KR20230011431A

KR20230011431A - 자기 거울 머신

Info

Publication number: KR20230011431A
Application number: KR1020227045094A
Authority: KR
Inventors: 잔 자더버그
Original assignee: 노바트론 퓨전 그룹 에이비
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-01-20
Also published as: WO2021094372A1; CA3180392A1; EP4059029A1; WO2022101356A1; CN115867985A; EP3819913A1; US20240013932A1; MX2022016313A; CN114667575A; JP2023547297A; CA3160621A1; MX2022005487A; JP2023502173A; EP4244871A1; BR112022008006A2; KR20220092897A; US20220367069A1

Abstract

플라즈마 가둠을 위한 자기 거울 머신(2100; 2200; 3100; 3200)은 개방-필드-라인(open-field-line) 플라즈마 가둠 영역(2106)을 생성하도록 배치되는 복수의 길이 방향으로(longitudinally) 배치되는 초전도체 코일들(2104, 2105, 2106a, 2106b)을 포함하고, 두 개의 단부들의 각각에 있는 상기 플라즈마 가둠 영역(2106)은 상기 플라즈마 가둠 영역(2106)의 중앙 영역(2110)에 비해 증가되는 자속 밀도의 각각의 거울 영역(2108)에 의해 제한되고, 여기서, 상기 복수의 초전도체 코일들 중 초전도체 코일(2105, 2106a, 2106b)은 상기 거울 영역(2108)에 인접하게 위치되고, 상기 초전도체 코일(2105, 2106a, 2106b)은 상기 거울 영역을 통해 자기장 라인(2112)과 교차하는 평면에서, 상기 자기장 라인(2112)을 따라는 방향으로 가늘고 긴 형상(elongate shape)을 갖는 단면을 갖는다.

Description

자기 거울 머신

본 개시는 플라즈마 가둠(plasma confinement)을 위한 자기 거울 머신(magnetic mirror machine)에 관한 것이다.

지상에서 제어되는 핵융합을 위한 반응로를 설계하기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다. 가장 유망한 융합 프로세스는 수소 동위원소인 중수소(²H)와 삼중수소(³H) 사이의 융합이다. 중수소-삼중수소 융합 프로세스에서는, 약 3.5 MeV의 운동 에너지를 갖는 ⁴He 알파 입자와 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 갖는 중성자가 생성된다.

핵융합이 일어나기 위해서는, 핵이 1억 5천만 캘빈 정도의 온도를 갖는 플라즈마 형태여야 한다. 이러한 플라즈마에 대한 가둠을 제공하는 것은 여전히 주요 과제로 남아 있다.

플라즈마 가둠은 플라즈마의 하전 입자들(charged particles)을 가두는 것을 포함한다. 플라즈마 가둠을 위한 몇 가지 알려진 자기(magnetic) 구성들이 있다. 잘 알려진 디자인은 자기 거울이다. 그 안에서, 입자들은 일반적으로 자기 거울 머신을 통해 실질적으로 길이 방향으로(longitudinally) 진행하는 자기장 라인들(magnetic field lines)을 따라가며, 디바이스의 양 단부들에 있는 자속 밀도(magnetic flux density)가 증가하는 영역들에서 반사된다. 다시 말해, 자기 거울 머신의 플라즈마 가둠 영역은 플라즈마 가둠 영역의 중앙 영역에 비해 증가되는 자속 밀도의 각각의 거울 영역에 의해 제한되는 두 개의 단부들의 각각에 있다.

초전도체 코일들(superconductor coils)은 큰 전류를 전달할 수 있는 것으로 잘 알려져 있으며, 이로써, 암페어(Ampere)의 법칙으로 인해, 큰 자속 밀도들을 생성할 수 있다. 코일에 의해 생성되는 최대 달성 가능한 사용 가능 자속 밀도와 관련하여 초전도체 코일의 설계 및 사용에 대한 제한 요소들은, 첫째, 초전도 속성들의 파괴 전에 초전도체 재료에서 가능한 최대 전류 밀도, 및 둘째, 초전도 속성들의 파괴 전에 초전도체 재료 자체에서 가능한 최대 자속 밀도를 포함한다.

따라서, 상기의 설계 제약 조건들을 고려하여 자기 거울 머신의 성능을 최대화할 필요가 있다.

본 개시의 목적은 상기의 문제를 해결하거나, 적어도 완화하는 것이다.

이를 위해, 제1 양태에 따르면, 개방-필드-라인(open-field-line) 플라즈마 가둠 영역을 생성하도록 배치되는 복수의 길이 방향으로 배치되는 초전도체 코일들을 포함하는 플라즈마 가둠을 위한 자기 거울 머신이 제공되고, 두 개의 단부들의 각각에 있는 상기 플라즈마 가둠 영역은 상기 플라즈마 가둠 영역의 중앙 영역에 비해 증가되는 자속 밀도의 각각의 거울 영역에 의해 제한되며, 여기서, 상기 복수의 초전도체 코일들 중 초전도체 코일은 상기 거울 영역에 인접하게 위치되고, 상기 초전도체 코일은 상기 거울 영역을 통해 자기장 라인과 교차하는 평면에서, 상기 자기장 라인을 따르는 방향으로 가늘고 긴 형상(elongate shape)을 갖는 단면을 갖는다.

가늘고 긴 형상을 갖는 단면은 단면의 제1 주요 방향에서, 단면의 제2 주요 방향의 연장(extension)의 적어도 두 배, 바람직하게는 세 배, 더 바람직하게는 네 배, 보다 더 바람직하게는 다섯 배의 연장을 갖는 것으로 이해되어야 한다. 가늘고 긴 형상은 직사각형, 타원형, 초승달-형, 및/또는 튜브-세그먼트-형 단면을 포함하지만 이에 국한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 제2 주요 방향들은 서로 직교할 수 있지만, 제2 방향은 구부러질 수 있는데, 즉, 튜브-형 단면을 갖는 경우에서와 같이, 제1 방향에 대해 구부러진 형상을 가질 수 있다.

자기장 라인을 따르는 방향은 자기장 라인에 수직한 방향보다 자기장 라인에 더 평행한 방향으로 이해되어야 한다. 특히, 자기장 라인을 따르는 방향은 자기장 라인과 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있다.

본 발명 개념은, 초전도체 코일 내의 최대 허용 자속 밀도의 설계 제약 조건들을 고려하여, 거울 영역에서 자기장 라인을 따르는 방향으로 가늘고 긴 단면을 갖는 초전도체 코일을 배치함으로써 자기 거울 머신의 거울 영역들에서 최대 자속 밀도를 최대화할 수 있다는 깨달음에서 비롯된다.

차례로, 거울 영역들의 높은 자속 밀도는 자기 거울 머신에서 높은 거울비(mirror ratio), 즉, 거울 영역의 최대 자속 밀도와 자기 거울 머신의 중앙 영역의 자속 밀도 사이의 높은 비율을 허용할 수 있으며, 따라서, 손실콘(loss cone)의 크기를 줄이고 더 나은 플라즈마의 가둠을 허용할 수 있다.

거울 영역들의 높은 자속 밀도는 자기 거울 머신의 높은 총 자속을 허용할 수 있다.

따라서, 본 발명 개념을 통해, 초전도 코일들의 설계 제약 조건들을 고려하여, 거울 영역들의 자속 밀도를 최대화하는, 초전도체 코일들을 포함하는 자기 거울 머신들이 제공된다.

대안적으로 또는 추가적으로, 거울 영역들의 높은 자속 밀도는 자기 거울 머신의 중앙 영역의 자속 밀도와 반경의 높은 곱(product)을 허용할 수 있다.

상기 거울 영역을 향하는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트(perimeter segment)는 상기 주변 세그먼트의 외부에서 볼 때 볼록할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 주변 세그먼트는 거울 영역의 자기장 라인과 동일한 방향으로 구부러질 수 있다. 이것은 거울 영역들의 최대 자속 밀도를 더욱 최대화할 수 있다.

상기 거울 영역으로부터 멀리 있는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트는 상기 주변 세그먼트의 외부에서 볼 때 오목할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 주변 세그먼트는 거울 영역의 자기장 라인과 동일한 방향으로 구부러질 수 있다. 이것은 거울 영역들의 최대 자속 밀도를 더욱 최대화할 수 있다.

상기 거울 영역을 향하는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트는 상기 거울 영역으로부터 멀리 있는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트에 평행하게 진행될 수 있다. 이것은 거울 영역들의 최대 자속 밀도를 더욱 최대화할 수 있다.

복수의 초전도체 코일들은 동축으로 그리고 길이 방향으로 이격되어 배치되고, 각각은 동일한 방향으로 각각의 전류들을 전달하도록 배치될 수 있다. 이것은 본 발명 개념의 특히 유익한 적용이다.

복수의 초전도체 코일들은 제1 복수의 동심으로(concentrically) 배치되는 원형-루프(circular-loop) 초전도체 코일들을 포함하는 제1 자석 시스템 - 제 1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 초전도체 코일, 및 상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 초전도체 코일을 포함함 -; 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템 - 상기 제1 자석 시스템과 상기 제2 자석 시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면에 대하여, 상기 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -을 포함할 수 있다. 이것은 본 발명 개념의 다른 특히 유익한 적용이다.

복수의 초전도체 코일들은 상기 플라즈마 가둠 영역의 반경 방향(radially) 외부에 배치되는 제3 자석 시스템을 더 포함할 수 있고, 상기 제3 자석 시스템은 적어도 하나의 초전도체 원형-루프 코일을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 제1 양태의 자기 거울 머신을 포함하는 융합로(fusion reactor)가 제공된다. 이 양태는 일반적으로 제1 양태와 동일한 특징들 및 이점들을 나타낼 수 있다.

다른 양태에 따르면, 융합로에서 제1 양태의 자기 거울 머신의 사용이 제공된다. 이 양태는 일반적으로 제1 양태와 동일한 특징들 및 이점들을 나타낼 수 있다.

본 개시의 상기의 뿐만 아니라 부가적인 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예들에 대한 다음의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이며, 여기서, 동일한 참조 부호들이 유사한 요소들에 대해 사용될 것이다.
도 1a는 플라즈마 가둠 디바이스에 포함될 수 있는 제1 자석 시스템 및 제2 자석 시스템의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 제1 및 제2 자석 시스템들의 절개 사시도이다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b의 제1 및 제2 자석 시스템들의 평면 단면도이다.
도 2는 도 1a, 도 1b, 및 도 1c의 제1 및 제2 자석 시스템들에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도이다.
도 3a는 플라즈마 가둠 디바이스에 포함될 수 있는 제1 자석 시스템, 제2 자석 시스템, 및 제3 자석 시스템의 절개 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 제1, 제2, 및 제3 자석 시스템들의 평면 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b의 제1, 제2, 및 제3 자석 시스템들에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 플라즈마 가둠 디바이스들을 도시하는 절개 사시도들이다.
도 6, 도 7, 및 도 8은 플라즈마 가둠 디바이스의 절개 사시도들이다.
도 9는 기존의 직선 자기 거울 구성에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도이다.
도 10은 제1 및 제2 자석 시스템들에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도이다.
도 11은 제1, 제2, 및 제3 자석 시스템들에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도이다.
도 12는 제1, 제2, 및 제3 자석 시스템들에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도이며, 제1 자석 시스템 및 제2 자석 시스템의 각각의 코일들의 각각은 각각의 강자성 실드(shielding)에 내장되어 있다.
도 13은 제1, 제2, 및 제3 자석 시스템들에 의해 생성되는 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타내는 평면도이다.
도 14a 및 도 14b는 도 6, 도 7, 도 8, 및 도 13의 구성에서의 단일 입자 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.
도 15, 도 16, 및 도 17은 0.5, 1.5, 2.5의 v_Z/v_R 비율들에 대해 각각 1.5 m, 3.0 m, 및 4.5 m의 초기 반경 위치들을 갖는 시뮬레이션된 하전 입자 궤적들을 각각 나타낸다.
도 18; 도 19; 도 20; 도 21a, 도 21b; 도 22a, 도 22b; 도 23a, 도 23b는 각각의 자기 거울 머신들의 단면도들이다.

일반적으로 알려진 바와 같이, 플라즈마 가둠 디바이스들은 개방 자기장 라인들 또는 폐쇄 자기장 라인들을 기반으로 할 수 있다.

예를 들어, 폐쇄-필드-라인(closed-field-line) 구성은 토로이달(toroidal) 자기장으로 실현될 수 있다. 이러한 디바이스의 일 예로는 토카막(tokamak)이 있다.

기존에 알려진 바와 같이, 개방-필드 라인 플라즈마 가둠 디바이스들은 자기 미러링(mirroring)의 원리에 의해 작동할 수 있으며, 여기서, 플라즈마의 하전 입자들이 가둠 영역의 각각의 단부들에 있는 자속 밀도가 증가하는 영역들에서 반사된다.

플라즈마 가둠을 제공할 수 있는 것으로 인식되고 있지만, 개방-필드-라인 플라즈마 가둠 디바이스들은 자기장 라인들과 충분히 정렬되는 가속도 벡터들을 갖는 전하 입자들의 누출을 항상 가지고 있을 것이다. 보다 구체적으로, 자기장 라인들 주변의 하전 입자의 선회 스핀(gyration spin)의 나선형의(helix) 나선 피치 각도(spiral pitch angle)로 정의되는 손실콘 외부의 접근 각도들의 범위 내에서 모든 입자들에 대해 거울 효과가 발생할 것이다.

손실콘의 규모(extent)는 자기장 라인을 따르는, 거울 영역의 최대 자속 밀도 B_mirror와 자기 거울 머신의 중앙 영역의 최소 자속 밀도 B_central사이의 비율로 정의되는, 거울비 r_mirror에 의해 결정된다:

.

손실콘을 정의하는 각도는 다음과 같다:

따라서, 높은 거울비는 작은 손실콘을 유도할 것이며, 따라서, 필드 라인들과 가장 많이 정렬되는 속도들을 갖는 입자만이 빠져나갈 것이라는 것을 알 수 있다. 이와 반대로, 낮은 거울비는 더 큰 손실콘을 유도할 것이다.

본 개시의 전반에 걸쳐 초전도체 코일들은 해당 기술분야에 알려진 방법들, 재료들, 화합물들 등을 사용하여 제조 및 배치될 수 있다.

적합한 초전도체 재료들은 YBCO, Bi2223, 2212, Nb3SN, NbTi, 및/또는 MgB2를 포함할 수 있다.

본 개시의 전반에 걸쳐 초전도체 코일들은, 예를 들어, 소위 고온 초전도체 코일들일 수 있다.

해당 기술분야에 알려진 바와 같이, 초전도체 코일은 내부 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 초전도체 코일 내에서, 초전도 재료는 해당 기술분야에 일반적으로 알려진 방법들을 사용하여 필라멘트들(filaments), 스트랜드들(strands), 케이블들(cables), 로프들(ropes) 등으로 배치될 수 있다. 본 개시의 전반에 걸쳐 언급되는 코일의 단면은 이 내부 구조의 둘러싸는 엔벨로프(envelope)로 이해되어야 한다.

예를 들어, 본 개시의 전반에 걸쳐 초전도체 코일들은, 참조로서 여기에 포함되는, D Uglietti: A review of commercial high temperature superconducting materials for large magnets: from wires and tapes to cables and conductors, Supercond. Sci. Technol. 32 (2019) 053001 (29pp), https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab06a2에 자세히 설명된 바와 같은, 방법들, 재료들, 화합물들 등을 사용하여 제조 및 배치될 수 있다.

또한, 초전도체 코일들은 해당 기술분야에 일반적으로 알려진 방법들을 사용하여 냉각될 수 있다.

도 18은 자기 거울 머신(2100)의 단면도이다. 자기 거울 머신(2100)은 대칭 축(A)을 중심으로, 회전 대칭이거나, 적어도 실질적으로 회전 대칭이다.

자기 거울 머신(2100)은 플라즈마 가둠을 위해 사용될 수 있고, 통상적인 실드(2102), 예컨대, 해당 기술분야에 알려진 바와 같은, 중성자 실드(2102)를 포함할 수 있다. 특히, 자기 거울 머신(2100)은 융합로에 포함될 수 있고/거나 융합로에서 사용될 수 있다.

도 18로부터 명백한 바와 같이, 자기 거울 머신(2100)은 대칭 축(A)을 따라 길이 방향으로 배치되는 복수의 초전도체 코일들(104, 105)을 포함한다. 각 초전도체 코일(104, 105)은 도 18에서와 같이, 원형 루프로 배치될 수 있으며, 해당 기술분야에 알려진 바와 같이, 개방-필드-라인 플라즈마 가둠 영역(2106)을 생성하기 위해 직류를 전달하도록 배치될 수 있다.

따라서, 플라즈마 가둠 영역(2106)은 대칭 축(A)을 따라, 자기 거울 머신(2100)을 통해, 자기 거울 머신(2100)의 길이 방향으로 연장되며, 역시 길이 방향을 따라 진행하는 자기장 라인들(2112)을 갖는다.

도 18의 구성에서, 그 도면으로부터 명백한 바와 같이, 복수의 초전도체 코일들(2104, 2105)은 대칭 축(A)에 대해 도 18의 예에서 동축으로 배치된다. 또한, 초전도체 코일들은 대칭 축(A)에 대해 길이 방향으로 이격되어 있다. 또한, 자기 병(bottle) 어레인지먼트(arrangement)에서 일반적인 바와 같이, 각 초전도체 코일은 도 18에서 점들과 십자들로 표시된 바와 같이, 동일한 방향으로 각각의 전류들을 전달하도록 배치된다.

플라즈마 가둠 영역(2106)은 플라즈마 가둠 영역(2106)의 중앙 영역(2110)에 비해 증가되는 자속 밀도의 각각의 거울 영역(2108)에 의해 제한되는 두 개의 단부들의 각각에 있으며, 이는 각 거울 영역(2108) 및 중앙 영역(2110)의 자기장 라인 간격으로부터 명백하고 해당 기술분야에 알려진 바와 같다.

복수의 초전도체 코일들(2105, 2106)의 각각의 초전도체 코일(2105)은 각각의 거울 영역(2108)에 인접하게 위치된다. 실제로, 도 18의 예에서, 각각의 초전도체 코일(2105)은 각각의 거울 영역(2108)의 반경 방향 외부에 위치된다.

도 18로부터 명백한 바와 같이, 초전도체 코일(2106)은 상기 거울 영역을 통해 자기장 라인(2112)과 교차하는 평면에서, 도 18의 평면에 대응하여, 자기장 라인(2112)을 따르는 방향으로 가늘고 긴 형상을 갖는 단면을 갖는다.

대안적으로, 도 18로부터 또한 명백한 바와 같이, 이것은 초전도체 코일(2106)이 자기 거울 머신(2100)에 대해 길이 방향으로 가늘고 긴 단면을 갖고/거나 초전도체 코일(2106)이 대칭 축(A)을 따르는 방향으로 가늘고 긴 단면을 갖는 것으로 공식화될 수 있다.

도 2의 예에서, 단면은 자기장 라인(2112)을 따르는 방향 및/또는 자기 거울 머신(2100)의 길이 방향 및/또는 대칭 축(A)을 따르는 방향으로 그 방향에 수직한, 즉, 자기 거울 머신(2100)의 반경 방향의 치수의 약 두 배 크기의 치수를 갖는, 직사각형이다.

도 19는 다른 자기 거울 머신(2200)을 도시하고 있다. 자기 거울 머신(2200)은, 각각의 거울 영역(108)에 인접한 초전도체 코일들(2206)의 각각이 튜브-세그먼트-형 단면, 즉, 튜브의 일부로부터 형성된 것처럼 원형 세그먼트의 일반적인 형상을 갖는 것을 제외하고는, 도 1의 자기 거울 머신(2100)과 동일한 특징들을 갖는다.

따라서, 각 초전도체 코일(2105)의 단면은 거울 영역(2108)을 향하는 단면 영역의 주변 세그먼트(2307a)가 주변 세그먼트(2307a)의 외부에서 볼 때 볼록하도록 되어 있다.

더욱이, 거울 영역으로부터 멀리 있는 각 초전도체 코일(2306)의 단면 영역의 주변 세그먼트(2307b)는 주변 세그먼트(2307b)의 외부에서 볼 때 오목하다.

당연히, 이전의 두 개의 단락들에 따라, 볼록하고 오목한 주변 세그먼트들이 있는 둥근 세그먼트 경로를 따르지 않아도, 다른 곡선 단면들도 동일하게 가능하다.

또한, 도 19의 예에서, 거울 영역(2108)을 향하는 단면 영역의 주변 세그먼트(2307a)는 거울 영역으로부터 멀리 있는 단면 영역의 주변 세그먼트(2307b)에 평행하게 진행된다.

도 20은 본 발명 개념에 따른 것이 아니라, 본 발명 개념을 이해하는 데 유용한 예로서 제시되는 다른 자기 거울 머신(2300)을 도시하고 있다. 자기 거울 머신(2300)은, 각각의 거울 영역(2108)에 인접한 초전도체 코일들(2406)의 각각이 원형 단면을 갖는 것, 즉, 가늘고 길지 않은 것을 제외하고는, 도 1의 자기 거울 머신(2100)과 동일한 특징들을 갖는다.

도 18의 자기 거울 머신(2100), 도 19의 자기 거울 머신(2200), 도 20의 자기 거울 머신(2300)의 설계들을 평가하기 위해 자기장 시뮬레이션들이 수행되었다.

표 1은 다음과 같은 시뮬레이션들의 결과들을 나타낸다:

· B_coil은 거울 영역(2108)에 인접한 각 코일(2105) 내의 최대 자속 밀도이고,

· B_mirror는 거울 영역(2108)의 최대 자속이고,

· B_{central, outer}는 중앙 영역(110)의 반경 방향 최외각 엣지에서, 대칭 평면(P)에서의 자속 밀도이고,

· B_{central, avg}는 중앙 영역(110)을 통해 반경 방향으로 평균된, 대칭 평면(P)에서의 자속 밀도이며,

· R은 자기 거울 머신(2100, 2200, 2400)의 내측 반경이므로, 표 1의 마지막 줄은 B_{central, avg}와 R의 곱을 나타낸다.

머신	2300 (도 20)	2100 (도 18)	2200 (도 19)
B_coil (T)	23.0	23.1	23.1
B_mirror (T)	7.67	10.41	15.6
B_coil / B_mirror	3.00	2.22	1.48
B_{central,outer}(T)	1.90	1.89	2.08
B_mirror/ B_{central, outer}	4.03	5.5	7.50
B_{central, avg} x R	6.0	6.0	6.0

시뮬레이션들은 700 mm의 벽(2102) 두께, 3300 mm의 대칭 평면(P)에서의 초기 자기 거울 머신 내측 반경(R), 및 5000 mm의 대칭 평면(P)과 코일들(2105) 사이의 거리를 사용하여 수행되었다. 시뮬레이션들은 각 초전도체 코일 내의 일정한 전류 밀도를 가정하고, 거울 영역(2108)에 인접한 각 코일(2105) 내의 최대 자속 밀도가 각각의 초전도체 코일에 대한 항복(breakdown) 자속 밀도에 대한 일반적인 값인 대략 23 T를 초과하지 않아야 한다는 제약 조건으로 수행되었다.

또한, 각 자기 거울 머신의 반경은 대칭 평면(P)에서의 평균 자속 밀도(B_{central, avg})와 자기 거울 머신의 내측 반경(R)(따라서, 후자는 대칭 평면(P)에서 플라즈마 가둠 영역(1206)의 반경에 대략적으로 대응함)의 곱(B_{central, avg}x R)이 6.0 Tm로 고정되도록 변화되었다.

상술된 설계 제약 조건을 반영하는 표 1의 결과들에서, B_coil은 각 경우에 23 T에 가깝다. 자기장들의 선형 특성으로 인해, 현재 결과들은 결과들이 동일하게 유효한 23 T 이외의 다른 코일 최대 자속 밀도들로 쉽게 확장될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 자기 거울 머신(2200)의 가늘고 긴 단면은 도 20의 자기 거울 머신(2300)의 가늘고 길지 않은 원형의 코일(2105)과 비교하여, 코일에서 대략 23 T의 자속 밀도를 초과하지 않는 제약 조건을 고려하여, 거울 영역의 더 높은 자속 밀도(B_mirror)를 허용한다. 또한, 도 20의 자기 거울 머신(2400)의 코일(2105)의 튜브-세그먼트 단면은 도 19 및 도 18과 비교하여, 훨씬 더 높은 B_mirror를 허용한다.

중앙 영역의 자속 밀도(B_{central, outer})는 각 자기 거울 머신에서 거의 일정하게 유지된다. 따라서, 도 20과 비교하여 도 18 및 도 19의 증가된 B_mirror는 고정된 곱(B_{central, avg}x R)을 고려하여, 자기 거울 머신의 증가된 거울비(B_mirror/B_{central, outer})로 변환될 수 있다.

본 발명 개념은 복수의 초전도체 코일들은 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 초전도체 코일들을 포함하는 제1 자석 시스템 - 제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 초전도체 코일, 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 초전도체 코일을 포함함 -; 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템 - 제1 자석 시스템과 제2 자석 시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -을 포함하는 자기 거울 머신에 동일하게 적용 가능하며, 이들의 개념 및 이점들은 본 개시의 다른 부분에서 상세하게 설명된다.

도 21a 및 도 21b는 이러한 자기 거울 머신(3100)을 도시하고 있으며, 여기서, 도 21a는 자기 거울 머신(2200)의 단면도이고, 도 21b는 도 21a의 단일 사분면(quadrant)의 확대도이며, 회전 및 거울 대칭으로 인해 도 21a에 도시된 단면의 네 개의 사분면들 모두를 나타낸다.

자기 거울 머신(3100)은 대칭 축(A)을 중심으로, 회전 대칭이거나, 적어도 실질적으로 회전 대칭이다.

자기 거울 머신(3100)은 플라즈마 가둠을 위해 사용될 수 있고, 통상적인 실드(2102), 예컨대, 해당 기술분야에 알려진 바와 같은, 중성자 실드(2102)를 포함할 수 있다. 특히, 자기 거울 머신(2100)은 융합로에 포함될 수 있고/거나 융합로에서 사용될 수 있다.

도 21a로부터 명백한 바와 같이, 자기 거울 머신(3100)은 대칭 축(A)을 따라 길이 방향으로 배치되는 복수의 초전도체 코일들(2204, 2206a, 2206b)을 포함한다. 각 초전도체 코일(2204, 2206a, 2206b)은 도 21a/도 21b에서와 같이, 원형 루프로 배치될 수 있으며, 개방-필드-라인 플라즈마 가둠 영역(2106)을 생성하기 위해 각각 직류를 전달하도록 배치될 수 있다.

따라서, 플라즈마 가둠 영역(2106)은 대칭 축(A)을 따라, 자기 거울 머신(3100)을 통해, 길이 방향으로 연장되며, 역시 길이 방향으로 진행하는 플라즈마 가둠 영역(2106)의 자기장 라인들(2112)을 갖는다.

특히, 대칭 평면(P)의 위에 위치되는 초전도체 코일들(2206a 및 2206b)은 제1 자석 시스템을 구성하고, 여기서, 도 21b에 점들과 십자들로 표시된 바와 같이, 코일(2206a)은 제1 방향으로 직류를 전달하도록 배치되고, 코일(2206b)은 제2 반대 방향으로 직류를 전달하도록 배치된다.

또한, 대칭 평면(P)의 아래에 위치되는 초전도체 코일들(2206a 및 2206b)은 대칭 평면(P)에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치되는, 제2 자석 시스템을 구성하고, 따라서, 대칭 평면(P)은 제1 자석 시스템과 제2 자석 시스템의 사이에 위치된다.

이러한 배치를 통해, 본 개시의 다른 부분에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 환형 가둠 영역(2106)이 생성될 수 있다.

또한, 적어도 하나의 초전도체 코일, 일반적으로 복수의 초전도체 코일들을 포함하고, 도 21a 및 도 21b의 예에서는 두 개의 초전도체 코일들(2104)을 포함하는 제3 자석 시스템이 플라즈마 가둠 영역(2106)의 반경 방향 외부에 배치될 수 있다.

플라즈마 가둠 영역(2106)은 플라즈마 가둠 영역(2106)의 중앙 영역(2110)에 비해 증가되는 자속 밀도의 각각의 거울 영역(2108)에 의해 제한되는 두 개의 단부들의 각각에 있으며, 이는 각 거울 영역(2108) 및 중앙 영역(2100)의 자기장 라인 간격으로부터 명백한 바와 같다.

제1 자석 시스템 및 제 2 자석 시스템의 초전도체 코일들(2206a, 2206b)은 각각의 거울 영역(2108)에 인접하게 위치된다. 도 21a 및 도 21b의 예에서, 초전도체 코일들(2206a)은 각각의 거울 영역(2108)의 반경 방향 외부에 위치되고, 초전도체 코일들(2206b)은 각각의 거울 영역(2206a)의 반경 방향 내부에 위치된다.

도 21a 및 도 21b로부터 명백한 바와 같이, 제1 자석 시스템 및 제2 자석 시스템의 각 초전도체 코일(2206a, 2206b)은 상기 거울 영역을 통해 자기장 라인(2112)과 교차하는 평면에서, 도 21a/도 21b의 평면에 대응하여, 자기장 라인(2112)을 따르는 방향으로 가늘고 긴 형상을 갖는 단면을 갖는다. 도 21a 및 도 21b의 예에서, 단면은 자기장 라인(2112)을 따르는 방향으로 그 방향에 수직인 치수의 약 두 배 크기의 치수를 갖는, 초승달 형상이다.

따라서, 각각의 거울 영역(2108)에 인접한 초전도체 코일들(2206a, 2206b)의 각각은 초승달-형 단면을 갖는다. 특히, 각 초전도체 코일의 단면은 거울 영역(2108)을 향하는 단면 영역의 주변 세그먼트(2207a)가 주변 세그먼트(2207a)의 외부에서 볼 때 볼록하도록 되어 있다.

대안적으로, 도 21a 및 도 21b로부터 또한 명백한 바와 같이, 이것은 초전도체 코일(2206a, 2206b)이 자기 거울 머신(3100)에 대해 길이 방향으로 가늘고 긴 단면을 갖고/거나 초전도체 코일(2206a, 2206b)이 대칭 축(A)을 따르는 방향으로 가늘고 긴 단면을 갖는 것으로 공식화될 수 있다.

또한, 도 21a 및 도 21b의 예에 도시된 바와 같이, 거울 영역(2108)으로부터 멀리 있는 주변 세그먼트들(2207b)은 평평할 수 있다.

도 18에서와 같이 직사각형 단면과 같은 다른 가늘고 긴 단면들도 동일하게 가능하다.

도 22a 및 도 22b는 다른 자기 거울 머신(3200)을 도시하고 있다.

자기 거울 머신(3200)은, 각각의 거울 영역(108)에 인접한 초전도체 코일들(2206)의 각각이 튜브-세그먼트-형 단면, 즉, 튜브의 일부로부터 형성된 것처럼 원형 세그먼트의 일반적인 형상을 갖는 것을 제외하고는, 도 1의 자기 거울 머신(3100)과 동일한 특징들을 갖는다. 당연히, 둥근 세그먼트 경로를 따르지 않아도, 다른 곡선 단면들도 동일하게 가능하다.

따라서, 각 초전도체 코일의 단면은 거울 영역(2108)을 향하는 단면 영역의 주변 세그먼트(2207a)가 주변 세그먼트(2207a)의 외부에서 볼 때 볼록하도록 되어 있다.

더욱이, 거울 영역으로부터 멀리 있는 각 초전도체 코일(2306)의 단면 영역의 주변 세그먼트(2207b)는 주변 세그먼트(2207b)의 외부에서 볼 때 오목하다.

또한, 도 22a 및 도 22b의 예에서, 거울 영역(2108)을 향하는 단면 영역의 주변 세그먼트(2207a)는 거울 영역으로부터 멀리 있는 단면 영역의 주변 세그먼트(2207b)에 평행하게 진행된다.

도 23a 및 도 23b는 본 발명 개념에 따른 것이 아니라, 본 발명 개념을 이해하는 데 유용한 예로서 제시되는 다른 자기 거울 머신(2400)을 도시하고 있다. 자기 거울 머신(4200)은, 각각의 거울 영역(2108)에 인접한 초전도체 코일들(2206a, 2206b)의 각각이 원형 단면을 갖는 것, 즉, 가늘고 길지 않은 것을 제외하고는, 도 21a 및 도 21b의 자기 거울 머신(2100)과 동일한 특징들을 갖는다.

도 21a 및 도 21b의 자기 거울 머신(3100), 도 22a 및 도 22b의 자기 거울 머신(3200), 및 도 23a 및 도 23b의 자기 거울 머신(3300)의 설계들을 평가하기 위해 자기장 시뮬레이션들이 수행되었다.

표 2는 다음과 같은 시뮬레이션들의 결과들을 나타낸다:

· B_coil은 거울 영역(2108)에 인접한 각 코일(2206a, 2206b) 내의 최대 자속 밀도이고,

· B_mirror는 거울 영역(2108)의 최대 자속이고,

· B_{central, outer}는 대칭 평면(P), 즉, 중앙 영역(110)에서의 최대 자속 밀도이며,

· R은 자기 거울 머신(3100, 3200, 3300)의 내측 반경이므로, 표 1의 마지막 줄은 B_{central, avg}와 R의 곱을 나타낸다.

머신	3300 (도 23a/도 23b)	3100 (도 21a/도 21b)	3200 (도 22a/도 22b)
B_coil (T)	23.0	23.0	23.0
B_mirror (T)	8.12	14.05	15.30
B_coil / B_mirror	2.83	1.66	1.50
B_{central,outer} (T)	1.12	1.82	2.01
B_mirror/ B_{central,outer}	7.28	7.77	7.66
B_central,avg x R	3.40	5.58	6.31

시뮬레이션들은 700 mm의 벽(2102) 두께, 3300 mm의 대칭 평면(P)에서의 자기 거울 머신 내측 반경(R), 및 5000 mm의 대칭 평면(P)과 코일들(2206a, 2206b) 사이의 거리를 사용하여 수행되었다. 시뮬레이션들은 초전도체 코일 내의 일정한 전류 밀도를 가정하고, 거울 영역(2108)에 인접한 각 코일(2105) 내의 최대 자속 밀도가 각각의 초전도체 코일에 대한 항복 자속 밀도에 대한 일반적인 값인 대략 23 T를 초과하지 않아야 한다는 제약 조건으로 수행되었다.

또한, 각 자기 거울 머신의 반경은 B_coil/B_mirror 비율이 최대가 되도록 변화되었으며, 이는 상수 B_coil로 인해 B_mirror를 최대화하는 것과 동일하다.

상기의 설계 제약 조건을 반영한 표 2의 결과들에서, B_coil은 각 경우에 23.0 T이다. 자기장들의 선형 특성으로 인해, 현재 결과들은 결과들이 동일하게 유효한 23.0 T 이외의 다른 코일 최대 자속 밀도들로 쉽게 확장될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 자기 거울 머신(3100)의 가늘고 긴 초승달-형 코일 단면들은 도 23a/도 23 b의 자기 거울 머신(3300)의 가늘고 길지 않은 원형의 코일(2206a, 2206b)과 비교하여, 코일에서 대략 23 T의 자속 밀도를 초과하지 않는 제약 조건을 고려하여, 거울 영역의 더 높은 자속 밀도(B_mirror)를 허용한다. 또한, 도 22a 및 도 22b의 자기 거울 머신(3200)의 코일들(2206a, 2206b)의 튜브-세그먼트 단면은 도 23a/도 23b 및 도 21a/도 21 b와 비교하여, 훨씬 더 높은 B_mirror를 허용한다.

따라서, 현재 최적화에서, 중앙 영역의 자속 밀도(B_{central, outer})는 약 7 - 8 T로 유지되는 반면, 튜브-세그먼트 단면들은 상당히 증가된 곱(B_{central, avg}R)을 허용한다.

이상에서는 발명 개념이 예시적인 실시예들을 중심으로 설명되었다. 그러나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 쉽게 이해되는 바와 같이, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의되는, 발명 개념의 범위 내에서 상술된 것들 이외의 다른 실시예들도 동일하게 가능하다. 특히, 여기에서 구체적으로 설명된 것들 이외의 다른 가늘고 긴 단면들도 청구범위의 범위 내에서 동일하게 가능하다. 특히, 도 21a 및 도 21b의 것과 같은 초승달-형 단면들은, 예를 들어, 도 18의 것과 같은 병-타입 자기 거울 머신들에 동일하게 적용 가능하며, 도 18의 것과 같은 직사각형 단면들은, 예를 들어, 도 21a 및 도 21b의 자기 거울 머신에 동일하게 적용 가능하다.

본 개시의 나머지 부분은 플라즈마 디바이스 및 플라즈마 가둠 방법에 관한 것이다.

플라즈마 가둠을 위한 몇 가지 상이한 알려진 자기 구성들이 있다.

플라즈마 가둠은 플라즈마의 하전 입자들을 가두는 것을 포함한다. 또한, 가두어진 플라즈마의 안정성에 유리한 다양한 속성들이 바람직할 수 있다.

잘 알려진 디자인은 자기 거울이다. 그 안에서, 입자들은 자기장 라인들을 따라가며, 디바이스의 양 단부들에서 자속 밀도가 증가하는 영역들에서 반사된다. 실험적으로 입증된 바와 같이, 플라즈마 가둠이 가능하지만, 이는 다양한 플라즈마 불안정성 문제들과 관련이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해, 테니스 공을 닮은 “미니멈 비(Minimum B)”또는 “비코닉 커스프(Biconic Cusp)”와 같은 다양한 나선형 비회전 대칭 기하학적 구조들이 선행 기술들에서 제안되었다.

다른 잘 알려진 디자인은 토카막이다. 토카막은 가둠을 위해 토로이달, 즉, 도넛 모양의, 자장을 사용한다. 토카막 역시 전하 분리(charge separation)와 같은 다양한 플라즈마 안정성 문제들과 관련이 있다.

본 개시의 목적은, 특히, 융합로들에의 사용을 위한, 개선된 플라즈마 가둠 디바이스 및 방법을 제공하는 것이다.

이를 위해, 제1 양태에 따르면, 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들- 제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 코일 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 코일을 포함함 -을 포함하는 제1 자석 시스템, 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템- 제1 자석시스템과 제2 자석시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -을 포함하고, 대칭 평면에서 대칭 평면에 수직인 자기장으로 대칭 평면에 환형 플라즈마 가둠 영역을 생성하는, 플라즈마 가둠 디바이스가 제공된다.

환형 플라즈마 가둠 영역은, 예컨대, 도넛형 또는 디스크형 토폴로지(topology)를 갖는 경우들을 포함하여, 플라즈마의 하전 입자들이 가두어지는 회전 대칭 영역으로 이해되어야 한다.

이로써, 결과적인 자기장 구성은 개방-필드-라인 자기 거울 구성에서 정적(static) 축 방향(axial) 및 반경 방향(radial) 필드들을 사용하여 하전 입자들을 가둘 수 있다.

제1 자석 시스템 및 제2 자석 시스템의 각각에서, 제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 코일 및 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 코일을 갖는 어레인지먼트는 대칭 평면 근처에서 상대적으로 더 낮은 자속 밀도를 유지하면서, 제1 코일과 제2 코일 사이에 높은 자속 밀도 영역의 생성을 허용한다. 기존의 자기 거울 어레인지먼트와 비교하여, 이는 증가된 거울비를 허용하여, 손실콘의 크기를 줄이고 더 나은 플라즈마 가둠을 허용한다.

더욱이, 토카막과 비교하여, 플라즈마를 가둘 때, 전하 분리 효과들이 방지될 수 있으며, 여기서, 플라즈마의 안정성을 위해, 유도되는 플라즈마 전류가 필요하지 않을 수 있다. 결과적인 준정적(quasi-static) 플라즈마에 의해, 즉, 전체(global) 플라즈마 전류 없이, 차례로 자기유체역학적(magnetohydrodynamic) 불안정성을 피할 수 있다. 또한, 융합로는 전류 램핑(current ramping) 없이 연속(정상) 상태로 작동하도록 허용될 수 있다.

또한, 결과적인 자기장 구성은 플라즈마를 가열하는 복잡하지 않은 방식을 허용할 수 있다.

예를 들어, 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들은 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들과 동일하게 설계될 수 있다. 이는 원하는 자기장 구성을 달성하는 특히 간단한 방식이다.

디바이스는 플라즈마 가둠 영역의 반경 방향 외부에 배치되는 제3 자석 시스템을 더 포함할 수 있고, 제3 자석 시스템은 적어도 하나의 원형-루프 코일을 포함할 수 있다.

이로써, 엄격하게 반경 방향으로 증가하는 자기장의 배치가 가능하며, 이는 가두어진 플라즈마의 안정성에 대해 유리할 수 있으며, 기존의 자기 거울에서 더 개선될 수 있다.

또한, 제3 자석 시스템을 갖는 어레인지먼트는 전체 플라즈마 가둠 영역에 오목한 자기장을 배치하는 것을 허용할 수 있으며, 이는 가두어진 플라즈마의 안정성에 대해 유리할 수 있다.

따라서, 높은 거울비를 갖고 플라즈마 안정성에 유리한 속성들을 갖는 회전 대칭 개방-필드-라인 플라즈마 가둠 디바이스가 제공될 수 있다.

더욱이, 제3 자석 시스템은 제3 자석 시스템의 원형-루프 코일의 전류 조절에 의해 가두어진 플라즈마를 제어하는 것을 허용할 수 있다.

제3 자석 시스템은 제1 자석 시스템과 대칭 평면의 동일한 측에 배치되는 제1 코일, 및 대칭 평면의 반대되는 측에 배치되는 제2 코일을 포함할 수 있고, 여기서, 제2 코일은 제1 코일에 대해 거울 대칭으로 배치될 수 있다.

제1 자석 시스템의 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들 및 제2 자석 시스템의 제2 복수의 동심으로 배치되는 코일들은 각각의 강자성(ferromagnetic) 구조들에 각각 내장될 수 있다. 이는 강자성 재료의 상대적으로 더 높은 투자율(permeability)을 통해 자속을 증가시켜, 더 강한 자기장을 유도하고, 이로써, 주어진 코일 전류에 대해, 더 나은 가둠을 유도한다.

선택적으로, 상기 강자성 구조는 상기 대칭 평면을 향하는 방향으로 각각의 상기 복수의 코일들 중 적어도 하나의 코일을 덮지 않는다. 이는 대칭 평면에서 멀어지는 방향으로 자속을 차폐하고, 대칭 평면을 향하는, 즉, 플라즈마를 향하는, 방향으로 자속을 유도한다. 이로써, 주어진 코일 전류에 대해, 보다 효율적인 차폐가 달성된다.

상기 강자성 구조는 강자성 스틸(ferromagnetic steel)일 수 있다.

제1 양태에 따른 디바이스는 플라즈마를 가두기 위해 사용될 수 있다.

제1 양태에 따른 디바이스는 융합로에서 사용될 수 있다.

제2 양태에 따르면, 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들- 제1 방향으로 전류를 전달하는 제1 코일 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하는 제2 코일 -을 포함하는 제1 자석 시스템; 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템- 제1 자석 시스템과 제2 자석 시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 전류들을 전달함 -에서, 대칭 평면에 수직인 자기장으로 대칭 평면에 환형 플라즈마 가둠 영역을 생성하는 단계를 포함하는, 플라즈마 가둠 방법이 제공된다.

이러한 제2 양태의 실시예들 및 이점들은 일반적으로 제1 실시예의 것과 유사하거나 동일할 수 있다.

방법은 플라즈마 가둠 영역의 반경 방향으로 외부에 배치되는 제3 자석 시스템의 전류 조절에 의해 가두어진 플라즈마를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

제어하는 단계는 플라즈마 가둠 영역의 반경을 변경시키는 단계를 포함할 수 있고, 이로써, 차례로, 플라즈마의 반경을 변경시킬 수 있다.

방법은 플라즈마 가둠 영역의 반경 방향 외부 또는 플라즈마 가둠 영역의 반경 방향 내부의 영역에 이온 빔을 삽입하고, 이온 빔으로부터의 이온들이 플라즈마 가둠 영역 내로 드리프트하도록(to drift) 함으로써, 플라즈마를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

기존의 솔루션들- 예컨대, 플라즈마를 가두기 위해 생성되는 자기장이 플라즈마의 외부로부터 오는 이온들도 편향시키고, 자기장을 통과한 다음 플라즈마의 내부에서 한 번만 이온화되는 중성 빔들을 사용하여 가열이 수행될 필요가 있는, 토카막들 또는 유사한 디바이스들 -과 대조적으로, 여기에서는, 고-에너지(high-energy) 이온들이 편리하고 간단하게 가두어진 플라즈마에 추가되거나, 융합 조건을 생성하기 위해 플라즈마의 초기 가열을 위해 제공될 수 있는 데, 이는 본 자기장 구성이 이온들을 편향시키기 보다는 플라즈마 가둠 영역 내로 끌어당길 수 있기 때문이다. 이는 덜 복잡한 절차로 이어질 수 있으며, 입자 손실들을 더욱 줄일 수 있다.

제3 양태에 따르면, 제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 코일, 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 코일을 포함하는 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제1 자석 시스템; 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템- 제1 자석 시스템과 제2 자석 시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -을 포함하고, 대칭 평면에서 대칭 평면에 수직인 자기장으로 대칭 평면에 환형 입자 가둠 영역을 생성하는, 자기 거울 머신 및/또는 입자 가둠 디바이스가 제공된다.

다른 양태들과 관련하여 그리고 본 개시 전체에 걸쳐 논의되는 실시예들 및 이점들은 이러한 제3 양태와 양립 가능하다.

제4 양태에 따르면, 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들- 제1 방향으로 전류를 전달하는 제1 코일 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하는 제2 코일 -을 포함하는 제1 자석 시스템; 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템-제1 자석 시스템과 제2 자석 시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 전류들을 전달함 -에서, 대칭 평면에 수직인 자기장으로 대칭 평면에 환형 입자 가둠 영역을 생성하는 단계를 포함하는, 하전 입자들을 가두는 방법이 제공된다.

예를 들어, 폐쇄-필드 라인 디바이스들은 토로이달 자기장을 가질 수 있다. 이러한 디바이스의 일 예로는 토카막이 있다.

폐쇄-필드-라인 디바이스들은 입자들이 필드 라인들을 따라갈 것이기 때문에, 잠재적으로 플라즈마 입자들을 누출없이 가둘 수 있지만, 전하 분리 및 자기유체역학적(magneto-hydrodynamic; MHD) 효과들로 인한 ExB 드리프트와 같은 다른 문제들이 플라즈마를 빠져나가게 할 수 있다. 시스템에 펄스를 가하여 정상-상태(steady-state) 작동을 허용하지 않는 것과 같이 헬륨 재(helium ash)를 제거하기 위한 특별한 조치들이 취해질 필요가 있다.

토로이달 필드의 한 가지 주요 문제는 전하 분리에 의해 야기되는 ExB 드리프트로 인해 이온들이 가둠을 탈출한다는 것이다.

토카막에서, 이 문제는 플라즈마에 전류를 유도함으로써 해결될 수 있으며, 여기서, 전류는 폴로이달(poloidal) 필드를 생성할 것이다. 이로 인해, 폴로이달 또는 토로이달 필드들이 함께 꼬인(twisted) 자기장을 구성하는 토러스(torus)를 따라 자기장이 꼬이게 된다. 이는 ExB 드리프트를 완화하지만, 내부 자기 코일의 전류가 위로 램핑하는 경우에만 플라즈마가 가두어질 것이라는, 즉, 정상 상태로 작동할 수 없다는, 추가적인 문제를 야기한다.

또한, 플라즈마 전류는 킹크(Kink) 불안정성들과 같은 자기유체역학적 효과들와 관련된 여러 불안정성들을 초래할 것이다. 이는 반응로 용기(reactor vessel) 주변의 다양한 보상 코일들에 의해 해결될 수 있지만, 플라즈마의 기본 특성들은 큰 자기유체역학적 효과로 인해 여전히 불안정할 것이다.

기존에 알려진 바와 같이, 개방-필드-라인 플라즈마 가둠 디바이스들은 자기 미러링의 원리에 의해 작동할 수 있으며, 여기서, 플라즈마의 하전 입자들이 가둠 영역의 각각의 단부들에서 자속 밀도가 증가하는 영역들에서 반사된다. 이러한 머신들은 정상-상태 작동이 가능하고, 일반적으로 전하 분리를 갖는 문제들이 적으며 헬륨 재들의 더 쉬운 처리를 허용할 수 있다.

플라즈마 가둠을 제공할 수 있는 것으로 인식되고 있지만, 개방 필드-라인 플라즈마 가둠 디바이스들은 자기장 라인들과 충분히 정렬되는 가속도 벡터들을 갖는 전하 입자들의 누출을 항상 가지고 있을 것이다. 보다 구체적으로, 자기장 라인들 주변의 하전 입자의 선회 스핀의 나선형의 나선 피치 각도로 정의되는 손실콘 외부의 접근 각도들의 범위 내에서 모든 입자들에 대해 거울 효과가 발생할 것이다.

손실콘의 규모(extent)는 자기장 라인을 따르는 최대 B_max 및 최소 B_min 자속 밀도 사이의 비율로 정의되는, 거울비 r_mirror에 의해 결정된다:

.

손실콘을 정의하는 각도는 다음과 같다:

.

가두어진 플라즈마의 자기유체역학적 안정성과 관련된, 플라즈마 가둠 디바이스의 자기장 라인들의, 문헌에서 알려진, 제1 속성은 오목한 자기장, 즉, 플라즈마 가둠 영역 및 가두어진 플라즈마의 외부에서 볼 때 오목한 자기장 라인들을 갖는 자기장이다.

가두어진 플라즈마의 자기유체역학적 안정성과 관련된, 플라즈마 가둠 디바이스의 자기장 라인들의, 문헌에서 알려진, 제2 속성은 반경 방향으로 엄격하게 증가하는 자기장이다.

도 1a, 도 1b, 및 도 1c는 플라즈마 가둠 디바이스(도 5a 및 도 5b 참조)에 포함될 수 있는 제1 자석 시스템(1) 및 제2 자석 시스템(2)을 도시하고 있다.

제1 자석 시스템(1)은 대칭 축(A)의 주위에 배치되는 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들, 예컨대, 도시된 바와 같은, 제1 내부 코일(11) 및 내부 코일(11)의 반경 방향 외부에 동심으로 배치되는 제2 외부 코일(12)을 포함한다.

또한, 제1 자석 시스템(1)은 마찬가지로 축(A)의 주위에 동심으로 배치되지만 제1 자석 시스템에 대해 수직으로 변위되는 제2 복수의 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템(2)을 포함한다. 제2 자석 시스템은, 예컨대, 도시된 바와 같은, 제1 내부 코일(21) 및 내부 코일(21)에 동심으로 그리고 내부 코일(21)의 반경 방향 외부에 배치되는 제2 외부 코일(22)을 포함할 수 있다.

도 1c는 대칭 축(A)을 통한 단면 평면에서 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)을 통한 단면도를 도시하고 있다.

제2 자석 시스템(2)의 코일들(21, 22)은 대칭 평면(P)에 대하여, 제1 자석 시스템(1)의 코일들(11, 12)에 대해 거울 대칭으로 배치되며, 대칭 평면(P)은 제1 자석 시스템(1) 및 제2 자석 시스템(2)의 각각에 대해 동일한 거리에 있다.

본 개시의 전체에 걸쳐, 축(A) 및 대칭 평면(P)에 대한 좌표계들 및 방향들이 참조될 수 있다. 특히, 좌표들 및 방향들은 각각이 대칭 축(A)과 대칭 평면(P)의 교차점을 원점으로 하는 원통 좌표계 또는 직교 좌표계를 참조하여 설명될 수 있다.

“x, y, z”, “X, Y, Z”, “A, B, C”등으로 지칭되는 좌표들을 갖는 직교 좌표계는 처음 두 좌표 축들 “x, y”, “X, Y”, “A, B” 등은 대칭 평면(P)에 놓여 있고, 세 번째 좌표 축 “z”, “Z”, “C” 등은 대칭 축(A)을 따라 원점에서 위쪽의 양의 방향으로 연장되는 것(도 1 내지 도 5 참조)으로 이해되어야 한다.

공간 좌표들에 대한 단위들이 개시되지 않는 경우, 미터 또는 도 단위들이 암시된다. 시간의 단위가 개시되지 않는 경우, 초 단위가 암시된다.

원통 좌표계는 대칭축(A)과 대칭 평면(P)의 교차점에서 원점으로부터 연장되는 반경(radial) 방향 및 좌표(“R”, “r” 등), 대칭 축(A)을 중심으로 회전 각도로서 측정되는 방위(azimuth) 방향 및 좌표(“phi”, “Phi”등), 및 대칭 축(A)을 따라 위쪽으로 원점에서 양의 방향으로 연장되는 축(axial) 방향 및 좌표(“z”, “Z”, “C”등)을 갖는 것으로 이해되어야 한다. 방위 방향에 대한 양의 방향은 양의 축 방향에 대한 오른손 법칙을 따른다.

또한, 본 개시의 전체에 걸쳐, 도 2, 도 4a, 도 4b, 도 9, 도 10, 도 11, 및 도 12를 포함하여, 시뮬레이션된 자기장(자속 밀도) 라인들, 즉, 동일한 자기 포텐셜(potential) 라인들을 나타내는 도면들이 참조될 것이다. 여기에 개시되는 자석 시스템들의 대칭 속성들로 인해, 이러한 사분면의 자기장 속성들은, 즉, 대칭 평면(P)에 대한 거울 대칭 및 축(A) 주위의 회전 대칭으로 인해, 전체로서 필드 구성을 설명하기에 충분하다. 따라서, 사분면을 나타내는 도면은 언급된 대칭 속성들에 따라, 네 개의 사분면들 모두에서 필드 및 자석 시스템 구성을 개시하는 것으로 해석되어야 한다. 더욱이, 회전 대칭으로 인해, 도면은 3차원 자기장들 및 자석 시스템들을 개시하는 것으로 해석되어야 한다.

여전히 도 1c를 참조하면, 제1 자석 시스템(1)의 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들(11, 12)은, 도시된 바와 같이, 거울 대칭을 고려하여, 제2 자석 시스템(2)의 제2 복수의 동심으로 배치되는 코일들(21, 22)과 동일하게 설계될 수 있다.

도 1c는 플라즈마 가둠 디바이스(도 5a 및 도 5b 참조)에 사용되는 것과 같은 제1 자석 시스템 및 제2 자석 시스템의 작동 동안의 코일 전류 방향들을 추가로 도시하고 있다.

제1 자석 시스템(1)에서, 내부 코일(11)의 전류는 도 1c의 우측에 있는 단면 평면(십자로 표시됨)으로 들어가서 도 1c의 좌측에 있는 단면 평면(점이 있는 원으로 표시됨)을 나오는 방향으로, 즉, 제1 자석 시스템의 위에서 볼 때 반시계 방향으로, 흐르도록 구성된다. 이와 반대로, 외부 코일(12)의 전류는 도 1c의 우측에 있는 단면 평면(점이 있는 원으로 표시됨)을 나와서 도 1c의 좌측에 있는 단면 평면(십자로 표시됨)으로 들어가는 방향으로, 즉, 제 1 자석 시스템의 위에서 볼 때 시계 방향으로, 흐르도록 구성된다.

따라서, 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들은 제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 코일(11) 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 코일(12)을 포함한다.

이와 유사하게, 대칭 평면(P)에 대한 거울 대칭을 고려하여, 제2 자석 시스템(2)에서, 내부 코일(21)의 전류는 도 1c의 우측에 있는 단면 평면(십자로 표시됨)으로 들어가서 도 1c의 좌측에 있는 단면 평면(점이 있는 원으로 표시됨)을 나오는 방향, 즉, 제1 자석 시스템의 위에서 볼 때 반시계 방향으로, 흐르도록 구성되며, 외부 코일(22)의 전류는 도 1c의 우측에 있는 단면 평면(점이 있는 원으로 표시됨)을 나와서 도 1c의 좌측에 있는 단면 평면(십자로 표시됨)으로 들어가는 방향으로, 즉, 제1 자석 시스템의 위에서 볼 때 시계 방향으로, 흐르도록 구성된다.

따라서, 작동 중인 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)과 함께, 제2 자석 시스템(2)의 전류들은 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 사이에 위치되는 대칭 평면(P)에 대하여, 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치된다.

대칭 평면(P)에서, 자기장(자속 밀도) 벡터(B)를 나타내는 벡터 화살표(202)로 도시된 바와 같이, 제1 자석 시스템(1) 및 제2 자석 시스템(2)에서의 전류들의 거울 대칭 구성은 대칭 평면(P)에서, 대칭 평면(P)에 수직인 자기장을 생성한다. 대략적인 점선 타원으로 표시되는 환형의, 전형적으로 토로이드 형상(toroid-shaped)의, 플라즈마 가둠 영역(206)(도 2, 도 5a 및 도 5b 참조)이 더 후술되는 바와 같이, 대칭 평면(P)에 형성된다.

따라서, 달리 표현하면, 플라즈마 가둠 디바이스는 축 방향으로 서로 마주하는 두 개의 디스크형 자석 시스템들(1, 2)을 포함할 수 있으며, 그 사이에 플라즈마가 가두어질 수 있는 공간이 있다. 각 자석 시스템(1, 2)은 적어도 두 개의 코일들(11, 12, 21, 22)을 갖고, 여기서, 전류 방향과 크기가 대칭 평면(P)에서 수직 자기장 경계 조건을 생성한다.

또한, 여전히 도 1a, 도 1b, 및 도 1c를 참조하면, 제1 자석 시스템(1)의 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들(11, 12) 및 제2 자석 시스템(2)의 제2 복수의 동심으로 배치되는 코일들(21, 22)은 각각의 코어 구조들(204)에 각각 내장되며, 이는 강자성 스틸과 같은 강자성 재료로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 코어 구조(204)는 비강자성 스틸과 같은 비강자성 재료로 이루어질 수 있다.

선택적으로, 도시된 바와 같이, 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 각각의 코어 구조들(204)은 대칭 평면(P)을 향하는 방향으로 각각의 복수의 코일들 중 적어도 하나의 코일(모든 코일들로 도시됨)을 덮지 않지만, 다른 모든 방향들에서 각각의 코일들(11, 12, 21, 22)을 덮는다.

비교를 위해, 도 9는 두 개의 코일들, 즉, 각 반구에 단일 코일(1600)을 포함하는 직선 자석 거울 구성의 시뮬레이션된 자기장 라인들을 나타낸다. 이러한 직선 자기 거울(“병”) 구성에 대해 전형적으로, 자기장은 대칭 평면(P) 근처에서 상대적으로 낮은 자속 밀도의 구역(1602)을 표시하고 코일(1600) 근처에서 상대적으로 높은 자속 밀도의 구역(1604)을 표시하여, 상술된 바와 같이, 자기 반사의 원리에 기반하여, 하전 입자들을 위한 가둠 영역(206)을 생성한다. 더욱이, 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에서, 즉, 도 9의 우측에서, 볼 때, 대칭 평면 근처에서 상대적으로 큰 구역은 볼록한 자기장 라인들을 표시하는 한편, 코일(1600)에 가까운 더 작은 구역은 오목한 자기장 라인들을 표시하고, 전자는 상술된 제1 속성에 따라 불리하고, 후자는 유리하다. 또한, 대칭 평면(P)에서, 자속 밀도는 반경이 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다.

개시되는 자석 시스템 구성들은 대칭 평면(P)을 직각으로 교차하는 자기장 라인들에 의해 명백한 바와 같이, 대칭 평면(P) 전체에 걸쳐 대칭 평면(P)에 수직인 자기장을 만든다. 도 2는, 도 1c와 마찬가지로, 축(A)을 통한 단면 평면의 자기장 라인들을 나타낸다. 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 회전 대칭으로 인해, 자기장 구성도 회전 대칭이며, 따라서, 도 2는 이러한 단면 평면을 대표하므로 전체 필드 구성을 나타낸다. 특히, 자기장은, 토로이달 성분을 갖지 않는다, 즉, 상술된 방위 방향인 도 2의 단면 평면에 들어가거나 그에서 나오는 방향이다. 다시 말해서, 자기장 벡터는 축(A)을 통한 임의의 이러한 단면 평면을 위한 단면 평면에 있다. 도 9 내지 도 13의 구성들에 대해 동일하게 적용된다.

도 2에서, 도 1a, 도 1b, 및 도 1c와 관련하여 상술된 제1 자석 시스템(1) 및 제2 자석 시스템(2)에서의 전류들의 거울 대칭 구성으로 인한 자기장 라인들이 도시되어 있다. 결과적인 자기장 구성은 다시 대략적인 점선 타원으로 표시되는 환형 가둠 영역(206)을 초래하며, 여기에서, 플라즈마의 이온들이 가두어질 수 있다. 플라즈마 가둠 영역은, 시뮬레이션들에 의해 확인된 바와 같이, 내부 반경과 외부 반경 사이에서 반경 반향으로 제한된다. 플라즈마 가둠 디바이스에 가두어진 플라즈마 이온들은, 대칭면(P)의 플라즈마 가둠 영역(206)에서, 그 평면에 수직인 자기장으로 인해 그 평면에서 원형 선회 운동을 수행할 것이다. 상술된 바와 같이, 토로이달 필드는 존재하지 않는다. 따라서, 토로이달 자기장 성분이 없으면, 대칭 평면(P)에서 이온들에 축 방향 로렌츠(Lorentz) 힘이 없을 것이다. 대칭 평면에서 축 방향으로 멀어지면서, 로렌츠 힘이 대칭 평면을 향해 이온을 밀어내어, 대칭 평면에 이온을 가둘 수 있다.

플라즈마가 토로이달 및 폴로이달 필드들로 가두어지는 토카막에서의 상황과 달리, 본 개시에 따른 가둠 영역은 축 방향(축(A)에 평행함) 및 반경 방향 필드들로 플라즈마를 가둔다.

도 10은 제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 코일(11), 및 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 코일(12)(도 1c 참조)을 포함하는 제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제1 자석 시스템(1); 및 제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템(도시되지 않음)- 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 사이에 위치되는 대칭 평면(P)에 대하여, 상기 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -이 배치되는 플라즈마 가둠 디바이스에 포함될 수 있는 다른 구성을 다시 도시하고 있다. 도 9의 직선 자기 거울과 마찬가지로, 하전 임자들을 위한 가둠 영역, 즉, 플라즈마 가둠 영역(206)은 대칭 평면에서 대칭 평면에 수직인 자기장으로 대칭 평면(P)에 있는다.

도 9와 함께 상술된 바와 마찬가지로, 도 10에 도시되고 또한 도 2에서 명백한 바와 같이, 제1 자석 시스템의 코일들(11, 12)과 제2 자석 시스템(2)의 기하학적 구조들, 및 그 내부에서 전달되는 전류들에 대한 적절한 선택을 통해, 대칭 평면(P) 근처에서 상대적으로 낮은 자속 밀도의 구역(1602)을 표시하고 코일들(11, 12) 근처에서 상대적으로 높은 자속 밀도의 구역(106)을 표시하여, 자기 반서의 원리에 기반하여, 하전 입자들을 위한 가둠 영역(206)을 생성하는 필드 구성을 달성하는 것이 가능하다.

더욱이, 도 10(및 도 2)을 도 9와 비교함으로써 명백한 바와 같이, 코일들의 기하학적 구조 및 그 내부에서 흐르는 전류들에 대한 적절한 선택은 코일들(11, 12) 근처에서 상대적으로 높은 자식 밀도의 구역(1604)의 상당히 증가된 자속 밀도를 허용한다. 이는 더 높은 거울비를 제공하여, 감소된 손실콘으로 인해, 플라즈마에서 하전 입자들의 가둠을 개선할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 플라즈마 가둠 디바이스(도 5a 및 도 5b 참조)에 포함될 수 있는 제1 자석 시스템(1), 제2 자석 시스템(2), 및 제3자석 시스템을 도시하고 있다. 아래에서 구체적으로 언급되지 않는 한, 도 3a, 도 3b, 및 도 4의 자석 시스템들은 도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 2와 함께 상술된 제1 자석 시스템 및 제2 자석 시스템과 동일한 특징들 및 특성들을 갖는다. 제3 자석 시스템(3)은 축(A)에 대해, 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에 배치된다.

또한, 제3 자석 시스템(3)은, 도시된 바와 같이, 축(A)에 대해, 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 반경 방향 외부에 위치될 수 있다.

제3 자석 시스템(3)은 적어도 하나의 원형-루프 코일, 예컨대, 도시된 바와 같은, 제1 자석 시스템과 대칭 평면(P)의 동일하 측에 배치되는 제1 원형-코일 루프 코일(31) 및 대칭 평면(P)의 반대되는 측에 배치되는 제2 원형-코일 루프(32)를 포함하고, 여기서, 제2 코일(32)은 제1 코일(21)에 대해 거울 대칭으로 배치된다. 특히, 도 3b를 참조하면, 제1 코일(31)과 제2 코일(32)의 각각은, 작동 중인 자석 시스템에서, 도 3b의 좌측에 있는 단면 평면(십자로 표시됨)으로 들어가서 도 3c의 우측에 있는 단면 평면(점이 있는 원으로 표시됨)을 나오는 방향, 즉, 제1 자석 시스템의 위에서 볼 때 시계 방향으로, 흐르도록 구성되는 전류를 갖는다.

결과적으로 시뮬레이션된 자기장 라인들이 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 자기장 구성은 도 2의 것과 유사하다. 특히, 도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 2와 함께 상술된 바와 마찬가지로, 환형 플라즈마 가둠 영역(206)이 형성된다. 도 4b는 도 4a의 사분면을 클로즈업하여 도시하고 있다. 자석 시스템들의 대칭 속성들로 인해, 이러한 사분면의 자기장 속성들은, 즉, 대칭 평면(P)에 대한 거울 대칭 및 축(A) 주위의 회전 대칭으로 인해, 전체로서 필드 구성을 설명하기에 충분하다.

도 11은 플라즈마 가둠 디바이스에 포함될 수 있는 또 다른 구성을 도시하고 있다. 도 10의 제1 자석 시스템(1) 및 제2 자석 시스템(2)에 더하여, 도 3a 및 도 3b에서와 마찬가지로, 제3 자석 시스템(3)은 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에 배치된다. 제3 자석 시스템은 원형-루프 코일(31)을 포함한다.

여전히 도 11을 참조하면, 도 9와 함께 상술된 바와 마찬가지로, 필드 구성은 대칭 평면(P) 근처에서 상대적으로 낮은 자속 밀도의 구역(1602)을 표시하고 코일들(11, 12)의 근처에서 상대적으로 높은 자속 밀도의 구역(1604)을 표시하여, 자기 반사 원리에 기반하여, 하전 입자들을 위한 가둠 영역(206)을 생성한다.

더욱이, 여전히 도 11을 참조하면, 도 10에서와 마찬가지로, 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에서, 즉, 도 9의 우측에서, 볼 때, 대칭 평면 근처의 구역(1602)은 플라즈마 가둠 영역(206)의 외부에서 볼 때, 오목한 자기장 라인들을 표시하는 한편, 구역(1604)은 플라즈마 가둠 영역(206)의 외부에서 볼 때, 볼록한 자기장 라인들을 표시한다. 그러나, 플라즈마 가둠 영역의 대부분에 해당하는, 오목한 자기장 라인들의 구역은 도 10의 구성보다 더 크다.

더욱이, 여전히 도 11을 참조하면, 도 10에서와 마찬가지로, 코일들의 기하학적 구조 및 그 내부에서 흐르는 전류들에 대한 적절한 선택은 코일들(11, 12) 근처에서 상대적으로 높은 자속 밀도의 구역(1604)의 상당히 증가된 자속 밀도를 허용하여, 높은 거울비를 제공한다.

게다가, 도 11(, 및 도 4a 및 도 4b)로부터 명백한 바와 같이, 제3 자석 시스템의 코일(31)을 통한 전류에 대한 적절한 선택을 통해, 필드 구성은 플라즈마 가둠 영역(206)에서 반경 방향으로 엄격하게 증가하는 자속 밀도로 달성될 수 있다.

도 12는 플라즈마 가둠 디바이스에 포함될 수 있는 또 다른 구성을 도시하고 있다. 도 11의 구성에 더하여, 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 각각의 코일들의 각각은 각각의 강자성 실드에 내장된다. 이는 자기장을 집중시켜, 더 높은 거울비를 허용한다.

도 13은 플라즈마 가둠 디바이스에 포함될 수 있는 또 다른 구성을 도시하고 있다. 이 예시적인 구성에서, 도 12의 구성과 비교하여, 코일들(11, 12, 31)은 테이퍼진(tapered) 및/또는 볼록한 표면들을 갖는다. 이로써, 도 13으로부터 명백한 바와 같이, 자기장 구성은, 플라즈마 가둠 영역(260)의 반경 방향 외부 둘레(1202)가 반사 지점까지 위쪽까지 오목한 자기장 라인들을 갖고, 또한 반경 반향 내부 둘레(1204)을 갖는 한편, 자속 밀도가 반경 방향으로 엄격하게 증가하는 경우, 달성될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 2와 함께 상술된 바와 같은 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2), 및 도 3a, 도 3b, 도 4a, 및 도 4b와 함께 상술된 바와 같은 선택적 제3 자석 시스템(3)을 각각 포함하는, 플라즈마 가둠 디바이스(500)를 각각 도시하고 있다. 이러한 플라즈마 가둠 디바이스(500)의 각각은 융합로에서 사용될 수 있다.

또한, 각 플라즈마 가둠 디바이스(500)는 플라즈마 융합 기술에서 그 자체로 잘 알려진 바와 같은, 플라즈마 용기(208)를 포함한다. 플라즈마 용기는, 도시된 바와 같이, 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 사이에 위치될 수 있다. 또한, 플라즈마 용기(208)는, 도시된 바와 같이, 이러한 시스템이 존재하는 경우, 제3 자석 시스템(3)의 반경 방향 내부에 위치될 수 있다. 플라즈마 용기(208)는, 도시된 바와 같이, 축(A)을 중심으로 회전 대칭일 수 있다. 반응로 용기(208)는, 환형의, 토로이드 형상의, 플라즈마 가둠 영역(206)이 반응로 용기(208)의 내부에 위치되도록, 위치된다.

플라즈마 가둠 디바이스(500)의 물리적 치수들은 자기 코일들의 엔지니어링(engineering) 전류 밀도, 알파 입자들의 가둠 정도, 원하는 플라즈마 볼륨(volume) 등과 같은 많은 파라미터들에 따라 달라진다. 다음의 전형적인 치수들 하에서, 10 A/mm²의 자석 시스템들의 엔지니어링 전류 밀도에서 알파 입자들의 우수한 가둠 및 대략 15 m³의 플라즈마 볼륨이 제공될 수 있다:

제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 외경: 8 m - 16 m, 전형적으로는 12m.

코일들(11, 12, 21, 22)의 각각의 높이: 1.5 m - 3.5 m, 전형적으로는 2.5 m.

코일들이 내장되는 코어(204)의 두께: 0.6 m - 1.3 m, 전형적으로는 1.0 m.

제1 자석 시스템(1)의 상단 엣지와 제2 자석 시스템(2)의 하단 엣지 사이의 거리: 4.0 m - 8.0 m, 전형적으로는 6.0 m.

제4 자석 시스템(3)의 외경: 10.0 m - 22m, 전형적으로는, 16.0 m.

코일 전류 또는 코일 전류를 변경함으로써, 자기장 구성이 플라즈마 가둠 영역(206)에 가두어진 플라즈마를 제어하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 가둠 영역의 반경이 변경될 수 있다.

도 5b는 축(A)에서 디바이스(500)의 중심, 따라서, 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 내부에 위치되는, 그 자체로 알려진 바와 같은, 선택적 마이크로웨이브 플라즈마 가열 디바이스(210)를 갖는 플라즈마 가둠 디바이스(500)를 도시하고 있다.

또한, 플라즈마 가둠 디바이스(500)는, 용기(208) 내로 연결되고 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에 위치되는, 그 자체로 잘 알려진 바와 같은, 선택적 이온 빔 삽입 어레인지먼트(212)를 가질 수 있다.

예컨대, 고-에너지 알파 입자들을 포함하는, 이온 빔은 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부 영역에 이온 빔 삽입 디바이스(210)를 사용하여 삽입될 수 있고, 그 후에, 이온 빔으로부터의 이온들이 플라즈마 가둠 영역(206) 내로 더 낮은 반경을 향해 드리프트하도록 허용될 수 있고, 이로써, 플라즈마를 가열할 수 있으며, 이는 다음 단계에서, 가열, 즉, 점화된 플라즈마에서, 자체 유지될 수 있다.

대안적으로(도시되지 않음), 예컨대, 고-에너지 알파 입자들을 포함하는, 이온 빔은 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 내부 영역에 이러한 이온 빔 삽입 디바이스를 사용하여 삽입될 수 있고, 그 후에, 이온 빔으로부터의 이온들이 플라즈마 가둠 영역(206) 내로 더 높은 반경을 향해 드리프트하도록 허용될 수 있으며, 이로써, 플라즈마를 가열할 수 있다.

따라서, 본 개시에 따른 플라즈마 가둠 디바이스 디자인은 시스템의 외부 반경 및 중심 모두에서 가열 디바이스들에 대한 접근성을 허용한다.

대안적으로, 다시, 플라즈마는 마이크로웨이브 플라즈마 가열 디바이스(210)에 의해 가열될 수 있다.

도 6, 도 7, 및 도 8은 도 13과 함께 상술된 바와 같은 제1 자석 시스템(1), 제2 자석 시스템(2), 및 제3 자석 시스템(3)을 포함하는 다른 플라즈마 가둠 디바이스(500)의 절개 사시도들이다. 플라즈마 가둠 디바이스(500)는 융합로에서 사용될 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 플라즈마 가둠 디바이스(500)는, 플라즈마 융합 기술에서 그 자체로 잘 알려진 바와 같이, 플라즈마 용기(208)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 플라즈마 용기(208)는 제3 자석 시스템(3)의 코일들(31, 32)의 반경 반향 내부, 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 각각의 외부 코일들(22, 12)의 반경 방향 내부, 및 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 각각의 반경 방향 외부 및 축 방향 내부에 위치될 수 있다.

또한, 도 7은 강자성 임베딩(ferromagnetic embedding)(204)을 도시하고 있다.

마지막으로, 도 8은 하우징(1500)에 수용되는 플라즈마 가둠 디바이스(500)를 도시하고 있다.

전형적인 치수들은 다음과 같을 수 있다. 하우징(1500)을 포함하여, 디바이스(500)는 약 25 m의 직경과 약 35 m의 높이를 가질 수 있다. 제3 자석 시스템(3)의 코일들의 내경은 약 12 m일 수 있다. 제1 자석 시스템(1)과 제2 자석 시스템(2)의 각각의 내부 코일들(11, 21) 사이의 최소 거리는 약 11 m일 수 있다.

본 개시에 따르면, 입자들의 시스템, 즉, 그 내부에 가두어진 플라즈마의 전체 전류는 0이거나 0에 가까울 수 있다. 이는 토카막들과 같은 토로이달 기반 반응로에 비해 훨씬 덜 동적인 플라즈마를 생성할 수 있다. 이러한 덜 동적인 플라즈마는 킹크 불안정성과 같은 전류 구동(current-driven) 플라즈마 불안정성들을 갖는 문제들을 덜 가질 수 있다.

다음에서, 본 발명 개념에 따른 플라즈마 가둠 디바이스에 대한 시뮬레이션 결과들이 도 14a, 도 14b, 도 15, 도 16, 및 도 17을 참조하여 논의될 것이며, 융합 플라즈마 이온들을 가두기 위해 플라즈마 가둠 디바이스(500)의 능력을 검증할 것이다. 융합 플라즈마를 가두는 것은 플라즈마 볼륨의 자기장에 의해, 중수소 이온들, 삼중수소 이온들, 알파 입자들, 및 전자들을 가두는 것을 의미한다. 3.5 MeV(약 13.000.000 m/s)의 운동 에너지를 가진 중수소-삼중수소 융합의 생성물들 중 하나인 알파 입자들은 단연코 가두기 가장 어려운 입자들이다.

알파 입자가 가두어질 수 있다면, 플라즈마의 가열에 기여하여, 점화된 플라즈마가 가두어진 알파 입자들에 의해 자체 유지될 것이다. 플라즈마를 태우는 것은 외부 에너지를 필요로 하지만, 융합 프로세서에 의해 생성되는 가열 에너지보다 적다. 이러한 가열은 융합 생성물 알파 입자들에 의해 제공된다. 따라서, 알파 입자들을 가두는 것이 중요하다.

중수소와 삼중수소는 12 keV 이하에서 융합될 것이다. 더 낮은 에너지에서 더 가벼운 이온을 가두는 것은 높은 에너지에서 무거운 이온을 가두는 것보다 훨씬 쉽다. 융합 생성물 알파 입자들이 가두어질 수 있으면, 중수소 및 삼중수소 이온들뿐 아니라 전자들도 동일한 볼륨에 가두어질 것이다, 즉, 알파 입자들이 가두어지면, 중수소 및 삼중수소도 가두어질 것이다.

유한 요소법(finite element method; FEM) 시뮬레이션에 의해 계산되는 자기장에서 하전 입자들의 궤적들에 대한 시뮬레이션들이 수행되었으며, 하전 입자 가둠의 능력을 검증했다.

시스템은 회전 대칭이므로, 2차원(2D) 시뮬레이션으로 설명될 수 있다. 게다가, 두 개의 제1 자석 시스템과 제2 자석 시스템 사이에 거울 대칭이 있으므로, 첫 번째 사분면(도 4b, 도 9 내지 도 13 참조)이 시스템의 전체 볼륨을 완전히 정의할 수 있다.

입자 궤적들은 입자에 대한 로렌츠 힘과 뉴턴의 제2 법칙을 고려하여, 반복적으로 계산되었다.

도 14a, 도 14b, 도 15, 도 16, 및 도 17은 도 6, 도 7, 도 8, 및 도 13과 함께 상술된 구성에서의 단일 입자 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 14a는 100 keV의 운동 에너지를 가진 중수소의 시뮬레이션된 경로를 나타내는 한편, 도 14b는 3.5 MeV의 운동 에너지를 가진, 즉, 전형적으로, 중수소 이온과 삼중수소 이온 사이의 융합으로부터의 생성물로서의, 알파 입자의 시뮬레이션된 경로를 나타낸다. 두 입자들은 모두 플라즈마 가둠 영역 내에 가두어져, 각각의 끝점들(endpoints)에서 자기적으로 반사된다. 제1 근사치로, 주어진 초기 속도 벡터에 대해, 하전 입자들의 자이로중심은 주어진 필드 라인을 따르고, 입자 운동 에너지 또는 전하에 관계없이 동일한 끝점에서 반사될 것이다. 그러나, 입자들은 자이로 스핀 반경(라모르 반경(Larmor radius))이 다르므로, 드리프트가 달라질 것이다.

도 15, 도 16, 및 도 17은 0.5, 1.5, 2.5의 v_Z/v_R(축 방향 속도 대 반경 방향 속도) 비율들에 대해 각각 1.5 m, 3.0 m, 및 4.5 m의 초기 반경 위치들을 갖는 시뮬레이션된 하전 입자 궤적들을 각각 나타내며, 이러한 구성들의 각각에 대한 하전 입자들의 가둠을 나타낸다.

이상에서는 주로 예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명 개념이 설명되었다. 그러나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 이해되는 바와 같이, 첨부된 특허 청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명 개념의 범위 내에서 상술된 것 이외의 다른 실시예들이 동등하게 가능하다.

다음은 설명의 일부를 구성하는 예들이다.

1. 플라즈마 가둠 디바이스(500)에 있어서,

제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들(11, 12)을 포함하는 제1 자석 시스템(1) -

제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 코일(11), 및

상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 코일(12)

을 포함함 -; 및

제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들(21, 22)을 포함하는 제2 자석 시스템(2) - 상기 제1 자석 시스템(1)과 상기 제2 자석 시스템(2)의 사이에 위치되는 대칭 평면(P)에 대하여, 상기 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -

을 포함하고,

상기 대칭 평면(P)에서 상기 대칭 평면(P)에 수직인 자기장으로 상기 대칭 평면(P)에 환형 플라즈마 가둠 영역(206)을 형성하는, 디바이스(500).

2. 예 1에 있어서, 상기 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들(11, 12)은 상기 제2 복수의 동심으로 배치되는 코일들(21, 22)과 동일하게 설계되는, 디바이스(500).

3. 예1 또는 예2에 있어서, 상기 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에 배치되는 제3 자석 시스템(3)을 더 포함하고, 상기 제3 자석 시스템(3)은 적어도 하나의 원형-루프 코일(31, 32)을 포함하는, 디바이스.

4. 예3에 있어서, 상기 제3 자석 시스템(3)은 상기 제1 자석 시스템(1)과 상기 대칭 평면(P)의 동일한 측에 배치되는 제1 코일(31), 및 상기 대칭 평면(P)의 반대되는 측에 배치되는 제2 코일(32)을 포함하고, 상기 제2 코일(32)은 상기 제1 코일(31)에 대해 거울 대칭으로 배치되는, 디바이스(500).

5. 예1 내지 예4 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 자석 시스템의 상기 제1 복수의 동심으로 배치되는 코일들 및 상기 제2 자석 시스템의 상기 제2 복수의 동심으로 배치되는 코일들은 각각의 강자성 구조들에 각각 내장되는, 디바이스(500).

6. 예5에 있어서, 상기 강자성 구조는 상기 대칭 평면을 향하는 방향으로 각각의 상기 복수의 코일들 중 적어도 하나의 코일을 덮지 않는, 디바이스(500).

7. 예5 또는 예6에 있어서, 상기 강자성 구조는 강자성 스틸을 포함하는, 디바이스(500).

8. 플라즈마를 가두기 위한 예1 내지 예7 중 어느 하나의 디바이스(500)의 사용.

9. 융합로에서 예1 내지 예7 중 어느 하나의 디바이스(500)의 사용.

10. 플라즈마 가둠 방법에 있어서,

제1 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들(11, 12) - 제1 방향으로 전류를 전달하는 제1 코일(11), 및 상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하는 제2 코일(12) -을 포함하는 제1 자석 시스템(1); 및

제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들(21, 22)을 포함하는 제2 자석 시스템(2) - 상기 제1 자석 시스템(1)과 상기 제2 자석 시스템(2)의 사이에 위치되는 대칭 평면(P)에 대하여, 상기 제1 자석 시스템(1)에 대해 거울 대칭으로 전류들을 전달함 -에서,

상기 대칭 평면(P)에 수직인 자기장으로 상기 대칭 평면(P)에 환형 플라즈마 가둠 영역(206)을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.

11. 예10에 있어서, 상기 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부에 배치되는 제3 자석 시스템(3)의 전류 조절에 의해 가두어진 플라즈마를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.

12. 예11에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 플라즈마 가둠 영역의 반경을 변경시키는 단계를 포함하는, 방법.

13. 예10 내지 예12 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 외부 또는 상기 플라즈마 가둠 영역(206)의 반경 방향 내부의 영역에 이온 빔을 삽입하고, 상기 이온 빔으로부터의 이온들이 상기 플라즈마 가둠 영역(206) 내로 드리프트하도록 함으로써, 상기 플라즈마를 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.

Claims

플라즈마 가둠을 위한 자기 거울 머신(2100; 2200; 3100; 3200)에 있어서, 개방-필드-라인(open-field-line) 플라즈마 가둠 영역(2106)을 생성하도록 배치되는 복수의 길이 방향으로(longitudinally) 배치되는 초전도체 코일들(2104, 2105, 2106a, 2106b)을 포함하고, 두 개의 단부들의 각각에 있는 상기 플라즈마 가둠 영역(2106)은 상기 플라즈마 가둠 영역(2106)의 중앙 영역(2110)에 비해 증가되는 자속 밀도의 각각의 거울 영역(2108)에 의해 제한되고, 상기 복수의 초전도체 코일들 중 초전도체 코일(2105, 2106a, 2106b)은 상기 거울 영역(2108)에 인접하게 위치되고, 상기 초전도체 코일(2105, 2106a, 2106b)은 상기 거울 영역을 통해 자기장 라인(2112)과 교차하는 평면에서, 상기 자기장 라인(2112)을 따르는 방향으로 가늘고 긴 형상(elongate shape)을 갖는 단면을 갖는,
자기 거울 머신.
제1 항에 있어서,
상기 거울 영역(2108)을 향하는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트(2107b)는 상기 주변 세그먼트(2107b)의 외부에서 볼 때 볼록한,
자기 거울 머신.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 거울 영역(2108)으로부터 멀리 있는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트(2107a)는 상기 주변 세그먼트(2107a)의 외부에서 볼 때 오목한,
자기 거울 머신.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 거울 영역(2108)을 향하는 상기 단면 영역의 상기 주변 세그먼트(2107b)는 상기 거울 영역(2108)으로부터 멀리 있는 상기 단면 영역의 주변 세그먼트(2107a)에 평행하게 진행되는,
자기 거울 머신.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 초전도체 코일들(2104, 2105)은 동축으로 그리고 길이 방향으로 이격되어 배치되고, 각각은 동일한 방향으로 각각의 전류들을 전달하도록 배치되는,
자기 거울 머신.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 초전도체 코일들은,
제1 복수의 동심으로(concentrically) 배치되는 원형-루프 초전도체 코일들을 포함하는 제1 자석 시스템 -
제1 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제1 초전도체 코일(2206a), 및
상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전류를 전달하도록 배치되는 제2 초전도체 코일(2206b)
을 포함함 -; 및
제2 복수의 동심으로 배치되는 원형-루프 코일들을 포함하는 제2 자석 시스템 - 상기 제1 자석 시스템과 상기 제2 자석 시스템의 사이에 위치되는 대칭 평면(P)에 대하여, 상기 제1 자석 시스템에 대해 거울 대칭으로 배치됨 -
을 포함하는,
자기 거울 머신.
제6 항에 있어서,
상기 복수의 초전도체 코일들은 상기 플라즈마 가둠 영역의 반경 방향(radially) 외부에 배치되는 제3 자석 시스템(2104)
을 더 포함하고,
상기 제3 자석 시스템은 적어도 하나의 초전도체 원형-루프 코일을 포함하는,
자기 거울 머신.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항의 상기 자기 거울 머신을 포함하는 융합로.
플라즈마를 가두기 위한 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항의 상기 자기 거울 머신의 사용.
융합로에서 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항의 상기 자기 거울 머신의 사용.