KR102495711B1

KR102495711B1 - 플라스마 생성 및 플라스마 자기장 유지 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102495711B1
Application number: KR1020207026579A
Authority: KR
Inventors: 미셸 조르주 라베르주; 켈리 버나드 엡; 블레이크 켄턴 라블라; 메리트 웨인 레이놀즈; 알렉산더 더글라스 모쓰맨; 스티븐 제임스 하워드
Original assignee: 제너럴 퓨전 아이엔씨.
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2023-02-06
Also published as: CN111742621B; US20210217536A1; EP3760012A1; CA3089909A1; CN111742621A; WO2019165535A1; EP3760012B1; US11404174B2; BR112020016988A2; EP3760012B8; KR20200123442A; RU2757930C1; JP7101789B2; JP2021518034A; EP3760012A4; CA3089909C

Abstract

자화 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템은 자화 플라스마를 생성하기 위한 플라스마 생성기 및 생성된 자화 플라스마가 주입되고 구속되는 플럭스 보존기를 포함한다. 중심 도체는 전기적으로 연결되어 단일의 통합 도체를 형성하는 상부 중심 도체와 하부 중심 도체를 포함한다. 상부 중심 도체와 외부 전극은 환형 플라스마 전파 채널을 형성한다. 내부 전극의 일단이 플럭스 보존기의 벽에 전기적으로 연결되도록 하부 중심 도체가 플라스마 생성기로부터 플럭스 보존기 내로 연장된다. 전력 시스템은 형성 전류 펄스 및 유지 전류 펄스를 중심 도체에 제공하여 자화 플라스마를 형성하고, 그러한 플라스마를 플럭스 보존기 내로 주입하며 플라스마의 자기장을 유지한다.

Description

플라스마 생성 및 플라스마 자기장 유지 시스템 및 방법

본 개시는 일반적으로 자화 플라스마(magnetized plasma)를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 플라스마 형성 및 플라스마의 자기장의 유지에 사용되는 중심 도체를 갖는 플라스마 생성 시스템에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한, 이 섹션에서 설명되는 자료는 본 출원에서의 청구항에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션 내의 포함에 의해 종래 기술인 것으로 인정되지 않는다.

플라스마는 입자의 적어도 일부가 이온화되는 가스와 유사한 물질 상태이다. 하전 입자의 운동에 영향을 미칠 정도로 충분히 강한 자기장을 가진 플라스마는 자화 플라스마라고 불린다. 자기력선(magnetic field line)이 닫힌 궤도(어쩌면 길이가 무한임)로 스스로 루프백하도록 구성되는 경우 플라스마 내의 자기장은 플라스마 입자를 장기간 동안 구속할 수 있다. 자화 플라스마 내의 자기장의 대부분은 플라스마 자체에 및/또는 플라스마를 담고 있는 챔버의 벽에 흐르는 전류에 의해 생성된다. 고 에너지 플라스마를 생성하기 위한 다양한 방법 및 시스템이 있다. 일반적으로, 플라스마는 하나 이상의 밸브를 통해 한 쌍의 전극 사이의 플라스마 생성기 내로 가스를 유입시키는 것에 의해 생성될 수 있다. 가스를 이온화시켜 플라스마를 형성하기 위해 전극들 사이에서 고전압 펄스가 방전된다. 가스 브레이크다운(gas breakdown)이 발생하기 위해서는, 전극들 사이의 갭을 채우기에 충분한 가스가 주입될 필요가 있다. 브레이크다운 프로세스는 자유 전자의 가속, 중성 원자와 충돌하는 것, 및 애벌란시 이온화 프로세스를 트리거하는 것을 포함한다. 전극들 사이에 고전압 펄스를 생성하기 위해, 방전 회로는 고속 스위치 또는 다중 스위치 시스템을 이용하여 커패시터 뱅크(고전압 펄스형 전원)로부터 전극으로 고 에너지 전류 펄스를 신속하게 전달하도록 요구받는다.

도 1은 자화 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 종래 기술의 시스템을 도시한다. 이 시스템은 플라스마 생성기(12)와 플럭스 보존 챔버(flux conserving chamber)(14)(때로는 플럭스 보존기(flux conserver)라고도 지칭됨)를 포함한다. 생성기(12)는 자화 플라스마를 생성하도록 구성되며, 중심 형성 전극(11) 및 형성 전극(11)과 동축이고 이를 둘러싸는 외부 전극(13)을 가질 수 있으며 따라서 그 사이에 환형 플라스마 전파 채널을 형성할 수 있다. 일련의 자기 코일(15)은 플라스마 전파 채널에 초기(스터핑(stuffing)) 자기장을 형성하는 데 사용될 수 있다. 가스 플라스마 연료는 다수의 밸브(16)를 통해 전파 채널에 주입된다. 어느 한 극성의 전류가 전파 채널에 주입된 가스 플라스마 연료를 가로질러 형성 전극(11)과 외부 전극(13) 사이를 흘러, 가스 플라스마 연료를 이온화시켜 플라스마를 형성할 수 있도록, 전원(17)에 의해 형성 전류 펄스가 형성 전극(11)에 제공된다. 이 전류는 플럭스 보존기(14)를 향한 플라스마의 운동을 유발할 수 있는 플라스마 토로이달 자기장을 생성할 수 있다. 플라스마가 전방으로 이동함에 따라, 전진하는 플라스마가 탈주(break free)할 때, 자기장이 플라스마를 휘감아서 자화 플라스마 토러스(magnetized plasma torus)를 형성하도록, 플라스마는 스터핑 자기장과 상호작용한다. 이 시스템은 생성기(12)로부터 플럭스 보존기(14)로 연장되고 갭(19)에 의해 형성 전극(11)으로부터 전기적으로 격리되는 세장형 중심축 샤프트(elongated central axial shaft)(18)를 추가로 포함한다. 플라스마 생성기(12) 및 플럭스 보존기(14)에 토로이달 자기장을 제공하여 플라스마의 자기장을 유지하기 위해 부가적인 전류 펄스가 중심축 샤프트(18) 및 플럭스 보존기(14)의 벽을 따라 진행된다. 플럭스 보존기(14)에서 생성되는 토로이달 자기장은 플라스마 내로 확산되어 플라스마의 자기장을 유지하고 따라서 플라스마 구속을 개선시키고 플라스마의 수명을 증가시킬 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 전원이 형성 전극(11)에 형성 펄스를 제공하고 중심 샤프트(18)에 유지 펄스를 제공할 수 있도록, 샤프트(18)는 갭(19)에 의해 형성 전극(11)으로부터 전기적으로 격리된다. 일부 구현예에서, 중심 샤프트(18)를 형성 전극(11)으로부터 전기적으로 절연시키기 위해, 갭(19) 대신에, 형성 전극(11)과 중심 샤프트(18) 사이에 절연체가 제공될 수 있다. 형성 전극(11)과 중심 샤프트(18) 사이에 (갭(19)이든 임의의 다른 유형의 전기적 절연이든) 절연을 갖는 것은 플라스마 내로의 불순물의 분출 및/또는 갭(19)을 가로지르는 또는 절연체의 표면에서의 전류 아킹(current arching)으로 인한 전극/샤프트의 손상(용융)을 유발할 수 있다.

일 양태에서, 자화 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템이 제공된다. 본 시스템은 자화 플라스마를 생성하기 위한 플라스마 생성기를 포함한다. 본 시스템은 외부 전극 및 출구를 갖는 환형 플라스마 전파 채널을 형성하기 위해 외부 전극 내에 동축으로(coaxially) 배치되고 외부 전극으로부터 이격된 상부 중심 도체를 포함한다. 연료 인젝터는 환형 플라스마 전파 채널의 상류 단부 내로 플라스마 연료를 주입한다. 하나 이상의 코일은 환형 플라스마 전파 채널에 스터핑 자기장을 생성하고 자화 플라스마에 폴로이달 필드(poloidal field)를 제공하도록 구성된다. 플럭스 보존기는 플라스마 생성기와 유체 연통한다. 플럭스 보존기는 환형 플라스마 전파 채널의 출구와 유체 연통하고 플라스마 생성기에서 생성된 자화 플라스마가 배기 내부 캐비티 내로 주입되는 입구를 갖는 내부 캐비티를 규정하기 위해 외부 벽 및 외부 벽 내에 동축으로 위치되고 외부 벽으로부터 이격된 하부 중심 도체를 갖는다. 하부 중심 도체의 한쪽 단부는 상부 중심 도체의 한쪽 단부에 전기적으로 결합되고 하부 중심 도체의 다른 쪽 단부는 플럭스 보존기의 외부 벽에 전기적으로 결합된다. 전류가 상부 중심 도체 및 하부 중심 도체와 플럭스 보존기의 외부 벽을 따라 흐르도록, 전력 공급원은 상부 중심 도체 및 하부 중심 도체에 전기적으로 결합된다. 전력 공급원은 플라스마 생성기에서 플라스마 연료로부터 자화 플라스마를 생성하고 자화 플라스마를 플럭스 보존기 내로 주입하기에 충분한 형성 전력 펄스를 생성하도록 구성된 형성 전력 회로, 및 플라스마 생성기 및 플럭스 보존기 내에 토로이달 자기장을 생성하기에 충분한 유지 전류 펄스를 상부 중심 도체 및 하부 중심 도체와 플럭스 보존기의 외부 벽을 따라 생성하도록 구성된 유지 전력 회로를 포함한다.

일 양태에서, 유지 전력 회로는 유지 전력 회로를 형성 전력 회로로부터 적어도 부분적으로 전기적으로 격리시키는 버퍼 인덕터를 추가로 포함한다. 본 시스템은 플라스마 생성기 및 플럭스 보존기 내에 이미 존재하는 토로이달 필드를 형성하기 위해 형성 전력 회로보다 먼저 유지 전력 회로를 트리거하도록 프로그래밍된 제어기를 추가로 포함한다.

일 양태에서, 적어도 하나의 트리거 전극이 제공된다. 형성 전력 회로가 자화 플라스마를 형성하도록 플라스마 연료를 브레이크 다운시키기에 충분한 브레이크다운 전류 펄스를 트리거 전극에 제공하도록 동작 가능하도록, 적어도 하나의 트리거 전극이 형성 전력 회로에 전기적으로 결합된다. 형성 전력 회로는 상부 중심 도체에 전기적으로 결합되고 형성 전류 펄스를 제공하도록 동작 가능한 주 형성 전력 회로, 및 트리거 전극에 전기적으로 결합되고 브레이크다운 전류 펄스를 제공하도록 동작 가능한 사전 형성 전력 회로를 포함한다.

다른 양태에서, 플라스마 연료는 환형 플라스마 전파 채널의 상류 단부 내로 주입되는 미리 이온화된 가스이다.

위에서 설명된 양태 및 실시예에 부가하여, 추가적인 양태 및 실시예가 도면을 참조하는 것에 의해 그리고 이하의 상세한 설명을 살펴보는 것에 의해 명백해질 것이다.

도면 전체에 걸쳐, 참조 번호는 참조된 요소들 간의 대응관계를 나타내기 위해 재사용될 수 있다. 도면은 본 명세서에서 설명된 예시적인 실시예를 예시하기 위해 제공되며, 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 도면에서의 요소의 크기 및 상대적인 위치가 반드시 일정한 축척으로 그려져 있는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소의 형상 및 각도가 일정한 축척으로 그려져 있지 않으며, 이들 요소 중 일부는 도면 가독성을 개선시키기 위해 임의로 확대되고 배치된다.
도 1은 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 알려진(종래 기술의) 시스템의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템의 일 예의 개략 단면도이다.
도 2a는 플럭스 보존기에 형성된 액체 라이너를 보여주는, 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템의 다른 예의 개략 단면도이다.
도 3은 형성 전력 공급 장치 및 유지 전력 공급 장치를 보여주는 전력 공급 장치의 회로도(scheme)의 일 예이다.
도 4는 형성 전력 회로 및 유지 전력 회로에 의해 생성되는 초(s) 단위의 시간에 대한 암페어(A) 단위의 전류 펄스의 일 예의 그래픽 표현이다.
도 5는 트리거 전극을 보여주는 플라스마를 생성하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템의 다른 예의 부분 단면도이다.
도 6은 중성 가스를 부분적으로 이온화하고 그러한 미리 이온화된 가스를 플라스마 생성기 내로 주입하는 데 사용되는 사전 이온화기(pre-ionizer)의 개략 단면도이다.

본 발명의 실시예는 플라스마 연료로부터, 예를 들어, 플라스마 토러스와 같은 자화 플라스마를 생성하고, 종래 기술의 시스템(10)의 절연 갭(19)에 의해 분리되는 형성 전극(11) 및 중심 샤프트(18) 대신에 단일 중심 도체를 사용하여 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 전류가 중심 도체에 제공될 때 중심 도체가 본 시스템의 플럭스 보존기로부터 전기적으로 격리되지 않기 때문에, 본 시스템은 인덕터로서 기능하고 전류가 중심 도체, 플럭스 보존기의 벽 및 본 시스템의 외부 전극을 따라 흐른다. 자화 플라스마의 생성을 보장하고 플라스마의 자기장을 유지하기 위해, 브레이크다운 방전 및 자화 플라스마의 형성을 제공하도록 전류가 플라스마 연료를 가로질러 방사상으로 흐를 필요가 있다. 원하는 파라미터를 갖는 자화 플라스마가 형성되고 플럭스 보존기에 주입되도록 보장하기 위해, 전류가 플럭스 보존기 둘레를 루핑하기 전에 플라스마 연료 브레이크다운을 유발하기에 충분한 시간 기간 동안 본 시스템의 플라스마 전파 채널을 가로질러 고전압을 제공할 수 있는 하나 이상의 고속 스위치를 포함하는 형성 전원 회로가 제공될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 트리거 전극은 플라스마 연료 브레이크다운을 유발하는 데 사용될 수 있다. 플라스마 연료는 중성 가스 또는 미리 이온화된 가스일 수 있다.

도 2는 플라스마 생성기(22) 및 플럭스 보존기(24)를 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 자화 플라스마를 생성하기 위한 시스템(20)의 일 예를 예시한다. 시스템(20)은 중심 도체(21) 및 외부 전극(23)을 포함한다. 중심 도체(21)는 플라스마 생성기(22) 내에 위치된 상부 중심 도체(21a) 및 플럭스 보존기(24) 내에 위치된 하부 중심 도체(21b)를 포함하고; 하부 중심 도체(21b)의 원위 단부(21c)는 플럭스 보존기(24)의 단부 플레이트(29)에 연결된다. 상부 중심 도체(21a)는 원통형, 원추형 또는 유사한 형상 또는 이들의 조합을 가질 수 있는 반면, 하부 중심 도체(21b)는 오히려 플럭스 보존기(24)의 길이 전체에 걸쳐 중심에 연장되는 세장형(샤프트형) 형상을 가질 수 있다. 이것은 제한하는 것이 아니라 예시적인 것으로 의도되며, 중심 도체(21) 및/또는 외부 전극(23)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 임의의 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 외부 전극(23)은 동축이고 상부 중심 도체(21a)를 둘러싸며, 따라서 이들 사이에 환형 플라스마 전파 채널(25)을 규정한다. 플라스마 생성기의 플라스마 전파 채널(25)의 상류 단부 내로 플라스마 연료를 주입하기 위해 하나 이상의 밸브(26)를 갖는 연료 인젝터가 또한 제공된다. 하나 이상의 가스 밸브(26)는 플라스마 연료 공급원(도시되지 않음)과 유체 연통할 수 있으며, 정확한 양의 플라스마 연료를 포트(도시되지 않음)를 통해 채널(25) 내로 대칭적으로 주입하기 위해 플라스마 생성기(22)의 주변부 주위에 링처럼 배열될 수 있다. 시스템(20)은 플라스마 생성기(22)에서 자화 플라스마를 형성하고, 그러한 플라스마를 플럭스 보존기(24) 내로 주입하며 플라스마의 자기장을 긴 시간 기간 동안 플럭스 보존기(24)에 유지하기 위해 중심 도체(21)에 형성 전류 펄스 및 토로이달 필드 유지 전류 펄스(toroidal field sustainment current pulse)를 제공하는 전원(30)(도 3 참조)을 추가로 포함한다.

중심 도체(21)는 전도성 및 고진공 호환(high-vacuum-compatible) 재료로 만들어지며, 자화 플라스마를 형성하고 플라스마의 자기장을 긴 시간 동안 유지하도록 구성된다. 본 명세서에서 아래에 설명된 바와 같이, 이것은 전류가 플럭스 보존기(25) 둘레를 루핑하기 전에 플라스마 연료 브레이크다운 및 이온화를 유발하기에 충분한 시간 기간 동안 플라스마 전파 채널(25)을 가로질러 고전압을 제공할 수 있는 하나 이상의 고속 형성 스위치(예를 들어, 레일 갭 스위치(rail gap switch))를 사용하는 것; 및/또는 가스 브레이크다운를 위해 하나 이상의 트리거 전극을 이용하고 그리고/또는 미리 이온화된 가스(pre-ionized gas)를 플라스마 연료로서 사용하는 것 중 어느 하나에 의해 행해질 수 있다.

일 구현예에서, 중심 도체(21)의 하부 중심 도체(21b)는 유동하는 액체 금속을 포함하는 액체 금속 가이드일 수 있다. 예를 들어, 중심 도체(21)의 상부 중심 도체(21a)는 액체 금속 저장소에 형성된 출구를 통해 유출되는 액체 금속을 담고 있는 액체 금속 저장소를 포함할 수 있다. 액체 금속은 플럭스 보존기(24)를 통해 유동할 수 있고, 예를 들어, 단부 플레이트(29) 내에 위치될 수 있는 캐처(catcher)(도시되지 않음)에서 수집될 수 있다. 캐처로부터의 액체 금속은 하나 이상의 펌프를 사용하여 액체 금속 저장소 내로 다시 재순환될 수 있다. 액체 금속 가이드는 지속적으로 유동할 수 있거나 또는 유동이 저장소의 출구와 연통하는 밸브를 사용하여 조절될 수 있다. 액체 금속은 중력 하에서 또는 압력 수단을 사용하여 유동할 수 있다.

플라스마 생성기(22)에서 생성된 플라스마가 플럭스 보존기(24)의 내부 배기 캐비티(inner evacuated cavity) 내로 주입될 수 있도록, 플럭스 보존기(24)는 플라스마 생성기(22)의 출구와 정렬되는 입구 개구(entrance opening)(28)를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 플럭스 보존기(24)는 액체 금속으로 부분적으로 채워질 수 있다(도 2a 참조). 플럭스 보존기(24) 내의 액체 금속은, 내부 배기 캐비티(4)의 벽을 규정하는 액체 라이너(2)를 형성하도록, 순환되거나, 회전되거나 또는 유동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 라이너(2)는 액체 매체를 플럭스 보존기(24) 내로 주입하는 것에 의해 형성될 수 있다. 액체 순환 시스템(6)은 플럭스 보존기(24) 내의 액체 매체의 유동을 안내하기 위해 제공될 수 있다. 순환 시스템(6)은 플럭스 보존기(24) 내의 액체 매체의 원하는 유동을 얻기 위해 복수의 밸브, 노즐, 파이프 네트워크 및 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 플라스마가 주입되는 내부 캐비티(4)가 구형, 원통형, 원추형 또는 임의의 다른 원하는 형상이도록, 플럭스 보존기 내의 액체 금속의 유동은 액체 라이너(2)의 원하는 미리 결정된 형상을 형성하도록 설계 및 구성될 수 있다. 액체 라이너 및 액체 라이너 내에 배기 캐비티를 형성하기 위한 방법의 예는 미국 특허 제8,891,719호, 제8,537,958호 및 미국 특허 출원 공개 제20100163130호에 설명되어 있다. 이것은 단지 예시를 위한 것이며 액체 라이너 내에 내부 캐비티를 규정하는 액체 라이너를 형성하기 위한 임의의 다른 방법 및 시스템이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 라이너는, 예를 들어, 플럭스 보존기(24)의 벽 또는 플럭스 보존기(24)의 벽의 내부 측면에 부착/코팅된 고체 라이너와 같은, 고체 라이너일 수 있다.

전원(도시되지 않음)에 전기적으로 결합된 하나 이상의 코일(27)(도 2)은 플라스마 연료가 환형 플라스마 전파 채널(25) 내로 주입되기 전에 그리고 전류가 방출되기 전에 초기 스터핑 자기장을 셋업하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스마 연료는, 예를 들어, 수소 또는 헬륨의 동위 원소, 또는 임의의 다른 가스 또는 이들의 조합과 같은, 중성 가스일 수 있다. 다른 실시예에서, 플라스마 연료는 부분적으로 또는 완전히 이온화된 가스(플라스마)일 수 있다. 플라스마 연료가 중성 가스 또는 부분적으로 이온화된 가스인 일부 실시예에서, 플라스마 연료가 주입되고 채널(25)을 적어도 부분적으로 채우도록 확산되며, 형성 전류 펄스가 가스를 이온화시키고 자화 플라스마를 형성하기에 충분한 시간 기간 동안 중심 도체(21)와 외부 전극(23) 사이를 흐르게 하기 위해 전원(30)(도 3)이 트리거된다.

코일(27)은 전원(30)과 분리되고 전원(30)과 독립적인 전원에 결합될 수 있거나 또는 전원(30)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 코일(27)에 전력을 제공하도록 구성될 수 있다.

플라스마 생성기(22)에 플라스마 전도 경로가 확립되기 전에 그리고 중심 도체(21)가 플럭스 보존기(24)로부터 전기적으로 격리되지 않는다는 사실로 인해, 시스템(20)은 인덕터로서 기능하고 전류가, 가스를 통하지 않고, 중심 도체(21), 플럭스 보존기(24)의 벽(24a) 및 외부 전극(23)을 따라 흐른다. 그러한 전류 흐름은 플라스마 생성기(22) 및 플럭스 보존기(24) 내에 이미 존재하는 토로이달 자기장을 생성할 수 있다. 상부 중심 도체(21a)와 외부 전극(23) 사이에 브레이크다운 방전을 제공하기 위해, 전류가, 플럭스 보존기(24)의 벽을 따라 다시 흐르지 않고, 실질적으로 방사상 방향으로 가스를 통과하여 가스를 이온화시키도록 충분히 짧은 시간 내에 전압이 인가될 필요가 있다. 이것은 수 마이크로초(방정식 V=LdI/dt에 따라 중심 도체(21) 및 플럭스 보존기(24)의 크기(인덕턴스)에 기초하여 결정되는 요구된 시간) 내에 고전압을 인가하기 위해 고속 스위치 또는 다중 스위치를 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 고속 스위치는 수 나노초 내에 닫힐 수 있는 레일 갭 스위치일 수 있다.

도 3은 플라스마 연료 브레이크다운 및 자화 플라스마의 형성을 위한 형성 펄스를 제공하는 형성 전력 회로(31), 및 플라스마의 자기장을 긴 시간 기간 동안 유지하기 위해 유지 전류 펄스를 제공하는 유지 전력 회로(35)를 포함하는 전력 공급원(30)의 일 예를 예시한다. 형성 전력 회로(31)는 플라스마 연료의 브레이크다운 방전 및 이온화를 유발하기에 충분한 시간 기간(예를 들어, 50 μs) 동안 중심 도체(21)와 외부 전극(23) 사이에 고전압을 신속하게 인가하도록 설계된 고속 고전압 스위치 또는 다중 스위치 시스템 및 하나 이상의 커패시터 뱅크를 포함하는 주 형성 회로(34)를 포함한다. 플라스마(이온화된 가스)를 통해 흐르는 전류는 플럭스 보존기(24)를 향한 플라스마의 운동을 유발할 수 있는 플라스마 토로이달 자기장을 생성할 수 있다. 플라스마가 전방으로 이동함에 따라, 전진하는 플라스마가 탈주할 때, 자기장이 플라스마를 휘감아서 플라스마의 폴로이달 자기장을 형성하도록, 플라스마는 코일(27)에 의해 생성되는 스터핑 자기장과 상호작용한다.

도 3은 전류 피킹 회로(current peaking circuit)(36) 및 전류 유지 회로(current maintaining circuit)(38)를 포함할 수 있는 유지 전력 회로(35)를 추가로 도시한다. 전류가 중심 도체(21), 플럭스 보존기(24)의 벽(24a) 및 외부 전극(23)을 따라 흐르며, 따라서 플라스마 생성기(22) 및 플럭스 보존기(24)에 토로이달 자기장(중심 도체(21) 둘레에 연장되는 자력선)을 생성하도록, 전류 피킹 회로(36) 및 전류 유지 회로(38)는 전류 펄스를 중심 도체(21)에 제공한다. 이러한 토로이달 필드는 플라스마 내로 확산될 수 있고 플라스마 토로이달 필드를 증가시킬 수 있으며, 유지 전류의 펄스 프로파일을 제어함으로써 플라스마의 토로이달 필드를 제어할 수 있다. 전류 피킹 회로(36)는 목표 시간 기간 내에 전류 피크의 미리 결정된 값에 도달하는 고속 상승 전류 펄스를 제공한다. 예를 들어, 전류 피크의 미리 결정된 값은 100 내지 300 μs 시간 기간 내에 도달할 수 있는 1 MA일 수 있다. 전류 유지 회로(38)는 이어서 긴 시간(예를 들어, ~ 10 ms) 동안 그러한 1 MA 전류 흐름을 유지할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 유지 전력 회로, 즉 전류 피킹 회로(36) 및 전류 유지 회로(38)가 10 ms 초과 또는 10 ms 미만 동안 유지될 수 있는 1 MA보다 높은 또는 1 MA보다 낮은 전류 펄스를 제공하도록 설계될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일 구현예에서, 단일 유지 전력 회로(35)는 10 ms 초과 또는 10 ms 미만 동안 유지되는 1 MA 초과 또는 1 MA 미만의 고속 상승 유지 전류 펄스를 제공할 수 있다.

미리 결정된 플라스마 연료가 포트를 통해 환형 플라스마 채널(25) 내로 주입될 때, 형성 회로(31)가 자화 플라스마를 형성하도록 트리거된다. 자화 플라스마가 형성된 후에, 유지 회로(35)가 플라스마 제어/유지 플라스마 자기장 내로 확산되는 토로이달 필드를 제공하도록 트리거될 수 있다.

일 구현예에서, 형성 회로(31)의 트리거링 시간 이전에 유지 회로(35)가 트리거될 수 있다. 따라서, 플라스마 생성기(22) 및 플럭스 보존기(24) 내의 이미 존재하는 토로이달 필드로 플라스마 형성이 일어날 수 있다. 버퍼 인덕터(37)는 형성 전력 회로(31)로부터의 유지 전력 회로(35)의 전기적 격리를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 버퍼 인덕터의 인덕턴스 값은 유지 전력 공급 장치(35)를 대부분의 형성 전류 펄스로부터 전기적으로 격리시키기에 충분할 필요가 있다. 예를 들어, 버퍼 인덕터(37)의 인덕턴스는 500 nH일 수 있다. 이것은 단지 예시적인 값이며 버퍼(37)의 인덕턴스는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 설계된 플라스마의 파라미터에 따라 500 nH 초과 또는 500 nH 미만일 수 있다. 형성 펄스가 방전될 때, 전류가 플라스마 연료를 가로질러 흘러 플라스마를 형성하도록, 버퍼(37)는 대부분의 고속 형성 펄스를 차단한다. 플라스마를 통해 흐르는 전류는 로렌츠 힘으로 인해 플라스마를 플라스마 생성기(22) 아래로 가속시키는 플라스마 토로이달 자기장을 생성한다. 플라스마가 플럭스 보존기(24)를 향해 이동함에 따라, 플라스마는 그러한 이미 존재하는 토로이달 필드를 밀어서 그의 필드 라인을 편향시킬 것이다. 예를 들어, 형성 전류 펄스는 유지 회로(35)의 트리거링 시간으로부터 약 200 내지 400 μs 후에 방전될 수 있다. 도 4는 시스템(20)에서의 전류 프로파일의 일 예의 그래픽 표현을 도시한다. 1 MA의 피크 전류를 제공하기 위해 전류 피킹 회로(36)가 먼저 트리거되고(펄스 곡선 46으로 표현됨), 이어서, 약 100 내지 300 μs 후에, 그러한 1 MA 전류 펄스를 10 ms 초과의 긴 시간 동안 유지하기 위해 전류 유지 회로(38)가 피크 전류로 트리거될 수 있다(곡선 48 참조). 도 4의 전류 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 형성 전력 회로(31)는 형성 전류 곡선(41)에 의해 표현된 바와 같이 유지 전력 회로(35) 이후에 트리거된다.

전력 공급원(30)의 형성 회로(31) 및 유지 회로(35)의 설계는 생성된 플라스마의 원하는 파라미터에 의존할 것이다. 예를 들어, 자화 플라스마 내에 약 300 mWb를 생성하기 위해, 약 5 MJ의 형성 커패시터 뱅크가 요구될 수 있다. 전류 피킹 회로(36)는 1.3 MJ 커패시터 뱅크를 전력 공급 장치로서 가질 수 있는 반면, 유지 회로(38)는 약 10 MJ 커패시터 뱅크를 전력 공급 장치로서 가질 수 있다. 이것은 단지 예시를 위한 것이며 회로(36, 38)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 10 ms 초과 또는 10 ms 미만 동안 1 MA보다 강한 전류를 제공하고 유지하도록 설계될 수 있다. 형성 회로(31)의 파라미터는 또한 버블 아웃(bubble out) 단계 동안 편향될 필요가 있는 스터핑 자기장 및 플라스마 생성기 내의 이미 존재하는 토로이달 필드의 양에 의해 영향을 받을 수 있다.

제어기(도시되지 않음)가 제공되고 가스의 양, 플라스마 생성기(22) 내의 (플라스마의 후방에 및 플라스마의 전방에 있는) 토로이달 필드의 양은 물론 형성된 플라스마의 크기를 제어하기 위해 전력 공급 회로 각각의 트리거링 시간은 물론, 연료 인젝터(예를 들어, 연료 인젝터의 밸브(26)) 및 코일(27)(스터핑 자기장)에 대한 전력 공급 장치의 동작을 제어하도록 미리 프로그래밍될 수 있다. 회로(34, 36, 38)의 트리거링 시간은 전원(30)의 속성, 플라스마의 원하는 파라미터 및 플라스마 시스템(20)의 크기 및 기하학적 형태에 따라 결정될 수 있다. 회로들 각각은 (커패시터 또는 스위치 고장의 경우에 시스템을 보호하기 위해 그리고 전력 공급 컴포넌트에서의 전기적 링잉(electrical ringing)을 감소시키기 위해) 하나 이상의 적합한 스위치, 다이오드 및 댐핑 저항을 가질 수 있다. 제어기는 입력 유닛, 출력 유닛, 프로세싱 유닛 및 메모리 유닛을 포함할 수 있으며 메모리 유닛에 저장된 미리 프로그래밍된 시간표(time table)에 기초하여 회로(34, 36, 38), 플라스마 연료 인젝터의 밸브(26) 및 코일(27)의 전원 공급 장치를 트리거하도록 프로그래밍될 수 있거나 또는 그러한 출력 트리거 신호는 다수의 검출기(예를 들어, 광학 프로브, 자기 프로브, 전류/전압 프로브)로부터의 특정의 입력 신호에 기초하여 적절한 회로/컴포넌트에 송신될 수 있다. 일 구현예에서, 플라스마 연료를 이온화시키기 위한 브레이크다운 방전은, 본 명세서에서 트리거 전극이라고 지칭되는, 하나 이상의 부가 전극에 의해 제공될 수 있다. 도 5는 브레이크다운 방전을 생성하는 트리거 전극(51)을 포함하는 일 실시예를 예시한다. 트리거 전극(51)은 플라스마 전파 채널(25) 내에 위치될 수 있고 전원(30)과 전기적으로 통신될 수 있다. 예를 들어, 형성 전력 회로(31)는 하나 이상의 트리거 전극(51)에 전기적으로 결합된 사전 형성 회로(pre-formation circuit)(32)(도 3 참조) 및 중심 도체(21)에 전기적으로 결합된 주 형성 회로(34)를 포함하도록 설계될 수 있다. 사전 형성 회로(32)는 미리 결정된 인덕턴스 및 저항을 가질 수 있고 하나 이상의 커패시터 뱅크를 전력 공급원으로서 포함할 수 있다. 예를 들어, 사전 형성 회로(32)는 트리거 전극(51)과 중심 도체(21) 사이에 10 내지 25 kV 브레이크다운 방전을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 사전 형성 회로(32)는 주 형성 뱅크(34)와 독립적일 수 있다. 전기 브레이크다운 방전을 달성하기 위해 요구되는 주입된 가스의 양을 감소시키기 위해 주 형성 펄스에서 트리거 전극(51)의 극성이 중심 도체(21)의 극성과 반대일 수 있다. 예를 들어, 전압이 트리거 전극(51)에 인가될 때, 브레이크다운이 훨씬 더 빠르게(~ 50 μs) 일어나도록, 트리거 전극(51)의 극성은 포지티브일 수 있고 전자가 스태핑 필드의 자기력선으로 인해 중심 도체(21) 근처에 포획된다(전자가 중심 도체(21)에 근접하여 자기장을 따라 진행함). 본 기술 분야의 통상의 기술자는 트리거 전극(51)의 극성이 임의의 극성을 가질 수 있고 플라스마 연료의 브레이크다운 방전 및 이온화를 여전히 달성할 수 있거나, 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 브레이크다운 방전이 트리거 전극(51)과 외부 전극(23) 사이에 인가될 수 있음을 이해할 것이다.

일 구현예에서, 브레이크다운 시간이 추가로 단축되고 이온화된 가스의 양을 증가시킬 수 있도록(플라스마 내의 중성 가스가 더 적음), 플라스마 연료는 브레이크다운 방전이 트리거 전극(51)에 인가되기 전에 플라스마 전파 채널(25) 내로 주입될 수 있는 미리 이온화된 가스일 수 있다. 일 구현예에서, 사전 형성 회로(32)가 생략될 수 있고, 주 형성 회로(34)가 브레이크다운 방전 펄스를 위한 트리거 전극(51) 및 형성 펄스를 위한 중심 도체(21) 둘 모두에 전류 펄스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 가스 브레이크다운 방전을 제공하기 위해 트리거 전극(51)에 인가된 전압이 시스템 치수 및 파라미터는 물론 플라스마의 원하는 파라미터에 따라 10 내지 25 kV보다 높거나 낮을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

트리거 전극(51)이 가스 플라스마 연료 브레이크다운을 개시하는 데 사용되는 구현예에서, 사전 형성 회로(32)는 주 형성 뱅크(34)의 트리거링 시간 이전에 트리거된다. 예를 들어, 사전 형성 회로(32)는 가스 플라스마 연료를 채널(25) 내로 주입하는 밸브(들)(26)의 개방 시간으로부터 약 200 내지 300 μs 후에 트리거될 수 있다. 가스 플라스마 연료는 가스 밸브(26)의 매니폴드를 통해 플라스마 전파 채널(25) 내로 주입된다. 전류가 트리거 전극(51)으로부터 가스를 통해 중심 도체(21)(또는 대안적으로 외부 전극(23))로 흐르고 가스 형성 플라스마를 적어도 부분적으로 이온화시키도록, 브레이크다운 전류 펄스가 트리거 전극(51)에 전달된다. 가스 브레이크다운은, 예를 들어, 브레이크다운 광을 검출하도록 설계된 하나 이상의 검출기(도시되지 않음)에 의해 검출될 수 있다. 예를 들어, 검출기는 브레이크다운 이벤트에 의해 생성되는 광을 검출하도록 구성된 광학 센서일 수 있다. 가스 브레이크다운이 검출된 후에, 주 형성 펄스(34)가 중심 도체(21) 쪽으로 방전되어 가스를 추가로 이온화시키고, 플라스마가 탈주하여(버블 아웃 단계) 플럭스 보존기(24) 내로 주입될 때까지, 플라스마 토로이달 필드를 제공하여 스터핑 자기장을 통해 플라스마를 가속시킨다. 제어기의 입력 유닛은 하나 이상의 검출기로부터 신호(들)를 수신하기 위해 제공될 수 있고, 그러한 신호에 기초하여, 제어기의 출력 유닛은 주 형성 뱅크(34)의 스위치를 트리거하기 위한 신호를 전원(30)에 송신할 수 있다.

트리거링 단계는 제어기에 의해 실행된다. 제어기는 먼저, 초기 스터핑 필드가 환형 플라스마 전파 채널(25) 내로 스며들도록(단계(702)), 코일(27)의 전력 공급 장치를 트리거한다. 사전 토로이달 필드(pre-toroidal field)가 요구되지 않는 실시예에서는, 우측 스트림의 단계가 제어기에 의해 실행된다. 따라서, 일단 스터핑 필드가 플라스마 전파 채널(25) 내로 스며들면, 플라스마 연료를 플라스마 전파 채널(25) 내로 주입하기 위해 밸브(26)가 개방된다(단계(712)). 사전 형성 회로(32)에 결합된 트리거 전극(51)을 이용하는 실시예에서, 단계(714)에서 밸브(들)(26)의 개방 시간 이후에(예를 들어, 그로부터 200 내지 300 μs 후에) 사전 형성 회로가 트리거된다. 단계(716)에서, 제어기의 프로세싱 유닛은 광학 광 센서로부터 수신되는 신호를 프로세싱하여 플라스마 연료의 브레이크다운이 언제 발생하는지를 결정하고, 그러한 발생에 기초하여, 단계(718)에서, 제어기는 주 형성 회로(34)를 트리거하여 자화 플라스마를 형성하고 그러한 플라스마를 플럭스 보존기(24) 내로 주입한다. 단계(720)에서, 제어기는 주 형성 회로(34)의 트리거링 시간으로부터 어떤 미리 결정된 시간(예를 들어, 200 내지 300 μs) 후에 피킹 전류 유지 회로(36)를 트리거할 수 있거나 또는 플럭스 보존기(24a)의 벽에 장착된 자기 프로브가 플라스마가 플럭스 보존기(24) 내로 주입된다는 것을 나타낼 때 피킹 전류 유지 회로(36)가 트리거될 수 있다. 단계(722)에서, 제어기는 피킹 전류 유지 회로(36)의 트리거링 시간 이후(또는 전류 프로브에 의해 제공되는 바와 같이 피크 전류의 미리 결정된 값에 도달하면), 예를 들어, 100 내지 300 μs의 지연을 두고, 전류 유지 회로(38)를 트리거한다. 트리거 전극(51)이 이용되지 않는 실시예에서, 단계(714 및 716)는 생략되고 형성 회로(34)는 밸브(26)의 개방 시간으로부터 미리 결정된 시간(예를 들어, 200 내지 500 μs) 후에 트리거된다. 단계(720 및 722)는 이어서 본 명세서에서 이전에 설명된 바와 같이 트리거된다.

사전 토로이달 필드가 요구되는 실시예에서는, 좌측 스트림의 단계가 제어기에 의해 실행된다. 따라서, 단계(732)에서, 제어기는 피킹 전류 유지 회로(36)를 트리거할 수 있다. 피킹 전류 유지 회로(36)는 코일(27)의 트리거링 시간과 동시에 또는, 예를 들어, 200 μs 지연과 같은 어떤 시간 지연을 두고 트리거될 수 있다. 예를 들어, 100 내지 300 μs의 지연 후에 또는, 전류 프로브에 의해 제공되는 바와 같이, 피크 전류의 미리 결정된 값에 도달하면, 단계(734)에서, 제어기는 전류 유지 회로(38)를 트리거한다. 이어서, 밸브(26)가 개방되고(단계(736)) 이어서 트리거 전극(51)이 이용되는지 여부에 따라, 단계(714 내지 718)가 본 명세서에서 이전에 설명된 것과 유사한 방식으로 실행된다.

대안적으로, 가스 플라스마 연료의 일부 또는 전부가 미리 이온화된 상태로 주입될 수 있다. (중성 가스 대신에) 다수의 하전 입자를 환형 플라스마 채널(25) 내로 주입하는 것은 이온화의 확률을 증가시킬 수 있고 브레이크다운 시간을 단축시킬 수 있다. 예를 들어, 플라스마 연료 공급원과 플라스마 생성기(22)를 연결시키는 연료 튜브(도시되지 않음)에 사전 이온화기가 설치될 수 있다. 사전 이온화기는 도 6에 예시된 것과 같은 소형 동축 플라스마 건(60)일 수 있다. 사전 이온화기(60)의 예시된 예는 관형 몸체(tubular body)(64) 내에 위치된 중심 전극(62)을 포함한다. 사전 이온화기(60)에서 형성된 미리 이온화된 가스가 플라스마 생성기(22) 내로 주입될 수 있도록, 사전 이온화기는 한쪽 단부에서 절연체(65)로 폐쇄되고 반대편 단부는 개방되어 포트(26)와 유체 연통하는 출구 포트(66)를 형성한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 사전 이온화기(60)에서 사용되는 전극의 임의의 다른 구성 또는 가스가 플라스마 생성기(22) 내로 주입되기 전에 가스를 부분적으로 이온화시키도록 구성된 임의의 다른 사전 이온화 수단이 사용될 수 있다. 미리 결정된 양의 가스가 하나 이상의 밸브(67)를 통해 몸체(64) 내로 주입될 수 있다. 중심 전극(62) 및 몸체(64)는 사전 이온화 회로(68)에 전기적으로 결합된다. 전원이 사전 이온화기(60)에 전기 펄스를 인가할 때, 전류는 전극(62)을 가로질러, 주입된 가스를 통해, 몸체(64)로 흘러 가스를 이온화시킨다. 사전 이온화기(60)에서 형성된 플라스마는, 이온화되지 않은 임의의 가스와 함께, 플라스마를 가로질러 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장에 의해 이어서 가속되고 출구(66) 및 밸브(26)를 통해 플라스마 생성기(22) 내로 방출된다. 부분적으로 이온화된 가스가 플라스마 생성기(22)에 들어갈 때, 제어기는 형성 회로(34)를 트리거하여 플라스마 생성기(22)의 중심 도체(21)와 외부 전극(23) 사이에 전류 방출을 제공할 수 있다.

대안적으로, 플라스마 생성기(22)의 환형 플라스마 전파 채널(25) 내로 주입되는 중성 가스는 임의의 적합한 사전 이온화 수단 또는 기술을 사용하여 직접적으로 미리 이온화될 수 있다. 예를 들어, 사전 이온화는, 예를 들어, UV 램프와 같은, 하나 이상의 UV(ultraviolet) 광원으로 수행될 수 있다. UV 램프(도시되지 않음)는 플라스마 생성기(22)의 하우징 주위에 배열될 수 있다. UV 램프는 가스 주입 포트(예를 들어, 밸브의 출구 포트) 근처의 가스 주입 영역을 향해 보내질 수 있는 UV 광 빔을 생성하기 위해 적합한 전원에 결합될 수 있다. 플라스마 생성기(22)의 하우징은 하나 이상의 투명 창을 포함할 수 있으며, 이 투명 창은 UV 광이 창을 통과하고 주입된 가스에 충돌하여 그러한 가스의 적어도 부분적인 이온화를 유발할 수 있도록 구성된다. 이 창은 선택된 에너지 소스, 예를 들어, UV 램프에 의해 생성되는 유형의 에너지에 투명할 수 있다. 일 구현예에서, 투명 창은 램프에 의해 생성되는 에너지를 가스 주입 지점 또는 영역(포트)에 집속시키는 렌즈로서 구성될 수 있다. 다른 구현예에서, 다른 유형의 에너지 소스(예를 들어, 레이저, 코로나 방전, RF(radio-frequency) 시스템 등)가 플라스마 생성기(22)에서 직접적으로 또는 외부 사전 이온화기에서 주입된 가스의 여기 및 사전 이온화를 위해 사용될 수 있다. 언급된 시스템 및 방법 중 임의의 것이 플라스마 생성기(22)에서 직접적으로 가스를 미리 이온화하는 데 사용될 수 있거나 또는 가스가 먼저 사전 이온화기(예를 들어, 사전 이온화기(60))에서 미리 이온화될 수 있고 이어서 부분적으로 또는 완전히 이온화된 상태로 플라스마 생성기(22) 내로 주입된다.

플라스마 생성 시스템의 실시예가 개시된다. 그러한 실시예 중 임의의 것은 중성자 생성기, 핵 융합, 핵 폐기물 제염, 의료 뉴클레오티드의 생성, 재료 연구, 중성자 방사선 촬영 및 단층 촬영, x-선 생성기 등을 통한 물체의 내부 구조의 원격 이미징에서의 응용 분야에 적합한 고 에너지 밀도 플라스마의 생성에 사용될 수 있다.

본 개시의 특정의 요소, 실시예 및 응용 분야가 도시되고 설명되었지만, 특히 전술한 교시를 고려하여, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 수정이 이루어질 수 있기 때문에, 본 개시의 범위가 이에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 방법/프로세스를 구성하는 행위 또는 동작은 임의의 적합한 시퀀스로 수행될 수 있고, 임의의 특정의 개시된 시퀀스로 반드시 제한되지는 않는다. 요소 및 컴포넌트는 다양한 실시예에서 상이하게 구성되거나 배열될 수 있고, 조합 및/또는 제거될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 특징 및 프로세스는 서로 독립적으로 사용될 수 있거나, 또는 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 임의의 가능한 콤비네이션 및 서브콤비네이션이 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 본 개시 전반에 걸쳐 "일부 실시예", "일 실시예" 등에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 설명된 특정의 특징, 구조, 단계, 프로세스, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 개시 전반에 걸쳐 문구 "일부 실시예에서", "일 실시예에서" 등의 출현은 반드시 모두가 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며 동일한 또는 상이한 실시예 중 하나 이상을 지칭할 수 있다. 실제로, 본 명세서에서 설명되는 신규의 방법 및 시스템은 각종의 다른 형태로 구현될 수 있고; 게다가, 본 명세서에서 설명된 실시예의 형태에서 다양한 생략, 추가, 대체, 등가물, 재배열, 및 변경이 이루어질 수 있다.

적절한 경우 실시예의 다양한 양태 및 장점이 설명되었다. 그러한 양태 또는 장점 모두가 반드시 임의의 특정의 실시예에 따라 달성될 수 있다는 것은 아님이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, 다양한 실시예가, 본 명세서에서 교시되거나 암시될 수 있는 다른 양태 또는 장점을 반드시 달성할 필요 없이, 본 명세서에서 교시된 하나의 장점 또는 일군의 장점을 달성하거나 최적화하는 방식으로 수행될 수 있음이 인식되어야 한다.

달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 또는 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 그 중에서도, "할 수 있는(can)", "할 수 있을(could)" "할지도 모를(might)", "할 수도 있는(may)", "예를 들어" 등과 같은, 본 명세서에서 사용되는 조건부 표현(conditional language)은 일반적으로 특정한 실시예가 특정한 특징, 요소 및/또는 단계를 포함하지만 다른 실시예가 특정한 특징, 요소 및/또는 단계를 포함하지 않는다는 것을 전달하는 것으로 의도된다. 따라서, 그러한 조건부 표현은 일반적으로 특징, 요소 및/또는 단계가 하나 이상의 실시예에 대해서는 어떠한 방식으로든 요구된다는 것 또는 하나 이상의 실시예가 임의의 특정의 실시예에서 이러한 특징, 요소 및/또는 단계가 포함되거나 수행되어야 하는지 여부를, 조작자 입력 또는 프롬프팅을 사용하거나 사용함이 없이, 결정하기 위한 로직을 반드시 포함한다는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다. 단일 특징 또는 일군의 특징이 임의의 특정의 실시예에 요구되지 않거나 필요불가결하지 않다. 용어 “포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "가지는(having)" 등은 동의어이고, 개방형(open-ended) 방식으로, 포함적으로(inclusively) 사용되며, 부가의 요소, 특징, 행위, 동작 등을 배제하지 않는다. 또한, 예를 들어, 요소의 리스트를 연결하기 위해 사용될 때, 용어 "또는"이 리스트 내의 요소들 중 하나, 일부, 또는 전부를 의미하도록, 용어 "또는"은는 (그의 배타적 의미로가 아니라) 그의 포함적 의미로 사용된다.

문구 “X, Y, 및 Z 중 적어도 하나”와 같은 논리합 표현(disjunctive language)은, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 항목(item), 항(term) 등이 X, Y, 또는 Z 중 어느 하나일 수 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 바와 같이 문맥 내에서 달리 이해된다. 따라서, 그러한 논리합 표현은 일반적으로 특정한 실시예가 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나, 또는 Z 중 적어도 하나가 각각 존재할 것을 요구한다는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.

본 명세서에 설명된 실시예의 예시적인 계산, 시뮬레이션, 결과, 그래프, 값, 및 파라미터는 개시된 실시예를 제한하는 것이 아니라 예시하는 것으로 의도된다. 다른 실시예는 본 명세서에서 설명된 예시적인 예와 상이하게 구성 및/또는 동작될 수 있다. 실제로, 본 명세서에서 설명된 신규의 방법 및 시스템은 각종의 다른 형태로 구현될 수 있고; 게다가, 본 명세서에서 설명된 방법 및 시스템의 형태에서의 다양한 생략, 대체 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims

자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템으로서,
외부 전극 및 출구를 갖는 환형 플라스마 전파 채널을 형성하기 위해 상기 외부 전극 내에 상기 외부 전극과 동축으로(coaxially) 배치되고 상기 외부 전극으로부터 이격된 상부 중심 도체를 포함하는, 상기 자화 플라스마를 생성하기 위한 플라스마 생성기;
상기 환형 플라스마 전파 채널의 상류 단부 내로 플라스마 연료를 주입하기 위한 연료 인젝터;
상기 환형 플라스마 전파 채널에 스터핑 자기장(stuffing magnetic field)을 생성하고 상기 자화 플라스마에 폴로이달 필드(poloidal field)를 제공하도록 동작 가능한 하나 이상의 코일;
상기 환형 플라스마 전파 채널의 상기 출구와 유체 연통하고 상기 자화 플라스마가 배기 내부 캐비티 내로 주입되는 입구를 갖는 상기 내부 캐비티를 규정하기 위해 외부 벽 및 상기 외부 벽 내에 상기 외부 벽과 동축으로 위치되고 상기 외부 벽으로부터 이격된 하부 중심 도체를 갖는 플럭스 보존기 - 상기 하부 중심 도체의 한쪽 단부는 상기 상부 중심 도체의 한쪽 단부에 전기적으로 결합되고 상기 하부 중심 도체의 다른 쪽 단부는 상기 플럭스 보존기의 상기 외부 벽에 전기적으로 연결됨 -; 및
전류가 상기 상부 중심 도체 및 상기 하부 중심 도체와 상기 플럭스 보존기의 상기 외부 벽을 따라 흐르도록 상기 상부 중심 도체 및 상기 하부 중심 도체에 전기적으로 결합된 전력 공급원 - 상기 전력 공급원은 상기 플라스마 생성기에서 상기 플라스마 연료로부터 상기 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마를 상기 플럭스 보존기 내로 주입하기 위해 상기 상부 중심 도체 및 상기 외부 전극 사이에서 전류가 상기 플라스마 연료를 방사상으로 가로질러 흐르기에 충분한 형성 전류 펄스를 생성하도록 구성된 형성 전력 회로, 및 상기 플라스마 생성기 및 상기 플럭스 보존기 내에 토로이달 자기장을 생성하기에 충분한 유지 전류 펄스를 상기 상부 중심 도체 및 상기 하부 중심 도체와 상기 플럭스 보존기의 상기 외부 벽을 따라 생성하도록 구성된 유지 전력 회로를 포함함 -
을 포함하는, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유지 전력 회로는 상기 유지 전력 회로를 상기 형성 전력 회로로부터 적어도 부분적으로 전기적으로 격리시키는 버퍼 인덕터를 더 포함하고,
상기 시스템은,
상기 형성 전력 회로 및 상기 유지 전력 회로와 통신하는 프로세싱 유닛을 갖는 제어기, 및
상기 프로세싱 유닛 상에서 실행될 때 상기 플라스마 생성기 및 상기 플럭스 보존기 내에 이미 존재하는 토로이달 필드를 형성하기 위해 상기 형성 전력 회로보다 먼저 상기 유지 전력 회로를 트리거하는 프로그램 코드로 인코딩되어 있는 메모리
를 더 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라스마 연료는 중성 가스이고,
상기 형성 전력 회로는 상기 전류가 상기 플럭스 보존기 둘레를 루핑하기 전에 상기 중성 가스를 브레이크 다운시켜 상기 자화 플라스마를 형성하기에 충분한 값 및 속도로 상기 상부 중심 도체와 상기 외부 전극 사이에 전압을 인가하도록 동작 가능한 적어도 하나의 고속 고전압 스위치를 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환형 플라스마 전파 채널 내에 위치되고 상기 형성 전력 회로에 전기적으로 결합된 적어도 하나의 트리거 전극
을 더 포함하고,
상기 형성 전력 회로는 상기 자화 플라스마를 형성하도록 상기 플라스마 연료를 브레이크 다운시키기에 충분한 브레이크다운 전류 펄스를 상기 트리거 전극에 제공하도록 동작 가능한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제4항에 있어서,
상기 형성 전력 회로는, 상기 상부 중심 도체에 전기적으로 결합되고 상기 형성 전류 펄스를 제공하도록 동작 가능한 주 형성 전력 회로, 및 상기 트리거 전극에 전기적으로 결합되고 상기 브레이크다운 전류 펄스를 제공하도록 동작 가능한 사전 형성 전력 회로를 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라스마 연료는 상기 환형 플라스마 전파 채널의 상기 상류 단부 내로 주입되는 미리 이온화된 가스인 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제6항에 있어서,
상기 환형 플라스마 전파 채널 내에서 상기 연료 인젝터 부근에 위치된 트리거 전극
을 더 포함하는, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라스마 연료는 중성 가스이고,
상기 시스템은,
상기 환형 플라스마 전파 채널 내의 상기 중성 가스를 적어도 부분적으로 이온화시키는 여기 에너지를 상기 환형 플라스마 전파 채널에 제공하는 사전 이온화 수단
을 더 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유지 전력 회로는, 목표 시간 기간 내에 전류 피크의 미리 결정된 값에 도달하는 고속 상승 전류 펄스를 제공하도록 동작 가능한 전류 피킹 회로, 및 상기 시스템에서의 전류 흐름을 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 전류 피크에 유지하도록 구성된 전류 유지 전력 회로를 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하부 중심 도체는 유동하는 액체 금속을 포함하는 액체 금속 가이드이고, 상기 상부 중심 도체는 액체 금속 저장소 및 상기 액체 금속이 유동하여 통과하고 상기 액체 금속 가이드를 형성하는 노즐을 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제10항에 있어서,
상기 플럭스 보존기의 단부 플레이트에서 상기 노즐 아래에 위치된 액체 금속 캐처(liquid metal catcher); 및
상기 액체 금속 캐처에서 포획된 액체 금속이 상기 액체 금속 저장소로 복귀되도록, 상기 액체 금속 캐처와 상기 액체 금속 저장소를 유체적으로 결합시키는 도관 네트워크를 갖는 재순환 시스템
을 더 포함하는, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플럭스 보존기는 액체 금속으로 부분적으로 채워지고,
상기 시스템은,
액체 금속 라이너가 상기 배기 내부 캐비티 내에 형성되도록, 상기 플럭스 보존기 내의 상기 액체 금속의 흐름을 안내하도록 구성된 액체 금속 순환 시스템
을 더 포함한 것인, 자화 플라스마를 생성하고 상기 자화 플라스마의 자기장을 유지하기 위한 시스템.