KR102590709B1 - 고성능 frc의 개선된 지속성 및 고성능 frc에서의 고속 고조파 전자 가열을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
우수한 안정성은 물론, 입자, 에너지 및 플럭스 구속을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들, 그리고, 보다 상세하게는, 중성 빔 주입 및 고속 고조파 전자 가열을 이용하여 상승된 시스템 에너지들 및 개선된 지속성을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들.
Description
본 명세서에 설명된 실시예들은 일반적으로 FRC(field reversed configuration)를 갖는 자기 플라스마 구속 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 안정성은 물론, 입자, 에너지 및 플럭스 구속을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 그리고, 보다 상세하게는, FRC들에서의 고속 고조파 전자 가열을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
FRC는 콤팩트 토로이드(compact toroid)(CT)라고 알려진 자기 플라스마 구속 토폴로지의 부류에 속한다. FRC는 주로 포로이달 자기 필드(poloidal magnetic field)를 나타내고 제로 또는 작은 자기 발생 토로이달 필드(self-generated toroidal field)를 갖는다(M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988) 참조). 그러한 구성의 매력은 구성(construction) 및 유지의 편의를 위한 그의 단순한 기하학적 형태, 에너지 추출 및 애시(ash) 제거를 용이하게 하기 위한 자연스러운 비제한된 다이버터(divertor), 및 매우 높은 β(β는 FRC 내부에서의 평균 자기 필드 압력에 대한 평균 플라즈마 압력의 비임), 즉 높은 전력 밀도이다. 고 β 성질은 경제적인 운용에 그리고 D-He3 및 pB11과 같은 진보된 어뉴트로닉 연료들(advanced, aneutronic fuels)의 사용에 유리하다.
FRC를 형성하는 전통적인 방법은 고온 고밀도 플라스마를 생성하는 필드 역전된 θ-핀치 기술을 사용한다(A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993) 참조). 이것에 대한 변형은 세타-핀치(theta-pinch) "소스"에서 생성된 플라스마가 일 단부에서 거의 즉각적으로 배출(ejected out)되어 구속 챔버(confinement chamber)로 들어가는 병진이동-포획(translation-trapping) 방법이다. 병진이동하는 플라스모이드(plasmoid)는 이어서 챔버의 양끝에 있는 2개의 강한 미러 사이에 포획된다(예를 들어, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995) 참조). 일단 구속 챔버 내에서, 빔 주입(중성 또는 중성화), 회전 자기 필드, RF 또는 오믹 가열 등과 같은 다양한 가열 및 전류 구동 방법들이 적용될 수 있다. 소스 및 구속 기능의 이러한 분리는 잠재적인 미래의 핵융합로에 대한 주요 엔지니어링 장점을 제공한다. FRC는 동적 형성, 병진이동, 및 격렬한 포집 이벤트들에 대해 극히 강건하고 탄력성 있는 것으로 증명되었다. 더욱이, 이들은 바람직한 플라스마 상태를 취하는 경향을 보인다(예컨대, H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004) 참조). 지난 10년 동안 상당한 진보가 이루어져, 다른 FRC 형성 방법들: 반대로 지향된 나선도들(helicities)로 스페로막들(spheromaks)을 병합하는 것(예컨대, Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, and T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999) 참조) 및 회전 자기 필드(RMF)로 전류를 구동하는 것(예컨대, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999) 참조)을 발전시켰으며, 이는 부가의 안정성을 또한 제공한다.
최근에, 오래 전에 제안된 충돌-병합 기술(예컨대, D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966) 참조)이 상당히 더 발전되었으며: 구속 챔버의 대향 단부들에서 2개의 별개의 세타-핀치는 2개의 플라스모이드를 동시에 생성하고 플라스모이드를 고속으로 서로를 향해 가속시키며; 이들은 이어서 구속 챔버의 중심에서 충돌하고 병합하여 복합 FRC(compound FRC)를 형성한다. 지금까지 가장 큰 FRC 실험들 중 하나의 구성 및 성공적인 운용에서, 종래의 충돌-병합 방법은 안정적이고 수명이 길며, 고 플럭스, 고온 FRC를 생산하는 것으로 나타났다(예컨대, M. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al , Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010) 참조).
FRC는 세파라트릭스(separatrix) 내부의 폐쇄 필드 라인들(closed field lines)의 토러스(torus) 및 세파라트릭스 바로 외부의 개방 필드 라인들(open field lines) 상의 환형 에지 층(annular edge layer)으로 이루어져 있다. 에지 층은 FRC 길이를 넘어서 제트들(jets)로 합쳐져 자연스러운 다이버터를 제공한다. FRC 토폴로지는 필드 역전된 미러(Field-Reversed-Mirror) 플라스마의 토폴로지와 일치한다. 그렇지만, 중요한 차이점은 FRC 플라스마가 약 10의 β를 갖는다는 것이다. 본질적인 낮은 내부 자기 필드는 특정한 고유 운동 입자 집단(indigenous kinetic particle population), 즉 FRC 단반경(minor radius)과 비슷한 큰 라머 반경들(larmor radii)을 갖는 입자들을 제공한다. 이러한 강력한 운동 효과들은 충돌-병합 실험에서 생성된 것들과 같은 과거 및 현재 FRC들의 전체 안정성에 적어도 부분적으로 기여하는 것으로 보인다.
과거의 FRC 실험들은 입자 통과(particle transport)에 의해 대체로 결정되는 에너지 구속에 따른 대류 손실(convective losses)에 의해 좌우되는 경향이 있었다. 입자들은 세파라트릭스 볼륨으로부터 주로 반경방향으로 확산하고, 이어서 에지 층에서 축방향으로 손실된다. 그에 따라, FRC 구속은 폐쇄 및 개방 필드 라인 영역들 둘 다의 특성들에 의존한다. 세파라트릭스로부터의 입자 확산 시간은 로서 스케일링되고(a ~ rs/4, 여기서 rs는 중앙 세파라트릭스 반경임), 는, 와 같은, 특성 FRC 확산도이며, 는 외부에서 인가된 자기 필드에서 평가되는, 이온 자이로반경(ion gyroradius)을 나타낸다. 에지 층 입자 구속 시간 는 과거의 FRC 실험들에서 본질적으로 축방향 통과 시간이다. 정상 상태에서, 반경방향 입자 손실과 축방향 입자 손실 사이의 밸런스는 세파라트릭스 밀도 구배 길이 를 산출한다. FRC 입자 구속 시간은 세파라트릭스에서 상당한 밀도를 가지는 과거의 FRC들에 대해 로서 스케일링된다(예컨대, M. TUSZEWSKI, "Field Reversed Configurations," Nucl. Fusion 28, 2033 (1988) 참조).
종래기술의 FRC 시스템 설계들의 다른 단점은 이온-전자 충돌을 통한 전자들에 대한 전력 댐핑(power damping)의 메커니즘으로 인해 불량한 전자 가열 효율을 갖는 경향이 있는, 중성 빔 주입 이외의 효율적인 전자 가열 레짐들이 없다는 것이다.
따라서, 전술한 것을 고려하여, 미래의 에너지 생성을 위한 경량 핵융합(fusion of light nuclei)을 위한 원자로 코어에 대한 통로로서 상승된 에너지 시스템들에서 정상 상태 FRC를 사용하기 위해 FRC의 지속성을 개선하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 제공되는 본 실시예들은 우수한 안정성은 물론, 입자, 에너지 및 플럭스 구속을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 상승된 시스템 에너지들 및 개선된 지속성을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 그리고, 보다 상세하게는, FRC들에서의 고속 고조파 전자 가열을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 개시내용의 일 실시예에 따르면, FRC를 갖는 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법은 구속 챔버에서 플라스마 주위에 FRC를 형성하는 단계, 복수의 중성 빔들을 구속 챔버의 중간 평면을 향해 일정 각도로 FRC 플라스마 내로 주입하는 단계, 및 FRC 플라스마의 코어에서 전자 가열을 위해 FRC 플라스마 내로 라디오 주파수 범위들에서의 고속 고조파들을 출사(launch)하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 구속 챔버의 중간 관통 평면(mid through plane)으로부터 일정 각도로 FRC 플라스마 내로 라디오 주파수 범위들 내의 고속 고조파들을 출사함으로써 FRC를 감쇠(decay) 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하고 플라스마 전자 온도를 약 1.0 keV 초과로 상승시키는 단계를 더 포함한다.
라디오 주파수 범위들 내의 고속 고조파들을 통해 전자들을 가열하는 것은 유리하게도 고속 이온들 전하-교환 손실을 감소시키고 플라스마 구속을 개선시키는 것은 물론, 전자 온도 Te에 따라 올라가는, 플라스마 전류 구동 효율을 향상시킨다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 구속 챔버의 중간 평면(mid-plane)을 향해 일정 각도로 제1 및 제2 CT 인젝터들로부터의 콤팩트 토로이드(CT) 플라스마들을 FRC 플라스마 내로 주입하는 단계를 더 포함하며, 여기서 제1 및 제2 CT 인젝터들은 구속 챔버의 중간 평면의 대향 측면들 상에서 정반대로 대향된다(diametrically opposed).
본 개시내용의 일 실시예에 따르면, FRC를 갖는 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템은 구속 챔버, 구속 챔버에 커플링된 제1 및 제2 정반대로 대향된 FRC 형성 섹션들, 제1 및 제2 형성 섹션들에 커플링된 제1 및 제2 다이버터들 - 복수의 플라스마 건들(plasma guns) 중 하나 이상, 하나 이상의 바이어싱 전극(biasing electrodes) 및 제1 및 제2 미러 플러그들(mirror plugs) - 복수의 플라스마 건들은 제1 및 제2 다이버터들, 제1 및 제2 형성 섹션들 및 구속 챔버에 동작가능하게 커플링된 제1 및 제2 축방향 플라스마 건들을 포함하고, 하나 이상의 바이어싱 전극은 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 중 하나 이상 내에 배치되고, 제1 및 제2 미러 플러그들은 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 다이버터들 사이에 배치됨 -, 구속 챔버 및 제1 및 제2 다이버터들에 커플링된 게터링 시스템, 구속 챔버에 커플링되고 구속 챔버의 중간 평면을 향해 경사진 복수의 중성 원자 빔 인젝터들 - 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 주위에 배치된 복수의 준-dc 코일들, 및 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 다이버터들 사이에 배치된 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트를 포함하는 자기 시스템, 및 구속 챔버 내의 FRC 플라스마의 코어에서의 전자 가열을 위한 라디오 주파수 범위들 내의 고속 고조파들을 출사하기 위해 구속 챔버에 커플링된 하나 이상의 안테나를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 시스템은 구속 챔버의 중간 평면을 향해 일정 각도로 구속 챔버에 커플링된 제1 및 제2 콤팩트 토로이드(CT) 인젝터들을 더 포함하고, 여기서 제1 및 제2 CT 인젝터들은 구속 챔버의 중간 평면의 대향 측면들 상에서 정반대로 대향된다(diametrically opposed).
예시적인 실시예들의 시스템들, 방법들, 특징들 및 장점들은 하기의 도면들 및 상세한 설명을 검토하면 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이거나 명백해질 것이다. 그러한 부가의 방법들, 특징들 및 장점들 전부가 이 설명 내에 포함되고 첨부된 청구항들에 의해 보호되는 것이 의도되어 있다. 청구항들이 예시적인 실시예들의 상세들을 요구하도록 제한되지 않는 것이 또한 의도되어 있다.
본 명세서의 일부로서 포함되는 첨부 도면들은 현재의 예시적인 실시예들을 설명하고, 이상에서 주어진 전반적인 설명 및 이하에서 주어진 예시적인 실시예들의 상세한 설명과 함께, 본 실시예들의 원리들을 설명하고 교시하는 역할을 한다.
도 1은 고성능 FRC 레짐(HPF) 하에서, 종래의 FRC 레짐(CR) 하에서, 및 다른 종래의 FRC 실험들에서의 본 FRC 시스템에서의 입자 구속을 예시하고 있다.
도 2는 본 FRC 시스템의 컴포넌트들 및 본 FRC 시스템에서 생성가능한 FRC의 자기 토폴로지를 예시하고 있다.
도 3a는 중앙 구속 베셀, 형성 섹션, 다이버터들, 중성 빔들, 전극들, 플라스마 건들, 미러 플러그들, 및 펠릿 인젝터의 바람직한 배열을 포함하는, 상부로부터 보는 바와 같은 본 FRC 시스템의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 3b는 상부로부터 보는 바와 같은 중앙 구속 베셀을 예시하고, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각인 각도로 배열된 중성 빔들을 도시하고 있다.
도 3c는 상부로부터 보는 바와 같은 중앙 구속 베셀를 예시하고 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열되고 중앙 구속 베셀의 중간 평면을 향해 입자들을 주입하도록 지향된 중성 빔들을 도시하고 있다.
도 3d 및 도 3e는, 제각기, 중앙 구속 베셀, 형성 섹션, 내측 및 외측 다이버터들, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열된 중성 빔들, 전극들, 플라스마 건들 및 미러 플러그들의 바람직한 배열을 포함하는, 본 FRC 시스템의 대안 실시예의 기본 레이아웃의 상면도 및 사시도를 예시하고 있다.
도 4는 형성 섹션들에 대한 펄스 전력 시스템의 컴포넌트들의 개략도를 예시하고 있다.
도 5는 개별 펄스 전력 형성 스키드(pulsed power formation skid)의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 6은 형성 튜브 어셈블리의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 7은 중성 빔 시스템 및 주요 컴포넌트들의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 8은 구속 챔버 상의 중성 빔 배열의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 9는 Ti 및 Li 게터링 시스템들의 바람직한 배열의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 10은 다이버터 챔버에 설치된 플라스마 건의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다. 연관된 자기 미러 플러그 및 다이버터 전극 어셈블리가 또한 도시되어 있다.
도 11은 구속 챔버의 축방향 단부에서의 환형 바이어스 전극의 바람직한 레이아웃을 예시하고 있다.
도 12는 중앙 금속 구속 챔버 내부에 매립된 2개의 필드 역전된 세타 핀치 형성 섹션 및 자기 프로브에서의 일련의 외부 반자성 루프들로부터 획득된 FRC 시스템에서의 배제된 플럭스 반경의 전개(evolution)를 예시하고 있다. 시간은 형성 소스들에서의 동기화된 필드 역전의 순간부터 측정되며, 거리 z는 기계의 축방향 중간 평면을 기준으로 주어진다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는 본 FRC 시스템 상에서의 대표적인 비-HPF, 비-지속 방출(non-HPF, un-sustained discharge)로부터의 데이터를 예시하고 있다. 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 13a), 중간 평면 CO2 간섭계로부터의 선 적분된 밀도의 6개의 코드(chords)(도 13b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨 반전된 밀도 반경방향 프로파일들(Abel-inverted density radial profiles)(도 13c), 및 압력 밸런스로부터 전체 플라스마 온도(도 13d)가 시간의 함수들로서 도시되어 있다.
도 14는 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 본 FRC 시스템의 동일한 방출에 대한 선택된 시간들에서의 배제된 플럭스 축방향 프로파일들을 예시하고 있다.
도 15는 구속 챔버의 외부에 장착된 새들 코일들의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 주입된 중성 빔들의 FRC 수명과 펄스 길이의 상관들을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 보다 긴 빔 펄스들은 보다 긴 수명의 FRC들을 생성한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 FRC 성능 및 HPF 레짐의 달성에 대한 FRC 시스템의 상이한 컴포넌트들의 개별 및 결합 효과들을 예시하고 있다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 본 FRC 시스템 상에서의 대표적인 HPF, 비-지속 방출로부터의 데이터를 예시하고 있다. 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 18a), 중간 평면 CO2 간섭계로부터의 선 적분된 밀도의 6개의 코드(도 18b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨 반전된 밀도 반경방향 프로파일들(도 18c), 및 압력 밸런스로부터 전체 플라스마 온도(도 18d)가 시간의 함수들로서 도시되어 있다.
도 19는 플럭스 구속(flux confinement)을 전자 온도(Te)의 함수로서 예시하고 있다. 이는 HPF 방출에 대한 새로 확립된 우수한 스케일링 레짐의 그래픽 표현을 나타낸다.
도 20은 비-경사진 및 경사진 주입된 중성 빔들의 펄스 길이에 대응하는 FRC 수명을 예시하고 있다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e는 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이 및 경사진 주입된 중성 빔들의 펄스 길이에 대응하는 플라스마 반경, 플라스마 밀도, 플라스마 온도, 및 자기 플럭스의 FRC 플라스마 파라미터들 수명을 예시하고 있다.
도 22a 및 도 22b는 콤팩트 토로이드(CT) 인젝터의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 23a 및 도 23b는 CT 인젝터가 장착되어 있는 것을 보여주는 중앙 구속 베셀을 예시하고 있다.
도 24a 및 도 24b는 드리프트 튜브(drift tube)가 커플링되어 있는 CT 인젝터의 대안 실시예의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 25는 상부로부터 본 중앙 구속 베셀을 예시한 것이며, 중앙 구속 베셀에서 주 대칭축에 직교보다 작은 각도로 배열되고 입자들을 중앙 구속 베셀의 중간 평면을 향해 주입하도록 지향된 중성 빔들을 도시하고, 안테나들을 도시하고 있으며 안테나들로부터의 고속 고조파들은 중앙 구속 베셀에서 주 대칭축에 직교보다 작은 각도로 전파되고 플라스마 전자들의 가열을 위해 중앙 구속 베셀의 중간 평면으로부터 전파하도록 지향된다.
도 26a 및 도 26b는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마의 완전한 반경방향 밀도 프로파일 및 완전한 반경방향 전자 온도 프로파일을 예시하고 있다.
도 27a 내지 도 27d는 본 FRC 시스템의 중간 평면(Z=0)에서의 시스템 평형 및 특성 주파수의 반경방향 프로파일들을 예시하고 있다.
도 28a 내지 도 28c는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 8GHz의 마이크로파의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수 및 모드 변환의 관찰들을 예시하고 있다.
도 29a 내지 도 29f는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 50GHz의 마이크로파의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수 및 모드 변환의 관찰들을 예시하고 있다.
도 30a 내지 도 30c는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 0.5 GHz의 휘슬러 파(whistler wave)의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수의 관찰들을 예시하고 있다.
도 31은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 밀도 프로파일 및 파 전파를 예시하고 있다.
도 32는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 폴로이달 플럭스 프로파일 및 파 전파를 예시하고 있다.
도 33은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 밀도 프로파일 및 파 전파 궤적을 예시하고 있다.
도 34는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 <기호> 프로파일 및 파 전파 궤적을 예시하고 있다.
도 35는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 파 전파의 거리에 따른 예시적인 전력 댐핑을 예시하고 있다.
도 36은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 흡수 프로파일을 예시하고 있다.
도 37a 및 도 37b는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 전력 밀도의 예시적인 반경방향 프로파일들을 예시하고 있다.
도 38은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 댐핑 전력 밀도의 예시적인 2D 프로파일을 예시하고 있다.
도 39는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 댐핑 프로파일을 예시하고 있다.
도 40은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 예시적인 유한-이온-라머-반경 프로파일(finite-ion-Larmor-radius profile)을 예시하고 있다.
도 41은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 흡수 프로파일을 예시하고 있다.
도 42는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마의 예시적인 프로파일을 예시하고 있다.
도면들이 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 유사한 구조들 또는 기능들의 요소들이 도면들 전체에 걸쳐 예시 목적들을 위해 비슷한 참조 번호들로 일반적으로 표현된다는 점에 유의해야 한다. 도면들이 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들의 설명을 용이하게 하는 것으로만 의도되어 있다는 점에 또한 유의해야 한다. 도면들은 본 명세서에 개시된 교시내용들의 모든 양태를 반드시 설명하는 것은 아니며 청구항들의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 고성능 FRC 레짐(HPF) 하에서, 종래의 FRC 레짐(CR) 하에서, 및 다른 종래의 FRC 실험들에서의 본 FRC 시스템에서의 입자 구속을 예시하고 있다.
도 2는 본 FRC 시스템의 컴포넌트들 및 본 FRC 시스템에서 생성가능한 FRC의 자기 토폴로지를 예시하고 있다.
도 3a는 중앙 구속 베셀, 형성 섹션, 다이버터들, 중성 빔들, 전극들, 플라스마 건들, 미러 플러그들, 및 펠릿 인젝터의 바람직한 배열을 포함하는, 상부로부터 보는 바와 같은 본 FRC 시스템의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 3b는 상부로부터 보는 바와 같은 중앙 구속 베셀을 예시하고, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각인 각도로 배열된 중성 빔들을 도시하고 있다.
도 3c는 상부로부터 보는 바와 같은 중앙 구속 베셀를 예시하고 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열되고 중앙 구속 베셀의 중간 평면을 향해 입자들을 주입하도록 지향된 중성 빔들을 도시하고 있다.
도 3d 및 도 3e는, 제각기, 중앙 구속 베셀, 형성 섹션, 내측 및 외측 다이버터들, 중앙 구속 베셀에서의 주 대칭축에 직각보다 작은 각도로 배열된 중성 빔들, 전극들, 플라스마 건들 및 미러 플러그들의 바람직한 배열을 포함하는, 본 FRC 시스템의 대안 실시예의 기본 레이아웃의 상면도 및 사시도를 예시하고 있다.
도 4는 형성 섹션들에 대한 펄스 전력 시스템의 컴포넌트들의 개략도를 예시하고 있다.
도 5는 개별 펄스 전력 형성 스키드(pulsed power formation skid)의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 6은 형성 튜브 어셈블리의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 7은 중성 빔 시스템 및 주요 컴포넌트들의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 8은 구속 챔버 상의 중성 빔 배열의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 9는 Ti 및 Li 게터링 시스템들의 바람직한 배열의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 10은 다이버터 챔버에 설치된 플라스마 건의 부분 단면 등각 투영도를 예시하고 있다. 연관된 자기 미러 플러그 및 다이버터 전극 어셈블리가 또한 도시되어 있다.
도 11은 구속 챔버의 축방향 단부에서의 환형 바이어스 전극의 바람직한 레이아웃을 예시하고 있다.
도 12는 중앙 금속 구속 챔버 내부에 매립된 2개의 필드 역전된 세타 핀치 형성 섹션 및 자기 프로브에서의 일련의 외부 반자성 루프들로부터 획득된 FRC 시스템에서의 배제된 플럭스 반경의 전개(evolution)를 예시하고 있다. 시간은 형성 소스들에서의 동기화된 필드 역전의 순간부터 측정되며, 거리 z는 기계의 축방향 중간 평면을 기준으로 주어진다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는 본 FRC 시스템 상에서의 대표적인 비-HPF, 비-지속 방출(non-HPF, un-sustained discharge)로부터의 데이터를 예시하고 있다. 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 13a), 중간 평면 CO2 간섭계로부터의 선 적분된 밀도의 6개의 코드(chords)(도 13b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨 반전된 밀도 반경방향 프로파일들(Abel-inverted density radial profiles)(도 13c), 및 압력 밸런스로부터 전체 플라스마 온도(도 13d)가 시간의 함수들로서 도시되어 있다.
도 14는 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 본 FRC 시스템의 동일한 방출에 대한 선택된 시간들에서의 배제된 플럭스 축방향 프로파일들을 예시하고 있다.
도 15는 구속 챔버의 외부에 장착된 새들 코일들의 등각 투영도를 예시하고 있다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 주입된 중성 빔들의 FRC 수명과 펄스 길이의 상관들을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 보다 긴 빔 펄스들은 보다 긴 수명의 FRC들을 생성한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 FRC 성능 및 HPF 레짐의 달성에 대한 FRC 시스템의 상이한 컴포넌트들의 개별 및 결합 효과들을 예시하고 있다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 본 FRC 시스템 상에서의 대표적인 HPF, 비-지속 방출로부터의 데이터를 예시하고 있다. 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경(도 18a), 중간 평면 CO2 간섭계로부터의 선 적분된 밀도의 6개의 코드(도 18b), CO2 간섭계 데이터로부터의 아벨 반전된 밀도 반경방향 프로파일들(도 18c), 및 압력 밸런스로부터 전체 플라스마 온도(도 18d)가 시간의 함수들로서 도시되어 있다.
도 19는 플럭스 구속(flux confinement)을 전자 온도(Te)의 함수로서 예시하고 있다. 이는 HPF 방출에 대한 새로 확립된 우수한 스케일링 레짐의 그래픽 표현을 나타낸다.
도 20은 비-경사진 및 경사진 주입된 중성 빔들의 펄스 길이에 대응하는 FRC 수명을 예시하고 있다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e는 경사진 주입된 중성 빔의 펄스 길이 및 경사진 주입된 중성 빔들의 펄스 길이에 대응하는 플라스마 반경, 플라스마 밀도, 플라스마 온도, 및 자기 플럭스의 FRC 플라스마 파라미터들 수명을 예시하고 있다.
도 22a 및 도 22b는 콤팩트 토로이드(CT) 인젝터의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 23a 및 도 23b는 CT 인젝터가 장착되어 있는 것을 보여주는 중앙 구속 베셀을 예시하고 있다.
도 24a 및 도 24b는 드리프트 튜브(drift tube)가 커플링되어 있는 CT 인젝터의 대안 실시예의 기본 레이아웃을 예시하고 있다.
도 25는 상부로부터 본 중앙 구속 베셀을 예시한 것이며, 중앙 구속 베셀에서 주 대칭축에 직교보다 작은 각도로 배열되고 입자들을 중앙 구속 베셀의 중간 평면을 향해 주입하도록 지향된 중성 빔들을 도시하고, 안테나들을 도시하고 있으며 안테나들로부터의 고속 고조파들은 중앙 구속 베셀에서 주 대칭축에 직교보다 작은 각도로 전파되고 플라스마 전자들의 가열을 위해 중앙 구속 베셀의 중간 평면으로부터 전파하도록 지향된다.
도 26a 및 도 26b는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마의 완전한 반경방향 밀도 프로파일 및 완전한 반경방향 전자 온도 프로파일을 예시하고 있다.
도 27a 내지 도 27d는 본 FRC 시스템의 중간 평면(Z=0)에서의 시스템 평형 및 특성 주파수의 반경방향 프로파일들을 예시하고 있다.
도 28a 내지 도 28c는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 8GHz의 마이크로파의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수 및 모드 변환의 관찰들을 예시하고 있다.
도 29a 내지 도 29f는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 50GHz의 마이크로파의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수 및 모드 변환의 관찰들을 예시하고 있다.
도 30a 내지 도 30c는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 0.5 GHz의 휘슬러 파(whistler wave)의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수의 관찰들을 예시하고 있다.
도 31은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 밀도 프로파일 및 파 전파를 예시하고 있다.
도 32는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 폴로이달 플럭스 프로파일 및 파 전파를 예시하고 있다.
도 33은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 밀도 프로파일 및 파 전파 궤적을 예시하고 있다.
도 34는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 <기호> 프로파일 및 파 전파 궤적을 예시하고 있다.
도 35는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 파 전파의 거리에 따른 예시적인 전력 댐핑을 예시하고 있다.
도 36은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 흡수 프로파일을 예시하고 있다.
도 37a 및 도 37b는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 전력 밀도의 예시적인 반경방향 프로파일들을 예시하고 있다.
도 38은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 댐핑 전력 밀도의 예시적인 2D 프로파일을 예시하고 있다.
도 39는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 댐핑 프로파일을 예시하고 있다.
도 40은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서 예시적인 유한-이온-라머-반경 프로파일(finite-ion-Larmor-radius profile)을 예시하고 있다.
도 41은 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 흡수 프로파일을 예시하고 있다.
도 42는 본 FRC 시스템의 FRC 플라스마의 예시적인 프로파일을 예시하고 있다.
도면들이 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 유사한 구조들 또는 기능들의 요소들이 도면들 전체에 걸쳐 예시 목적들을 위해 비슷한 참조 번호들로 일반적으로 표현된다는 점에 유의해야 한다. 도면들이 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들의 설명을 용이하게 하는 것으로만 의도되어 있다는 점에 또한 유의해야 한다. 도면들은 본 명세서에 개시된 교시내용들의 모든 양태를 반드시 설명하는 것은 아니며 청구항들의 범위를 제한하지 않는다.
본 명세서에서 제공된 본 실시예들은 우수한 안정성은 물론 입자, 에너지 및 플럭스 구속을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 실시예들 중 일부는 중성 빔 주입 및 고속 고조파 전자 가열을 이용하여 상승된 시스템 에너지들 및 온도들 및 개선된 지속성을 갖는 FRC들을 형성하고 유지하는 것을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
본 명세서에 설명된 실시예들의 대표적인 예들 - 이 예들은 이러한 부가의 특징들 및 교시내용들 중 다수를 개별적으로도 조합해서도 이용함 - 이 이제 첨부 도면들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 이 상세한 설명은 본 교시내용들의 바람직한 양태들을 실시하기 위한 추가 상세들을 본 기술분야의 통상의 기술자에게 교시하는 것으로 의도된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 이하의 상세한 설명에 개시된 특징들 및 단계들의 조합들은 가장 넓은 의미로 본 발명을 실시하는 데 필요하지 않을 수 있으며, 그 대신에 본 교시내용들의 대표적인 예들을 상세히 설명하기 위해서만 교시되어 있다.
더욱이, 대표적인 예들 및 종속 청구항들의 다양한 특징들은 본 교시내용들의 부가의 유용한 실시예들을 제공하기 위해 구체적으로 그리고 명시적으로 나열되지 않은 방식들로 결합될 수 있다. 그에 부가하여, 상세한 설명 및/또는 청구항들에 개시된 모든 특징들이 실시예들 및/또는 청구항들에서의 특징들의 구성들과 무관하게 원래의 개시내용의 목적을 위해서는 물론 청구된 주제를 제한하는 목적을 위해 서로 개별적으로 그리고 독립적으로 개시되도록 의도된다는 점이 명시적으로 언급된다. 엔티티들의 그룹들의 모든 값 범위들 또는 표시들이 원래의 개시내용의 목적을 위해서는 물론 청구된 주제를 제한하는 목적을 위해 모든 가능한 중간 값 또는 중간 엔티티를 개시한다는 점이 또한 명시적으로 언급된다.
FRC 플라스마들에서 고속 고조파 전자 가열을 용이하게 하는 시스템들 및 방법들을 살펴보기 전에, 종래의 FRC들에 비해 우수한 안정성은 물론, 우수한 입자, 에너지 및 플럭스 구속을 갖는 고성능 FRC들을 형성하고 유지하는 시스템들 및 방법들에 대한 논의는 물론, 고성능 FRC들을 형성하고 감쇠 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하기 위한 시스템들 및 방법들에 대한 논의가 제공된다. 그러한 고성능 FRC들은 콤팩트한 중성자 소스들(의료용 동위원소 생산, 핵 폐기물 제염, 재료들 연구, 중성자 방사선 촬영 및 단층 촬영), (화학물 생산 및 프로세싱을 위한) 콤팩트한 광자 소스들, 질량 분리 및 농축 시스템들, 및 미래 에너지 세대를 위한 경량 핵융합을위한 원자로 코어들을 포함하는 매우 다양한 응용분야들로의 통로를 제공한다.
FRC들에 우수한 구속 레짐이 있는지를 평가하기 위해 다양한 부속 시스템들 및 동작 모드들이 조사되었다. 이러한 노력은 본 명세서에 설명된 고성능 FRC 패러다임의 개발 및 획기적인 발견들을 이끌어냈다. 이러한 새로운 패러다임에 따라, 본 시스템들 및 방법들은 도 1에 예시된 바와 같은 FRC 구속을 극적으로 개선시키는 것은 물론 부정적인 부작용들 없이 안정성 제어를 제공하기 위한 다수의 새로운 착안들 및 수단들을 겸비한다. 이하에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 도 1은 FRC를 형성하고 유지하기 위한 고성능 FRC 레짐(HPF)에 따라 동작하는 이하(도 2 및 도 3 참조)에서 설명되는 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속을, FRC를 형성하고 유지하기 위한 종래의 레짐 CR에 따라 동작하는 경우, 그리고 다른 실험들에서 사용되는 FRC를 형성하고 유지하기 위한 종래의 레짐들에 따른 입자 구속과 대비하여 묘사하고 있다. 본 개시내용은 FRC 시스템(10)의 혁신적인 개별 컴포넌트들 및 방법들은 물론 이들의 집단적 효과들을 약술하고 상술할 것이다.
FRC
시스템
진공 시스템
도 2 및 도 3은 본 FRC 시스템 (10)의 개략도를 묘사하고 있다. FRC 시스템(10)은 2개의 정반대로 대향된 역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션들(200)에 의해 둘러싸인 중앙 구속 베셀(100) 및, 형성 섹션들(200)을 넘어, 중성 밀도 및 불순물 오염을 제어하기 위한 2개의 다이버터 챔버(300)을 포함한다. 본 FRC 시스템(10)은 초고진공을 수용하도록 제작되었고 10-8 torr의 전형적인 베이스 압력들에서 동작한다. 그러한 진공 압력들은 메이팅 컴포넌트들 사이의 이중 펌핑된 메이팅 플랜지들, 금속 O-링들, 고순도 내부 벽들의 사용은 물론, 물리적 및 화학적 클리닝과 그에 뒤이은 24 시간 250 ℃ 진공 베이킹 및 수소 글로 방전 클리닝과 같은, 조립 이전의 모든 부품들의 주의깊은 초기 표면 컨디셔닝을 요구한다.
역전된 필드 세타-핀치 형성 섹션들(200)은, 비록 이하(도 4 내지 도 6 참조)에서 상세히 논의되는 진보된 펄스 전력 형성 시스템을 갖지만, 표준 필드 역전된 세타-핀치들(field-reversed-theta-pinchs: FRTP들)이다. 각각의 형성 섹션(200)은 초순수 석영(ultrapure quartz)의 2 밀리미터 내부 라이닝(inner lining)을 특징으로 하는 표준 불투명 산업 등급 석영 튜브들로 제조된다. 구속 챔버(100)는 다수의 반경방향 및 접선방향 포트들을 가능하게 해주기 위해 스테인리스 스틸로 제조되며; 이는 이하에서 설명되는 실험들의 시간스케일에서 플럭스 보존기(flux conserver)로서 또한 역할하고 고속 자기 과도현상들(magnetic transients)을 제한한다. 진공은 드라이 스크롤 러핑 펌프들(dry scroll roughing pumps), 터보 분자 펌프들 및 크라이오 펌프들(cryo pumps)의 세트를 갖는 FRC 시스템(10) 내에서 생성되고 유지된다.
자기 시스템
자기 시스템(400)은 도 2 및 도 3에 예시되어 있다. 도 2는, 특징들 중에서도 특히, FRC 시스템(10)에 의해 생성가능한 FRC(450)에 관한 FRC 자기 플럭스 및 밀도 컨투어들을 (반경방향 및 축방향 좌표들의 함수로서) 예시하고 있다. 이러한 컨투어들은 FRC 시스템(10)에 대응하는 시스템들 및 방법들을 시뮬레이트하도록 개발된 코드를 사용하여 2-D 저항 홀-MHD 수치 시뮬레이션(2-D resistive Hall-MHD numerical simulation)에 의해 획득되었으며, 측정된 실험 데이터와 잘 일치한다. 도 2에 보이는 바와 같이, FRC(450)는 세파라트릭스(451) 내부의 FRC(450)의 내부(453)에서의 폐쇄 필드 라인들의 토러스, 및 세파라트릭스(451) 바로 외부의 개방 필드 라인들(452) 상의 환형 에지 층(456)으로 이루어져 있다. 에지 층(456)은 FRC 길이를 넘어서 제트들(454)로 합쳐져 자연스러운 다이버터를 제공한다.
주 자기 시스템(410)은 FRC 시스템(10)의 컴포넌트들을 따라, 즉 구속 챔버(100), 형성 섹션들(200) 및 다이버터들(300)을 따라 특정의 축방향 위치들에 위치되는 일련의 준-dc 코일들(412, 414 및 416)을 포함한다. 준-dc 코일들(412, 414 및 416)은 준-dc 스위칭 전력 공급장치들에 의해 피드되고 구속 챔버(100), 형성 섹션들(200) 및 다이버터들(300)에 약 0.1 T의 기본 자기 바이어스 필드들을 생성한다. 준-dc 코일들(412, 414 및 416)에 부가하여, 주 자기 시스템(410)은 구속 챔버(100)의 어느 한 단부와 인접한 형성 섹션들(200) 사이에 (스위칭 전력 공급장치들에 의하여 피드되는) 준-dc 미러 코일들(420)을 포함한다. 준-dc 미러 코일들(420)은 최대 5의 자기 미러 비들(magnetic mirror ratios)을 제공하고 평형 셰이핑 제어(equilibrium shaping control)를 위해 독립적으로 에너지를 공급받을 수 있다. 그에 부가하여, 미러 플러그들(440)은 형성 섹션들(200) 및 다이버터들(300) 각각 사이에 배치된다. 미러 플러그들(440)은 콤팩트한 준-dc 미러 코일들(430) 및 미러 플러그 코일들(444)을 포함한다. 준-dc 미러 코일들(430)은 미러 플러그 코일들(444)을 통과하는 작은 직경의 통로(442)를 향해 자기 플럭스 표면들(455)을 포커싱하기 위한 부가의 가이드 필드들을 생성하는 (스위칭 전력 공급장치들에 의해 피드되는) 3개의 코일(432, 434 및 436)을 포함한다. 작은 직경의 통로(442)를 랩 어라운드하고 LC 펄스 전력 회로부에 의해 피드되는 미러 플러그 코일들(444)은 최대 4 T의 강한 자기 미러 필드들을 생성한다. 이러한 코일 배열 전체의 목적은 자기 플럭스 표면들(455) 및 엔드-스트리밍 플라스마 제트들(454)을 타이트하게 번들링하여 다이버터들(300)의 원격 챔버들(310) 내로 안내하는 것이다. 마지막으로, 새들 코일 "안테나들"(460)의 세트(도 15 참조)는 구속 챔버(100)의 외부에, 중간 평면의 각각의 측면에 2개씩, 위치되고, dc 전력 공급장치들에 의해 피드된다. 새들 코일 안테나들(460)은 회전 불안정성들을 제어하는 것 및/또는 전자 전류 제어를 위해 약 0.01 T의 준-정적 자기 쌍극자 또는 사중극자 필드를 제공하도록 구성될 수 있다. 새들 코일 안테나들(460)은, 인가된 전류들의 방향에 따라, 기계의 중간 평면에 대해 대칭이거나 반대칭인 자기 필드들을 유연하게 제공할 수 있다.
펄스 전력 형성 시스템들
펄스 전력 형성 시스템들(210)은 변형된 세타-핀치 원리로 동작한다. 각각이 형성 섹션들(200) 중 하나에 전력을 공급하는 2개의 시스템이 있다. 도 4 내지 도 6은 형성 시스템들(210)의 주 빌딩 블록들 및 배열을 예시하고 있다. 형성 시스템(210)은 각각이 형성 석영 튜브들(240)을 랩 어라운드하는 스트랩 어셈블리(230)(=스트랩들)의 코일들(232)의 서브세트에 에너지를 공급하는 개별 유닛들(=스키드들)(220)로 이루어진 모듈식 펄스 전력 배열로 구성된다. 각각의 스키드(220)는 커패시터들(221), 인덕터들(223), 고속 고전류 스위치들(225) 및 연관된 트리거(222) 및 덤프(dump) 회로부(224)로 구성된다. 전체적으로, 각각의 형성 시스템(210)은, FRC들을 형성하고 가속시키기 위해 최대 35 GW의 전력을 제공하는, 350 내지 400 kJ의 용량성 에너지를 저장한다. 이러한 컴포넌트들의 코디네이트된(coordinated) 동작은 각각의 형성 섹션(200) 상의 형성 시스템들(210) 사이의 동기화된 타이밍을 가능하게 해주고 스위칭 지터를 수십 나노초로 최소화하는 종래 기술의 트리거 및 제어 시스템(222 및 224)을 통해 달성된다. 이러한 모듈식 설계의 장점은 그의 유연한 동작이다: FRC들은 인-시츄(in-situ) 형성되고 이어서 가속되어 주입되거나(=정적 형성) 또는 형성됨과 동시에 가속될 수 있다(=동적 형성).
중성 빔 인젝터들
중성 원자 빔들(600)은 가열 및 전류 구동을 제공하는 것은 물론 고속 입자 압력을 발생시키기 위해 FRC 시스템(10) 상에 설치된다(deployed). 도 3a, 도 3b 및 도 8에 도시된 바와 같이, 중성 원자 빔 인젝터 시스템들(610 및 640)을 포함하는 개별 빔 라인들은 중앙 구속 챔버(100) 주위에 위치되고, 타깃 포획 존(target trapping zone)이 세파라트릭스(451)(도 2 참조) 내에 잘 놓이도록 충격 파라미터를 사용하여 FRC 플라스마에 접선방향으로 (그리고 중앙 구속 베셀(100)의 주 대칭축에 수직으로 또는 그에 직각인 각도로) 고속 입자들을 주입한다. 각각의 인젝터 시스템(610 및 640)은 최대 1 MW의 중성 빔 전력을 20 내지 40 keV의 입자 에너지들을 갖는 FRC 플라즈마 내로 주입할 수 있다. 시스템들(610 및 640)은 양이온 다중 애퍼처 추출 소스들에 기초하고, 기하학적 포커싱, 이온 추출 그리드들의 관성 냉각 및 차동 펌핑(differential pumping)을 이용한다. 상이한 플라스마 소스들을 사용하는 것 이외에, 시스템들(610 및 640)은 그 각자의 장착 위치들을 충족시켜 측면과 상부 주입 능력들을 산출하도록 기본적으로 그들의 물리적 설계에 의해 차별화된다. 측면 인젝터 시스템들(610)에 대해 이러한 중성 빔 인젝터들의 전형적인 컴포넌트들은 도 7에 구체적으로 예시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 개별 중성 빔 시스템(610)은 입력단에 있는 RF 플라스마 소스(612)(이것은 시스템들(640)에서 아크 소스로 대체됨)를 포함하고 자기 스크린(614)이 입력단을 커버한다. 이온 광학 소스 및 가속 그리드들(616)은 플라스마 소스(612)에 커플링되고 게이트 밸브(620)는 이온 광학소스 및 가속 그리드들(616)과 중성화기(neutralizer)(622) 사이에 배치된다. 편향 자석(624) 및 이온 덤프(ion dump)(628)는 출구단에서 중성화기(622)와 조준 디바이스(aiming device)(630) 사이에 위치된다. 냉각 시스템은 2개의 크라이오 냉동기(cryo-refrigerators)(634), 2개의 크라이오패널(cryopanels)(636) 및 LN2 슈라우드(shroud)(638)를 포함한다. 이러한 유연한 설계는 넓은 범위의 FRC 파라미터들에 걸친 동작을 가능하게 해준다.
중성 원자 빔 인젝터들(600)에 대한 대안의 구성은 고속 입자들을 FRC 플라스마에 접선방향으로, 그러나 중앙 구속 베셀(100)에서의 주 대칭축에 대해 90° 미만의 각도(A)로 주입하는 것이다. 빔 인젝터들(615)의 이러한 타입들의 배향이 도 3c에 도시되어 있다. 그에 부가하여, 빔 인젝터들(615)은 중앙 구속 베셀(100)의 중간 평면의 양측에 있는 빔 인젝터들(615)이 그들의 입자들을 중간 평면을 향해 주입하도록 배향될 수 있다. 마지막으로, 이러한 빔 시스템들(600)의 축방향 위치는 중간 평면에 보다 가깝게 선택될 수 있다. 이러한 대안의 주입 실시예들은 보다 중앙의 보급(fueling) 옵션을 용이하게 하며, 이는 빔들의 보다 양호한 커플링 및 주입된 고속 입자들의 보다 높은 포획 효율을 제공한다. 게다가, 각도 및 축방향 위치에 따라, 빔 인젝터들(615)의 이러한 배열은 FRC(450)의 축방향 신장(axial elongation) 및 다른 특성들의 보다 직접적이고 독립적인 제어를 가능하게 해준다. 예를 들어, 베셀의 주 대칭축에 대해 얕은 각도 A로 빔들을 주입하는 것은 보다 긴 축방향 연장 및 보다 낮은 온도를 갖는 FRC 플라스마를 생성할 것인 반면, 보다 수직인 각도 A를 선택하는 것은 축방향으로 보다 짧지만 보다 고온의 플라스마를 가져올 것이다. 이러한 방식으로, 빔 인젝터들(615)의 주입 각도(A) 및 위치는 상이한 목적들을 위해 최적화될 수 있다. 그에 부가하여, 빔 인젝터들(615)의 이러한 각도형성(angling) 및 위치결정은 (일반적으로 보다 적은 빔 발산으로 보다 많은 전력을 퇴적하는 데 보다 유리한) 보다 높은 에너지의 빔들이 그렇지 않았으면 그러한 빔들을 포획하는 데 필요하게 될 것보다 낮은 자기 필드들 내에 주입될 수 있게 해줄 수 있다. 이것은 그것이 (일정한 빔 에너지에서 베셀의 주 대칭축에 대한 주입 각도가 감소되기 때문에 점진적으로 보다 작아지게 되는) 고속 이온 궤도 스케일을 결정하는 에너지의 방위각 컴포넌트(azimuthal component)라는 사실에 기인한다. 게다가, 축방향 빔 위치들이 중간 평면에 가까운 상태에서 중간 평면을 향한 경사진 주입은, FRC 플라스마가 주입 기간 동안 축소(shrinks)되거나 다른 방식으로 축방향으로 수축(contracts)되더라도, 빔-플라스마 커플링을 개선시킨다.
도 3d 및 도 3e를 참조하면, FRC 시스템(10)의 다른 대안의 구성은 경사진 빔 인젝터들(615)에 부가하여 내측 다이버터들(302)을 포함한다. 내측 다이버터들(302)은 형성 섹션들(200)과 구속 챔버(100) 사이에 배치되고, 외측 다이버터들(300)과 실질적으로 유사하게 구성되고 동작한다. 고속 스위칭 자기 코일들을 포함하는 내측 다이버터들(302)은 형성 FRC들이 구속 챔버(100)의 중간 평면을 향해 병진이동할 때 형성 FRC들이 내측 다이버터들(302)을 통과할 수 있게 해주기 위해 형성 프로세스 동안 사실상 비활성이다. 형성 FRC들이 내측 다이버터들(302)을 통과하여 구속 챔버(100) 내로 일단 들어가면, 내측 다이버터들은 외측 다이버터들과 실질적으로 유사하게 동작하여 구속 챔버(100)를 형성 섹션들(200)로부터 격리시키기 위해 활성화된다.
펠릿 인젝터
새로운 입자들을 주입하고 FRC 입자 인벤토리(particle inventory)를 보다 잘 제어하기 위한 수단을 제공하기 위하여, 12-배럴(barrel) 펠릿 인젝터(700)(예컨대, I. Vinyar et al, "Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A," Proceedings of the 26th Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010) 참조)가 FRC 시스템(10) 상에서 이용된다. 도 3은 FRC 시스템(10) 상에서의 펠릿 인젝터(700)의 레이아웃을 예시하고 있다. 원통형 펠릿들(D ~ 1 mm, L ~ 1 내지 2 mm)은 150 내지 250 km/s의 범위의 속도로 FRC 내로 주입된다. 각각의 개별 펠릿은, FRC 입자 인벤토리와 비슷한, 약 5x1019개의 수소 원자를 포함한다.
게터링 시스템들
중성 할로 가스는 모든 구속 시스템들에서 심각한 문제인 것으로 잘 알려져 있다. 전하 교환 및 재순환(charge exchange and recycling)(벽으로부터 저온 불순물 물질의 방출) 프로세스는 에너지 및 입자 구속에 대한 파괴적 효과를 가질 수 있다. 그에 부가하여, 에지에서의 또는 에지 근방에서의 중성 가스의 임의의 상당한 밀도는 주입된 대궤도(고에너지) 입자들(대궤도는 FRC 토폴로지의 스케일의 궤도들 또는 적어도 특성 자기 필드 구배 길이 스케일보다 훨씬 더 큰 궤도 반경들을 가지는 입자들을 지칭함)의 수명의 빠른 손실을 가져오거나 수명을 적어도 심각하게 단축시킬 것이며, 이는 보조 빔 가열을 통한 융합을 포함하는, 모든 에너지 플라스마 응용분야들에 유해하다.
표면 컨디셔닝은 중성 가스 및 불순물들의 유해한 효과들이 구속 시스템에서 제어되거나 감소될 수 있는 수단이다. 이를 위해 본 명세서에서 제공된 FRC 시스템(10)은 구속 챔버(또는 베셀)(100)의 플라스마 직면 표면들(plasma facing surfaces) 및 다이버터들(300 및 302)을 Ti 및/또는 Li의 막들(수십 마이크로미터 두께)로코팅하는 티타늄 및 리튬 퇴적 시스템들(810 및 820)을 이용한다. 코팅들은 기상 퇴적 기술들을 통해 달성된다. 고체 Li 및/또는 Ti가 증발되고 그리고/또는 승화되며 근방의 표면들 상으로 스프레이되어 코팅들을 형성한다. 소스들은 가이드 노즐들(Li의 경우에)(822)을 갖는 원자 오븐들이거나 또는 가이드 슈라우딩(guide shrouding)(Ti의 경우에)(812)을 갖는 가열된 고체 구체들이다. Li 증발기 시스템들은 전형적으로 연속 모드에서 동작하는 반면 Ti 승화기들은 대체로 플라스마 동작들 사이에서 간헐적으로 동작된다. 이러한 시스템들의 동작 온도들은 빠른 퇴적 레이트들을 획득하기 위해 600℃ 초과이다. 양호한 벽 커버리지를 달성하기 위해, 다수의 전략적으로 위치된 증발기/승화기 시스템들이 필요하다. 도 9는 FRC 시스템(10)에서의 게터링 퇴적 시스템들(810 및 820)의 바람직한 배열을 상술한다. 코팅들은 게터링 표면들로서 작용하고 원자 및 분자 수소 종들(H 및 D)을 효과적으로 펌핑한다. 코팅들은 탄소 및 산소와 같은 다른 전형적인 불순물들을 미미한 레벨들로 또한 감소시킨다.
미러 플러그들
앞서 언급된 바와 같이, FRC 시스템(10)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 미러 코일 세트들(420, 430, 및 444)을이용한다. 제1 미러 코일 세트(420)는 구속 챔버(100)의 2개의 축방향 단부에 위치되고, 주 자기 시스템(410)의 DC 구속, 형성 및 다이버터 코일들(412, 414 및 416)로부터 독립적으로 에너지를 공급받는다. 제1 미러 코일 세트(420)는 병합 동안 FRC(450)을 스티어링하고 축방향으로 포함하는 것을 기본적으로 돕고 지속 동안 평형 셰이핑 제어를 제공한다. 제1 미러 코일 세트(420)는 중앙 구속 코일들(412)에 의해 생성된 중앙 구속 필드보다 명목상 더 높은자기 필드들(약 0.4 내지 0.5 T)을 생성한다. 3개의 콤팩트한 준-dc 미러 코일(432, 434 및 436)을 포함하는, 제2 미러 코일 세트(430)는 형성 섹션들(200)과 다이버터들(300) 사이에 위치되고 공통 스위칭 전력 공급장치에 의해 구동된다. 미러 코일들(432, 434 및 436)은, (용량성 전력 공급장치에 의해 피드되는) 보다 콤팩트한 펄스 미러 플러그 코일들(444) 및 물리적 수축부(physical constriction)(442)와 함께, (약 10 내지 20 ms의 상승 시간들을 갖는 2 내지 4T의) 매우 높은 자기 필드들을 갖는 좁은 저 가스 컨덕턴스 경로를 제공하는 미러 플러그들(440)을 형성한다. 가장 콤팩트한 펄스 미러 코일들(444)은, 구속 코일들(412, 414 및 416)의 미터-플러스-스케일 보어 및 팬케이크 설계(meter-plus-scale bore and pancake design)에 비해, 20 cm 및 유사한 길이의 콤팩트한 반경방향 치수의 보어를 갖는다. 미러 플러그들(440)의 목적은 다각적(multifold)이다: (1) 코일들(432, 434, 436 및 444)은 자기 플럭스 표면들(452) 및 엔드-스트리밍 플라스마 제트들(454)을 타이트하게 번들링하여 원격 다이버터 챔버들(300) 내로 안내한다. 이것은 배기(exhaust) 입자들이 다이버터들(300)에 적절히 도달하는 것과 중앙 FRC(450)의 개방 필드 라인(452) 영역으로부터 다이버터들(300)에 이르기까지 트레이스하는 연속 플럭스 표면들(455)이 있음을 보장한다. (2) FRC 시스템(10)에서의 물리적 수축부들(442) - 이들을 통한 자기 플럭스 표면들(452) 및 플라스마 제트들(454)의 통과를 코일들(432, 434, 436 및 444)이 가능하게 해줌 - 은 다이버터들(300)에 놓여 있는 플라스마 건들(350)로부터의 중성 가스 흐름에 대한 방해를 제공한다. 동일한 맥락에서, 수축부들(442)은 형성 섹션들(200)로부터 다이버터들(300)로의 가스의 역-스트리밍(back-streaming)을 방지하며 그로써 FRC의 기동(startup)을 시작할 때 FRC 시스템(10) 전체에 도입되어야 하는 중성 입자들의 수를 감소시킨다. (3) 코일들(432, 434, 436 및 444)에 의해 생성된 강한 축방향 미러들은 축방향 입자 손실을 감소시키고 그로써 개방 필드 라인들 상에서의 평행 입자 확산도(parallel particle diffusivity)를 감소시킨다.
도 3d 및 도 3e에 도시된 대안 구성에서, 로우 프로파일 네킹 코일들(low profile necking coils)의 세트(421)는 내측 다이버터들(302)과 형성 섹션들(200) 사이에 배치된다.
축방향 플라스마 건들
다이버터들(300)의 다이버터 챔버들(310)에 장착된 건들(350)로부터의 플라스마 스트림들은 안정성 및 중성 빔 성능을 개선시키도록 의도된다. 건들(350)은 도 3 및 도 10에 예시된 바와 같이 다이버터들(300)의 챔버(310) 내부의 축 상에 장착되고 다이버터(300)의 개방 플럭스 라인들(452)을 따라 구속 챔버(100)의 중심을 향해 흐르는 플라스마를 생성한다. 건들(350)은 와셔-스택 채널(washer-stack channel)에서 고밀도 가스 방출로 동작하며, 5 내지 10ms 동안 수 킬로암페어의 완전히 이온화된 플라스마(fully ionized plasma)를 생성하도록 설계된다. 건들(350)은 출력 플라스마 스트림을 구속 챔버(100)에서의 플라스마의 원하는 크기와 매칭시키는 펄스 자기 코일을 포함한다. 건들(350)의 기술적 파라미터들은 5 내지 13 cm 외경 및 최대 약 10 cm의 내경을 가지는 채널을 특징으로 하고, 0.5 내지 2.3 T의 건-내부 자기 필드로 400 내지 600 V에서 10 내지 15 kA의 방출 전류를 제공한다.
건 플라스마 스트림들은 미러 플러그들(440)의 자기 필드들을 관통하여 형성 섹션(200) 및 구속 챔버(100) 내로 흐를 수 있다. 미러 플러그(440)를 통한 플라즈마 전달의 효율은 건(350)과 플러그(440) 사이의 거리의 감소에 따라 증가하고 플러그(440)를 보다 넓게 그리고 보다 짧게 하는 것에 의해 증가한다. 타당한 조건들 하에서, 건들(350) 각각은, 제각기, 약 150 내지 300 eV 및 약 40 내지 50 eV의 높은 이온 및 전자 온도들을 갖는 2 내지 4 T 미러 플러그들(440)을 통해 초당 대략 1022개의 양성자들을 전달할 수 있다. 건들(350)은 FRC 에지 층(456)의 상당한 재보급(refueling), 및 개선된 전체적인 FRC 입자 구속을 제공한다.
플라스마 밀도를 추가로 증가시키기 위하여, 부가의 가스를 건들(350)로부터 플라스마 스트림으로 퍼핑(puff)하는 데 가스 박스가 이용될 수 있다. 이 기술은 주입된 플라스마 밀도의 몇 배 증가를 가능하게 해준다. FRC 시스템(10)에서, 미러 플러그들(440)의 다이버터(300) 측에 설치된 가스 박스는 FRC 에지 층(456)의 재보급, FRC(450)의 형성, 및 플라스마 라인 타잉(line-tying)을 개선시킨다.
앞서 논의된 모든 조정 파라미터들이 주어지면 그리고 단지 하나의 또는 양쪽 건들과의 동작이 가능한 것을 또한 고려하면, 광범위한 동작 모드들이 액세스가능하다는 것은 즉각 명백하다.
바이어싱 전극들
개방 플럭스 표면들의 전기적 바이어싱은 속도 전단(velocity shear)을 통해 개방 필드 라인 플라스마는 물론 실제 FRC 코어(450)의 회전을 제어하기 위해, 노브를 회전시키는 것과 유사한, 제어 메커니즘을 제공하는 방위각의 ExB 운동을 야기하는 반경방향 전위들을 제공할 수 있다. 이러한 제어를 달성하기 위하여, FRC 시스템(10)은 기계의 다양?h 부분들에 전략적으로 배치된 다양한 전극들을 이용한다. 도 3은 FRC 시스템(10) 내의 바람직한 위치들에 배치된 바이어싱 전극들을 묘사하고 있다.
원칙적으로, 4가지 부류의 전극들이 있다: (1) 국소적 대전(local charging)을 제공하기 위해 FRC(450)의 에지에서 특정의 개방 필드 라인들(452)과 접촉하는 구속 챔버(100) 내의 포인트 전극들(905), (2) 방위각 대칭(azimuthally symmetric) 방식으로 원위-에지 플럭스 층들(far-edge flux layers)(456)을 대전시키기 위한 구속 챔버(100)와 형성 섹션들(200) 사이의 환형 전극들(900), (3) 다수의 동심 플럭스 층들(455)을 대전시키기 위한 다이버터들(300)에서의 동심 전극들(910)의 스택들(여기서, 층들의 선택은 적절한 전극들(910) 상에서 원하는 플럭스 층들(456)을 종단시키도록 다이버터 자기 필드를 조정하기 위해 코일들(416)을 조정하는 것에 의해 제어가능함), 및 마지막으로 (4) (FRC(450)의 세파라트릭스 근방에서 내측 개방 플럭스 표면들(455)을 차단시키는) 플라즈마 건들(350) 자체의 애노드들(920)(도 10 참조). 도 10 및 도 11은 이들 중 일부에 대한 일부 전형적인 설계들을 도시하고 있다.
모든 경우들에서, 이러한 전극들은 최대 약 800 V의 전압들에서 펄스 또는 dc 전원들에 의해 구동된다. 전극 크기 및 어떤 플럭스 표면들이 교차되는지에 따라, 전류는 킬로 암페어 범위에서 인출될 수 있다.
FRC
시스템의 비-지속 동작 - 종래의
레짐
FRC 시스템(10) 상에서의 표준 플라스마 형성은 잘 발달된 역전된 필드-세타-핀치 기술을 따른다. FRC를 기동시키기 위한 전형적인 프로세스는 준-dc 코일들(412, 414, 416, 420, 432, 434 및 436)을 정상 상태 동작으로 구동하는 것에 의해 시작한다. 펄스 전력 형성 시스템들(210)의 RFTP 펄스 전력 회로들은 이어서 형성 섹션들(200)에 약 -0.05 T의 일시적인 역전된 바이어스를 생성하기 위해 펄스 고속 역전된 자기 필드 코일들(232)을 구동한다. 이 시점에서, 9 내지 20 psi의 미리 결정된 양의 중성 가스가 형성 섹션들(200)의 외측 단부들 상에 위치된 플랜지들에 있는 방위각 배향된 퍼프 베일들(azimuthally-oriented puff-vales)의 세트를 통해 (N극 및 S극) 형성 섹션들(200)의 석영 튜브 챔버들(240)에 의해 정의된 2개의 형성 볼륨 내로 주입된다. 다음으로, 중성 가스 칼럼들 내에 국소 시드 이온화 영역들(local seed ionization regions)의 형태로 전이온화(pre-ionization)를 생성하기 위해 작은 RF (~ 수백 킬로헤르쯔) 필드가 석영 튜브들(240)의 표면 상의안테나들의 세트로부터 생성된다. 이것에 뒤이어서 펄스 고속 역전된 자기 필드 코일들(232)을 구동하는 전류에 세타-링잉 변조(theta-ringing modulation)를 적용하며, 이는 가스 칼럼들의 보다 전역적인 전이온화를 가져온다. 마지막으로, 펄스 전력 형성 시스템들(210)의 주 펄스 전력 뱅크들은 최대 0.4 T의 순방향 바이어싱된 필드를 생성하도록 펄스 고속 역전된 자기 필드 코일들(232)을 구동하기 위해 점호된다(fired). 이 단계는 순방향 바이어싱된 필드가 형성 튜브들(240)의 길이 전체에 걸쳐 균일하게 생성되도록(정적 형성) 또는 연속적 연동 필드 변조가 형성 튜브들(240)의 축을 따라 달성되도록(동적 형성) 시간 시퀀싱될(time-sequenced) 수 있다.
이러한 형성 프로세스 전체에서, 플라스마에서의 실제 필드 역전은, 약 5 μs 내에, 신속하게 발생한다. 형성 중인 플라스마로 전달되는 다중-기가와트 펄스 전력은 고온 FRC들을 즉각 생성하고 고온 FRC들은 이어서 순방향 자기 필드의 시간-시퀀싱된 변조(자기 연동) 또는 형성 튜브들(210)의 축방향 외측 단부들 근방에 있는 코일 세트들(232)의 마지막 코일들에서의 일시적으로 증가된 전류(구속 챔버(100)를 향해 축방향으로 향하는 축방향 자기 필드 구배를 형성하는 것) 중 어느 하나의 적용을 통해 형성 섹션들(200)으로부터 방출된다. 그렇게 형성되고 가속된 2개의 (N극 및 S극) 형성 FRC들은 이전의 보다 대직경 구속 챔버(100) 내로 팽창하고, 여기서 반경방향 팽창을 제어하고 평형 외부 자기 플럭스를 제공하기 위해, 준-dc 코일들(412)은 순방향 바이어싱된 필드를 생성한다.
N극 및 S극 형성 FRC들이 구속 챔버(100)의 중간 평면 근방에 일단 도달하면, FRC들은 충돌한다. 충돌 동안 N극 및 S극 형성 FRC들의 축방향 운동 에너지들은 FRC들이 궁극적으로 단일 FRC(450)로 병합될 때 대체로 열중성자화된다(thermalized). FRC(450)의 평형들을 연구하기 위해 플라스마 진단들(plasma diagnostics)의 큰 세트가 구속 챔버(100)에서 이용가능하다. FRC 시스템(10)에서의 전형적인 동작 조건들은 약 0.4 m의 세파라트릭스 반경들 및 약 3 m 축방향 익스텐드(axial extend)를 갖는 복합 FRC들을 생성한다. 추가의 특성들은 약 0.1 T의 외부 자기 필드들, 5Х1019m-3의 플라즈마 밀도들 및 최대 1 keV의 전체 플라스마 온도이다. 임의의 지속성 없이, 즉, 중성 빔 주입 또는 다른 보조 수단을 통한 가열 및/또는 전류 구동 없이, 이러한 FRC들의 수명은 고유 특성 구성 감쇠 시간인, 약 1 ms로 제한된다.
비-지속 동작의 실험 데이터 - 종래의
레짐
도 12는 FRC(450)의 세타-핀치 병합 프로세스의 다이내믹스를 예시하기 위해 세파라트릭스 반경 rs를 근사화하는 배제된 플럭스 반경 rΔΦ의 전형적인 시간 전개를 도시하고 있다. 2개의 (N극 및 S극) 개별 플라스모이드가 동시에 생성되고 이어서 각자의 형성 섹션들(200)로부터 초음속 vZ ~ 250 km/s로 가속되어, z = 0에 있는 중간 평면 근방에서 충돌한다. 충돌 동안 플라스모이드들은 축방향으로 압축되고, 뒤이어서 신속한 반경방향 및 축방향 팽창이 있고, 종국적으로 병합되어 FRC(450)를 형성한다. 병합 중인 FRC(450)의 반경방향 및 축방향 다이내믹스 둘 다는 상술된 밀도 프로파일 측정들 및 볼로미터 기반 토모그래프(bolometer-based tomography)에 의해 입증된다.
FRC 시스템(10)의 대표적인 비-지속 방출로부터의 데이터가 시간의 함수들로서 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시되어 있다. FRC는 t = 0에서 개시된다. 기계의 축방향 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경은 도 13a에 도시되어 있다. 이 데이터는 축방향 자기 필드를 측정하는, 구속 챔버의 스테인리스 스틸 벽 바로 내부에 위치된, 자기 프로브들의 어레이로부터 획득된다. 스틸 벽은 이 방출의 시간 스케일들에서 양호한 플럭스 보존기이다.
z = 0에 위치된 6-코드 CO2/He-Ne 간섭계로부터의 선 적분된 밀도들은 도 13b에 도시되어 있다. 볼로메트릭 토모그래프에 의해 측정되는 바와 같은, 수직(y) FRC 변위를 고려하면, 아벨 반전(Abel inversion)은 도 13c의 밀도 컨투어를 산출한다. 처음 0.1 ms 동안 일부 축방향 및 반경방향 슬로싱(sloshing) 이후에, FRC는 중공 밀도 프로파일로 안정된다. 이 프로파일은, 전형적인 2-D FRC 평형들에 의해 요구되는 바와 같이, 축 상에서 상당한 밀도를 가지면서 꽤 편평하다.
압력 밸런스로부터 도출되고 톰슨 산란 및 분광 측정들(Thomson scattering and spectroscopy measurements)과 완전히 부합하는 전체 플라스마 온도가 도 13d에 도시되어 있다.
배제된 플럭스 어레이 전체로부터의 분석은 (배제된 플럭스 축방향 프로파일들에 의해 근사화되는) FRC 세파라트릭스의 형상이 레이스트랙(racetrack)으로부터 타원형으로 점진적으로 전개되는 것을 나타낸다. 도 14에 도시된 이러한 전개는, 2개의 FRC로부터 단일 FRC로의 점진적인 자기 재접속과 부합한다. 실제로, 대략적인 추정들은 이 특정의 순간에 2개의 초기 FRC 자성 플럭스의 약 10%가 충돌 동안 재접속된다는 것을 암시한다.
FRC 길이는 FRC 수명 동안 3 m로부터 약 1 m에 이르기까지 꾸준히 축소된다. 도 14에서 볼 수 있는, 이러한 축소는 대체로 대류 에너지 손실이 FRC 구속을 좌우한다는 것을 암시한다. 세파라트릭스 내부의 플라스마 압력이 외부 자기 압력보다 더 빠르게 감소하기 때문에, 단부 영역들에서의 자기 필드 라인 장력(magnetic field line tension)은 FRC를 축방향으로 압축하여, 축방향 및 반경방향 평형을 회복시킨다. 도 13 및 도 14에서 논의된 방출에 대해, FRC 자기 플럭스, 입자 인벤토리, 및 열 에너지(제각기, 약 10 mWb, 7Х1019개의 입자, 및 7 kJ)는, FRC 평형이 침강(subside)하는 것으로 보일 때, 처음 밀리초에서 대략 한 자릿수만큼 감소한다.
지속 동작 HPF
레짐
도 12 내지 도 14에서의 예들은 임의의 지속성 없이 FRC들을 감쇠시키는 것을 특성으로 한다. 그렇지만, HPF 레짐에 대한 FRC 구속(내측 코어 및 에지 층)을 추가로 개선시키고 구성을 지속시키기 위해 FRC 시스템(10) 상에서 몇 개의 기술이 설치된다.
중성 빔들
먼저, 고속(H) 중성체들(neutrals)이 8개의 중성 빔 인젝터(600)로부터 빔들에서의 Bz에 수직으로 주입된다. 고속 중성체들의 빔들은 N극 및 S극 형성 FRC들이 구속 챔버(100)에서 하나의 FRC(450)로 병합되는 순간부터 주입된다. 주로 전하 교환에 의해 생성되는 고속 이온들은 FRC(450)의 방위각 전류를 증가시키는 (FRC 토폴로지의 스케일의 또는 적어도 특성 자기 필드 구배 길이 스케일보다 훨씬 더 큰 1차 반경들을 갖는) 베타트론(betatron) 궤도들을 갖는다. 일정 비율(fraction)의 방출 이후에(샷(shot)으로부터 0.5 내지 0.8 ms 이후에), 충분히 큰 고속 이온 집단은 내측 FRC의 안정성 및 구속 속성들을 상당히 개선시킨다(예컨대, M. W. Binderbauer and N. Rostoker, Plasma Phys. 56, part 3, 451 (1996) 참조). 게다가, 지속성 관점에서, 중성 빔 인젝터들(600)로부터 빔들은 전류를 구동하고 FRC 플라스마를 가열하기 위한 1차 수단이다.
FRC 시스템(10)의 플라스마 레짐에서, 고속 이온들은 기본적으로 플라스마 전자들에서 감속된다. 방출의 초기 부분 동안, 기본적으로 전자들인 고속 이온들의 전형적인 궤도-평균된 감속 시간들은 0.3 내지 0.5 ms이고, 이는 상당한 FRC 가열을 결과한다. 고속 이온들은 세파라트릭스 외부에서 큰 반경방향 이탈(excursion)을 하는데, 그 이유는 내부 FRC 자기 필드가 내재적으로(inherently) 낮기(0.1 T 외부 축방향 필드에 대해 평균적으로 약 0.03 T) 때문이다. 중성 가스 밀도가 세파라트릭스 외부에서 너무 높은 경우, 고속 이온들은 전하 교환 손실에 취약할 것이다. 따라서, FRC 시스템(10) 상에 설치되는 (그 중에서도 특히, 가스 제어에 기여하는 플라즈마 건(350) 및 미러 플러그들(440)과 같은) 벽 게터링 및 다른 기술들은 에지 중성체들을 최소화하고 고속 이온 전류의 요구된 축적(build-up)을 가능하게 하는 경향이 있다.
펠릿 주입
보다 높은 전자 온도들 및 보다 긴 FRC 수명들을 갖는, 상당한 고속 이온 집단이 FRC(450) 내에 축적될 때, FRC(450)의 FRC 입자 인벤토리를 지속하기 위해 냉동된 H 또는 D 펠릿들이 펠릿 인젝터(700)로부터 FRC(450) 내로 주입된다. 예상된 어블레이션 시간스케일들은 상당한 FRC 입자 소스를 제공하기에는 충분히 짧다. 이 레이트는, 구속 챔버(100)에의 진입 바로 전에 주입 튜브의 마지막 세그먼트의 굽힘 반경(bend radius)을 타이트하게 하는 것(tightening)에 의해 주입 튜브의 벽들과 펠릿 사이에 마찰력을 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있는 단계인, 펠릿 인젝터(700)의 배럴들 또는 주입 튜브들에 있는 동안 그리고 구속 챔버(100)에 진입하기 전에 개별 펠릿을 보다 작은 단편들로 파쇄되는 것에 의해 주입된 조각의 표면적을 확대하는 것에 의해 또한 증가될 수 있다. 12개의 배럴(주입 튜브) 점호 시퀀스 및 레이트를 변화시키는 것은 물론 단편화에 의해, 원하는 레벨의 입자 인벤토리 지속성만을 제공하도록 펠릿 주입 시스템(700)을 튜닝하는 것이 가능하다. 차례로, 이것은 FRC(450)에서의 내부 운동 압력과 FRC(450)의 지속 동작 및수명을 유지하는 것을 돕는다.
어블레이트된 원자들이 FRC(450)에서 상당한 플라스마와 일단 조우하면, 이 원자들은 완전히 이온화된다. 결과적인 저온 플라스마 컴포넌트는 이어서 고유 FRC 플라스마에 의해 충돌 가열된다(collisionally heated). 원하는 FRC 온도를 유지하는 데 필요한 에너지는 궁극적으로 빔 인젝터들(600)에 의해 공급된다. 이러한 의미에서, 펠릿 인젝터들(700)은 중성 빔 인젝터들(600)과 함께 정상 상태를 유지하고 FRC(450)를 지속시키는 시스템을 형성한다.
CT 인젝터
펠릿 인젝터의 대안으로서, 주로 필드 역전된 구성(FRC들) 플라스마들을 보급하기 위한, 콤팩트 토로이드(CT) 인젝터가 제공된다. CT 인젝터(720)는 도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이, 동축 원통형 내측 및 외측 전극들(722 및 724), 내측 전극(726) 내부에 배치된 바이어스 코일 및 CT 인젝터(720)의 방출부(discharge)와 대향하는 단부 상의 전기 브레이크(electrical break)(728)를 포함하는, MCPG(magnetized coaxial plasma-gun)를 포함한다. 가스는 가스 주입 포트(730)를 통해 내측 및 외측 전극들(722 및 724) 사이의 공간 내로 주입되고, 스페로막형 플라스마(Spheromak-like plasma)는 방출에 의해 그로부터 생성되고 로렌츠 힘에 의해 건으로부터 밀려 나간다. 도 23a 및 도 23b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 CT 인젝터들(720)은 CT들을 구속 베셀(100) 내의 중앙 FRC 플라스마 내로 주입하기 위해 베셀(100)의 중간 평면의 대향 측면들 근방에서 그리고 이들 상에서 구속 베셀(100)에 커플링된다. CT 인젝터들(720)의 방출 단부는 중성 빔 인젝터들(615)과 유사하게 구속 베셀(100)의 종방향 축에 대해 일정 각도로 구속 베셀(100)의 중간 평면을 향해 지향된다.
대안 실시예에서, CT 인젝터(720)는, 도 24a 및 도 24b에 도시된 바와 같이, CT 인젝터(720)의 방출 단부에 커플링된 세장 원통형 튜브(elongate cylindrical tube)를 포함하는 드리프트 튜브(740)를 포함한다. 묘사된 바와 같이, 드리프트 튜브(740)는 튜브를 중심으로 배치되고 튜브를 따라 축방향으로 이격된 드리프트 튜브 코일들(742)을 포함한다. 복수의 진단 포트들(744)이 튜브의 길이를 따라 묘사되어 있다.
CT 인젝터(720)의 장점들은: (1) 주입된 CT당 입자 인벤토리의 제어 및 조정성(adjustability); (2) (극저온 펠릿들 대신에) 따뜻한 플라즈마(warm plasma)가 퇴적됨; (3) 시스템은 연속 보급을 가능하게 해주기 위해 반복-레이트 모드(rep-rate mode)로 동작될 수 있음; (4) 주입된 CT들이 내장된 자기 필드를 전달할 때 시스템은 또한 약간의 자기 플럭스를 복원할 수 있음이다. 실험 용도를 위한 일 실시예에서, 외측 전극의 내경은 83.1 mm이고, 내측 전극의 외경은 54.0 mm이다. 내측 전극(722)의 표면은 전극(722)으로부터 나오는 불순물들을 감소시키기 위해 바람직하게는 텅스텐으로 코팅된다. 묘사된 바와 같이, 바이어스 코일(726)은 내측 전극(722)의 내부에 장착된다.
최근의 실험들에서 최대 ~100 km/s의 초음속 CT 변환 속도가 달성되었다. 다른 전형적인 플라스마 파라미터들은 다음과 같다: 전자 밀도 ~5 x 1021m-3, 전자 온도 ~30 내지 50 eV, 및 입자 인벤토리 ~0.5 내지 1.0x1019. CT의 높은 운동 압력은 주입된 플라스마가 FRC 내로 깊게 침투하여 세파라트릭스막 내부에 입자들을 퇴적시키게 할 수 있다. 최근의 실험들에서 FRC 입자 보급은 FRC 입자 인벤토리의 ~10 내지 20%가 CT 인젝터에 의해 제공되는 것을 결과하였으며 이는 FRC 플라즈마를 방해하지 않고 보급이 용이하게 수행될 수 있음을 성공적으로 보여준다.
새들 코일들
정상 상태 전류 구동을 달성하고 요구된 이온 전류를 유지하기 위해, (충돌 이온 전자 모멘텀 전달에 기인하는) 전자-이온 마찰력으로 인해 전자 스핀업(spin up)을 방지하거나 상당히 감소시키는 것이 바람직하다. FRC 시스템(10)은 외부에서 인가되는 정적 자기 쌍극자 또는 사중극자 필드를 통해 전자 브레이킹(electron breaking)을 제공하기 위해 혁신적인 기술을 이용한다. 이것은 도 15에 묘사된 외부 새들 코일들(460)을 통해 달성된다. 새들 코일들(460)로부터의 횡방향 인가된 반경방향 자기 필드는 회전하는 FRC 플라즈마에 축방향 전기 필드를 유도한다. 결과적인 축방향 전자 전류는 반경방향 자기 필드와 상호작용하여 전자들에 대한 방위각 브레이킹 힘 을 생성한다. FRC 시스템(10)에서의 전형적인 조건들에 대해, 플라즈마 내부에서의 요구된 인가된 자기 쌍극자(또는 사중극자) 필드는 적절한 전자 브레이킹을 제공하는 데 0.001 T 정도만 있으면 된다. 약 0.015 T의 대응하는 외부 필드는 상당한 고속 입자 손실을 야기하지 않거나 구속에 다른 방식으로 부정적으로 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작다. 사실, 인가되는 자기 쌍극자(또는 사중극자) 필드는 불안정성들을 억제하는 데 기여한다. 접선방향 중성 빔 주입 및 축방향 플라즈마 주입과 조합하여, 새들 코일들(460)은 전류 유지 및 안정성에 관해 부가의 레벨의 제어를 제공한다.
미러 플러그들
미러 플러그들(440) 내의 펄스 코일들(444)의 설계는 적당한 (약 100 kJ) 용량성 에너지를 갖는 고 자기 필드들(2 내지 4 T)의 국소적 생성을 가능하게 해준다. FRC 시스템(10)의 본 동작을 대표하는 자기 필드들의 형성을 위해, 형성 볼륨 내 모든 필드 라인들은, 도 2에서 자기 필드 라인들에 의해 암시된 바와 같이, 미러 플러그들(440)에서 수축부들(442)을 통과하고 플라스마 벽 접촉은 발생하지 않는다. 게다가, 준-dc 다이버터 자석들(416)과 나란히(in tandem) 있는 미러 플러그들(440)은 필드 라인들을 다이버터 전극들(910) 상으로 안내하거나, 단부 커스프 구성(end cusp configuration)(도시되지 않음)으로 필드 라인들을 플래어(flare)하도록 조정될 수 있다. 후자는 안정성을 개선시키고 평행 전자 열 전도를 억제한다.
미러 플러그들(440)은 자체적으로 중성 가스 제어에 또한 기여한다. 다이버터들(300) 내로의 가스 역-스트리밍이 플러그들의 작은 가스 컨덕턴스(불충분한 500 L/s)에 의해 상당히 감소되기 때문에, 미러 플러그들(440)은 FRC 형성 동안 석영 튜브들 내로 퍼핑된 중수소 가스의 보다 나은 이용을 가능하게 해준다. 형성 튜브들(210) 내부의 잔류 퍼핑된 가스의 대부분은 신속히 이온화된다. 그에 부가하여, 미러 플러그들(440)을 통해 흐르는 고밀도 플라스마는 효율적인 중성 이온화 따라서 효과적인 가스 장벽을 제공한다. 그 결과, FRC 에지 층(456)으로부터 다이버터들(300)에서 재순환되는 중성체들의 대부분은 구속 챔버(100)로 복귀하지 않는다. 그에 부가하여, (이하에서 논의되는 바와 같은) 플라스마 건들(350)의 동작과 연관된 중성체들은 대체로 다이버터들(300)로 구속된다.
마지막으로, 미러 플러그들(440)은 FRC 에지 층 구속을 개선시키는 경향이 있다. 미러 비율들(플러그/구속 자기 필드들)이 20 내지 40의 범위에 있고 N극 및 S극 미러 플러그들(440) 사이에 길이가 15m인 경우, 에지 층 입자 구속 시간 는 최대 한 자릿수만큼 증가한다. 를 개선시키는 것은 FRC 입자 구속을 용이하게 증가시킨다.
에지 층(456)으로부터 축방향 손실()에 의해 밸런싱된 세파라트릭스 볼륨(453)으로부터 반경방향 확산성(D) 입자 손실을 가정하면, 을 획득하고, 이로부터 세파라트릭스 밀도 구배 길이는 로 다시 쓸 수 있다. 여기서 rs, Ls 및 ns는, 제각기, 세파라트릭스 반경, 세파라트릭스 길이 및 세파라트릭스 밀도이다. FRC 입자 구속 시간은 이며, 여기서 이고 a = rs/4이다. 물리적으로, 를 개선시키는 것은 증가된 δ(감소된 세파라트릭스 밀도 구배 및 드리프트 파라미터), 따라서 감소된 FRC 입자 손실을 가져온다. FRC 입자 구속에서의 전체적인 개선은 일반적으로 얼마간 2차(quadratic) 미만인데 그 이유는 ns가 에 따라 증가하기 때문이다.
에서의 상당한 개선은 에지 층(456)이 대단히 안정적으로 유지될 것(즉, n = 1 플루트(flute), 소방 호스(firehose), 또는 개방 시스템들을 대표하는 다른 MHD 불안정성 없음)을 또한 요구한다. 플라즈마 건들(350)의 사용은 이러한 바람직한 에지 안정성을 제공한다. 이러한 의미에서, 미러 플러그들(440) 및 플라즈마 건(350)은 효과적인 에지 제어 시스템을 형성한다.
플라스마 건들
플라스마 건들(350)은 라인 타잉에 의해 FRC 배기 제트들(454)의 안정성을 개선시킨다. 플라스마 건들(350)로부터의 건 플라스마들은 방위각의 각운동량 없이 생성되고, 이는 FRC 회전 불안정성들을 제어하는 데 유용한 것으로 밝혀졌다. 그와 같이, 건들(350)은 이전의(older) 사중극자 안정화 기술을 필요로 하지 않고 FRC 안정성을 제어하기 위한 효과적인 수단이다. 그 결과, 플라스마 건들(350)은 고속 입자들의 유익한 효과들을 이용하거나 본 개시내용에 약술된 바와 같은 진보된 하이브리드 운동 FRC 레짐에 액세스하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 플라스마 건들(350)은 FRC 시스템(10)이 FRC 불안정성을 야기하고 그리고/또는 극적인 고속 입자 확산을 가져올 임계치 미만이지만 전자 브레이킹에만 적절한 새들 코일 전류로 동작될 수 있게 해준다.
위의 미러 플러그 논의에서 언급된 바와 같이, 이 상당히 개선될 수 있는 경우, 공급되는 건 플라즈마는 에지 층 입자 손실률(~1022/s)과 비슷할 수 있다. FRC 시스템(10)에서의 건 생성 플라스마(gun-produced plasma)의 수명은 밀리초 범위에 있다. 실제로, 단부 미러 플러그들(440) 사이에 구속된, ne ~ 1013cm-3의 밀도 및 약 200 eV의 이온 온도를 갖는 건플라즈마를 고려해보자. 트랩 길이(trap length) L 및 미러 비율 R은, 제각기, 약 15 m 및 20이다. 쿨롱 충돌로 인한 이온 평균 자유 경로는 이고, 이기 때문에, 이온들은 가스-동적 레짐(gas-dynamic regime)에 구속된다. 이 레짐에서의 플라스마 구속 시간은 이고, 여기서 Vs는 이온 음속(ion sound speed)이다. 비교를 위해, 이러한 플라스마 파라미터들에 대한 고전적인 이온 구속 시간은 일 것이다. 변칙적인 횡방향 확산은, 원칙적으로, 플라스마 구속 시간을 단축시킬 수 있다. 그렇지만, FRC 시스템(10)에서, Bohm 확산 속도(diffusion rate)를 가정하는 경우, 건 플라스마에 대해 추정된 횡방향 구속 시간은 이다. 그러므로, 건들은 FRC 에지 층(456)의 상당한 재보급, 및 개선된 전체적인 FRC 입자 구속을 제공할 것이다.
게다가, 건 플라스마 스트림들은 약 150 내지 200 마이크로초 내에 턴온될 수 있고, 이는 FRC 기동, 병진이동, 및 구속 챔버(100) 내로의 병합에서의 사용을 가능하게 해준다. 약 t ~ 0(FRC 주 뱅크 개시)에서 턴온되는 경우, 건 플라스마들은 이 동적으로 형성되어 병합된 FRC(450)를 지속시키는 데 도움을 준다. 형성 FRC들로부터의 그리고 건들으로부터 조합된 입자 인벤토리들은 중성 빔 포집, 플라스마 가열, 및 긴 지속성에 적절하다. -1 내지 0 ms 범위의 t에서 턴온되는 경우, 건 플라스마들은 석영 튜브들(210)을 플라즈마로 충전하거나 석영 튜브들 내에 퍼핑된 가스를 이온화시키며, 이에 따라 감소된 또는 심지어 아마도 제로인 퍼핑된 가스에 의한 FRC 형성을 가능하게 해줄 수 있다. 후자는 역전된 바이어스 자기 필드의 고속 확산을 가능하게 하기에 충분히 저온인 형성 플라즈마를 요구할 수 있다. t < -2 ms에서 턴온되는 경우, 플라스마 스트림들은 형성 섹션들(200) 및 구속 챔버(100)의 형성 및 구속 영역들의 약 1 내지 3 m3 필드 라인 볼륨을, FRC 도달 이전에 중성 빔 축적을 가능하게 해주기에 충분한, 몇 1013 cm-3의 타깃 플라스마 밀도로 충전할 수 있다. 형성 FRC들은 이어서 형성되고 결과적인 구속 베셀 플라스마로 병진이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 플라즈마 건들(350)은 매우 다양한 동작 조건들 및 파라미터 레짐들을 가능하게 해준다.
전기적 바이어싱
에지 층(456)에서의 반경방향 전기 필드 프로파일의 제어는 다양한 방식들로 FRC 안정성 및 구속에 유리하다. FRC 시스템(10)에 설치된 혁신적인 바이어싱 컴포넌트들에 의해, 구속 챔버(100)에서의 중앙 구속 영역으로부터 충분히 벗어난 구역들로부터 기계 전체에 걸친 개방 플럭스 표면들의 그룹에 전위들(electric potentials)의 다양한 고의적 분포들을 적용하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 반경방향 전기 필드들이 FRC(450) 바로 외측의 에지 층(456)에 걸쳐 생성될 수 있다. 이러한 반경방향 전기 필드들은 이어서 에지 층(456)의 방위각 회전을 수정하고 ExB 속도 전단을 통해 그의 구속을 수행한다. 에지 층(456)과 FRC 코어(453) 사이의 임의의 차동 회전은 이어서 전단에 의하여 FRC 플라즈마의 내부로 전달될 수 있다. 그 결과, 에지 층(456)을 제어하는 것은 FRC 코어(453)에 직접적으로 영향을 미친다. 게다가, 플라즈마 회전에서의 자유 에너지가 또한 불안정성들을 야기할 수 있기 때문에, 이 기술은 불안정성들의 유발(onset) 및 성장을 제어하기 위한 직접적인 수단을 제공한다. FRC 시스템(10)에서, 적절한 에지 바이어싱은 개방 필드 라인 수송 및 회전은 물론 FRC 코어 회전의 효과적인 제어를 제공한다. 다양한 제공된 전극들(900, 905, 910 및 920)의 위치 및 형상은 상이한 독립적인 전위들에서 상이한 그룹들의 플럭스 표면들(455)을 제어하는 것을 가능하게 해준다. 이러한 방식으로, 각각이 플라스마 성능에 대한 상이한 특성 영향을 갖는, 매우 다양한 상이한 전기 필드 구성들 및 강도들이 실현될 수 있다.
모든 이러한 혁신적인 바이어싱 기술들의 주요 장점은 코어 및 에지 플라스마 거동이 FRC 플라즈마로부터 충분히 벗어난 곳으로부터 영향을 받을 수 있다는 것, 즉 임의의 물리적 컴포넌트들을 (에너지, 플럭스 및 입자 손실에 심각한 영향을 미치게 될) 중앙 고온 플라스마와 접촉하게 할 필요가 없다는 것이다. 이것은 성능 및 HPF 개념의 모든 잠재적 응용분야들에 주된 유익한 영향을 가진다.
실험 데이터 - HPF 동작
중성 빔 건들(600)로부터의 빔들을 통한 고속 입자들의 주입은 HPF 레짐을 가능하게 해주는 데 중요한 역할을 한다. 도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 이러한 사실을 예시하고 있다. FRC 수명이 빔 펄스들의 길이와 어떻게 상관되는지를 보여주는 곡선들의 세트가 묘사되어 있다. 모든 다른 동작 조건들이 이 연구를 포함하는 모든 방출들에 대해 일정하게 유지된다. 데이터는 많은 샷들에 걸쳐 평균되고, 따라서 전형적인 거동을 나타낸다. 보다 긴 빔 지속기간이 보다 긴 수명의 FRC들을 생성한다는 것이 분명하게 명백하다. 이러한 증거는 물론 이 연구 동안의 다른 진단들을 살펴보면, 빔들이 안정성을 증가시키고 손실을 감소시킨다는 것을 보여준다. 빔 포획이 특정 플라스마 크기 미만에서 비효율적으로 되기 때문에, 빔 펄스 길이와 FRC 수명 사이의 상관은 완전하지 않으며, 즉, FRC(450)가 물리적 크기가 축소될 때, 주입된 빔들 전부가 가로채기(intercept)되어 포획되는 것은 아니다. FRC의 축소는 주로 방출 동안 FRC 플라스마로부터의 순 에너지 손실(방출 전체에 걸쳐 대략 중간에서 ~4 MW)이 특정의 실험 설정에 대해 중성 빔들(~2.5 MW)을 통해 FRC에 피드되는 총 전력보다 약간 더 크다는 사실로 인한 것이다. 베셀(100)의 중간 평면에 보다 가까운 위치에 빔들을 위치시키는 것은 이러한 손실을 감소시키고 FRC 수명을 연장시키는 경향이 있을 것이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 HPF 레짐을 달성하기 위한 상이한 컴포넌트들의 효과들을 예시하고 있다. 이는 FRC(450)의 수명을 시간의 함수로서 묘사하는 전형적인 곡선들의 패밀리를 도시하고 있다. 모든 경우들에서, 일정하고 적절한 양의 빔 전력(약 2.5 MW)이 각각의 방출의 최대 지속기간 동안 주입된다. 각각의 곡선은 컴포넌트들의 상이한 조합을 나타낸다. 예를 들어, 임의의 미러 플러그들(440), 플라스마 건들(350) 또는 게터링 시스템들(800)로부터 게터링 없이 FRC 시스템(10)을 동작시키는 것은 회전 불안정성의 신속한 유발 및 FRC 토폴로지의 손실을 결과할 수 있다. 미러 플러그들(440)만을 추가하는 것은 불안정성들의 유발을 지연시키고 구속을 증가시킨다. 미러 플러그들(440)과 플라즈마 건(350)의 조합을 이용하는 것은 불안정성들을 추가로 감소시키고 FRC 수명을 증가시킨다. 마지막으로, 건(350) 및 플러그들(440)의 상부에 게터링(이 경우에 Ti)을 추가하는 것은 최상의 결과들을 산출한다 - 결과적인 FRC는 불안정성들이 없고 가장 긴 수명을 나타낸다. 이러한 실험적 시연으로부터 컴포넌트들의 모든 조합(full combination)이 최상의 효과를 생성하고 최상의 타깃 조건들을 갖는 빔들을 제공하는 것은 분명하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 새로 발견된 HPF 레짐은 극적으로 개선된 수송 거동을 나타낸다. 도 1은 종래의 레짐과 HPF 레짐 사이에서 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속 시간의 변화를 예시하고 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이는 HPF 레짐에서 5배 훨씬 초과 만큼 개선되었다. 그에 부가하여, 도 1은 선행기술의 종래의 FRC 실험들에서의 입자 구속 시간에 대해 FRC 시스템(10)에서의 입자 구속 시간을 상술한다. 이러한 다른 기계들과 관련하여, FRC 시스템(10)의 HPF 레짐은 5 내지 거의 20배만큼 구속을 개선시켰다. 마지막으로 그리고 가장 중요하게도, HPF 레짐에서의 FRC 시스템(10)의 구속 스케일링의 성질이 모든 선행기술의 측정들과는 크게 상이하다. FRC 시스템(10)에서의 HPF 레짐의 확립 이전에, 종래기술의 FRC 실험들에서 구속 시간들을 예측하기 위해 다양한 경험적 스케일링 법칙들이 데이터로부터 유도되었다. 그 스케일링 규칙들 전부는 비율 R2/ρi에 대체로 의존하며, 여기서 R은 자기 필드 널(magnetic field null)의 반경(기계의 물리적 스케일의 느슨한 척도(loose measure))이고, ρi는 외부에서 인가된 필드에서 평가된 이온 라머 반경(인가된 자기 필드의 느슨한 척도)이다. 종래의 FRC들에서의 긴 구속이 큰 기계 크기 및/또는 높은 자기 필드에서만 가능한 것이 도 1로부터 분명하다. 종래의 FRC 레짐(CR)에서 FRC 시스템(10)을 동작시키는 것은, 도 1에 표시된 바와 같이, 그 스케일링 규칙들을 따르는 경향이 있다. 그렇지만, HPF 레짐은 매우 우수하고, 큰 기계 크기 또는 높은 자기 필드들 없이 훨씬 더 양호한 구속이 달성가능하다는 것을 보여준다. 보다 중요하게도, HPF 체제가 CR 체제에 비해 감소된 플라즈마 크기로 개선된 구속 시간을 결과하는 것이 도 1로부터 또한 분명하다. FRC 시스템(10)에서도 3 내지 8배 초과만큼 증가된, 이하에서 설명되는 바와 같은, 플럭스 및 에너지 구속 시간들에 대해 유사한 경향들이 또한 보인다. 따라서, HPF 레짐의 돌파구(breakthrough)는 적절한 빔 전력, 보다 낮은 자기 필드들 및 보다 작은 크기의 사용이 FRC 시스템(10) 및 미래의 보다 고 에너지 기계들에서 FRC 평형들을 지속하고 유지할 수 있게 해준다. 이러한 개선들은 보다 낮은 동작 및 구성 비용은 물론 감소된 엔지니어링 복잡성과 관련되어 있다.
추가의 비교를 위해, 도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 FRC 시스템(10)에서의 대표적인 HPF 레짐 방출로부터의 데이터를 시간의 함수로서 도시하고 있다. 도 18a는 중간 평면에서의 배제된 플럭스 반경을 묘사하고 있다. 이러한 보다 긴 시간스케일들에 대해, 전도성 스틸 벽은 더 이상 그만큼 우수한 플럭스 보존기가 아니며 벽 내부의 자기 프로브들은 스틸을 통한 자기 플럭스 확산을 적절히 고려하기 위해 벽 외부의 프로브들로 보강된다. 종래의 레짐(CR)에서의 전형적인 성능과 비교하여, 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, HPF 레짐 동작 모드는 400% 초과 더 긴 수명을 나타낸다.
선 적분된 밀도 트레이스의 대표적인 코드는 도 18b에서는 그의 아벨 반전된 보수(Abel inverted complement)로 도시되고, 도 18c에서는 밀도 컨투어들로 도시되어 있다. 종래의 FRC 레짐(CR)과 비교하여, 도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, 플라스마는 펄스 전체에 걸쳐 보다 정적(quiescent)이고, 매우 안정적인 동작을 나타낸다. 피크 밀도는 또한 HPF 샷들에서 약간 더 낮으며 - 이것은 도 18d에 도시된 바와 같이 보다 고온의 전체 플라스마 온도(최대 2배)의 결과이다.
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d에 예시된 각자의 방출에 대해, 에너지, 입자 및 플럭스 구속 시간들은, 제각기, 0.5 ms, 1 ms 및 1 ms이다. 방출로부터의 1ms의 기준 시간에서, 저장된 플라스마 에너지는 2 kJ인 반면 손실은 약 4 MW이어서, 이 타깃을 중성 빔 지속성에 매우 적합하게 해준다.
도 19는 새로 확립된 실험적 HPF 플럭스 구속 스케일링의 형태로 HPF 레짐의 모든 장점들을 요약한다. 도 19에서 알 수 있는 바와 같이, t = 0.5 ms 전후, 즉, t ≤ 0.5 ms 및 t > 0.5 ms에서 취해진 측정들에 기초하여, 플럭스 구속(및 이와 유사하게, 입자 구속 및 에너지 구속)은 주어진 세파라트릭스 반경(rs)에 대해 전자 온도(Te)의 대략 제곱으로 스케일링된다. (네거티브 전력이 아니라) Te의 포지티브 전력에 의한 이러한 강한 스케일링은 종래의 토코막들(tokomaks)에 의해 나타내어진 것과는 완전히 정반대이고, 여기서 구속은 전자 온도의 일부 전력에 전형적으로 반비례한다. 이러한 스케일링이 나타나는 것은 HPF 상태 및 대궤도(즉, FRC 토폴로지의 스케일 및/또는 적어도 특성 자기 필드 구배 길이 스케일의 궤도들) 이온 집단의 직접적인 결과이다. 기본적으로, 이러한 새로운 스케일링은 실질적으로 높은 동작 온도들에 유리하고 상대적으로 적당한 크기의 원자로들을 가능하게 해준다.
HPF 레짐이 제공하는 장점들에 따라, 중성 빔들에 의해 구동되는 FRC 지속성 또는 정상 상태가 달성가능하고, 이는 플라스마 열 에너지, 총 입자 수, 플라스마 반경 및 길이는 물론 자기 플럭스와 같은 전역 플라스마 파라미터들이 상당한 감쇠 없이 타당한 레벨들에서 지속가능하다는 것을 의미한다. 비교를 위해, 도 20은 FRC 시스템(10)에서의 대표적인 HPF 레짐 방출로부터의 플롯 A에서의 데이터를 시간의 함수로서 그리고 FRC 시스템(10)에서의 예상된 대표적인 HPF 레짐 방출에 대한 플롯 B에서의 데이터를 시간의 함수로서 도시하고 있으며, 여기서 FRC(450)는 중성 빔 펄스의 지속기간 동안 감쇠 없이 지속된다. 플롯 A에 대해, 약 6 ms의 활성 빔 펄스 길이에 대해 약 2.5 내지 2.9 MW의 범위에 있는 총 전력을 갖는 중성 빔들이 FRC(450)에 주입되었다. 플롯 A에 묘사된 플라스마 반자성 수명은 약 5.2 ms였다. 보다 최근의 데이터는 약 7.2 ms의 플라스마 반자성 수명이 약 7 ms의 활성 빔 펄스 길이로 달성가능하다는 것을 보여준다.
도 16a, 도 16b, 도 16c 및 도 16d와 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 빔 포획이 특정 플라스마 크기 미만에서 비효율적으로 되기 때문에, 빔 펄스 길이와 FRC 수명 사이의 상관은 완전하지 않으며, 즉, FRC(450)가 물리적 크기가 축소될 때, 주입된 빔들 전부가 가로채기되어 포획되는 것은 아니다. FRC의 축소 또는 감쇠는 주로 방출 동안 FRC 플라스마로부터의 순 에너지 손실(방출 전체에 걸쳐 대략 중간에서 ~ 4 MW)이 특정의 실험 설정에 대해 중성 빔들(~2.5 MW)을 통해 FRC에 피드되는 총 전력보다 약간 더 크다는 사실로 인한 것이다. 도 3c와 관련하여 언급된 바와 같이, 중섬 빔 건들(600)로부터 중간 평면을 향한 경사진 빔 주입은, FRC 플라스마가 주입 기간 동안 축소되거나 다른 방식으로 축방향으로 수축되더라도, 빔-플라스마 커플링을 개선시킨다. 그에 부가하여, 적절한 펠릿 보급은 필요한 플라스마 밀도를 유지할 것이다.
플롯 B는 약 6 ms의 활성 빔 펄스 길이 및 중성 빔 건들(600)로부터의 약 10 MM보다 약간 더 큰 총 빔 전력을 사용하여 실행되는 시뮬레이션의 결과이며, 여기서 중성 빔들은 약 15 keV의 입자 에너지를 갖는 H(또는 D) 중성체들을 주입해야 한다. 빔들 각각에 의해 주입되는 등가 전류는 약 110 A이다. 플롯 B에 대해, 디바이스 축에 대한 빔 주입 각도는 수직보다 약 20° 더 작았고, 타깃 반경이 0.19 m였다. 주입 각도는 수직보다 15° 내지 25° 더 작은 범위 내에서 변경될 수 있다. 빔들은 방위각에서(azimuthally) 평행류 방향(co-current direction)으로 주입되어야 한다. 중성 빔 운동량 주입으로부터의 순 측면 힘(net side force)은 물론 순 축방향 힘(net axial force)이 최소화될 것이다. 플롯 A에서와 같이, 고속(H) 중성체들은 N극 및 S극 형성 FRC들이 구속 챔버(100)에서 하나의 FRC(450)로 병합되는 순간부터 중성 빔 인젝터들(600)로부터 주입된다.
이 시뮬레이션들은 플롯 B에 대한 기초가 배경 플라스마 및 평형에 대한 다차원 홀-MHD 솔버들(multi-dimensional hall-MHD solvers), 에너지 빔 컴포넌트들 및 모든 산란 프로세스들에 대한 완전 운동 Monte-Carlo 기반 솔버들(fully kinetic Monte-Carlo based solvers)은 물론, 상호작용적 손실 프로세스들을 모델링하기 위해 모든 플라스마 화학종들에 대한 다수의 결합 수송 방정식들(coupled transport equations)을 사용하는 것이다. 수송 컴포넌트들은 경험적으로 캘리브레이션되고 실험 데이터베이스에 대비하여 광범위하게 벤치마킹된다.
플롯 B에 의해 도시된 바와 같이, FRC(450)의 정상 상태 반자성 수명은 빔 펄스의 길이일 것이다. 그렇지만, 주요 상관 플롯 B가 빔들이 턴오프될 때 플라스마 또는 FRC가 그 때에 감쇠하기 시작하지만 이전에는 그렇지 않다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 감쇠는 빔 보조되지(beam-assisted) 않는 방출들에서 관찰되는 것- 아마도 빔 턴 오프 시간보다 1 ms 정도 이상 - 및 단순히 내재적 손실 프로세스들에 의해 구동되는 플라스마의 특성 감쇠 시간의 반영인 것과 유사할 것이다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e를 참조하면, 도면들에 예시된 실험 결과들은 경사진 중성 빔들에 의해 구동되는 FRC 지속성 또는 정상 상태의 달성을 나타내며, 즉, 플라스마 반경, 플라스마 밀도, 플라스마 온도는 물론 자기 플럭스와 같은 전역 플라스마 파라미터들은 NB 펄스 지속기간과 상관된 감쇠 없이 일정한 레벨들에서 지속가능하다. 예를 들어, 그러한 플라스마 파라미터들은 본질적으로 ~5+ ms 동안 일정하게 유지된다. 지속성 특징을 포함한, 그러한 플라스마 성능은 NB 펄스 지속기간과 강한 상관을 가지며, 반자성이 축적된 고속 이온들로 인한 NB 종단으로부터 수 밀리초 이후에도 지속된다. 예시된 바와 같이, 플라스마 성능은, NB 인젝터들은 물론 다른 시스템 컴포넌트들과 같은, 많은 필수 시스템들(critical systems)의 연관된 전력 공급장치들에 저장된 유한한 에너지들로부터 발생하는 펄스 길이 제약조건들에 의해서만 제한된다.
고속 고조파 전자 가열
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 8과 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 중성 원자 빔들(600)은 가열 및 전류 구동을 제공하는 것은 물론 고속 입자 압력을 발생시키기 위해 FRC 시스템(10) 상에 설치된다. 중성 원자 빔 인젝터 시스템들(600)을 포함하는 개별 빔 라인들은 중앙 구속 챔버(100) 둘레에 위치되고, 도 3c, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 중성 입자들을 구속 챔버(100)의 중간 평면을 향해 주입하기 위해 경사져 있다. FRC 지속성을 개선시키고 높은 플라스마 온도들 및 상승된 시스템 에너지들로의 FRC 램프 업(ramp-up)을 보여주기 위해, 본 FRC 시스템(10)은 상승된 전력 및 확장된 펄스 길이, 예시 목적들만을 위해, 최대 30 ms 펄스 길이를 갖는 약 20+ MW의 전력의 중성 빔 인젝터(NBI) 시스템(600)을 포함한다.
그렇지만, 중성 빔 주입은 이온-전자 충돌을 통해 전자들에 대한 전력 댐핑의 메커니즘으로 인해 불량한 전자 가열 효율을 갖는 경향이 있다. 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마의 고유한 특성들, 예를 들어, 플라스마가 비정상적으로 과밀한 것(세파라트릭스 내부에서 ) 및 자기 필드가 플라스마 코어에서 신속하게 제로로 떨어지는 것은 FRC 플라스마들의 코어에서의 전자들을 가열하는 것을 극히 어렵게 만든다. 토카막(tokamaks), 스텔라레이터(stellarators), 및 미러 기계(mirror machines)에서 널리 이용되는 전자 사이클로트론 공명 주파수(또는 그의 제2 또는 제3 고조파) 가열과 같은 종래의 전자 가열 시나리오들은 플라스마 코어 내로의 불량한 파 접근성(wave accessibility)의 문제로 인해 FRC 플라스마들에 적합화될 수 없다. 전자 번스타인 파(electron Bernstein waves), 상부 하이브리드 공명 파(upper-hybrid resonant waves), 및 휘슬러 파(whistler waves)와 같은, 다른 전자 가열 시나리오들은 이들이 FRC 플라스마들에 적용될 때 유사한 문제들과 부딪히거나 낮은 가열 효율을 갖는다.
예시적인 실시예에서, 본 FRC 시스템(10)은 플라스마 전자 온도들을 상승시키기 위한 고속 고조파 전자 가열을 포함하고, 이에 따라 FRC 지속성을 추가로 개선시킨다. 도 25에 도시된 바와 같이, 본 FRC 시스템(10)은 FRC 시스템(10) 상에 설치되고 약 150 eV 내지 약 1 keV 초과의 FRC 플라스마의 코어에서의 전자 가열을 제공하기 위해 라디오 주파수 범위들 내의 고속 고조파들을 구속 베셀(100)에서의 FRC 플라스마 내로 전파하도록 구성된, 예컨대, 4개의 스트랩을 갖는 위상 어레이 안테나(phased array antenna)와 같은, 하나 이상의 안테나(650)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 안테나들(650)은 약 15 내지 25MHz에서 약 2MW RF 시스템을 포함할 것이다. 라디오 주파수 범위들 내의 고속 고조파들을 통해 전자들을 가열하는 것은 유리하게도 고속 이온들 전하-교환 손실을 감소시키고 플라스마 구속을 개선시키는 것은 물론, 전자 온도 Te에 따라 올라가는, 플라스마 전류 구동 효율을 향상시킨다.
본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마와 같은 고성능 FRC 플라스마들에서의 전자 가열의 시뮬레이션들은 이하의 시나리오들에서 수행되었다: (1) 상부 하이브리드 공명 주파수(50 GHz); (2) 전자 사이클로트론 공명(ECR) 주파수(28 GHz); (3) 2.45 GHz, 5 GHz, 8 GHz, 및 18 GHz의 주파수에서의 전자 번스타인 파(EBW); (4) 0.5 GHz의 휘슬러 파; (5) 15 MHz의 HHFW 시뮬레이션 결과들은 HHFW의 레짐이 극도로 강한 단일 패스 전력 흡수(~100 %)를 가질 뿐만 아니라 FRC 플라스마들의 코어 내로의 매우 양호한 파 접근성을 가진다는 것을 분명히 보여주었다. 이러한 시뮬레이션들은 코어 전자 가열 및 비축(off-axis) 전류 구동의 실험들에 대해 NSTX와 같은 고밀도의 고베타 과밀(high beta, over dense) ST(spherical tokamak) 플라스마들에 성공적으로 적합화된 이 고속 고조파(HHFW) 가열을 사용함으로써 양호한 파 접근성과 전자들에 대한 효율적인 전력 댐핑 사이의 충돌이 해결된다는 것을 나타내었다.
HHFW의 가열 메커니즘은 전자 란다우 댐핑(Landau damping)(LD)(여기서 전자들에 작용하는 힘은 임) 및 통과 시간 자기 펌핑(transit time magnetic pumping)(TTMP 또는 MP)(여기서 힘은 임) 둘 다를 포함한다. 여기서 e와 μ는 전자의 전하와 자기 모멘트이고 와 는, 제각기, 고속파 전기 필드 및 자기 필드의 평행 컴포넌트들이다. 토카막 플라스마들에서의 종래의 고속파 전자 가열은 우세한(dominated) LD를 통한 임의의 상당한 흡수에 대해 파 평행 위상 속도(wave parallel phase velocity) (전자 열 속도)를 필요로 하며; MP는 전자 댐핑에 그다지 기여를 하지 않으며 종종 무시될 수 있다. 더욱이, 토카막 플라스마들에서의 고속파의 흡수는 약하며 따라서 다중 패스 전력 흡수를 향상시키기 위해 전자 사이클로트론 공명 주파수에서 마이크로파들에 의한 강한 전자 예열을 갖는 것이 보통 요구된다. 그렇지만, NSTX와 같은 고베타 ST 플라스마들에서는, MP가 전자 LD 단독보다 전자들에 대한 전력 흡수를 크게 증가시키고 보다 높은 위상 속도 범위 에서 실질적으로 커지게 된다는 것이 밝혀졌다. MP와 LD의 조합은 100% 단일 패스 흡수를 가져올 수 있다.
(코어 플라스마에서 약 90%의 값을 갖는) 본 FRC 시스템(10)의 고성능 FRC 플라스마와 같은 고베타 레짐에서, 댐핑은 으로서 스케일링될 수 있는 자기 펌핑에 의해 좌우되며, 자기 펌핑은 일 때 상당하게 된다. 본 FRC 시스템(10)에 대한 시뮬레이션들에서, Te = 150 eV, Ti = 800 eV, ne = ni = 3.2 x 1019 m-3, 자기 필드 B = 1000 가우스, HHFW는 1 MW 출사 전력을 가지며 그의 주파수는 f = 15 MHz로서 선택되고, 이에 따라 이며, 99% 초과의 단일 패스 흡수가 달성되었고 전자들에 대해 댐핑된 HHFW 전력은 90% 정도로 높은 것으로 밝혀졌다. 이온들에 대해 댐핑된 또는 충돌을 통해 댐핑된 전력은, 제각기, 5% 미만일 수 있다. 더욱이, 전자들, 이온들에 대한 그리고 충돌을 통한 전력 퇴적의 반경방향 프로파일들은 HHFW 전력의 60% 초과가 FRC 플라스마들의 세파라트릭스 층 내부에서 댐핑된다는 것을 보여주었다.
도 26a 및 도 26b는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마의 완전한 반경방향 밀도 프로파일 및 완전한 반경방향 전자 온도 프로파일을 예시하고 있다. 본 개시내용의 실시예들에 따른 본 FRC 시스템은 표 1에 나타낸 파라미터 및 값 쌍들에 따라 구성된다.
도 27a 내지 도 27d는 본 FRC 시스템(10)의 중간 평면(Z=0)에서의 C-2U 평형 및 특성 주파수의 반경방향 프로파일들을 예시하고 있다. 관찰된 과제들은, 세파라트릭스 층 내부에서, 플라스마가 과밀이고 B가 11cm 반경방향 거리 내에서 신속하게 0으로 떨어지는 것이다. 모든 ECR 고조파 공명 층들은 매우 좁은 영역에 압축되며 이에 따라 마이크로파들은 매우 짧은 거리에 대해서만 반경방향으로 전파할 수 있다.
이하의 시뮬레이션들은 다음과 같이 마이크로파 주파수에서의 시나리오들에 대한 GENRAY-C 광선 트레이싱 코드를 사용하여 수행되었다:
EBW (2.45 GHz, 5 GHz, 8 GHz, 18 GHz, 및 28 GHz);
상부 하이브리드 공명 주파수(50 GHz, 55 GHz);
휘슬러 파 주파수(0.5 내지 1.0 GHz).
안타깝게도, 이러한 시나리오들은 플라스마 코어 내로의 파 침투와 전자들에 대한 효율적인 전력 댐핑 사이의 충돌을 해결할 수 없다.
도 28a 내지 도 28c는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서 8GHz의 마이크로파의 EBW(Electron Bernstein wave) 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수 및 모드 변환의 관찰들을 예시하고 있다. 도 28a 내지 도 28c에서, 6개의 광선이 상이한 각도들로 출사되고, 분명한 0-> X-> B 변환이 관찰된다. 마이크로파 전력의 90% 초과가 제4 고조파 ECR 층(세파라트릭스 외부)에서 전자들에 의해 흡수될 수 있고; 이는 매우 국소화된 흡수를 결과한다. EBW 레짐은 오직 플라스마 에지에서 전자들을 가열할 수 있을 뿐이고, 이는 플라스마 코어 내로 침투할 수 없다.
도 29a 내지 도 29f는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서 50GHz의 마이크로파의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수 및 모드 변환의 관찰들을 예시하고 있다. 도 29a 내지 도 29f에서, 0->X->B 변환 이후에 광선들이 전파하는 것을 중단하고 마이크로파 전력의 30%가 흡수되는 것이 관찰된다.
도 30a 내지 도 30c는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서 0.5 GHz의 휘슬러 파의 전자 가열 조건들 하에서의 전력 흡수의 관찰들을 예시하고 있다. 도 30a 내지 도 30c에서, 0.5GHz(~1/4 fce)의 휘슬러 파가 높은 전력 흡수를 갖지만 불량한 파 접근성을 갖는 것이 관찰된다. 파는 큰 (16에서 시작됨)로 출사되고 큰 곡률의 자기 필드가 있을 때 파는 방향을 바꾼다.
이러한 가열 레짐들과 달리, 고속 고조파 가열은, 시뮬레이션 결과들에 의해 입증되는 바와 같이, 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마와 같은 높은 평균 (
90%)를 갖는 FRC 플라스마에 대해 다음과 같은 것을 제공한다: 1) 강한 단일 패스 흡수 ( 100%); 2) 플라스마 코어에 대한 양호한 접근성; 3) 최대 60%의 전자들에 의한 효율적인 전력 흡수; 4) 전자들에 대한 전력 댐핑은 자기 펌핑(TTMP)에 의해 좌우되며, 이는 로서 스케일링될 수 있다.
도 31은 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 밀도 프로파일 및 파 전파를 예시하고 있다. 도 10에서, Te = 150 eV인 반면, Te(세파라트릭스) = 100 eV이다. Ti = 800 eV인 반면, Ti(세파라트릭스) = 200 eV이다. 열 이온들은 전자들과 동일한 밀도 및 프로파일을 가진다. 고속 이온들 정보는 도 31에 포함되어 있지 않다. 도 32는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 폴로이달 플럭스 프로파일 및 파 전파를 예시하고 있다.
도 33은 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 예시적인 밀도 프로파일 및 파 전파 궤적을 예시하고 있다. 도 33에서, Te = 150 eV인 반면, Te(세파라트릭스) = 100 eV이다. Ti = 800 eV인 반면, Ti(세파라트릭스) = 200 eV이다. 도 33에서, f = 6MHz(초기 )이고, 1MW 총 전력을 갖는다. 4 내지 6의 초기 로 중간 평면에서 5개의 광선이 출사된다.
도 34는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 예시적인 프로파일 및 파 전파 궤적을 예시하고 있다. 도 34에서, 명확함을 위해 의 레벨들은 디스플레이되지 않는다. 갭에서의 점선들은 자기 플럭스 컨투어이다.
도 35는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 파 전파의 거리에 따른 예시적인 전력 댐핑을 예시하고 있다. 도 35에서, 4 내지 6의 상이한 를 갖는 5개의 광선이 포함되어 있다. 각각의 광선은 출사 지점에서 200KW 전력을 갖는다. 상당한 전력 댐핑의 영역은 30cm 내지 50cm이다.
도 36은 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 흡수 프로파일을 예시하고 있다. 도 36에서, HHFW들이 세파라트릭스 층을 관통할 때 이온들 및 전자들에 대한 상당한 전력 흡수가 관찰된다.
도 37a 및 도 37b는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 전력 밀도의 예시적인 반경방향 프로파일들을 예시하고 있다. 전력 밀도의 반경방향 프로파일들은 (a) 총 흡수, (b) 전자들에 대한 댐핑, (c) 이온들에 대한 댐핑, 및 (d) 충돌 댐핑에 대한 것이다. 도 37a에서, Ptotal = 1000kW이고, Pe = 448kW이며, Pi = 486kW이고, Pcl = 66kW이다. 도 37b에서, Ptotal = 999kW이고, Pe = 720kW이며, Pi = 194kW이고, Pcl = 85kW이다. 플라스마 코어에서의 HHFW 가열 동안 100%의 단일 패스 흡수가 관찰된다.
도 38은 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 댐핑 전력 밀도의 예시적인 2D 프로파일을 예시하고 있다.
도 39는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 댐핑 프로파일을 예시하고 있다. 도 39에서, 가 최소치에 접근할 때 전자들에 대한 전력 댐핑이 최대치로 증가하는 것이 관찰된다. 매우 작은 , 이에 따라 전력 흡수에 대한 란다우 댐핑의 보다 적은 효과가 관찰된다.
도 40은 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서 예시적인 유한-이온-라머-반경 프로파일을 예시하고 있다. 도 40에서, 이온 온도 Ti < 1 keV일 때에도 상당한 유한-이온-라머-반경 효과들이 관찰된다. 세파라트릭스 내부에서, 이다. 이는 중간 평면(z = 0)에서의 필드 널에서 무한대로 간다. 이것은 HHFW와 열 이온들의 상호작용, 이에 따라 열 이온들에 대한 전력 댐핑을 가져올 수 있다.
도 41은 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 예시적인 전력 흡수 프로파일을 예시하고 있다. 도 41에서, 열 이온들에 의한 상당한 전력 흡수가 관찰된다. 이온 사이클로트론 공명 흡수는 고조파 수 n = (11 내지 20)에서 관찰된다. 이온들에 대한 상당한 전력 댐핑에 대한 조건들은 과 이다.
도 42는 본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마에서의 예시적인 프로파일을 예시하고 있다. 도 42에서, 파 전파를 따른 거리에 따라 (a) 국소적 |B(r,z)|, (b) 수직 파수의 허수부 Ki, (c) 의 비, 및 (d) 평행 굴절률 의 변화들이 관찰된다.
본 FRC 시스템(10)의 FRC 플라스마의 HHFW 가열의 시뮬레이션들은 HHFW 가열이 다음과 같은 것을 결과한다는 것을 분명하게 입증하였다: 1) 100% 단일 패스 전력 흡수; 2) TTMP가 코어 전자 가열을 위한 전력 흡수 메커니즘을 좌우함; 3) 파 평행 위상 속도 일 때 전자들에 대한 최대 전력 댐핑이 발생함; 및, 4) 및 의 조건들이 성립될 때 열 이온들에 의한 상당한 전력 흡수가 발생하는 경향이 있음.
본 개시내용의 일 실시예에 따르면, FRC을 갖는 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 방법은 구속 챔버에서 플라스마 주위에 FRC를 형성하는 단계, 복수의 중성 빔들을 구속 챔버의 중간 평면을 향해 일정 각도로 FRC 플라스마 내로 주입하는 단계, 및 FRC 플라스마 내로 전파하는 고속 고조파들로 FRC 플라스마의 전자들을 가열하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 전자들을 가열하는 단계는 하나 이상의 안테나로부터의 복수의 고속 고조파들을 구속 챔버 내의 FRC 플라스마 내로 출사하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 전자들을 가열하는 단계는 하나 이상의 안테나로부터의 복수의 고속 고조파들을 구속 챔버의 중간 평면으로부터 일정 출사 각도로 구속 챔버 내의 FRC 플라스마 내로 출사하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 출사 각도는 구속 챔버의 중간 평면으로부터 약 15° 내지 약 25°의 범위에 있다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 출사 각도는 구속 챔버의 길이방향 축에 대한 직각에 가깝지만 이 직각보다는 작다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 하나 이상의 안테나는 복수의 스트랩들을 갖는 위상 어레이 안테나이다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 고속 고조파들은 라디오 주파수 범위들에서의 고속파들이다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 전자들을 가열하는 단계는 전자들을 약 150 eV로부터 약 1 keV 초과로 가열하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 FRC를 감쇠 없이 일정한 값으로 또는 거의 일정한 값으로 유지하고 플라스마 전자 온도를 약 1.0 keV 초과로 상승시키는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 구속 챔버 주위에 연장되는 준 dc 코일들로 구속 챔버 내에 자기 필드를 생성하고 구속 챔버의 대향 단부들 주위에 연장되는 준 dc 미러 코일들로 구속 챔버의 대향 단부들 내에 미러 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 구속 챔버 주위에 연장되는 준 dc 코일들로 구속 챔버 내에 자기 필드를 생성하고 구속 챔버의 대향 단부들 주위에 연장되는 준 dc 미러 코일들로 구속 챔버의 대향 단부들 내에 미러 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, FRC를 형성하는 단계는 구속 챔버에 커플링된 대향하는 제1 및 제2 형성 섹션들에 형성 FRC를 형성하고 제1 및 제2 형성 섹션들로부터의 형성 FRC를 2개의 형성 FRC가 병합되어 FRC를 형성하는 구속 챔버의 중간 관통 평면을 향해 가속시키는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, FRC를 형성하는 단계는 형성 FRC를 구속 챔버의 중간 평면을 향해 가속시키면서 형성 FRC를 형성하는 단계 및 형성 FRC를 형성하고 나서 형성 FRC를 구속 챔버의 중간 관통 평면을 향해 가속시키는 단계 중 하나를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 형성 섹션들로부터의 형성 FRC를 구속 챔버의 중간 평면을 향해 가속시키는 단계는 제1 및 제2 형성 섹션들로부터의 형성 FRC를 구속 챔버와 제1 및 제2 형성 섹션들을 개재하는 구속 챔버의 대향 단부들에 커플링된 제1 및 제2 내측 다이버터들을 통과시키는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 형성 섹션들로부터의 형성 FRC를 제1 및 제2 내측 다이버터들을 통과시키는 단계는 제1 및 제2 형성 섹션들로부터의 형성 FRC가 제1 및 제2 내측 다이버터들을 통과할 때 제1 및 제2 내측 다이버터들을 비활성화시키는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 FRC의 자기 플럭스 표면들을 제1 및 제2 내측 다이버터들 내로 안내하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 FRC의 자기 플럭스 표면들을 형성 섹션들의 단부들에 커플링된 제1 및 제2 외측 다이버터들 내로 안내하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 형성 섹션들 및 다이버터들 주위에 연장되는 준-dc 코일들로 형성 섹션들 및 제1 및 제2 외측 다이버터들 내에 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 형성 섹션들 및 다이버터들 주위에 연장되는 준-dc 코일들로 형성 섹션들 및 제1 및 제2 내측 다이버터들 내에 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 준-dc 미러 코일들로 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 외측 다이버터들 사이에 미러 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 외측 다이버터들 사이의 수축부 내에 미러 플러그 자기 필드를 형성 섹션들과 다이버터들 사이의 수축부 주위에 연장되는 준-dc 미러 플러그 코일들을 사용하여 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 준-dc 미러 코일들로 구속 챔버와 제1 및 제2 내측 다이버터들 사이에 미러 자기 필드를 생성하는 단계 및 준-dc 로우 프로파일 네킹 코일들로 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 내측 다이버터들 사이에 네킹 자기 필드를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 챔버에 커플링된 새들 코일들로 챔버 내에 자기 쌍극자 필드 및 자기 사중극자 필드 중 하나를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 게터링 시스템으로 챔버의 내부 표면들 및 제1 및 제2 형성 섹션들의 내부 표면들, 구속 챔버 및 제1 및 제2 형성 섹션들을 개재하는 제1 및 제2 다이버터들, 그리고 제1 및 제2 형성 섹션들에 커플링된 제1 및 제2 외측 다이버터들을 컨디셔닝하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 게터링 시스템은 티타늄 퇴적 시스템 및 리튬 퇴적 시스템 중 하나를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 축방향으로 장착된 플라스마 건들로부터 FRC 내로 플라스마를 축방향으로 주입하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 FRC의 에지 층에서의 반경방향 전기 필드 프로파일을 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, FRC의 에지 층에서의 반경방향 전기 필드 프로파일을 제어하는 단계는 바이어싱 전극들을 사용하여 FRC의 개방 플럭스 표면들의 그룹에 전위의 분포를 인가하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 방법은 구속 챔버의 중간 평면을 향해 일정 각도로 제1 및 제2 CT 인젝터들로부터의 콤팩트 토로이드(CT) 플라스마들을 FRC 플라스마 내로 주입하는 단계를 더 포함하며, 여기서 제1 및 제2 CT 인젝터들은 구속 챔버의 중간 평면의 대향 측면들 상에서 정반대로 대향된다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, FRC을 갖는 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템은 구속 챔버, 구속 챔버에 커플링된 제1 및 제2 정반대로 대향된 FRC 형성 섹션들, FRC 형성 섹션들에 커플링된 제1 및 제2 정반대로 대향된 다이버터들, 복수의 플라스마 건들 중 하나 이상, 하나 이상의 바이어싱 전극 및 제1 및 제2 미러 플러그들 - 복수의 플라스마 건들은 제1 및 제2 다이버터들, 제1 및 제2 형성 섹션들 및 구속 챔버에 동작가능하게 커플링된 제1 및 제2 축방향 플라스마 건들을 포함하고, 하나 이상의 바이어싱 전극은 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 외측 다이버터들 중 하나 이상 내에 배치되고, 제1 및 제2 미러 플러그들은 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 다이버터들 사이에 배치됨 -, 구속 챔버 및 제1 및 제2 다이버터들에 커플링된 게터링 시스템, 구속 챔버에 커플링되고 구속 챔버의 중간 평면을 향해 경사진 복수의 중성 원자 빔 인젝터들 - 구속 챔버, 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 제1 및 제2 다이버터들 주위에 배치된 복수의 준-dc 코일들, 및 제1 및 제2 형성 섹션들과 제1 및 제2 다이버터들 사이에 배치된 제1 및 제2 준-dc 미러 코일 세트를 포함하는 자기 시스템, 및 구속 챔버 주위에 배치된 안테나 시스템 - 안테나 시스템은 플라스마 전자들을 가열하기 위해 고속 고조파들을 FRC 플라스마 내로 출사하도록 구성됨 - 을 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 시스템은 FRC를 생성하고 중성 빔들이 플라스마 내로 주입되는 동안 감쇠 없이 FRC를 유지하며 플라스마 전자 온도를 약 1.0 keV 초과로 상승시키도록 구성된다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 안테나 시스템은 구속 챔버의 중간 평면으로부터 FRC 플라스마 내로 일정 출사 각도로 고속 고조파들을 출사하도록 배치된 하나 이상의 안테나를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 출사 각도는 구속 챔버의 중간 평면으로부터 약 15° 내지 약 25°의 범위에 있다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 출사 각도는 구속 챔버의 길이방향 축에 대한 직각에 가깝지만 이 직각보다는 작다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 안테나 시스템은 복수의 스트랩들을 갖는 위상 어레이 안테나들을 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 고속 고조파들은 라디오 주파수 범위들에서의 고속파들이다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 시스템은 FRC 플라스마 전자들을 약 150 eV로부터 약 1 keV 초과로 가열하도록 구성된다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 다이버터들은 제1 및 제2 형성 섹션들 및 구속 챔버를 개재하는 제1 및 제2 내측 다이버터들을 포함하고, 제1 및 제2 형성 섹션들에 커플링된 제1 및 제2 외측 다이버터들을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들은 상기 제1 및 제2 내측 다이버터들과 상기 제1 및 제2 외측 다이버터들을 개재하는, 시스템.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 시스템은 제1 및 제2 내측 및 외측 다이버터들, 제1 및 제2 형성 섹션들 및 구속 챔버에 동작가능하게 커플링된 제1 및 제2 축방향 플라스마 건들을 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 시스템은 구속 챔버에 커플링된 2개 이상의 새들 코일을 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 형성 섹션은 FRC를 생성하고 이를 구속 챔버의 중간 평면을 향해 병진이동시키기 위한 모듈화된 형성 시스템들을 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 바이어스 전극들은 개방 필드 라인들과 접촉하도록 구속 챔버 내에 배치된 하나 이상의 포인트 전극, 방위각 대칭 방식으로 원위-에지 플럭스 층들을 대전시키기 위한 구속 챔버와 제1 및 제2 형성 섹션들 사이의 환형 전극들의 세트, 다수의 동심 플럭스 층들을 대전시키도록 제1 및 제2 다이버터들에 배치된 복수의 동심 적층 전극들, 및 개방 플럭스를 가로채기하기 위한 플라스마 건들의 애노드들 중 하나 이상을 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시예에 따르면, 이 시스템은 구속 챔버의 중간 평면을 향해 일정 각도로 구속 챔버에 커플링된 제1 및 제2 콤팩트 토로이드(CT) 인젝터들을 더 포함하고, 여기서 제1 및 제2 CT 인젝터들은 구속 챔버의 중간 평면의 대향 측면들 상에서 정반대로 대향된다.
그렇지만, 본 명세서에서 제공된 예시적인 실시예들은 단지 예시적인 예들로서 의도되며 결코 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 명세서에서 제공된 임의의 실시예와 관련하여 설명된 모든 특징들, 요소들, 컴포넌트들, 기능들, 및 단계들은 임의의 다른 실시예로부터의 것들과 자유롭게 조합가능하고 치환가능하도록 의도된다. 특정한 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 또는 단계가 단지 하나의 실시예와 관련하여 설명되는 경우, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 그 특징, 요소, 컴포넌트, 기능, 또는 단계가 본 명세서에 설명된 모든 다른 실시예와 함께 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서 이 단락은, 언제라도, 이하의 설명이, 특정의 경우에, 그러한 조합들 또는 대체들이 가능하다는 것을 명시적으로 언급하지 않더라도, 상이한 실시예들로부터 특징들, 요소들, 컴포넌트들, 기능들, 및 단계들을 조합하거나 일 실시예로부터의 특징들, 요소들, 컴포넌트들, 기능들, 및 단계들을 다른 실시예의 것들과 치환하는 청구항들의 도입에 대한 선행 근거 및 서면 지원으로서 역할한다. 모든 가능한 조합 및 치환의 명시적 인용은 과도하게 부담이 되는데, 각각의 모든 그러한 조합 및 치환의 허용이 이 설명을 읽을 때 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 인식될 것인 경우 특히 그렇다.
많은 경우들에서, 엔티티들은 본 명세서에서 다른 엔티티들에 커플링되는 것으로 설명된다. 용어들 "커플링된" 및 "접속된"(또는 이들의 형태들 중 임의의 것)이 본 명세서에서 상호교환가능하게 사용되고, 양쪽 경우들에서, 2개의 엔티티의 직접 커플링(direct coupling)(임의의 무시할 수 없는(예컨대, 기생적) 개재 엔티티들을 갖지 않음) 및 2개의 엔티티의 간접 커플링(indirect coupling)(하나 이상의 무시할 수 없는 개재 엔티티를 가짐)에 대해 통칭적(generic)이라는 것이 이해되어야 한다. 엔티티들이 함께 직접적으로 커플링된 것으로 도시되거나 임의의 개재 엔티티의 설명없이 함께 커플링된 것으로 설명된 경우, 문맥이 달리 명백히 언급하지 않는 한 그 엔티티들이 함께 간접적으로도 커플링될 수 있음이 이해되어야 한다.
실시예들이 다양한 변형들 및 대안 형태들로 가능하지만, 이들의 특정 예들이 도면들에 도시되어 있으며 본 명세서에서 상세히 설명된다. 그렇지만, 이러한 실시예들이 개시된 특정의 형태로 제한되지 않으며, 그와 반대로, 이러한 실시예들이 본 개시내용의 사상 내에 속하는 모든 변형들, 등가물들, 및 대안들을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 실시예들의 임의의 특징들, 기능들, 단계들, 또는 요소들은 물론, 청구항들의 발명 범위를 그 범위 내에 있지 않은 특징들, 기능들, 단계들, 또는 요소들에 의해 한정하는 부정적 제한들이 청구항들에 열거되거나 추가될 수 있다.
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- FRC를 갖는 자기 필드를 생성하고 유지하기 위한 시스템으로서,
구속 챔버,
정반대로 대향된 제1 및 제2 FRC 형성 섹션들,
상기 제1 및 제2 형성 섹션들 및 상기 구속 챔버 사이에 배치된 제1 및 제2 내측 다이버터들,
상기 제1 및 제2 형성 섹션들에 커플링된 제1 및 제2 외측 다이버터들,
a) 복수의 플라스마 건들, b) 하나 이상의 바이어싱 전극 및 c) 제1 및 제2 미러 플러그들 중 하나 이상- 상기 복수의 플라스마 건들은 상기 제1 및 제2 외측 다이버터들, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들 및 상기 구속 챔버에 동작가능하게 커플링된 제1 및 제2 축방향 플라스마 건들을 포함하고, 상기 하나 이상의 바이어싱 전극은 상기 구속 챔버, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 상기 제1 및 제2 외측 다이버터들 중 하나 이상 내에 배치되고, 상기 제1 및 제2 미러 플러그들은 상기 제1 및 제2 형성 섹션들과 상기 제1 및 제2 외측 다이버터들 사이에 배치됨 -,
상기 구속 챔버 및 상기 제1 및 제2 내측 다이버터들과 제1 및 제2 외측 다이버터들에 커플링된 게터링 시스템,
상기 구속 챔버에 커플링되고 상기 구속 챔버의 중간 평면을 향해 경사진 복수의 중성 원자 빔 인젝터들,
상기 구속 챔버, 상기 제1 및 제2 형성 섹션들, 및 상기 제1 및 제2 외측 다이버터들 주위에 배치된 복수의 준-dc 코일들, 및 상기 제1 및 제2 형성 섹션들과 상기 제1 및 제2 내측 다이버터들 사이에 배치된 제1 및 제2 로우 프로파일 네킹 코일(low profile necking coils) 세트를 포함하는 자기 시스템, 및
하나 이상의 안테나를 포함하고 상기 구속 챔버 주위에 배치된 안테나 시스템 - 상기 안테나 시스템은 상기 구속 챔버의 상기 중간 평면으로부터 15° 내지 25°의 범위에 있는 출사 각도로 플라스마 전자들을 가열하기 위해 고속 고조파들을 상기 FRC 플라스마 내로 출사하도록 구성됨 -
을 포함하고, 상기 고속 고조파들은 라디오 주파수 범위들에서의 고속파들인 것인, 시스템. - 삭제
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- 제12항에 있어서, 상기 안테나 시스템은 복수의 스트랩들을 갖는 위상 어레이 안테나들을 포함하는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 고속 고조파들의 라디오 주파수는 15 내지 25 Mhz의 라디오 주파수 범위인, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 시스템은 FRC 플라스마 전자들을 150 eV로부터 1 keV 초과로 가열하도록 구성되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 시스템은 FRC 플라스마 전자들을 제1 온도로부터 제1 온도보다 적어도 7배 큰 제2 온도로 가열하도록 구성되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 시스템은 FRC를 생성하고 상기 중성 원자 빔들이 상기 플라스마 내로 주입되는 동안 상기 FRC를 감쇠 없이 유지하도록 구성되는, 시스템.
- 제20항에 있어서, 상기 시스템은 FRC 플라스마 전자 온도를 1 keV 초과로 상승시키도록 구성되는, 시스템.
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