KR102523488B1 - 자화 플라즈마 생성 및 가속을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

자화 플라즈마를 안정적으로 생성 및 가속하기 위한 방법 및 시스템은 플라즈마 발생기에서 주입된 가스를 이온화하고 형성 자기장을 생성하여 닫힌 폴로이달 필드를 갖는 자화 플라즈마를 형성하는 단계, 상기 자화 플라즈마 뒤에 역 폴로이달 필드를 생성하고 상기 역 폴로이달 필드는 상기 닫힌 폴로이달 필드의 후방 에지와 동일한 필드 방향을 갖고 상기 형성 자기장의 반대 필드 방향을 갖는 단계, 및 상기 닫힌 폴로이달 필드에 대해 상기 역 폴로이달 필드를 밀어내는 푸싱 토로이달 필드를 발생시킴으로써, 상기 플라즈마 발생기의 하류에서 플라즈마 가속기를 통해 상기 자화 플라즈마 토로이드를 가속하는 단계를 포함한다. 상기 역 폴로이달 필드는 상기 자화 플라즈마가 형성된 후 상기 형성 자기장과 닫힌 폴로이달 필드의 재연결을 방지하는 역할을 하며, 이는 상기 푸싱 토로이달 필드가 상기 닫힌 폴로이달 필드와 혼합되도록 하여 불안정성을 유발하고 플라즈마 갇힘(confinement)을 감소시킨다.

Description

자화 플라즈마 생성 및 가속을 위한 시스템 및 방법
본 개시는 일반적으로 자화 플라즈마를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 플라즈마 형성 및 플라즈마 가속 동안 플라즈마 갇힘(또는, 구속)(confinemnet)을 용이하게 하기 위해 플라즈마 장치에서 자기장 구성을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
여기에 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 서술된 물질들은 이 출원의 청구범위들에 대한 선행 기술이 아니며 이 섹션에 포함되어 선행 기술로 인정되지 않는다.
플라즈마는 입자들의 적어도 일부가 이온화된 기체와 유사한 물질 상태이다. 자유롭게 움직이는 하전 입자들(예를 들어, 양이온들 및 음이온들)의 존재는 플라즈마를 전기 전도성으로 만든다. 하전 입자들의 운동에 영향을 줄 만큼 강한 자기장을 가진 플라즈마를 자화 플라즈마라고 한다. 플라즈마 내의 자기장은 자기장 라인들이 닫힌 궤도들(closed orbits)(길이가 무한할 수 있음)에서 자체적으로 루프백(loop back)하도록 구성된 경우 플라즈마 입자들을 가둘 수 있고(confine), 장기간 동안 용기의 벽들(vessel's walls)에 부딪히는 것을 방지할 수 있다. 플라즈마가 차지하는 체적은 원환체(torus)처럼 형성될 수 있으므로, 닫힌(또는, 폐쇄) 자기장 라인(closed magnetic field line)은 플라즈마 체적 내의 특정 토로이달층(toroidal layer)의 표면에서 원형 또는 나선형 경로로 궤도를 돌게 된다. 닫힌 자기장은 뜨거운 플라즈마 코어와 용기의 벽 온도 사이에서 cm당 수백만 켈빈(degrees Kelvin)의 온도 그레디언트(temperature gradient)를 유지하는 매우 우수한 단열재 역할을 한다. 플라즈마 입자들을 가두는 데 사용되는 자기장은 코일들과 전도성 벽들에 흐르는 외부 전류와 플라즈마 자체 내부에 흐르는 전류의 일부 조합에 의해 생성 및 유지될 수 있다. 가능한 자기 갇힘(또는, 구속) 장치들(magnetic confinement devices)의 범위는 자기장을 소싱(source)하기 위해 외부 전류와 내부 전류 사용 사이의 절충 정도에 따라 매개변수화된다. 스텔러레이터들(stellarators)는 완전히 외부 코일들을 사용하여 플라즈마 전류가 거의 없는 자기장을 생성하는 장치이다. 토카막들(tokamaks)은 주로 외부 소스 필드를 가지고 있지만, 플라스마 가열 및 나선형 필드 라인들의 꼬임(twist)을 제어하기 위해 플라스마 전류에 의존한다. RFP(Reversed Field Pinch) 장치들은 토로이달(또는, 환상형) 용기의 중앙 홀을 통해 흐르는 시간 종속 플럭스-코어(time dependent flux-core)의 변압기 작용에 의해 생성되는 상당한 내부 플라즈마 전류에 의존한다. CT(Compact Toroid) 장치들에서, 닫힌(또는, 폐쇄) 자기장은 전적으로 내부 플라즈마 전류에서 생성되므로, CT 플라즈마는 자가 구속 플라즈마(self-confined plasma)라고 한다. CT 플라즈마는 전도성 쉘 또는 외부에서 생성된 자기장에 포함되어 더욱 안정화되고 확장되는 것을 방지할 수 있지만, 이러한 외부 소스는 플라즈마를 직접 가두는 자기장의 닫힌(또는, 폐쇄) 부분을 생성하는 역할을 하지 않는다. 자가 구속에 의해 CT 플라즈마는 한 위치에서 형성될 수 있으며 그 다음 구속 능력을 방해하지 않고 다른 위치로 변환될 수 있다.
플라즈마 토러스(plasma torus)의 표면 상의 자기장의 두 가지 분명한 방향들이 있다: 중앙 홀을 통과하는 토러스 주위로 짧은 길을 가는 폴로이달 방향(poloidal direction)과 토러스의 회전 대칭 축을 도는 긴 길을 가는 토로이달 방향(toroidal direction). 토러스의 체적 전체에 존재하는 임의의 축대칭 벡터 필드(예를 들어, 평형 자기장)는 각 위치에서 벡터를 토로이달과 폴로이달 구성 요소들의 합으로 설명할 수 있다.
플라즈마 토러스의 자기장의 경우, 자기장의 폴로이달 구성 요소는 토로이달 방향으로 플라즈마의 원형 코어를 통해 흐르는 전류(electric current)에 의해 생성된다. 자기장은 또한 문제의 지점을 둘러싸는 토러스의 표면 상에 폴로이달 방향으로 흐르는 전류가 있는 경우 공간의 주어진 지점에서 토로이달 구성 요소를 가질 수 있다. 이러한 방식으로 플라즈마의 에지 근처의 폴로이달 전류는 플라즈마 코어 내부의 토로이달 자기장을 발생시키고, 플라즈마 코어 근처의 토로이달 전류는 플라즈마의 에지 근처의 폴로이달 자기장을 발생시킨다. 축대칭 평형 내에서 주어진 자기장 라인은 특정 서브-토러스의 표면 주위를 감싸고 이동하지 않는다. 이는 해당 표면의 각 토로이달 원으로 둘러싸인 폴로이달 플럭스(flux)의 양이 일정하다는 것을 의미한다. 따라서 이것을 플럭스 표면(플럭스 [Webers] = 자기장 강도 [Tesla] 곱하기 면적 [meters2])이라고 한다. 자속(magnetic flux)의 두 구성 요소들의 위상학적 연결 정도(degree of topological linking)를 자기성 헬리시티(magnetic helicity)라고 하며 전체 폴로이달 자속과 내부에 포함된 토로이달 자속의 양을 곱한 값에 비례한다. 마지막으로, 토러스와 같은 표면을 언급할 때 반드시 정확히 원형이 아닐 수 있는 폴로이달 평면의 단면을 가질 수 있음을 의미한다. (자기 교차점(self-intersections)이 없는) 임의의 부드러운 닫힌(또는, 폐쇄) 곡선을 폴로이달 단면으로 사용할 수 있으며 z-축을 중심으로 회전하여 토러스와 같은 표면 또는 토로이드를 생성할 수 있다.
컴팩트 토로이드(Compact Toroids, CTs)는 두 가지 주요 하위 범주들로 나눌 수 있다; 스페로막(Spheromak) 및 역전 자기계배위(Field Reversed Configuration, FRC). 스페로막 플라즈마(Spheromak plasma)의 자기장은 폴로이달 및 토로이달 자속을 모두 가지고 있어 상당한 헬리시티(또는, 나선성)을 제공한다. 일반적으로 전류가 자기장 라인들과 거의 평행하게 흐르고 파괴적인 불안정성에 대해 안정적인 자기 유체 역학(magnetohydrodynamic, MHD)이 될 수 있는 이완된 최소 에너지 상태(relaxed minimum energy state)에 가깝다. FRC의 필드는 거의 완전히 폴로이달이며 거의 0의 헬리시티를 가지고 있다.
축대칭 MHD 평형의 자기장의 단열 능력은 이론적으로 매우 높지만, 플라즈마 변동으로 인해 이 평형에서 벗어나는 경우 크게 감소할 수 있다. 자기장에서 하전 입자들의 경로는 자기장 라인들과 정렬된 나선형 경로들(helical paths)로 제한되기 때문에, 자기장 라인들이 토로이달 및 폴로이달 방향들로 흐르도록 하고 코어에서 플라즈마의 에지로의 직접적인 경로를 피하기 위해 방사 방향(radial direction)을 따르지 않도록 각별히 주의해야 한다. 플럭스 표면의 토로이달 대 폴로이달 필드의 비율은 필드 라인을 추적하고 하나의 폴로이달 회전을 완료하기 전에 완료되는 토로이달 회전 수를 계산하여 가장 잘 설명할 수 있으며 이 숫자를 "안전 계수(safety factor)"라고 하며 변수 q로 표시된다. 이것이 플라즈마 내에서 방사 방향으로 어떻게 변하는지는 q-프로파일이라는 기능으로 설명되며, q-프로파일의 정확한 모양은 플라즈마의 MHD 안정성을 결정하는 주요 요소이다. 예를 들어, 안전 계수가 정확히 합리적인 값들을 취하는 경우
Figure 112021145042902-pct00001
, 여기서 m과 n은 정수(일반적으로 3보다 작거나 같은 {m, n}의 작은 값들에 대해 최악(worst))이면 플럭스 표면의 각 필드 라인은 비교적 짧은 유한 경로 길이 후에 정확히 다시 닫힌다. 그런 다음 인접 필드 라인들의 변위 섭동(displacement perturbations)은 서로 위상적으로 건설적으로 추가되고, 다른 조건들이 충족되면 유리성(rational) q의 표면 근처 영역에 국한된 축 대칭(불안정성)에서 편차가 커진다. 이러한 불안정한 영역이 여러 개가 겹치면, 원래 플럭스 표면들에서 멀어지는 자기장 라인 변위들이 모든 표면들에 걸쳐 합성되고 단일 필드 라인이 뜨거운 플라즈마 코어에서 방사 방향으로 앞뒤로 방황(wander)할 수 있으며 결국에는 차가운 에지까지 사행(meandering)하게 되고, 열이 코어에서 플라즈마의 에지로 흐르는 거의 직접적인 경로로 작용하여 플라즈마의 열 에너지 갇힘(또는, 구속)(confinement)을 크게 줄인다.
본 발명의 특정 실시예들의 목적은 자화 플라즈마를 안정적으로 생성 및 가속하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
일 측면에서, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 자화 플라즈마 토로이드를 생성하기 위한 플라즈마 발생기 및 특정 거리들에 대해 이러한 자화 플라즈마 토로이드를 가속하기 위해 플라즈마 발생기에 유동적으로(fluidly) 결합(또는, 연결)된 플라즈마 가속기를 포함한다. 가속기는 플라즈마 발생기의 하류 단부와 가속기의 상류 단부가 함께 가속 간격(또는, 가속 갭) 및 이완 영역을 정의하도록 플라즈마 발생기의 하류에 위치된다. 전원은 플라즈마 발생기와 전기적으로 연결되어 있고 플라즈마 가속기는 그 안에서 전원 펄스를 제공하도록 구성되어 있다. 코일들 또는 영구 자석들의 세트와 같은 형성 자기장 발생기는 플라즈마 발생기에서 형성 자기장을 제공하는 데 사용된다. 하나 이상의 추가적인 코일들 또는 영구 자석들과 같은 역 폴로이달 필드 발생기(reverse poloidal field generator)는 가속 간격에 걸쳐 역 폴로이달 자기장(reverse poloidal magnetic field)을 제공하기 위해 가속 간격에 근접하게 위치된다. 역 폴로이달 필드의 방사상 구성 요소는 형성 폴로이달 필드의 방향의 반대이므로, 전원이 가속기에 전류 펄스를 제공할 때, 역 폴로이달 자기장은 자화 플라즈마 뒤의 이완 영역으로 밀려나 플라즈마의 닫힌(또는, 폐쇄) 폴로이달 필드의 후방 에지에 대해 동일한 방사 방향으로 이동하지만 플라즈마 발생기에서 형성 폴로이달 필드의 방향과는 반대이다.
다른 측면에 따르면, 플라즈마 발생기에서 가스를 이온화하고 형성 자기장을 발생시키는 단계; 플라즈마 발생기로부터 이완 영역으로 이동하는 닫힌(또는, 폐쇄) 폴로이달 필드를 갖는 자화 플라즈마 토로이드를 발생시키는 단계; 자화 플라즈마 토로이드 뒤에 역 폴로이달 필드를 발생시키는 단계로서, 역 폴로이달 필드는 닫힌 폴로이달 필드의 후방 에지와 동일한 필드 방향을 갖고 형성 자기장의 반대 필드 방향을 갖는 단계; 및 닫힌 폴로이달 필드에 대해 역 폴로이달 필드를 밀어내는 푸싱(또는, 추진) 토로이달 필드를 발생시킴으로써, 플라즈마 발생기의 하류에서 플라즈마 가속기를 통해 자화 플라즈마 토로이드를 가속하는 단계를 포함하는 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법이 제공된다.
보다 구체적으로, 방법은 가스를 이온화하고 닫힌 폴로이달 필드를 생성하기 위해 플라즈마 발생기에 제1 전류 펄스를 보내는 단계, 및 푸싱 토로이달 필드를 생성하기 위해 플라즈마 가속기에 제2 전류 펄스를 보내는 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마 발생기에서 생성된 후 및 플라즈마 가속기에서 가속하기 전에, 자화 플라즈마 토로이드는 이완 영역에서 확장되고 안정화될 수 있다.
역 폴로이달 필드는 플라즈마 발생기의 하류 단부와 플라즈마 가속기의 상류 단부 사이의 가속 간격을 가로질러 생성될 수 있다. 역 폴로이달 필드를 생성하는 단계는 0.1-0.25*ψCT 범위에서 역 폴로이달 플럭스를 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 ψCT는 자화 플라즈마 토로이드의 총 폴로이달 플럭스이다.
플라즈마 발생기는 환형 플라즈마 형성 채널을 포함할 수 있고, 방법은 플라즈마 형성 채널에 가스를 주입하는 단계 및 콤팩트 토로이드 또는 구형 토카막과 같은 자화 플라즈마 토로이드를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 가스는 수소, 수소의 동위원소, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 및 헬륨 중 어느 하나 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 플라즈마 가속기는 또한 테이퍼링 환형 채널을 포함할 수 있고, 방법은 테이퍼링 환형 채널을 통해 가속하면서 플라즈마 토로이드를 압축 및 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 플라즈마 발생기, 플라즈마 가속기, 적어도 하나의 역 폴로이달 자기장 발생기, 및 적어도 하나의 전원을 포함하는 자화 플라즈마 토로이드를 생성 및 가속하기 위한 시스템이 제공된다. 플라즈마 발생기는 가스를 이온화하도록 작동(또는, 동작) 가능한 이온화 전극들 및 형성 자기장을 발생시키도록 작동 가능한 적어도 하나의 형성 자기장 발생기를 포함한다. 플라즈마 가속기는 플라즈마 발생기에 유동적으로 결합되고 푸싱 토로이달 필드를 생성하도록 작동 가능한 가속기 전극들을 포함한다. 플라즈마 발생기의 하류 단부와 플라즈마 가속기의 상류 단부는 함께 가속 간격 및 이완 영역을 정의하고, 역 폴로이달 자기장 발생기는 가속 간격을 가로질러 역 폴로이달 필드를 생성하도록 작동 가능하다. 이완 영역은 자화 플라즈마 토로이드가 내부에서 팽창(또는, 확장) 및 안정화되도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 전원은 이온화 전극들 및 가속기 전극들에 전기적으로 결합(또는, 연결)된다. 적어도 하나의 전원은 플라즈마 발생기로부터 이완 영역으로 이동하는 닫힌 폴로이달 필드를 갖는 자화 플라즈마 토로이드를 생성하되, 역 폴로이달 필드는 자화 플라즈마 토로이드 뒤에 있고 닫힌 폴로이달 필드의 후방 에지와 동일한 필드 방향을 갖고 형성 자기장의 반대 필드 방향을 가지며, 닫힌 폴로이달 필드에 대해 역 폴로이달 필드를 밀어서 플라즈마 가속기를 통해 자화 플라즈마 토로이드를 가속하기 위해 푸싱 토로이달 필드를 생성하도록 작동 가능하다. 형성 자기장 발생기 및 역 폴로이달 자기장 발생기는 각각 하나 이상의 자기 코일들 또는 영구 자석들을 포함할 수 있다.
강자성 물질은 가속 간격에 걸쳐 역 폴로이달 필드를 증가시키기 위해 가속 간격의 각 사이드에 위치될 수 있다. 강자성 물질은 적어도 하나의 링, 환형 디스크, 또는 가속기 전극들 또는 이온화 전극들의 내부 전극을 둘러싸는(circumscribing) 일련의 이격된 세그먼트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가속기 전극들의 내부 전극의 상류 단부에 위치된 환형 디스크 및 이온화 전극들의 내부 전극의 하류 단부에 위치된 환형 링이 있을 수 있다. 적어도 하나의 역 폴로이달 자기장 발생기의 수와 위치는 0.1-0.25*ψCT의 역 폴로이달 플럭스를 생성하도록 선택될 수 있으며, 여기서 ψCT는 자화 플라즈마 토로이드의 총 폴로이달 플럭스이다. 예를 들어, 형성 자기장 생성기는 3개의 형성 자기 코일들을 포함할 수 있고 역 폴로이달 필드 발생기는 하나의 역 폴로이달 자기 코일을 포함할 수 있다.
이온화 전극들은 환형일 수 있고 콤팩트 토로이드 또는 구형 토카막과 같은 자화 플라즈마 토로이드를 생성하는 환형 플라즈마 형성 채널을 정의한다. 가속기 전극들은 환형일 수 있고 유입구에서 유출구까지 안쪽으로 테이퍼(taper)지는 환형 전파 채널을 정의한다.
적어도 하나의 전원은 적어도 하나의 커패시터 뱅크를 포함할 수 있고, 플라즈마 발생기에 제1 전류 펄스를 제공하고 플라즈마 가속기에 제2 전류 펄스를 제공하도록 작동 가능하다.
본 명세서에 설명된 실시예들에 따르면, 자화 플라즈마를 안정적으로 생성 및 가속하기 위한 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
도면 전체에 걸쳐 참조된 요소들 간의 대응을 나타내기 위해 참조 번호가 재사용될 수 있다. 도면은 여기에 설명된 예시적인 실시예를 예시하기 위해 제공되며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 도면에서 요소의 크기 및 상대적 위치는 반드시 축척에 맞게 그려지는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소의 모양과 각도는 축척에 맞게 그려지지 않으며, 이러한 요소 중 일부는 도면 가독성을 향상시키기 위해 임의로 확대되고 배치된다.
도 1(a)-(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템의 일부의 개략적인 측단면도들(cross-sectional side views)이며, 역 폴로이달 필드 발생기를 포함하며, 예시된 부분은 축 A에 대해 환형(annular)이다.
도 2(a)-(d)는 실험 테스트에 사용된 역 폴로이달 필드 발생기 없이 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템의 일부의 개략적인 측단면도들이다.
도 3(a)는 도 2(a)-(d)에 도시된 시스템을 사용하여 역 폴로이달 자기장이 없는 형성 폴로이달 자기장 구성의 컴퓨터 시뮬레이션의 예를 도시한다.
그림 3(b)는 도 1(a)-(c)에 표시된 시스템을 사용하여 가속 간격에 걸친 폴로이달 자기장 구성 및 역 폴로이달 자기장 구성의 컴퓨터 시뮬레이션 예를 도시한다.
본 명세서에서 앞서 언급한 바와 같이, 자화 플라즈마의 자기장의 대부분은 플라즈마 자체 및/또는 플럭스 보존 챔버의 벽에 흐르는 전류에 의해 생성된다. 닫힌(또는, 폐쇄) 자기장 구조는 플라즈마의 코어에서 에지로의 열과 입자들의 이동(transit)을 억제하여 플라즈마 열 에너지를 제한한다. 플라즈마의 수명과 안정성에 영향을 미치는 주요 요인들 중 일부는 플라즈마 형성 자속 구성, 가스 밸브 타이밍, 플라즈마 파괴(breakdown) 타이밍, 플라즈마 온도, 원치 않는 불순물의 밀도 및 수준(level), 전류 펄스 프로파일, 및 플라즈마 장치의 크기 및 형상이다. 열 전달을 제한하는 한 가지 주요 수단은 q-프로파일의 제어를 통해 MHD 안정성을 제어하는 것이다. q-프로파일은 내부 플라즈마 전류 제어, 플라즈마 기하학 구조(geometry), 및 용기 및 전극들의 벽에 흐르는 전류 제어의 조합을 통해 간접적으로 제어된다.
본 명세서에 설명된 실시예는 자화 플라즈마를 안정적으로 생성 및 가속하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 방법의 실시예는 플라즈마 발생기에서 주입된 가스를 이온화하고 닫힌(또는, 폐쇄) 폴로이달 필드를 갖는 자화 플라즈마를 형성하기 위해 형성 자기장을 생성하는 단계로서, 역 폴로이달 필드가 자화 플라즈마 뒤에 생성되고 닫힌 폴로이달 필드의 후방 에지와 동일한 필드 방향을 가지며 형성 자기장의 반대 필드 방향을 갖는, 형성 자기장을 생성하는 단계, 및 닫힌 폴로이달 필드에 대해 역 폴로이달 필드를 밀어내는 푸싱(또는, 추진) 토로이달 필드를 생성함으로써, 플라즈마 발생기로부터 하류(downstream)에 있는 플라즈마 가속기를 통해 자화 플라즈마를 가속하는 단계를 포함한다. 역 폴로이달 필드는 자화 플라즈마가 형성된 후 형성 자기장과 닫힌 폴로이달 필드의 재연결을 방지하는 역할을 하며, 이는 푸싱 토로이달 필드가 닫힌 폴로이달 필드와 혼합되도록 하여 불안정성을 유발하고 플라즈마 갇힘(또는, 구속)(confinement)을 감소시킨다.
시스템의 실시예가 도 1(a)-(c) 및 도 3(b)에 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 1(a) 및 (b)는 콤팩트 토로이드(CT) 또는 구형 토카막 또는 이들의 조합과 같은 자화 플라즈마 토로이드(11)를 생성 및 가속하기 위한 시스템(10)의 일부를 개략적으로 도시하며, 여기서 도시된 부분은 축 A에 대해 환형이다. 시스템(10)은 환형 플라즈마 발생기(12) 및 플라즈마 발생기(12)의 하류(downstream)에 위치된 환형 가속기(14)를 포함하여 플라즈마 발생기(12)의 하류 단부와 가속기(14)의 상류 단부가 함께 가속 간격(13) 및 이완 영역(22)을 정의한다. 예를 들어, 시스템(10)은 플라즈마 발생기(12)에서 플라즈마 토로이드(11)를 형성(제1 단계)하고 가속기(14)에서 이러한 플라즈마 토로이드(11)를 가속(제2 단계)하기 위해 2단 Marshall 건(gun)에 기초할 수 있다. 플라즈마 발생기(12)는 일반적으로 관형인(tubular) 내부 형성 전극(15) 및 내부 형성 전극(15)에 동축이고 이를 둘러싸는 일반적으로 관형인 외부 전극(16)(총칭하여 "이온화 전극들")을 포함한다. 이온화 전극들(15, 16)은 그 사이에 환형 플라즈마 형성 채널(17)을 정의한다. 일련의 형성 자기 코일(series of formation magnetic coils)(18)을 포함하는 형성 자기장 발생기는 외부 전극(16) 주위 및/또는 형성 전극(15) 내부에 배열되고 전원(미도시)에 결합된다(도 1(c)는 코일들(18)을 생략하여 프레젠테이션의 명확성을 향상). 대안적으로, 형성 자기장 발생기는 하나 이상의 영구 자석(미도시)을 포함할 수 있다. 일련의 형성 자기 코일(18)은 이온화 전극들(15, 16) 사이에서 방사상으로 교차하는 초기 폴로이달 형성 자기장(19)을 생성하기 위해 제공된다. 예를 들어, 자기 코일(18)은 DC 솔레노이드(DC solenoids)일 수 있다. 형성 자기장(19)의 자기장 라인들은 내부 형성 전극(15) 밖으로 그리고 외부 전극(16)으로 지향(directed)될 수 있다. 일 구현에서 형성 자기장(19)은 자기장 라인들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 외부 전극(16)을 통해 내부 전극(15)으로 방사상 내측으로 지향되도록 설정될 수 있다.
플라즈마 토로이드(11)를 형성하기 위해, 외부 전극(16) 주위에 배열된 등간격의 속효성 가스 밸브의 링(a ring of equally-spaced fast-acting gas valves)(미도시)이 제공되어 플라즈마 형성 채널(17) 내로 기 결정된 양의 가스를 대칭적으로 주입한다. 밸브는 전자기 밸브, 압전 밸브 또는 임의의 다른 적절한 밸브 또는 이들의 조합일 수 있다. 밸브를 통해 주입되는 가스의 양은 밸브의 개방 시간 또는 알려진 압력의 가스로 채워진 알려진 부피의 플레넘(plenum)에 의해 결정될 수 있다. 기체는 수소 및/또는 그의 동위원소(중수소, 삼중 수소), 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 또는 임의의 다른 적절한 기체 또는 이러한 기체의 임의의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 가스는 50/50 중수소-삼중 수소 가스의 혼합물일 수 있다.
시스템(10)은 예를 들어 적어도 하나의 커패시터 뱅크 및 바람직하게는 2개 이상의 커패시터 뱅크들을 포함할 수 있고 플라즈마 발생기(12)에 전류 펄스를 제공하도록 작동 가능한 제1 전원(28a)(도 1(a)에만 도시됨)을 포함하는 전원을 더 포함한다. 또한, 시스템(10)은 가속기(14)의 가속 전극들에 전류 펄스를 제공하기 위해 적어도 하나의 커패시터 뱅크 및 바람직하게는 2개 이상의 커패시터 뱅크들을 포함하는 제2 전원(28b)(도 1(a)에만 도시됨)을 포함한다. 예를 들어, 하나의 구성에서 제1 및 제2 전원(28a, 28b)은 각각 플라즈마 발생기(12) 및/또는 가속기(14)에 0.5 - 5 MJ 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 가스가 형성 채널(17)을 채우면, 제1 전원(28a)이 트리거(trigger)될 수 있고 전류가 이온화 전극들(15, 16) 사이에서 방전(discharged)될 수 있다. 예를 들어, 제1 전원(28a)은 하나의 구성에서 이온화 전극들(15, 16) 사이에 10 - 40 kV 펄스를 제공할 수 있다. 다른 확장 구성에서, 전원들(28a, 28b)은 플라즈마 발생기(12) 및/또는 가속기(14)에 0.5 - 50 MJ 에너지를 제공하도록 구성될 수 있고, 제1 전원(28a)은 이온화 전극들(15, 16) 사이에 10 - 100 kV 펄스를 제공할 수 있다. 이온화 전극들(15, 16) 사이에 인가된 전압은 가스를 이온화하고 초기 플라즈마를 형성하도록 작용한다. 형성 자기장 라인들(19)을 따라 주로 방사 방향(radial direction)으로 초기 플라즈마를 통해 흐르는 전류는 플라즈마 온도 및 밀도를 추가로 증가시킨다. 그러한 전류는 전류층(current layer) 뒤의 플라즈마에 토로이달 자기장을 생성하고 자기 압력의 그레디언트(또는, 기울기)는 가속기(14)를 향해 축 방향(axial direction)으로 플라즈마를 앞으로 밀어내는 로렌츠 힘(Lorentz force) = J x B 를 가할 것이다. 플라즈마가 앞으로 나아가면서, 플라즈마는 형성 자기장(19)과 상호작용하여, 진행하는 플라즈마가 자기 재결합 과정을 통해 이탈하게 될 때까지 필드 라인들을 왜곡하고 신장시켜서, 전류에 의한 토로이달 자기장으로부터 유래된 토로이달 자기장 및 원래 형성 자기장(19) 및 플라즈마 동적 효과에 의해 야기되는 가능한 폴로이드 자속 증폭과 플라즈마의 상호작용에 의한 폐쇄된 폴로이드 필드로써 플라즈마 토로이드(11)를 형성하게 된다.
플라즈마 발생기(12)의 하류 단부는 가속기(14)에 유동적으로(fluidly) 결합(또는, 연결)된다. 가속기(14)는 외부 전극(16)과 동축인 내부 가속 전극(20)(총칭하여 "가속 전극들")을 포함한다. 외부 전극(16) 및 내부 가속 전극(20)은 환형 전파 채널(annular propagation channel)(21)을 정의한다. 이 실시예에서, 내부 형성 전극(15)의 하류 단부와 내부 가속 전극(20)의 상류 단부는 함께 가속 간격(13)을 정의한다. 다른 실시예에서, 가속 간격(13)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 외부 전극(16)에 형성될 수 있다. 플라즈마 발생기(12)에서 형성된 플라즈마 토로이드(11)가 이완 영역(22)(도 1(b) 참조)에 들어가면, 약간 확장(또는, 팽창)하고 자기장 라인들이 다시 연결되어 플라즈마 토로이드(11)는 유출구(outlet)를 향해 가속기(14) 아래로 가속되기 전에 안정화될 수 있다. 제2 전원(28b)이 가속 전극(20)과 외부 전극(16) 사이에서 제2 전류 펄스를 방전할 때, 플라즈마 토로이드(11)는 가속 전극(20)과 외부 전극(16) 사이에 흐르는 전류로 인해 생성되는 토로이달 필드(24)로 인해 가속기(14)의 축 방향 하류에서 가속된다. 토로이달 필드(24)는 플라즈마 토로이드(11) 뒤에 위치하고 플라즈마 토로이드(11)를 가속기(14)의 유출구를 향해 밀어내기 때문에 "푸싱(또는, 추진) 토로이달 필드(pushing toroidal field)"로 지칭된다. 가속기(14)는 플라즈마 토로이드(11)가 가속기(14) 아래로 가속될 때 동시에 압축되고 가열되도록 유출구 쪽으로 좁아지는 테이퍼링(tapering) 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 전원(28(b))은 가속기(14)를 가로질러 20 - 100 kV를 제공하여 가속기(14)를 가속할 수 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마 토로이드(11)를 가속기(14) 아래로 압축할 수 있다.
하나 이상의 코일(32)을 포함하는 역 폴로이달 필드 생성기는 폴로이달 형성 자기장(19)과 닫힌 폴로이달 필드(25)의 재연결을 방지하는 역할을 하는 가속 간격(13)을 가로질러 역 폴로이달 필드(30)를 생성하도록 작동 가능하다. 이 역 폴로이달 필드(30)의 방향은 플라즈마 토로이드(11)의 닫힌 폴로이달 필드(25)의 후방 에지와 동일한 방향으로 설정되지만, 폴로이달 형성 자기장(19)의 방향은 반대이다("후방 에지"라는 용어는 도 1(b)와 같이 닫힌 폴로이달 필드의 좌측인 닫힌 폴로이달 필드의 상류 에지를 의미함). 가속 간격(13)을 가로지르는 역 폴로이달 필드(30)가 형성 영역의 폴로이달 형성 자기장(19)보다 역 극성(형성 전극(15)으로부터 간격(13)을 가로질러 가속 전극(20)을 향함)을 갖는다는 사실은 그러한 자기장(30)이 "역" 폴로이달 자기장으로 지칭되는 이유이다. 가속 간격(13)을 통해 형성 전극(16)으로 밀려나고 가속 펄스에 의해 생성된 토로이달 필드(24)로 인해 이완 영역(22)으로 기포가 발생하는 임의의 플라즈마는 플라즈마 토로이드(11)의 닫힌 폴로이달 필드(25)의 후방 에지와 동일한 방향이지만 형성 자기장(19)의 방향과는 반대인 역 폴로이달 필드(30a)를 가질 것이다(도 1(b) 참조). 따라서, 역 폴로이달 필드(30a)를 갖는 가속 간격(13) 밖으로의 플라즈마 버블링(plasma bubbling)은 토로이드(11)의 닫힌 폴로이달 필드(25)와 재연결되지 않을 것이고, 따라서 플라즈마 토로이드(11) 내로 푸싱 토로이달 필드(24)의 확산을 방지한다. 푸싱 토로이달 필드(24)는 플라즈마 토로이드(11)의 외부층(outside layer)에 도달하기 전에 역 폴로이달 필드(30a)를 통해 먼저 확산되어야 하며, 따라서 에지 근처에서 q의 상승을 지연시키고 플라즈마 토로이드(11)를 더 오랫동안 안정하게 유지한다.
역 폴로이달 필드 발생기의 자기 코일(32)은 전원(미도시)에 연결(또는, 결합)되고 역 폴로이달 필드(30)의 파라미터는 생성된 역 폴로이달 필드(30)가 형성 자기 코일(18)에 의해 생성된 형성 자기장(19)과 반대 방향이 되도록 자기 코일(32)을 통한 전류를 조정함으로써 조정될 수 있다. 대안적으로, 역 폴로이달 필드 발생기는 전자기 코일 대신에 하나 이상의 영구 자석(미도시)을 포함할 수 있다.
하나의 구현에서, 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 430 등급 스테인리스강(grade stainless steel)과 같은 강자성 재료(34a, 34b)는 가속 간격(13)의 양 사이드에 배치되어 간격(13)을 가로질러 브리징(bridging)하는 역 폴로이달 필드(30)의 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 강자성 재료는 가속 전극(20)의 상류 단부를 둘러싸는 링(34a) 및/또는 내부(형성) 전극(15)의 하류 단부를 둘러싸는 환형 디스크(34b)일 수 있다. 대안적으로, 강자성 재료는 가속 전극(20)의 상류 단부와 내부 형성 전극(15)의 하류 단부 중 하나 또는 둘다를 둘러싸는 일련의 이격된 강자성 세그먼트들(미도시)을 포함할 수 있다. 역 폴로이달 필드(30)의 양은 플라즈마의 총 폴로이달 플럭스에 의존하고 0.1-0.25*ψCT의 범위에 있을 수 있으며, 여기서 ψCT는 플라즈마의 총 폴로이달 플럭스이다. 예를 들어, ψCT = 300 mWb인 CT의 경우 역 폴로이달 플럭스는 약 ψRP = 30 - 75 mWb일 수 있다. 이것은 단지 예시를 위한 것이며 300 mWb보다 작거나 더 큰 폴로이달 플럭스를 갖는 플라즈마 토러스에 대해 가속 간격(13)을 가로지르는 역 폴로이달 필드(30)의 역 플럭스는 그에 따라 더 작거나 더 큰 값으로 설정될 수 있다. CT의 폴로이달 플럭스 ψCT 파라미터 및 역 플럭스 ψRP 파라미터는 형성 자기 코일(18) 및 역 폴로이달 자기 코일(32)의 수와 위치, 및 이러한 코일들(18, 32)을 통해 흐르는 전류에 의해 제어될 수 있다.
General Fusion, Inc.(캐나다 버나비)에서 역 폴로이달 필드 발생기가 있거나 없는 플라즈마 발생기 및 가속 시스템에 대해 수행한 실험은 형성 자기장(19)의 구성이 형성과 가속 동안 플라즈마 안정성 및 구속(confinement)에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 역 폴로이달 필드 발생기가 없으면 푸싱 토로이달 필드가 닫힌 폴로이달 필드와 혼합되어 불안정성과 플라즈마 구속 감소를 유발할 수 있다.
도 2(a)-(c)를 참조하면, 역 폴로이달 필드 발생기가 없는 플라즈마 생성 및 가속 시스템으로 실험이 수행되었고, 형성 자기장(19)의 구성이 플라즈마 전면(이완 영역(22)에서 가속 간격(13)을 지나서)에서 더 많은 오픈 필드 라인들(open field lines)을 제공할 때, 생성된 플라즈마 토로이드(11)는 플라즈마 발생기(12)에서 더 컴팩트한 구성과 더 긴 온도 수명을 갖는 것으로 밝혀졌다. 그러나 그러한 형성 필드(19)의 구성은 플라즈마 토로이드(11)의 양호한 가속을 방해하고 있었다. 상대적으로 열악한(poor) 가속 성능에 대한 이유는 푸싱 토로이달 필드(24)가 플라즈마 토로이드(11)와 오픈 필드 라인(도 2(a) 참조) 사이에서, 플라즈마 토로이드(11) 앞의 오픈 필드 라인들을 따라 탈출할 수 있기 때문에, 플라즈마 토로이드(11)를 아래쪽으로 미는(또는, 누르는) 대신에 플라즈마 토로이드(11)의 대부분(bulk)이 이완 영역(22)에 머무르는 동안 이러한 오픈 필드 라인들을 날려버린다.
또한 플라즈마 토로이드(11)의 형성 동안 플라즈마(이온화된 가스)의 일부가 가속 간격(13)을 통해 내부(형성) 전극(15)으로 빠져나가는 것이 관찰되었다. 따라서, 제2 (가속) 전류 펄스가 방전되었을 때, 토로이달 필드(24)의 푸싱 토로이달 플럭스는 이러한 플라즈마를 앞으로 밀고, 가속 간격(13)과 간격(13)을 통해 폴로이달 형성 자기장(19a)의 자기장 라인들을 왜곡하고, 플라즈마 토로이드(11) 뒤의 이완 영역(22)으로 그것을 버블링(bubbling)한다(도 2(c) 참조). 가속 간격(13)을 가로지르는 폴로이달 형성 자기장(19a)의 자기장 라인들은 가속 전극(20)으로부터 형성 전극(15)으로 지향된다. 폴로이달 형성 자기장(19a)이 플라즈마 토로이드(11)의 닫힌 폴로이달 필드(25)의 후방 에지로부터 반대 방향에 있기 때문에, 두 개의 폴로이달 필드들(19a, 25)이 재연결되어, 토로이달 필드(24)가 플라즈마의 에지 또는 아마도 심지어 플라즈마 토로이드(11)의 코어로 들어갈 수 있는 명확한 경로(clear path)(26)를 열어 플라즈마 토로이드(11)를 가속기(14) 아래로 밀어내는 대신 추가(extra) 토로이달 플럭스로 팽창시킨다(도 2(d) 참조). 이 경우에, 플라즈마 토로이드(11) 내에서 흐르는 푸싱 토로이달 필드(24)가 플라즈마의 폴로이달 필드(25)를 바깥쪽으로 밀기 때문에, 푸싱 토로이달 필드(24)는 플라즈마의 닫힌 폴로이달 필드(25)와 혼합되고, (속이) 빈 구성(hollow configuration)을 갖는 플라즈마 토로이드(11)를 생성한다. 플라즈마 토로이드(11)의 (속이) 빈 구성에서, 코어에서보다 플라즈마의 에지 근처에서 더 많은 플라즈마 전류가 흐르고, 따라서 플라즈마 가둠(또는, 구속)을 파괴할 수 있는 플라즈마 내에서 불안정성을 생성한다. 플라즈마 토로이드(11)의 닫힌 폴로이달 필드(25)와 푸싱 토로이달 필드(24)의 혼합은 에지 근처에서 q를 상승시키고, 플라즈마의 q 프로파일을 변경하고 플라즈마의 구속을 파괴할 수 있는 플라즈마 불안정성을 생성한다. 푸싱 토로이달 필드(24)와 닫힌 폴로이달 필드(25)의 혼합은 플라즈마 발생기(12) 및 가속기(14)의 길이를 따라 위치된 표면 자기장 센서들(surface magnetic field sensors)(미도시)에 의해 측정되었다. 센서들은 토로이달 필드(24)가 상승함과 동시에 폴로이달 필드(25)가 상승함을 나타내었고, 이는 토로이달 및 폴로이달 필드(24, 25)가 혼합되었음을 나타낸다. 그 다음, 플라즈마 토로이드(11)가 이러한 센서들을 통과함에 따라, 플라즈마 토로이드(11) 뒤의 푸싱 토로이달 필드(24) 때문에 폴로이달 필드(25)는 떨어지고 토로이달 필드(24)는 상승한다.
예를 들어 가속기에 대한 전력을 증가시켜 그러한 (속이) 빈 플라즈마 토로이드(11)(너무 많은 토로이달 플럭스를 포함함)를 가속하려고 하면 블로바이 효과(blow-by effects)의 가능성이 높아진다는 이론이 있다. 푸싱(또는, 추진) 전류의 자기 압력이 가속 전극(20)으로부터 플라즈마 토로이드(11)를 들어올릴 때 블로바이가 발생할 수 있고, 이로써 토로이달 필드(24)의 토로이달 푸싱 플럭스가 플라즈마 토로이드(11)보다 앞서 확장되게 한다. 따라서, 가속기(14)를 가로지르는 전류 펄스가 생성된 토로이달 필드(24)가 너무 빨리 상승하도록 형성되면, 플라즈마 토로이드(11)를 외부 전극(16)을 향해 "위로" 들어올릴 수 있고 가속 전극(20)의 표면에서 플라즈마 "아래로" 통과할 수 있다.
이제 도 3(a) 및 (b)를 참조하면, 오픈 소스 유한 요소 분석 코드 FEMM(David Meeker, dmeeker@ieee.org에서 사용 가능)을 사용하여, 역 폴로이달 필드 발생기가 있거나 없는 플라즈마 생성 및 가속 시스템의 시뮬레이션이 수행되었다. 도 3(a)는 폴로이달 형성 자기장(19)만을 제공하고 역 폴로이달 필드(30)를 제공하지 않는 자기장 구성을 예시한다. 형성 자기장(19)은 3개의 형성 자기 코일들(18a, 18b, 18c)을 사용하여 생성된다. 3개보다 적거나 많은 형성 자기 코일(18)이 폴로이달 형성 자기장(19)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 형성 자기 코일(18) 각각을 통해 흐르는 전류는 플라즈마의 파라미터에 따라 신중하게 조정되고 미리 결정된다. 도 3(b)는 3개의 형성 자기 코일(18)에 의해 형성 자기장(19)이 생성되고 하나의 역 폴로이달 자기 코일(32)을 이용하여 역 폴로이달 필드(30)가 생성되는 자기장 확인(magnetic field confirmation)을 도시한다. 강자성 플레이트(34a) 및 환형 링(34b)은 가속 간격(13)을 가로질러 브리징(bridging)하는 역 폴로이달 필드(30)의 양을 증가시키기 위해 또한 제공된다. 화살표로 표시된 바와 같이, 역 폴로이달 필드(30)의 방향은 형성 자기장(19)의 방향과 반대이다. 당업자는 가속 간격(13)을 가로질러 역 폴로이달 필드(30)의 구성 및 파라미터를 조정하기 위해 하나 이상의 역 폴로이달 자기 코일(32)이 추가될 수 있음을 이해할 것이다. 하나 이상의 역 폴로이달 자기 코일(32)은 가속 갭(13)의 바로 왼쪽(도 3(b)에 도시된 바와 같이) 및 대칭 축 근처에 위치될 수 있어, 자기장 라인들이 가속기 간격의 좌측으로 이동하도록 자기장 구성을 변경할 수 있다. 형성 자기 코일(18) 및 역 폴로이달 자기 코일(들)(32)을 통한 전류 흐름의 파라미터는 플라즈마 토로이드(11)의 기 결정된 파라미터 및 전원(28a, 28b)의 파라미터에 따라 미리 설정될 수 있다.
플라즈마 생성 및 가속 시스템을 위한 시스템의 실시예는 중성자 발생기(neutron generators), 핵융합(nuclear fusion), 핵폐기물 정화(nuclear waste remediation), 의료용 뉴클레오티드 생성(generation of medical nucleotides), 재료 연구(for materials research), 중성자 방사선 촬영(radiography) 및 단층 촬영(tomography)을 통한 물체 내부 구조의 원격 영상화, x선 발생기 등의 적용에 적합한 고에너지 밀도 플라즈마의 생성에 사용될 수 있다.
본 개시의 특정 요소, 실시예 및 적용이 도시되고 설명되었지만, 특히 앞에서 언급한 가르침에 비추어 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 수정이 이루어질 수 있기 때문에 본 개시의 범위가 이에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 예를 들어, 여기에 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 방법/프로세스를 구성하는 행동(acts) 또는 동작(operations)은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있고 임의의 특정 개시된 순서로 반드시 제한되지는 않는다. 요소(elements) 및 구성 요소(components)는 다양한 실시예에서 상이하게 구성 또는 배열될 수 있고, 결합 및/또는 제거될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 특징 및 프로세스는 서로 독립적으로 사용될 수 있거나 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 모든 가능한 조합 및 하위 조합은 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 본 개시물 전체에서 "일부 실시예(some embodiments)", "일 실시예(an embodiment)" 등에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 단계, 프로세스 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 개시 전체에 걸쳐 "일부 실시예에서", "일 실시예에서" 등의 문구의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며, 동일하거나 상이한 실시예 중 하나 이상을 지칭할 수 있다. 실제로, 여기에 설명된 새로운(novel) 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다; 또한, 여기에 설명된 실시예의 다양한 생략, 추가, 대체, 균등물, 재배열 및 변경이 여기에 설명된 발명의 정신을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
적절한 경우 실시예의 다양한 측면 및 이점이 설명되었다. 이러한 모든 양태 또는 이점이 반드시 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 수 있는 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들어, 여기에서 교시되거나 제안될 수 있는 바와 같은 다른 측면 또는 이점을 반드시 달성하지 않으면서 본 명세서에서 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 다양한 실시예가 수행될 수 있음을 인식해야 한다.
본 명세서에서 사용된 조건부 언어, 예를 들어, "할 수 있는(can)", "할 수 있는(could)", "할 수 있는(might)", "할 수 있는(may)", "예를 들어(e.g.,)" 등, 달리 구체적으로 언급되지 않거나 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 일반적으로 특정 실시예는 특정 특징, 요소 및/또는 단계를 포함하지 않는 반면 특정 실시예는 포함한다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로 특징, 요소 및/또는 단계가 하나 이상의 실시예에 대해 어떤 방식으로든 요구되거나 하나 이상의 실시예가 운영자 입력 또는 프롬프트(prompting) 유무에 관계없이 이들 특징, 요소 및/또는 단계는 임의의 특정 실시예에 포함되거나 수행될 것이다. 특정 실시예에 대해 단일 특징(또는, 기능) 또는 특징(또는, 기능) 그룹이 필요하거나 필수 불가결한 것은 아니다. "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "가지는(having)" 등의 용어는 동의어(synonymous)이며 포괄적으로 개방형 방식으로 사용되며 추가 요소, 특징(또는, 기능), 행위, 작업 등을 배제하지 않는다. 또한, "또는(or)"이라는 용어는 포괄적인 의미(배타적 의미가 아님)로 사용되므로, 예를 들어, 요소 목록을 연결하는 데 사용되는 경우 "또는(or)"이라는 용어는 목록의 요소 중 하나, 일부 또는 전체를 의미한다.
"X, Y 및 Z 중 적어도 하나"라는 구와 같은 접속 언어는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z가 될 수 있음을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 문맥과 달리 이해된다. 따라서, 그러한 접속 언어는 일반적으로 특정 실시예가 각각 존재하기 위해 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나를 요구한다는 것을 의미하도록 의도되지 않는다.
여기에 설명된 실시예의 예시적인 계산, 시뮬레이션, 결과, 그래프, 값, 및 파라미터는 개시된 실시예를 제한하려는 것이 아니라 예시하기 위한 것이다. 다른 실시예는 여기에 설명된 예시적인 예와 다르게 구성 및/또는 작동될 수 있다. 실제로, 여기에 설명된 새로운 방법 및 장치는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다; 또한, 여기에 설명된 방법 및 시스템의 형태에서 다양한 생략, 대체 및 변경이 여기에 개시된 발명의 정신을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
10: 시스템
11: 자화 플라즈마 토로이드
12: 플라즈마 발생기
13: 가속 간격
14: 가속기
15: 내부 형성 전극
16: 외부 전극
17: 플라즈마 형성 채널
18: 자기 코일
19: 형성 자기장

Claims (22)

  1. 가스를 이온화하도록 작동 가능한 이온화 전극들 및 형성 자기장을 생성하도록 된 형성 자기장 발생기를 포함하는 플라즈마 발생기;
    상기 플라즈마 발생기에 유동적으로 결합되고, 푸싱 토로이달 필드(pushing toroidal field)를 생성하도록 작동 가능한 가속기 전극들을 포함하는 플라즈마 가속기로서, 상기 플라즈마 발생기의 하류 단부 및 상기 플라즈마 가속기의 상류 단부는 가속 간격 및 이완 영역을 함께 정의하는, 플라즈마 가속기;
    상기 가속 간격을 가로질러 역 폴로이달 필드(reverse poloidal field)를 생성하도록 작동 가능한 역 폴로이달 필드 발생기; 및
    상기 이온화 전극들 및 상기 가속기 전극들에 전기적으로 결합되고, 상기 플라즈마 발생기에서 상기 이완 영역으로 이동하는 닫힌(closed) 폴로이달 필드를 갖는 자화 플라즈마 토로이드를 생성하되, 상기 역 폴로이달 필드는 상기 자화 플라즈마 토로이드 뒤에 있고 상기 닫힌 폴로이달 필드의 후방 에지(back edge)와 동일한 필드 방향의 전면 에지(front edge)를 갖고, 상기 닫힌 폴로이달 필드에 대해 상기 역 폴로이달 필드를 밀어서 상기 플라즈마 가속기를 통해 상기 자화 플라즈마 토로이드를 가속하기 위해 상기 푸싱 토로이달 필드를 생성하도록 작동 가능한, 적어도 하나의 전원을 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 형성 자기장 발생기는 적어도 하나의 자기 코일 또는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 역 폴로이달 필드 발생기는 적어도 하나의 자기 코일 또는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가속 간격을 가로질러 상기 역 폴로이달 필드를 증가시키기 위해 상기 가속 간격의 각 사이드에 위치된 강자성 물질을 더 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 강자성 물질은 링, 환형(annular) 디스크 및 일련의 이격된 세그먼트들 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 가속기 전극들의 내부 전극의 상류 단부 및 상기 이온화 전극들의 내부 전극의 하류 단부 중 하나 또는 모두를 둘러싸는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 역 폴로이달 필드 발생기의 수 및 위치는 0.1-0.25*ψCT의 역 폴로이달 플럭스를 생성하도록 선택되고, ψCT는 상기 자화 플라즈마 토로이드의 총 폴로이달 플럭스인, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 형성 자기장 발생기는 3개의 형성 자기 코일들을 포함하고, 상기 역 폴로이달 필드 발생기는 하나의 역 폴로이달 자기 코일을 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 이온화 전극들은 환형이고 환형 플라즈마 형성 채널을 정의하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 토로이드는 콤팩트 토로이드(compact toroid) 또는 구형 토카막(spherical tokamak)인, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 이완 영역은 상기 플라즈마 토로이드가 내부에서 확장 및 안정화되도록 구성된, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 가속기 전극들은 환형이고 유입구에서 유출구까지 안쪽으로 테이퍼(taper)지는 환형 전파 채널을 정의하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전원은 적어도 하나의 커패시터 뱅크를 포함하고, 상기 플라즈마 발생기에 제1 전류 펄스를 제공하고 상기 플라즈마 가속기에 제2 전류 펄스를 제공하도록 작동 가능한, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
  13. 플라즈마 발생기에서 가스를 이온화하고 형성 자기장을 발생시키고, 상기 플라즈마 발생기로부터 이완 영역으로 이동하는 닫힌 폴로이달 필드를 갖는 자화 플라즈마 토로이드를 발생시키는 단계;
    상기 자화 플라즈마 토로이드 뒤에 역 폴로이달 필드를 발생시키는 단계로서, 상기 역 폴로이달 필드는 상기 닫힌 폴로이달 필드의 후방 에지(back edge)와 동일한 필드 방향의 전면 에지(front edge)를 갖는 단계; 및
    상기 닫힌 폴로이달 필드에 대해 상기 역 폴로이달 필드를 밀어내는 푸싱 토로이달 필드를 발생시킴으로써, 상기 플라즈마 발생기의 하류에서 플라즈마 가속기를 통해 상기 자화 플라즈마 토로이드를 가속하는 단계를 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는 환형 플라즈마 형성 채널을 포함하고, 상기 자화 플라즈마를 형성하는 단계는 상기 환형 플라즈마 형성 채널에 상기 가스를 주입하여 상기 자화 플라즈마 토로이드를 형성하는 단계를 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 자화 플라즈마 토로이드는 콤팩트 토로이드 또는 구형 토카막인, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 가스는 수소, 수소의 동위원소, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 및 헬륨 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기에서 생성된 후 및 상기 플라즈마 가속기에서 가속하기 전에, 상기 자화 플라즈마 토로이드가 상기 이완 영역에서 확장되고 안정화되는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 가스를 이온화하고 상기 닫힌 폴로이달 필드를 창출(create)하기 위해 상기 플라즈마 발생기에 제1 전류 펄스를 보내는 단계, 및 상기 푸싱 토로이달 필드를 생성하기 위해 상기 플라즈마 가속기에 제2 전류 펄스를 보내는 단계를 더 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 역 폴로이달 필드는 상기 플라즈마 발생기의 하류 단부와 상기 플라즈마 가속기의 상류 단부 사이의 가속 간격을 가로질러 생성되는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 역 폴로이달 필드를 생성하는 단계는 0.1-0.25*ψCT의 범위에서 역 폴로이달 플럭스를 생성하는 단계를 포함하고, ψCT는 상기 자화 플라즈마 토로이드의 총 폴로이달 플럭스인, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  21. 제13 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가속기는 테이퍼링 환형 채널을 포함하고, 상기 방법은 상기 테이퍼링 환형 채널을 통해 가속하면서 상기 플라즈마 토로이드를 압축 및 가열하는 단계를 더 포함하는, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하는 방법.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 역 폴로이달 필드는 상기 푸싱 토로이달 필드와 상기 닫힌 폴로이달 필드의 혼합을 억제하도록 된, 자화 플라즈마를 생성 및 가속하기 위한 시스템.
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