝단(130, 132)에, 아크(arc)를 방지하기 위한 적절한 절연기(136, 140) 그리고 그리드 구조의 장력을 유지하는 수단과 함께 제공되는, 링(ring)을 놓음으로써 한정되는 일련의 개별 요소로부터 제작될 수 있다. 우선 실시예에서, 각 그리드 요소는 무거운 스프링(146), 와셔(washer, 148) 그리고 너트(150)의 형태로 된 장력 유지 수단과 함께 제공된다. 다양한 그리드 요소 중에서 너트는 모든 요소들 균일한 장력을 갖도록 토크 렌치 (torque wrench)로 조인다.

그리드의 입력단으로 연결되는 위상 정합 네트워크(134, 136))를 이용하여 그리드는 전기적으로 연결된다. 위상 정합 네트워크는 정확히 같은 길이(+/- 0.0005°즉 +/- 12 미크론의 허용 오차)를 갖는 일련의 전선들(134)로 구성된다. 이 위상 정합 네트워크의 각 전선은 두 개의 인접한 그리드 요소로부터 같은 거리의 지점에서 아래의 그리드 지지 링(132)으로 연결된다. 다수의 위상 정합 네트워크 전선들이 그리드 지지 링 주위에 대칭으로 배열되어 있다.

위상 정합 네트워크 전선들의 다른 한 끝은 공통(common) 연결 요소(136)에 연결되어 있다. 이 공통 연결 요소의 한 끝에는 위상 정합 네트워크 전선들의 수만큼의 개구가 형성되어 있고, 다른 편 끝에는 한 개의 개구가 있다. 전선은 이 개구에 붙어서, 그리드 진공 피드스루(feeddthrough)를 관통한다. 전선들은 은납땜(silver soldered)되거나, 텅스텐-불활성 가스(tungsten-inert gas method: TIG)에 의해 용접(welded)된다. TIG 용접은 항상 가능하지는 않으나 선호되는 방법이다.

이러한 위상 정합 네트워크의 목적은 그리드의 모든 베이스들이 제어 신호에 대해 피코(pico) 초의 범위 내에서 정확하게 동시에 반응하도록 하기 위한 것이다. 이렇게 하여 TWEG 구조 내에서 파(wave)가 고도로 대칭적으로 전파될 수 있다. 이것은 접지 전위(grounded potential)의 파이며, 그리드-캐소드 사이의 갭(gap)에 축적된 에너지와 캐소드에서 애노드로 전파하는 에너지는 이러한 신호가 전달되는 결과가 된다. 그리드가 위상 정합 네트워크를 통하여 접지(grounded)되어 있으면, 전자의 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파(radially symmetric collapsing travelling wave of electrons)가 형성되어, TWEG 구조의 길이를 따라서 전파된다.

유체 역학적 불안정성: 원인과 개선

도 6은 아포다이징 필터(apodizing filter)의 동작 원리를 화살표로 표시된 파면의 운동과 함께 보여 준다. 어느 핵융합 시스템의 최적 성능은 연료 타겟 펠릿을 완벽하게 대칭적으로 압축하는 것에 달려 있다. 본 발명의 에너지 드라이버(12)(도 1)는 타겟에 대칭적으로 조사하는(illuminating) 수단을 제공한다. 만일 타겟에 충돌하는 파면(60)이 타겟 펠릿의 반경과 같은 반경을 갖는 오목한(concave) 형상이면, 연료 타겟 펠릿에 거의 완벽하게 대칭적인 압축 파면을 만들 수 있다. 이것이 레일러-테일러의 불안정성을 최소화하는데 필요한 이유이며, 불안정이 심하면, 연료 펠릿이 불균일하게 가열되어 핵융합 반응에서 점화(ignite)되지 않는다. 만일 필요하다면, 압축 파면의 균일성을 증가시키기 위해 추가적인 에너지 드라이버(12)가 대칭 쌍으로 더해질 수 있다. 추가되는 드라이버의 개수는 기하학적인 고려에 의해 결정된다. 만일 6 개가 충분하지 않으면, 다음 단계에서는 12개의 드라이버로, 다음에는 14개, 그 다음에는 20 개와 같이 늘리며, 다른 개수도 가능하다.

도 6의 아포다이징 필터(58)는 광 경로에 위치하며 두께가 변하는 물체로 구성된다. 단면은 타겟의 반경과 두께에서 일치한다. 우선 실시예에서, 이 필터들은 원하는 단면이 되도록 증착되는 박막 물질로 만들어진다. 물질의 선택은 핵융합 연료 조합의 에너지 드라이브 요구에 의해 결정된다. 중수소-삼중수소(deuterium-tritium) 반응의 경우에, 250에서 350 전자볼트 사이에 있으며, 리튬(lithium), 베릴륨(beryllium), 붕소(boron) 또는 탄소(carbon)와 같은 낮은 원자 번호를 갖는 물질들이 이용된다. 수소-붕소의 고에너지 반응에는 이 물질들 또는 마그네슘(magnesium), 알루미늄(aluminum), 실리콘(silicon)과 같은 물질을 쓰기도 한다. 심각한 흡수가 일어나지 않도록 물질의 원자 번호가 너무 크게 않게 하는 것이 중요하다. 아포다이징 필터는 약간의 산란 방사(scatter radiation)를 일으키지만 본 발명에서 이것은 문제되지 않는다.

핵융합 타겟 물질을 압축하는 동안 일어나게 되는 레일러-테일러의 불안정성(RTI)을 최소화하는 것이 핵융합 반응 과정에서 기본적이다. 구형의 타겟 형상에서, 이상적인 압축 파면은 완벽한 대칭성을 가지며 직경이 줄어든 동심의 (concentric) 구형파이다. 그러나 제어된 핵융합 반응을 위한 실제의 장비에서, 이러한 것을 얻기는 매우 어렵다.

회절 광학 기법은 존 플레이트(zone plate)와 같은 요소의 형태로 파면을 바로 잡는데 이용될 수 있다. 존 플레이트는 광학에서는 잘 알려져 있다. 스펙트럼의 소프트 x-선으로의 확장은 간단하며 이미 문헌 등에 보고되어 있다.

직접 x-선 구동 핵융합과 레이저 관성 구속(confinement) 핵융합의 비교

핵융합 반응로 설계자들이 직면하는 도전은 어떻게 핵융합 타겟과 유사한 대칭적 압축을 달성하느냐 하는 것이다. 여러 가지 해답이 수많은 반응로 구조에 시도되었다. 본 논의는 핵융합 타겟 재료로 연료 펠릿을 이용하는 시스템의 특정한 경우에 집중한다. 이러한 종류의 시스템은 관성 구속(inertial confinement, ICF) 시스템으로 알려져 있다. 집합적인 일련의 결합된 동시 발생(synchronous) 에너지 빔(beam)으로서 타겟에 전달되는 드라이버 에너지를 갖는 것은 모든 ICF 시스템에서는 통상적이다. 에너지 빔의 결합된 동시 발생의 파면은 감쇄 구형 쉘에 근접한다. 일반적으로, 더 많은 빔이 이용될수록, 구속이 더 좋아진다(더 구형으로 된다). 이것은 레이저 구동되는 핵융합 영역(가장 성공적 시스템이 가장 많은 수의 빔을 갖는)에서 가장 명확히 알 수 있다. 노바(NOVA) 레이저와 같은 시스템은 50 개 이상의 빔을 가진다. 로렌스 리버모어 연구소(Lawrence Livermore NAtional Laboratory : LLNL)의 새로운 국립 점화 시설(National Ignition Facility : NIF)은 192 개의 동시 발생 빔을 가지며, NOVA(LLNL), OMEGA(LLNL) 및 GEKKO(일본)의 시스템보다 현격히 좋아진 구속(confinement)이 기대된다.

관성 구속(ICF)의 기본 원리는 다음과 같다.

(1) 구속 시간

(2) 연소한 부분, 그리고

(3) 타겟 압축 내파(implosion)의 필요

전형적인 직접 구동 ICF 타겟의 내파 과정은 대략 초기 단계(initial phase), 가속 단계(accelaration phase) 그리고 감속 단계(deceleration phase)의 세 단계로 나누어진다(본 발명에서는 직접 구동 시스템을 이용한다). 초기 단계에서 제 1 충격파(shock wave)는 연료 펠릿 내를 진행하고, 펠릿 내의 유체는 주로 충격파에 의해 가속된다. 바깥의(제거하기 쉬운) 쉘은 제거하기 쉽도록 제 2단계에서 내부로 가속된다. 그러면, 연료는 감속 단계에서 무겁게 압축된다. 초기 단계에서, 타겟 표면에서 섭동(perturbation)은 레이저 불균일 방사에 의한 초기 자국(initial imprint)에 의해 원래의 타겟 표면 거칠기(roughness)를 따라서 도입된다. 이러한 섭동은 충격이 연료 펠릿의 내부 표면을 깨기 전에 잔물결이(rippled) 있는 충격 전파를 수반하며, 더 나아가 잔물결이 있는 희박한 상태(rarefaction)의 전파를 수반한다. 제 2(가속) 단계에서의 RTI에 기인한 외부 표면 위에서의 섭동은 내부 표면 위를 관통한다(나카이 참조).

언급한 NIF에서, 192 개의 레이저 빔은 1.8메가 주울(Joule)의 에너지를 생산하고 500 테가 와트(Watt)의 전력을 소모한다. 이중, 30 킬로 주울은 결국 x-선으로서 타겟 연료 펠릿 내에서 중수소-삼중수소 연료 속으로 전달된다. 점화 및 성공적인 연소로써, 연료는 투입된 것보다 600에서 1000배 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 이것은 1 제곱 센티미터당 거의 1000 테라 와트의 강한 x-선 흐름(flux)을 만들어 낸다.

NIF 설비에서 다수의 빔은 언급했던 NOVA 장비가 했던 것보다 균일한 x-선 장(field)에 더 근접해서 레이저가 조사되도록 한다. 그럼에도 불구하고, 레이저 빔에 의해 직접 가열되는 과열점(hot spot)과 레이저 개구를 통해 열이 손실되는 냉각점(cold spot) 때문에 기본적 비대칭이 아직 존재한다. 점화(ignition)가 펠릿의 평탄한 x-선 조사에 의존하므로, 타겟 설계자들은 x-선 흐름 내에서 레이저 가열된 과열점을 적절히 위치시키고, 펠릿을 포함하는 hahlraum의 정확한 길이를 조절하고, 레이저 펄스의 강도를 변경함으로써 비대칭을 1% 이하로 줄이고자 한다. Hahlraum은 여기서 주장하는 직접 x-선 드라이브 시스템과는 대조적으로, 간접 드라이브 시스템과 함께 이용된다.

레이저 구동 ICF의 메커니즘은, 레이저광을 소프트 x-선으로 변환하는 hohlraum 실린더 벽에서 흡수될 광을 전제로 한다. Hahlraum은 금(gold)과 같이 원자 번호가 큰 물질로 만들어지며, x-선의 생산을 극대화한다. 이러한 x-선은 hahlraum의 벽으로 확산되어 들어가는 방사 구동 열파(radiation driven thermal wave)를 만드는 벽(wall)에 의해서 빠르게 흡수되고 재방사된다. x-선의 대부분은 결국 벽으로 들어가 손실되며, 일부는 레이저 입구에서 빠져나오고, 나머지는 hahlraum의 중심에 있는 타겟 펠릿에 의하여 흡수되어 내파가 일어나도록 구동한다. 일반적으로 펠릿으로의 결합은 전체 에너지의 1/2 이하이며, 발전소 크기의 레이저 가열된 hahlraum에 대하여 0.2이다. 그러므로, 간접 구동에 대한 결합은 직접 구동에 비하여 상대적으로 좋지 않다(Rosen 참조).

펠릿으로 결합하는 에너지에 있어서 간접 구동은 hahlraum에서 x-선으로 변환되기 때문에 직접 구동보다 덜 효율적이다. 그러나, 간접 구동은 광강도의 변화와 유체 역학적 불안정성에 대해 덜 민감하다. 간접 구동 및 직접 구동 타겟의 점화 임계값(threshold)은 거의 동일하다. 그러나, 이득(gain)은 직접 구동 타겟에서 약 2배 더 큰 것으로 계산되었다.

x-선 온도의 선택은 아주 중요하다. 왜냐하면 그 온도는 내파와 이어지는 점화 반응에서 키가 되는 펠릿의 외곽 융제제(ablator) 층을 형성하는 물질에 영향을 주기 때문이다. 만일 이 층이 충분히 평탄하고 x-선으로 균일하게 감싸진다면, 그 융제(ablation)는 펠릿이 초당 대략 400km의 속력(광속의 1/1000 이상)으로 효율적으로 내부로 들어가게 하고, 핵융합 반응이 시작되는데 요구되는 압력과 온도를 만들어 낸다(Haan 참조).

레일러-테일러 불안정을 최소화하는데 있어 핵심 의제들 중 하나는 용제제 표면과 상호작용하는 x-선 흐름에 관한 것이다. 더 많은 흐름에서, 물질의 용제는 또한 성장하는 섭동을 얻는다. 초기 섭동은 또한 펠릿 층을 가능한 한 평탄하게 함으로써 최소화된다. 레이저-플라즈마 불안정 및 유체 역학적 불안정성은 점화에 대한 상보적 위협이며, 따라서 타겟은 이 두 개의 위협이 대략 균형잡히도록 의도적으로 설계된다. 더 높은 레이저 광강도를 요구하는 높은 온도는 레이저-플라즈마 불안정성을 더욱 악화시키나 유체 역학적 불안정성을 최소화한다. 이번에는, 낮은 온도는 레이저-플라즈마 불안정성을 최소화하며 유체 역학적 불안정성을 증가시킨다. 결과로서, 설계자들은 낮은 그리고 높은 x-선 온도의 경계를 찾아내었는데, 중수소-삼중수소 연료라는 특정한 경우에 대하여 대략 250 내지 350 전자 볼트이며, 이 이외의 범위에서는 효율적인 내파 및 점화를 얻기 어렵다(최적 조건. 다른 연료들은 더 높은 에너지가 요구된다).

레이저에 의해 직접 구동되는 내파 동역학과 x-선에 의해 구동되는 내파 동역학 간의 기본적인 차이는, 레이저는 그 레이저 파장에 대하여 임계 전자 밀도에 대응하는 상대적으로 낮은 전자 밀도 n에서 흡수하는 것인데 반해, x-선은, x-선의 흐름에 의해 이온화될 때 아주 높은 전자 밀도인 고체 밀도에서 타겟 내로 더 깊이 흡수된다는 것이다. 그러므로 레이저가 1/3 밀리미터 광이라 할지라도, 일반적인 x-선 흡수 영역은 거의 100배 더 큰 전자 밀도를 갖는다.

열핵 반응의(thermonuclear) 연소가 일어나기에 충분한 불활성 구속 조건을 달성하려면, 내파된 연료 펠릿이 고밀도, 고온이 될 때까지 압축되어야 한다. 로렌스 리버모어 연구소(LLNL)에서는, 내파(implosion)에 영향을 주도록, 에너지를 펠릿에 주기 위한 드라이버가 요구된다. 로렌스 리버모어 연구소(LLNL)에서의 ICF를 위해 현재 3 개의 드라이버가 고려되고 있다.

(1) 고출력(high powered) 레이저

(2) 가속된 무거운 이온, 그리고

(3) 진동하는(pulsed) 동력 기계로부터 나온 x-선

용제의 속력을 r V_abl 5dml 로 형성한다. V_abl에서 전체 자릿수 차이가 직접 및 간접 구동 사이에 있기를 기대한다. 직접 구동은, 전체적으로 더 좋은 커플링 덕분에[효율 (0.8)(0.1)= 8% 대 간접 구동 (0.2)(0.2)= 4%], 이득 및 더 작은 드라이버라는 점에서, 간접 구동보다 유리한 점이 있다. 그러나 RT 불안정성이라는 문제에 직면해 있다(Barnes 참조)

압력, P, 은 nT'αn¹ ^/3I² ^/3과 같이 조정된다. 이러한 조정에 의해 직접 및 간접 구동 간에 압력에 있어서 대략 5배 차이를 기대한다. 그리고 실제로 제곱미터 당 10¹⁵ 와트의 동일한 에너지 흐름에서 1/3 밀리미터 광은 대략 90MB의 압력을 갖는다. 반면에 x-선은 약 400MB의 용제 영역 압력을 만들어낸다. 더 높은 결합 효율을 갖도록 결합된 직접 x-선의 구동으로 얻을 수 있는 더 높은 압력이 더 바람직하다. 대규모 실험에서 직접 x-선 구동이 지금까지 채택되지 않는 이유 중 하나는 알맞는 드라이버를 구할 수 없었음에 있다.

ICF에 대한 조건들을 달성하기 위해, 타겟은 저밀도(1 mg/cm³이하)의 중수소와 삼중수소 가스의 동일몰(equimolar) 혼합체로 채워진 구형의 쉘을 갖는다. 구형 쉘은 외부의 용제제 그리고 결빙된 또는 액체 중수소의 내부 영역으로 구성된다. 드라이버로부터의 에너지는 가열되어 팽창하는 용제제(ablator)로 전달된다. 용제제가 팽창함에 따라, 쉘의 나머지는 안으로 운동량이 보존되도록 한다. 펠릿은 구형의 용제 구동 로켓처럼 움직인다. 펠릿이 내파됨에 따라, 압축파 (compression wave)는 중앙 영역을 가열한다. 전자 전도와 방사 손실은 중앙 영역을 냉각되게 한다. 30-40:1의 연료 집중비 및 10K 전자 볼트의 중앙 연료 온도가 요구되어, 중수소의 열핵 반응 연소로부터의 알파 입자 증착(deposition)은 전도와 방사 손실을 극복할 수 있으며 자기 지속(self-sustaining) 연소파(burn wave)가 생성된다.

비대칭 내파(implosion)는 가용 에너지보다 더 적은 에너지를 압력으로 변환한다. 연료 압축의 최고점(peak)에서 대칭에 있어서 25%의 변위가 허용되는 그러한 가용한 에너지를 가정하자, 그러면 미리 압축된 펠릿에서 대칭에 있어서 1%보다 더 작은 변위가 받아들일 수 있다(Barnes 참조).

전술한 논의는 타겟 내파 물리의 역학, 직접 및 간접 구동 체계에서의 상대적인 효율과 교환(trade-off), 그리고 Rayleigh-Taylor 유체 역학적 불안정성에 의한 충격을 설명하였다. 선행 작업은 RTI의 효과를 최소화하는 레이저 조사의 균일성 향상에 초점을 맞추었다. 일단 연료 펠릿이 점화되면, 직접 및 간접 구동 드라이브 핵융합 시스템 간에는 어떠한 차이도 없다.

레이저는 가장 많이 보급된 고 에너지 구동 소스이므로, 가장 많이 연구되어져 왔다. 무거운 이온 빔은 레이저 구동 시스템보다 덜 효율적인 시스템을 제외하고 줄곧 이용되어 왔다. 연구의 작은 일부는 직접 x-선 구동을 이용하여 수행되었다. 대부분은 Z-pinch나 또는 플라즈마 집중 드라이버를 이용하여 이루어졌다. 실제의 직접 구동 x-선 핵융합 과정에 대하여 이 시스템의 신뢰성 및 효율성 실험은 진행되지 않았다.

미국 특허 4,723,263의 여기 x-선 방사기(stimulated x-ray emitter, SXE)는 드라이버와 RTI 문제를 해결하는데 유일하게 적합하다. 이 시스템은 핵융합 반응을 구동하는데 필요한 규모를 효율적으로 산정한다. 만일 핵융합 반응을 구동하는데 필요한 것으로서 x-선 흐름 30 킬로 주울의 NIF 값을 취한다면, 이에 따르는 SXE 시스템의 규모를 어림잡을 수 있다.

만일 6 개의 드라이버를 이용한다면, 각 드라이버는 단지 5 킬로 주울만 생산하면 된다. 12 개 드라이버는 2.5 킬로 주울, 그리고 20 개 드라이버는 1.5 킬로 주울로 조정된다. 아래에는 예를 들어 2.5 킬로 주울 SXE 드라이버를 생산하기 위해 무엇이 필요한가를 보여 준다.

SXE에 대한 예전의 연구는 10%의 변환 효율을 가짐을 보여 주었다. 그러므로, 2.5 킬로 주울의 출력을 달성하려면, 드라이버당 25 킬로 주울의 DC 입력이 요구된다. 우리가 1 피트(30.48센티미터) 직경의 SXE를 500킬로 볼트에서 동작시킨다고 가정하면, 드라이버의 리니어 피트 당 대략 3.5 킬로 주울을 얻는다. 더 나아가 우리가 20 나노 초의 x-선 펄스를 얻고자 한다면, 이것은 20 피트(6.1 미터) 길이의 SXE가 필요함을 의미한다. 20 피트(6.1 미터) 길이의 SXE는 7 킬로 주울의 x-선 출력을 낼 수 있다. 따라서 이 드라이버는 6 개 드라이버의 구성으로 이용될 수 있다. 20 피트 드라이버는 3,600 제곱 피트(335 제곱 미터) "면적"의 조밀한 시스템을 만들고, 한 변이 60 피트인 입방체(216,000 세제곱 피트 또는 6,116 세제곱 미터)가 된다. 이러한 시스템은 항공모함, 주요 군함, 또는 해상 발전소 등과 같은 해상 용도에 이용하기에 충분히 작고 경제적이다.

이것은 RTI 문제를 고려할 때를 제외하면 아주 매력적이다. SXE는 출력 펄스로서 명목상 평면 파면을 만든다. 6 개 드라이버의 구성에서, RTI는 반응이 성공적으로 일어나지 못하도록 할 것이라는 것은 명확하다.

그러나 만일 우리가 적은 효율 손실을 감수한다면, 상기 도 6과 관련하여 논의 하였듯이, x-선 빔에 아포다이징 필터를 집어 넣을 수 있다. 여기서 이용된 "아포다이징 필터(apodizing filter)"는 제어된 감쇠기능으로 에지(edge)에서 보다 중앙에서 더 밀도가 높은 투과성을 갖는 유사(quasi) 광부품을 의미한다. 이것은 파면의 모양을 제어하기 위해 광 밴드 레이저와 함께 정기적으로 이용되는 아포다이징 필터의 등가 x-선이다. SXE에 대한 필터는 오목한 파면을 만들도록 제작된다. 오목한 파면의 대칭적 조합은 압축 파면의 균일도를 증가시켜 주므로 RTI를 억제하는데 매우 유리하다. 12개, 14개, 20개 또는 그 이상으로 구성된 드라이버를 이용하면, 압축 파면의 균일성을 더욱 증가시킬 수 있게 된다. 아포다이징 필터를 이용하면 요구되는 드라이버의 이용 개수를 최소화할 수 있어서, 전체 비용과 시스템의 복잡성을 낮추고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이러한 개념은 광으로 구동하는 핵융합 시스템에도 마찬가지로 확장할 수 있다. 그러나, 주어진 직접 x-선 구동의 이점에 대하여, 특히 공정시에 반응 그룹의 빠르기를 고려할 때, 광 구동 시스템을 이용하면 성능은 향상되지만, x-선 구동의 이점에 미치지 못한다.

아포다이징 필터로서 밀도가 변하는 물체의 이용을 우선 실시예에서 고려하였지만, 소프트 x-선 밴드에서는 아포다이징 필터의 구성에 회절 광학 기법(diffractive optical techniques)을 이용할 수도 있다. 회절 광학의 전형적인 형태는 존 플레이트이다. 이 장치는 파면을 변경하는데 프레넬 존(Fresnel zone)을 이용한다. 이러한 회절 필터는 밀도 변화형 아포다이징 필터보다 훨씬 제작하기 어렵다.

SXE의 에너지 저장 개선

도 7은 구조에 직접 집적되는 에너지 저장 커패시터(capacitor)(70)의 이용으로 개선된 SXE 드라이버의 투시도를 보여준다. 제어된 핵융합 반응과 관련한 가장 어려운 난제 중 하나는 짧은 시간 내에 반응에 충분한 에너지를 공급하는 것이다. 수 나노 초 동안에 30 킬로 주울 정도의 x-선 에너지를 공급해야 한다. 전기는 거의 광속으로 진행하고, 이것은 1 나노 초에 1 피트를 가는 것과 같다, 에너지를 공급할 수 있는 시간은 겨우 수 나노 초뿐인 상황에서, 에너지 저장 수단은 에너지 공급 수단에 근접해야 함은 명백하다.

이러한 문제는 도 4에 보인 SXE 드라이버의 설계에서, 도 7에서 보인 것처럼 동축 커패시터를 SXE의 외부 표면에 추가함으로써, 해결된다. SXE의 외부 표면은 캐소드(68)의 외부 표면이다, 따라서 연결시에 매우 큰, 낮은 유도계수(inductance)를 얻을 수 있다. 커패시터의 전체 내부 표면은 캐소드에 전기적 접촉이 잘 되도록 접착되어 있다. 또한 커패시터는 반응에 필요한 에너지를 저장에 요구되는 정전용량을 갖기 위해 SXE 드라이버 주위에 감겨 있게 된다.

캐소드-그리드 간 간격은 그 자체로 커패시터이며, 상당량의 에너지가 저장된다. 3 인치 직경 구조는 대략 피트 당 200 피코(pico) 패럿(farad)을 저장한다. 2 피트 직경의 장치는 피트 당 대략 1.6 나노 패럿을 저장하며, 만일 500,000 볼트로 구동되면 캐소드-그리드 사이에 약 4 킬로 주울의 에너지가 저장된다. 그러므로 동축(coaxial) 커패시터는 핵융합 반응의 요구를 만족하기 위해 1 킬로 주울을 더 가져야 한다. 본 발명에서 우선되는 형태로 이와 같이 개선된 저장 장치를 포함하는 이유는 대규모의 상업용 발전을 하기 위해서이다. 만일 "빠른 핵융합(fast fusion)" 반응이 고려된다면 더 짧은 길이의 에너지 드라이버(12)가 이용될 수도 있다. x-선 펄스 폭과 에너지 간의 균형(trade-off)은 이러한 개선 필요성의 가능성을 높여 준다.

전자 결합 변압기

도 8은 전자 결합 변환기의 단면도를 나타낸다. 전자 결합 변압기(ECT)는 SXE의 신규한 전자 튜브의 유도체이다. ECT는 펄스 증폭 장치이다. 이것은 SXE와 같이 동일한 형식의 전자총 즉, 캐소드(38) 및 그리드(66)를 이용한다. 차이점으로는 애노드(64)의 설계 및 배치가 있다.

SXE에 있어서, 애노드은 둥근형상의 중공이며 레이저 물질로 채워져 있다. 입력단(도 8에서 좌측 하부)은 항상 접지에 연결되어 있다. 본 발명의 발명자는 기본 SXE 구조가 "선형가산-변압기"로 알려진 고속 변압기의 등급과 매우 유사함을 깨달았다. 이 장치에 있어서, 2차 회로로서 일단은 접지에 부착되고 타단은 고압 출력단에 부착된 "줄기부(stalk)"가 있다. 일련의 환상 2차 회로는 줄기부에 적층된다. 이들은 순차 펄스화되어, 펄스 간의 시간이 줄기부 펄스의 전파시간과 동일하다. 각 2차 회로의 펄스는 2차로 에너지(전압)로 추가된다.

자기 선형 가산 변압기의 단점으로는 환상 1차 회로가 침윤되며, 너무 많은 펄스로 구동될 경우에 자계와 충돌하는 것이다. 이것은 이러한 타입의 변압기로부터 추출할 수 있는 에너지의 양을 제한한다.

본 발명의 발명자는 선형 가산-변압기와 SXE 간에는 상당한 유사성이 있음을 깨달았다. 양자는 "줄기부"에 통합된다. 양자는 순차 구동 기구를 이용하지만, SXE는 그의 냉간 캐소드의 큰 전류 처리 용량으로 인해서 훨씬 큰 전류 처리 용량을 갖는다. 초기의 SXE 실험에 있어서, 애노드의 양단은 접지되어 아무런 고전압이 관찰되지 않았다. 실험은 SXE의 버전이 단지 일단만 접지되고 타단은 상당히 절연되어 구축된 2006년 말에 실행되었다. 이 테스트에는 고체 애노드(도 8의 64)가 이용되었다. 펄스는 캐소드에 인가하였고, 애노드 출력을 측정하였다. 선형 가산 전압기와 ECT 간의 최종 차이는 선형 가산-변압기에 있어서, 1차 회로가 분리된 별개의 실체라는데 있다. 결과적으로 펄스는 "계단식" 최선단을 갖는다. ECT는, 그의 바람직한 실시예에 있어서, 연속적인 1차 회로(캐소드)를 가짐으로써, 그의 펄스에 대해 원활한 최선단을 갖는다. ECT는 자기 코어의 부족으로 인해서 선형 가산기 보다 훨씬 가볍다. 100KV 100KA ECT는 200파운드(90.7Kg) 덜 나간다.

도 9는 상술한 테스트의 결과를 나타낸다. 입력 펄스(86)와 출력 펄스(84)는 고속 오실로스코프 상에서 동일한 전압 분할기로 측정하였다. 출력 펄스는 입력 펄스보다 몇배 더 크며, 그로 인해 ECT의 작동적인 개념을 변화시킨다.

ECT의 거대한 에너지 처리 용량은 전원 공급장치에 대한 몇 가지 옵션을 제공한다. 기본적으로 다음을 선택한다:

(1) 각 전원 공급장치에서 높은 정밀도의 지연 발생기의 이용에 의해 동기화되는 각 드라이버(12)(얼마나 많이 이용하는지는 문제시되지 않음)용 개별 독립형 전원 공급장치(도 3의 34, 38);

(2) 양측의 동기화를 위한 단일 지연 발생기를 가지며, 총 드라이버(12) 수의 각 절반의 하나인 2개의 대형 전원 공급장치(도 3의 34, 38),

드라이버(12)의 동기화를 보증하기 위해서 전송선(36) 길이를 제어하는 위상 정합 네트워크(도 5a-c의 134, 136)와 유사한 네트워크에 의해서 분배되는 고(高)전압;

(3) 전체 시스템을 구동하기 위한 단일 대형 전원 공급장치(34, 38). 고전압은 드라이버(12)의 동기화를 보증하기 위해서 전송선(36) 길이를 제어하는 위상 정합 네트워크(134, 136)와 유사한 네트워크에 의해서 분배된다.

이론적으로 가능하다면, 상술한 #3의 설계는 기하학 및 안전상의 이유로 인해서 실용적이지 않다. 고전압 전송선(도 3의 36)은 매우 길며, 아크 방전에 대한 끊임없는 위험이 있다.

상술한 #2의 설계는 보다 실용적이지만, 여전히 긴 전송선(도 3의 36)을 구비한다. 그러나 이것은 감소된 시스템 복잡도 및 그로 인한 보다 높은 신뢰성의 장점을 갖는다. ECT 및 펄스 변조기(38)는 설계에 의해 부과된 부하를 처리한다.

상술한 #1의 설계는 가장 복잡하지만, 어떤 방식에서는 실행이 가장 용이하다. 각 드라이버(12)용 개별 전원 공급장치(34, 38)는 "최적의 크기"를 갖는다. 전원 공급장치(34, 38)로부터 드라이버(12)까지의 고전압 전송선(36)은 상당히 짧으며, 바람직하다. 각 전원 공급장치(34, 38)는 그의 자체 지연 발생기에 의해서 제어되며, 모든 드라이버(12)가 일시적인 동기화를 가져오는 튜닝 프로세스를 필요로 한다.

주목할 점은 기계적인 수단에 의해서 드라이버(12)를 동기화하는 것이 가능하다는 것이다. 이 경우에, 고전압 입력선(36)의 물리적인 길이는 드라이버(12)의 일시적인 동기화를 달성하기 위해 소량(수 인치 또는 수 밀리미터) 조절 가능하다.

도 8을 참조하면, ECT가 SXE(도 4)의 형태와 거의 동일하지만, 치수, 애노드, 및 출력은 다르다는 것을 알 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, ECT는 Glass Vaccum Envelope(유리 진공 밀폐체)(76)에 의해 감싸져 있다. 출력단에는 튼튼한 고전압 절연체(80)가 있는데, 이것은 외부에 일정한 임피던스 전기 접속을 제공한다. 그리드 및 캐소드 신호는 각각, 관통접속단자(74, 72)를 통해 공급된다. 전체 장치는 형성되는 횡방향 방사장을 포함하는 리드 방사 차폐체(78)에 감싸져 있다. 차폐체(78)의 두께는 캐소드 전압의 기능을 하며, 방사 안전 차폐의 결정을 위한 통상적인 수단에 의해 계산한다.

양자 모두 "SXE의 에너지 저장 향상" 에서 상술한 동축 커패시터 에너지 향상 방식을 이용하여 실현 가능하며 실용적임을 주목해야 한다.

결합 SXE & RF 에너지 드라이버

도 10은 RF 발생수단에 결합된 SXE를 나타내고, 도 11은 RF 발생수단을 나타낸다. 특히, 가상 캐소드 오실레이터(버캐토르)로 일반적으로 알려진 분리관이 도 11에서 SXE의 출력단(우측에 도시) 상에 장착된다. 이 구성에 있어서, SXE 프로세서에 의해서 생성되어 가상 캐소드 오실레이터의 캐소드(90)에 직접 인가되는 고전압 펄스를 이용하는 전자 결합 변압기(ECT) 원리의 이점을 취하였다. 가상 캐소드 오실레이터 몸체는 캐소드의 방전(firing)시에 발진하는 공명 공동(98)을 형성한다. 그리드(92)는 가상 캐소드 오실레이터의 방전을 제어한다. 제어 신호는 SXE의 그리드의 출력단자(142)로부터 얻어지는데, 이것은 위상 정합 네트워크의 타단에 위치한다. 트리거 펄스는 SXE 그리드의 순회파 작용의 결과로서 가상 캐소드 오실레이터에 순차적으로 가해진다. 캐소드 및 그리드는 그들의 중앙에 x선 펄스를 전파하는 개구를 갖는다.

상술한 시스템의 신규성은 그들 스스로 알려진 2가지 기술, 즉 직접 x선 구동 및 RF 가열의 결합에 있으며, 그로 인해 증가된 시스템 효율을 실현할 수 있다. 이 개념은 SXE가 이것의 이용여부에 관계없이 고전압 DC 펄스를 생성하기 때문에 실용적이다. 그러나, RF 히터를 채용하지 않으면, SXE 출력은 접지되며, 아무런 고전압 DC 펄스는 발생하지 않는다. 다음에 전기 에너지는 접지로 복귀하는 전류 펄스 형태로 시스템을 떠난다. 그러나, HVDC 펄스를 이용할 수 있기 때문에, 이것의 이용을 가능케 하며, 이것는 x선 출력에 영향을 주지 않는 것을 이용하므로 실용적이다.

도 11은 가상 캐소드 오실레이터 RF 헤드의 단면도를 나타낸다. 원리적인 구성요소는 캐소드(90), 그리드(92), 메쉬 애노드(94), 공명 공동(98), 및 출력 윈도우(96)이다. 구동 펄스는 SXE(12)의 애노드으로부터 직접 나오는데, 이것은 캐소드 접속관통단자(102)를 통해서 가상 캐소드 오실레이터의 캐소드에 직접 부착된다. 가상 캐소드 오실레이터는 SXE 그리드(142)로부터의 출력 신호에 의해 트리거된다. 가상 캐소드 오실레이터가 트리거되면, RF 에너지의 일부는 공명 공동(98) 내의 발진에 의해서 형성된다. 이 에너지는 공동(98)의 치수에 의해 결정되는 스펙트럼 분포를 갖는다. 특히, 이 에너지는 200㎒ 내지 2.5㎓ 사이이다. 에너지는 가상 캐소드 오실레이터를 빠져나와 출력 윈도우(96)에 의해 목표 챔버(10)로 들어간다. 가상 캐소드 오실레이터는 시스템의 작동 성능을 증가시키기 위해 SXE(12)에 결합될 수 있는 RF 소스의 한 가지 타입니다. 가상 캐소드 오실레이터의 캐소드(90)은 SXE로부터의 x선 펄스가 목표 챔버(10) 내로 통과하는 개구부(93)를 그의 중앙에 갖는다.

도 12는 SXE의 출력단(우측에 도시)에서 자기적으로 절연된 선형 오실레이터(MILO)와 결합된 SXE의 단면도를 나타낸다. MILO는 고전압 RF소스로도 잘 알려져 있다. 커다란 차이는 가상 캐소드 오실레이터보다 훨씬 높은 주파수를 생성할 수 있는데 있다. 구조적으로, 주요한 차이는 도 14a의 드리프트 튜브(drift tube)(14a의 122)를 포함하고, 가상 캐소드 오실레이터의 평탄 캐소드(90) 및 그리드(92) 대신에 순회파 전자총(TWEG)의 이용하는데 있다. 공명 공동(98)을 구비하며, 드리프트 튜브(14a의 122)의 치수와 관련한 그의 치수는 출력 범위를 결정한다. 통상적인 MILO 장치는 300㎒ 내지 3.5㎓ 사이의 출력을 갖는다. 본 발명의 발명자는 도 14b에 도시한 바와 같이, 드리프트 튜브(14a의 122)의 내부면 상에 접촉면을 위치시킴으로써 실험적으로 변형시켰으며, 이것은 매끄러운 개구의 드리프트 튜브(122)로부터 얻을 수 있는 것보다 높은 주파수에서 RF를 발생하는 것이 가능하다. 이 RF의 소스는 접촉면(123)과 관련 전자 빔의 상호작용으로 기술되는 Smith-Purcell 효과로 인한 것이다. THz 범위에서의 출력이 가능하다. 접촉면은 여러 가지 방법으로 형성할 수 있다. 공간, 대면각 및 접촉 기하학은 모두 얻어진 주파수(도 14b)에서 결정된다. 드리프트 튜브의 바람직한 실시예에 있어서, 접촉은 도 14a 및 14b에 도시한 바와 같이, 내부 나사에 의해 결정된다. 나사의 인자를 변경함으로써, 출력 주파수는 변경된다. 드리프트 튜브(125) 단부의 반경은 공명 공동(98) 내부의 바람직하지 않은 전기장 섭동의 형성을 최소화하도록 형성된다.

SXE-MILO 드라이버의 밸런스는 SXE-가상 캐소드 오실레이터의 밸런스와 동일하다. 실제로, RF 헤드 가상 캐소드 오실레이터 및 MILO는 상호 교환가능하다. SXE-가상 캐소드 오실레이터의 경우에서와 같이, MILO의 TWEG는 x선이 지나는 중공 중심공을 갖는다. TWEG로부터의 전자 출력은 드리프트 튜브(122)에 의해 압축되며, 공명 공동(98)에서 발진한다.

핵융합 전력 시스템 효율

SXE 기반 핵융합 전력 시스템은 다른 모든 핵융합 전력 시스템보다 실질적으로 높은 효율을 갖는다. 이것은 다음의 2가지 요인에 의한 것이다;

(1) 직접 x선 구동은 어떤 간접 방법보다 본질적으로 효율적이다;

(2) 에너지 추출을 위한 다수의 수단.

핵융합 프로세스의 기본적인 효율 결정이 어떻게 이루어지는지를 고찰해보자. 핵융합 반응을 초기화하는데 필요한 에너지의 양을 우선 고찰한다.

W=드라이버에 대한 전력 입력, (NIF=400테라와트; SXE=50메가와트)

X=x선 발생에 필요한 에너지(NIF=1.5메가주울; SXE=50킬로주울)

Y=반응로 구동에 필요한 x선의 양(양 케이스 공히 25킬로주울)

Z=핵융합의 전체 에너지 출력, (양 케이스 공히 1000배 입력 에너지)

T=반응 연소 시간(양 케이스 공히, 5㎐ 반복율=200밀리초)로 놓는다.

이제 다음의 식을 만들 수 있다: X>Y, 및 실용화를 위한 시스템에 대해, Z>>X.

NIF의 경우에, (D-T 반응에 대해서) X=1.5 메가주울이고, Y=25킬로주울이다. NIF에서의 연구에 따르면, 연료 펠릿의 완전 연소는 "이것(목표물)이 놓여지는 에너지 양의 약 600 내지 1000배"를 만든다. Haan 박사는 그가 레이저 전력 입력 또는 x선 입력을 의미하는지의 여부를 우리에게 얘기하지 않았다. 그가 1.5메가주울의 레이저 전력 입력을 언급한다면, 이것은 약 1.5기가주울의 출력에 대해서 논의하게 된다. 그가 x선 입력에 대해서 언급한다면, 25킬로주울은 25메가주울의 출력을 만들 것이다.

NIF 한계선 설계는 초당 5펠릿의 펠릿 주입율이라 부르며, 이는 플라즈마의 유용한 수명이 200밀리초라는 가정을 합리화할 수 있다.

NIF 시스템은 이것을 달성하기 위해 약 400테라와트의 전력(4×1012와트)을 필요로 한다. 25킬로주울의 실제 x-선 입력, 및 25메가주울의 출력을 이용하면, 출력값 시간에서 연소시간은 5메가와트와 같다. 5메가와트를 만들기 위해 400테라와트를 소비하는 시스템은 0.00015%의 효율을 갖는다. x선 입력 전력 대신에 배율기로서 레이저에 대해 입력 전력을 이용하면, 입력은 단지 약 250기가와트이다. 어떤 경우에든, 대량 입력 전력 요구(400테라와트)와 비교하면, NIF가 프로세스 내에서 하나의 스텝만이 있으며, 이익도 손해도 없는 조건을 달성하는 시스템이 아님이 명백하다.

이제 NIF의 상술한 분석으로서 동일한 D-T 반응 및 연료 펠릿을 이용하는 SXE 기반 시스템을 고찰하자. 우리는 D-T 핵융합 반응이 200밀리초의 기간동안 펠릿당 2.5×10⁸와트(250기가와트)를 생산하는 것을 앞서 보였다. SXE 드라이버 시스템은 25메가주울을 소비하는데, 이는 200밀리초 기간동안에 (2.5×10⁸)×(2×10^-1)=5×10⁷와트 또는 500메가와트의 일을 한다. 동일한 250기가와트를 생산하기 위해 500메가와트를 소비하는 시스템은 500%의 효율(출력/입력=효율)을 갖는다. 이제 랭킨 사이클 손실을 고려함과 아울러 250%의 효율을 달성한다.

삭제

상술한 계산은 본 발명의 바람직한 실시예의 가장 중요한 특징의 하나를 고려하지 않았다. SXE 드라이버의 기동을 위해서 고전압 DC의 직접 추출을 동시에 이용하였는데, 이 드라이버는 고전압 DC로 기동된다. 직접 추출 프로세서는 약 85%의 변동 효율을 갖는다. 이것은 500메가와트(75메가와트)의 15%가 전력 그리드에 대한 추력을 위해서 이용할 수 있는 249기가와트 이상으로 출력되는 터미널 출력으로부터 인출되는 것을 의미한다. 이 특징은 시스템의 치수가 100피트(30.5미터)를 갖는 어떤 배 위에서 이것의 결합을 충분히 허용하도록 소형이므로, 실제 해상용 SXE 시스템의 이용을 가능케 한다. 이 분석은 또한 본원에 기술된 한계선 설계가 이익도 손해도 없는 조건을 넘을 수 있는 것을 보인다.

대체 에너지 드라이버

본 발명은 SXE의 이용 및 핵융합 반응을 개시하기 위해 에너지를 공급하는 x선 소스로서의 그의 유도체로 한정되지 않는다. 플라즈마 포커스 장치로 알려진 종래의 장치가 있다. 이것은 SXE와는 상이한 구조를 갖는 전자 튜브이다. 이것은 직접 구동 핵융합 용도에 필요한 에너지 레벨의 강력한 x선 폭발을 일으킬 수 있다. 이것은 핵융합 드라이버로서 이용하기 위한 SXE보다 덜 바람직하게 만드는 몇 가지 단점을 갖는다.

플라즈마 포커스는 SXE와 같은 x선의 조준 빔을 만들지 않는다. 이것은 목표물 상에 에너지의 초점을 만들 필요가 있어 바람직하지 않다. SXE는 정확한 반경의 주준 빔을 만든다. 플라즈마 포커스는 2차원으로 만곡되는 축외 반사기를 필요로 한다. 이 반사기는 빔을 조준하거나 이것을 목표 펠릿 상의 초점에 가져오는데 이용할 수 있다. 빔의 질은 유용한 형상으로 파면을 교정하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아포다이징 필터(Apodizing Filter)의 이용을 필요로 하는 정도이다.

플라즈마 포커스는 SXE와 같은 동시 고전압 DC 출력 펄스를 만들지 않는다. 이것은 외부에서의 가열이나 압축 기술이 별도의 전원 공급장치를 필요로 하며, 핵융합 반응의 전체 효율을 크게 저하시키는 것을 의미하는 단점이 있다(Gai 참조).

도면 참조번호

다음의 도면 참조번호 리스트는 3개의 칼럼을 갖는다. 제 1칼럼은 도면 참조번호를 포함하고; 제 2칼럼은 참조번호와 관련된 부품을 특정하며; 제 3칼럼은 부품에 대한 (적용가능한) 바람직한 물질을 언급한다.

참조번호 리스트 바람직한 물질

10 목표 챔버 스테인리스 스틸

12 SXE x선 드라이버(6곳) 다수

14 에너지 추출 콘(6곳) 다수

16 목표 펠릿 주입기 다수

18 열 냉각제 입구 스테인리스 스틸

20 열 냉각제 출구 스테인리스 스틸

22 목표 펠릿 위치 n/a

24 냉각제 통로층 n/a

28 라이너 내화금속

30 자기 차폐 코일 구리

32 자기 차폐 드라이브 n/a

34 펄스 변조기 전자재료

36 SXE 드라이버용 HV DC 전자재료

38 에너지 저장 & 전력 조절 전자재료

40 기동&가동 전력 전자재료

42 전자 결합 변압기 다수

44 HV DC 에너지 공급장치 전자재료

46 DC 추출기 그리드 내화금속

48 에너지 저장용 HV DC 리사이클 n/a

56 평면파 x선

58 아포다이징 필터 다수의 저급 Z 물질

60 교정 파면 x선

62 쇠퇴 순회파 전자재료

64 애노드 내화금속; Hi-Z

66 그리드 내화금속

68 캐소드 흑연(바람직한 실시예)

70 동축 커패시터 유전체/금속층

72 캐소드 관통공급 세라믹&금속

74 그리드 관통공급 세라믹&금속

76 유리 진공 밀폐체 유리(세라믹. 스테인리스 스틸)

78 방열 차폐체 납

80 애노드 출력 절연체 세라믹

84 ECT 입력 파형 n/a

86 ECT 출력 파형 n/a

90 버캐토르 캐소드 흑연

92 버캐토르 그리드 내화금속

93 버캐토르 캐소드 내의 개구부 n/a

94 애노드 메쉬 내화금속

96 출력 윈도우 RF 투명 저급-Z 세라믹

98 공명 원형 공동 스테인리스 스틸 또는 구리

100 장착 플랜지 스테인리스 스틸

102 캐소드 관통공급 세라믹&금속

104 캐소드 서포트 내화금속

106 그리그 관통공급 세라믹&금속

108 그리드 서포트 내화금속

110 게터 펌프 n/a

112 게터 펌프 관통공급 세라믹&금속

114 MILO 캐소드 흑연

116 MILO 캐소드 서포트 내화금속

118 MILO 그리드 내화금속

120 MILO 그리드 서포트 내화금속

122 드리프트 튜브 내화금속

124 드리프트 튜브 서포트 세라믹

125 드리프트 튜브와 방사단 내화금속

126 내부 애노드 절연체 세라믹

128 그리드 절연체 세라믹

130 상부 그리드 지지링 스테인리스 스틸

132 하부 그리드 지지링 스테인리스 스틸

134 위상 정합 네트워크 선 스테인리스 스틸

136 위상 정합 네트워크 커넥터 스테인리스 스틸

138 내부 애노드 절연체 세라믹

140 위상 정합 네트워크단 절연체 세라믹

142 그리드 출력단자 내화금속

144 그리드 관통공급용 와이어 세라믹&금속

146 그리드 인장 스프링 스테인리스 스틸

148 와셔 스테인리스 스틸

150 헥스 너트 스테인리스 스틸

152 위상 정합 네트워크 절연체 세라믹

인용 참조 문헌

다음의 참조 문헌은 명세서 내에 축약 형태로 언급된다. 가령, 저자 "Nakai"에 대한 축약 참조 문헌은 다음과 같이 주어진다.

(나카이 문헌)

"On Target Designing for Ignition", Steven Haan, Lawrence Livermore, Science & Technology Review, July/August, 1999

"The Physics Issues That Determine lnertial Confinement Fusion Target Gain and Driver Requirements: A Tutorial", Mordecai D. Rosen, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550 12 November 1998, Physics of Plasmas, Vol. 6, No. 5. "Convergent Hydrodynamics of lnertial Confinement Fusion Implosions", C. W. Barnes, LLNL Physics Division 132 Progress Report 1997-1998

"Fundamental E[Xi]xperiments on Hydrodynamic Instability in Direct Drive Laser Fusion at Gekko XII", M. Nakai, Institute of Laser Engineering, University of Osaka, Japan.

"Production of Fast Neutron with a Plasma Focus Device", Moshe Gai, Laboratory for Nuclear Science at Avery Point, University of Connecticut, 5 May 2006

고전압 DC 에너지와 열 에너지 모두가 추출되는 핵융합 전력 시스템을 상술하였다. 일 실시예에서, 추출한 고전압 DC 에너지는 제어된 핵융합 반응을 지속하는 에너지원으로서 이용할 수 있다. 목표 연료 펠릿 상에 맺힌 구동 에너지의 초점에서의 높은 수력학 안정성은 연료 펠릿에 도달하는 구동 에너지 파면을 형성하기 위해 아포다이징 필터의 이용과 함께 실현할 수 있다.

본 발명은 도면의 도시를 통해 특정 실시예에 대해서 기술하였으나, 많은 수정예 및 변경예가 당업자에게 가능할 것이다. 따라서, 첨부한 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 및 사상을 벗어나지 않는 범위내에 있는 한 그러한 모든 수정예 및 변경예를 포함하도록 의도되어 있음을 이해해야 한다.

Claims

관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템에 있어서,
a) 관성 구속 핵융합 타겟 재료를, 구형의 핵융합 타겟 펠릿의 형태로 수용하기 위한 중앙 타겟 챔버;
상기 중앙 타겟 챔버는 챔버 벽에 의해 경계가 정해지고;
b) 핵융합 타겟 펠릿의 주위에 대칭 쌍으로 중앙 타겟 챔버의 외부 주위에 배치되고, 상기 핵융합 타겟 펠릿의 주위에 3차원 대칭적, 직접 구동 방식으로 배치되는 다수의 에너지 드라이버;
c) 다수의 에너지 드라이버가,
상기 챔버 벽의 외부에서 x-선 펄스들을 발생시키고,
발생된 x-선 펄스들을 상기 타겟 챔버내로 방출하고,
방출된 x-선 펄스들을 결합된 동시 발생 x-선 펄스들로서 상기 타겟 챔버내로 직접 인가하도록,
상기 다수의 에너지 드라이버를 제어하기 위한 수단;
동시 발생 x-선 펄스들의 각각은 다수의 에너지 드라이버의 각각으로부터의 하나의 x-선 펄스를 포함하며;
d) 상기 핵융합 타겟 펠릿으로부터 방출되는 핵융합 반응 에너지를 추출하기 위한 다수의 수단을 포함하며,
핵융합 반응 에너지를 추출하기 위한 다수의 수단은,
i) 상기 핵융합 타겟 펠릿을 수반하는 핵융합 반응 에너지로부터 고전압 DC 에너지를 추출하는 수단; 및
ⅱ) 상기 중앙 타겟 챔버로부터 열 에너지를 추출하는 수단을 포함하고;
e) 다수의 에너지 드라이버의 각각은 x-선 소스를 포함하며, 각각의 x-선 소스는,
i) 원통형 3극진공관 전자 튜브를 포함하고,
각각의 3극진공관 전자 튜브는 튜브의 중심축에 따른 중공(hollow)의 중앙 애노드를 포함하고,
각각의 3극진공관 전자 튜브는 상기 중공의 중앙 애노드로부터 방사상으로 이격된 그리드 및 캐소드를 포함하며,
ⅱ) 상기 캐소드 및 그리드는, 그리드가 접지될 때, 트랜스버스 전기 모드(transverse electric mode)에서 접지 전위의 파를 생성하는 원형 도파관(waveguide) 전자총을 형성하고,
상기 접지 전위의 파는 원형 도파관 전자총의 선형 축(linear axis)을 따라 광속으로 전파되고;
상기 캐소드 및 그리드는, 그리드가 접지될 때, 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파가 형성되도록 구성되고;
방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파는, 원형 도파관 전자총의 선형 축을 따라 전파되고,
상기 애노드를 따라 광속으로 스위핑되고,
전자가 상기 애노드의 벽을 관통하고 브렘스트랄룽(Bremsstrahlung) 영역 및 전자를 야기할 수 있는 에너지를 가지며,
브렘스트랄룽 영역은 광속으로 상기 애노드의 내부 중공(hollow) 공간을 따라 파면으로서 스위핑되며,
ⅲ) 상기 애노드의 내부 중공 공간은 스위핑된 브렘스트랄룽 영역에 의해 완전히 이온화되는 레이저 매체(lasing medium)로 채워지며;
ⅳ) 스위핑된 브렘스트랄룽 영역의 에너지는 적어도 캐소드와 그리드의 분포된 전극간 정전용량 내에 포함된 에너지에 의해 직선형으로 펌핑되는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
다수의 에너지 드라이버의 각각은,
a) 핵융합 타겟 펠릿으로부터 핵융합 반응 에너지의 방출을 야기하기 위한 X-선 펄스; 및
b) 핵융합 타겟 펠릿을 가열하는 RF 에너지를 둘다 생성하는,
단일의 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
a) 상기 핵융합 타겟 재료에 대해 오목하게 되도록 각각의 X-선 펄스의 파면(wavefront)을 정형하기 위해, 다수의 에너지 드라이버의 각각에 결합되는 각각의 아포다이징(apodizing) 구조체를 더 포함하며;
b) 상기 아포다이징 구조체는,
i) X-선 펄스의 방향을 따라 두께가 변하는 고체 물체를 포함하는 아포다이징 필터; 또는
ii) 회절 광학 요소 중 어느 하나로 형성되고,
상기 아포다이징 필터의 두께는 상기 파면의 가장자리 근처보다 X-선 펄스의 파면의 중앙 근처에서 더 큰 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제2항에 있어서,
a) 상기 핵융합 타겟 재료에 대해 오목하게 되도록 각각의 X-선 펄스의 파면을 정형하기 위해, 다수의 에너지 드라이버의 각각에 결합되는 각각의 아포다이징 구조체를 더 포함하며,
b) 상기 아포다이징 구조체는,
i) X-선 펄스의 방향을 따라 두께가 변하는 고체 물체를 포함하는 아포다이징 필터; 또는
ⅱ) 회절 광학 요소 중 하나로 형성되고,
상기 아포다이징 필터의 두께는 상기 파면의 가장자리 근처보다 X-선 펄스의 파면의 중앙 근처에서 더 큰 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 에너지 드라이버는 에너지 저장 수단에 의해 전력을 공급받고; 상기 에너지 저장 수단은,
a) 기동(start-up) 및 보충(make-up) 전력을 제공하는 제1 전원 공급장치; 및
b) 상기 핵융합 반응 에너지로부터 추출된 고전압 DC 에너지로부터 에너지를 유도하는 제2 전원 공급장치로부터 전력을 수신하되,
c) 상기 기동 전력은 상기 핵융합 반응 에너지의 방출을 시작하기 위해 요구되는 총 에너지이고, 상기 보충 전력은 상기 핵융합 반응 에너지의 방출을 유지하기 위하여 상기 제2 전원 공급장치로부터의 에너지에 추가되는 에너지인 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
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제1항에 있어서,
캐소드의 외부 표면상에 동심원으로(concentrically) 감겨진 동축 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
a) 상기 X-선 소스는 또한 상기 애노드의 출력 단에서 고압 펄스를 생성하고;
b) 상기 고압 펄스는, X-선 펄스와 일치하는 RF 에너지의 위상 코히어런트 버스트(coherent burst)를 생성하기 위하여 공명 공동(resonant cavity) 및 상기 X-선 소스의 애노드의 출력단에 부착된 전자총으로 이루어지는 RF 발생 수단에 의해 핵융합 타겟 재료를 가열하기 위한 RF 가열 펄스를 생성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1 전원 공급장치는 상기 제2 전원 공급장치에 의해 발생된 전력과 호환가능하고, 그에 추가되는, 입력펄스의 증폭된 고압 출력 펄스를 발생시키기 위하여 전자 결합 변압기(electron-couple transformer)를 이용하는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
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제11항에 있어서,
다수의 에너지 드라이버의 각각에서의 RF 발생 수단은 전자총의 캐소드내에 중앙 개구부(central aperture)를 갖는 가상 캐소드 오실레이터를 포함하며, 상기 중앙 개구부는 X-선 펄스가 상기 가상 캐소드 오실레이터의 전자총의 캐소드를 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제11항에 있어서,
상기 다수의 에너지 드라이버 각각에서 RF 발생 수단은, X-선 펄스가 상기 가상 캐소드 오실레이터의 전자총의 캐소드를 통과하도록 허용하는 전자총의 캐소드내의 중앙 개구부를 갖는, 자기적으로 절연된 선형 오실레이터를 형성하는 원통형 드리프트(drift) 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 RF 발생 수단은, 상기 에너지 드라이버의 내부 상호연결 요소에 의한 X-선 펄스의 개시(onset) 이후에 자동적으로 연속하여 트리거(triggered)되는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 타겟 챔버는, 플라즈마가 상기 타켓 챔버 내의 가장 안쪽 표면 구조의 가장 안쪽 표면에 접촉하지 못하도록 하는 펄스된 자기 구속(pulsed magnetic confinement) 코일을 포함하고,
상기 코일은 상기 다수의 에너지 드라이버에 고전압 DC 전력을 공급하는 펄스 변조기의 출력과 동조되는 펄스 변조기의 출력에 응답하는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
모든 다수의 에너지 드라이버는 타겟 챔버의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 방법에 있어서,
a) 관성 구속 핵융합 타겟 재료를, 구형의 핵융합 타겟 펠릿의 형태로 수용하기 위한 중앙 타겟 챔버를 제공하는 단계;
상기 중앙 타겟 챔버는 챔버 벽에 의해 경계가 정해지고;
b) 핵융합 타겟 펠릿의 주위에 대칭 쌍으로 중앙 타겟 챔버의 외부 주위에 그리고 상기 핵융합 타겟 펠릿의 주위에 3차원 대칭적, 직접 구동 방식으로 다수의 에너지 드라이버를 배치하는 단계;
c) 다수의 에너지 드라이버가,
상기 챔버 벽의 외부에서 x-선 펄스들을 발생시키고,
발생된 x-선 펄스들을 상기 타겟 챔버내로 방출하고,
방출된 x-선 펄스들을 결합된 동시 발생 x-선 펄스들로서 상기 타겟 챔버내로 직접 인가하도록,
상기 다수의 에너지 드라이버를 제어하는 단계;
동시 발생 x-선 펄스들의 각각은 다수의 에너지 드라이버의 각각으로부터의 하나의 x-선 펄스를 포함하며;
d) 상기 핵융합 타겟 펠릿으로부터 방출되는 핵융합 반응 에너지를 추출하기 위한 다수의 수단을 제공하는 단계,
핵융합 반응 에너지를 추출하기 위한 다수의 수단을 제공하는 단계는,
i) 상기 핵융합 타겟 펠릿을 수반하는 핵융합 반응 에너지로부터 고전압 DC 에너지를 추출하는 수단을 제공하는 단계; 및
ⅱ) 상기 중앙 타겟 챔버로부터 열 에너지를 추출하는 수단을 제공하는 단계를 포함하고;
e) 다수의 에너지 드라이버의 각각은 x-선 소스를 포함하며, 각각의 x-선 소스는,
i) 원통형 3극진공관 전자 튜브를 포함하고,
각각의 3극진공관 전자 튜브는 튜브의 중심축에 따른 중공(hollow)의 중앙 애노드를 포함하고,
각각의 3극진공관 전자 튜브는 상기 중공의 중앙 애노드로부터 방사상으로 이격된 그리드 및 캐소드를 포함하며,
ⅱ) 상기 캐소드 및 그리드는, 그리드가 접지될 때, 트랜스버스 전기 모드(transverse electric mode)에서 접지 전위의 파를 생성하는 원형 도파관(waveguide) 전자총을 형성하고,
상기 접지 전위의 파는 원형 도파관 전자총의 선형 축(linear axis)을 따라 광속으로 전파되고;
상기 캐소드 및 그리드는, 그리드가 접지될 때, 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파가 형성되도록 구성되고;
방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파는, 원형 도파관 전자총의 선형 축을 따라 전파되고,
상기 애노드를 따라 광속으로 스위핑되고,
전자가 상기 애노드의 벽을 관통하고 브렘스트랄룽(Bremsstrahlung) 영역 및 전자를 야기할 수 있는 에너지를 가지며,
브렘스트랄룽 영역은 광속으로 상기 애노드의 내부 중공(hollow) 공간을 따라 파면으로서 스위핑되며,
ⅲ) 상기 애노드의 내부 중공 공간은 스위핑된 브렘스트랄룽 영역에 의해 완전히 이온화되는 레이저 매체(lasing medium)로 채워지며;
d) 스위핑된 브렘스트랄룽 영역의 에너지는 적어도 캐소드와 그리드의 분산 전극간 정전용량 내에 포함된 에너지에 의해 직선형으로 펌핑되는 것을 특징으로 하는 관성 구속 핵융합 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 시스템.
제21항에 있어서,
a) 다수의 에너지 드라이버의 각각은 핵융합 타겟 재료가 상기 관성 구속 핵융합 반응을 거치도록 X-선 펄스를 생성하고;
b) 상기 방법은 회절광학요소 또는 X-선 펄스의 방향을 따라 두께가 변하는 고체 물체를 포함하는 아포다이징 필터 중 하나로서 형성된 아포다이징 구조체에 의해 상기 핵융합 타겟 재료의 양상으로부터 오목하게 되도록 X-선 펄스의 파면을 정형하고, 상기 아포다이징 필터의 두께는 상기 파면의 가장자리 근처보다 X-선 펄스의 파면 중앙 근처에서 더 큰 것을 특징으로 하는 구속 핵융합의 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 방법.
제22항에 있어서,
상기 아포다이징 구조체는 X-선 펄스의 방향을 따라 두께가 변하는 고체 물체(solid object)를 포함하는 상기 아포다이징 필터에 의해 형성되며; 상기 아포다이징 필터의 두께는 상기 파면의 가장자리 근처보다 X-선 펄스의 파면 중앙 근처에서 더 큰 것을 특징으로 하는 구속 핵융합의 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 방법.
제22항에 있어서,
상기 핵융합 타겟 재료의 양상으로부터 오목하게 되도록 X-선 펄스의 파면 정형(reshaping)은 X-선 펄스의 방향을 따라 두께가 변하는 고체 물체를 포함하는 상기 아포다이징 필터에 의해 형성된 아포다이징 구조체를 이용하며; 상기 아포다이징 필터의 두께는 상기 파면의 가장자리 근처보다 X-선 펄스의 파면 중앙 근처에서 더 큰 것을 특징으로 하는 구속 핵융합의 타겟 재료에 동시 발생 x-선 펄스들을 인가하기 위한 방법.
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