KR20160132951A - 자기 커스프 구성에서 높은 에너지 하전 입자들을 한정하는 방법 및 장치 - Google Patents

자기 커스프 구성에서 높은 에너지 하전 입자들을 한정하는 방법 및 장치 Download PDF

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KR20160132951A
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Abstract

플라즈마 개시제, 및 전자 주입기 및 자기 코일 커스프 한정 배열을 사용하여 핵 융합 반응들을 발생시키는 장치 및 방법이 개시된다. 플라즈마 개시제는 자기 커스프 배열 내의 전자 한정을 위해 반응 챔버 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성한다. 전자 주입기는 이온들을 한정하기 위해 반응 챔버 내에서 플라즈마 전위 우물을 생성하고 반응 챔버 내에서 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속한다.

Description

자기 커스프 구성에서 높은 에너지 하전 입자들을 한정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF CONFINING HIGH ENERGY CHARGED PARTICLES IN MAGNETIC CUSP CONFIGURATION}
관련 출원 데이터
본 출원은 2014년 3월 11일에 출원된 미국 가출원 번호 61/951,387, 및 2015년 3월 11일에 출원된 미국 정식 출원 번호 14/645,306과 관련되며, 그것의 내용들은 이로써 모든 목적들을 위해 참조로 포함된다.
관련 기술의 설명
본 발명은 미국 국방부에 의해 수여되는 계약 N68936-09-0125 하에 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 일정 권리들을 갖는다.
발명의 실시예들의 분야
본 발명의 실시예들은 높은 에너지 플라즈마를 발생시키고 한정하는 방법들 및 장치들에 관한 것이다. 높은 에너지 플라즈마는 핵 융합 반응들을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
높은 온도 플라즈마들을 한정하는 자기 필드들의 사용은 1950대 이후로 제어된 열핵 융합 연구에서 추구되는 주요 경로들 중 하나였다. 자기 핀치, 토카막, 스텔러레이터, 및 자기 미러와 같은 수개의 자기 필드 구성들은 융합 반응들로부터 순전력 발생을 달성하기 위해 높은 온도 플라즈마들의 한정을 위해 탐구되었다. 실질적인 진전은 23 MW의 입력 전력과 비교하여, 1997에 공동 유럽 토러스 토카막에서 16 MW의 융합 전력 발생을 야기한 높은 온도 플라즈마들을 한정할 시에 이루어졌다. 그러나, 자기적으로 한정된 융합 디바이스와 관련되는 중대한 기술적 도전들 중 하나는 한정 자기 필드들 내의 플라즈마 불안정이다. 예를 들어, 플라즈마 전류 또는 플라즈마 압력에 의해 추진되는 자기유체역학(magnetohydrodynamic)(MHD) 불안정들, 예컨대, 킹크 및 교환 불안정은 자기 필드들을 해체하고 플라즈마를 방출함으로써 플라즈마 한정을 갑자기 방해할 수 있다. 그와 같이, 플라즈마 불안정은 디바이스에서 최대 동작 플라즈마 전류 또는 압력을 제한하고 요구된 반응기 크기를 증가시켜 순융합 전력을 달성한다. 더욱이, 큰 엔지니어링 안전 여유는 주요 방해의 경우에 반응기 고장을 방지하기 위해 요구되며, 따라서 엔지니어링 복잡성들 및 반응기 비용을 증가시킨다.
자기 커스프 구성들
자기 커스프 구성은 도 1a에 도시된 바와 같이, 중심 내의 한정된 플라즈마 시스템을 향하는 볼록 자기 필드 곡률로 인해 우수한 플라즈마 안정을 제공한다[1]. 도 1a 및 도 1b에서, 반점 영역은 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마의 정도를 표시한다. 실험적으로, 커스프 필드 구성들은 β=1까지의 매우 높은 플라즈마 압력들로 동작했다. 플라즈마 베타(β)는 한정 자기 필드 압력에 대한 플라즈마 압력의 비율로 정의되고, β=Pplasma/(B2/2μO)이며, Pplasma는 플라즈마 압력이고, μO은 투자율이고, B는 자기 필드 강도이다. 이러한 개시에서, 커스프 시스템의 베타 값은 커스프 내의 한정된 플라즈마 체적에서 평균 플라즈마 압력과 같은 플라즈마 압력의 값 및 진공 내의 커스프 지점들에서 Bcusp, 자기 필드 강도를 사용하는 자기 압력(Bcusp 2/2μO)의 값으로 결정된다. 플라즈마 압력은 nκBΤ에 의해 주어지며, n은 플라즈마 밀도이고, κB는 볼츠만 상수이고 T는 플라즈마 온도인 점이 더 주목된다. 빔 타입 플라즈마의 경우에, 평균 빔 에너지는 플라즈마 압력, 예를 들어 빔 플라즈마 압력 = nbeam x Ebeam을 결정하기 위해 사용될 것이며, nbeam은 빔 플라즈마 밀도이고 Ebeam은 평균 빔 에너지이다. 이것은 유체 역학에서 정적 압력과 동적 압력 사이의 차이와 유사할 것이다.
비교하면, 순융합 전력 출력을 달성하기 위해 국제 핵융합 실험로(International Thermonuclear International Reactor)(ITER), 즉, 제안된 대규모 토카막 디바이스에 대한 설계 파라미터는 β ~ 0.03이다. 융합 전력 출력은 β2로 스케일링되므로, 높은 베타 동작은 소형 크기의 경제적인 융합 반응기에 유리하다. 1950대에, 로스앨러모스 연구소(Los Alamos National Laboratory)(LANL) 및 뉴욕대학교(New York University)(NYU)의 연구 그룹들은 제어된 핵융합로를 위한 가능한 구성으로서 커스프 자기 필드들을 이용하는 것을 조사했다[1 내지 3]. 그러나, 커스프 구성의 개방 자기 필드 구조체들과 관련되는 부족한 플라즈마 한정은 심각한 도전을 제기했다. 그 결과, R&D 노력들의 대부분은 NYU의 대학원생 및 다른 사람들에 의한 이론 작업은 제외하고 정지되는 자기 커스프 필드 구성을 이용하는 것을 목표로 했다.
NYU의 대학원생 및 다른 사람들은 도 1b에 도시된 바와 같이, 자기 필드가 한쪽에서 필드-프리 높은 베타 플라즈마들(field-free high beta plasmas)을 분리하는 예리한 경계(예를 들어, 한정 영역의 중심 부분) 및 다른 쪽에서 자기 필드들을 갖는 진공 영역을 나타내면 개방 커스프 필드 구성의 플라즈마 한정 성질들이 크게 개선될 수 있는 것을 이론적으로 예측했으며[2], 또한, 반점 영역들은 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마를 나타낸다. 이러한 개시에서, 높은 베타는 0.2 이상의 베타 값을 표시한다. 이러한 베타 값은 토카막 및 자기 미러들과 같은 다른 자기 한정 디바이스들에서 0.03 내지 0.06의 비교적 낮은 베타 값들과 비교하여 높다. 경계 층 내부에서, 자기 필드들은 높은 베타 플라즈마들의 반자성 효과들로 인해 무시가능하게 작다. 경계 층 외부에서, 플라즈마 압력은 개방 필드 구성 내의 빠른 전하 입자 손실로 인해 실질적으로 제로이다. 이러한 얇은 경계 층에 걸친 플라즈마 손실은 도 1c에 도시된 바와 같이, 외부 하전 입자 궤적들의 대다수가 경면 반사를 다시 내부 영역에 수반하므로 크게 감소된다. 6면체 코일 커스프 자기 필드들에서 개별 전자 궤적들을 도시하는 도 1d에 도시된 바와 같이, 모션 방향들이 커스프 축에 매우 가까운 입자들만이 내부 영역을 떠나고 사라질 것이다. 플라즈마 손실률을 산출하기 위해, 손실들은 커스프 축 근방의 "홀"에서 발생하는 것으로 간주되고 "홀"의 크기는 하전 입자 자이로 반경에 필적하는 것으로 추측된다.
대학원생 및 그의 동료들은 이러한 "홀"이 전자 자이로 반경에 필적하는 크기를 가질 것이고, 커스프 구성에서 예리한 자기 필드 경계들을 생성할 수 있으면 순전력 생성 반응기를 구성하는 것이 가능할 수 있는 것을 이론적으로 가정했다[2]. 수학식 1은 도 1b에 도시된 것과 같은 높은 β 플라즈마 상태를 갖는 예리한 자기 필드 경계를 위해 전자 손실률을 제공한다.
수학식 1: 높은 β 플라즈마 상태 동안에, 전자 손실률은 이하와 같이 주어지고,
Figure pct00001
및
Figure pct00002
이하의 전자 한정 시간에 대응한다
Figure pct00003
여기서, Ie는 전자 손실 전류이고, e는 전자 전하이고, ne는 전자 밀도(이온 밀도와 같은 것으로 가정됨)이고, υe는 전자 속도이고, re gyro는 커스프 지점들에서의 전자 자이로 반경이고, me는 전자 질량이고, Bcusp는 커스프 지점들에서의 자기 필드 강도이고, Ncusp는 시스템 내의 커스프 지점들의 수이고 Rsystem은 커스프 한정 시스템 반경이다. 본 개시에서의 유닛들 및 공식은 광범위하게 사용된 해군 연구소 플라즈마 공식집 내의 관례를 따른다는 점이 주목된다[4]. 상기 수학식은 이온 손실률들에 적용되며 전자 질량, 밀도 및 자이로 반경은 이온에 대한 대응하는 파라미터들로 교체된다.
수학식 1에서의 전자 손실률에 기초하여, 대학원생 및 그의 동료는 자기 커스프 필드 구성을 사용하여 순전력 생성 융합 반응기를 구축하는 것이 가능할 수 있는 것을 표시했다. 예를 들어, 도 2는 6 코일 자기 커스프 구성에 기초하여 플라즈마 크기, 즉 80 cm 반경의 컵스 한정 시스템 반경(예를 들어, 커스프 한정 반경(Rsystem))을 갖는 작고 콤팩트한 융합 반응기를 도시한다. 그것은 도 2에 대표적 지점들(C)에 의해 도시되는 바와 같이 14 커스프 지점들 또는 개구부들(Ncusp=14)을 갖고, 자기 커스프 지점들에서 자기 필드들의 5 테슬라로 동작한다. 수학식 1에 기초하여, 전자 한정 시간은 플라즈마 내의 50 keV 전자들에 대해 0.13초이다. β=1 조건이 한정된 플라즈마를 특징짓기 위해 사용되면, 대응하는 플라즈마 밀도는 5 테슬라 필드에 대해 1.2x1015 cm-3일 것이며, 1.6x1014 s/cm3의 nτe 값을 초래한다. 요구된 nτ 값은 널리 공지된 로슨 기준들에 따라 순전력 생성 D-T 융합 반응기에 대해 1.5x1014 s/cm3 이상인 점이 주목된다. 비교하면, 토카막 개념에 기초한 핵 융합 반응기는 로슨 기준을 충족시키기 위해 훨씬 더 큰 디바이스 크기를 필요로 할 것이다.
대학원생 및 그의 동료는 예리한 경계를 생성하는 수단으로서 충격 튜브 타입의 플라즈마 주입기 또는 시변 자기 필드들의 사용을 더 개시했다. LANL의 마샬 및 턱은 자기적으로 가속된 아크 소스들을 사용하여 플라즈마 제트들을 커스프 필드들로 주입하는 예비 실험 작업을 개시하고 수행했다[5, 6]. 부가적으로, 전 세계의 수개의 연구 그룹들은 대학원생에 의해 상정되는 바와 같이 개선된 플라즈마 한정을 증명하려고 시도했고 그들의 노력들은 스팔딩 및 헤인지에 의한 비평 논문들에 요약된다[7, 8]. 그러나, 대학원생에 의해 상정되는 바와 같이 개선된 플라즈마 한정을 실험적으로 증명하는 노력들은 성공하지 못했다. 나중에, NRL의 페채크 및 다른 사람들은 2차원 스핀들 커스프 구성에서 높은 베타(즉 베타=1) 플라즈마를 생성하기 위해 고체 펠릿의 레이저 어블레이션을 이용했다[9]. 그들의 결과들은 커스프 필드들의 기하학적 손실 "홀"의 크기가 전자 자이로 반경보다는 오히려, 이온 자이로 반경에 따르는 것을 나타냈다. 융합 반응을 위해 요구되는 이온 에너지는 10 keV 내지 500 keV 정도로 매우 높으므로, 대응하는 기하학적 손실 홀 크기는 자기 커스프 구성에 기초하여 융합 반응기에 대해 실질적인 것이다. 자이로 반경은 동일한 자기 필드들에서 50 keV 전자들에 대해 0.01 cm와 비교하여, 50 keV 중수소 이온들 및 자기 필드 강도의 5 테슬라에 대해 0.65 cm이다. 자기 커스프 구성은 손실 "홀" 크기가 이온 자이로 반경에 필적하면, 높은 플라즈마 손실률로 인해 실제 전력 발생 융합 반응기에 적절하지 않을 수 있는 것으로 생각되었다.
커스프에서 높은 베타 플라즈마를 생성할 시에 진전들이 이루어졌지만, 커스프 플라즈마 한정 디바이스들 상의 이전 작업들은 10과 100 eV 사이에서 낮은 온도 플라즈마들에 제한되었다. 커스프 한정의 하나의 고유 성질은 높은 에너지 입자들이 낮은 에너지 입자들과 비교하여 훨씬 더 빠르게 손실된다는 것을 대학원생이 지적했다. 그와 같이, 이전 작업들은 커스프에서 초기 높은 베타 플라즈마를 생성하기 위해 10과 100 eV 사이에서 플라즈마 온도들을 갖는 비교적 차가운 플라즈마들을 이용했다. 그러나, 10 keV 내지 500 keV의 관련 에너지들을 융합하기 위해 커스프 내의 이온들을 어떻게 가속할 수 있는 문제가 해결되지 않았다.
관성 정전기 한정
다른 한편, 수개의 연구 그룹들은 잠재적 중성자 소스, 의료 동위원소 생성 및 전력 생성 핵 융합 반응기들을 위해, 판즈워스, 히르슈, 엘모어, 턱 및 왓슨의 작업에 기초하여, 관성 정전기 한정(inertial electrostatic confinement)(IEC) 시스템의 실현가능성을 조사하고 있었다[10 내지 13]. IEC 시스템의 경우에, 융합 반응성을 위한 이온 가속 및 한정은 음으로 바이어싱된 물리 전극들(예를 들어, 반투명 그리드들)에 의해 발생되는 플라즈마 내의 전기 필드들 또는 전자 빔 주입으로부터의 플라즈마들 내의 과잉 전자들에서 비롯된다. 본 개시에 관련되는 IEC 시스템에 대해, 전기 필드들은 음의 정전기 전위 우물을 생성한다. 중심 영역 내의 전위 값은 외부 영역 내의 전위 값과 비교하여 더 음이다. 그와 같이, 이온들은 그들이 중심 영역을 향해 이동함에 따라 에너지를 얻으며 높은 에너지 이온들은 이제 융합 반응 전에 강한 정전기 반발을 극복할 수 있다. IEC 디바이스에 대한 주요 기술적 도전들은 전극들에 대한 높은 이온 또는 전자 손실률들이며 부족한 에너지 효율을 야기한다. 예를 들어, 전형적인 빔 전자들은 빔 주입 후, 전극들에 부딪치기 전에 시스템 내부에서 10 내지 20 배만으로 발진하여, 매우 짧은 한정 시간을 야기한다. 그 결과, IEC 시스템들에 의해 발생되는 융합 전력의 양은 지금까지 입력 전력의 0.01% 미만이었으며, IEC 시스템들의 상업 적용들을 제한한다.
1985에, 버사드는 나중에 "폴리웰(Polywell)" 반응기로 불리는 융합 디바이스를 발명했으며, 융합 디바이스는 도 3에 도시된 바와 같이 자기 커스프 구성 및 IEC 개념을 결합한다[14]. 버사드는 이하의 5개의 중요한 생각들을 열거했다. 1) 자기유체역학 안정에 기초한 자기 커스프 구성의 사용, 2) 전자 손실을 지점 커스프들에 제한하기 위해 다면체 형상 코일들의 사용, 3) 이온들을 한정하는 수단으로서 디바이스에서 전위 우물을 생성하기 위해, "가상 캐소드"로 불려지는, 디바이스에서 과잉 전자들의 사용, 4) 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속할 수 있는 음 전위 우물들을 생성하기 위해 10 keV 내지 1 초과의 MeV의 높은 에너지들에서 전자들을 주입하는 것, 및 5) 융합 연료들을 제공하기 위해 이온 추가. 종래의 IEC 시스템에 비해 폴리웰 반응기의 주요 발전은 커스프 자기 필드의 사용에 의한 높은 에너지 전자 빔들의 감소된 손실이다.
폴리웰 반응기와 관련되는 도전들 중 하나는 기동 방법이다. 폴리웰 커스프 구성 내부에서 이온 가속을 위해 강한 전기 필드들을 생성하는 초기 노력들은 기동 페이즈 동안에 전자 빔의 부족한 한정으로 인해 실패했다. 크롤 등에 설명된 바와 같이[16], 전자 빔 주입에 의해 생성되는 음 전위 우물은 플라즈마 밀도가 5.0x106 cm-3으로부터 1.1x109 cm-3으로 증가되었을 때 0.3 ms 내에서 빠르게 붕괴되었다. 기동 동안 전자 빔의 부족한 한정을 극복하기 위해, 버사드는 "위플볼(Wiffle-Ball)(WB)" 효과들로 불려지는 개념을 도입함으로써 그의 발명을 나중에 확대했다. WB 효과는 커스프에서 플라즈마 압력을 증가시킴으로써 자기 필드의 팽창으로 설명된다. WB의 현상학은 대학원생 및 다른 사람들에 의해 자기 커스프 내의 높은 베타 플라즈마와 상이하지만, WB 효과에 대한 전자 손실률은 수학식 1에 주어지는 손실률과 유사한 것으로 추측된다는 점이 주목된다. WB 효과들을 달성하기 위해, 버사드는 강한 전자 빔 주입의 사용, 커스프 자기 필드들을 따르는 플라즈마 재순환, 및 코일 구조체의 표면 상에서 높은 전압의 사용에 의한 빠른 배경 가스 이온화를 제안했다[15]. 그러나, 상기 방법들을 사용하여 WB 효과들을 생성하는 시도들은 성공하지 못했고 폴리웰 디바이스 내의 전자 빔들의 부족한 한정의 문제는 해결되지 않았다.
도 1a는 볼록 자기 필드 곡률 및 낮은 베타 플라즈마를 갖는 종래 기술 자기 커스프 구성의 예시이다.
도 1b는 자기 필드 진공 영역으로부터 자기 필드-프리 높은 베타 플라즈마 영역들을 분리하는 예리한 경계 영역들을 나타내는 종래 기술 자기 커스프 구성의 예시이다.
도 1c는 커스프 경계에서 하전 입자들의 경면 반사들을 나타내는 종래 기술 자기 커스프 구성의 예시이다.
도 1d는 종래 기술 6면체 코일 커스프 구성 내의 전자 궤적들의 예시이다.
도 2는 6 코일 자기 커스프 구성에 기초하여 80 cm 반경의 커스프 한정 시스템 크기를 갖는 종래 기술의 작고 콤팩트한 융합 반응기의 예시이다.
도 3은 자기 커스프 구성들을 IEC 시스템과 결합하는 종래 기술 폴리웰 반응기의 예시이다
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 커스프 자기 필드들, 플라즈마 주입기 및 전자 빔 주입기를 갖는 장치를 도시한다.
도 5a는 도 2 또는 도 4의 6개의 코일 커스프 자기 구성에 대한 수치 계산된 전자 궤적들을 도시한다.
도 5b는 시간의 함수로서 도 2의 플라즈마 챔버 내부에 남아 있는 전자들의 수를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 기동 방식을 입증하도록 구성되고 동작되는 실험 테스트 시스템을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 실시예들에서의 사용을 위한 동축 플라즈마 주입기를 예시한다.
도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 다수의 플라즈마 주입기들의 사용을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 형성을 개시하는 하나 이상의 높은 전력 레이저들의 사용을 예시한다.
도 9a 내지 도 9h는 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 형성을 개시하기 위해 사용되는 핀치 플라즈마 개시제들의 다양한 구성들 및 동작 모드들을 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 도 6의 장치의 동작에 의해 획득되는 실험 결과들을 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시예들에 이용될 수 있는 다양한 자기 커스프 구성들을 예시한다.
도 12는 중성 빔 주입기를 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 플라즈마 개시제들의 펄스 타이밍을 예시한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 중심 한정 영역에서 높은 베타 플라즈마들을 빠르게 생성함으로써 커스프 자기 필드 구성에서 양호한 전자 빔 한정을 설정하는 방법들 및 장치가 설명된다. 중심 한정 영역 내의 높은 베타 플라즈마의 형성, 및 결과적으로 강화된 전자 한정 후에, 전자 빔 주입은 중심 한정 영역 내에 음 전위 우물을 형성하기 위해 이용된다.
높은 베타 플라즈마는 커스프 시스템에서 플라즈마 한정을 개선하는 것으로 상정되었지만, 높은 베타 플라즈마를 어떻게 지속하는지 및 관련 에너지들을 융합하기 위해 높은 베타 플라즈마의 이온들을 어떻게 가열하는지의 문제는 해결되지 않았다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 플라즈마 개시제들에 의해 형성되는 높은 베타 플라즈마는 커스프 시스템으로 주입되는 전자 빔으로부터 전자들의 한정 시간을 강화하고, 이러한 주입된 전자 빔은 커스프 시스템 내의 높은 베타 플라즈마가 기동 동안 플라즈마 개시제들의 사용으로 생성되면 높은 베타 플라즈마를 지속하고 관련 에너지를 융합하기 위해 이온들을 가속하는 수단을 제공할 수 있는 것으로 발견되었다. 전자 빔 한정이 강화된 후에, 주입된 전자 빔은 플라즈마의 자연 냉각을 보상함으로써 높은 베타 플라즈마를 지속하기 위해 그것의 에너지를 높은 베타 플라즈마에 전달함으로써 효율적인 가열을 제공할 수 있다. 게다가, 주입된 전자들은 관련 에너지를 융합하기 위해 높은 베타 플라즈마의 이온들을 가속하도록 음 전위 우물을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 높은 베타 플라즈마를 지속하고 커스프 시스템에서 충분히 깊은 음 전위 우물(예를 들어 10 kV 초과)을 생성하는 전자 빔 전력 요건은 높은 베타 플라즈마를 지속하고 플라즈마 개시제들의 사용으로 충분히 깊은 음 전위 우물을 생성하도록 요구되는 전자 빔 전력과 비교하여, 기동 동안에 플라즈마 개시제들의 사용 없이 훨씬 더 높다. 감소된 전자 빔 전력 요건들은 중성자 발생, 의료 동위원소 생성, 핵 폐기물들의 변환 및 융합 발전 장치들과 같은 이하의 잠재적인 적용들과 관련하여 융합 반응들을 위한 원하는 조건들을 달성할 시에 상당히 실질적으로 중요하다.
초기 플라즈마 주입기에 요건들
종래의 내연 기관과 같이, 본 발명의 실시예들은 높은 베타 플라즈마 상태를 달성하기 위해 전문적인 기동 단계들을 이용하여 주입된 전자들에 대한 강화된 한정을 초래한다. 중성자 발생, 의료 동위원소 생성, 핵 폐기물들의 변환 및 융합 발전 장치들을 위한 유용한 융합 반응기의 실시예들에서, 강화된 전자 빔 한정은 결과적으로 융합 반응들을 위한 음 전위 우물을 형성하기 위해 크게 감소된 전자 빔 전력을 야기한다.
도 4에서의 장치는 진공 인클로저(반응기 챔버)(101), 커스프 자기 한정 영역 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 코일들(102), 높은 β 플라즈마 기동을 위한 하나 이상의 플라즈마 주입기들(103), 하나 이상의 전자 빔 주입기들(104), 및 이온들을 보충하는 융합 연료 주입 시스템(105)을 포함한다. 디바이스 내의 진공 조건은 하나 이상의 펌핑 포트(106), 가스 밸브 시스템(107), 및 진공 펌프 시스템(108)에 의해 유지된다. 각각의 코일 시스템(102)은 기계적 지지 구조체(109)에 의해 지지되며, 이 구조체는 전력 전달 및 냉각 시스템(110)을 포함한다. 명시적으로 도시되지 않지만, 도 4의 장치는 중성자 발생, 의료 동위원소 생성, 핵 폐기물들의 변환 및 융합 발전 장치들을 위한 반응기 내부에 일어나는 핵 융합 반응들을 이용하기 위해 부가 시스템들을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같은 실시예는 진공 인클로저(101) 내에서 전극들을 이용하지 않는다는 점이 주목된다.
본 발명의 실시예들은 자기 필드들을 발생시키기 위해 다수의 코일들(102)을 이용한다. 코일들 내의 전류는 전력 전달 및 냉각 시스템(110)의 일부일 수 있는 피드스루 시스템을 통해 금속 도체들 예컨대 구리 또는 초전도체들 예컨대 Nb3Sn, NbTi, 및 MgB2에 의해 운반될 수 있다. 수학식 1에 설명되는 바와 같이 양호한 전자 빔 한정을 달성하기 위해, 적어도 하나의 플라즈마 주입기(또는 아래에 논의되는 바와 같이 더 일반적으로 "개시제")(103)는 반응기 동작을 개시하기 위해 이용된다. 다양한 타입들의 플라즈마 주입기들은 주입 파라미터들이 특정 기준들을 충족시키기만 하면 사용될 수 있으며, 그것은 아래에 상세히 설명될 것이다.
자기 커스프 구성 내의 플라즈마 기동의 도전은 플라즈마 밀도가 낮을 때 초기 단계 동안에 매우 빠른 플라즈마 손실에서 기인한다. 도 5a는 4차 룽게 쿠타 입자 모션 솔버(4th order Runge-Kutta particle motion solver)에 의해 계산되는, 도 2에 도시된 바와 같이 6 코일 커스프 구성에서 25 개별 전자 궤적들의 수집을 도시한다. 각각의 코일은 전류의 10.8 MA 회전에 의해 에너자이징되고 커스프 지점들에서 5.0 테슬라 자기 필드들을 생성한다. 코일의 크기는 50 cm의 장축 반경 및 9.25 cm의 단축 반경이다. 이러한 커스프 시스템에서, 산출의 목적들을 위해, 전자들은 50 keV의 운동 에너지 및 무작위 속도 방향들과 함께 15.8 cm의 반경 내부의 중심 코어 영역에 무작위로 개시되는 것을 가정된다. 15.8 cm의 중심 코어 크기는 산출의 목적을 위해 선택된다. 상기 파라미터들은 4차 산출의 목적을 위해 선택되는 초기 조건들이다. 각각의 전자 모션은 "테스트 입자"로 처리되고 자기 필드들과의 전자 상호작용만이 고려된다. 4차 산출의 목적들을 위해, 전자 전하 및 전류에 의한 자기 모순 없는 전기 및 자기 필드 발생과 같은 전자들의 집합적 역학뿐만 아니라 그들 자체 간의 충돌들이 무시된다. 이러한 산출은 커스프 내의 플라즈마 밀도가 낮을 때 초기 단계 동안에 무충돌 전자 역학의 작용에 가까워지고, 1015 cm-3에 따른 높은 전자 밀도들에도 불구하고 여전히 양호한 근사이다. 이것은 50 keV에서의 전자 에너지가 1x1015 cm-3에서의 밀집한 플라즈마 내부에서 다른 전자들 및 이온들과 평균적으로 0.4 ms 당 하나의 충돌만을 겪기 때문이고 따라서 "무충돌"로 간주될 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 전자들은 코일들 근방의 더 강한 자기 필드들로 인해 중심 영역으로 다시 초기에 바운스되며, 그것은 "미러 한정"으로 설명될 수 있다. 그러나, 시간에 따라, 전자들은 그들의 외부 모션이 자기 커스프 축에 정렬될 때 자기 커스프 축을 따라 시스템을 떠난다. 산출에서, 전자는 그것이 진공 챔버의 벽에 도달하면 손실되는 것으로 간주되고 더 이상 한정되지 않는다.
평균 전자 손실률을 추정하기 위해, 동일한 4차 룽게 쿠타 입자 모션 솔버는 25 테스트 입자들과 비교하여 더 양호한 통계를 제공하기 위해 275개의 초기 전자 수로 실행되었다. 도 5b의 그래프는 t=0에서 275개의 전자들을 갖는 시간의 함수로서 80 cm의 커스프 한정 시스템 반경 내부의 전체 전자들의 수를 나타낸다. 결과는 전자가 시스템을 떠나기 전에 ~ 1 ㎲의 추정된 한정 시간으로(한정된 전자들의 1/e 감소 시간으로부터) 커스프 영역 내의 한정된 전자들의 빠른 감소를 나타내며, 자기 커스프 시스템 내부에서 높은 에너지 전자들의 빠른 무충돌 손실을 표시한다.
도 5b의 결과들은 전자 에너지, 자기 필드 값 및 커스프 한정 시스템 반경의 다양한 초기 조건들에 대한 다수의 입자 모션 솔버들을 실행함으로써 확대되었다. 수학식 2는 전자 에너지, 자기 필드 값 및 시스템 크기를 갖는 이러한 수치 결과들의 맞춤으로부터 6 코일 커스프 구성에 대한 근사 전자 및 이온 한정 시간으로 이러한 노력을 요약한다.
수학식 2: 낮은 β 자기 커스프 디바이스 내의 전자 및 이온 한정 시간(τe 및 τi)
Figure pct00004
여기서, υe는 Ee의 에너지에 대한 전자 속도이고, Bmax는 커스프 지점들에서의 피크 자기 필드 강도이고, Rsystem은 커스프 한정 시스템 반경이고, Ei는 이온 에너지이고, mi/me는 양성자와 전자 사이의 질량 비율이고, M*는 Bmax/B*min에 정의되는 유효 미러 비율이고, B*min은 자기 필드 경사 스케일 길이가 이하에 의해 결정되는 바와 같이 자이로 반경에 필적할 때 전자가 자기 필드 라인들에 부착하기 시작하는 자기 필드 강도이다
Figure pct00005
여기서, radiabatic는 자기 필드 라인들에 전자 부착의 반경 위치이고, rgyro는
Figure pct00006
에 의해 주어지는 바와 같이, 전자(e), 또는 이온(i)에 대한 입자 자이로 반경이고, A는 주어진 자기 필드 프로파일에 대해 3 내지 6의 수치 상수이다.
수학식 2는 전자 빔 주입을 사용하는 수학식 1에 설명된 바와 같이 자기 커스프 시스템에서 높은 베타 플라즈마를 생성하고 추측된 양호한 전자 한정을 달성하기 위해 플라즈마 기동과 관련되는 도전들을 나타낸다. 이러한 도전들은 융합 반응기에 대한 높은 베타 플라즈마 밀도들에 접근하기 위해 요구된 입력 전자 빔 전력을 검사함으로써 이해될 수 있다. 5T 커스프 자기 필드들 내의 50 keV 전자들에 대해, β=1 조건에 도달하기 위해 요구된 전자 밀도는 1.2x1015 cm-3이며, 단순화를 위해 이온 압력을 무시한다. 도 2에서 커스프 시스템 내의 전자 밀도 밀도가 β=1 조건에 도달하기 위해 1x1013 cm-3, 또는 요구된 밀도의 1%에 도달했고, 이러한 1x1013 cm-3의 밀도를 지속하기 위해 요구된 입력 전자 빔 전력이 수학식 2에 따라 1 ㎲만의 전자 한정 시간에 약 200 GW인 것을 가정한다.
상기 산출은 전자 빔 주입을 이용하는 수학식 1에 설명되는 전자 한정을 입증하는 실험 작업이 없었던 이유를 증명한다. 1995에 크롤 등에 의한 실함 결과는 수학식 2에서의 간단한 추정과 일치하며[16], 관찰된 전자 밀도는 6 코일 커스프 구성에서 8 kV 빔 에너지에서의 80 kW의 전자 주입 전력에 대해 1x109 cm-3에만 도달한다는 점이 주목된다.
상기 산출에서, 기준들은 산출의 목적을 위해 β=1이 플라즈마 압력 및 자기 압력에 대한 값들의 이하의 선택으로 선택된 것을 사용한다. 플라즈마 압력의 값은 커스프 내부의 한정된 플라즈마 체적에서 평균 플라즈마 압력이다. 자기 압력의 값은 (Bcusp 2/2μ0)이며 Bcusp는 진공 내의 커스프 지점들에서의 자기 필드 강도이다. β=1 기준들은 절대 요건이 아니라 오히려 가이드라인인 점이 주목된다. 1에 필적하는 임의의 실질적인 β 값은 양호한 전자 한정을 생성하기 위해 필요한 플라즈마 조건을 발생시키기에 충분할 수 있다. 예를 들어, β는 0.1 내지 10.0의 범위 내에서 선택될 수 있거나, 0.2 내지 5.0, 0.3 내지 3.0, 0.5 내지 2.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 1.2, 0.9 내지 1.1의 더 바람직한 범위들 내에서 선택될 수 있거나, 가장 바람직하게는, β는 1과 거의 같거나 같게 설정될 수 있다. npkBT의 한정된 플라즈마 압력은 수학식 3에서와 같이, 한정 체적(
Figure pct00007
)에 의해, 플라즈마 내의 저장된 에너지(Wstored)와 관련된다는 점이 주목된다:
수학식 3: Rsystem의 반경 및 커스프 자기 필드(Bcusp)를 갖는 커스프 한정 시스템 내의 플라즈마의 저장된 에너지
Figure pct00008
수학식 3은 양호한 전자 한정을 생성하기 위해 커스프 자기 필드(Bcusp), 커스프 한정 반경(Rsystem) 및 요구된 β 값의 다양한 시작 조건들을 위한 플라즈마 개시제의 입력 에너지의 추정들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 대부분의 플라즈마 시스템들에서, 이온 및 전자 밀도는 같고 플라즈마 밀도(np)는 이온 또는 전자 밀도를 위해 사용된다. 플라즈마 챔버 및 B 필드 발생 장비의 물리 치수들에 기초하여 커스프 한정 시스템 반경(Rsystem) 및 Bcusp 값들로 시작할 수 있다. 커스프 자기 필드 강도(즉, 코일 시스템에 의해 발생되는 자기 필드)는 커스프 지점에서 0.5 내지 20 테슬라의 범위 및 더 바람직하게는 1 내지 15, 3 내지 12, 4 내지 10, 또는 5 내지 8 테슬라 중 어느 하나의 범위 내일 수 있다. 게다가, β는 0.1 내지 10.0의 범위 내에서 선택될 수 있거나, 0.2 내지 5.0, 0.3 내지 3.0, 0.5 내지 2.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 1.2, 0.9 내지 1.1의 더 바람직한 범위들 내에서 선택될 수 있거나, 가장 바람직하게는, β는 1과 거의 같거나 같게 설정될 수 있다. 그 다음, 수학식 3은 플라즈마 개시제(예를 들어, 주입기)를 위해 요구되는 최소 에너지를 제공한다. 플라즈마 주입기의 효율은 100% 미만이고, 그와 같이, 플라즈마 개시제의 요구된 입력 에너지는 수학식 3에 주어지는 최소 에너지보다 더 클 가능성이 있다는 점이 주목된다. 실제로, 수학식 3에 의해 주어지는 저장된 에너지의 값의 0.5 내지 50 배의 플라즈마 개시제(예를 들어, 주입기) 에너지 범위, 또는 더 바람직하게는 0.5 내지 30, 0.5 내지 10, 1 내지 30, 1 내지 20, 1 내지 10, 5 내지 30, 5 내지 20, 및 5 내지 10의 범위들을 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대해, 기동 디바이스로서 다양한 플라즈마 주입기들이 이용된다. 높은 에너지 전자 빔 주입과 비교하여, 낮은 온도 플라즈마 주입의 이득은 수학식 2에서 분명하다. 첫 번째로, 주입된 입자들의 한정 시간은 입자 에너지의 감소들에 따라 증가한다. 예를 들어, 전자 에너지 한정 시간은 도 2의 디바이스에 대한 50 keV 주입 에너지를 위한 1 ㎲와 비교하여 50 eV 주입 에너지를 위해 거의 0.5 ms이다. 그와 같이, 5 내지 1000 eV의 범위, 또는 더 바람직하게는 10 내지 500 eV, 10 내지 100 eV, 20 eV 내지 250 eV, 50 eV 내지 300 eV, 50 eV 내지 500 eV, 및 100 eV 내지 1000 eV의 범위들에서 플라즈마 개시제(예를 들어, 주입기)의 플라즈마 전자들의 온도를 선택할 수 있다. 전자 및 이온 온도는 온도가 낮고 밀도가 주입기에서 비교적 높을 때 빈번한 충돌로 인해 비교적 빠르게 평형되는 경향이 있다는 점이 주목된다. 1 T 커스프 B 필드에 대해, β = 1 조건은 100 eV 플라즈마 주입에 대해 np = 2.5x1016 cm-3을 초래하며, 전자 및 이온 온도를 평형시키는 시간은 단지 1.3 ㎲이다. 두 번째로, 본 발명의 실시예들은 빠르고 높은 전력 플라즈마 주입을 이용한다. 주입(또는 더 일반적으로, 초기 높은 밀도 플라즈마 형성)의 시간 스케일은 수학식 2의 전자 한정 시간(τe)에 따르거나 이에 필적한다. 짧은 펄스 지속시간은 플라즈마의 손실을 제한하고 높은 베타 플라즈마를 생성하는 효율을 개선한다. 더욱이, 플라즈마 주입기는 원하는 β 상태에 도달할 수 있는 초기 플라즈마를 생성하기 위해 충분히 높은 입력 에너지로(수학식 3에 따라) 동작해야 한다.
본 발명의 실시예들의 플라즈마 개시제에 대한 펄스 지속시간의 예들로서, 최대 유용한 펄스 지속시간은 수학식 2에서 전자 한정 시간의 배수일 수 있다. 예를 들어, 최대 펄스 지속시간은 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.1 내지 20 배 및 더 바람직하게는 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.3 내지 3, 0.5 내지 5, 1 내지 3, 3 내지 10, 5 내지 20 배일 수 있다. 최적 펄스 지속시간은 다양한 타입들의 플라즈마 개시제들 및 특정 커스프 구성들을 받을 것이다. 수학식 2의 전자 한정 시간의 10 배보다 더 긴 펄스를 갖는 플라즈마 개시제를 사용하는 것이 가능하지만, 플라즈마 개시제(예를 들어, 주입기)의 효율은 적절히 감소할 것이다. 게다가, 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.1 배보다 더 짧은 펄스 지속시간을 갖는 플라즈마 개시제들은 본 발명의 실시예들을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 와이어 핀치 어레이(예를 들어 50 개별 핀치들을 가짐)로 구성되는 플라즈마 개시제는 수학식 2의 한정 시간과 거의 같은 전체 펄스 지속시간에 동작할 수 있는 반면에, 개별 와이어 핀치는 훨씬 더 짧은 펄스 지속시간을 가질 수 있다. 게다가, 다른 플라즈마 주입기는 짧은 펄스, 높은 전력 레이저를 사용하여 발생되는 플라즈마일 수 있다. 높은 전력 레이저의 펄스 지속시간은 수학식 2의 전자 한정 시간과 비교하여, 매우 작을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 기동 방식을 입증하도록 구성되고 동작되는 실험 테스트 시스템을 도시한다. 시스템은 커스프 위치에서 0.7 kG에서 2.7 kG까지 변경가능한 자기 필드를 갖는 6 코일 커스프 시스템으로 구성된다. 코일의 크기는 2개의 대향 코일들 사이의 21.6 cm 선형 간격에서 6.9 cm의 장축 반경 및 1.3 cm의 단축 반경이며, 11 cm의 커스프 한정 시스템 반경을 야기한다. 2.7 kG의 커스프 자기 필드에 대해, β=1 플라즈마 조건은 11 cm 반경 플라즈마 내의 저장된 에너지가 시스템에서 ~ 160 J인 것을 필요로 한다. 10 eV 주입 에너지에 대해, 수학식 2는 7 ㎲의 추정된 전자 한정 시간을 유도한다. 플라즈마 주입기는 160 J의 에너지를 7 ㎲의 펄스 지속시간 동안에 커스프 내의 플라즈마로 전달될 필요가 있으며, 그것은 23 MW 범위 내의 입력 전력에 대응한다.
본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 주입기에 대한 최소 전자 온도가 있다. 이것은 예리한 자기 필드 경계에 기여하는 기본 물리 공정이 전자 반자성이기 때문이다[2, 7, 8, 9]. 전자 반자성을 이용하기 위해, 전자들은 전자들이 주어진 자기 필드에서 적어도 하나의 자이로 모션을 완료하는 것을 방해할 수 있는 같은 수의 충돌들을 겪지 않아야 한다. 수학식 4는 이러한 조건을 나타낸다.
수학식 4: 전자 자화 조건
Figure pct00009
여기서, ωce는 전자 자이로 주파수이고, e는 전자 전하이고, B는 자기 필드 강도이고, me는 전자 질량이고, c는 빛의 속도이고, A는 자기 필드 구성 및 플라즈마 파라미터들에 따라 0.25 내지 5.0의 수치 상수이고, υe는 전자 충돌률(electron collision rate)이고, ne는 플라즈마 주입으로부터 커스프 한정 시스템 내의 전자 밀도이고, λ는 쿨롬 대수(전형적으로 ~ 10)이고, Te는 전자 온도이다.
수학식 4는 본 발명의 실시예들에 따라 사용될 수 있는 최소 전자 주입 온도를 결정한다. 2.7 kGauss 자기 필드를 갖는 도 6에 도시된 시스템에 대해, 전자 자이로 주파수(ωce)는 10 eV 전자 온도 및 1.8x1016 cm-3 전자 밀도를 갖는 β=1 플라즈마 조건에 대한 1.6x1010 /s의 전자 충돌률(υe)과 비교하여, 4.8x1010 rad/s이고, 수학식 4에 주어지는 기준들을 충족시킨다는 점이 주목된다. 수학식 4는 또한 본 발명의 실시예들을 위해 요구되는 최소 B 필드를 결정하기 위해 사용될 수 있다. B 필드가 불충분하면, 플라즈마는 높은 충돌일 것이고 전자 빔 한정을 위해 요구되는 예리한 자기 필드 경계들을 형성하도록 요구되는 반자성 효과들을 생성하지 않을 것이다.
최종적으로, 비중성 단일 종 주입과 비교하여 중성 플라즈마 주입의 문제가 있다. 버사드는 커스프 자기 필드들에서 깊은 전위 우물을 생성하기 위해 전자 빔 주입을 제안했다. 전형적으로, 전자 빔 또는 이온 빔을 사용하는 전적으로 단일 종 플라즈마의 주입으로 높은 베타 조건(즉 예컨대 β=1)을 이행하도록 요구되는 높은 플라즈마 밀도를 달성하는 것은 어렵다. 그와 같이, 본 발명의 실시예들은 커스프 필드 구성에서 높은 베타 플라즈마를 동시에 생성하기 위해 거의 같고 다수의 전자들 및 이온들을 갖는 중성 플라즈마 주입기를 이용하는 주입 방식을 사용한다.
본 발명의 실시예들에 따라 주어지는 기준들을 충족시킬 수 있는 플라즈마 주입기들의 대표적이고 비제한적 예들은 이하를 포함한다: 1) 동축 또는 선형 플라즈마 주입기, 2) 필드 반대 구성(field reversed configuration)(FRC) 및 스페로막에 기초한 플라즈마 주입기, 3) 기체, 액적 또는 고체 타겟을 갖는 레이저 생성 플라즈마들을 사용하는 인시츄 플라즈마 형성, 및 4) 다양한 배열에서 높은 전류 핀치를 사용하는 인시츄 플라즈마 형성. 핀치 시스템의 예들은 이하이다: 1) 단일 와이어 핀치, 2) 와이어 어레이 핀치, 3) 액적 또는 미세입자들을 사용하는 핀치, 4) 가스 제트를 사용하는 핀치, 및 5) 다양한 핀치들의 조합. 게다가, 다수의 핀치들이 플라즈마 주입기를 형성하기 위해 사용되면, 전체 핀치 시스템은 수학식 2에 주어지는 전자 한정 시간과 같은 전체 펄스 지속시간 내에 각각의 핀치 요소에 대한 단일 펄스 또는 일련의 펄스들로 동작할 수 있다. 플라즈마 개시제는 다양한 재료들의 기체 또는 고체 타겟으로 동작할 수 있다. 일반적으로, 제안된 융합 연료들만을 사용하여 플라즈마 형성 재료들을 갖는 플라즈마 개시제를 동작시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, D-T 융합 연료의 경우에, 바람직한 플라즈마 형성 재료는 중수소 및 또는 삼중수소 기체, 저온 액체 또는 저온 고체일 것이다. 그러나, 다른 재료들 예컨대 탄화수소들 및 금속들을 혼합물들 또는 화합물로 사용하는 것이 허용가능하다.
동축 플라즈마 주입기는 도 7a에 도시된 바와 같이, 타겟 재료(701), 중심 캐소드(702) 및 외부 애노드(703)로 구성되는, 현재 이용가능한 가장 일반적인 높은 전력 소형 플라즈마 주입기들 중 하나이다. 캐소드와 애노드 사이의 강한 전기 전류들은 타겟 재료들을 플라즈마로 변화시킨다. 동축 또는 선형 기하학적 구조에 대한 플라즈마 주입기의 중요한 동작 원리는 로스앨러모스 연구소의 마샬에 의한 최초 발명에 기초하여, 높은 밀도 플라즈마들을 외부로((도 7a에서 우측으로) 빠른 속도로 방출하기 위해 플라즈마 전류로부터의 j x B 힘이다[5]. 플라즈마 주입기는 다양한 재료들의 기체 또는 고체 타겟으로 동작할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 고체 타겟을 갖는 동축 플라즈마 주입기들은 도 7a에 도시된 바와 같이, 수학식 1에 설명된 바와 같이 양호한 전자 한정을 달성하기 위해 기동 기준들을 입증하도록 구성되었다. 다른 플라즈마 주입기들은 예를 들어 필드 반대 구성(FRC) 및 스페로막들로서 대안으로 사용될 수 있다. 이러한 주입기들은 1x1014 cm-3을 초과하는 충분히 높은 플라즈마 밀도 및 50 eV 이상의 플라즈마 온도들을 갖는 높은 압력 플라즈마를 생성할 수 있는 높은 전력 플라즈마 주입기들이다. FRC 및 스페로막들의 이러한 동작 파라미터들은 그들이 중소 크기 자기 커스프 구성을 개시하기 위해 사용될 수 있으므로 매력적이다. 플라즈마 주입기(예를 들어, 건), FRC 또는 스페로막에 대해, 하나의 주입기(103)는 높은 베타 플라즈마 기동 요건을 충족시키기에 충분할 수 있거나 부가 플라즈마 주입기들(111) 중 하나 이상은 커스프 축 또는 비축 위치에서 도 7b에 도시된 바와 같이 이용될 수 있다는 점이 주목된다.
레이저 플라즈마 주입기는 또한 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있는 적절한 플라즈마 시스템이다. 도 8a 및 도 8b에서, 레이저 타겟 전달 시스템(801)은 고체, 액체 또는 가압 기체(802)의 작은 타겟을 챔버로 도입했다. 그 다음, 타겟은 이온화되고 도 8a에 도시된 바와 같은 높은 전력 레이저(803) 또는 도 8b에 도시된 바와 같은 다수의 높은 전력 레이저들(803 및 804)의 사용으로 충분히 높은 플라즈마 온도까지 가열된다. 다수의 레이저들에 대해, 레이저들은 동일 또는 상이한 파장들을 가질 수 있다. 1980에, 해군 연구소의 페채크 및 그것의 동료들은 1.5 kG 가우스 커스프 필드들에서 고체 중수소 펠릿을 이온화하기 위해 YAG 레이저 및 CO2 레이저의 조합을 사용하여 축 대칭 스핀들 커스프에서 β=1 플라즈마들을 성공적으로 생성했다[9]. 레이저들은 15 eV의 전자 온도 및 1 내지 1.5x1015 cm-3의 범위의 전자 밀도를 갖는 플라즈마를 생성했다. 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설과 같은 레이저 구동 관성 한정 융합 연구와 연관되는 기술 반전에 따라, 본 발명의 실시예들을 위해 요구되는, 높은 밀도 및 충분한 온도를 갖는 초기 플라즈마를 생성하기 위해 이용될 수 있는 많은 상이한 타입들의 레이저들이 있다.
높은 전류 핀치는 본 발명에 사용될 수 있는 플라즈마 개시제의 다른 예이다. 핀치는 재료들을 통해 큰 전류를 흐르게 함으로써 높은 압력 플라즈마를 생성한다. 도 9a 내지 도 9h는 플라즈마 개시제들로 사용될 수 있는 핀치들의 다양한 구성들을 도시하며 여기서 동일한 번호들은 동일한 부분들을 나타낸다. 전기 에너지는 커패시터들 또는 배터리들(901)에 저장된다. 핀치는 스위치 또는 스위치들(902)이 활성화(폐쇄)될 때 형성되고 전기 전류는 전극들(904)과 접촉하는 플라즈마 형성 재료(903)를 통해 통과된다. 전류의 펄스 지속시간을 조정함으로써, 본 발명의 실시예들에 따라 모든 플라즈마 개시제 기준들을 충족시키는 충분히 높은 압력 플라즈마가 생성될 수 있다. 플라즈마 안정이 커스프 자기 필드들에 의해 지배되므로, 핀치의 안정은 중요하지 않다. 그와 같이, 다수의 핀치들 또는 핀치들의 비축 배치들이 사용되면 플라즈마 개시 성능이 저하되지 않아야 하므로, 하나 이상의 핀치들은 초기 높은 압력 플라즈마를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 9a는 플라즈마 형성 재료들(903)의 고체 칼럼 또는 와이어를 이용하는 단일 선형 핀치 구성을 도시한다. 도 9b에서, 플라즈마 형성 재료들(905)은 핀치 동작을 개선하기 위해 형상화될 수 있다. 핀치 플라즈마 발생기는 전극들에 인접한 더 큰 영역 및 반응 챔버의 중심 내의 더 작은 영역을 갖는 맞춤 구성에서 반응 챔버, 플라즈마 전극들(904) 및 플라즈마 형성 재료(905)를 갖는다. 타겟 재료들을 형상화함으로써, 플라즈마는 전류 밀도가 가장 높고 타겟 재료 두께가 가장 작은 자기 커스프 필드들 내부의 중심 영역에서 시작할 수 있다. 시작되면, 중심 플라즈마는 고체 칼럼을 따라 추가 플라즈마 형성을 확대하고 가속할 것이다. 도 9c에서, 플라즈마 형성 재료들(906)의 1 초과의 칼럼들(예를 들어, 와이어들)은 높은 베타 플라즈마를 생성하기 위해 플라즈마 개시제들로서 핀치 동작을 위해 사용된다. 각각의 칼럼은 예를 들어 도 9b에서와 같이, 플라즈마 개시제 동작을 최적화하기 위해, 직선이거나 형상화될 수 있다. 도 9d에서, 2개 이상의 세트들의 전극들(904)은 커스프 시스템 내부에서 플라즈마 형성 재료들(903 및 907)을 사용하여 다수의 핀치들을 형성하기 위해 사용된다. 각각의 핀치는 그 자체의 에너지 스토리지(901) 및 그 자체의 전기 스위치(902)를 가질 수 있다. 그들은 동시에 또는 순차적으로 동작할 수 있다. 그들이 순차적으로 동작하면, 플라즈마 개시제의 펄스 지속시간은 1차 핀치의 시작과 마지막 핀치의 끝 사이에서 측정된다. 도 9e에서, 플라즈마 형성 재료들의 다수의 칼럼들은 플라즈마 개시제들로서 다수의 플라즈마 형성 재료들(906 및 908)에 의해 다수의 핀치들을 형성하도록 2개 이상의 세트들의 전극들을 위해 사용된다. 도 9f에서, 핀치는 가스 주입기(909)로부터의 콜리메이트 가스 제트(910)를 사용하여 생성된다. 도 9g에서, 핀치는 적절한 액체 또는 입자 주입기(911)로부터의 액적들 또는 미소규모 미립자들(912)을 사용하여 생성된다. 상이한 핀치 시스템들의 다양한 조합들은 도 9h에 도시된 바와 같이, 플라즈마 개시제들로 사용될 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 플라즈마 한정 영역 내에서 원하는 높은 베타 조건들을 달성하기 위해 상이한 타입들의 플라즈마 개시제들을 결합할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 설명된 핀치 개시제들 중 어느 하나는 주입기 건(예를 들어, 동축 플라즈마 주입기들), FRC 및 레이저 중 하나 이상과 결합될 수 있다. 게다가, 건, FRC 및 레이저 중 하나 이상은 초기 에너지를 커스프 한정 영역에 제공하기 위해 사용될 수 있고 설명된 핀치 개시제들 중 어느 하나는 이때 한정 영역에서 생성되는 에너지를 원하는 요구된 높은 베타 값들로 나중에 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
상기 설명된 플라즈마 주입기들의 모두는 예를 들어 수학식 2에 주어지는 펄스 지속시간 동안에 β=1 조건을 충족시키기 위해 높은 압력 플라즈마를 생성할 수 있다. 리스트는 임의의 플라즈마 주입기가 상기 기준들을 충족시키기만 하면 사용될 수 있으므로 완전한 리스트인 것으로 의미되지 않는다는 점이 주목된다. 용어 "주입기"는 플라즈마를 형성하는 다양한 타입들의 플라즈마 디바이스들을 설명하기 위해 본원에 이용되지만, 이러한 디바이스들의 일부는 플라즈마를 외부 플라즈마 챔버(도 4의 진공 챔버(101))로부터 챔버 내부로 완전히 "주입"하는 것이 아니라, 오히려 플라즈마를 "인시츄" 형성한다는 점이 더 주목된다. 도 8a 및 도 8b의 레이저 디바이스는 높은 전력 레이저가 진공 챔버 내에 위치되는 타겟을 향해 지향되고 타겟이 플라즈마를 챔버 내에, 즉 인시츄 형성하도록 레이저에 의해 이온화되는 일 예이다. 도 9a 내지 도 9h의 전류 핀치 플라즈마 디바이스들은 인시츄 플라즈마 형성의 추가 예들이며 플라즈마는 진공 챔버의 내부에 형성되고 챔버 외부에 형성되지 않고 진공 챔버의 내부로 수송(주입)된다. 용어 주입기는 내부에 발생되고 외부에 발생된 플라즈마들 둘 다를 설명하기 위해 본원에 사용되었다. 그러나, 용어를 첨부된 청구항들에서 더 분명히 하기 위해, 용어 "플라즈마 개시제"(또는 방법 청구항의 일부로 사용될 때 "개시하는 단계")는 챔버 내의 인시츄 형성에 의해 또는 챔버의 중심 영역으로 외부에 형성된 플라즈마의 수송(주입)에 의해 진공 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 디바이스 또는 방법 단계를 표시하기 위해 이용된다.
플라즈마 기동 후 전자 빔 주입
본 발명의 실시예들에 따른 다음 단계는 커스프 내의 높은 압력 플라즈마가 높은 에너지 전자 한정을 크게 개선한 후에 이온 가속 및 한정을 위한 깊은 음 전위 우물을 생성하는 전자 빔 주입기(104) 또는 다수의 전자 주입기들의 사용이다. 전자 빔은 펄스화되거나 그것이 오프셋 주위에서 조절하는 DC 오프셋(예를 들어 50MW)으로 펄스화될 수 있다. 전자 빔은 또한 연속적으로 동작(예를 들어, 50MW에서 지속)될 수 있다. 어느 하나의 경우에, 전자 빔은 자기 커스프 플라즈마 영역에서 이온들을 가속하고 한정하는 전위 우물을 형성하기 위해 이용된다. 한정은 융합 연료 주입기에 의해 나중에 도입되는 플라즈마뿐만 아니라 개시제로부터 형성되는 플라즈마 둘 다에 적용가능하다.
전자 빔 주입은 이전 중성 플라즈마 디바이스에서 과잉 전자들을 생성할 수 있다. 그 다음, 시스템 내의 과잉 전자들은 정전기 전위 우물을 형성하고 쿨롱 인력을 통해, 이온 가속을 제공한다. 시스템 내의 이온들은 그들이 중심을 향해 수렴함에 따라 전위 우물 내의 전기 필드로부터 운동 에너지를 얻는 반면에, 그들이 코일들 및 커스프 경계를 향해 외부로 이동함에 따라 취득된 운동 에너지를 넘겨준다. 전위 우물이 10 keV 이상 정도로 충분히 깊으면, 이온들은 상당한 레이트로 중심 근방에서 융합 반응을 발생시키기에 충분한 에너지를 가질 것이다. 더 일반적으로, 전자 주입은 10 내지 1000 keV, 10 내지 200 keV, 25 내지 150 keV, 50 내지 300 keV, 75 내지 500 keV 및, 100 내지 1000 keV의 범위들 중 하나에서 전자 빔 에너지로 전위 우물을 생성할 수 있다. 동일한 전위 우물은 상이하게 기동 동안에 플라즈마 개시제로부터 초기 전자들에 영향을 미칠 것이다. 이러한 전자들은 그들이 중심을 향해 수렴함에 따라 전위 우물 내의 전기 필드에 대한 그들의 운동 에너지를 손실할 것이다. 다른 한편, 전자는 그것이 코일들 및 커스프 경계를 향해 외부로 이동함에 따라 에너지를 얻을 것이며, 그것은 수학식 1에 기초하여 자기 커스프 시스템을 떠나는 그것의 확률을 증가시킨다. 실제로, 전자 빔 주입의 목표는 플라즈마 주입기로부터 초기 전자들을 제거하고 그들을 시간에 따라 높은 에너지 빔 전자들로 대체하는 것이다. 이것은 밀집한 높은 압력 플라즈마로 생성될 수 있는 최대 전위 우물이 "데바이(Debye)" 차폐로 공지되어 있는 플라즈마 차폐 효과로 인해 시스템 내의 전자들의 평균 에너지에 필적하기 때문이다. 융합 반응기를 위해 10 keV 초과의 깊은 전위 우물을 생성하기 위해, 초기 플라즈마 주입으로부터 초기 전자를 대체하고, 전형적으로 높은 에너지 전자 빔이 10 keV 이상에서 동작하는 상태에서 5 내지 1000 eV의 범위의 에너지들을 갖는 것은 필수적이다.
도 4에 도시된 시스템에 대한 깊은 전위 우물을 달성하기 위해 요구된 전자 빔 전력의 추정을 제공할 수 있다. 5T 커스프 자기 필드들 내의 50 keV 전자들에 대해, β=1 조건에 도달하는 요구된 전자 밀도는 1.2x1015 cm-3이다. 이온 압력은 이온들이 코일들 및 커스프 경계를 향해 이동함에 따라 그들이 그들의 운동 에너지를 손실하기 때문에 매우 낮은 값으로 자동으로 감소된다는 점이 주목된다. 수학식 1에 주어지는 50 keV 전자들에 대한 한정 시간은 0.13초이다. 간단한 0차원 입자 밸런스는 80 cm 반경의 플라즈마 구체(커스프 한정 시스템 반경)에 걸쳐 1.2x1015 cm-3의 전자 밀도를 지속하기 위해 3300 암페어의 전자 주입 전류를 초래한다. 이것은 165 MW의 전자 빔 전력, 즉 크지만 관리가능 입력 전력에 대응한다. 깊은 전위 우물의 존재 시에, 수학식 1에서의 전자 한정 시간은 전위 우물 내부의 빔 전자들의 더 느린 속도로 인해 증가되며, 따라서 전자 빔 전력 요건을 감소시킬 수 있다는 점이 주목된다. 전위 우물은 또한 이온 손실을 감소시키는 역할을 한다. 수학식 1에 따르면, 이온들의 손실은 예리한 자기 필드 경계가 커스프 구성에 설정될 때 그들의 큰 자이로 반경으로 인해 전자들의 것보다 고유하게 더 클 것이며, 그것은 1980에 페채크에 의해 실험적으로 입증되었다[9]. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 이온 손실은 전위 우물 때문에 일어나지 않는다. 이온들은 그들이 전위 우물에서 멀어지고 커스프 개구부들을 향해 이동함에 따라 그것의 운동 에너지를 손실할 것이다. 그 결과, 그들은 더 작은 자이로 반경을 가질 것이며, 이 자이로 반경은 수학식 1에 기초하여 이온 손실률을 감소시킨다. 개별적으로, 물리 전극들을 사용하는 것보다는 오히려 전위 우물을 형성하기 위해 하나 이상의 전자 빔들의 사용은 코일 케이스 상에 높은 전압 바이어스에 대한 요구를 제거하고 코일들의 구조적 구성을 단순화한다.
자기 커스프 구성 내의 높은 β 플라즈마로부터 강화된 전자 빔 한정의 입증
본 발명의 실시예들은 높은 전력 플라즈마 주입기를 사용하여 커스프에 높은 β 플라즈마를 형성해서 플라즈마 한정을 개선하고, e-빔을 사용하여 플라즈마 내에서 깊은 전위 우물을 생성하므로, 플라즈마들 내의 이온들은 전자 빔으로부터 에너지를 얻고 융합 반응들을 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들의 원리들에 따른 실험 시스템을 도시한다. 도 6의 실험 셋업은 강화된 전자 한정을 제1 단계로서 실험적으로 증명하기 위해 개발되었다. 이러한 강화된 한정은 높은 베타 플라즈마와 주위 자기 필드 사이의 예리한 경계의 생성에서 기인하고 수학식 1에 의해 본래 설명되는 높은 β 조건이다.
도 6의 시스템은 커스프 지점들에서 2.7 kG의 자기 필드를 생성하는 6 코일 커스프 구성으로 동작한다. 플라즈마 주입기들은 4 ㎛ 두께의 고체 폴리프로필렌 필름을 각각 사용하는 2개의 동축 플라즈마 주입기들로 구성된다. 이러한 고체 폴리프로필렌 필름들은 도 7의 타겟 재료(701)를 형성한다. 각각의 플라즈마 주입기는 높은 전압 커패시터에 의해 전원 공급되고 5 내지 10 ㎲ 동안 60 내지 160 kA의 건 전류로 500 MW의 입력 전력까지 동작한다. 레이저 간섭계 데이터에 기초하여, 주입기들은 C II 및 C III 라인 방출로부터 추정되는 10 eV의 전자 온도로 1 내지 2x1016 cm-3 플라즈마들을 생성할 수 있다. 게다가, 2개의 자기 플럭스 루프들은 커스프 시스템에서 높은 β 플라즈마의 반자성 성질을 측정하기 위해 코일 위치 근방에 설치된다. 전자 빔 주입기는 LaB6 열이온 방출기에 기초하고 7 kV 빔 에너지에서 1 내지 3 A의 전자 전류를 생성한다. 전자 빔 주입기는 커스프 시스템에서 높은 에너지 전자 한정 성질을 감시하고 수학식 1에 나타낸 한정 강화를 입증하도록 구성되었다. 그러나, 이러한 전자 주입기는 커스프에서 높은 베타 상태의 지속을 제공하거나 이온 가속을 위한 음 전위 우물을 생성하기에 충분히 강력하지 않다.
높은 에너지 전자 빔의 농도는 2개의 x-선 다이오드들을 사용하여 측정되었으며, 하나는 코일의 면에서 커스프 개구부를 통해 중심 플라즈마를 보고 다른 것은 코일들의 코너에서 커스프 개구부를 통해 중심 플라즈마를 본다. 빔으로부터의 높은 에너지 전자들은 그들이 주입된 플라즈마 내의 이온들에 아주 근접할 때 제동복사(bremsstrahlung)를 통해 x-선들을 발생시킬 수 있다. 빔 주입 에너지가 7 kV에서 충분히 높으므로, 제동복사로부터의 x-선 방출들은 2 kV 및 7 kV 광자들 사이의 경질 x-선 스펙트럼에서 방출될 수 있다. 전자 빔 유도 제동복사가 2 kV 아래의 더 낮은 광자 에너지에서 측정될 수 있지만, 2 내지 7 kV의 광자 에너지 범위는 전자 빔 유도 제동복사에 비해 이러한 스펙트럼에 x-선들의 다른 소스가 없기 때문에 도 6의 실험 셋업을 위해 선택된다. 검출기들 둘 다에는 2 kV 광자 에너지 위의 플라즈마로부터 경질 x-선 방출만을 측정하기 위해 콜리메이터들 및 높은 에너지 x-선 필터들이 설치되어 있다. 게다가, x-선 다이오드들로부터 시선 내의 모든 금속 표면들은 2 kV 위에서 x-선 방출을 억제하기 위해 플라스틱 재료들로 커버된다. 그와 같이, x-선 다이오드 신호는 수학식 5에 나타낸 바와 같이, 널리 공지된 제동복사 방출 공식에 기초하여 플라즈마 주입기들로부터의 플라즈마 이온 농도 및 빔 전자 농도에 비례하였다.
수학식 5: 제동복사 방사율 공식(Bremsstrahlung emissivity formula)
Figure pct00010
여기서, Pbr은 제동복사 방출 전력이고, ne beam은 전자 빔 밀도이고, Ee beam은 전자 빔 에너지이고, Z는 이온들의 전하 상태이고 ni(Z)는 전하 상태(Z)에서의 이온 밀도이고, 합계는 최대 이온 전하 상태에 대해 Z=1, 2, 3,...에 걸쳐 발생한다. 본 증명 실험들에 대해, 우리는 최대 이온 전하 상태를 1에 제한하고
Figure pct00011
를 ne plasma로 대체함으로써 수학식 5를 단순화할 수 있으며, ne plasma는 커스프에서 높은 베타 상태를 생성하는 플라즈마 전자 밀도이다. 이러한 단순화는 플라즈마 온도가 가시 분광술로부터 추정되는 10 eV 주위에서 비교적 낮고 대부분의 이온들이 단지 개별적으로 이온화되기 때문에 가능하다. 도 6의 실험 셋업에 대해, 플라즈마 전자 밀도는 레이저 간섭법에 의해 직접 측정되고 도 10a에 도시되며, ne plasma로 표시된다.
수학식 5에 기초하여, x-선 신호들은 벌크 전자 밀도가 측정되면 빔 전자 밀도를 위한 측정을 제공한다.
도 10a 및 도 10b는 도 6의 장치의 동작에 의해 획득되는 실험 결과들을 도시한다. 플라즈마 주입 전에, 코일들은 t=0 전에 40 ms로 에너자이징되고 코일 전류는 도 10a에 나타낸 시간 기간 동안에 상수 값으로 유지된다. 게다가, 전자 빔은 t=0 전에 30 ㎲로 턴 온되었고 7.2 kV에서 3A의 주입 전류로 동작되었고 t = 150 ㎲까지 유지되었다. 플라즈마 주입 전에, t=-5 ㎲와 t=0 사이의 x-선 다이오드 신호들은 이러한 시간 기간 동안에 빔 유도 제동복사 x-선 방출을 생성하기 위해 플라즈마 이온들이 없으므로 배경 잡음 데이터를 위한 추정을 제공한다. x-선 다이오드들 내의 실질적인 제로 신호들은 스퓨리어스 x-선 방출을 억제하기 위해 플라스틱 재료들을 사용하여 x-선 검출기들의 양호한 공간 콜리메이션 및 x-선 검출기들에 대한 시선 내의 임의의 금속 표면들의 충분한 커버링을 증명한다. t=0에서, 2개의 동축 플라즈마 주입기들은 높은 전압 커패시터들에서 2.6 kJ 내지 5.6 kJ의 저장된 에너지로 시작되어, 7 ㎲ 동안 370 MW 내지 800 MW의 평균 전체 입력 전력들을 야기한다. 입력 전력은 동축 플라즈마 건 주입기에서 회로 비효율 및 고유 플라즈마 손실로 인해 이전에 추정된 23 MW보다 훨씬 더 높다는 점이 주목된다. 이러한 실험 셋업은 커스프 시스템 내의 높은 베타 플라즈마 주입 후에 강화된 전자 빔 한정의 과학적 입증을 제공하도록 설계되었으므로 중요한 시도들은 주입 효율을 개선하기 위해 수행되지 않았다.
다양한 실험 수행들은 "샷들"로 식별되었다. 샷 15610의 경우에, 도 10a에 도시된 바와 같이, ne plasma로 표시되는 플라즈마 밀도는 주입기들로부터의 플라즈마가 자기 커스프 시스템에 성공적으로 수송됨에 따라 1.6x1016 cm-3으로 증가된다. 동시에, ΔB로 표시되는 플럭스 루프 데이터는 높은 β 플라즈마 주입과 연관되는 전자 반자성 효과의 분명한 사인을 나타낸다. 커스프 시스템으로 플라즈마 주입에도 불구하고, x-선 신호들은 플라즈마 밀도가 t = 9 ㎲에서 1.6x1016 cm-3의 그것의 피크 값에 도달한 후에도 t = 8과 13 ㎲ 사이에서 낮다. 그러나, t = 12 ㎲에서 플럭스 루프 데이터의 피킹 직후에, x-선 다이오드는 경질 x-선 방출의 강한 증가들을 등록하는 반면에, 벌크 플라즈마 밀도는 약간 변한다. 이것은 커스프 시스템으로 높은 β 플라즈마 주입 후에 강화된 전자 빔 한정의 시작들을 나타낸다. 도 10a 및 도 10b의 x-선 결과들은 코일의 면에서 커스프 개구부를 통해 중심 플라즈마를 보는 x-선 다이오드에서 나온다는 점이 주목된다. 코일들의 코너에서 커스프 개구부를 통해 중심 플라즈마를 보는 x-선 다이오드로부터의 x-선 결과들은 결과들이 코일의 면에 대한 x-선 다이오드와 유사하므로 단순화를 위해 생략된다. x-선 방출의 증가는 4 내지 5 ㎲ 동안 많아지고 t = 19 내지 21 ㎲의 안정기에 도달한다. t = 21 ㎲에서, x-선 방출 신호는 1 내지 1.5 ㎲ 내에서 제로로 향해 빠르게 강하하는 반면에, 플라즈마 밀도 및 플럭스 루프 데이터는 그러한 시간 기간 동안 점진적인 감소만을 나타낸다. 이러한 조건은 강화된 전자 빔 한정 페이즈의 끝을 표시한다. 강화된 전자 빔 한정 페이즈는 도 10a의 단면 영역에 의해 표현된다.
x-선 방출 신호의 이러한 일시적 작용은 이하와 같이 설명될 수 있고 대학원생에 의해 상정되는 바와 같이 커스프 자기 필드들 내의 개선된 한정에 대한 높은 β 플라즈마의 인과성을 분명히 증명한다. 초기에, 빔 전자들은 자기 커스프 시스템에서 부족하게 한정되어, 매우 낮은 x-선 방출을 야기한다. 플라즈마 주입 후에, 커스프 시스템은 높은 β 플라즈마의 존재 및 대응하는 전자 반자성으로 인해 강화된 전자 한정을 나타내도록 전이를 겪는다. 경질 x-선 방출의 증가는 빔 전자 농도의 증가에 대응하여, 빔 전자들이 높은 β 플라즈마의 존재로 자기 커스프에서 현재 더 양호하게 한정되는 것을 나타낸다. 그러나, 실험 테스트 셋업에서, 커스프 내의 플라즈마 압력은 플라즈마의 냉각으로 인해 시간에 따라 감소한다. 테스트 셋업은 플라즈마 냉각을 보상하기 위해 초기 플라즈마 주입 후에 후속 플라즈마 가열 시스템을 갖지 않고, 빔 전자 주입 전력은 너무 낮아서 커스프에서 높은 β 플라즈마를 유지하기에 너무 낮다는 점이 주목된다. 플라즈마 β의 감소는 t = 14 ㎲로부터 시작되는, 플럭스 루프 데이터(ΔB)의 점진적인 붕괴에 의해 분명히 제시된다. 그 결과, 높은 β 상태에서의 강화된 전자 빔 한정 페이즈는 단지 일시적이고 그것은 플라즈마 β가 실질적으로 낮아질 때 부족한 전자 빔 한정 페이즈로 다시 복귀된다. 이러한 전이가 (강화된 전자 빔 한정 단계의 끝에) 발생할 때, 모든 이전에 한정된 높은 에너지 전자들은 자기 커스프를 빠르게 떠날 것이고, 이것은 t= 21 ㎲에서 x-선 방출의 빠른 감소를 야기한다. x-선 방출 신호의 이러한 일시적 작용(상승 및 빠른 붕괴)은 도 10b에 도시된 바와 같이, 플라즈마 주입기에 의해 충분히 주입된 에너지가 있을 때에만 관찰된다. 예를 들어, 도 6에 도시된 실험 시스템은 주입기들이 초기 플라즈마들을 생성하기 위해 커패시터 내의 저장된 에너지의 4 kJ(샷 15649) 및 5.6 kJ(샷 15640)을 이용할 때 강화된 전자 빔 한정을 나타내며, 그것은 570 MW 및 800 MW의 평균 입력 전력들에 대응한다. 주입기가 저장된 에너지의 2.6 kJ(샷 15645) 또는 입력 전력의 380 MW만을 이용할 때, 증가는 플라즈마 주입에 의해 x-선 방출로 관찰되지 않는다.
이러한 결과는 높은 β 플라즈마의 존재에 의해 커스프 자기 시스템에서 강화된 전자 한정을 입증하는 최초의 실험 측정이다.
전위 우물들 및 융합 반응들의 형성
높은 전자 빔 한정 페이즈 동안에 강화 전자 한정을 증명했으면, 본 실시예들은 플라즈마 시스템의 중심 영역 내에서 깊은 음 전위 우물을 생성하기 위해 전자 빔 주입기들을 이용한다. 게다가, 전자 빔 주입기들은 커스프 자기 한정 영역에서 높은 베타 상태를 지속하기 위해 가열을 초기에 형성된 플라즈마에 제공할 수 있다. 80 cm 반경을 갖는 5T 커스프 자기 필드들에 대해, β=1 조건에 도달하는 요구된 전자 밀도는 100 eV 플라즈마 주입에 대해 6.2x1017 cm-3이다. 50 keV에서 주입된 전자 빔으로부터 100 eV 플라즈마로의 에너지 전달 시간은 이러한 밀도에서 0.62 ㎲이다. 비교하면, 예상된 전자 빔 한정 시간은 수학식 1에 기초하여 0.13s이다. 그와 같이, 50 keV 전자 빔들은 그들의 에너지를 커스프 자기 한정 영역 내의 높은 베타 플라즈마에 효율적으로 전달할 것이다. 빔 전력이 충분히 높으면, 전자 빔에 의한 플라즈마 가열은 초기 플라즈마 개시 후에 자연 플라즈마 냉각을 보상한다. 더욱이, 앞에서 논의된 바와 같이, 전자 주입 전력이 커스프 플라즈마 손실을 보상하는 레벨로 증가될 때, 커스프 자기 한정 영역 내의 플라즈마에서의 실질적인 모든 전자들(플라즈마 개시제들로부터, 예를 들어 5 내지 1000 eV의 범위의 비교적 낮은 에너지 전자들로 형성됨)은 빔 에너지에서 높은 에너지 전자들로 대체된다. 80 cm 반경을 갖는 5 T 커스프 시스템에 대한 50 keV 전자 주입의 경우에, 대응하는 빔 전력은 수학식 1에 기초하여 165 MW이다. 크지만, 이러한 레벨의 빔 전력이 실제로 이용가능하다. 비교하면, 높은 베타 플라즈마를 지속하는 전자 빔 전력은 플라즈마 개시제들의 사용 없이 165 MW보다 훨씬 더 많다. 예를 들어, 80 cm 반경을 갖는 동일한 5T 커스프 시스템에 대해, 전자 밀도는 50 keV의 평균 전자 에너지에서 β=0.01을 위해 1.2x1013 cm-3이다. 주입된 전자들로부터 커스프 내의 플라즈마로의 에너지 전달 시간은 이러한 밀도에서 310 ㎲이다. 비교하면, 예상된 전자 한정 시간은 수학식 2에 기초하여 2.1 ㎲이다. 그와 같이, 50 keV 전자 빔들은 그들의 에너지를 낮은 베타 플라즈마에 전달하기 전에 커스프 시스템을 탈출할 가능성이 있을 것이다. 이전에 추정된 바와 같이, 요구된 전자 빔 전력은 커스프에서 β=0.01 플라즈마를 유지하기 위해 대략 200 GW이다. 높은 베타 플라즈마는 에너지가 높은 베타에서 효율적인 빔 가열을 통해 빔 에너지와 같은 전자들에 의해 지속되면, 이때 융합 반응을 위해 필요한 충분한 음 전위 우물을 생성하는 것이 가능하다. 도 10a를 참조하면, 전자 빔은 높은 전자 빔 한정 페이즈의 중후반 스테이지들에 의해 적어도 턴 온되는 것이 바람직하다. 전자 빔은 또한 처음에 또는 높은 전자 빔 한정 페이즈의 시작 전에 턴 온될 수 있다. 또한 전자 빔 에너지는 음 우물의 값을 제어하는 시간에 변화될 수 있다는 점이 주목된다.
융합 연료는 예를 들어 전자 빔 주입 및 전위 우물 형성 전, 후 또는 대략 동시에 도입될 수 있다. 융합 연료는 플라즈마 챔버로 그것의 도입 시에 중화 연료이고 액체, 기체 또는 고체로 공급될 수 있다. 중화 융합 연료는 그것이 플라즈마 챔버 내의 플라즈마에 가열됨에 따라 플라즈마 영역의 경계에서 이온화된다. 전형적으로, 융합 연료는 밀리그램/초에 따라 상당히 낮은 레이트로 정상 상태 방식으로 도입된다.
중성자 발생기
본 발명의 특정 실시예들에서, 깊은 전위 우물의 형성에 대한 요구 없이 중성자 발생기를 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 설명된 바와 같이 펄스 개시제들(예를 들어, 주입기들)을 이용하는 높은 밀도 플라즈마의 형성 후에, 융합 반응들(예를 들어, D-D, D=T)에 의해 중성자 발생을 야기하기 위해 높은 밀도 플라즈마로 50 KeV 정도로 높은 에너지 이온 빔들을 주입할 수 있다. 이러한 동일 기술은 의료 동위원소 생성 및 핵 폐기물 변환을 위해 사용될 수 있다.
융합 반응기에 대한 부가 구성요소들
깊은 전위 우물이 효율적인 전자 빔 주입에 의해 설정되면, 이온들은 융합 반응을 거칠 것이다. 이하들은 가장 자주 인용되는 융합 반응들이다.
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모든 경우들에서, 융합 생성물들은 매우 높은 에너지를 갖는다. 적절한 융합 연료들을 선택하고 그러한 융합 생성물들을 위한 다양한 수집 시스템을 이용함으로써, 전체 시스템 효율에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 핵 융합 반응기를 중성자 발생기들, 의료 동위원소 생성, 핵 폐기물들의 변환 및 융합 발전 장치들로 바꿀 수 있다. 융합 연료가 융합 반응에 의해 소비되므로, 반응기는 도 4에 도시된 융합 연료 공급(105)을 필요로 한다. 융합 연료 공급은 기체, 액적 또는 펠릿 주입을 이용할 수 있다. 이러한 융합 연료들은 그들이 한정된 플라즈마의 경계 층에 진입함에 따라 이온화될 것이다. 높은 밀도 플라즈마들의 사용은 그러한 융합 연료들의 모두가 경계 근방에서 이온화되는 것을 보장한다. 이온화로부터의 전자들은 그들이 전위 우물을 극복하기에 충분한 에너지를 갖지 않음에 따라 외부로 푸시될 것이다. 다른 한편, 이온들은 그들이 전위 우물로부터 운동 에너지를 얻고 그 후에 융합 반응에 참여함에 따라 내부로 푸시될 것이다.
본 발명의 실시예들은 도 2, 도 4 및 도 6에 설명된 바와 같이 6 코일 시스템에 더하여 다양한 자기 커스프 구성들에 적용가능하다는 점이 주목된다. 도 11a 내지 도 11d는 또한 이용될 수 있는 자기 커스프 구성들의 예들을 도시한다. 그것들은 다음과 같다: 도 11a의 축 대칭 스핀들 커스프 시스템, 도 11b의 "피켓 펜스" 커스프 시스템, 도 11c의 6 코일 커스프 시스템, "십이면체" 구성으로 공지되어 있는 도 11d의 12 코일 커스프 시스템. 게다가, 십이-이십면체와 같은 다른 다면체 자기 커스프 구성이 또한 이용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 도 4에서와 같이 동일한 구성요소들을 사용하지만, 전위 우물에 한정되는 이온 에너지를 제어하기 위해 중성 빔 주입(1201)을 부가적으로 포함한다. 일반적으로, IEC 시스템에 대한 부작용들 중 하나는 전위 우물의 중심 영역 내의 낮은 에너지 이온들의 증가된 농도이다. 높은 에너지 중성 빔 주입을 이용함으로써, 중심 영역 내의 이러한 낮은 에너지 이온들을 주입된 중성 빔에 의한 하전 교환 충돌을 통해 높은 에너지 이온들로 대체할 수 있다. 중성 빔은 그것의 전하 결핍으로 인해 정전기 전위 우물뿐만 아니라 자기 커스프 구조체를 침투할 수 있다. 중성 빔이 하전 교환 충돌들을 겪은 경우, 그것은 전하를 필요로 하고 중성 빔 주입 에너지가 전위 우물 깊이보다 더 낮은 것을 가정하면 전위 우물에 한정된다. 다른 한편, 느린 이온들은 이제 중성 빔으로부터 전자들을 얻음으로써 중성 입자들로 변한다. 그들이 중화되면, 그들은 전위 우물에 더 이상 한정되지 않고 시스템을 떠난다.
도 13a 및 도 13b는 플라즈마 개시제들의 다양한 펄스 타이밍을 예시한다. 개시제(또는 더 일반적으로, 초기 높은 밀도 플라즈마 형성)의 시간 스케일은 도 13a에 도시된 바와 같이, 수학식 2의 전자 한정 시간(τe)에 따르거나 이에 필적한다. 개시제의 펄스 지속시간은 또한 도 13b에 도시된 바와 같이, 수학식 2의 전자 한정 시간(τe)보다 훨씬 더 짧을 수 있다. 다수의 플라즈마 개시제들이 사용되는 경우에, 개별 개시제는 훨씬 더 짧은 펄스 지속시간을 가질 수 있는 반면에, 개시제의 전체 시간 스케일은 도 13c에 도시된 바와 같이, 수학식 2의 전자 한정 시간(τe)에 따르거나 이에 필적하며 P1, P2, ..Pn은 다수의 개시제 시스템 내에서 개별 개시제들의 짧은 펄스 지속시간들을 나타낸다.
상기 설명된 바와 같이 생성되는 핵 융합 반응들은 중성자 발생기, 의료 동위원소 발생기 또는 핵 폐기물 변환 디바이스와 같은 융합 전력 생성 외에도 다수의 적용들에 유용할 수 있다.
본 발명의 다양한 구현들이 있다. 구현 1은 핵 융합 반응들을 발생시키는 장치에 관한 것이며, 장치는 반응기 챔버; 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 코일들을 갖는 코일 시스템; 반응 챔버 내에서 높은 베타 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 개시제; 전자 주입기; 핵 융합 반응에 의해 소모된 이온들을 보충하는 융합 연료 주입기를 포함하며; 플라즈마 개시제는 반응 챔버 내의 전자 한정을 위해 반응 챔버 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하고; 전자 주입기는 이온들을 한정하기 위해 반응 챔버 내에서 플라즈마 전위 우물을 생성하고 반응 챔버 내에서 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속한다.
구현 2는 구현 1에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 수학식 2에 의해 결정되는 전자 한정 시간의 0.1 내지 10 배의 펄스 지속시간으로 동작한다.
구현 3은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 0.3 내지 3, 0.5 내지 5, 1 내지 3, 3 내지 10, 5 내지 20이거나, 수학식 2의 전자 한정 시간과 거의 같거나 같은 최대 펄스 지속시간으로 동작한다.
구현 4는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.1 배 미만의 펄스 지속시간으로 동작한다.
구현 5는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제에 의해 발생되는 플라즈마의 온도는 5 내지 1000 eV의 범위이거나, 또는 더 바람직하게는 10 내지 500 eV, 10 내지 100 eV, 20 eV 내지 250 eV, 50 eV 내지 300 eV, 50 eV 내지 500 eV, 및 100 eV 내지 1000 eV 중 하나로부터 선택되는 범위이다.
구현 6은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 5 내지 1000 eV, 10 내지 500 eV, 10 내지 100 eV, 20 내지 250 eV, 50 내지 300 eV, 50 내지 500 eV, 및 100 내지 1000 eV의 범위들 중 하나로부터 선택되는 전자 에너지들로 동작한다.
구현 7은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 코일 시스템에 의해 발생되는 커스프 지점들에서의 최대 자기 필드는 0.5 내지 20 테슬라의 범위이다.
구현 8은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 코일 시스템에 의해 발생되는 커스프 지점들에서의 최대 자기 필드는 1 내지 15, 3 내지 12, 4 내지 10, 및 5 내지 8 테슬라 중 어느 하나의 범위이다.
구현 9는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 0.1 내지 10의 플라즈마 β를 갖는 커스프 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하기에 충분한 에너지로 동작한다.
구현 10은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 0.2 내지 5.0, 0.3 내지 3.0, 0.5 내지 2.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 1.2, 0.9 내지 1.1의 플라즈마 β, 또는 1과 거의 같거나 같은 β를 갖는 커스프 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하기에 충분한 에너지로 동작한다.
구현 11은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 50 배에 의해 주어지는 에너지를 갖는다.
구현 12는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 30, 0.5 내지 10, 1 내지 30, 1 내지 20, 1 내지 10, 5 내지 30, 5 내지 20, 및 5 내지 10 배에 의해 주어지는 에너지를 갖는다.
구현 13은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 자기 필드는 커스프 지점들을 갖고 코일 시스템에 의해 발생되는 커스프 지점들에서의 자기 필드는 0.5 내지 20 테슬라의 범위이고, 플라즈마 개시제는 0.1 내지 10의 플라즈마 β를 갖는 커스프 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하기에 충분한 에너지로 동작한다.
구현 14는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 전자 주입기는 10 keV 이상의 플라즈마 전위 우물을 생성한다.
구현 15는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 전자 주입기는 적어도 50 keV의 플라즈마 전위 우물을 생성한다.
구현 16은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 전자 주입기는 10 내지 1000 keV, 10 내지 200 keV, 25 내지 150 keV, 50 내지 300 keV, 75 내지 500 keV 및, 100 내지 1000 keV의 범위들 중 하나 내의 빔 에너지로 전자 빔을 생성하고 플라즈마 전위 우물을 생성한다.
구현 17은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 플라즈마 발생을 위한 기체, 액적 또는 고체 재료 중 적어도 하나를 사용하는 동축 플라즈마 건을 포함한다.
구현 18은 구현들 1 내지 16 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 필드 반대 구성(FRC) 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 19는 구현들 1 내지 16 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 스페로막 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 20은 구현들 1 내지 16 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 커스프 자기 필드들 내부에서 기체, 액적 또는 고체 재료 중 하나의 레이저 어블레이션 및 이온화를 위한 디바이스를 포함한다.
구현 21은 구현들 1 내지 16 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 핀치 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 22는 구현들 1 내지 16 및 21 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 와이어 유사 구성의 형상으로 플라즈마 형성 재료를 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 23은 구현들 1 내지 16 및 21 내지 22 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 전극들에 인접한 더 큰 영역 및 반응 챔버의 중심 내의 더 작은 영역을 갖는 맞춤 구성에서 반응 챔버, 플라즈마 전극들 및 플라즈마 형성 재료를 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 24는 구현들 1 내지 16 및 21 내지 22 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 와이어 유사 구성을 각각 갖는 복수의 플라즈마 형성 재료들을 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 25는 구현들 1 내지 16 및 21 내지 22 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 와이어 유사 구성을 각각 갖는 제1 복수의 플라즈마 형성 재료들 및 와이어 유사 구성을 각각 갖는 제2 복수의 플라즈마 형성 재료들을 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함하며, 제1 복수의 플라즈마 형성 재료들은 제2 복수의 플라즈마 형성 재료들에 수직으로 배향된다.
구현 26은 구현들 1 내지 16 및 21 내지 22 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 와이어 유사 구성을 갖는 제1 플라즈마 형성 재료 및 와이어 유사 구성을 갖는 제2 플라즈마 형성 재료를 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함하며, 제1 플라즈마 형성 재료는 제2 플라즈마 형성 재료에 수직으로 배향된다.
구현 27은 구현들 1 내지 16 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 가스 제트를 포함하는 플라즈마 형성 재료를 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 28은 구현들 1 내지 16 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 액적들 또는 미소규모 입자들 중 하나를 포함하는 플라즈마 형성 재료를 갖는 핀치 플라즈마 발생기를 포함한다.
구현 29는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 커스프 자기 필드들은 축 대칭 스핀들 커스프 필드들을 포함한다.
구현 30은 구현들 1 내지 28 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 커스프 자기 필드들은 피켓 펜스 커스프 구성을 포함한다.
구현 31은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 커스프 자기 필드들은 6 코일 다면체 구성에 의해 발생된다.
구현 32는 구현들 1 내지 30 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 커스프 자기 필드들은 12 코일 다면체 구성에 의해 발생된다.
구현 33은 구현들 1 내지 30 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 커스프 자기 필드들은 20 코일 다면체 구성에 의해 발생된다.
구현 34는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 플라즈마 개시제는 하나 이상의 펄스화된 플라즈마 개시제들을 포함한다.
구현 35는 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 전자 주입기는 복수의 전자 주입기들을 포함한다.
구현 36은 상기 구현들 중 어느 하나에 이하의 특징을 추가하고, 장치는 중성자 발생기, 의료 동위원소 발생기 또는 핵 폐기물 변환 디바이스를 포함한다.
구현 37은 상기 구현들 중 어느 하나에 중성 빔 주입기의 부가 특징을 추가하고, 중성 빔 주입기는 커스프 자기 필드들로부터 낮은 에너지 이온들을 제거한다.
구현 38은 핵 융합을 생성하는 방법을 특징으로 할 수 있으며, 방법은 반응 챔버를 제공하는 단계; 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 단계; 플라즈마 개시제를 이용하여, 반응 챔버 내에서 높은 에너지 전자들을 한정하기 위해 반응 챔버 내에서 베타 압력 플라즈마를 발생시키는 단계; 이온들을 한정하기 위해 반응 챔버 내에서 플라즈마 전위 우물을 생성하고 반응 챔버 내에서 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속하도록 전자들을 반응 챔버 내로 주입하는 단계; 및 핵 융합 반응들에 의해 소비되는 이온들을 보충하는 단계를 포함한다.
구현 39는 구현 38에 반응 챔버로 중성 빔 주입을 이용함으로써 높은 에너지 이온들을 반응 챔버로 추가하는 부가 특징을 추가한다.
구현 40은 구현들 38 내지 39 중 어느 하나에 수학식 2에 의해 결정되는 전자 한정 시간의 0.1 내지 10 배의 펄스 지속시간으로 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 41은 구현들 38 내지 39 중 어느 하나에 0.3 내지 3, 0.5 내지 5, 1 내지 3, 3 내지 10, 5 내지 20이거나, 수학식 2의 전자 한정 시간과 거의 같거나 같은 최대 펄스 지속시간으로 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 42는 구현들 38 내지 39 중 어느 하나에 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.1 배 미만의 펄스 지속시간으로 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 43은 구현들 38 내지 42 중 어느 하나에 5 내지 1000 eV의 범위에서, 또는 더 바람직하게는 10 내지 500 eV, 10 내지 100 eV, 20 eV 내지 250 eV, 50 eV 내지 300 eV, 50 eV 내지 500 eV, 및 100 eV 내지 1000 eV 중 하나로부터 선택되는 범위에서 플라즈마 온도들을 발생시키기 위해 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 44는 구현들 38 내지 43 중 어느 하나에 5 내지 1000 eV, 10 내지 500 eV, 10 내지 100 eV, 20 내지 250 eV, 50 내지 300 eV, 50 내지 500 eV, 및 100 내지 1000 eV의 범위들 중 하나로부터 선택되는 전자 에너지들을 발생시키는 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 45는 구현들 38 내지 44 중 어느 하나에 0.5 내지 20 테슬라의 범위에서 커스프 지점들에서의 필드 강도를 갖는 커스프 자기 필드들을 발생시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 46은 구현들 38 내지 44 중 어느 하나에 1 내지 15, 3 내지 12, 4 내지 10, 및 5 내지 8 테슬라 중 어느 하나의 범위에서 커스프 지점들에서의 필드 강도를 갖는 커스프 자기 필드들을 발생시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 47은 구현들 38 내지 46 중 어느 하나에 0.2 내지 5.0, 0.3 내지 3.0, 0.5 내지 2.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 1.2, 0.9 내지 1.1의 플라즈마 β, 또는 1과 거의 같거나 같은 β를 갖는 커스프 자기 필드들의 커스프 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하기 위해 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 48은 구현들 38 내지 47 중 어느 하나에 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 50 배에 의해 주어지는 에너지를 갖기 위해 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 49는 구현들 38 내지 47 중 어느 하나에 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 30, 0.5 내지 10, 1 내지 30, 1 내지 20, 1 내지 10, 5 내지 30, 5 내지 20, 및 5 내지 10 배에 의해 주어지는 에너지를 갖기 위해 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 50은 구현들 38 내지 49 중 어느 하나에 이하의 부가 특징을 추가하고, 코일 시스템에 의해 발생되는 자기 필드는 0.5 내지 20 테슬라의 범위이고, 플라즈마 개시제는 0.1 및 10의 플라즈마 β를 생성하기에 충분한 에너지를 동작한다.
구현 51은 구현들 50에 수학식 2에 의해 결정되는 전자 한정 시간의 최대 10 배의 펄스 지속시간으로 플라즈마 개시제를 동작시키는 부가 특징을 추가한다.
구현 52는 중성자 발생기를 특징으로 하며, 중성자 발생기는 반응기 챔버; 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 코일들을 갖는 코일 시스템; 반응 챔버 내에서 높은 베타 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 개시제; 전자 주입기; 이온 주입기; 핵 융합 반응에 의해 소비된 이온들을 보충하는 융합 연료 주입기를 포함하며; 플라즈마 개시제는 반응 챔버 내의 전자 한정을 위해 반응 챔버 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하고; 전자 주입기 및 이온 주입기는 융합 반응들이 중성자들을 발생시키게 하기 위해 플라즈마를 가열한다.
구현 53은 핵 융합 반응들을 발생시키는 장치에 관한 것이며, 장치는 반응기 챔버; 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 코일들을 갖는 코일 시스템; 반응 챔버 내에서 높은 베타 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 개시제; 전자 주입기; 핵 융합 반응에 의해 소비된 이온들을 보충하는 융합 연료 주입기를 포함하며; 플라즈마 개시제는 반응 챔버 내의 전자 한정을 위해 반응 챔버 내부에서 높은 베타 플라즈마를 생성하고; 전자 주입기는 이온들을 한정하기 위해 반응 챔버 내에서 플라즈마 전위 우물을 생성하고 반응 챔버 내에서 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속하고; 플라즈마 개시제는 주입기 건, FRC 및 레이저의 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 플라즈마 개시제들과 하나 이상의 플라즈마 핀치 개시제들을 포함한다.
구현 54는 구현 53에 이하의 특징을 추가하고, 주입기 건, FRC 및 레이저 중 하나 이상은 초기 에너지를 반응기 챔버에 제공하기 위해 이용되고 하나 이상의 핀치 개시제들은 높은 베타 플라즈마를 생성하기 위해 반응 챔버 내에서 에너지를 증가시키도록 나중에 사용된다.
참조 리스트
1. Amasa S. Bishop, "Project Sherwood: The U.S. Program In Controlled Fusion", Chapter　14, p139 - p142, (Addison-Wesley, Reading, 1958).
2. J. Berkwoitz, K. O. Freidrichs, H. Goertzel, H. Grad, J. Killeen, and E. Rubin, "Cusped Geometries", Proceeding of Second U.N. International Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy, Geneva, Volume 31, p171-p176, (1958).
3. James L. Tuck, "A New Plasma Confinement Geometry, Nature, Volume 4740, p863-p864, (1960).
4. J. D. Huba, Naval Research Laboratory Plasma Formulary (2013).
5. John Marshall, Jr., "Methods and Means for Obtaining Hydro-magnetically Accelerated Plasma Jet", US Patent 2,961,559 (1960).
6. James L. Tuck, "High Energy Gaseous Plasma Containment Device", US Patent 3,031,398 (1962).
7. I. Spalding, "Cusp Containment", in Advances in Plasma Physics, edited by A. Simon and W. B. Thompson (Wiley, New York, 1971).
8. M. G. Haines, "Plasma Containment in Cusp-Shaped Magnetic Fields", Nuclear Fusion, Vol. 17, p 811- p858 (1977).
9. R. E. Pechacek, J. R. Greig, M. Raleigh, D. K. Koopman, and A. W. DeSilva, "Measurement of the Plasma Width in a Ring Cusp", Physical Review Letters, Volume 45, p 256-p 259 (1980).
10. P. T. Farnsworth, "Method and Apparatus for Producing Nuclear-Fusion Reactions", US　Patent 3,386,883 (1968).
11. Robert L. Hirsch, "Apparatus for Generating Fusion Reactions", US Patent 3,530,036 (1970).
12. Robert L. Hirsch, "Electrostatic Containment in Fusion Reactors", US Patent 3,664,920 (1972).
13. William C. Elmore, James L. Tuck, and Kenneth M. Watson, "On the Inertial-Electrostatic Confinement of a Plasma", Physics of Fluids, Volume 2, p239-246 (1959).
14. Robert W. Bussard, "Method and Apparatus for Controlling Charged Particles", US Patent 4,826,646 (1989).
15. Robert W. Bussard, "The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion", 57th International Astronautical Congress (2006).
16. Nicholas A. Krall, Michael Coleman, Kenneth C. Maffei, John A. Lovberg, R. A. Jacobsen, Robert W. Bussard, "Forming and Maintaining a Potential Well in a Quasispherical Magnetic Trap", Physics of Plasmas, Volume 2, p146-p160 (1995).

Claims (21)

  1. 핵 융합 반응들(nuclear fusion reactions)을 발생시키는 장치로서,
    반응기 챔버(reactor chamber);
    상기 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들(cusp magnetic fields)을 발생시키는 코일들을 갖는 코일 시스템;
    상기 반응 챔버 내에서 높은 베타 플라즈마(high beta plasma)를 발생시키는 플라즈마 개시제(plasma initiator);
    전자 주입기; 및
    핵 융합 반응에 의해 소비된 이온들을 보충하는 융합 연료 주입기
    를 포함하며;
    상기 플라즈마 개시제는 상기 반응 챔버 내의 전자 한정(electron confinement)을 위해 상기 반응 챔버 내부에서 상기 높은 베타 플라즈마를 생성하고;
    상기 전자 주입기는 이온들을 한정하기 위해 상기 반응 챔버 내에서 플라즈마 전위 우물(plasma potential well)을 생성하고 상기 반응 챔버 내에서 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 수학식 2에 의해 결정되는 전자 한정 시간의 0.1 내지 10 배의 펄스 지속시간(pulse duration)으로 동작하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.1 배 미만의 펄스 지속시간으로 동작하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일 시스템에 의해 발생되는 커스프 지점들에서의 최대 자기 필드는 0.5 내지 20 테슬라(Tesla)의 범위 내에 있는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 0.1 내지 10의 플라즈마 β를 갖는 커스프 내부에서 상기 높은 베타 플라즈마를 생성하기에 충분한 에너지로 동작하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 50 배에 의해 주어지는 에너지를 갖는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 30, 0.5 내지 10, 1 내지 30, 1 내지 20, 1 내지 10, 5 내지 30, 5 내지 20, 및 5 내지 10 배에 의해 주어지는 에너지를 갖는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 5 내지 1000 eV, 10 내지 500 eV, 10 내지 100 eV, 20 내지 250 eV, 50 내지 300 eV, 50 내지 500 eV, 및 100 내지 1000 eV의 범위들 중 하나로부터 선택되는 전자 에너지들로 동작하는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 주입기는 10 내지 1000 keV, 10 내지 200 keV, 25 내지 150 keV, 50 내지 300 keV, 75 내지 500 keV, 및 100 내지 1000 keV의 범위들 중 하나의 범위 내의 빔 에너지로 전자 빔을 생성하고 상기 플라즈마 전위 우물을 생성하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 플라즈마 발생을 위해 기체, 액적(liquid droplet) 또는 고체 재료 중 적어도 하나를 사용하는 동축 플라즈마 건(co-axial plasma gun)을 포함하는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 동축 플라즈마 건, FRC 및 레이저 중 하나 이상을 포함하는 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 개시제는 하나 이상의 핀치 플라즈마 발생기들을 포함하는 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 중성자 발생기(neutron generator), 의료 동위원소 발생기(medical isotope generator) 또는 핵 폐기물 변환 디바이스(nuclear waste transmutation device)인 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    중성 빔 주입기를 더 포함하고;
    상기 중성 빔 주입기는 상기 커스프 자기 필드들로부터 낮은 에너지 이온들을 제거하는 장치.
  15. 핵 융합을 생성하는 방법으로서,
    반응 챔버를 제공하는 단계;
    상기 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 단계;
    플라즈마 개시제를 이용하여, 상기 반응 챔버 내에서 높은 에너지 전자들을 한정하기 위해 상기 반응 챔버 내에서 베타 압력 플라즈마를 발생시키는 단계;
    이온들을 한정하기 위해 상기 반응 챔버 내에서 플라즈마 전위 우물을 생성하고 상기 반응 챔버 내에서 관련 에너지들을 융합하기 위해 이온들을 가속하도록 전자들을 상기 반응 챔버 내로 주입하는 단계; 및
    핵 융합 반응들에 의해 소비되는 이온들을 보충하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내로의 중성 빔 주입을 이용하여 높은 에너지 이온들을 상기 반응 챔버로 추가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 수학식 2에 의해 결정되는 전자 한정 시간의 0.1 내지 10 배의 펄스 지속시간으로 상기 플라즈마 개시제를 동작시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서, 수학식 2의 전자 한정 시간의 0.1 배 미만의 펄스 지속시간으로 상기 플라즈마 개시제를 동작시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 0.2 내지 5.0, 0.3 내지 3.0, 0.5 내지 2.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 1.2, 0.9 내지 1.1의 플라즈마 β, 또는 1과 동일하거나 또는 거의 동일한 β를 갖는 상기 커스프 자기 필드들의 커스프 내부에서 상기 높은 베타 플라즈마를 생성하도록 상기 플라즈마 개시제를 동작시키는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 수학식 3의 에너지의 0.5 내지 50 배에 의해 주어지는 에너지를 갖도록 상기 플라즈마 개시제를 동작시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 중성자 발생기로서,
    반응기 챔버;
    상기 반응 챔버 내에서 커스프 자기 필드들을 발생시키는 코일들을 갖는 코일 시스템;
    상기 반응 챔버 내에서 높은 베타 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 개시제;
    전자 주입기;
    이온 주입기; 및
    핵 융합 반응에 의해 소비된 이온들을 보충하는 융합 연료 주입기
    를 포함하며;
    상기 플라즈마 개시제는 상기 반응 챔버 내의 전자 한정을 위해 상기 반응 챔버 내부에서 상기 높은 베타 플라즈마를 생성하고;
    상기 전자 주입기 및 이온 주입기는 융합 반응들이 중성자들을 발생시키게 하기 위해 상기 플라즈마를 가열하는 중성자 발생기.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017172815A1 (en) * 2016-03-29 2017-10-05 Fusion One Corporation Methods and apparatus for coincidentally forming a virtual cathode and a high beta plasma
US10204709B2 (en) 2016-10-26 2019-02-12 Joel Guild Rogers Apparatus and method for controlling a plasma fusion reactor
WO2018208953A1 (en) * 2017-05-09 2018-11-15 Energy Matter Conversion Corporation Generating nuclear fusion reactions with the use of ion beam injection in high pressure magnetic cusp devices
KR102495711B1 (ko) 2018-02-28 2023-02-06 제너럴 퓨전 아이엔씨. 플라스마 생성 및 플라스마 자기장 유지 시스템 및 방법
WO2020076727A1 (en) * 2018-10-07 2020-04-16 Horne Tanner L Nuclear fusion reactor with toroidal superconducting magnetic coils implementing inertial electrostatic heating
RU2736311C1 (ru) * 2019-12-17 2020-11-13 Виктор Сергеевич Клёнов Устройство для удержания заряженных частиц
JP6753627B1 (ja) * 2020-06-08 2020-09-09 株式会社センリョウ プラズマ加熱装置
JP7005069B1 (ja) * 2021-08-19 2022-02-14 株式会社センリョウ プラズマ加熱装置
WO2023178004A1 (en) * 2022-03-14 2023-09-21 The Trustees Of Princeton University Planar coil stellarator
WO2023178009A1 (en) * 2022-03-14 2023-09-21 The Trustees Of Princeton University System and method for stellarator neutron source

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4826646A (en) * 1985-10-29 1989-05-02 Energy/Matter Conversion Corporation, Inc. Method and apparatus for controlling charged particles
EP0438724B1 (en) * 1990-01-22 1996-05-08 Werner K. Dipl.-Ing. Steudtner Fusion reactor
US6664740B2 (en) * 2001-02-01 2003-12-16 The Regents Of The University Of California Formation of a field reversed configuration for magnetic and electrostatic confinement of plasma
US20080187086A1 (en) * 2006-09-27 2008-08-07 Emc2 Method and apparatus for controlling charged particles
GB201009768D0 (en) * 2010-06-11 2010-07-21 Tokamak Solutions Uk Ltd Compact fusion reactor

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