KR20140102170A - 플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

컴프레서 어셈블리 그리고 그것을 사용하는 방법은 연장된 나선형의 통로를 포함하여, 그 나선형 통로 내에서 콤팩트 토로이드 플라즈마 구조와 같은 콤팩트 토로이드 플라즈마는, 에너지 보존에 의해서 발열을 유도하는 방식으로, 상기 나선형 통로의 벽에 가해지는 그 플라즈마 자체의 운동량에 의해서 상기 콤팩트 토로이드 플라즈마 구조를 압축함으로써 고-에너지 상태로 효율적으로 압축될 수 있다. 상기 컴프레서 어셈블리는 상기 나선형 통로와 연결 상태에 있는 연소 챔버를 또한 포함하며, 압축된 이후에 압축된 콤팩트 토로이드 플라즈마 구조가 그 내부로 도입된다.

Description

플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for compressing plasma to a high energy state}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 물리 분야에 관한 것이다. 특히 본 발명은 플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 배경으로, 1942년 엔리코 페르미는 가벼운 원자핵들을 핵융합에 의해 결합시켜 큰 에너지를 발생시키는 아이디어를 토의하기 시작하였다. 그는 수소의 풍부하고 안정된 동위원소인 중수소를 연소시키는 방법을 제안하였다.
오늘날 핵융합 에너지 생성을 달성하기 위한 두 가지 주요 접근법으로 자기적 밀폐법(MCF) 및 레이저 관성 밀페법(ICF)이 사용되고 있다. 예를 들어, 국제 열핵 실험 반응기(ITER)의 토카막은 MCF를 사용하고 국립 연소 연구소(NIF)는 ICF를 사용하고 있다. 이러한 플라즈마 실험은 매우 큰 규모로 실행되는데, 지름이 두자릿수 미터에 달한다.
이러한 접근법들에 기초한 반응기들은 더욱 큰 스케일로 진행되기도 하는데, 이는 반응기들에 충분한 시간 동안 고에너지 플라즈마를 동시에 달성하기 위한 로슨 기준을 만족시키기 위해 필요한 극단적인 밀도 조건이 요구되기 때문이다. MCF는 외부 자기장을 사용하여 2 내지 4 초간의 장기간 동안 1020 m-3의 저밀도 플라즈마를 유지하기 위해 시도하는데, 플라즈마 불안정성이 발생하게 된다. ICF는 나노 초 동안 1028 m-3의 고밀도 플라즈마를 유지하기 위해 시도한다. 자기화 표적 융합(Matnetized Target Fusion; MTF)는 1024 m-3의 중간 밀도 플라즈마를 수 밀리 초 동안만 유지함으로써 양 극단 조건에서 발생하는 문제들을 완화시키는 동시에, MCF 또는 ICF에 비하여 반응기의 최소 규격 및 비용을 감소시킨다.
로스 알라모스 국립연구소(LANL)는 일찌기 MTF 연구에 착수하였는데, 그들의 연구는 가장 적합한 이론 및 실험에 의하여 그들의 연구를 스케일링하지 않고 가까이 있는 시바 스타(Shiva Star) 캐피시터 뱅크를 동력원으로 사용하여 실험을 스케일링함에 의하여 좌절되었다. 시바 스타 설비는 뉴멕시코 주 알버커크의 커트랜드 공군 기지에 위치하였다. 그들은 물리학에 기초하여 이론 검증된 설계를 최적화하지 아니하고, 그들의 동력 공급 한계에 따랐다. 그들의 연구의 또 하나의 단점을 콤팩트 토러스(CT) 플라즈마 구조를 형성하기 위해 보다 효과적인 안테나 방식 대신에 세타 핀치(theta pinch)를 사용한 것이었다. 마지막으로 그들은 단발 실험을 위하여 재사용 불가능 압축 방법(알루미늄 캔 파쇄기)에 집착하였다.
한 캐나다 회사는 이러한 기존의 연구를 개량하여 낮은 입력 에너지를 요구하는 더 작은 스케일의 MTF 접근을 시도하였다. 그러나 이들의 시도는 납과 같은 고원자가 불순물을 초래하여 점화가 발생하기 이전에 복사 손실로 인하여 플라즈마가 꺼지는 문제가 있었다. 이 회사의 음향 압축 방식의 타이밍 제어도 또한 문제가 되었다.
캘리포니아 기술연구소(CIT) 및 로렌스 리브모어 국립연구소(LLNL)은 토카막의 활성을 유지하기 위해 토카막에 CT를 주입하는 방식에 집중하였다. 그들의 프로토타입 'CT 가속기' 실험은 CT 플라즈마 구조를 테이퍼된 벽에 대하여 이동시킴으로써 병진 운동 또는 가속하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다. 그러나 그들 역시 스틸 전극으로부터의 철과 같은 불순물 문제를 겪었고, 그들의 초기 성과를 나선과 같은 곡면에 대하여 적용하는 시도를 하지 않았다.
워싱턴 대학의 플라즈마 물리 연구소는 플라즈마 불순물을 방지하기 위해 오랬동안 청결성 조건을 주창해 왔다. 그들은 또한 CT를 형성하거나 가속하기 위해 새롭고 보다 효과적인 방법들을 사용하였다. 그러나 대학의 순수 연구는 MTF를 위한 발전된 플라즈마 압축에 집중되지 않았고, 대학은 그들이 사용한 실리콘 이산화물로 만들어진 벽보다 훨씬 낮은 Z 재료인 베릴륨 또는 리튬-실리콘으로 만들어진 곡면 벽에 따라 CT를 병진 이동시키는 시도를 하지 않았다.
기존의 CT 압축 방식은 아래와 같으며, 이들로 제한되지 않는다:
a. 폭발식(선형 기법) - 예들 들어 로스 알라모스/시바 스타 등의 프로젝트. 이러한 메카니즘은 재사용이 불가능하고, 높은 입력 에너지를 요구하고 시스템 사이즈가 커지는 문제가 있다.
b. 기체식(가스 주입) - 이 메카니즘은 전형적으로 압력 불안정성을 보이고, 대형 플라즈마에 사용되기에 너무 저속이다.
c. 유압식(하이드로포밍 벽) - 예들 들어, 캐나다의 '제너럴 퓨전' MTF 개념이 있다. 이러한 메카니즘은 서브 마이크로 초 정밀도의 타이밍을 요구하고 고도로 복잡한 제어 시스템을 요구한다. 또한 이 메카니즘의 유체 벽은 플라즈마에 고 원자가 오염물을 추가하여 플라즈마의 복사 손실율을 크게 증가시킨다.
d. 기계식(피스톤) - 예들 들어, 캐나다의 '제너럴 퓨전' MTF 개념이 있다. 이러한 메카니즘은 서브 마이크로 초 정밀도의 타이밍을 요구하고 고도로 복잡한 제어 시스템을 요구한다.
e. 전기식(릴레이 피스톤) - 예들 들어, 캐나다의 '제너럴 퓨전' MTF 개념이 있다. 이러한 메카니즘은 서브 마이크로 초 정밀도의 타이밍을 요구하고 고도로 복잡한 제어 시스템을 요구한다.
f. 자기식(코일-전류 스파이크) - 이 메카니즘은 일찌기 플로리다 대학의 TRISOPS 실험부터 워싱턴 대학 플라즈마 물리 연구소의 최근의 CT 장치에 이르기 지 많은 연구 프로그램에서 시도되었다. 이 메카니즘은 정밀한 타이밍, 큰 입력 에너지를 요구하고 플라즈마 불안정성을 유도할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명한 다양한 메카니즘의 문제를 해결한 우수한 CT 플라즈마 구조 압축 어셈블리를 제공하는 것이다. 특히 본 발명은 기존의 방식의 단점 분석을 통해, 새로운 접근법과 현저한 효과를 가능케 하는 독특한 설계를 제공한다. 본 발명의 신규한 설계의 구체적 내용은 이하 발명의 상세한 설명에서 설명될 것이다.
본 발명의 하나의 목적은 플라즈마를 고에너지 상태로 효과적으로 압출할 수 있는 신규 설계의 컴프레서 어셈블리를 제공하는 것이다.
특히 본 발명의 목적은 CT 플라즈마 구조가 효과적으로 고에너지 상태로 압축될 수 있는 연장된 나선형 통로를 구비한 컴프레서 어셈블리를 제공하는 것인데, CT는 자체 모멤텀에 의해 나선형 통로의 벽에 대하여 압축되어 에너지 보존 법칙에 의해 열을 발생시킨다.
본 발명의 다른 목적은 나선형 통로와 통해 있고 압축 이후에 압축된 CT가 유입되는 연소 챔버를 포함하는 컴프레서 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연소 챔버에 내장되어 시간에 대한 자기장 벡터를 측정하는 자기 센서를 포함하는 컴프레서 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연소 챔버가 일정한 단면을 갖고 압축된 CT를 받아들이는 하나 이상의 인입 포트와 이보다 작은 다수의 배기 포트를 갖는 도넛 형태의 링을 포함하는 컴프레서 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연장된 나선형 통로를 갖는 컴프레서를 이용하여 CT를 통로의 벽을 따라 CT의 튀어나옴(ricochet)가 방지되는 방식으로 CT를 나선형 통로로 주입함으로써 CT를 고에너지 상태로 압축하는 방법을 제공하는 것이다. 특히 본 발명은 주입 시점의 CT의 벌크 축의 운동 에너지가 압축 종료 후에 달성하고자 하는 "목표" 열 에너지보다 크도록 함으로써 CT의 튀어나옴이 방지되는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 CT가 형성되는 동안, CT를 연장된 나선형 통로로 주입하기 이전에 CT에 큰 자기장을 인가하여 열전도 손실 및 입자 확산 손실을 방지하는 CT 압축 방법을 제공하는 것이다. 고도로 자기화된 CT는 인가된 자기장 선에 수직인 방향으로의 열전달 손실 및 입자 확산 손실을 지연시킨다.
본 발명의 다른 목적은 연장된 나선형 통로의 벽으로의 코팅을 지연시키는 플라즈마 불순물을 인가함으로써 연전달 손실 및 입자 확산 손실을 방지하는 CT 압축 방법을 제공하는 것이다. 예를 들어 베릴륨 또는 리튬-실리콘과 같은 저원자가 재료가 통로 벽에 코팅을 형성한다.
본 발명의 다른 목적은 CT가 "목표" 열 에너지로 압축된 후에, CT를 일정한 단면을 갖고 압축된 CT를 받아들이는 하나 이상의 인입 포트와 이보다 작은 다수의 배기 포트를 갖는 도넛 형태의 링을 포함하는 연소 챔버로 도입시키는 CT 압축 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 CT가 "목표" 열 에너지로 압축된 후에, CT를 연소 챔버로 도입시키고, 연소가 완료된 후에 압축된 CT를 적절한 진공 펌프에 의해 연소 챔버 외부로 배출된 중립 가스 내에서 확산되는 CT 압축 방법을 제공하는 것이다.
전술한 본원 발명의 목적은 첨부된 도면에 도시되고 발명의 상세한 설명에 설명된 장치에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
도 1은 플라즈마를 고 에너지 상태로 압축하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 사시도이다.
도 2는 플라즈마 컴프레서에 도입될 위치에서 압축되기 이전의 플라즈마 구조를 보여주는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 컴프레서의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 플라즈마 컴프레서의 분해 사시도이다.
도 4는 플라즈마 컴프레서의 종방향 단면도이다.
도 4A는 도 4의 4A-4A 선을 따른 도 4 장치의 단면도이다.
도 5는 플라즈마가 압축된 상태의 플라즈마 컴프레서의 연소 챔버의 분해 사시도이다.
도 6은 플라즈마 컴프레서에 도입될 위치에서 압축되기 이전의 플라즈마 구조를 보여주는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 컴프레서의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 플라즈마 컴프레서의 분해 사시도이다.
도 8은 도 6의 플라즈마 컴프레서의 종방향 단면도이다.
도 9는 플라즈마가 압축된 상태의 본 발명의 플라즈마 컴프레서의 연소 챔버의 분해 사시도이다.
도 10은 전자의 손실 함수표이다.
도 11은 이온의 손실 함수표이다.
도 12는 입자 트랜스퍼의 손실 함수표이다.
본원에서 사용되는, 이하의 기호들은 다음과 같은 의미들을 갖는다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003

융합( fusion )
2개의 가벼운 원자핵이 결합해 무거운 원자핵을 형성하는 프로세스.
융합 프로세스는 빨리 움직이는 입자들의 형태로 거대한 에너지량을 방출한다. 원자핵들이 내부에 포함되어 있는 양자들에 기인하여 양(+) 전하를 띠고 있기 때문에, 그들 간에는 정전기적 반발력, 또는 쿨롱력이 존재한다. 2개의 원자핵이 융합하는 경우에는, 2개의 원자핵이 충분히 서로 근접해 있을 때 생기는 이러한 반발 장벽이 극복되어야 하는데, 여기서 단거리 핵력들은 쿨롱력을 극복하여 원자핵들을 융합할 정도로 충분히 강력해진다. 원자핵들이 쿨롱 장벽을 극복하는데 필요한 에너지는 매우 높아져야 하는 원자핵들의 열 에너지들에 의해 제공된다. 예를 들면, 융합 속도는 온도가 적어도 화씨 1억 도에 상응하는 대략 10 keV 정도인 경우에 평가가능하다. 융합 반응 속도는 온도의 함수이며 이는 반응도라 불리는 분량의 특징을 지닌다. 예를 들면, D-T 반응의 반응도는 30 keV 내지 100 keV의 브로드 피크(broad peak)를 지닌다.
필드 역전 구성( field - reversed configuration ; FRC )
콤팩트한 토로이드 플라즈마 구조의 일례는 축방향 자계를 생성하는 원통형 코일로 형성되는 필드 역전 구성이다. 먼저, 축방향 바이어스 필드가 가해진 다음에, 상기 바이어스 필드를 "고정(freeze in)"하도록 가스가 예비-이온화되며, 마지막으로 축방향 필드가 역전된다. 결국, 상기 바이어스 필드 및 메인 필드의 재결합이 이루어져서, 폐쇄 폴로이달 자계 라인들이 생성된다. 당업자에게 공지된 검토는 「"Field Reversed Configurations," M. Tuszewski, Nuclear Fusion, Vol. 28, No. 11, (1988), pp.2033-2092」에서 찾아볼 수가 있다.
콤팩트한 토로이드( compact toroid )
FRC는 콤팩트한 토로이드의 패밀리에 속한다. "콤팩트(compact)"라는 용어는 내부 재료 구조들(예컨대, 자석 코일들)이 없음을 의미한다. "토로이드(toroid)"라는 용어는 폐쇄된 도넛-형상의 자기면(magnetic surface)들의 토폴로지를 의미한다. 상기 FRC는 플라즈마 내에서 평가가능한 토로이달 자계가 없음으로써 다른 콤펙트한 토로이드들과 구별된다.
원동기 서브시스템( prime - mover subsystem )
본원에서 사용된 원동기 서브시스템은 융합에 의해 생성된 이온 및/또는 중성자 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 시스템을 의미한다. 상기 원동기 서브시스템은 열교환기를 포함할 수 있으며 당업자에 의해 또한 공지된 특성을 갖는 여러 타입의 선택된 직접 변환 서브시스템들을 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 장치
지금부터 첨부도면들, 특히 도 1을 참조하면, 도 1에는 플라즈마를 고 에너지 상태로 압축하는 본 발명의 장치 중 한 형태가 도시되어 있으며 전체적으로 참조번호 20으로 나타나 있다. 이러한 형태의 장치는 컴프레서(22), 출구 포트(25)에 의해 상기 컴프레서에 연결된 진공 펌프 서브시스템(24) 및 상기 컴프레서에 동작가능하게 결부된 벽-클리닝(wall-cleaning) 서브시스템을 포함한다. 여기서의 벽 클리닝 서브시스템은 미국, 오하이오, 콜럼버스 소재의 BH Thermal Corporation으로부터 상업적으로 용이하게 입수가능한 것과 같은 히터 블랭킷들(26a), 미국, 캘리포니아, 레드우드 시티 소재의 XEI Scientific, Inc.로부터 상업적으로 용이하게 입수가능한 시스템과 같은 글로우 방전 클리닝(glow discharge cleaning; GDC) 시스템(26b) 및 미국, 콜로라도, 콜로라도 스프링스 소재의 SAES Getters USA와 같은 상업적 공급처들로부터 용이하게 입수가능한 특성을 갖는 게터링 펌프(gettering pump; 26c)를 포함한다. 장치(20)는 또한 여기서 미국, 캘리포니아, 하이워드 소재의 Alpha Magnetics와 같은 공급처들로부터 상업적으로 입수가능한 것들과 같은 정을 갖는 예비-이온화 능력을 갖는 고정자 안테나 코일들을 포함하는 플라즈마 소스 서브시스템(28), 미국, 뉴저지, 파인 브룩 소재의 Parker Hannifin으로부터 입수가능한 특성을 갖는 방화(防火) 유닛(30)을 갖는 가스 펄스 분사 밸브, 및 Alpha Magnetics로부터 또한 입수가능한 배출기 코일 서브시스템(32)을 포함한다. 예비-이온화 프로세스는 미국, 뉴욕, 로체스터 소재의 T & C Power Conversion으로부터 입수가능한 특성을 갖는 무선주파수 생성기에 의해 전력을 공급받는 것이 바람직하다. 이하에서 좀더 구체적으로 논의되겠지만, 도 1에서 전체적으로 참조번호 34로 나타나 있는 원동기 서브시스템은 융합에 의해 생성된 이온 및/또는 중성자 열 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 컴프레서(22)에 동작가능하게 결부되어 있다. 여기에서의 원동기(34)는 당업자가 이해할 수 있는 특정을 갖는 열 교환기를 포함한다. 상기 열 교환기에는 증기 터빈이 부착되어 있으며, 상기 증기 터빈은 (첨부도면들에 별도로 도시되어 있지 않은) 발전기에 부착되어 있다. 상기 원동기 서브시스템은 당업자에게 또한 공지된 특성을 갖는 여러 타입의 선택된 직접-변환 서브시스템들을 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 장치의 매우 특이한 특징은 앞서 언급한 컴프레서(22)이며, 상기 컴프레서(22)의 구성에 대한 세부사항들은 첨부도면들 중 도 2 내지 도 4에 예시되어 있다. 본 발명의 현재 유형에서는, 상기 플라즈마 컴프레서(22)는 알루미늄, 스틸강, 구리, 실리콘, 마그네슘, 탄소-탄소 복합재료, 니켈 초합금들, 텅스텐, 또는 (몰리브덴, 니오븀 또는 레늄과 같은) 다른 내열 합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 구성된 제1 및 제2의 밀봉가능하게 상호 연결된 부분들(36,38)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 부분들(36,38)은 종래의 컴퓨터 수치제어(computer numerically controlled; CNC) 기계, 또는 종래의 전기 방전 기계(electrical discharge machine; EDM)를 사용하거나, 주입성형 방법에 의해 형성된다. 첨부도면들 중 도 3 및 도 4에 잘 나타나 있는 바와 같이, 상기 부분들(36,38) 각각에는 연속 벽(40a)을 지니는 가늘고 긴 나선형 통로(40)가 설치되어 있다. 상기 나선형 통로들 각각은 입구(40b) 및 출구(40c)(도 3 참조)를 지닌다. 상기 컴프레서(22)의 중심에 인접하여 그리고 상기 나선형 통로의 출구와 연통하여 중요한 연소 챔버(41)가 배치되어 있으며 상기 연소 챔버(41)의 구성 및 동작이 지금부터 설명될 것이다.
또한 상기 컴프레서(22)의 일부를 형성하는 것은 입구 포트 요소(42) 및 상기 연소 챔버(41)에 동작가능하게 결부된 내부 링(44)이다. 입구 포트 요소(42)는 상기 부분들(36,38)이 브레이징(brazing), 용접, 확산 본딩, 또는 (볼트들 및 시일들을 갖는) 기계적 조립에 의해 첨부도면들 중 도 2에 예시된 방식으로 서로 결합될 경우에 형성되는 상기 나선형 통로(43)(도 4 참조)의 입구와 연통해 있다. 도 2에 예시되어 있는 바와 같이, 나선형 통로(43)는 상기 연소 챔버(41)와 연통해 있는 통로의 최소 직경에 대해 점차로 감소하는 직경을 갖는다. 상기 입구 포트 요소 및 상기 내부 링은 또한 알루미늄, 스틸강, 구리, 실리콘, 마그네슘, 탄소-탄소 복합재료, 텅스텐, 또는 다른 내열 합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
압축 프로세스 동안 플라즈마의 오염을 회피하기 위해, 상기 컴프레서(22)의 가늘고 긴 나선형 통로(40)의 벽과 아울러, 상기 플라즈마에 노출된 컴프레서의 다른 내부면들에는 모두가 도전성을 띠며 낮은 원자번호를 갖는 재료들(도 3 및 도 4a 참조)인 리튬-실리콘, 베릴륨, 또는 디보라이드 세라믹(diboride ceramic)을 포함하는 것이 바람직한 피막 "C"가 설치되어 있어야 한다. 상기 리튬-실리콘 피막에 대하여는 유념해야 할 점은 순수한 리튬 금속이 수증기와 반응하기 때문에, 피막 형성 분말의 제조 시점과 상기 컴프레서의 내부 벽들에의 피막 형성 분말 도포 간에 상기 순수한 리튬 금속이 엄격히 진공 상태로 유지될 필요가 있다. 특정 애플리케이션의 경우에, 느리게 스퍼터링하는 낮은 원자번호를 갖는 원소들로 이루어진 낮은 도전성을 띤 디보라이드 세라믹 또는 유사한 복합재료 피막은 또한 상기 컴프레서의 내부 벽들을 피복하는데 유리하게 사용될 수 있다. 상기 컴프레서의 내부 벽들을 피복하는 여러 기법은 당업계에 공지되어 있다. 베릴륨 피막들의 경우에, 이러한 기법들은 논문「Beryllium Chemistry and Processing, Kenneth A. Edgar E. Vidal, et al. ASM International (2009) (특히, Chapter 22 "Beryllium Coating Processes", Alfred Goldberg, pp. 361-399) 참조)」에 충분히 기재되어 있다.
일단 기계가공되고 적절히 피복된 경우에, 플라즈마에 노출되는 상기 컴프레서(22)의 내부 벽들, 내부 링(44) 및 입구 포트 요소(42)는 세밀하게 클리닝된 다음에 상기 컴프레서의 여러 요소가 브레이징, 용접, 확산 본딩, 또는 기계적 조립에 의해서와 같이, 당업자가 이해하는 방식으로 서로 결합된다.
부가적인 클리닝 및 누설 검사들 후에, 상기 컴프레서(22)는 첨부도면들 중 도 1에 도시된 방식으로 본 발명의 장치의 다른 서브 시스템들과 일체화된다. 이러한 서브시스템들은 앞서 설명한 진공 펌프 서브시스템(24), 히터 블랭킷들(26a), 글로우 방전 클리닝(GDC) 시스템(26b) 및 이온 게터링 펌프(26c)를 포함하는 벽-클리닝 서브시스템 및 플라즈마 소스 서브 시스템(28)을 포함한다. 이러한 여러 서브시스템이 상기 컴프레서와 상호연결되고 완성된 시스템이 철저히 테스트를 받은 후에, 상기 원동기 서브시스템(34)이 첨부도면들 중 도 1에 나타낸 방식으로 상기 컴프레서(22)와 상호연결된다.
본 발명의 장치를 동작시키기 전에, 연소 챔버(41)에서의 CT의 속도와 아울러, 입구 포트를 통한 CT의 분사 속도를 시간조정하기 위한 로고스키(Rogowiski) 코일들에 더하여, 중성자 진단과 함께, 촬영 사진들을 관찰하기 위한 고속 x-선 카메라와 같은 (첨부도면들에 도시되어 있지 않은) 장치 주위의 다양한 공지된 진단 도구들을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법들을 고려하기 전에, 컴프레서 유닛의 변형 실시예가 고려될 것이다. 상기 컴프레서 유닛의 변형 형태는 첨부도면들 중 도 6-9에 예시되어 있으며 전체적으로 참조번호 52로 나타나 있다. 이러한 실시예는 도 1 내지 도 5에 도시된 실시예와 여러 면에서 유사하며 실질적으로 동일한 방식으로 기능을 수행한다. 본 발명의 이러한 최후의 실시예와 이전에 설명한 실시예 간의 주된 차이점은 상기 컴프레서가 베릴륨 합금과 같은 낮은 원자 번호를 갖는 도전성을 띤 금속 합금으로부터 구성된다는 사실에 있다. 좀더 구체적으로 기술하면, 본 발명의 이러한 최후의 실시예에서는, 상기 컴프레서 유닛(52)의 부분들(54,56)이 종래의 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계, 또는 종래의 전기 방전 기계(EDM)를 사용하거나, 주입성형 방법에 의해 베릴륨 합금 블록으로부터 형성된다. 본 발명의 앞서 설명한 실시예에서와 같이 그리고 첨부도면들 중 도 7 및 도 8에 예시되어 있는 바와 같이, 상기 부분들(54,56) 각각에는 연속 벽(58a)을 갖는 가늘고 긴 나선형 통로(58)가 설치되어 있다. 상기 나선형 통로들 각각은 입구(58b) 및 출구(58c)(도 7 참조)를 지닌다.
또한 상기 컴프레서(52)의 일부를 형성하는 것은 입구 포트 요소(60), 출구 포트 요소(61) 및 내부 링(62)이며, 이들의 기능들은 앞서 설명한 실시예의 입구 포트(42) 및 내부 링(44)의 기능들과 실질적으로 동일하다. 상기 내부 포트 요소 및 상기 내부 링 양자 모두는 또한 베릴륨 합금과 같은 낮은 원자번호를 갖는 도전성을 띤 재료로부터 형성되는 것이 바람직하다. 일단 기계가공된 경우에, 상기 입구 포트 요소(60), 상기 내부 링(62) 및 부분들(54,56)은 세밀하게 클리닝되며 브레이징, 용접, 확산 본딩, 또는 볼트들 및 시일들을 사용하는 기계적 조립에 의해서와 같이 당업자가 이해하는 방식으로 서로 결합된다. 부분들(54,56)이 서로 융합된 후에, 상기 부분들 각각에 형성된 가늘고 긴 나선형 통로들(58)은 나선형 통로(63)(도 8 참조)를 형성하도록 협동한다. 도 8에 예시되어 있는 바와 같이, 나선형 통로(58)는 상기 연소 챔버(65)와 연통해 있는 통로의 최소 직경에 대하여 점진적으로 감소하는 직경을 지닌다. 상기 컴프레서(52)의 중심에 근접하여 그리고 상기 나선형 통로(63)의 출구와 연통하여 본 발명의 이러한 최후 형태의 중요한 연소 챔버(65)가 배치되는데, 이의 구성 및 동작은 앞서 언급한 연소 챔버(41)와 실질적으로 동일하다.
압축 구조(52)를 구성하는데 사용하는 다른 후보 재료들은 탄소-탄소 복합재료 및 내열 금속 합금들(이들 모두는 베릴륨보다 높은 원자번호를 갖는 재료들임)을 포함한다.
상기 컴프레서를 구성하는데 베릴륨 합금 재료를 사용하는 것은 모두가 베릴륨보다 양호하게 x-선들을 흡수하는 스틸강, 구리, 실리콘, 마그네슘, 텅스텐 또는 다른 내열 합금들과 같은 더 일반적인 재료들의 사용보다 다소 바람직하지 않다. 그 외에도, 이러한 재료들의 사용은 상당히 덜 위험하고 상기 재료들은 진공 구조 벽 및 x-선 차폐 벽의 기능을 결합하여 하나의 성분을 이룬다.
당업자라면 이해하겠지만, 수소, 중수소, 중수소-트리튬 혼합물들, 순수한 트리튬, 헬륨-3, 디보란 및 이들의 혼합물들을 포함하지만 이들에 국한되지 않는 다양한 가스가 본 발명의 압축 장치와 함께 사용될 수 있다. 상기 압축 장치가 중수소가 풍부한 가스를 점화 및/또는 "연소(burn)" 상태로 압축하는데 사용되는 경우에, 연소재의 일부가 희귀 가스 헬륨-3을 함유하게 된다. 이는 반응된 중수소가 트리튬과 같은 달리 생성된 입자들보다 느린 초기 속도를 지니므로, 플라즈마에서 좀더 용이하게 열중성자화하기 때문이다. 그러나, 반응된 중소소의 핵융합 반응 속도는 반응된 중수소가 열중성자화된 트리튬만큼 빠르게 소비되지 않도록 트리튬-중수소 반응 속도보다도 느리다. 이러한 증식 프로세스의 결과로, 중수소 반응들로부터의 재는 희귀하고 안정한 동위체 헬륨-3을 축적한다.
상기 헬륨-3을 수집하기 위해, 상기 진공 펌프에 부착된 여과 시스템이 배기가스에서 상기 동위체들을 분리시키는데 필요하게 된다. 이러한 장치는 펌프 배기가스로부터 대기로 배출되어선 아니 되는 (트리튬과 같은) 다른 배기가스 생성물과 아울러, 상기 헬륨-3을 수집하여 정화하는데 사용된다. 그 외에도, 수소-1(양자들) 및 헬륨-4는 동위체 분리 여과 시스템을 사용하여 배기가스로부터 획득될 수 있다.
본 발명의 방법을 수행하는 제1 단계는 콤팩트한 토러스(compact torus; CT)를 형성하는 것이다. 한 타입의 CT는 필드 역전 구성(FRC)이다. FRC는 축방향 자계를 생성하는 원통형 코일 내에 형성된다. 먼저, 축방향 바이어스 필드가 가해진 다음에, 상기 바이어스 필드를 고정하도록 가스가 예비-이온화되며, 마지막으로 축방향 필드가 역전된다. 결국, 상기 바이어스 필드 및 메인 필드의 재결합이 이루어져서, 폐쇄 필드 라인들이 생성된다.
상기 CT의 형성 다음에, 콤팩트한 토로이드 압축 메커니즘들의 사용을 포함하는 앞서 언급한 선행기술의 방법들과는 달리, 첨부도면들에서 참조번호 68로 나타나 있는 CT가 본 발명의 플라즈마 컴프레서의 입구 포트 요소(42) 내로 고속으로 발진(launch)된다. 이하에서 좀더 구체적으로 논의되겠지만, CT가 상기 플라즈마 컴프레서를 통해 진행됨에 따라, 상기 CT가 낮은 원자번호를 갖는 가늘고 긴 나선형 재료 벽에 대하여 자기 자신의 관성에 의해 분쇄됨으로써 에너지 보존에 따라 가열작용이 유발된다. 상기 CT의 내부 열 에너지는 그의 운동 에너지가 감소함에 따라 증가한다.
상기 CT가 상기 나선형 통로(43)의 벽들에 대하여 압축함에 따라, 상기 CT가 발휘하는 압박력은 (상기 벽들이 일정한 단면을 갖지 않는 한) 상기 CT의 순방향 운동에 대하여 반대 방향을 이루는 벡터 성분을 지닌다. 그러므로, 배출 시점에서의 CT의 대량의 축방향 운동 에너지가 상기 벽들을 따른 도탄 효과(ricochet effect)를 회피하기 위해 압축 종료시에 "타깃(target)" 열 에너지 설계보다 크게 하는 것이 중요하다.
상기 나선형 통로(43)의 벽은 상기 CT가 접촉하게 되는 플라즈마 컴프레서의 다른 벽들과 아울러, 열의 일부를 배출 전에 형성하는 동안 상기 CT에 큰 자계가 걸리게 함으로써 상당히 감소될 수 있을 정도로 흡수한다. 고도로 자화된 CT는 자신의 코어 및 상기 벽들 간에 열 전도 손실들 및 입자 확산 손실들 양자 모두를 저지한다.
일단 "타깃" 열 에너지 설계로 압축되는 경우에, 압축된 CT(68a)는 비교적 짧은 전달 도관(70)에 진입하고, 상기 도관(70)은 상기 압축된 CT(68a)를 상기 컴프레서의 대칭면으로부터 벗어나서 연소 챔버(41) 내로 안내한다. 앞서 논의된 바와 같이, 상기 연소 챔버는 압축된 CT(68a)(도 3 및 도 7 참조)에 대한 단일 입구 포트와 함께, 일정 단면을 토로이달 링, 및 상기 진공 시스템(24)와 연통해 있는 다수의 작은 배기 포트(72)를 포함한다.
연소가 이루어진 다음에, 상기 압축된 CT(68a)는 중성 가스로 분산되고, 상기 중성 가스는 메인 진공 출구 포트(74)를 통해 배수된다. 첨부도면들 중 도 5 및 도 9를 참조하면, 여기서 유념해야 할 점은 내부 링에는 원형 홀(78)이 제공되는데, 상기 원형 홀(78)은 (도시되지 않은) 조립 동안 조정 게이지 핀을 수용하는데 적합하다. 조립 후에는, 상기 조정 게이지 핀이 제거되고, 로고스키 코일 루프와 같은 진단 프로브들의 삽입을 위해 편리하게 사용될 수 있는 2개의 스루-홀이 남게 된다.
본 발명의 방법의 주된 이점은 중성 비임들이 플라즈마를 가열하거나, 콤팩트한 토로이드 플라즈마 열 에너지를 유지하거나, 또는 플라즈마 구조에 대한 안정성을 제공하는데 필요하지 않다는 점이다. 상기 방법의 또 다른 이점은 조립식 벽들이 플라즈마를 압축하는데 필요하지 않다는 점이다. 그 외에도, 실제로, 본 발명의 압축 장치는 여러 번 사용될 수 있다.
배경으로, 수소의 안정한-동위 원소가 풍부한 연소하는 중수소에서, 상기 반응 사이클은 다음의 다섯 개의 식들로 구성된다:
1차 중성자-분기
Figure pct00004
1차 양자-분기
Figure pct00005
2차 헬리온 (helion)-분기
Figure pct00006
2차 트리톤 (triton)-분기
Figure pct00007
3차 트리톤-분기
Figure pct00008

본 발명의 상기 방법을 수행하는데 있어서, CT 플라즈마 구조가 직접적인 시선 (line-of-sight) 접촉을 하게 되는 임의 표면은 물론이며 상기 나선형 통로의 벽도 깨끗해야 하며, 낮은 원자 번호이어야 하며, 그리고 느리게 스퍼터 (sputter) 한다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 이런 특징들은 상기 벽들로부터 플라즈마로 인입하는 분순물들로 인한 손실들을 최소화할 것이다. 추가로, 상기 벽들이 전기적으로 전도성인 것이 유익하며, 이것이 방출된 밀리미터-파장 광을 재흡수를 위해서 상기 플라즈마로 반사함으로써 상기 가열된 플라즈마로부터의 싱크로트론 (사이클로트론) 방사로 인한 손실을 최소화하기 때문이다. 이것은 상기 시스템에 대한 에너지 균형을 지배하는 기본적인 식들을 검토하면 명백해진다.
융합 반응들에 의해 얻어진 전력에 대한 식은 다음과 같다:
융합 이득
Figure pct00009
A.1
전자들, 이온들 그리고 입자 전달에 대한 손실 방정식들은 이전에 제시된 심볼 정의 테이블에서 정의된 것과 같은 모든 변수들을 이용하여 도면들 중 도 10, 도 11 및 도 12에서 각각 나타난다.
종래의 실험적인 문헌은 물론이며, 이 식들을 기반으로 하는 주요한 관찰 결과는 불순물에 의해 유도된 손실들을 회피하는 것은 뜨거운 플라즈마를 유지하기 위한 결정적인 필요사항이라는 것이다. 이를 달성하기 위해서, 플라즈마가, 철과 같이 높은 원자 번호 (높은 Z)의 재질들과 접촉하지 않도록 하는 것이 필수적이다. 플라즈마 내의 분순물들의 최종-결과는 손실 비율들이 수 십배로 증가한다는 것이다. 높은-Z 오염으로 인해 여러 손실 경로들이 존재하다. Z로 인해서 가장 크게 증가하는 체적 방사 전류 손실 메커니즘들은 제동복사 (Bremsstrahlung), 재결합 (Recombination), 그리고 여기 라인 (Excitation Line)이다. 그러나, 평균 Z는 열 전도 손실들 그리고 심지어는 열중성자화 (thermalization) 레이트 (rate)들에도 또한 영향을 미친다.
다중-폴 비-상대론적 방정식 A.2 (도 10)가 표시하는 것처럼, 제동복사 방사 (Bremsstrahlung radiation)는 플라즈마의 평균 이온 전하 Z 에 의해서 강하게 영향을 받는다. 이 방정식에 추가하여, 제동복사 방사로 인한 지배적인 손실 레이트에 도달하기 이전에, 각 이온 종 (species)에 대해 모든 양자-역학적인 "가운트 팩터 (gaunt factor)" 교정들은 물론이며, 제동복사 손실 레이트의 다이폴 버전 및 상대적인 버전 둘 모두를 계산하는 것이 중요하다. 제동복사는 x-레이 스펙트럼에서 발생하며 그리고 그 플라즈마를 떠난다. 그러나, 제동복사는 연소 상태들과 같은 정도인 높은 에너지 레벨에서만 지배적이다. 이런 이유로 그리고 플라즈마는 x-레이들에 대해서는 투명 (transparent)하다는 사실로 인해서, 제동복사는 시뮬레이션 프로그램들에서 고려되는 주요한 손실 메커니즘인 것이 일반적이다. 플라즈마가 중성-가수 상태로부터 연소 상태로 도달하기 위해서 통과해야만 하는 상태인 낮은 에너지 레벨들에서, 재결합 (recombination) 및 여기 라인 방사 (excitation line radiation)가 그 플라즈마의 방사 손실 메커니즘들을 좌우한다. 높은-불순물 내용의 플라즈마에서는 이것은 특히 사실이다.
식 A.3 (도 10)에 의해서 결정되는 재결합 방사 (recombination radiation)는 Z에 의해서 가장 크게 영향을 받는 손실이다. 피적분함수 내부에서 볼 수 있는 것처럼, 재결합 방사는 Z의 증가에 극도로 민감하다. 그것은 순수한 수소 플라즈마에 대한 제동복사보다 수 십배의 차수로 작을 수 있지만, 심지어는 적당한 불순물 내용이면 낮은 에너지 레벨들에서는 제동복사를 빠르게 넘을 수 있다. 그래서, 분순물들을 조절함으로써, 재결합 방사 손실 메커니즘은 최소화될 수 있다. 유사하게, A.4 식 (도 10)에서의 여기 라인 방사 (excitation line radiation)는 Z에 의해서 영향을 받는다. 이 탑-레벨 식으로부터는 명확하지 않지만, Na의 계산은 Z를 직접적인 종속 변수들로 가진 비선형 함수를 활용한다.
재결합 및 라인 방사는, 제동복사에 비교하면 무시할 수 있는 것으로 가정되기 때문에 사이징 (sizing) 계산에서는 종종 간과된다. 어떤 환경들 하에서는 이는 사실이지만, 그러나, 분순물들이 플라즈마로 들어가는 경우에는 이 식들을 포함시키는 것이 중요하다. 전체적으로, 평균 Z를 최소화하는 것은 언제나 이득이다 (손실-감축). 가능한 낮은 레이트로 스퍼터 (sputter)하는 깨끗한, 낮은-Z의 벽들을 활용함으로써 플라즈마로부터 불순물들을 피하게 함으로써, 이것은 최선으로 달성된다.
깨끗한, 그러나 자화되지 않은 (non-magnetized) 플라즈마에서, 지배적인 손실 메커니즘은 보통은 벽들로의 열 전도이며 (도 10 및 도 11에서 A.6 및 A.8의 식들), 입자 확산 (particle diffusion) (도 12의 A.15 식)이 그 뒤를 잇는다. 상기 벽들에 평행한 주변 자기장을 증가시키는 것은 이 손실들을 억제하지만, 그것은 싱크로트론 방사 (Synchrotron radiation) (도 10의 A.5 식)로부터의 손실을 또한 점차적으로 증가시킨다. 시뮬레이션들로부터, 싱크로트론 방사가 상기 제동복사 방사 손실 레이트를 초과하기 이전에 콤팩트 토러스 (compact torus (CT)) 플라즈마는 수백 테슬러를 견딜 수 있다. 이는, 싱크로트론 방사가 Z에 의해서 영향을 받지 않는다는 사실은 물론이며, 플라즈마가 싱크로트론 방사에 의해 방출된 밀리미터-파형 스펙트럼을 고도로 흡수하고 그리고 전기적-전도성 벽들은 싱크트론 방사를 효율적으로 반사하기 때문이다.
상기 테이블들에 포함된 다른 손실들은 이온 제동복사 (도 11의 식 A.10) 그리고 이온 싱크로트론 (도 11의 식 A.11)이며, 이것들은 의사-중성 (quasi-neutral) 플라즈마들에서의 자신들의 전자 상대물 (counterpart)에 비해서는 비교적 작은 편이다. 중성 드래그 (neutral drag) (도 11의 식 A.9) 역시 상대적으로 작은 손실이지만, 그것을 포함하는 것은 무시할 수 있을 정도의 드래그 손실을 가진 이동하는 플라즈마를 유지하기 위해서 고도의 진공이 어떻게 필요한가의 예측을 가능하게 한다. 유사하게, 벽으로부터 불순물들을 스퍼터링 (sputtering of impurities)하는 것 (도 12의 식 A.16) 그리고 자기적인 확산 (magnetic dissipation)을 추적하는 것을 시뮬레이션 하는 것 각각은 벽이 얼마나 많은 불순물들을 일시적인 플라즈마에 덧붙일 것인가 그리고 그것의 내부적인 자기장이 얼마나 오래 유지될 것인가를 각각 추정하도록 한다. 이온-전자 키네틱 전달 충돌들 (ion-to-electron kinetic transfer collisions) (도 11의 식 A.12), 프로덕트 에너지 이온 할당 (product energy ion apportionment) (도 11의 식 A.13), 프로덕트 에너지 이온 열중성화 (product energy ion thermalization) (도 12의 식 A.14), 그리고 입자 열중성화 (particle thermalization) (도 11의 식 A.17)의 나머지 영향들은 에너지 할당 그리고 코어 연소 역학으로부터 오는 입자들을 설명하기 위해서는 필수적이다. 실제로, 외부 기기에 의해서 유발된 플라즈마의 상태가 주어지면, 그것들은 연소 레이트를 결정하는 것이 아니라, 원래의 이득 방정식 A.1로부터 오는 융합 에너지를 어떻게 할당하는가를 결정한다.
지배적인 방정식들이 일단 설명되면, 본 발명의 방법을 위한 파라미터들의 최적화를 수행하는 것이 가능하다. 예로서, 중수소 (deuterium) 가스에 대해, 시작하고 그리고 끝나는 CT에 대한 편리한 직경은 각각 137 밀리미터 그리고 19 밀리미터이다. 초기의 내장된 자기장은 약 6±1 테슬라 (Tesla)인 것이 바람직하며 그리고 최소의 초기 플라즈마 이온 농도는 평방 센티미터 당 대략 5xl015 개 입자들인 것이 바람직하다. 최적의 성능을 위해, CT의 방출 속도는 최소 초당 4.8x106 미터일 것을 필요로 하며 그리고 압축을 위해 필요한 시간의 최소 양은 약 2 마이크로초이다.
특허 법령들의 요구사항들에 따라 본 발명을 이제 상세하게 설명하였으며, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 특정 요구사항들 또는 조건들을 충족하기 위해서 개별적인 부분들에서 변경을 하고 그리고 수정하는 것에 있어서 또는 그 변경들이나 수정들을 관련성 있게 조립함에 있어서 어떤 어려움도 없을 것이다. 그런 변경들 및 수정들은 다음의 청구항들에서 제시된 것과 같은 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 장치로서,
    전기적 전도성 재질로부터 구축된 플라즈마 컴프레서를 포함하며,
    상기 플라즈마 컴프레서는 상기 플라즈마를 수납하기 위한 인렛 (inlet), 중앙에 위치한 연소 챔버 그리고 상기 인렛과 상기 연소 챔버를 서로 연결시키는 나선형 통로를 구비하며,
    상기 나선형 통로는 점진적으로 줄어드는 직경이며 그리고 낮은 원자 번호의 전기적 전도성 재질로 코팅된 연속적인 벽을 구비한, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 낮은 원자 번호의 전기적 전도성 재질은 베릴륨 합금을 포함하는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서는 두 개의 밀봉되어 상호 연결된 부분들을 포함하며,
    상기 부분들 각각은 알루미늄, 철, 구리, 실리콘, 마그네슘, 탄소-탄소 복합재료들 (carbon-carbon composites), 또는 내화성 합금들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재질로부터 구축된, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서의 상기 연소 챔버는 적어도 하나의 배기 포트를 구비한 고리 (annular) 링을 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서의 상기 연소 챔버는
    단일의 인입 포트 및 원주형으로 이격하여 위치한 다수의 배기 포트들을 구비한 토로이드 링 (toroidal ring)을 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서에 연결되며 그리고 가스를 제거하기 위해서 상기 연소 챔버와 작동적으로 연관된 진공 펌프 서브시스템을 더 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나선형 통로의 상기 연속적인 벽을 청소하기 위해 상기 플라즈마 컴프레서와 작동적으로 연관된 벽-청소 서브시스템을 더 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서와 작동적으로 연관된 플라즈마 소스 서브시스템을 더 포함하며,
    상기 플라즈마 소스 서브시스템은 전-이온화 (pre-ionization) 기능을 가진 고정자 (stator) 안테나 코일들을 포함하는, 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    용융-생성된 (fusion-generated) 이온 및 중성자 열 에너지를 전기적인 에너지로 변환하기 위해서 상기 플라즈마 컴프레서와 작동적으로 연관된 원동기 (prime-mover) 서브시스템을 더 포함하는, 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 원동기 서브시스템은 열 교환기를 포함하는, 장치.
  11. 플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 장치로서,
    전기적으로 전도성인 베릴륨 합금으로부터 구축된 플라즈마 컴프레서를 포함하며,
    상기 플라즈마 컴프레서는 상기 플라즈마를 수납하기 위한 인렛 (inlet), 중앙에 위치한 연소 챔버 그리고 상기 인렛과 상기 연소 챔버를 서로 연결시키는 나선형 통로를 포함하며,
    상기 나선형 통로는 점진적으로 줄어드는 직경인, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서의 상기 연소 챔버는 토로이드 링 (toroidal ring)을 포함하며,
    상기 토로이드 링은 단일의 입구 포트, 원주형으로 이격하여 위치한 다수의 배기 포트들 그리고 상기 토로이드 링에 내장된 자기 센서를 구비한, 장치.
  13. 콤팩트 토러스 플라즈마 (compact torus) 구조를 고에너지 상태로 압축하기 위한 장치로서,
    전기적 전도성 재질로부터 구축된 플라즈마 컴프레서를 포함하며,
    상기 플라즈마 컴프레서는 상기 플라즈마를 수납하기 위한 인렛 (inlet), 중앙에 위치한 연소 챔버 그리고 상기 인렛과 상기 연소 챔버를 서로 연결시키는 나선형 통로를 구비하며,
    상기 나선형 통로는 점진적으로 줄어드는 직경이며 그리고 낮은 원자 번호의 전기적으로 전도성 재질로 코팅된 연속적인 벽을 구비하며 그리고
    상기 연소 챔버는 토로이드 링 (toroidal ring)을 포함하며,
    상기 토로이드 링은 단일의 입구 포트, 원주형으로 이격하여 위치한 다수의 배기 포트들 그리고 상기 토로이드 링에 내장된 자기 센서를 구비한, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 컴프레서는 두 개의 밀봉되어 상호 연결된 부분들을 포함하며,
    상기 부분들 각각은 알루미늄, 철, 구리, 실리콘, 마그네슘, 탄소-탄소 복합재료들 (carbon-carbon composites), 또는 내화성 합금들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재질로부터 구축된, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 낮은 원자 번호의 전기적 전도성 재질은 베릴륨 합금을 포함하는, 장치.
  16. 플라즈마 컴프레서를 이용하여 플라즈마를 고에너지 상태로 압축하기 위한 방법으로서,
    상기 플라즈마 컴프레서는 플라즈마 인렛 (inlet), 연소 챔버 그리고 나선형 통로를 포함하며,
    상기 나선형 통로는 점진적으로 줄어드는 직경이며 연속적인 벽을 구비하고 그리고 상기 인렛과 상기 연소 챔버를 서로 연결시키며,
    상기 방법은:
    (a) 플라즈마를 플라즈마 인렛으로 들여오는 단계; 그리고
    (b) 상기 나선형 통로의 벽에 가해지는 물체력 (body force) 압축에 의해 상기 플라즈마를 핵 융합을 달성하기에 충분한 온도로 단열 가열하는 방식으로, 상기 플라즈마로 하여금 상기 연소 챔버를 향하여 상기 나선형 통로를 따라서 이동하도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 플라즈마 컴프레서를 이용하여 핵 융합 반응을 달성하기 위한 방법으로서,
    상기 플라즈마 컴프레서는 플라즈마 인렛 (inlet), 연소 챔버 그리고 나선형 통로를 포함하며,
    상기 나선형 통로는 점진적으로 줄어드는 직경이며, 연속적인 벽을 구비하여 상기 인렛과 상기 연소 챔버를 서로 연결시키며,
    상기 방법은:
    (a) 콤팩트 토로이드 (compact toroid) 플라즈마 구조를 형성하는 단계;
    (b) 콤팩트 토로이드 플라즈마 구조를 플라즈마 인렛으로 들여오는 단계;
    (c) 핵 융합을 달성하기 위해 충분한 온도에서 압축된 플라즈마를 형성하기 위해 상기 나선형 통로의 벽에 가해지는 물체력 (body force) 압축에 의해 필드 역전된 (field reversed) 구성을 단열 가열하는 방식으로, 상기 플라즈마로 하여금 상기 연소 챔버를 향하여 상기 나선형 통로를 통해서 이동하도록 하는 단계; 그리고
    (d) 상기 압축된 플라즈마를 상기 연소 챔버로부터 확산 (dissipate)하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 콤팩트 토로이드 플라즈마 구조의 시작 직경은 약 137 밀리미터이며 그리고 CT의 종료 직경은 약 19 밀리미터인, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 콤팩트 토로이드 플라즈마 구조의 최소의 개시 플라즈마 밀도는 약 평방 센티미터 당 5x1015 개 입자들인, 방법
  20. 제17항에 있어서,
    상기 압축된 플라즈마는 상기 연소 챔버로부터 초당 4.8x106 미터의 최소 속도로 배출되는, 방법
  21. 제17항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 나선형 통로를 따라서 그리고 상기 연소로 약 2 마이크로초의 시간 주기로 이동하는, 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 압축된 플라즈마는 대략 10 밀리초의 차수 (order)로 상기 연소 챔버에서 발화되고 그리고 연소하는, 방법.
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