KR101697248B1 - Antenna with Improved Structures in Faraday Shields for Fusion Plasmas Heating and Current Drive - Google Patents

Antenna with Improved Structures in Faraday Shields for Fusion Plasmas Heating and Current Drive Download PDF

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KR101697248B1 KR1020150184912A KR20150184912A KR101697248B1 KR 101697248 B1 KR101697248 B1 KR 101697248B1 KR 1020150184912 A KR1020150184912 A KR 1020150184912A KR 20150184912 A KR20150184912 A KR 20150184912A KR 101697248 B1 KR101697248 B1 KR 101697248B1
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위현호
왕선정
김해진
이병제
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한국기초과학지원연구원
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Abstract

The present invention provides an antenna for heating nuclear fusion plasma and driving a current, which includes an antenna base part on which a cavity which is upwardly opened is formed, a plurality of strap bars which are fixed to one side of an inner wall of the cavity of the antenna base part and are formed with a bar shape in parallel, and a Faraday shield which is separated from the plurality of strap bars and is formed by being covered in an opening part of the cavity which is opened. The Faraday shield includes a plurality of Faraday bars which are formed in parallel and an antenna opening part which is composed of a slot which is an empty space between the plurality of Faraday bars. The Faraday bar and the slot are formed to cross the strap bar in a non-contact manner. Accordingly, the present invention can provide the antenna for heating nuclear fusion plasma and driving a current with a simple structure and high efficiency.

Description

개선된 페러데이 쉴드 구조를 갖는 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나 {Antenna with Improved Structures in Faraday Shields for Fusion Plasmas Heating and Current Drive}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fusion plasma heating and current driving antenna having an improved Faraday shield structure,

본 발명은 개선된 페러데이 쉴드 구조를 갖는 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a fusion plasma heating and current driving antenna having an improved Faraday shield structure.

핵융합 반응을 이용하여 전기를 생산하는 연구는 에너지 위기에 직면해 있는 인류의 핵심 연구과제 중의 하나이다. 이를 위해서 연속 운전이 가능한 연소 플라즈마 구현이 핵심 연구 주제이다. 연소 플라즈마구현에 있어서 자기 점화조건을 만족하기 위해서는 오믹(ohmic) 가열만으로는 플라즈마의 온도를 충분히 올리기에는 물리적으로 한계가 있기 때문에 보조 가열 장치가 필요하다. 보조 가열 방법에는 중성자 빔 입사 방식과 RF(Radio Frequency)를 이용하는 방법이 있다. 이들 중 RF 방식을 이용한 방법이 연속 운전을 위해서 적합하기 때문에 그 연구의 중요성이 부각되고 있다.Research to produce electricity using nuclear fusion reaction is one of the core research projects of mankind facing the energy crisis. For this purpose, the implementation of combustion plasma capable of continuous operation is the main research topic. In order to satisfy the self-ignition condition in the combustion plasma implementation, the auxiliary heating device is required because ohmic heating only physically limits the temperature of the plasma sufficiently. In the auxiliary heating method, neutron beam incidence method and RF (Radio Frequency) method are used. Among them, the RF method is suitable for continuous operation, and therefore the importance of the research is emphasized.

RF 가열장치는 핵융합 플라즈마 내에 존재하는 전자의 회전 운동과 공명하는 주파수를 가진 마이크로파를 입사해 전자를 선택적으로 가열하고 운동에너지를 전달하여 전류를 발생시키는 장치로서, 전 세계 대부분의 토카막(Tokamak)형 핵융합 장치에서 플라즈마 가열을 위해 사용되고 있다.The RF heating device is a device that generates a current by injecting a microwave having a frequency resonating with the rotational motion of electrons present in the fusion plasma to selectively heat the electrons and transfer the kinetic energy, And is being used for plasma heating in fusion devices.

RF를 이용한 가열 및 전류 구동 방법은 RF 에너지를 플라즈마로 최종적으로 입사 시키는 안테나가 중요한 설계 요소이다. 안테나의 형태 및 편파는 플라즈마를 가열하는 방법에 따라 분류되게 된다. 안테나의 형태는 공진 형 안테나인 공명 루프 안테나와 도파관 형태의 안테나 등이 많이 사용되고, 진행파형 안테나인 콤라인(combline) 형태의 안테나도 사용되고 있다. 플라즈마를 가열하는 방법에 따라 고속파(fast wave) 와 저속파(slow wave)로 구분할 수 있고, 이는 안테나에서 입사되는 편파와 연관되어 있기 때문에 안테나 설계 시에 중요한 고려 요소가 된다.The heating and current driving method using RF is an important design element for an antenna which finally inputs RF energy into a plasma. The shape and polarization of the antenna are classified according to the method of heating the plasma. A resonant loop antenna, a resonant loop antenna and a waveguide type antenna are widely used, and a combline type antenna, which is a progressive wave antenna, is also used. Depending on the method of heating the plasma, it can be divided into a fast wave and a slow wave, which is an important factor in designing an antenna since it is related to the polarization incident on the antenna.

이중 고속파 가열 및 전류구동(fast wave heating and current drive)을 하는 ICRF/FWCD 방식과 High harmonics UHF ICRF(Helicons) 방식의 경우는 고속파(fast wave)를 이용한 가열 및 전류 구동을 하며, 저속파(slow wave)에 의한 가열(heating)을 최소화하기 위하여 Et(toroidal) 방향의 전계(Electric field) 성분을 저감시킬 수 있는 페러데이 쉴드(FS : Faraday Shield)를 안테나 전면부에 사용한다. In the case of the ICRF / FWCD method and the high harmonic UHF ICRF (Helicons) method, in which a fast wave heating and current drive is performed, heating and current driving are performed using a fast wave, (FS) (Faraday Shield), which can reduce the electric field component in the direction of E t (toroidal), is used in the front part of the antenna to minimize the heating by the slow wave.

토카막형 핵융합로에서 초고온의 핵융합 플라즈마를 밀폐시키기 위해 토로이달(toroidal) 코일과 폴로이달(poloidal) 코일을 사용하게 되는데, 상기 Et(toroidal) 방향이란 토로이달(toroidal) 코일 방향, 즉 도넛 형태의 토카막형 핵융합로의 도넛 원방향 성분을 의미한다.A toroidal coil and a poloidal coil are used to close an ultra-high temperature fusion plasma in a tokamak fusion reactor. The E t (toroidal) direction is a direction of a toroidal coil, that is, Means a donut circle direction component of the tokamak fusion reactor of the present invention.

도 1을 참조하면, 종래의 RF 가열장치는 RF 전원장치(20, RF Generator), 핵융합로(40)의 내부로 RF 조사하는 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(10) 및 RF 전원장치(20)로부터 상기 안테나(10)로 RF를 전송하기 위한 도파관(11, 12) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a conventional RF heating apparatus includes an RF power source 20, a fusion plasma heating and current driving antenna 10 for RF-irradiating the inside of the fusion reactor 40, and an RF power source 20 And a waveguide 11, 12 for transmitting RF from the antenna 10 to the antenna 10.

도 2를 참조하면, 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(300)는 복수의 스트랩 바(320, strap bar)를 구비할 수 있으며, 토로이달(toroidal) 방향의 전계성분(Et) 을 저감시키기 위하여 페러데이 쉴드(330)가 상기 스트랩 바에 이격 되어 형성될 수 있다.2, a conventional fusion plasma heating and current driving antenna 300 may include a plurality of strap bars 320, and the electric field component E t in the toroidal direction may be formed by a plurality of strap bars 320, The ferrode shield 330 may be spaced apart from the strap bar.

종래의 페러데이 쉴드(330)는 도 2와 같이 각각의 스트랩 바마다 "ㄷ"자 형상의 페러데이 쉴드(330)가 별개로 설치되어 RF 중 Et (toroidal) 방향 성분을 저감시키고 있었는데, 그 구조가 복잡하고 자계(magnetic field) 방향으로 불연속점이 있기 때문에 RF 가열 효율이 낮은 문제점이 있었다.As shown in FIG. 2, the conventional Faraday shield 330 has a "C" shaped separate Faraday shield 330 for each of the strap bars to reduce the component of the RF in the E t (toroidal) direction. There is a disadvantage in that the RF heating efficiency is low due to the complexity and discontinuous points in the magnetic field direction.

미국 등록특허번호 제5,289,509호U.S. Patent No. 5,289,509

본 발명은 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나에서 제기되는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나에 사용되는 페러데이 쉴드의 구조를 개선하여, 보다 단순한 구조를 가짐으로써 설계 마진을 높일 수 있고, 보다 효율적인 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-described problems and disadvantages of the conventional fusion plasma heating and current driving antenna, and it is an object of the present invention to improve the structure of the Faraday shield used in the fusion plasma heating and current driving antenna, Structure, thereby increasing the design margin and providing a more efficient fusion plasma heating and current driving antenna.

본 발명의 상기 목적은 상방으로 개구된 캐비티가 형성된 안테나 기부, 상기 안테나 기부의 캐비티 내벽의 일측면에 고정되어 형성되되, 바 형상으로 나란하게 형성된 복수의 스트랩 바 및 상기 복수의 스트랩 바에 이격되고, 상기 개구된 캐비티의 개구부에 복개되어 형성되는 페러데이 쉴드를 포함하되, 상기 페러데이 쉴드는 나란하게 형성된 복수의 페러데이 바 및 상기 복수의 페러데이 바 사이의 빈 공간인 슬랏(slot)으로 구성된 안테나 개구부를 포함하고, 상기 페러데이 바는 상기 스트랩 바와 비접촉 교차하도록 형성된 것인 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나가 제공됨으로써 달성된다.The above objects of the present invention are achieved by an antenna device comprising an antenna base having an upwardly opened cavity, a plurality of strap bars fixed to one side surface of a cavity inner wall of the antenna base, the strap bars being spaced apart from each other, The Faraday shield includes a plurality of Faraday bars formed in parallel and antenna openings formed of slots that are empty spaces between the plurality of Faraday bars, And the ferrule bar is formed so as to non-contact cross the strap bar.

이때, 상기 페러데이 쉴드의 페러데이 바는 상기 복수의 스트랩 바와 직교하도록 형성된 것일 수 있고, 상기 페러데이 바와 수평방향 성분인 토로이달(toroidal) 방향 간의 사이각(θ)이 예각으로 형성된 것일 수도 있다.At this time, the Faraday bar of the Faraday shield may be formed to be orthogonal to the plurality of strap bars, and the angle (θ) between the Faraday bar and the toroidal direction as a horizontal component may be formed at an acute angle.

또한, 상기 페러데이 바의 내부는 중공 구조로 형성되고, 상기 중공구조를 통하여 냉각수가 공급되는 것일 수 있으며, 상기 안테나 개구부는 핵융합로 내부를 향하도록 형성된 것일 수 있다.In addition, the inside of the ferrari bar may be formed of a hollow structure, cooling water may be supplied through the hollow structure, and the antenna opening may be formed to face the inside of the fusion reactor.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나는 단일 선로의 페러데이 쉴드를 구현함으로써 구조가 단순하고, 종래의 페러데이 쉴드와는 달리 자계(magnetic field) 방향으로 불연속점이 없기 때문에 RF(Radio Frequency) 가열 효율을 증가시킬 수 있으며, 페러데이 쉴드와 스트랩 바 사이의 간격을 조절할 수 있다.As described above, the fusion plasma heating and current driving antenna according to the present invention has a simple structure due to the implementation of a single-line Faraday shield, and unlike the conventional Faraday shield, there is no discontinuity in the magnetic field direction It is possible to increase the RF (Radio Frequency) heating efficiency, and to adjust the distance between the Faraday shield and the strap bar.

또한, 페러데이 쉴드와 스트랩 바 사이의 간격을 종래의 경우보다 더 많이 이격할 수 있기 때문에, 보다 높은 파워(power)를 인가할 수 있으며, 토카막내의 자계(magnetic field)의 방향에 따른 페러데이 바와 토로이달(toroidal) 방향과의 사이각(θ) 조절에 있어서 종래의 페러데이 쉴드에 비해 너 넓은 각도로 조절가능하고, 냉각액 라인(water cooling line)의 구현에 있어도 종래의 경우보다 더 효율적이고 단순한 구조로 구현 가능하다.Further, since the gap between the ferrari shield and the strap bar can be spaced more than in the conventional case, a higher power can be applied, and the Faraday bar and the toroidal bar according to the direction of the magnetic field in the tokamak the angle of the angle between the direction of the toroidal and the direction of the toroidal can be adjusted to a wide angle as compared with the conventional Faraday shield and the implementation of the water cooling line is more efficient and simpler than the conventional case It is possible.

도 1은 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 포함하는 RF 가열장치의 개략도.
도 2는 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 외관 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 내부 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 페러데이 쉴드의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 절단 사시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 사시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 각 방향 성분에 따른 전계의 크기를 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 사진.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 설명하기 위한 개념도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 설명하기 위한 개념도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic diagram of an RF heating apparatus including a conventional fusion plasma heating and current driving antenna.
2 is a perspective view of a conventional fusion plasma heating and current driving antenna.
3 is an external perspective view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention;
4 is an internal perspective view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view of a Faraday shield of an antenna for fusion plasma heating and current driving according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a perspective view of a fusion-type plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention. FIG.
7 is a cross-sectional view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention; FIG.
9 is a graph showing the magnitude of an electric field according to each direction component of the fusion plasma heating and current driving antenna according to the embodiment of the present invention.
10 is a photograph of a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention.
11 is a conceptual diagram illustrating a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention. FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. The present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is complete and that those skilled in the art will fully understand the scope of the present invention. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used herein are intended to illustrate the embodiments and are not intended to limit the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is to be understood that the terms 'comprise', and / or 'comprising' as used herein may be used to refer to the presence or absence of one or more other components, steps, operations, and / Or additions.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. The shape of the illustration may be modified by following and / or by tolerance or the like. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are generated according to the manufacturing process. For example, the etched area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

도 2는 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 사시도 이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 외관 사시도 이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 내부 사시도 이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 페러데이 쉴드의 사시도 이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 절단 사시도 이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 단면도 이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 각 방향 성분에 따른 전계의 크기를 보여주는 그래프이다.FIG. 2 is a perspective view of a conventional fusion plasma heating and current driving antenna, FIG. 3 is an external perspective view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a cross- FIG. 5 is a perspective view of a Faraday shield of a fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a perspective view of a Faraday shield of an embodiment of the fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 is a cross-sectional view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a fusion plasma according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a graph showing the magnitude of an electric field according to each direction component of the plasma heating and current driving antenna. FIG.

도 2 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(100)는 상방으로 개구된 캐비티가 형성된 안테나 기부(200), 상기 안테나 기부(200)의 캐비티 내벽의 일측면에 고정되어 형성되되, 바 형상으로 나란하게 형성된 복수의 스트랩 바(210) 및 상기 복수의 스트랩 바(210)에 이격되고, 상기 개구된 캐비티의 개구부에 복개되어 형성되는 페러데이 쉴드(110)를 포함하되, 상기 페러데이 쉴드(110)는 나란하게 형성된 복수의 페러데이 바(130) 및 상기 복수의 페러데이 바(130) 사이의 빈 공간인 슬랏(140, slot)으로 구성된 안테나 개구부(120)를 포함하고, 상기 페러데이 바(130)는 상기 스트랩 바(210)와 비접촉 교차하도록 형성된 것일 수 있다.2 to 9, the fusion plasma heating and current driving antenna 100 according to an embodiment of the present invention includes an antenna base 200 having a cavity opened upward, a cavity of the antenna base 200, A plurality of strap bars 210 fixed to one side surface of the inner wall and formed in parallel to each other in a bar shape and a Faraday shield 210 spaced from the plurality of strap bars 210 and formed in an opening portion of the opened cavity, The Faraday shield 110 includes a plurality of Faraday bars 130 formed in parallel and antenna openings 120 formed of slots 140 that are empty spaces between the plurality of Faraday bars 130. [ And the ferrari bar 130 may be formed so as to be in non-contact with the strap bar 210.

상기 안테나 기부(200)는 SUS(Steel Use Stainless) 등의 스테인레스 강(Stainless steel), 구리, 기타 금속 재질이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The antenna base 200 may be made of stainless steel such as SUS (Steel Use Stainless) or the like, but is not limited thereto.

상기 안테나 기부(200)는 내부에 캐비티(cavity) 공간이 형성되되, 상기 캐비티가 상방으로 개구되어 상기 캐비티 공간의 일면이 외부에 노출되도록 형성될 수 있다.A cavity may be formed in the antenna base 200, and the cavity may be opened upward to expose one side of the cavity.

상기 캐비티 공간의 내벽 일 측면에 상기 복수의 스트랩 바(210)가 형성될 수 있으며, 상기 복수의 스트랩 바(210)는 상기 캐비티 공간의 내벽 일 측면에서 타 측면으로 연신 되도록 형성되되, 상기 타 측면과 접촉되지 않도록 일정 거리(L2) 이격되어 형성될 수 있다.The plurality of strap bars 210 may be formed on one side surface of the inner wall of the cavity space. The plurality of strap bars 210 may extend from one side of the inner wall of the cavity space to the other side, (L2) so as not to be in contact with the substrate.

또한, 상기 복수의 스트랩 바(210)는 상기 캐비티의 바닥면에서 일정 거리 이격되어 형성될 수 있으며, 상기 안테나 기부(200)와 동일한 재질로 형성될 수 있다.The plurality of strap bars 210 may be spaced a predetermined distance from the bottom surface of the cavity, and may be formed of the same material as the antenna base 200.

상기 복수의 스트랩 바(210)는 서로 평행하게 형성될 수 있으며, 상기 복수의 스트랩 바(210) 중에서 최 외곽 쪽에 형성된 스트랩 바는 도 4와 같이 RF 도입부(211) 및 RF 배출부(212)와 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.The plurality of strap bars 210 may be formed parallel to each other, and the strap bar formed at the outermost one of the plurality of strap bars 210 may include an RF introducing portion 211, an RF discharging portion 212, And may be formed to be electrically connected.

상기 RF 도입부(211) 및 RF 배출부(212)를 통하여 RF 전원장치(미도시)에서 인가된 RF가 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(100)에 인가되고 배출될 수 있다.RF applied from an RF power source device (not shown) through the RF introducing part 211 and the RF discharging part 212 is applied to the fusion-type plasma heating and current driving antenna 100 according to an embodiment of the present invention, .

상기 스트랩 바(210)는 상기 도입된 RF를 전송하는 역할을 수행할 수 있으며, 상기 RF 도입부(211) 및 RF 배출부(212)는 도파관이 사용될 수 있다.The strap bar 210 may serve to transmit the introduced RF, and a wave guide may be used for the RF introducing part 211 and the RF discharging part 212.

상기 페러데이 쉴드(110)는 사각형의 판상으로 형성되되, 막대 형상으로 복수개가 나란하게 형성되는 페러데이 바(130)와 상기 페러데이 바(130) 사이의 빈 공간인 슬랏(140, slot)을 포함하는 안테나 개구부(120)를 포함할 수 있다.The Faraday shield 110 is formed in a rectangular plate shape and includes a Faraday bar 130 in which a plurality of rods are formed in parallel and a slot 140 in which a space is provided between the Faraday bar 130 And may include openings 120.

상기 페러데이 쉴드(110)는 상기 안테나 기부(200)의 캐비티의 개방된 쪽으로 장착될 수 있으며, 상기 페러데이 바(130)와 상기 스트랩 바(210)는 서로 접촉하지 않는 상태로 교차하도록 형성될 수 있다.The Faraday shield 110 may be mounted on the open side of the cavity of the antenna base 200 and the Faraday bar 130 and the strap bar 210 may be formed to cross each other without contacting each other .

상기 페러데이 쉴드(110)는 상기 안테나 기부(200) 및 상기 스트랩 바(210)와 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 용접, 볼트 또는 기타 체결수단에 의하여 안테나 기부(200)에 장착될 수 있다.The Faraday shield 110 may be formed of the same material as the antenna base 200 and the strap bar 210 and may be attached to the antenna base 200 by welding, bolt or other fastening means.

상기 페러데이 바(130)는 상기 스트랩 바(210)에 직교하도록 형성될 수 있고, 상기 스트랩 바(210)에서 발생한 RF의 전계 성분 중 Et(toroidal) 방향 성분(도 3의 X, Y, Z 좌표계를 기준으로 Ez)을 저감시킬 수 있으며, 상기 페러데이 바(130)와 상기 슬랏(140, slot)을 포함하는 안테나 개구부(120)는 핵융합로의 내부 방향을 향하도록 설치될 수 있다.The Faraday bar 130 may be formed so as to be orthogonal to the strap bar 210 and may include an E t (toroidal) direction component (X, Y, and Z in FIG. 3) among RF electric field components generated in the strap bar 210 relative to the coordinate system can be reduced to E z), the antenna aperture 120, including the Faraday bar 130 and the slot (140, slot) may be installed to face the inner direction of the nuclear fusion.

즉, 상기 페러데이 바(130)로 인하여 상기 페러데이 바(130)와 평행한 전계 성분인 Et (toroidal) 방향은 저감 되고, 상기 페러데이 바(130)와 수직인 폴로이달(poloidal) 방향의 전계 성분인 Ep (도 3의 X, Y, Z 좌표계를 기준으로 Ey) 성분은 통과하게 된다.That is, the direction of the toroidal field E t , which is parallel to the ferrari bar 130, is reduced due to the ferrari bar 130, and the field component in the poloidal direction perpendicular to the ferrari bar 130 is reduced. of E p (X, y, Z coordinate system, based on the E y in FIG. 3) component will pass through.

따라서, 도 9의 그래프에서 볼 수 있듯이 Ep의 최대치는 90.6[V/m], Et의 최대치는 4.2[V/m]로 Ep/Et = 21.6가 되어 Et (toroidal) 방향 성분을 저감시킬 수 있음을 볼 수 있다.Thus, as can be seen from the graph of Figure 9 of the E p E t (toroidal) direction component can be reduced by setting E p / E t = 21.6 at a maximum value of 90.6 [V / m] and a maximum value of E t of 4.2 [V / m].

상기 페러데이 바(130)는 내부가 중공 구조로 형성되어 상기 중공 구조의 내부로 냉각액이 공급되어 RF 인가시 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.The ferrari bar 130 may have a hollow structure and may cool the heat generated when RF is applied by supplying a cooling liquid into the hollow structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(100)는 도 2의 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(300)와 달리 일체형으로 구성된 페러데이 쉴드(110)를 포함하는데, 상기 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(300)에서 각각의 스트랩 바(320)마다 각각의 페러데이 쉴드(330)가 설치되어 있던 것에 비하면 구조가 매우 단순하고, 이로 인하여 설계 마진을 확보할 수 있다.The fusion-type plasma heating and current driving antenna 100 according to an embodiment of the present invention includes a ferrode shield 110 integrally formed unlike the conventional fusion-plasma heating and current driving antenna 300 of FIG. 2, The structure is very simple as compared with the case where the respective ferrite shields 330 are provided for each of the strap bars 320 in the conventional fusion plasma heating and current driving antenna 300, have.

또한, 단순한 구조로 인하여 페러데이 바(130)에 냉각액을 공급하는 방법 역시 쉽게 구현할 수 있다.Also, the method of supplying the cooling liquid to the ferrode bar 130 due to the simple structure can be easily realized.

이미 언급한 상기 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(100)는 단일 선로의 페러데이 쉴드(110)를 구현함으로써 구조가 단순하고, 종래의 페러데이 쉴드(330)와는 달리 자계(magnetic field) 방향으로 불연속점이 없기 때문에 RF(Radio Frequency) 가열 효율을 증가시킬 수 있으며, 페러데이 쉴드(110)와 스트랩 바(210) 사이의 간격을 조절할 수 있다.The antenna 100 for a fusion plasma heating and current driving according to an embodiment of the present invention has a simple structure by implementing a single line ferardy shield 110 and a conventional ferrite shield 330 It is possible to increase the RF (Radio Frequency) heating efficiency and to adjust the interval between the ferrari shield 110 and the strap bar 210. In addition,

종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 경우는 스트랩 바의 길이가 인가되는 RF 파장의 1/8 정도로 설계되었는데, 스트랩 바의 길이인 L1(도 7)를 짧게 형성할 경우 로딩 커패시턴스(Loading Capacitance) 와 관련되는 L2 길이 역시 짧아져야 한다.In the case of the conventional fusion plasma heating and current driving antenna, the length of the strap bar is designed to be about 1/8 of the RF wavelength applied. When the length L1 of the strap bar (FIG. 7) is shortened, ) Should also be shortened.

이때, 안테나의 운용 주파수는 L1과 L2의 관계에 의해서 결정되는데, 종래와 같이 L1을 파장의 1/8로 할 경우, 요구되는 로딩 커패시턴스(Loading Capacitance)가 커지게 되고, 상기 로딩 커패시턴스(Loading Capacitance)는 도체 사이의 간격에 반비례하고, 면적에 비례하기 때문에, 제한된 면적에서는 L2가 짧아져야 함을 의미한다.At this time, the operating frequency of the antenna is determined by the relationship between L1 and L2. When L1 is 1/8 of the wavelength as in the conventional case, the loading capacitance required is increased, and the loading capacitance ) Is inversely proportional to the spacing between conductors and is proportional to the area, meaning that L2 must be shortened in a limited area.

L2 간격이 줄어들게 되면, 해당 부분에 발생 되는 전계값이 커지기 때문에 이로 인한 최대 전달 가능한 파워가 제한되게 된다.When the L2 interval is reduced, the electric field value generated at the corresponding portion becomes large, which limits the maximum transferable power.

종래에는 이를 극복하기 위하여 추가적으로 L2 길이를 조금 늘여서 부족한 로딩 커패시턴스(Loading Capacitance)는 페러데이 쉴드와 스트랩 바 사이의 커패시턴스로 보상하여 운용 주파수를 맞추는 방식을 사용하였는데, 이로 인하여 페러데이 쉴드가 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나 설계의 종속 변수가 되어 페러데이 쉴드의 구조 변경 및 설계 변경에 어려움이 있었다.Conventionally, in order to overcome this problem, the L2 length is slightly increased to compensate the insufficient loading capacitance by the capacitance between the Faraday shield and the strap bar so that the operating frequency is adjusted. As a result, the Faraday shield is subjected to fusion plasma heating and current It was difficult to change the structure and design of the Faraday shield because it became a dependent variable of the driving antenna design.

그런데 본 발명의 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 경우, L1 길이를 RF 파장의 1/4 수준으로 사용하면, 요구되는 로딩 커패시턴스(Loading Capacitance)가 무시할 정도로 작아지기 때문에 L2 길이를 증가시킬 수 있고, 이에 따라서 페러데이 쉴드와 스트랩 바 사이의 간격이 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나 설계의 독립 변수가 되어 안테나 설계 및 유지 보수가 용이하고 종래의 경우보다 더 많이 이격할 수 있어 안테나에 보다 높은 파워(power)를 인가할 수 있다.However, in the case of the antenna for fusion plasma heating and current driving according to the embodiment of the present invention, when the L1 length is used at 1/4 of the RF wavelength, the loading capacitance required is negligibly small, So that the spacing between the Faraday shield and the strap bar is an independent parameter of the fusion plasma heating and current driving antenna design, which makes it easy to design and maintain the antenna and can be spaced more than in the conventional case, A higher power can be applied.

또한, 토카막내의 자계(magnetic field) 방향에 따른 페러데이 바와 토로이달(toroidal) 방향과의 사이각(θ) 조절에 있어서 종래의 페러데이 쉴드에 비해 더 넓은 각도로 조절 가능하고, 냉각액 라인(water cooling line)의 구현에 있어도 종래의 경우보다 더 효율적이고 단순한 구조로 구현 가능하다.Also, The angle of the angle between the Faraday and the toroidal direction according to the magnetic field direction in the tokamak can be adjusted to a wider angle than that of the conventional Faraday shield, It is possible to realize a more efficient and simple structure than the conventional case.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 사시도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 사진이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 설명하기 위한 개념도이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 8 is a perspective view of a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention, FIG. 10 is a photograph of a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention, FIG. 12 is a conceptual view illustrating a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention. FIG. 12 is a conceptual view illustrating a fusion plasma heating and current driving antenna according to another embodiment of the present invention.

도 8과 도 10 내지 도 12를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나와는 달리 페러데이 바(130)와 수평 방향 성분인 토로이달(toroidal) 방향과의 사이각(θ)이 예각으로 형성될 수 있다.Referring to FIGS. 8 and 10 to 12, the fusion-type plasma heating and current driving antenna 100 according to another embodiment of the present invention is different from the fusion-type plasma heating and current driving antenna according to an embodiment of the present invention The angle? Between the ferrode bar 130 and the toroidal direction as a horizontal component can be formed at an acute angle.

본 명세서에서는 상기 사이각(θ)을 도 11과 도 12에서와 같이 상기 페러데이 바(130)와 토로이달(toroidal) 방향이 이루는 교각 중 작은 각으로 정의하여 사용한다.In the present specification, the angle? Is defined as a small angle of the bridge angle formed by the ferrite bar 130 and the toroidal direction, as shown in FIGS.

도 11과 도 12에서는 사이각(θ)이 상기 페러데이 바(130)와 안테나 개구부(120)의 수평면과 이루는 각으로 표현되어 있으나, 실제로는 핵융합로에서 변치 않는 수평 방향 성분인 토로이달(toroidal) 방향과 페러데이 바(130)가 이루는 각을 사이각(θ)으로 정의한 것이다.11 and 12, the angle θ is expressed by an angle formed by the Faraday bar 130 and the horizontal plane of the antenna opening 120. However, in reality, the toroidal component, which is a horizontal component unchanged from the fusion path, And the angle between the direction and the Faraday bar 130 is defined as an angle &thetas;.

도 8과 도 10에서는 페러데이 바(130)가 정면에서 보기에 좌측에서 우측 방향으로 상향되도록 기울어져 있는데, 도 12와 같이 핵융합로 내부 플라즈마의 자계(Magnetic field) 방향에 따라서는 좌측에서 우측 방향으로 하향되도록 형성될 수도 있다.In FIGS. 8 and 10, the ferrite bar 130 is inclined upward from the left side to the right side as viewed from the front. As shown in FIG. 12, in the direction of the magnetic field of the fusion plasma, Down direction.

실제로, 핵융합로 내부 플라즈마의 자계(Magnetic field)는 토로이달(toroidal) 코일, 폴로이달(poloidal) 코일과 플라즈마 전류에 의하여 결정되는데, 토카막의 토로이달(toroidal) 방향과 완전한 수평 방향을 이루지는 않고, 수평방향 기준으로 다소 상향되거나 하향된 방향을 가지게 된다.In fact, the magnetic field of a plasma inside a fusion reactor is determined by a toroidal coil, a poloidal coil, and a plasma current, which are not perfectly horizontal to the toroidal direction of the tokamak , And has a slightly upward or downward direction with respect to the horizontal direction.

핵융합로에서 고속파(fast wave) 가열 및 전류구동을 하기 위해서는 RF의 전계 성분 중 상기 토카막 내부의 자계(Magnetic field)의 방향과 수직한 성분이 플라즈마 가열시에 주로 기여하기 때문에 상기 자계(Magnetic field) 방향에 수직한 방향으로 RF를 도입시키는 것이 가열 효율에있어서 바람직할 수 있다.In order to perform fast wave heating and current driving in a nuclear fusion reactor, a component perpendicular to the direction of a magnetic field in the tokamak, among RF electric field components, mainly contributes to plasma heating, ) Direction in the direction perpendicular to the direction of the RF power.

그런데 본 실시예의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나(도8, 100)는 페러데이 바(130)와 수평 방향 성분인 토로이달(toroidal) 방향과의 사이각(θ)이 예각으로 형성되는 특징으로 인하여 플라즈마 가열 효율이 높은 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나를 제공할 수 있게 된다.However, due to the fact that the angle (?) Between the Faraday bar 130 and the toroidal direction, which is a horizontal component, is formed at an acute angle in the fusion plasma heating and current driving antenna (Figs. 8 and 100) It becomes possible to provide an antenna for fusion plasma heating and current driving with high plasma heating efficiency.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당 업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시함에 있어서 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당 업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the foregoing is merely illustrative and illustrative of preferred embodiments of the invention, and the invention may be used in various other combinations, modifications and environments. That is, it is possible to change or modify the scope of the concept of the invention disclosed herein, and the scope of the disclosure and equivalents thereof, and / or the skill or knowledge of those skilled in the art. The foregoing embodiments are intended to illustrate the best mode of carrying out the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention to other modes of operation known in the art for using other inventions such as the present invention, Various changes are possible. Accordingly, the foregoing description of the invention is not intended to limit the invention to the precise embodiments disclosed. In addition, the appended claims should be construed to include other embodiments.

10 : 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나
11 : RF 도입방향
12 : RF 배출 방향
20 : RF 전원장치(RF Generator)
30 : RF 순환 장치(Recirculation System)
40 : 토카막형 핵융합로
100 : 본 발명에 따른 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나
110 : 페러데이 쉴드
120 : 안테나 개구부
130 : 페러데이 바
140 : 슬랏(slot)
200 : 안테나 기부
210 : 스트랩 바(strap bar)
211 : RF 도입부(RF input port)
212 : RF 배출부(RF output port)
300 : 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나
310 : 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 기부
320 : 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 스트랩 바
330 : 종래의 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나의 페러데이 쉴드
θ : 페러데이 바와 토로이달(toroidal) 방향 사이의 사이각10: Antennas for Fusion Plasma Heating and Current Drive
11: RF introduction direction
12: RF discharge direction
20: RF power supply (RF generator)
30: RF circulation system (Recirculation System)
40: Tokamak type fusion reactor
100: Fusion plasma heating and current driving antenna according to the present invention
110: Faraday Shield
120: antenna opening
130: Faraday Bar
140: Slot
200: antenna donation
210: a strap bar
211: RF input port (RF input port)
212: RF output port
300: Conventional Fusion Plasma Heating and Current Driving Antenna
310: a base of a conventional fusion plasma heating and current driving antenna
320: Strap bar of conventional fusion fusion plasma heating and current driving antenna
330: Faraday shield of conventional fusion plasma heating and current driving antenna
θ: Angle between the Faraday and the toroidal directions

Claims (5)

상방으로 개구된 캐비티가 형성된 안테나 기부;
상기 안테나 기부의 캐비티 내벽의 일측면에 고정되어 형성되되, 바 형상으로 나란하게 형성된 복수의 스트랩 바; 및
상기 복수의 스트랩 바에서 이격되고, 상기 개구된 캐비티의 개구부에 복개되어 형성되는 페러데이 쉴드를 포함하되,
상기 페러데이 쉴드는 나란하게 형성된 복수의 페러데이 바 및 상기 복수의 페러데이 바 사이의 빈 공간인 슬랏(slot)으로 구성된 안테나 개구부를 포함하여 일체형으로 구성되고,
상기 페러데이 바는 상기 스트랩 바와 비접촉 교차하도록 형성되되,
상기 페러데이 바와 수평방향 성분인 토로이달(toroidal) 방향 간의 사이각(θ)이 예각으로 형성된 것인 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나.
An antenna base having a cavity opened upward;
A plurality of strap bars fixed to one side surface of the cavity inner wall of the antenna base and formed in a bar shape; And
And a Faraday shield spaced apart from the plurality of strap bars and formed in an opening portion of the opened cavity,
Wherein the Faraday shield is integrally formed with a plurality of Faraday bars formed in parallel and antenna openings composed of slots that are empty spaces between the plurality of Faraday bars,
The ferrule bar is formed so as to cross the strap bar non-contact,
Wherein an angle (?) Between the Faraday bar and a toroidal direction as a horizontal component is formed at an acute angle.
제 1 항에 있어서,
상기 페러데이 쉴드의 복수의 페러데이 바는 상기 복수의 스트랩 바와 직교하도록 형성된 것인 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of ferrari bars of the ferrari shield is formed to be orthogonal to the plurality of strap bars.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 페러데이 바의 내부는 중공 구조로 형성되고, 상기 중공 구조를 통하여 냉각수가 공급되는 것인 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나.
The method according to claim 1,
Wherein an inner portion of the ferrule bar is formed in a hollow structure, and cooling water is supplied through the hollow structure.
제 1 항에 있어서,
상기 안테나 개구부는 핵융합로 내부를 향하도록 형성된 것인 핵융합 플라즈마 가열 및 전류구동용 안테나.

The method according to claim 1,
Wherein the antenna aperture is formed to face the interior of the fusion reactor.

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