KR20180017010A - 원하지 않는 맴돌이 전류를 감소시키는 시스템 및 방법 - Google Patents

원하지 않는 맴돌이 전류를 감소시키는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

예를 들면 가둠 챔버 내로 FRC를 병진 이동시킴으로써 유도되는 전도성 구조체 내의 원하지 않는 맴돌이 전류의 진폭을 감소시키면서 유리한 맴돌이 전류는 영향을 받지 않은 채로 유지하는 시스템 및 방법을 제공한다. 이는 가둠 챔버 내로 플라즈마를 병진 이동시키기 전에 동일 전도성 구조체에 반대의 전류를 유도함으로써 달성된다.

Description

원하지 않는 맴돌이 전류를 감소시키는 시스템 및 방법
본 명세서에서 기술하는 주제는 일반적으로는 자기적 플라즈마 가둠 시스템(magnetic plasma confinement system)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원하지 않는 맴돌이 전류의 무효화를 용이하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
자장 역전 구성(Field Reversed Configuration: FRC)은 콤팩트 토로이드(compact toroid: CT)로서 알려진 자기적 플라즈마 가둠 토폴로지의 종류에 속한다. 그 구성은 대부분은 폴로이달 자기장(poloidal magnetic field)을 갖고 있고 제로 또는 소량의 자가 생성 토로이드 자기장을 소유하고 있다(M. Tuszewski, Nucl, Fusion 28, 2033 (1988) 참조). FRC를 형성하는 전통적인 방법은, 고온의 고밀도 플라즈마를 생성하는 자장 역전 θ-핀치(pinch) 기법을 이용한다(A. L. Hoffman 등, Nucl. Fusion 33, 27 (1993) 참조). 그 변형예로는 세타 핀치 "소스(source)"에서 생성된 플라즈마가 일단부에서 가둠 챔버 내로 다소 즉시 방출되는 병진 이동-트래핑(translation-trapping) 기법이 있다. 병진 이동하는 플라스모이드(plasmoid)는 이어서 챔버의 단부들에 있는 2개의 강한 미러(mirror)들 사이에 트랩된다(예를 들면, H. Himura 등, Phys. Plasmas 2, 191 (1995) 참조).
지난 십 년간 상당한 발전이 이루어져 다른 FRC 형성 방법, 즉 정반대 쪽을 향하는 헬리시티(helicities)와 스페로막(spheromaks)을 병합(merging)하는 방법(예를 들면, Y. Ono 등, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999) 참조)과, 회전하는 자기장(rotating magnetic field: RMF)으로 전류를 구동하여(예를 들면, I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999) 참조) 추가적인 안정성을 또한 제공하는 방법이 개발되었다. 최근에, 오래 전에 제안된 충돌-병합 기술(예를 들면, D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966) 참조)이 상당히 더 발전되었는데, 예를 들어, 가둠 챔버의 대향한 양단부들에서 2개의 별개의 쎄타-핀치가 2개의 플라스모이드를 동시에 생성하고 이 플라스모이드를 고속으로 서로를 향해 가속시키며, 이들은 이어서 가둠 챔버의 중심에서 충돌하고 병합하여 복합 FRC를 형성한다. 최근까지 최대 FRC 실험들 중 하나의 구성 및 성공적 작동에 있어서, 종래의 충돌 병합 방법은 안정적이고 수명이 길며 고플럭스 및 고온의 FRC를 생성하는 것을 보였다(예를 들면, M. Binderbauer 등, Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010) 참조).
FRC가 가둠 섹션으로 병진 이동할 때, FRC는 그 부근 내의 임의의 전도성 구조체(예를 들면, 베셀 벽 또는 베셀 내의 전도성 구성 요소)에 맴돌이 전류를 유도한다. 이러한 맴돌이 전류는 플라즈마 상태에 영향을 미치고 시간이 경과함에 따라 소멸하며, 이에 의해 플라즈마의 연속적 진화(evolution)에 기여하고 맴돌이 전류가 무시할 만한 크기로 소멸할 때까지 임의의 정상 상태(steady-state)를 방지한다. 전도성 구조체가 축대칭이 아닌 경우(일반적으로 그 케이스임), 맴돌이 전류는 FRC의 축대칭성을 파괴한다. 전반적으로, 그러한 병진 이동에 의해 유도되는 맴돌이 전류들은 바람직하지 못하다. 그들의 초기 여기는 플라즈마 형상에 제약을 가하며, 이에 의해 플라즈마 불안정의 수동적 안정화(passive stabilization)를 제공하는 전도성 구조체의 능력을 제한하며, 그들의 시간의 경과에 따른 소멸은 플라즈마 불안정이 존재하지 않더라도 연속적인 보상을 요구함으로써 플라즈마 제어를 복잡하게 한다. 또한, 병진 이동에 의해 유도되는 맴돌이 전류의 임의의 유리한 효과도 평형 자기장의 적절한 조절에 의해 제공될 수 있다.
병진 이동에 의해 유도되는 맴돌이 전류는 실험 중에 발생하는 맴돌이 전류의 유일한 형태가 아니다. 플라즈마 불안정은 불안정의 성장 속도를 감소시키는 맴돌이 전류를 여기시킬 수 있고, 따라서 그 맴돌이 전류는 바람직할 수 있다. 맴돌이 전류는 또한 중성자 비임 전류 상승(ramp-up)에 응답하여서도 발생할 것이다.
다른 FRC 실험에서 플라즈마 수명은 통상 전도성 벽의 저항 타임스케일(resistive timescale)보다 상당히 낮은 값으로 제한되어, 시변성(time-varying) 맴돌이 전류는 어떠한 실질적인 문제점도 제기하지 않으며 많은 주목을 받지 못하였다.
병진 이동에 의해 유도되는 맴돌이 전류의 여기를 방지하는 한 가지 관련 기법은, 축대칭 맴돌이 전류의 여기를 방지하도록 베셀 내에 절연성 축방향 "갭"을 이용하는 것이다. 이 기법의 단점은, 전도성 베셀에 대한 구조적 변경을 필요로 하고 맴돌이 전류가 억제되는 것이 아니라 축대칭 전류가 3D 전류로 변형된다는 점이다. 따라서, 이는, 3D 자기장으로부터의 유해한 영향을 악화시키며 또한 벽이 축대칭 플라즈마의 불안정에 대한 수동적 안정화에 대해 부적절하게 한다.
3차원 오차 자기장(error field)은 종종 그 자체는 축대칭이 아닌 오차 자기장 보정 코일에 의해 보정된다. 최선의 경우에, 그러한 코일은 코일들이 존재하는 만큼의 많은 수의 고조파(harmonics)를 제거할 수 있지만, 잔류 고조파에 새로운 오차를 도입하는 경향이 있고, 실험 중에 오차 자기장의 임의의 시간에 따른 변화를 따를 필요가 있다.
따라서, 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 또는 제거를 촉진시키는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 요구되고 있다.
본 명세서에서 제공하는 실시예는 원하지 않는 맴돌이 전류(벽 전류), 예를 들면 FRC 플라즈마의 병진 이동에 의해 유도되는 맴돌이 전류 등의 병진 이동 유도 맴돌이 전류의 진폭의 감소를 용이하게 하면서 유리한 맴돌이 전류는 영향을 받지 않은 채로 유지하는, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 원하지 않는 맴돌이 전류의 진폭의 감소는, 예를 들면 능동 코일(active coil)을 이용하여 플라즈마의 병진 이동 전에 동일 구조체에 대향 전류를 유도함으로써 달성된다. 전도성 구조체로부터 플라즈마를 분리시키는 표면 상에서의 총 자기장의 접선 성분과 법선 성분 모두가 측정되는 경우, 그 자기장은 플라즈마에 의해 생성된 성분과 외부 전류(평형 코일 전류)에 의해 생성된 성분으로 분해될 수 있다. 외부 코일로부터의 기지의 자기장을 차감함으로써, 맴돌이 전류로 인한 자기장이 남는다. 해당 맴돌이 전류의 분포는 그 자기장의 시간 진화(time evolution)로부터 재구성된다. 알고 있는 맴돌이 전류 분포에 대해, 챔버 내로 플라즈마의 병진 이동 전에 능동 코일을 이용하여 반대의 부호를 갖는 유사한 분포를 유도한다. 필요한 코일 전류의 계산은 단지 수동 코일과 능동 구조체의 기하학적 형상만의 지식을 요구한다. 플라즈마가 가둠 챔버 내로 병진 이동할 때, 2개의 맴돌이 전류 분포가 중첩되어 무효화된다. 맴돌이 전류 분포를 보다 정확하게 재현할수록 무효화는 보다 완벽해진다.
본 명세서에서 기술하는 시스템은 유리하게는 이하의 이점을 갖는다.
- 플라즈마 제어를 방해하는 소멸하는 맴돌이 전류로 인한 시변성 외부 자기장을 감소시킨다.
- 비축대칭성 벽의 대칭성 파괴 효과를 감소시킨다. 사전 유도된 맴돌이 전류와 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류 모두가 동일한 3D 구조를 갖기 때문에, 3D 자기장은 비축대칭 코일을 필요로 하지 않고도 감소된다.
- 축대칭 및 비축대칭 불안정의 수동적 안정화를 증기시키도록 억지끼워맞춤(close fitting) 축대칭 베셀 내 구조체들의 설치를 가능하게 한다.
예시적인 실시예의 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점들은 후속하는 도면 및 상세한 설명의 검토 시에 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다.
구조 및 작동을 비롯한 예시적인 실시예의 상세는 첨부 도면을 연구함으로써 부분적으로 얻을 수 있을 것이며, 도면에서 동일 도면 부호는 동일 부품을 가리킨다. 도면에서의 구성 요소들은 반드시 축척대로 도시한 것이 아니라 본 발명의 원리를 예시하는 데에 중점을 두고 있다. 게다가, 모든 도시는 개념을 전달하고자 한 것으로, 상대적 크기, 형상, 및 기타 구체적인 특징들은 있는 그대로 또는 정확하게보다는 개략적으로 도시될 수 있다.
도 1은 대향한 양 단부에 형성 튜브가 부착된 챔버 또는 베셀 및 챔버의 벽에 맴돌이 전류(벽 전류)를 유도하기 위해 챔버의 벽의 주위에 배치된 축대칭 코일들의 개략도이다.
도 1a는 능동 코일 시스템과 형성 시스템에 결합된 제어 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 플라즈마가 형성 튜브 내에 존재하는 상태에서의 도 1의 챔버 및 형성 튜브의 개략도이다.
도 3은 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류(병진 이동 유도 벽 전류)가 챔버의 벽에 형성된 것을 나타내는, 챔버 내로 플라즈마를 병진 이동시킨 후의 도 1의 챔버 및 형성 튜브의 개략도이다.
도 4는 사전 유도된 맴돌이 전류(사전 유도 벽 전류)가 챔버의 벽에 형성된 상태에서 챔버 내로 플라즈마를 병진 이동시키기 전의 도 1의 챔버 및 형성 튜브의 개략도이다.
도 5는 사전 유도된 맴돌이 전류와 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류(사전 유도 벽 전류와 병진 이동 유도 벽 전류)가 챔버의 벽에 형성된 것을 나타내는, 챔버 내로 플라즈마를 병진 이동시킨 후의 도 1의 챔버 및 형성 튜브의 개략도이다.
도 6은 챔버의 벽에서의 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류(병진 이동 유도 벽 전류)가 챔버의 벽에서의 사전 유도된 맴돌이 전류(사전 유도 벽 전류)에 의해 무효화되는 것을 나타내는, 챔버 내로 플라즈마를 병진 이동시킨 후의 도 1의 챔버 및 형성 튜브의 개략도이다.
도 7은, 세 가지 경우, 즉 (1) 사전 유도된 자기장이 없는 경우, (2) 사전 유도된 자기장이 있는 경우, 및 (3) 사전 유도되고 조절된 진공 자기장(vacuum field)을 갖는 경우에 대해 챔버의 벽에서의 시뮬레이션된 맴돌이 전류 분포(시뮬레이션된 벽 전류 분포)를 나타내는 그래프이다.
유사한 구조나 기능을 갖는 요소들은 전반적으로 예시를 위해 도면들에 걸쳐 동일한 도면 부호로 나타낸다는 점을 유념해야 할 것이다. 또한, 도면들은 단지 바람직한 실시예들의 설명을 용이하게 하고자 하는 것이라는 점도 유념해야 할 것이다.
아래에서 개시하는 추가적인 특징 및 교시 각각은 원하지 않는 맴돌이 전류(벽 전류), 예를 들면 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류의 진폭의 감소를 용이하게 하면서 유리한 맴돌이 전류는 영향을 받지 않은 채로 유지하는 시스템 및 방법을 제공하기 위해 개별적으로 또는 기타 특징 및 교시와 함께 이용될 수 있다. 그러한 추가적 특징 및 교시들의 대부분을 개별적으로 및 조합하여 이용하는 본 명세서에서 기술하는 실시예들의 대표적인 예들을 첨부 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 그 상세한 설명은 단지 본 교시의 양태를 실시하기 위해 당업자에게 추가적인 상세를 교시하고자 하는 것이지 본 발명을 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 이하의 상세한 설명에서 개시하는 특징 및 단계들의 조합은 가장 넓은 의미로 본 발명을 실시하는 데에 반드시 필요한 것은 아니라, 단지 본 교시의 대표적인 예들을 특별히 설명하기 위해 교시하는 것이다.
게다가, 대표적 예들 및 종속 청구항들의 다양한 특징들은 본 교시의 추가적인 유용한 실시예를 제공하기 위해 구체적으로 명시적으로 열거하지 않은 방식으로 조합될 수도 있다. 게다가, 상세한 설명 및/또는 청구 범위에서 개시하는 모든 특징들은, 실시예 및/또는 청구 범위에서의 특징들의 조성과는 독립적으로 청구된 주제를 한정하기 위해서 뿐만 아니라 원래의 개시를 위해 서로 개별적으로 그리고 독립적으로 개시하고자 하는 것이라는 점을 분명히 유념해야 한다. 또한, 모든 값의 범위 또는 개체의 그룹의 표시는 청구된 주제를 한정하기 위해서 뿐만 아니라 원래의 개시를 위해 가능한 모든 중간 값 또는 중간 개체를 개시하는 것이라는 점을 분명히 유념해야 한다.
본 명세서에서 제공하는 실시예는 원하지 않는 맴돌이 전류, 예를 들면 FRC 플라즈마의 병진 이동에 의해 유도되는 맴돌이 전류 등의 병진 이동 유도 맴돌이 전류의 진폭의 감소를 용이하게 하면서 유리한 맴돌이 전류는 영향을 받지 않은 채로 유지하는 시스템에 관한 것이다. FRC 플라즈마를 병진 이동시킴으로써 유도되는 맴돌이 전류는 이전의 자기장 구성 또는 이전의 전류의 존재에 의존하지 않는다. 따라서, 플라즈마의 병진 이동에 의해 유도되는 전류가 바람직하지 않다면, 그 전류는 플라즈마를 병진 이동시키기 전에 반대 방향의 동일한 전류 패턴을 생성함으로써 제거할 수 있다.
실제로, 이는 도 1에 도시한 바와 같이 베셀(10)의 내측 또는 외측 둘레에 배치된 축대칭 능동 코일(20)에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면 FRC 플라즈마 등의 플라즈마는 베셀(10)의 대향한 양단부에 위치한 형성 튜브(12, 14)에서 형성되어 그 형성 튜브(12, 14)로부터 베셀(10)의 중앙 평면을 향해 병진 이동된다. FRC 플라즈마를 형성 및 유지하는 시스템 및 방법에 대한 상세한 논의는 미국 특허 가출원 번호 제61/881874호 및 제62/001583호를 우선권 주장하는 국제 특허 출원 공개 제WO 2015048092호에서 제공하고 있으며, 이들 출원은 본 명세서에 완전히 기재된 바와 같이 참조로 원용한다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 제어 시스템(100)이 능동 코일(20), 전원 등을 포함한 능동 코일 시스템(100)과, 형성 튜브(12, 14), 코일 또는 스트랩, 전원 등을 포함한 형성 시스템에 결합되다.
형성 튜브(12, 14)로부터 플라즈마를 병진 이동시키기 전에, 코일(20)은 전류가 상승되어 베셀(10)의 벽에서의 모든 맴돌이 전류가 소멸될 때까지 일정한 전류로 유지된다. 그 시점에, 코일(20)에 대한 전류가 차단되며, 플라즈마 형성 시퀀스가 시작된다. 코일(20)에 대한 전류의 차단은, 병진 이동하는 플라즈마로부터의 후속한 플럭스 주입이 베셀(10)의 벽에서의 맴돌이 전류를 다시 제로로 감소시킬 때까지 베셀(10)을 통한 플럭스를 보존하기 위해 베셀(10)의 벽에 특정 맴돌이 전류 분포를 여기시킬 것이다. 대안적으로, 코일(20)은 플라즈마를 병진 이동시키기 바로 전에 신속하게 전류를 상승시킬 수도 있다. 이 경우, 신속 상승은 베셀(10)의 벽에 원하는 맴돌이 전류를 생성할 것이며, 병진 이동하는 플라즈마로부터의 후속한 플럭스 주입은 그 맴돌이 전류가 다시 제로로 되게 할 것이다. 병진 이동 후에, 코일(20)의 전류는 일정하게 유지된다. 이 방법은, 벽(10)의 특성 맴돌이 전류 소멸 시간이 코일(20)의 전류를 상승시킬 수 있는 속도에 비해 충분히 느린 경우에 이용될 수 있다. 무효화는 일반적으로 능동 코일의 기하학적 형상을 최적화함으로써 증가될 수 있지만, 능동 코일의 기하학적 형상이 미리 규정되는 경우라도 맴돌이 전류의 진폭은 감소될 수 있다.
맴돌이 전류 무효화를 최대화하는 능동 코일에서의 전류를 결정하기 위해, 플라즈마에 의해 유도되는 맴돌이 전류 분포가 측정되어야 한다. 이는, 전도성 구조체와 플라즈마 사이의 영역에서 자기장의 적어도 2개의 성분을 측정함으로써 행해질 수 있다. 자기장의 2개의 성분을 알고 있다면, 그 자기장은 플라즈마와 외부 전류에 의해 성분들로 분리될 수 있다. 이는 원통형 기하학적 형상에서 용이하게 확인할 수 있는데, 다시 말해, 주어진 모드 개수 m 및 위상에 대해 자기 스칼라 포텐셜은 2개의 진폭에 의해 결정되며, 그 중 하나는 rm에 비례하는 항이고 다른 하나는 r-m에 비례하는 항이다. 동일 공간 지점에서 자기장의 2개의 측정치를 갖게 되면, 두 계수 모두에 대해 해를 구하는 것이 가능하며, 플라즈마로부터의 자기장은 rm에 비례하는 항에 의해 자명하게 확인된다. 보다 복잡한 기하학적 형상에서, 그 계산은 간단하지는 않지만 동일한 과정이 이용될 수 있다. 알고 있는 내부 및 외부 자기장의 시간 진화에 대해, 전도성 구조체에서의 전류 분포가 유한 요소 회로 모델에 대한 최소자승법(least-squares fitting)에 의해 계산될 수 있다.
도 2 내지 도 6은 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류를 감소시키는 기본 개념을 도시하고 있다. 플라즈마 전류(흰색), 플라즈마 유도 벽 전류(회색) 및 사전 유도 벽 전류(해칭)가 도면에서 2단계로, 즉, 1) 병진 이동 전과 2) 병진 이동 후로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3에서, 베셀(10)의 벽에 벽 전류가 사전 유도되지 않았으며, 이에 따라 벽에서의 순 전류(net current)는 형성 튜브(12, 14)로부터 플라즈마의 병진 이동 후에 제로가 아닌 값이다. 도 4 내지 도 6에서, 얼마간의 전류가 베셀(10)의 벽에 사전 유도되어 있다. 형성 튜브(12, 14)로부터 플라즈마의 병진 이동 후에, 벽에서의 순 전류는 제로로 된다.
제안한 기법의 적용을 플라즈마 형성 및 병진 이동에 대한 영향을 평가하기 위한 2-유체 시뮬레이션 코드인 LamyRidge를 이용하여 시뮬레이션하였다. 도 7은 세 가지 상이한 케이스에 대해 형성 후 200마이크로세컨드(200㎲)에서의 축대칭 벽에서의 맴돌이 분포를 도시한다.
1) 케이스 1(실선)에서, 맴돌이 전류 보상이 이용되지 않았으며, 그 결과 세파라트릭스 반경(separatrix radius)은 39cm이고 플라즈마 타원도(elongation)는 2.5인 플라즈마가 얻어졌다.
2) 케이스 2(파선)에서, 형성 전에 (정확히) 반대되는 전류 패턴이 벽에 가해졌다. 기대한 바와 같이, 그 시뮬레이션의 종료시에 맴돌이 전류의 진폭은 감소하였다. 사전 인가된 전류의 존재가 플라즈마의 팽창을 야기하였기 때문에 전류는 정확하게 무효화되지 않았으며, 따라서 그 플라즈마는 46cm의 반경과 2.0의 타원도에 도달하였다.
3) 케이스 3(점선)에서, 챔버의 벽에 맴돌이 전류를 사전 유도하는 것에 추가하여, 가둠 코일(confinement coil)을 조절하여 억제된 맴돌이 전류를 보상하였다. 다시 말해, 이제는 t=0에 케이스 3에서 가둠 코일에 의해 생성된 자기장이 t=200㎲에 케이스 1에서의 가둠 코일과 맴돌이 전류 모두에 의해 생성된 자기장과 동일하다. 이는 케이스 1과 매유 유사한 플라즈마(반경 38cm, 타원도 2.5)를 생성하지만, 맴돌이 전류는 10배만큼 감소되었다. 따라서, 이 플라즈마의 후속 진화는 벽 맴돌이 전류에 의해 훨씬 덜 영향을 받으며, 따라서 제어 및 예측이 보다 용이하다. 게다가, 가둠 코일과 함께 사전 유도 벽 전류를 조절함으로써, 플라즈마 세파라트릭스 반경이 직접적으로 제어될 수 있다.
기타 이점
FRC 위치 또는 형상을 안정시키기 위해, 축대칭의 전도성 베셀 내 수동 구조체(in-vessel passive structure)가 이용될 수 있다. 맴돌이 전류가 전술한 바와 같은 방식으로 베셀 내 수동 구조체에 사전 유도되는 경우, 베셀 내 수동 구조체는 초기 플라즈마 형상 및 구성에 영향을 미치지 않고 설치될 수 있다. 반면, 전류가 미리 유도되지 않는다면, 베셀 내 수동 구조체의 설치는 FRC 반경을 감소시킬 것이며, 따라서, 베셀 내 수동 구조체와 플라즈마 간의 커플링을, 이전의 베셀의 벽과 플라즈마 간과 동일한 커플링 강도에 근사하도록 감소시켜, 베셀 내의 추가적 구성 요소의 설치의 이점의 대부분을 상쇄시킬 것이다.
유사한 문제가 코일을 제어하는 데에도 적용된다. 베셀 외 코일(ex-vessel coil)이 플라즈마 불안정을 안정화시키기에는 충분하지 않은 플라즈마 커플링을 갖고 있고 베셀 내 코일이 이용되는 경우, 베셀 내 코일은 통상 추가적인 내벽에 의해 플라즈마로부터 보호될 필요가 있다. 베셀 내 코일 벽에서의 맴돌이 전류가 제거되지 않는다면, 그 맴돌이 전류는 플라즈마 반경을 감소시킬 것이며, 코일-플라즈마 커플링에서의 의도한 증가를 감소시킬 것이다. 따라서, 맴돌이 전류를 제거함으로써, 코일과 플라즈마 간의 커플링을 증가시키고, 이로 인해 제어 코일을 위한 전류 및 전압 요건 모두를 감소시킨다.
베셀의 3D 형상으로 인해, 임의의 유도된 벽 전류는 축대칭성을 파괴할 것이며, 잠재적으로 가둠을 감소시키고 불안정을 조장하거나 성능을 감소시킬 것이다. 오차 자기장 보정 코일(error field correction coil)이 특정 고조파의 정해진 개수를 감소시키도록 사용될 수 있지만, 그 자체가 비축대칭적이며 이에 따라 다른 사이드밴드 고조파를 증폭시킨다. 반면, 전술한 바와 같은 맴돌이 전류의 제거는 단지 축대칭 코일만을 필요로 하고, 그 결과 사이드밴드 고조파가 보다 적어지고 플라즈마가 형성된 후에 코일에 전류를 필요로 하지 않는다.
정리하면, 본 명세서에서 제공하는 제안하는 시스템 및 방법은 플라즈마 불안정을 안정화시킬 기회를 증가시키며, 벽에 대한 커플링을 개선시킴으로써 플라즈마 제어 시스템의 효율을 증가시키며, 대칭성을 파괴하는 3D 자기장의 진폭을 감소시키며, 그리고 실시간 시스템의 복잡성을 감소시킨다. 또한, 어느 정도까지는 그러한 이점 전부가 기존의 코일 시스템을 재사용함으로써 매우 적은 비용으로 실현될 수 있다. 최선의 결과는 코일의 배치 및 설계에 맴돌이 전류 제거를 고려함으로써 달성될 수 있다.
본 명세서에서 제공하는 예시적인 실시예들은 다음과 같은 이점을 갖는다. 플라즈마 제어를 방해하는 소멸하는 맴돌이 전류로 인한 시변성 외부 자기장을 감소시킨다. 비축대칭성 벽의 대칭성 파괴 효과를 감소시킨다. 사전 유도된 맴돌이 전류와 병진 이동에 의해 유도된 맴돌이 전류 모두가 동일한 3D 구조를 갖기 때문에, 3D 자기장은 비축대칭 코일을 필요로 하지 않고도 감소된다. 축대칭 및 비축대칭 불안정의 수동적 안정화를 증기시키도록 억지끼워맞춤(close fitting) 축대칭 베셀 내 구조체들의 설치를 가능하게 한다.
하지만, 본 명세서에서 제공하는 예시적인 실시예들은 단지 예시적인 일례로서 의도한 것으로 어떠한 식으로든 한정하고자 하는 것은 아니다.
이상의 명세서에서, 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명하였다. 하지만, 다양한 수정 및 변형이 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 점은 명백할 것이다. 예를 들면, 본 명세서에 설명된 프로세스 흐름 및 도면에 도시한 프로세스 단계의 특정 순서와 조합은 달리 언급되지 않는 한, 단지 예시를 위한 것으로서, 본 발명이 상이하거나 추가적인 프로세스 단계를 사용하거나, 또는 프로세스 단계의 상이한 조합이나 순서를 사용하여 수행될 수 있다는 점은 본 명세서의 독자라면 이해할 것이다. 다른 예로서, 하나의 실시예의 각 특징은 다른 실시예에 나타낸 다른 특징과 조합되거나 매칭될 수 있다. 당업자에게 공지된 특징 및 프로세스들이 원하는 바에 따라 유사하게 포함될 수도 있다. 추가적으로 그리고 명백하게는, 특징들은 원하는 바에 따라 추가되거나 삭감될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 관점에서 고려하는 것을 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 전도성 구조체에 유도된 원하지 않는 맴돌이 전류를 감소시키는 방법으로서:
    전도성 구조체에 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하기 전에 상기 전도성 구조체에 제1 세트의 맴들이 전류를 유도하는 단계
    를 포함하며, 상기 제1 세트의 맴돌이 전류는, 상기 전도성 구조체에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류의 유도 시에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 실질적으로 무효화시키도록 상기 제2 세트의 맴돌이 전류의 분포와 실질적으로 동일하고 그 부호는 반대인 분포를 갖는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 구조체는 플라즈마 가둠 베셀의 벽인 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 구조체에 맴돌이 전류를 유도하는 단계는,
    상기 전도성 구조체 둘레의 코일의 전류를 상승(ramping up)시켜 상기 전도성 구조체에서 모든 맴돌이 전류가 소멸될 때까지 상기 코일을 일정한 전류로 유지하는 단계; 및
    상기 제1 세트의 맴돌이 전류가 상기 전도성 코일에 여기되어 상기 전도성 구조체를 통한 자기 플럭스를 보존하도록 상기 코일에 대한 전류를 차단하는 단계를 포함하는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 구조체 내로 플라즈마를 병진 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 전도성 구조체 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전도성 구조체 내로 플라즈마를 병진 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 전도성 구조체 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전도성 구조체에 맴돌이 전류를 유도하는 단계는,
    상기 전도성 구조체에 상기 제1 세트의 맴돌이 전류를 생성하도록, 상기 전도성 구조체 둘레의 코일의 전류를 상승시켜 상기 코일을 일정한 전류로 유지하는 단계; 및
    상기 전도성 구조체 내로 플라즈마를 병진 이동시키는 단계
    를 포함하며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 전도성 구조체 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 전도성 구조체에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 전도성 구조체에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  7. 베셀 벽에 유도된 원하지 않는 맴돌이 전류를 감소시키는 시스템으로서:
    벽과 내부를 갖는 베셀;
    상기 베셀 둘레에 배치된 복수의 코일; 및
    상기 복수의 코일에 결합되어, 상기 베셀의 벽에 제2 세트의 맴돌이 전류가 유도되기 전에 상기 베셀의 벽에 제1 세트의 맴돌이 전류를 유도하도록 구성된 제어 시스템
    을 포함하며, 상기 제1 세트의 맴돌이 전류는, 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류의 유도 시에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 실질적으로 무효화시키도록 상기 제2 세트의 맴돌이 전류의 분포와 실질적으로 동일하고 그 부호는 반대인 분포를 갖는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어 시스템은 또한, 상기 복수의 코일의 전류를 상승시켜, 상기 베셀의 벽에서의 모든 맴돌이 전류가 소멸될 때까지 상기 복수의 코일을 일정한 전류로 유지하고, 이어서 상기 제1 세트의 맴돌이 전류가 상기 베셀의 벽에 여기되어 상기 베셀을 통한 플럭스를 보존하도록 상기 복수의 코일에 대한 전류를 차단하도록 구성되는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 베셀의 단부에 부착된 형성 섹션을 더 포함하며, 상기 제어 시스템은 또한 상기 형성 섹션으로부터 상기 베셀의 내부로 플라즈마를 병진 이동시키도록 구성되며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 베셀의 벽 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제어 시스템은 또한, 상기 전도성 구조체에 상기 제1 세트의 맴돌이 전류를 생성하기 위해, 상기 복수의 코일의 전류를 상승시켜 상기 복수의 코일을 일정한 전류로 유지하도록 구성되는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 시스템
  11. 제10항에 있어서, 상기 베셀의 단부에 부착된 형성 섹션을 더 포함하며, 상기 제어 시스템은 또한 상기 형성 섹션으로부터 상기 베셀의 내부로 플라즈마를 병진 이동시키도록 구성되며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 베셀의 벽 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 시스템.
  12. 전도성 구조체에 유도된 원하지 않는 맴돌이 전류를 감소시키는 방법으로서:
    벽과 내부를 갖는 베셀의 벽에 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하기 전에 상기 베셀의 벽에 제1 세트의 맴들이 전류를 유도하는 단계
    를 포함하며, 상기 제1 세트의 맴돌이 전류는, 상기 전도성 구조체에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류의 유도 시에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 실질적으로 무효화시키도록 상기 제2 세트의 맴돌이 전류의 분포와 실질적으로 동일하고 그 부호는 반대인 분포를 갖는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 베셀의 벽에 맴돌이 전류를 유도하는 단계는,
    상기 베셀의 벽 둘레의 복수의 코일의 전류를 상승시켜 전도성 구조체에서 모든 맴돌이 전류가 소멸될 때까지 상기 코일을 일정한 전류로 유지하는 단계; 및
    상기 제1 세트의 맴돌이 전류가 상기 베셀의 벽에 여기되어 상기 베셀을 통한 자기 플럭스를 보존하도록 상기 복수의 코일에 대한 전류를 차단하는 단계
    를 포함하는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 베셀 내로 플라즈마를 병진 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 베셀의 벽 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 베셀 내로 플라즈마를 병진 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 베셀의 벽 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 베셀의 대향한 단부들에 부착된 대향한 형성 섹션들로부터 병진 이동되는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 대향한 형성 섹션들에서 FRC 플라즈마가 형성되어 상기 베셀 내로 병진 이동되는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 베셀의 벽에 맴돌이 전류를 유도하는 단계는,
    상기 베셀의 벽에 상기 제1 세트의 맴돌이 전류를 생성하도록, 상기 베셀의 벽의 둘레에 배치된 복수의 코일의 전류를 상승시켜 상기 복수의 코일을 일정한 전류로 유지하는 단계; 및
    상기 베셀 내로 플라즈마를 병진 이동시키는 단계
    를 포함하며, 상기 병진 이동하는 플라즈마는 상기 베셀의 벽 내로 플럭스를 주입하며, 이 플럭스가 상기 베셀의 벽에 상기 제2 세트의 맴돌이 전류를 유도하여 상기 베셀의 벽에서의 맴돌이 전류의 진폭을 다시 제로로 감소시키는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 베셀의 대향한 단부들에 부착된 대향한 형성 섹션들로부터 병진 이동되는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 대향한 형성 섹션들에서 FRC 플라즈마가 형성되어 상기 베셀 내로 병진 이동되는 것인 원하지 않는 맴돌이 전류의 감소 방법.
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