MX2007010891A - Sistema de generacion de energia electrica por plasma. - Google Patents

Abstract

Un sistema y aparato para fusion controlad en una topologia magnetica de configuracion de campo invertido (FRC) y conversion de energias de producto de fusion directamente a energia electrica; preferiblemente, los iones del plasma son magneticamente confinados en la FRC mientras los electrones del plasma son electricamente confinados en un pozo de energia profundo, creado al sintonizar un campo magnetico externamente aplicado; en esta configuracion, los iones y electrones pueden tener densidad y temperatura adecuadas de modo que bajo colisiones son fusionados entre si por la fuerza nuclear, formando asi productos de fusion que emergen en forma de un haz anular; la energia es removida de los iones del producto de fusion a medida que pasan en espiral los electrodos de un convertidor de ciclotron inverso; ventajosamente, los plasmas de combustible de fusion que se pueden usar con el sistema de confinamiento y conversion de energia de la presente invencion incluyen combustible avanzados (aneutronicos).

Description

SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR PLASMA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere generalmente al campo de la física de plasma, y, en particular, a métodos y aparatos para confinar plasma para permitir la fusión nuclear y para convertir la energía de productos de fusión en electricidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La fusión es un procedimiento por el cual los núcleos ligeros se combinan para formar uno más pesado. El proceso de fusión libera una tremenda cantidad de energía en forma de partículas de movimiento rápido. Puesto que los núcleos atómicos están cargados positivamente - debido a los protones contenidos en los mismos - existe una fuerza electrostática repulsiva, o de Coulomb, entre ellos. Para que dos núcleos se fusionen, esta barrera repulsiva debe de ser superada, lo que ocurre cuando dos núcleos son acercados entre sí lo suficiente en donde las fuerzas nucleares de corto alcance se vuelven lo suficientemente fuertes para superar la fuerza de Coulomb y fusionar el núcleo. La energía necesaria para que los núcleos superen la barrera de Coulomb es provista por sus energías térmicas, que deben ser muy altas. Por ejemplo, la velocidad de fusión puede ser apreciable si la temperatura es por lo menos del orden de 104 eV - correspondiente aproximadamente a 1000 millones de grados Kelvin. La velocidad de una reacción de fusión es una función de la temperatura, y se caracteriza por una cantidad llamada reactividad. La reactividad de una reacción de D-T, por ejemplo, tiene un pico amplio entre 30 keV y 100 keV. Las reacciones de fusiones típicas incluyen: D + D ? He3(0.8 MeV) + n(2.5 MeV), D + T ? a(3.6 MeV) + n(14.1 MeV), D + He3 ? a(3.7 MeV) + p(14.7 MeV), y p + B11 ? 3a(8.7 MeV), en donde D indica deuterio, T indica tritio, a indica un núcleo de helio, n indica un neutrón, p indica un protón, He indica helio, y B11 indica Boro-1 1. Los números entre paréntesis en cada ecuación indican la energía cinética de los productos de fusión. Las primeras dos reacciones listadas anteriormente - las reacciones de D-D y D-T - son neutrónicas, lo que significa que la mayoría de energía de sus productos de fusión es llevada por neutrones rápidos. Las desventajas de las reacciones neutrónicas son que (1) el flujo de neutrones rápidos crea muchos problemas, incluyendo daño estructural de las paredes del reactor y niveles altos de radioactividad para la mayoría de los materiales de construcción; y (2) la energía de neutrones rápidos es recolectada al convertir su energía térmica a energía eléctrica, lo que es muy ineficiente (menos de 30%). Las ventajas de las reacciones neutrónicas son que (1 ) sus picos de reactividad están a una temperatura relativamente baja; y (2) sus pérdidas debido a la radiación son relativamente bajas debido a que los números atómicos del deuterio y tritio son 1. Los reactivos en las otras dos ecuaciones - D-He3 y p-B11 - se denominan combustibles avanzados. En vez de producir neutrones rápidos, como en las reacciones neutrónicas, sus productos de fusión son partículas cargadas. Una ventaja de los combustibles avanzados es que crean muchos menos neutrones y por lo tanto adolecen de las desventajas asociadas con ellos. En el caso de D-He3, algunos neutrones rápidos son producidos por reacciones secundarias, pero estos neutrones representan únicamente aproximadamente el 10% de la energía de los productos de fusión. La reacción de p-ß11 es libre de neutrones rápidos, aunque produce algunos neutrones lentos que resultan de reacciones secundarias pero crean muchos menos problemas. Otra ventaja de los combustibles avanzados es que sus productos de fusión comprenden partículas cargadas cuya energía cinética puede ser directamente convertible a electricidad. Con un procedimiento de conversión directo apropiado, la energía de productos de fusión de combustible avanzados puede ser recolectada con alta eficiencia, posiblemente en un exceso de 90 por ciento. Los combustibles avanzados también tienen desventajas. Por ejemplo, los números atómicos de los combustibles avanzados son más altos (2 para He3 y 5 para B11). Por lo tanto, sus pérdidas de radiaciones son mayores que en las reacciones neutrónicas. También, es mucho más difícil hacer que los combustibles avanzados se fusionen. Sus actividades pico fueron a temperaturas más altas y no reaccionan tan alto como la reactividad para D-T. El causar una reacción de combustible con los combustibles avanzados por lo tanto requieren que sean llevados a un estado de energía más alto en donde su reactividad es significativa. Por consiguiente, los combustibles avanzados deben estar contenidos durante un período más largo en donde puedan ser llevados a condiciones de fusiones apropiadas. El tiempo de contención para un plasma es ?t = ? D, en donde r es una dimensión de plasma mínima y D es un coeficiente de difusión. El valor clásico del coeficiente de difusión es Dc = a2¡ / tie, en donde a¡ es el giro-radio del ion y t¡e es el tiempo de colisión del ion-electrón. La difusión de conformidad con el coeficiente de difusión clásico se denomina transporte clásico. El coeficiente de difusión de Bohm, atribuido a inestabilidades de longitud de onda corta es DB - (1/16)a2¡O¡, en donde O¡ es la giro-frecuencia del ¡on. La difusión de conformidad con esta relación se denomina transporte anómalo. Para condiciones de fusión, DB/ Dc = (1/16)O¡t¡e-= 108, de transporte anómalo da por resultado un tiempo de contención más corto que el transporte clásico. Esta relación determina qué tan grande debe ser un plasma en un reactor de fusión, por el requerimiento de que el tiempo de contención para una cantidad dada de plasma debe ser más largo que el tiempo que el plasma tenga una reacción de fusión nuclear. Por lo tanto, la condición de transporte clásico es mucho más deseable en un reactor de fusión, lo que permite plasmas iniciales más pequeños.

En los primeros experimentos con confinamiento toroidal de plasma, un tiempo de contención de ?t = r2 /DQ. El progreso en por lo menos 40 años ha incrementado el tiempo de contención a ?t = 1000 r2 /Dß. Un concepto de reactor de fusión existente es el Tokamak. Durante los últimos 30 años, los esfuerzos de fusión han sido enfocados en el reactor Tokamak usando un combustible D-T. Estos esfuerzos han culminado en el reactor experimental termonuclear internacional (ITER). Experimentos recientes con Tokamaks sugieren que el transporte clásico, ?t = r2 /Dc, es posible, en cuyo caso la dimensión de plasma mínima puede ser reducida de metros a centímetros. Estos experimentos implicaron la inyección de haces energéticos (50 a 100 keV), para calentar el plasma a temperaturas de 10 a 30 keV. Véase W. Heidbrink & G. J. Sadler, 34 Nuclear Fusión 535 (1994). Los iones de haz energéticos en estos experimentos se observaron que se hacían más lentos y se difundían clásicamente mientras que el plasma térmico continuaba difundiéndose de manera anómala rápido. La razón de esto es que los iones de haz energético tienen un giro-radio grande, y como tales, son insensibles a fluctuaciones con longitudes de onda más cortas que el giro-radio de ion (? < a¡). Las fluctuaciones de longitud de onda corta tienden a promediar sobre un ciclo y por lo tanto anular. Sin embargo, los electrones tienen un giro-radio mucho más pequeño, por lo que responden a las fluctuaciones y transporte en forma anómala. Debido al transporte anómalo, la dimensión mínima del plasma debe ser por lo menos de 2.8 metros. Debido a esta dimensión, el ITER se creó 30 metros de altura y 30 metros de diámetro. Este es el reactor de de tipo Tokamak D-T más pequeño que es factible. Para combustibles avanzados, tales como D-He3 y p-B11 , el reactor de tipo Tokamak tendría que ser mucho más grande porque el tiempo para que el ion de combustible tenga una reacción nuclear es mucho más largo. Un reactor Tokamak que usa combustible D-T tiene el problema adicional de que la mayor parte de energía de la energía de productos de fusión es llevada por neutrones de 14 MeV, lo que causa daño por radiación e induce reactividad en casi todos los materiales de construcción debido al flujo de neutrones. Además, la conversión de su energía en electricidad debe ser un proceso térmico, que no sea más de 30% eficiente. Otra configuración de reactor propuesta es un reactor de haces de colisión. En un reactor de haces de colisión, un plasma de fondo es bombardeado por haces de iones. Los haces comprenden iones con una energía que es mucho más grande que el plasma térmico. Las producción de reacciones de fusión útiles en este tipo de reactor no ha sido factible porque el plasma de fondo hace lentos los haces de iones. Se han hecho varias propuestas para reducir este problema y aumentar al máximo un número de reacciones nucleares. Por ejemplo, la patente de E.U.A. No. 4,065,351 de Jassby et al., describe un método para producir haces de colisión de contracorriente de deuterones y tritones en un sistema de confinamiento toroidal. En la patente de E.U.A. No. 4,057,462 de Jassby et al., la energía electromagnética es inyectada para contrarrestar los efectos de plasma de equilibrio de volumen en una de las especies de iones. El sistema de confinamiento toroidal es identificado como un Tokamak. En la patente de E.U.A. No. 4,894,199 de Rostoker, los haces de deuterio y tritio son inyectados y atrapados con la misma velocidad promedio en una configuración de Tokamak, espejo o campo invertido. Existe un plasma de fondo frío de baja densidad para el único propósito de atrapar los haces. Los haces reaccionan debido a que tienen una temperatura alta, y la disminución de velocidad es causada principalmente por electrones que acompañan a los iones inyectados. Los electrones son calentados por los iones en cuyo caso la disminución de velocidad es mínima. En ninguno de estos dispositivos, sin embargo, un campo eléctrico en equilibrio juega una parte. Además, no existe un intento para reducir, o incluso considerar, transporte anómalo. Otras patentes consideran el confinamiento electrostático de ¡ones y, en algunos casos, confinamiento magnético de electrones. Estas incluyen la patente de E.U.A. No. 3,258,402 de Farnsworth y patente de E.U.A. No. 3,386,883 de Farnsworth, que describen confinamiento electrostático de iones y confinamiento por inercia de electrones; la patente de E.U.A. No. 3,530,036 de Hirsch et al., y patente de E.U.A. No. 3,530,497 de Hirsch et al., son similares a Farnsworth; la patente de E.U.A. No. 4,233,537 de Limpaecher, que describe confinamiento electrostático de iones y confinamiento magnético de electrones con paredes reflectantes de cúspide multipolar; y patente de E.U.A. No. 4,826,646 de Bussard, que es similar a Limpaecher e implica cúspides puntuales. Ninguna de estas patentes considera confinamiento electrostático de electrones y confinamiento magnético de iones. Aunque ha habido muchos proyectos de investigación sobre confinamiento electrostático de iones, ninguno de ellos ha tenido éxito en establecer los campos electrostáticos requeridos cuando los iones tienen la densidad requerida para un reactor de fusión. Por último, ninguna de las patentes citadas anteriormente describe una topología magnética de configuración de campo invertido. La configuración de campo invertido (FRC) fue descubierta accidentalmente aproximadamente 1960 en el laboratorio de investigación naval durante experimento de compresión theta. Una topología de FRC típica, en donde el campo magnético interno invierte la dirección, se ilustra en la figura 3 y la figura 5, y las órbitas de partículas en FRC se muestran en la figura 6 y la figura 9. Con respecto a la FRC, muchos programas de investigación han sido soportados por los Estados Unidos y Japón. Existe un documento de revisión completo sobre la teoría y experimentos de investigación de FRC de 1960-1988. Véase M. Tuszewski, 28 Nuclear Fusión 20033, (1988). Un informe oficial sobre desarrollo de FRC describe la investigación en 1996 y recomendaciones para investigación futura. Véase L. C. Steinhauer et al., 30 Fusión Technology 116 (1996). Hasta esta fecha, en experimentos de FRC, la FRC ha sido formada con el método de compresión theta. Una consecuencia de este método de formación es que los iones y electrones portan cada uno la mitad de la corriente, que da por resultado un campo electrostático insignificante en el plasma y no hay confinamiento electrostático. Los iones y electrones en estas FRCs fueron contenidos magnéticamente. En casi todos los experimentos de FRC, se ha supuesto transporte anómalo. Véase, v.gr., Tuszewski, empezando desde la sección 1.5.2, en la página 2072. Por lo tanto, es deseable proveer un sistema de fusión que tenga un sistema de contención que tenga a reducir sustancialmente o eliminar transporte anómalo de iones y electrones y un sistema de conversión de energía que convierta la energía de productos de fusión a electricidad con alta eficiencia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención está dirigida a un sistema que facilita la fusión controlada en un campo magnético que tiene una topología de campo revertido y la conversión directa de energías de producto de fusión a energía eléctrica. El sistema, referido aquí como sistema de generación de energía eléctrica por plasma (PEG), preferiblemente incluye un reactor de fusión que tiene un sistema de contención que tiende a reducir sustancialmente o eliminar transporte anómalo de iones y electrones. Además, el sistema PEG incluye un sistema de conversión de energía acoplado al reactor que convierte directamente las energías de producto de fusión a electricidad con alta eficiencia.

En una modalidad, el transporte anómalo tanto para iones como electrones tiende a ser sustancialmente reducido o eliminado. El transporte anómalo de los iones tiende a ser evitado por confinamiento magnético de los iones en un campo magnético de una configuración de campo revestido (FRC). Para electrones, el transporte anómalo de energía es evitado al sintonizar un campo magnético externamente aplicado para desarrollar un campo eléctrico fuerte, que confina los electrones electrostáticamente en un pozo potencial profundo. Como resultado, los plasmas de combustible de fusión que se pueden usar con el aparato y procedimiento de confinamiento de la presente invención no se limitan a combustibles neutrónicos, sino también ventajosamente incluyen combustibles avanzados o aneutrónicos. Para combustibles aneutrónicos, la energía de reacción de fusión es casi completamente en forma de partículas cargadas, es decir, iones energéticos, que pueden ser manipulados en un campo magnético y, dependiendo del combustible, causar poca o nada de radioactividad. En una modalidad preferida, un sistema de contención de plasma del reactor de fusión comprende una cámara, un generador de campo magnético para aplicar un campo magnético en una dirección sustancialmente a lo largo de un eje principal, y una capa de plasma anular que comprende un haz de iones circulante. Los iones de la capa de haz de plasma anular están sustancialmente contenidos dentro de la cámara magnéticamente en órbitas y los electrones están sustancialmente contenidos en un pozo de energía electrostático. En una modalidad preferida, el generador de campo magnético incluye una bobina de corriente. Preferiblemente, el generador de campo magnético además comprende bobinas de espejo cerca de los extremos de la cámara que incrementan la magnitud del campo magnético aplicado al final de la cámara. El sistema también comprende uno o más inyectores de haces para inyectar haces de iones neutralizados en el campo magnético, en donde el haz entra en una órbita debido a la fuerza causada por el campo magnético. En una modalidad preferida, el sistema forma un campo magnético que tiene una topología de una configuración de campo invertido. En otra modalidad preferida, se provee una cámara alternativa que evita la formación de corrientes de imagen azimutales en una región central de la pared de la cámara y permite que el flujo magnético penetre a la cámara en una escala de tiempo rápida. La cámara, que está compuesta principalmente de acero inoxidable para proveer resistencia estructural y buenas propiedades de vacío, incluye aberturas de aislamiento axial en la cámara que corren a lo largo de casi toda la longitud de la cámara. Preferiblemente, hay tres aberturas que están aproximadamente 120 grados de separación una de otra. Las aberturas incluyen una ranura o espacio formado en la pared. Un inserto que comprende un material aislante, preferiblemente una cerámica o similar, es insertado en las ranuras o espacios. En el interior de la cámara, una mortaja de metal cubre el inserto. En el exterior de la cámara, el inserto está fijado a un panel de sellado, preferiblemente formado de fibra de vidrio o similar, que forma una barrera de vacío por medio de un sello de anillo en O con la superficie de acero inoxidable de la pared de la cámara. En otra modalidad preferida, una fuente de plasma inductora es montable dentro de la cámara e incluye un ensamble de bobina de impacto, preferiblemente una bobina de impacto de una sola vuelta, que preferiblemente es alimentada por una fuente de potencia (no mostrada) de alto voltaje (aproximadamente 5-15 kV). Gas natural, tal como hidrógeno (u otro combustible de fusión gaseoso apropiado), es introducido en la fuente a través de alimentaciones de gas directas mediante una boquilla de Laval. Una vez que el gas emana de la boquilla y se distribuye sobre la superficie de los devanados de la bobina de la bobina de impacto, los devanados son energizados. La corriente ultrarrápida y el incremento de flujo en la bobina de impacto de baja inductancia conducen a un campo eléctrico muy alto dentro del gas que causa rompimiento, ionización y subsecuente expulsión del plasma formado desde la superficie de la bobina de impacto hacia el centro o plano medio de la cámara. En una modalidad preferida adicional, un impulso de RF comprende un ciclotrón cuadripolar ubicado dentro de la cámara y que tiene cuatro electrodos azimutalmente asimétricos con espacios entre los mismos. El ciclotrón cuadripolar produce una onda de potencial eléctrico que gira en la misma dirección que la velocidad azimutal de iones, pero a una velocidad mayor. Los iones de velocidad apropiada pueden ser atrapados en esta onda, y reflejados periódicamente. Este procedimiento incrementa el momento y la energía de los iones y este incremento es transportado a los iones de combustible que no son atrapados por las colisiones. En otra modalidad, se usa un sistema de conversión de energía directo para convertir la energía cinética de los productos de fusión directamente en energía eléctrica al disminuir la velocidad de las partículas cargadas a través de un campo electromagnético. Ventajosamente, el sistema de conversión de energía directo de la presente invención tiene las eficiencias, tolerancias de energía de partícula y capacidad electrónica para convertir la frecuencia y fase de la potencia de salida de fusión de aproximadamente 5 MHz para acoplar la frecuencia de una rejilla de potencia de 60 Hertz externa. En una modalidad preferida, el sistema de conversión de energía comprende convertidores de ciclotrón inversos (ICC) acoplados a los extremos opuestos del reactor de fusión. El ICC tiene una geometría en forma de cilindro hueco formada de múltiples, preferiblemente cuatro o más, electrodos semicilíndricos iguales con espacios rectos pequeños que se extienden entre los mismos. Durante el funcionamiento, un potencial oscilatorio se aplica a los electrodos de una manera alternante. El campo eléctrico E dentro de los ICC tiene una estructura multipolar y disipa simétricamente los ejes de simetría e incrementa linealmente con el radio; el valor pico está en el espacio. Además, el ICC incluye un generador de campo magnético para aplicar un campo magnético unidireccional uniforme en una dirección sustancialmente opuesta al campo magnético aplicado del sistema de contención del reactor de fusión. En un extremo más lejano del núcleo de potencia del reactor de fusión, el ICC incluye un colector de ¡ones. Entre el núcleo de potencia y el ICC está una cúspide magnética simétrica en donde el campo magnético del sistema de contención se fusiona con el campo magnético del ICC. Un colector de electrones anular está ubicado alrededor de la cúspide magnética y está eléctricamente acoplado al colector de iones. En otra modalidad preferida, los núcleos del producto y electrones neutralizantes de carga emergen como haces anulares de ambos extremos del núcleo de potencia del reactor con una densidad a la cual la cúspide magnética separa electrones y ¡ones debido a sus diferencias de energía. Los electrones siguen líneas de campo magnético al colector de electrones y los iones pasan a través de la cúspide en donde las trayectorias de los iones son modificadas para seguir una trayectoria sustancialmente helicoidal a lo largo de la longitud del ICC. La energía es removida de los iones a medida que la espiral pasa los electrodos, que son conectados a un circuito resonante. La pérdida de energía perpendicular tiende a ser mayor para los iones de energía más altos que inicialmente circulan cerca de los electrodos, en donde el campo eléctrico es más fuerte. Otros aspectos y características de la presente invención serán evidentes a partir de la consideración de la siguiente descripción tomada junto con los dibujos anexos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Modalidades preferidas se ilustran a manera de ejemplo y no a manera de limitación en las figuras de los dibujos anexos, en los cuales números de referencia similares se refieren a componentes similares. La figura 1 muestra una vista parcial de una cámara de confinamiento ilustrativa. La figura 2A muestra una vista parcial de otra cámara de confinamiento ilustrativa. La figura 2B muestra una vista en sección parcial a lo largo de la línea 2B-2B en la figura 2A. La figura 2C muestra una vista detallada a lo largo de la línea 2C en la figura 2B. La figura 2D muestra una vista en sección parcial a lo largo de la línea 2D-2D en la figura 2B. La figura 3 muestra un campo magnético de una FRC. Las figuras 4A y 4B muestran, respectivamente, la dirección diamagnética y contradiamagnética en una FRC. La figura 5 muestra un sistema de haces de colisión. La figura 6 muestra una órbita de betatrón. Las figuras 7A y 7B muestran, respectivamente, el campo magnético y la dirección de la deriva de gradientes en una FRC. Las figuras 8A y 8B muestran, respectivamente, el campo magnético y la dirección de la deriva É x B en una FRC. Las figuras 9A, 9B y 9C muestran órbitas de deriva de ¡ones. Las figuras 10A y 10B muestran la fuerza de Lorente en los extremos de una FRC. Las figuras 11A y 11 B muestran la afinación del campo eléctrico y el potencial eléctrico en los sistemas de haces de colisión. La figura 12 muestra una distribución de Maxwell. Las figuras 13A y 13B muestran transiciones de órbitas de betatrón a órbitas de deriva debidas a colisiones de ion-ion de ángulo grande. La figuras 14A a 14D muestran diferentes órbitas de betatrón, cuando se consideran colisiones de electrón-ion de ángulo pequeño. La figura 15 muestra un haz de iones neutralizado a medida que es eléctricamente polarizado. La figura 16 es una vista superior de un haz de iones neutralizado a medida que hace contacto con el plasma en una cámara de confinamiento. La figura 17 es una vista extrema esquemática de una cámara de confinamiento de conformidad con una modalidad preferida de un procedimiento de inicio. La figura 18 es una vista extrema esquemática de una cámara de confinamiento de conformidad con otra modalidad preferida de un procedimiento de inicio. La figura 19 muestra trazas de sonda de punto B que indica la formación de un FRC. La figura 20A muestra una vista de una fuente de plasma inductor montable dentro de una cámara. Las figuras 20B y 20C muestran vistas parciales de la fuente de plasma inductor. Las figuras 21 A y 21 B muestran vistas parciales de un sistema de impulso de RF. La figura 21 C muestra un esquema de configuraciones de dipolo y cuadripolo. La figura 22A muestra un sistema de generación de energía eléctrica por plasma parcial que comprende un reactor de fusión de haces de colisión acoplado a un convertidor de energía directo de ciclotrón inverso. La figura 22B muestra una vista extrema del convertidor de ciclotrón inverso en la figura 19A. La figura 22C muestra una órbita de un ion en el convertidor de ciclotrón inverso. La figura 23A muestra un sistema de generación de energía eléctrica por plasma parcial que comprende un reactor de fusión de haces de colisión acoplado a una modalidad alternativa del convertidor de ciclotrón inverso. La figura 23B muestra una vista extrema del convertidor de ciclotrón inverso en la figura 20A. La figura 24A muestra una órbita de partículas dentro de un ciclotrón convencional. La figura 24B muestra un campo eléctrico oscilante. La figura 24C muestra la energía cambiante de una partícula aceleradora. La figura 25 muestra un campo eléctrica azimutal en espacios entre los electrodos del ICC que es experimentado por un ion con velocidad angular. La figura 26 muestra un lente de doblete de cuadripolo de enfoque. Las figuras 27A y 27B muestran un sistema de bobina de campo magnético auxiliar. La figura 28 muestra un reactor de 100 MW. La figura 29 muestra un equipo de soporte de reactor. La figura 30 muestra un sistema de propulsión de impulsor de plasma. La figura 31 muestra los componentes principales de un sistema de propulsión de impulsor de plasma. La figura 32 muestra un diagrama de bloques del sistema de propulsión de impulsor de plasma.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Como se ilustra en las figuras, un sistema de generación de energía eléctrica por plasma (PEG) de la presente invención preferiblemente incluye un reactor de fusión de haz de colisión (CBFR) acoplado a un sistema de conversión de energía directo. Como se refiere a lo anterior, un reactor de fusión ideal resuelve el problema de transporte anómalo tanto para iones como electrones. La solución al problema de transporte anómalo encontrado aquí hace uso de un sistema de contención con un campo magnético que tiene una configuración de campo invertido (FRC). El transporte anómalo de ¡ones es evitado por confinamiento magnético en la FRC de tal manera que la mayoría de los ¡ones tienen órbitas no adiabáticas grandes, que los hacen insensibles a fluctuaciones de onda corta que causan transporte anómalo de iones adiabáticos. En particular, la existencia de una región de la FRC en donde el campo magnético se disipa hace posible tener un plasma que comprende una mayoría de iones no adiabáticos. Para electrones, el transporte anómalo de energía es evitado al afinar el campo magnético externamente aplicado para desarrollar un campo eléctrico fuerte, que los confina electrostáticamente en un pozo potencial profundo. Los plasmas de combustible de fusión que se pueden usar con el aparato y procedimiento de confinamiento de la presente invención no se limitan a combustibles neutrónicos tales cono D-D (deuterio-deuterio) o D-T (deuterio-tritio), sino también ventajosamente incluyen combustibles avanzados o aneutrónicos tales como D-He3 (deuterio-helio-3) o p-B11 (hidrógeno-boro-11 ). (Para una discusión de combustibles avanzados, véase R. Feldbacher & M. Heindler, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A271(1988)JJ-64 (Norte de Holanda, Amsterdam)). Para dichos combustibles aneutrónicos, la energía de reacción de fusión es casi completamente en forma de partículas cargadas, es decir, iones energéticos, que pueden ser manipulados en un campo magnético y, dependiendo del combustible, causar poca o nada de radioactividad. La reacción de D-He3 produce un ion H y un ion He4 con 18.2 MeV de energía mientras que la reacción de p-B11 produce tres iones de He4 y 8.7 MeV de energía. Con base en modelación teórica para un dispositivo de fusión que utiliza combustibles aneutrónicos, la eficiencia de conversión de energía de salida puede ser tan alta como 90%, como se describe en K. Yoshikawa, T. Noma y Y. Yamamoto in Fusión Technology, 19, 870 (1991 ), por ejemplo. Dichas eficiencias avanzan drásticamente los prospectos para fusión aneutrónica, en una configuración escalable (1-1000 MW), compacta, de bajo costo. En un procedimiento de conversión de energía directo de la presente invención, las partículas cargadas de productos de fusión pueden hacerse lentas y la energía cinética puede ser convertida directamente a electricidad. Ventajosamente, el sistema de conversión de energía directo de la presente invención tiene las eficiencias, tolerancias de energía de partículas y capacidad electrónica para convertir la frecuencia y fase de la potencia de salida de fusión de aproximadamente 5 MHz para acoplarse a la frecuencia y fase de una rejilla de potencia externa de 60 Hertz.

Sistema de contención de fusión La figura 1 ilustra una modalidad preferida de un sistema de contención 300 de conformidad con la presente invención. El sistema de contención 300 comprende una pared de cámara 305 que define en la misma una cámara de confinamiento 310. Preferiblemente, la cámara 310 es en forma cilindrica, con un eje principal 315 a lo largo del centro de la cámara 310. Para aplicar este sistema de confinamiento 300 a un reactor de fusión, es necesario crear un vacío o casi vacío dentro de la cámara 310. Concéntrico con el eje principal 315 es una bobina de flujo de betatrón 320, ubicada dentro de la cámara 310. La bobina de flujo de betatrón 320 comprende un medio portador de corriente eléctrica adaptado para dirigir corriente alrededor de una bobina larga, como se muestra, que preferiblemente comprende devanados paralelos de bobinas separadas múltiples y, muy preferiblemente devanados paralelos de aproximadamente cuatro bobinas separadas, para formar una bobina larga. Los expertos en la técnica apreciarán que la corriente a través de la bobina de betatrón 320 dará por resultado un campo magnético dentro de la bobina de betatrón 320, sustancialmente en la dirección del eje principal 315. Alrededor del exterior de la pared de la cámara 305 está una bobina externa 325. La bobina externa 325 produce un campo magnético relativamente constante que tiene flujo sustancialmente paralelo con el eje principal 315. Este campo magnético es azimutalmente simétrico. La aproximación que el campo magnético debido a la bobina externa 325 es constante y paralelo al eje 315 es en su mayoría válido lejos de los extremos de la cámara 310. En cada extremo de la cámara 310 está una bobina de espejo 330. Las bobinas de espejo 330 están adaptadas para producir un campo magnético incrementado dentro de la cámara 310 en cada extremo, doblando así las líneas de campo magnético hacia dentro de cada extremo. (Véase figuras 3 y 5). Como se explica, este doblez hacia dentro de las líneas de campo ayuda a contener el plasma 335 en una región de contención dentro de la cámara 310 generalmente entre las bobinas de espejo 330 al empujar en alejamiento de los extremos en donde puede escapar el sistema de contención 300. las bobinas de espejo 330 pueden estar adaptadas para producir un campo magnético incrementado en los extremos por una variedad de métodos conocidos en la técnica, incluyendo incrementar el número de devanados en las bobinas de espejo 330, incrementando la corriente a través de las bobinas de espejo 330 o traslapando las bobinas de espejo 330 con la bobina externa 325. La bobina externa 325 y las bobinas de espejo 330 se muestran en la figura 1 implementadas fuera de la pared de la cámara 305; sin embargo, pueden estar dentro de la cámara 310. En casos en donde la pared de la cámara 305 está construida de un material conductor tal como metal, puede ser ventajoso colocar las bobinas 325, 330 dentro de la pared de la cámara 305 porque el tiempo que toma para que el campo magnético se difunda a través de la pared 305 puede ser relativamente grande y por lo tanto causar que el sistema 300 reaccione lentamente. De manera similar, la cámara 310 puede ser de forma de un cilindro hueco, la pared de la cámara 305 formando un anillo anular largo. En tal caso, la bobina de flujo de betatrón 320 podría ser implementada fuera de la pared de la cámara 305 en el centro del anillo anular. Preferiblemente, la pared interna que forma el centro del anillo anular puede comprender un material no conductor tal como vidrio. Como será evidente, la cámara 310 debe ser de un tamaño y forma suficientes para permitir que el haz o capa de plasma circulante 335 gire alrededor del eje principal 315 en un radio dado. La pared de la cámara 305 puede ser formada de un material que tenga una permeabilidad magnética alta, tal como acero. En tal caso, la pared de la cámara 305, debido a contracorrientes inducidas en el material, ayuda a mantener el flujo magnético para que no escape de la cámara 310, "comprimiéndolo". Sí la pared de la cámara estuviera hecha de un material que tuviera permeabilidad magnética baja, tal como plexiglás, sería necesario otro dispositivo para contener el flujo magnético. En tal caso, se podría proveer una serie de anillos de metal plano, de bucle cerrado. Estos anillos, conocidos en la técnica como delimitadores de flujo, se proveerían dentro de las bobinas externas 325 pero fuera del haz del plasma circulante 335. Además, estos delimitadores de flujo podrían ser pasivos o activos, en donde los delimitadores de flujo activos serían impulsados con una corriente predeterminada para facilitar más la contención de flujo magnético dentro de la cámara 310. Alternativamente, las bobinas externas 325 podrían servir como limitadores de flujo. Como se explica con detalle adicional más adelante, un haz de plasma circulante 335, que comprende partículas cargadas, puede ser contenido dentro de la cámara 310 por la fuerza de Lorente causada por el campo magnético debido a la bobina externa 325. Como tales, los iones en el haz de plasma 335 están contenidos magnéticamente en órbitas de betatrón grandes alrededor de líneas de flujo desde la bobina externa 325, que son paralelas al eje principal 315. Uno o más puertos de inyección de haces 340 también se proveen para añadir ¡ones de plasma al haz de plasma circulante 335 en la cámara 310. En una modalidad preferida, los puertos del inyector 340 están adaptados para inyectar un haz de ¡ones a aproximadamente la misma posición radial del eje principal 315 en donde el haz de plasma circulante 335 está contenido (es decir, alrededor de una superficie de valor cero descrita más adelante). Además, los puertos del inyector 340 están adaptados para inyectar haces de iones 350 (véase figura 17) tangentes a y en la dirección de la órbita de betatrón del haz de plasma contenido 335. También se provee una o más fuentes de plasma de fondo 345 para inyectar una nube de plasma no energética en la cámara 310. En una modalidad preferida, las fuentes de plasma de fondo 345 están adaptadas para dirigir plasma 335 hacia el centro axial de la cámara 310. Se ha encontrado que al dirigir el plasma de esta forma ayuda a contener mejor el plasma 335 y conduce a un densidad de plasma más alta 335 en la región de contención dentro de la cámara 310.

Cámara de vacío Como se describió anteriormente, la aplicación del sistema de contención de un CBFR, es necesaria para crear un vacío o casi vacío dentro de la cámara. Puesto que las interacciones (dispersión, intercambio de carga) entre iones neutros y combustible de plasma también presente un canal de pérdida de energía, es crítico limitar la densidad residual en la cámara del reactor. Además, impurezas que resultan de cámaras deficientemente evacuadas puede conducir a reacciones colaterales contaminantes durante el funcionamiento y puede drenar una cantidad exorbitante de energía durante el inicio ya que el sistema tiene que quemar estos residuos. Para lograr un buen nivel, el vacío generalmente implica el uso de cámaras y puertos de acero inoxidable así como materiales de salida de gas bajo. En el caso de metales, las propiedades de vacío buenas son además pareadas con buenas características estructurales. Sin embargo, los materiales conductores tales como acero inoxidable y similares, presentan varios problemas con respecto a sus propiedades eléctricas. Aunque estos efectos negativos están todos ligados, se manifiestan en diferentes maneras. Entre las características más negativas están: difusión retardada de campos magnéticos a través de las paredes de la cámara, acumulación de cargas eléctricas sobre las superficies, alteraciones drásticas de tiempos de respuesta del sistema a señales transitorias así como formación de corrientes de imagen en las superficies que impactan la topología magnética deseada. Los materiales que no tienen las características indeseables y que presentan buenas propiedades de vacío son aislantes tales como cerámicas, vidrio, cuarzo y a un menor grado fibras de carbón. El problema principal con estos materiales es la integridad estructural así como el potencial para daño accidental. Los problemas de fabricación tales como capacidad de maquinación deficiente de las cerámicas son limitaciones adicionales. En una modalidad, como se ilustra en las figuras 2A, 2B, 2C y 2D, se provee una cámara alternativa 1310 que reduce al mínimo estos problemas. La cámara 1310 del CBFR preferiblemente está compuesta principalmente de un metal, preferiblemente acero inoxidable o similar, para proveer resistencia estructural y propiedades de vacío buenas. Sin embargo, la pared cilindrica 1311 de la cámara 1310 incluye aberturas aislantes axiales 1360 en la pared 1311 que corren a lo largo de casi toda la longitud de la cámara 1310 en la porción central de la cámara 1310 o región de núcleo de potencia del CBFR. Preferiblemente, como se ilustra en la figura 2B, hay tres aberturas 1360 que están aproximadamente 120 grados separados una de otra. Las aberturas 1360 como se ilustra en la figura 2C, incluyen una ranura o espacio 1362 en la pared 1311 de la cámara 1310 con una ranura de sellado o asiento 1369 formada alrededor de la periferia de la ranura 1362. Un sello de anillo en O 1367 es recibido en la ranura 1369. Las ranuras 1362, como se ilustra en la figura 2D, se extienden casi a todo lo largo de la cámara 1310 dejando suficiente material inoxidable que forma una porción azimutalmente continua de la pared 1311 cerca de los dos extremos para proveer integridad estructural y permitir sellos de vacío de buena calidad en los extremos. Para integridad estructural mejorada y la prevención de implosión, la cámara 1310, como se ¡lustra en la figura 2A, preferiblemente incluye una pluralidad de conjuntos de costillas azimutales parciales 1370 que están formadas integralmente con la pared de la cámara 1311 o acopladas a la superficie de la pared de la cámara 1311 mediante soldadura o similar. Como se ilustra en la figura 2C, el espacio 1362 es llenado con un inserto 1364 formado de material de cerámica. El inserto 1364 se extiende ligeramente en el interior de la cámara 1310 y es cubierto sobre el interior por una mortaja de metal 1366 para evitar emisiones de plasma secundario de colisiones de iones de plasma primario del haz de plasma circulante con el material de cerámica. En el exterior de la cámara 1310, el inserto 1364 es fijado a un panel de sellado 1365 que forma una barrera de vacío por medio de un sello de anillo en O 1367 con la superficie de acero inoxidable de la pared de la cámara 1311. Para conservar propiedades de vacío deseables, el panel de sellado 1365 preferiblemente se forma a partir de un sustrato, preferiblemente fibra de vidrio o similar, que es más flexible y crea un sello más hermético con el anillo O 1367 que como lo haría un material de cerámica, especialmente cuando la presión hacia dentro deforma la cámara 1310. Los insertos o aislantes cerámicos 1364 dentro de las ranuras 1362 preferiblemente impiden que la corriente se arquee a través de los espacios 1362 y por lo tanto evita la formación de corrientes de imagen azimutales en la pared de la cámara 1311. Las corrientes de imagen son una manifestación de la ley de Lenz, que es la tendencia de la naturaleza a contrarrestar cualquier cambio en el flujo: por ejemplo, el cambio en el flujo que ocurre en la bobina de flujo 1320 durante la formación de una FRC, como se describe más adelante. Sin ranuras 1362 en la pared cilindrica 131 1 de la cámara 1310, el flujo cambiante en la bobina de flujo 1320 hace que se forme una corriente inductivamente inducida igual y opuesta en la pared de acero inoxidable 1311 de tal manera que cancele el cambio de flujo magnético dentro de la cámara 1310. Aunque las corrientes de imagen inducidas serían más débiles (debido a pérdidas inductivas) que la corriente aplicada a la bobina de flujo 1320, la corriente de imagen tiende a reducir fuertemente el campo magnético aplicado o de confinamiento dentro de la cámara 1310, que cuando, no es dirigida, tiende a impactar negativamente la topología del campo magnético y alterar las características de confinamiento dentro de la cámara 1310. La existencia de las ranuras 1362 evita que se formen corrientes de imagen azimutales en la pared 1311 hacia el plano medio de la cámara 1310 lejos de los extremos de la cámara 1310 en la porción azimutalmente continua de la pared 1311. Las únicas corrientes de imagen que pueden ser portadas por la pared de la cámara 1311 hacia el plano medio lejos de los extremos de la cámara 1310 son corrientes muy débiles que corren paralelos al eje longitudinal de las ranuras 1362. Dichas corrientes no tienen impacto sobre los campos de confinamiento magnético parciales de la FRC ya que los campos de imagen magnéticos producidos por las corrientes de imagen que atraviesan longitudinalmente la pared de la cámara 1311 como presentan componentes radiales y azimutales. Las corrientes de imagen azimutales formadas en la porción conductora azimutalmente continua de la pared 1311 cerca de los extremos de la cámara 1310 tienden a no impactar negativamente y/o alterar las características de confinamiento de la cámara 1310 ya que la topología magnética en esta vecindad no es importante para el confinamiento del plasma. Además de evitar la formación de corriente de imagen azimutales en la pared de la cámara 1311 , las ranuras 1362 proveen una forma para flujo magnético del campo y bobinas de espejo 1325 y 1330 para penetrar la cámara 1310 en una escala de tiempo rápida. Las ranuras 1362 permiten la sintonización fina de nivel de submilisegundos y control de retroalimentación del campo magnético aplicado como resultado.

Partículas cargadas en una FRC La figura 3 muestra un campo magnético de una FRC 70. El sistema tiene simetría cilindrica con respecto a su eje 78. En la FRC, hay dos regiones de líneas de campo magnético: abierta 80 y cerrada 82. La superficie que divide las dos regiones se llama separatriz 84. La FRC forma una superficie de valor cero cilindrica 86 en la cual el campo magnético se disipa. En la parte central 88 de la FRC el campo magnético no cambia apreciablemente en la dirección axial. En los extremos 90, el campo magnético cambia apreciablemente en la dirección axial. El campo magnético a lo largo del eje central 78 invierte la dirección en la FRC, que da origen al término "invertido" en la configuración de campo invertido (FRC). En la figura 4A, el campo magnético fuera de la superficie de valor cero 94 está en una primera dirección 96. El campo magnético dentro de la superficie de valor cero 94 está en una segunda dirección 98 opuesta a la primera. Si un ¡on se mueve en la dirección 100, la fuerza de Lorente 30 que actúa sobre la misma indica hacia la superficie de valor cero 94. Esto es fácilmente apreciado al aplicar la regla de mano derecha. Para partículas que se mueven en la dirección diamagnética 102, la fuerza de Lorente siempre indica la superficie de valor cero 94. Este fenómeno da origen a la órbita de partícula llamada órbita de betatrón, que se describirá más adelante. La figura 4B muestra un ion que se mueve en la dirección contradiamagnética 104. La fuerza de Lorente en este caso indica en alejamiento de la superficie de valor cero 94. Este fenómeno da origen a un tipo de órbita llamado una órbita de deriva, que se describirá más adelante. La dirección diamagnética para iones es contradiamagnética para electrones, y viceversa. La figura 5 muestra una capa de anillo o anular de plasma 106 que gira en la dirección diamagnética de los ¡ones 102. El anillo 106 está ubicado alrededor de la superficie de valor cero 86. El campo magnético 108 creado por la capa de plasma anular 106, en combinación con un campo magnético externamente aplicado 110, forma una capa magnética que tiene una topología de una FRC (la topología se muestra en la figura 3). El haz de iones que forma la capa de plasma 106 tiene una temperatura; por lo tanto, las velocidades de los iones de una distribución de Maxwell en un bastidor que gira a una velocidad angular promedio del haz de iones. Las colisiones entre los iones de diferentes velocidades conduce a reacciones de fusión. Por esta razón, la capa de haz de plasma o núcleo de potencia 106 se denomina un sistema de haz de colisión. La figura 6 muestra el tipo principal de órbitas de ¡ones en un sistema de haz de colisión, llamado una órbita de betatrón 112. Una órbita de betatrón 112 se puede expresar como una onda seno centrada en el círculo de valor cero 114. Como se explicó antes, el campo magnético sobre el círculo de valor cero 114 se disipa. El plano de la órbita 112 es perpendicular al eje 78 de la FRC. Los iones en esta órbita 112 se mueven en su dirección diamagnética 102 de un punto de partida 116. Un ion en una órbita de betatrón tiene dos movimientos: una oscilación en la dirección radial (perpendicular al círculo de valor cero 114), y una translación a lo largo del círculo de valor cero 114. La figura 7A es una gráfica del campo magnético 118 en la FRC. El eje horizontal de la gráfica representa la distancia en centímetros del eje de FRC 78. El campo magnético está en kilogauss. Como lo ilustra la gráfica, el campo magnético 118 se disipa en el radio del círculo de valor cero 120. Como se muestra en la figura 7B, una partícula que se mueve cerca del círculo de valor cero verá un gradiente 126 del campo magnético indicando en alejamiento de la superficie de valor cero 86. El campo magnético fuera del círculo de valor cero está una primera dirección 122, mientras que el campo magnético dentro del círculo de valor cero está en una segunda dirección 124 opuesta al primero. La dirección de la deriva de gradiente está dado por el producto cruzado B VB , en donde Vfí es el gradiente en el campo magnético; por lo tanto, se puede apreciar al aplicar la regla de mano derecha que la dirección de la deriva de gradiente está en la dirección contradiamagnética, ya sea que el ¡on esté dentro o fuera del círculo de valor cero 128. La figura 8A es una gráfica del campo eléctrico 130 en una FRC.

El eje horizontal de la gráfica representa la distancia en centímetros del eje de FRC 78. El campo magnético está en volts/cm. Como lo ilustra la gráfica, el campo eléctrico 130 se disipa cerca del radio del círculo de valor cero 120. Como se muestra en la figura 8B, el campo eléctrico para iones de desconfinamiento; indica direcciones 132, 134 en alejamiento de la superficie de valor cero 86. El campo magnético, igual que antes, está en direcciones opuestas 122, 124 dentro y fuera de la superficie de valor cero 86. Se puede apreciar, al aplicar la regla de mano derecha, que la dirección de la deriva É x B está en la dirección diamagnética 102, ya sea que el ion esté fuera o dentro de la superficie de valor cero 136. Las figuras 9A y 9B muestran otro tipo de órbita común en una FRC, llamada una órbita de deriva 138. Las órbitas de deriva 138 pueden estar fuera de la superficie de valor cero 114, como se muestra en la figura E x B 9A, o dentro de la misma, como se muestra en la figura 9B. Las órbitas de deriva 138 giran en la dirección diamagnética si la deriva domina o en la dirección contradiamagnética si la deriva de gradiente domina. Las órbitas de deriva 138 se muestran en las figuras 9A y 9B giran en la dirección diamagnética 102 en el punto de partida 116. Una órbita de deriva, como se muestra en la figura 9C, se puede considerar como un círculo pequeño que rueda sobre un círculo relativamente más grande. El círculo pequeño 142 gira alrededor de su eje en el sentido 144. También rueda sobre el círculo grande 146 en la dirección 102. El punto 140 trazará en el espacio una trayectoria similar a 138. Las figuras 10A y 10B muestran la dirección de la fuerza de Lorente en los extremos de una FRC 151. En la figura 10A, un ion se muestra moviéndose en la dirección diamagnética 102 con una velocidad 148 en un campo magnético 150. Se puede apreciar al aplicar la regla de mano derecha que la fuerza de Lorente 152 tiende a empujar el ion de regreso a la región de líneas de campo cerrados. En este caso, por lo tanto,. la uerza_de Lorente 152 está confinando para los iones. En la figura 10B, un ion se muestra moviéndose en la dirección contra diamagnética con una velocidad 148 en un campo magnético 150. Se puede apreciar, al aplicar la regla de mano derecha, que la fuerza de Lorente 152 tiende a empujar el ¡on dentro de la región de líneas de campo abierta. En este caso, por lo tanto, la fuerza de Lorente 152 está confinando para los iones.

Confinamiento magnético y electrostático en una FRC Una capa de plasma 106 (véase figura 5) se puede formar en una FRC al inyectar haces de ¡ones energéticos alrededor de la superficie de valor cero 86 en la dirección diamagnética 102 de los iones. (Una discusión detallada de diferentes métodos de la formación de la FRC y anillo de plasma se da más adelante). En la capa circulante 106, la mayoría de los iones tienen órbitas de betatrón 112 (véase figura 6), son energéticos y son no adiabáticos; por lo tanto, son insensibles a fluctuaciones de longitud de onda corta que causan transporte anómalo. En una capa de plasma 106 formada en una FRC y bajo condiciones de equilibrio, la conservación de momento imponen una relación entre la velocidad angular de los iones ?¡ y la velocidad angular de los electrones ?e. La relación es t». = O): 1 - en donde i¿n = OT..C O) En la ecuación 1 , Z es el número atómico del ion, m¡ es la masa del ion, e es la carga de electrones, B0 es la magnitud del campo magnético aplicado y c es la velocidad de la luz. Existen tres parámetros en esta relación: el campo magnético aplicado B0, la velocidad angular del electrón ?e, y la velocidad angular del ion ?¡. Si dos de ellos se conocen, el tercero se puede determinar a partir de la ecuación 1. Puesto que la capa de plasma 106 está formada por inyección de haces de iones en la FRC, la velocidad angular de los iones ?¡ es determinada por la energía cinética de la inyección del haz W„ que está dada por w -^ -m,V2 -= - m («v;)? (2) aquí, V, = ??m, en donde V, es la velocidad de inyección de los iones, ?, frecuencia de ciclotrón de iones y r0 es el radio de la superficie de valor cero 86. La energía cinética de los electrones en haz ha sido ignorada porque la masa del electrón me es mucho más pequeña que el ion m,. Para una inyección de velocidad fija del haz {?, fija), el campo magnético aplicado B0 puede ser sintonizado de tal manera que diferentes valores de ?e se pueden obtener. Como se mostrará, la sintonización del campo magnético externo B0 también da origen a diferentes valores del campo electrostático dentro de la capa de plasma. Esta característica de la invención se ilustra en las figuras 11A y 11 B. La figura 11A muestra tres gráficas de campo eléctrico (en volts/cm) obtenidas para la misma velocidad de inyección, ?, = 1.35 x 107 s"1, pero para tres valores diferentes del campo magnético aplicado ß0: Los valores de ?e en el cuadro anterior se determinaron de conformidad con la ecuación 1. Se puede apreciar que ?e > 0 significa que O0 > ?¡ en la ecuación 1 , por lo que los electrones giran en su dirección contradiamagnética. La figura 11 B muestra el potencial eléctrico (en volts) para el mismo de ß0 y ?e. El eje horizontal en las figuras 11A y 11 B, representa la distancia del eje de FRC 78, mostrado en la gráfica en centímetros. El campo eléctrico y el potencial eléctrico dependen fuertemente de ?e. Los resultados anteriores se pueden explicar sobre bases físicas simples. Cuando los iones giran en la dirección diamagnética, los iones están confinados magnéticamente por la fuerza de Lorente. Esto se mostró en la figura 4A. Para los electrones, al girar en la misma dirección que los iones, la fuerza de Lorente está en la dirección opuesta, por lo que los electrones no serían confinados. Los electrones dejan el plasma y, como resultado, un residuo de carga positiva se crea. Esto prepara un campo eléctrico que evita que otros electrones dejen el plasma. La dirección y la magnitud de este campo eléctrico, en equilibrio, está determinado por la conservación de momento. El campo electrostático juega un papel esencial en el transporte tanto de electrones como iones. Por consiguiente, un aspecto importante de esta invención es que un campo electrostático fuerte se crea dentro de la capa de plasma 106, la magnitud de este campo electrostático es controlada por el valor del campo magnético aplicado B0 que puede ser fácilmente ajustado. Como se explicó, el campo electrostático está en confinamiento para electrones si ?e > 0. Como se muestra en la figura 11 B, la profundidad del pozo se puede incrementar al sintonizar el campo magnético aplicado ß0. Excepto para una reacción muy estrecha cerca del círculo de valor cero, los electrones tienen un giro-radio pequeño. Por lo tanto, los electrones responden a fluctuaciones de longitud de onda corta con una velocidad de difusión anómalamente rápida. Esta difusión, de hecho, ayuda a mantener el pozo de potencial una vez que ocurre la reacción de fusión. Los iones de producto de fusión, son de energía mucho más alta, dejan el plasma. Para mantener cuasi-neutralidad de carga, los productos de fusión deben jalar electrones fuera del plasma con ellos, principalmente tomando los electrones de la superficie de la capa del plasma. La densidad de electrones de la superficie del plasma es muy baja, y los electrones que dejan el plasma con los productos de fusión pueden ser reemplazados; de otra manera, el pozo de potencial desaparecería. La figura 12 muestra una distribución de Maxwell 162 de electrones. Sólo electrones muy energéticos de la cola 160 de la distribución de Maxwell pueden alcanzar la superficie del plasma y dejar iones. de fusión. La cola 160 de la distribución 162 por lo tanto es creada continuamente por colisiones electrón-electrón en la región de la alta densidad cercana a la superficie de valor cero. Los electrones energéticos aún tendrán un pequeño giro-radio, por lo que la difusión anómala les permite alcanzar la superficie lo suficientemente rápido para acomodar los iones de productos de fusión de desvío. Los electrones energéticos pierden su energía que asciende el pozo potencial y dejan muy poca energía. Aunque los electrones pueden cruzar el campo magnético rápidamente, debido al transporte anómalo, las pérdidas de energía anómala tienden a ser evitadas porque poca energía es transportada. Otra consecuencia del pozo potencial es un mecanismo de enfriamiento fuerte para los electrones que es similar a enfriamiento evaporativo. Por ejemplo, para que el agua se evapore, se debe suministrar el calor latente de vaporización. Este calor es suministrado por el agua líquida restante y el medio circundante, que después se termaliza rápidamente a una temperatura más baja más rápido que los procesos de transporte de calor puede reemplazar la energía. De manera similar, para los electrones, la profundidad de pozo potencial es equivalente al calor de vaporización latente del agua. Los electrones suministran la energía requeridos para ascender el pozo potencial por el proceso de termalización que re-suministra la energía de la cola de Maxwell por lo que los electrones pueden escapar. El proceso de termalización por lo tanto da por resultado una temperatura de electrones más baja, ya que es mucho más rápido que cualquier proceso de calentamiento. Debido a la diferencia de masa entre electrones y protones, el tiempo de transferencia de energía de los protones es aproximadamente 1800 veces menor que el tiempo de termalización de electrones. Este mecanismo de enfriamiento también reduce la pérdida de radiación de electrones. Este es particularmente importante para combustibles avanzados, en donde las pérdidas de radiación son incrementadas por iones de combustible con un número atómico Z mayor que 1 ; Z > 1. El campo electrostático también afecta el transporte de iones. La mayoría de las órbitas de partículas en la capa de plasma 106 son órbitas de betatrón 112. Las colisiones de ángulo grande, es decir, colisiones con ángulos de dispersión entre 90° y 180°, pueden cambiar una órbita de betatrón a una órbita de deriva. Como se describió antes, la dirección de rotación de la órbita de deriva es determinada por una competencia entre la deriva Ex B y la deriva de gradiente. Si la deriva Ex B domina, la órbita de deriva gira en la dirección diamagnética. Si la deriva de gradiente domina, la órbita de deriva gira en la dirección contradiamagnética. Esto se muestra en las figuras 13A y 13B. La figura 13A muestra una transición de una órbita de betatrón a una órbita de deriva debida a una colisión de 180°, que ocurre en el punto 172. La órbita de deriva continúa girando en la dirección diamagnética debido a que la deriva Éx B domina. La figura 13B muestra otra colisión de 180°, pero en este caso el campo electrostático es débil y la deriva de gradiente domina. La órbita de deriva por lo tanto gira en la dirección contradiamagnética. La dirección de rotación de la órbita de deriva determina si está o no confinada. Una partícula que se mueve en una órbita de deriva también tendrá una velocidad paralela al eje FRC. El tiempo que le toma a la partícula ir de un extremo de la FRC al otro, como resultado de su movimiento paralelo, se denomina tiempo de tránsito; por lo tanto, las órbitas de deriva alcanzan un extremo de la FRC en un tiempo del orden del tiempo de tránsito, como se muestra en conexión con la figura 10A, la fuerza de Lorentz en los extremos de la FRC está confinando sólo para órbitas de deriva que giran en la dirección diamagnética. Después de un tiempo de tránsito, por lo tanto, los iones en las órbitas de deriva que giran en la dirección contradiamagnética se pierden. Este fenómeno explica un mecanismo de pérdida para iones, que se espera que hayan existido en todos los experimentos de FRC. De hecho, en estos experimentos, los iones portaron la mitad de la corriente y los electrones portaron la otra mitad. En estas condiciones, el campo eléctrico dentro del plasma fue insignificante, y la deriva de gradiente siempre dominó la deriva Éx B . Por lo tanto, todas las órbitas de deriva producidas por colisiones de ángulo grande se perdieron después de un tiempo de tránsito. Estos experimentos reportaron velocidades de difusión de iones que fueron más rápidas que aquellas predichas por estimados de difusión clásicos. Si hay un campo electrostático fuerte, la deriva É B domina la deriva de gradiente, y las órbitas de deriva giran en la diamagnética. Esto se mostró antes en conexión con la figura 13A. Cuando estas órbitas alcanzan los extremos de la FRC, son reflejadas hacia la región de líneas de campo cerradas por la fuerza de Lorentz; por lo tanto, permanecen confinadas en el sistema. Los campos electrostáticos en el sistema de haz de colisión pueden ser suficientemente fuertes, por lo que la deriva Éx B domína la deriva de gradiente. Por lo tanto, el campo electrostático del sistema se evitaría el transporte de iones al eliminar este mecanismo de pérdida de iones, que es similar a un cono de pérdida en un dispositivo de espejo.

Otro aspecto de difusión de iones pueden ser apreciados al considerar el efecto de colisiones de electrón-ion de ángulo pequeño sobre las órbita de betatrón. La figura 14A muestra una órbita de betatrón 112; la figura 14B muestra la misma órbita 112 cuando se consideran colisiones de electrón-ion de ángulo pequeño 174; la figura 14C muestra la órbita de la figura 14B seguida por un tiempo que es más largo por un factor de diez 176; y la figura 14D muestra la órbita de la figura 14B seguida por un tiempo más largo por un factor de veinte 178. Se puede ver que la topología de órbitas de betatrón no cambia debido a colisiones electrón-ion de ángulo pequeño; sin embargo, la amplitud de sus oscilaciones radiales crece con el tiempo. De hecho, las órbitas mostradas en las figuras 14A a 14D se expanden con el tiempo, lo que indica difusión clásica.

Formación de la FRC Procedimientos convencionales usados para formar una FRC principalmente utiliza el procedimiento de campo revertido de compresión teta. En este método convencional, un campo magnético de desviación es aplicado por bobinas externas que rodean una cámara retrollenada con gas neutro. Una vez que esto ha ocurrido, el gas es ionizado y el campo magnético de desviación es congelado en el plasma. En seguida, la corriente en las bobinas externas es rápidamente revertida y las líneas de campo magnético opuestamente orientadas conectan con las líneas previamente congeladas para formar la topología cerrada de la FRC (véase figura 3). Este proceso de formación es en gran medida empírico y casi no existen medios para controlar la formación de la FRC. El método tiene capacidad de reproducción deficiente y sin capacidad de sintonización como resultado. Por el contrario, los métodos de formación de FRC de la presente invención permiten un amplio control y proveen un procedimiento mucho más transparente y reproducible. De hecho, la FRC formada por los métodos de la presente invención pueden ser sintonizados y su forma así como otras propiedades pueden ser directamente influenciadas por manipulación del campo magnético aplicado por las bobinas de campo externas 325. La formación de la FRC por los métodos de la presente invención también da por resultado la formación del campo eléctrico y pozo potencial de la manera descrita con detalle antes. Más aún, los métodos de la presente invención pueden ser fácilmente extendidos para acelerar la FRC a los parámetros de nivel del reactor y corrientes de combustible de alta energía, y ventajosamente permite el confinamiento clásico de los iones. Además, la técnica se puede utilizar en un dispositivo compacto y es muy robusto así como fácil de implementar - todas las características altamente deseables para sistemas de reactor. En los métodos de la presente invención, la formación de FRC se relaciona con el haz de plasma circulante 335. Se puede apreciar que el haz de plasma circulante 335, puesto que es una corriente, crea un campo magnético poloidal, como lo haría una corriente eléctrica en un alambre circular. Dentro del haz de plasma circulante 335, el campo magnético propio que induce se opone al campo magnético externamente aplicado debido a la bobina externa 325. Fuera del haz de plasma 335, el campo magnético propio está en la misma dirección que el campo magnético aplicado. Cuando la corriente de ion de plasma es suficientemente grande, el campo propio supera el campo aplicado, y el campo magnético invierte el interior del haz de plasma circulante 335, formando así la topología de FRC como se muestra en las figuras 3 y 5. Los requerimientos para reversión de campo se pueden estimar con un modelo simple. Se considera una corriente eléctrica /p portada por un anillo de radio mayor r0 y a « r0. El campo magnético en el centro del anillo normal a los anillos es Bp - 2plp/(cro). Supóngase que la corriente de anillo Ip = ?/pe(O0/2p) es portado por iones Np que tienen una velocidad angular O0. Para un solo ion que circula a un radio r0 = V0/O0, Oo = eB lm,c es la frecuencia de ciclotrón para un campo magnético externo B0. Supóngase que V0 es la velocidad promedio de los iones de hace. La reversión de campo se define como B„ =-^—^ = 2B0 , (3) Lo que implica que Np >2 rol ,, y e? X = ^, (4) en donde a, = e2l m,c2 - 1.57 x 10"16 cm y la energía del haz de iones es V m,V02. En el modelo unidimensional, el campo magnético de la corriente de plasma es Bp = (2p/c)/p, en donde ip es corriente por unidad de longitud. El requerimiento de reversión de campo es ip > eVo/pr0a¡ - 0.225 kA/cm, en donde ß0 = 69.3 G y Vi m¡V02 = 100 eV. Para un modelo con anillos periódicos y ßz es promediado sobre las coordenadas de ejes (ß2) = (2p/c)[/p / s) (s es la separación de anillo), si s = r0, este modelo tendría el mismo campo magnético promedio que el modelo unidimensional con ip = Ip/s.

Técnica de formación de haz/betatrón combinada Un método preferido para formar una FRC dentro del sistema de confinamiento 300 descrito anteriormente se denomina aquí la técnica de haz/betatrón combinada. Este enfoque combina haces de baja energía de ¡ones de plasma con aceleración de betatrón usando la bobina de flujo de betatrón 320. El primer paso en este método es inyectar una capa de nube sustancialmente anular de plasma de fondo en la cámara 310 usando las fuentes de plasma de fondo 345. La bobina externa 325 produce un campo magnético dentro de la cámara 310, que magnetiza el plasma de fondo. A intervalos cortos, haces de iones de baja energía son inyectados en la cámara 310 a través de los puertos inyectores 340 sustancialmente atraviesan al campo magnético externamente aplicado dentro de la cámara 310. Como se explicó antes, los haces de iones son atrapados dentro de la cámara 310 en órbitas de betatrón grandes por este campo magnético. Los haces de iones pueden ser generados por un acelerador de iones, tal como un acelerador que comprende un diodo de iones y un generador Marx (véase R.B. Miller, An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams (1982)). Como lo puede apreciar un experto en la técnica, el campo magnético aplicado ejercerá una fuerza de Lorentz sobre el haz de iones inyectado tan pronto como entra a la cámara 310; sin embargo, se desea que el haz no se desvíe, y por lo tanto no entre a una órbita de betatrón, hasta que el haz de iones alcance el haz de plasma circulante 335. Para resolver este problema, los haces de iones son neutralizados con electrones y, como se ¡lustra en la figura 15, cuando el haz de iones 350 es dirigido a través de un campo magnético apropiado, tal como el campo magnético aplicado unidireccional dentro de la cámara 310, los iones positivamente cargados y los electrones negativamente cargados se separan. El haz de iones 350 por lo tanto adquiere una auto-polarización eléctrica debido al campo magnético. Este campo magnético también puede ser producido, v.gr., un imán permanente o por un electroimán a lo largo de la trayectoria del haz de iones. Cuando se introduce subsecuentemente en la cámara de confinamiento 310, el campo eléctrico resultante balancea la fuerza magnética sobre las partículas del haz, permitiendo que el haz de iones sea derivado sin desviarse. La figura 16 muestra una vista superior del haz de iones 350 a medida que hace contacto con el plasma 335. Como se ilustra, los electrones del plasma 335 viajan a lo largo de las líneas de campo magnético hacia adentro o hacía fuera del haz 350, que drena así la polarización eléctrica del haz. Cuando el haz ya no es eléctricamente polarizado, el haz se une al haz de plasma circulante 335 en una órbita de betatrón alrededor del eje principal 315, como se muestra en la figura 1 (véase también figura 5). Cuando el haz de plasma 335 viaja en su órbita de betatrón, los iones en movimiento comprenden una corriente, que a su vez da origen a un auto-campo magnético poloidal. Para producir la topología de FRC dentro de la cámara 310, es necesario incrementar la velocidad del haz de plasma 335, incrementando así la magnitud del auto-campo magnético que causa el haz de plasma 335. Cuando el auto-campo magnético es suficientemente grande, la dirección del campo magnético a distancias radiales del eje 315 dentro del haz de plasma 335 se invierte, dando origen a una FRC. (Véase figuras 3 y 5). Se puede apreciar que, para mantener la distancia radial del haz de plasma circulante 335 en la órbita de betatrón, es necesario incrementar el campo magnético aplicado desde la bobina externa 325 a medida que el haz de plasma circulante 335 incrementa en velocidad. Un sistema de control por lo tanto se provee para mantener un campo magnético apropiado aplicado, dictado por la corriente a través de la bobina externa 325. Alternativamente, una segunda bobina externa se puede usar para proveer el campo magnético aplicado adicional que se requiere para mantener el radio del haz de la órbita del plasma a medida que es acelerado. Para incrementar la velocidad del haz de plasma circulante 335 en su órbita, se provee la bobina de flujo de betatrón 320. Haciendo referencia a la figura 17, se puede apreciar que al incrementar una corriente a través de la bobina de flujo de betatrón 320, por la ley de Ampere, induce un campo eléctrico azimutal, E, dentro de la cámara 310. Los iones positivamente cargados en el haz de plasma 335 son acelerados por este campo eléctrico inducido, conduciendo a reversión de campo como se describió antes. Cuando los haces de iones 350, que son neutralizados y polarizados como se describió antes, se añaden al haz de plasma circulante 335, el haz de plasma 335 despolariza los haces de iones. Para reversión de campo, el haz de plasma circulante 335 es preferiblemente acelerado a una energía de rotación de aproximadamente 100 eV, y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 75 eV a 125 eV. Para alcanzar condiciones relevantes de fusión, el haz de plasma circulante 335 es preferiblemente acelerado a aproximadamente 200 keV y preferiblemente a un intervalo de aproximadamente 100 keV a 3.3 MeV. La formación de FRC se demostró exitosamente utilizando la técnica de formación de haz/betatrón combinada. La técnica de formación de haz/betatrón combinada se realizó experimentalmente en una cámara de 1 m de diámetro y 1.5 m de longitud usando un campo magnético externamente aplicado de hasta 500 G, un campo magnético del plasma giratorio inducido por la bobina de flujo de betatrón 320 de hasta 5 kG, y un vacío de 1.2 x 10"5 torr. En el experimento, el plasma de fondo tenía una densidad de 1013 cm"3 y el haz de iones fue un haz de hidrógeno neutralizado que tenía una densidad de 1.2 x 1013 cm"3, una velocidad de 2 x 107 cm/s, y una longitud de pulso de alrededor de 20 µs (a altura media). Se observó reversión de campo.

Técnica de formación de betatrón Otro método preferido para formar FRC dentro del sistema de confinamiento 300 aquí se denomina la técnica de formación de betatrón. Esta técnica se basa en impulsar la corriente inducida por betatrón directamente para acelerar un haz de plasma circulante 335 usando la bobina de flujo de betatrón 320. Una modalidad preferida de esta técnica usa el sistema de confinamiento 300 ilustrado en la figura 1 , excepto que la inyección de haces de iones de baja energía no es necesaria. Como se indica, el componente principal en la técnica de formación de betatrón es el flujo de betatrón 320 montada en el centro y a lo largo del eje de la cámara 310. Debido a sus construcciones de devanado paralelas separadas, la bobina 320 exhibe inductancia muy baja y, cuando se acopla a una fuente de potencia adecuada, tiene una constante de tiempo de LC baja, que permite un ascenso rápido de la corriente en la bobina de flujo 320. Preferiblemente, la formación de la FRC empieza energizando las bobinas de campo externo 325, 330. Esto provee un campo de guía axial así como componentes de campo magnético radiales cerca de los extremos para confinar axialmente el plasma inyectado en la cámara 310. Un campo magnético suficiente se establece, las fuentes de plasma de fondo 345 son energizadas de sus propios suministros de potencia. El plasma que emana de los disparadores viaja a lo largo del campo de guía axial y se distribuye ligeramente debido a su temperatura. A medida que el plasma alcanza el plano medio de la cámara 310, se establece una capa anular continua que se extiende axialmente de plasma de movimiento lento frío. En este punto, la bobina de flujo de betatrón 320 es energizada. La corriente de aumento rápido en la bobina 320 causa un flujo axial cambiante rápido en el interior de la bobina. En virtud de los efectos inductores este rápido incremento en flujo axial causa la generación de un campo eléctrico azimutal E (véase la figura 18), que penetra el espacio que rodea la bobina de flujo. Por ecuaciones de Maxwell, este campo eléctrico E es directamente proporcional al cambio en resistencia del flujo magnético dentro de la bobina, es decir: un aumento de la corriente de bobina de betatrón más rápida conducirá a un campo eléctrico más fuerte. El campo eléctrico inductivamente creado E se acopla a las partículas cargadas en el plasma y causa una fuerza ponderomotriz, que acelera las partículas en la capa de plasma anular. Los electrones, en virtud de su masa más pequeña, son la primera especie en experimentar la aceleración. La corriente inicial formada por este procedimiento es, por lo tanto, debida principalmente a electrones. Sin embargo, suficiente tiempo de aceleración (de aproximadamente cientos de micro-segundos) finalmente también conducirá a corriente de iones. Con referencia a la figura 18, este campo eléctrico E acelera los electrones y ¡ones en direcciones opuestas. Una vez que ambas especies alcanza sus velocidades terminales, la corriente se lleva a cabo igualmente por iones y electrones. Como se indicó anteriormente, la corriente portada por el plasma giratorio da origen a un auto-campo magnético. La creación de la topología de FRC real se establece cuando el auto-campo magnético creado por la corriente en la capa de plasma se vuelve comparable al campo magnético aplicado de las bobinas de campo extemas 325, 330. En este punto magnético, la reconexión ocurre las líneas de campo abierto del campo magnético externamente producido inicial empieza a cerrarse y forma las superficies de flujo de FRC (véase figuras 3 y 5). La FRC de base establecida por este método exhibe energías de campo magnético y partícula moderadas que típicamente no están en los parámetros de operación operantes pertinentes del reactor. Sin embargo, el campo de aceleración eléctrica inductora persistirá, siempre que la corriente en la bobina de flujo de betatrón 320 continúa incrementando a una velocidad rápida. El efecto de este proceso es que la energía y resistencia de campo magnético total de la FRC continúa creciendo. El grado del procedimiento es, por lo tanto, principalmente limitado por el suministro de potencia de la bobina de flujo, como suministro continuo de corriente requiere un banco de almacenamiento de energía masivo. Sin embargo, es, en principio, dirigidos a acelerar el sistema para las condiciones pertinentes del reactor. Para reversión de campo, el haz de plasma circulante 335 es preferiblemente acelerado a una energía de rotación de aproximadamente 100 eV, y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 75 eV a 125 eV. Para alcanzar condiciones relevantes de fusión, el haz de plasma circulante 335 es preferiblemente acelerado a aproximadamente 200 keV y preferiblemente a un intervalo de aproximadamente 100 keV a 3.3 MeV. Cuando haces de iones se añaden al haz de plasma circulante 335, como se describió antes, el haz de plasma 335 despolariza los haces de iones. La formación de FRC utilizando la técnica de formación de betatrón se demostró exitosamente en los siguientes niveles de parámetros: • Dimensiones de cámara de vacío: aproximadamente 1 m de diámetro, 1.5 m de largo. • Radio de la bobina de betatrón de 10 cm. • Radio de la órbita del plasma de 20 cm. • Media del campo magnético externo producido en la cámara de vacío fue hasta de 100 Gauss, con un período de incremento de 150 µs y una relación de espejo de 2 a 1. (Fuente: Bobinas externas y bobinas de betatrón). • El plasma de fondo (sustancialmente hidrógeno gaseoso) fue caracterizado por una media de la densidad de aproximadamente 1013 cm"3, de temperatura cinética menor que 10 eV. • El tiempo de vida de la configuración estuvo limitado por la energía total almacenada en el experimento y generalmente fue de aproximadamente 30 µs. Los experimentos procedieron al inyectar primero una capa de plasma de fondo por dos conjuntos de disparadores de cable coaxial montados de una manera circular dentro de la cámara. Cada colección de 8 disparadores se montó en uno de los dos ensambles de bobina de espejo. Los disparadores se separaron azimutalmente de una manera equidistante y desfasados en relación con el otro conjunto. Esta disposición permitió que los disparadores fueran disparados simultáneamente y crearan así una capa de plasma anular. Con el establecimiento de esta capa, la bobina de flujo de betatrón fue energizada. El aumento de corriente en los devanados de la bobina de betatrón causó un incremento en el flujo dentro de la bobina, que dio origen a un enrollamiento campo eléctrico azimutal alrededor de la bobina de betatrón. El incremento rápido y la alta corriente en la bobina de flujo de betatrón produjo un campo eléctrico fuerte, que aceleró la capa de plasma anular e indujo así una corriente dimensionable. Corriente de plasma suficientemente fuerte produjo un auto-campo magnético que alteró el campo externamente suministrado y causó la creación de la configuración de campo invertido. Mediciones detalladas con bucles de punto B identificaron la extensión, resistencia y duración de la FRC. Un ejemplo de datos típicos se muestra por los trazos de señales de sonda de punto B en la figura 19. La curva de datos A representa la resistencia absoluta del componente axial del campo magnético en el plano medio axial (75 cm de cualquier placa extrema) de la cámara experimental y en una posición radial de 15 cm. La curva de datos B representa la resistencia absoluta del componente axial del campo magnético en el plano medio axial de la cámara y en una posición radial de 30 cm. El conjunto de datos de la curva A, por lo tanto, indica la resistencia del campo magnético dentro de la capa de plasma de combustible (entre la bobina de betatrón y el plasma) mientras que el conjunto de datos de la curva B ilustra la resistencia del campo magnético fuera de la capa de plasma de combustible. Los datos indican claramente que el campo magnético interno invierte la orientación (es negativa) entre aproximadamente 23 y 47 µs, mientras que el campo externo permanece positivo, es decir, no invierte la orientación. El tiempo de la reversión es limitado por el aumento de corriente en la bobina de betatrón. Una vez que la corriente pico es alcanzada en la bobina de betatrón, la corriente inducida en la capa de plasma de combustible empieza a disminuir y la FRC se descompone rápidamente. Hasta ahora el tiempo de vida de la FRC está limitado por la energía que puede ser almacenada en el experimento. Igual que con los experimentos de inyección y atrapamiento, el sistema puede ser perfeccionado para proveer tiempo de vida de FRC más largo y aceleración a los parámetros pertinentes del reactor. En general, esta técnica no sólo produce una FRC compacta, sino también robusta y dirigida al implemento. De manera más importante, la FRC de base creada por este método puede ser fácilmente acelerado a cualquier nivel deseado de energía de rotación y resistencia de campo magnético. Esto es crucial para aplicaciones de fusión y confinamiento clásico de haces de combustible de alta energía.

Fuente de plasma inductivo Las técnicas de formación de FRC de betatrón y haz/betatrón anteriormente descritas, se basan en impartir energía a un plasma de fondo a través de la bobina de flujo 320. análogo a un transformador, la bobina de flujo realiza los trabajos de los devanados primarios del transformador, mientras que el plasma actúa como los devanados secundarios. Para que este sistema inductivo funcione eficientemente, es imperativo que el plasma sea un buen conductor. Contrario a los conductores típicos, tales como metales, un plasma se vuelve menos resistivo y, por lo tanto, más conductivo a medida que incrementa su temperatura. La temperatura de los electrones del plasma, en particular, juega un papel importante y, a un grado más grande, determina la disipación, que es una función de colisiones electrón-ion. En esencia, la disipación se debe a resistencia, que es causada por colisiones de electrón-ion: mientras más alta es la frecuencia de colisión, más alta es la resistividad. Esto se debe al fenómeno colectivo en un plasma, en donde la sección transversal de colisión de Coulomb es determinada selectivamente. La frecuencia de colisión (la velocidad a la cual ocurren colisiones sucesivas) es esencialmente una función de densidad, sección transversal de dispersión de Coulomb determinada selectivamente y velocidad térmica (o promedio) de las cargas de colisión/dispersión, es decir: vc=nsv. Por definición, v está en escala con T1 2, s es proporcional a v"4 o, por lo tanto, T2. La frecuencia de colisión vc es, por lo tanto, proporcional a nT3/2. La resistividad está relacionada con la frecuencia de colisión por ?=vcm/ne2. Por lo tanto, la resistividad es proporcional a T"3/2 y, notablemente, independíente de la densidad - un resultado directo del hecho de que un cuando el número de portadores de carga incrementa con la densidad, el número de centros de dispersión incrementa también. Por lo tanto, la temperatura más alta conduce a conductividad de plasma más alto y menos pérdidas disipativas. Para lograr mejor rendimiento con respecto a confinamiento en una FRC, un plasma caliente es, por lo tanto, altamente deseable. En el caso del sistema de PEG, la temperatura de electrones incrementada conduce a inicio de FRC mejorado (mientras mejor conductor se vuelve el plasma, mejor será el acoplamiento inductivo entre el plasma y la bobina de flujo), mejor sustento de corriente (la resistividad de plasma reducida conduce a pérdidas menos funcionales/disipativas y por lo tanto menos pérdida de corriente) y resistencia de campo magnético más alta (mientras más fuerte es la corriente, habrá más auto-campo). La temperatura de electrones adecuada durante la formación de plasma inicial y antes de que la bobina de flujo sea enganchada conducirá a un mejor acoplamiento de la bobina de flujo al plasma (que ventajosamente conduce a reducir la formación de corrientes de imagen azimutales en la pared de la cámara). Esto a su vez dará por resultado aceleración de betatrón incrementada (menos resistividad conduce a mejor transferencia inductiva de energía de la bobina de flujo a plasma) y el calentamiento de plasma (algo de la energía direccional como lo representa el flujo de corriente giratorio se termalizará y se convertirá a energía aleatoria -conduciendo finalmente a calentamiento del plasma por la bobina de flujo), que consecuentemente incrementará el tiempo de colisión de ion-electrón (debido a temperatura más alta), reducirá la disipación (menos resistividad) y permitirá finalmente que se logren campos de FRC más altos (corrientes más altas conducen a campos más fuertes). Para lograr una temperatura de plasma inicial mejor, se provee una fuente de plasma inductivo. Como se ilustra en las figuras 20A, 20B y 20C, la fuente de plasma inductivo 1010 es montable dentro de la cámara 310 alrededor del extremo de la bobina de flujo 320 que incluye un ensamble de bobina de choque de una sola vuelta 1030 que es preferiblemente alimentada por una fuente de energía de alto voltaje (aproximadamente 5-15 kV) (no se muestra). Gas neutro, tal como hidrógeno (u otro combustible de fusión gaseoso apropiado), es introducido en la fuente 1010 a través de alimentaciones de gas directo por medio de la boquilla de Laval 1020. El flujo de gas es controlado preferiblemente por conjuntos de válvulas de bocanada ultrarrápida para producir un frente de choque limpio. Una vez que el gas emana de la boquilla 1020 y se distribuye sobre la superficie de los devanados de bobina 1040 de la bobina de choque 1030, los devanados 1040 son energizados. La corriente ultrarrápida y el incremento de flujo en la bobina de choque de inductancia baja 1030 conduce a un campo eléctrico muy alto dentro del gas que causa rompimiento, ionización y subsecuente expulsión del plasma formado desde la superficie de la bobina de choque 1030 hacia el centro de la cámara 310. El una modalidad preferida, la bobina de choque 1030 comprende un cuerpo en forma de disco anular 1030 delimitado por un anillo externo 1034 formado alrededor de su periferia externa y un cubo anular 1036 formado alrededor de su periferia interna. El anillo 1034 y el cubo 1036 se extienden axialmente más allá de la superficie del cuerpo 1032 formando los bordes de un canal anular superior abierto 1035. El cuerpo 1032, anillo 1034 y cubo 1036 son formados preferiblemente a través de una construcción moldeada unitaria de un material no conductor apropiado con buenas propiedades de vacío y propiedades de desgasificación bajas tales como vidrio, plexiglás, pirex, cuarzo, cerámica o similares. Una mortaja de multisección 1012 está acoplada preferiblemente al anillo 1034 de la bobina de choque 1030 para limitar el plasma producido de deriva radialmente. Cada sección 1014 de la mortaja 1012 incluye una pluralidad de proyecciones que se extienden axialmente 1016. Los extremos de cada sección 1014 incluyen una ménsula de montaje 1015. Los devanados de bobina 1040 son preferiblemente fijados a la cara del cuerpo de la bobina 1032 en el canal 1035 usando epoxi o algún otro adhesivo apropiado. Para obtener características electromagnéticas rápidas de la bobina de choque 1030, es importante mantener su inductancia tan baja como sea posible. Esto se logra usando unas pocas vueltas en la bobina 1040 como sea posible, así como construyendo la bobina 1040 de múltiples filamentos de alambre 1042 que son devanados en paralelo. En una modalidad ilustrativa, la bobina 1040 comprendía 24 filamentos de alambre paralelos 1042, cada uno de los cuales ejecutaba un bucle. Lo alambres 1042 cada uno estando en puntos de entrada 1044 están ubicados preferiblemente aproximadamente 15 grados de separación sobre el perímetro exterior del cuerpo 1032 y el extremo después de únicamente un eje rodeando la vuelta en los puntos de salida 1046 sobre el radio interno del cuerpo 1032. Los devanados de bobina 1040, por lo tanto, cubren el área entera entre los bordes interno y externo del canal 1035. Preferiblemente, grupos de filamentos 1042 están conectados al mismo banco de almacenamiento capacitivo. En general, la potencia se puede alimentar a todos los filamentos 1042 desde el mismo banco de almacenamiento capacitivo o, como en el modalidad ilustrativa, 8 grupos de 3 filamentos 1042 cada uno están conectados juntos y comúnmente alimentados por uno de 2 bancos de almacenamiento capacitivos separados. Un cuerpo de boquilla en forma de disco anular 1022 está acoplado alrededor de su perímetro interno al cubo 1036 para formar la boquilla de Laval 1020. La superficie 1024 del cuerpo de boquilla 1022 que mira hacia el cubo 1036 tiene un perfil de sección media en expansión que define un pleno de gas anular 1025 entre la superficie 1024 y la cara 1037 del cubo 1036. Adyacente a la periferia externa del cuerpo de boquilla 1022, la superficie 1024 tiene un perfil de contracción a expansión que define una salida de boquilla de tipo Laval que se extiende azimutalmente 1023 entre la superficie 1024 y la cara 1037 del cubo 1036. Fijado al lado opuesto del cubo 1036 está un anillo de asiento de válvula 1050 con varios asientos de válvula 1054 formados en la cara externa del anillo 1050. Los asientos de válvula 1054 están alineados con canales de alimentación de gas 1052 formados a través del cubo 1036.

Durante el funcionamiento, gas neutro es alimentado a través de válvulas de bocanada ultrarrápida en los asientos de válvula 1054 a los canales de gas 1052 que se extienden a través del cubo 1036. Debido a la porción en contracción de la salida de boquilla 1023, el gas tiende a alimentarse hacia y llenar el pleno anular 1025 antes de emanar de la boquilla 1020. Una vez que el gas emana de la boquilla 1020 y se distribuye sobre la superficie de los devanados de bobina 1040 de la bobina de impacto 1030, los devanados 1040 son energizados. La corriente ultrarrápida y el incremento de flujo en la bobina de choque de ¡nductancia baja 1030 conduce a un campo eléctrico muy alto dentro del gas que causa rompimiento, ionización y subsecuente expulsión del plasma formado desde la superficie de bobina de choque 1030 hacia el centro de la cámara 310. El incremento de corriente preferiblemente es bien sincronizado en todos los filamentos 1042 o grupos de filamentos 1042 que se pretende que sean disparados juntos. Otra opción que es posible y potencialmente ventajosa es disparar diferentes grupos de filamentos en diferentes tiempos. Una demora puede ser deliberadamente instituida entre enganchar diferentes grupos de filamentos 1042 para disparar diferentes grupos de filamentos en diferentes tiempos. Cuando se disparan diferentes grupos de filamentos en diferentes tiempos es importante agrupar los filamentos de tal manera que la disposición sea azimutalmente simétrica y provea suficiente cobertura de la superficie de la bobina 1040 con alambres que portan corriente 1042 en cualquier pulso de potencia dado. De esta manera, es posible crear por lo menos dos pulsos de plasma consecutivos pero distintos. La demora entre los pulsos es limitada por qué tanto gas neutro está disponible. En la práctica, es posible disparar dichos pulsos entre aproximadamente 5 y 600 microsegundos de separación. En la práctica, los parámetros de separación de entrada son preferiblemente como sigue: Voltaje de carga: aproximadamente 10 a 25 kV de suministro de separación Corriente: hasta aproximadamente 50 kA de corriente total a través de todos los devanados combinados Tiempo de pulso/aumento: hasta aproximadamente 2 microsegundos Presión de gas: aproximadamente -1.406 a 3.515 kg/cm2 Tamaño de pleno: aproximadamente 0.5 a 1 cm3 por válvula - es decir: aproximadamente 4 a 8 cm3 de volumen de gas total por disparo. En una modalidad ilustrativa, los parámetros de operación de entrada fueron los siguientes: Voltaje de carga: 12 a 17 kV de suministro de separación, es decir: de -12 kV a +12 kV Corriente: 2 a 4.5 kA por grupo de 3 filamentos, es decir: 16 a 36 kA de corriente total a través de todos los devanados combinados Tiempo de pulso/aumento: 1 a 1.5 microsegundos Presión de gas: -1.054 a 2.109 kg/cm2 Tamaño de pleno: 0.5 a 1 cm3 por válvula - es decir: 4 a 8 cm3 de volumen de gas total por disparo. El plasma creado por este método operacional de la fuente de plasma inductivo 1010 usando los parámetros anteriormente indicados tiene las siguientes características ventajosas: Densidad -4x1013 cm"3 Temperatura -10-20 eV Escala anular - 40-50 cm de diámetro Velocidad de deriva axial -5-10 eV. Debido a la forma y orientación de la fuente 1010, la forma del plasma emergente es anular y tiene un diámetro que tiende a ser igual al anillo de plasma giratorio de la FRC que se ha de formar. En un sistema de PEG de la presente invención, dos fuentes de plasma inductivo 1010 son preferiblemente colocados sobre cualquier extremo axial de la cámara 310 y preferiblemente disparados en paralelo. Las dos distribuciones de plasma formadas se derivan axialmente hacia el centro de la cámara 310 en donde forman la capa anular de plasma que es después acelerada por la bobina de flujo 320 como se describió antes.

Impulsor de RF para iones y electrones en FRC Un impulsor de corriente RF, llamado un rotomak, se ha utilizado para FRCs en los cuales la corriente es portada principalmente por electrones. Implica un campo magnético radial producido por dos antenas en fase. Los electrones son magnetizados y congelados a las líneas de campo magnético giratorias. Esto mantiene la corriente hasta que las colisiones de Coulomb de los ¡ones con electrones hace que los iones sean acelerados y reduce la corriente. El rotomak, sin embargo, no es adecuado para mantener la corriente indefinidamente, pero ha sido exitoso para milisegundos. En las FRCs del sistema de la presente invención la corriente principalmente es portada por iones que están en órbitas de betatrón que no serían congeladas para líneas de campo magnético giratorias. Los iones de órbita grande son importantes para estabilidad y difusión clásica. En lugar de antenas, se utilizan electrodos como en ciclotrones y los iones son impulsado por una onda electrostática. El problema es completamente electrostático porque la frecuencia de la RF es menos que 10 megaciclos por lo que la longitud de onda (30 m) es mucho mayor que cualquier dimensión del plasma. Los campos electrostáticos pueden penetrar el plasma de FRC mucho más fácilmente que las ondas electromagnéticas. La onda electrostática producida por electrodos está diseñada para viajar a una velocidad que es cercana a la velocidad azimutal por medio de iones, o de los electrones. Si la onda viaja más rápido que la velocidad promedio de los iones, los acelerará y por lo tanto compensará el arrastre debido a las colisiones de ion-electrón. Sin embargo, los electrones son acelerados por colisiones de Coulomb por los iones. En este caso, la onda debe tener una velocidad más lenta que la velocidad promedio del electrón y los electrones acelerarán la onda. La velocidad de electrones promedio es menor que la velocidad de iones promedio por lo que los electrones deben ser impulsados a dos frecuencias diferentes. La frecuencia más alta será para iones y la energía es preferiblemente suministrada por el circuito externo. Para electrones, la energía puede ser extraída a la frecuencia más baja.

Sistemas de electrodo Un sistema impulsor de RF de cuadripolo se muestra en las figuras 21 A y 21 B. Como se ilustra, el impulsor de RF comprende un ciclotrón cuadripolar 1110 ubicado dentro de la cámara 310 y que tiene cuatro electrodos azimutalmente simétricos alargados 1112 con espacios 1114 entre los mismos. El ciclotrón de cuadripolo 1110 preferiblemente produce una onda de potencial eléctrico que gira en la misma dirección que la velocidad azimutal de los iones, pero a una velocidad mayor. Los iones de velocidad apropiada pueden ser atrapados en esta onda y reflejados periódicamente. Este procedimiento incrementa el momento y la energía de los iones de combustible y este incremento es transportados a los iones de combustible que no son atrapados por colisiones. Los iones de combustible del plasma de combustible 335 pueden ser reemplazados por inyección de iones neutros a cualquier velocidad conveniente. Un método alternativo y complementario para impulsar corriente es aumentar el sistema de electrodo con bobinas de campo magnético adicionales 1116 ubicados alrededor de la bobina de flujo 325 y ciclotrón de cuadripolo 1110, y que son impulsadas a la mitad de la frecuencia de los electrodos del ciclotrón 1112. La siguiente discusión presentada aquí, sin embargo, está dedicada a ilustrar la única versión de electrodos (sin bobinas de campo magnético 1116). En la figura 21 C los electrodos son ilustrados para configuraciones de dos y cuatro electrodos. El potencial creado por los electrodos con los voltajes aplicados indicados se indica en la figura 21 C para un vacío en el espacio r < r,. Las expresiones son para la armónica más baja. Se obtienen resolviendo la ecuación de Laplace condiciones de colindancía apropiadas. Por ejemplo, el ciclotrón de dipolo F( ;-„,/) = -?o cos?t para O = ?= p (6) ~ V0cos?t para p = ?= lp F(r,& ) es finito. puesto que F(r,?; t) es periódica en ? con un periodo 2p, se puede expandir en una serie de Fourier, es decir: un(r ) = -±-2} d?'e~inO'F(r,0,,-t) (8) 2p 0 y un satisface la ecuación V„ COS?)t UÁro> - -(«""* -l)= 0 si w = 2,4... etc. inp w.(0, = 0 La armónica más baja es Las armónicas más altas son + (2/--l)£]--sen| t -(2/-l)0]} (12) La velocidad de onda en la dirección azimutal es ? = ±?l{2l- ) por lo que las armónicas más altas tienen una velocidad de fase y amplitud más pequeñas. Estos comentarios se aplican a ambos casos en la figura 21 C.

La frecuencia « sería cercana a ?, la frecuencia de rotación de los iones en un equilibrio de rotor rígido para la FRC. Por lo tanto, ? = ?, para / = 1. Para / = 2 ? = ?, /3 y la amplitud de onda sería sustancíalmente más baja; es por lo tanto una buena aproximación considerar sólo la armónica más baja.

Efecto de plasma La respuesta del plasma se puede describir por un tensor dieléctrico. El campo eléctrico produce corrientes de plasma que producen separación de carga de acuerdo con la ecuación de conservación de carga en donde J es densidad de corriente y p es densidad de carga. La ecuación apropiada es y - É = 4pp= 4p - E (14) o V - £- £ =-V . * - VF = 0 en donde e - \ + 4p? es e| tensor dieléctrico y ? es la polarizabilidad. Si sólo la contribución de los electrones se incluye el tensor e es diagonal con un componente i = 1 + im —X (15) 1 B2 en donde n es la densidad y B es el campo magnético de FRC. n y ß varían rápidamente con r y B - 0 sobre una superficie a r = r0 dentro del plasma. La expresión para d se deriva suponiendo electrones que tienen un giro-radio pequeño y el campo eléctrico cambia lentamente en comparación con Oc = eB/mc, la giro-frecuencia. La aproximación se rompe cerca de la superficie de valor cero. Las órbitas características cambian de órbitas de deriva a órbitas de betatrón que tienen una repuesta mucho menor al campo eléctrico, es decir, eL = i cerca de la superficie de valor cero a r - r0. Los ¡ones principalmente tienen órbitas de betatrón y para las órbitas de deriva la respuesta al campo eléctrico es pequeña debido a que el campo eléctrico cambia a la velocidad ? — ?¡- El resultado neto es que la ecuación de Laplace es reemplazada por que debe ser resuelta numéricamente. El término adicional se disipa cerca de r - r0. El potencial para la armónica más baja del caso del cuadripolo tiene la forma y una forma similar para el caso de dipolo. Las ondas que viajan en la dirección opuesta a los iones (o electrones) será insignificante.

Aceleración debida a iones atrapados en una onda electrostática Se supone que ? = 2?, + ?<y por lo que la onda , ? = ?/2 = ?¡ + Aoj 2 es un poco más rápida que los iones.- La función de distribución de rotor rígida estándar se supone para los iones La función de distribución reducida de interés es La velocidad de onda de la onda electrostática producida por el ciclotrón de cuadripolo es vw = r?/2 = r?, + ?vw. Los iones se mueven más rápido que el reflejo de onda si Esta incrementa la energía de onda, es decir Los iones se mueven más lento que el reflejo de onda si y la onda pierde energía a la velocidad Los resultados netos son simplificados con la carga de V? = v$ - vw variable, es decir La aproximación da por resultado en dW ' _ V 2 ,m,vw 2e 0 EL (24) dt ?=l,2 ? d a Esta tiene forma similar a amortiguación de Landau, pero no es físicamente la misma porque la amortiguación de Landau (crecimiento) es un fenómeno lineal y éste es claramente no lineal. Dado que Si vw = r?, no hay cambio en la energía de onda. Si Ww > r?, o ?vw 0, la energía de onda disminuye; para ?vw < 0 la energía de onda incrementa. Esto es similar a la interpretación de la amortiguación de Landau.

En el primer caso, ?vw > 0, hay más ¡ones que van más lento que la onda que va más rápida. Por lo tanto, la energía de onda disminuye. En el caso opuesto ?vw < 0, la energía de onda se incrementa. El primer caso se aplica al mantener la energía y momento de iones con un ciclotrón de cuadripolo. Este es el impulso de corriente. El último caso provee la base para un convertidor.

Las ecuaciones (22) y (24) se pueden usar evaluar la aplicabilidad a condiciones de reactor de fusión. La potencia transferida a los iones cuando vw ~ r?i = ?v,(, = v¡, la velocidad térmica del ion, es en donde dWI dt es determinada por las ecuaciones (24) y (25).

Para simplificar la integración F0 (r) es reemplazada por la ecuación F0 (?0), el valor en la densidad pico que es una colindancia inferior de la amplitud de onda.

N¡ es la densidad lineal de los iones. / = 1 ,2 se acomoda a dos tipos de iones que es usualmente el caso en un reactor. Los cálculos detallados de F(r) indican que la amplitud de onda F0 (r0) es aproximadamente un factor de 10 menos que el voltaje de espacio máximo que es 2V0. Esto determinará las limitaciones del método de impulso de RF. V0 será limitado por el voltaje de espacio máximo que puede ser sostenido que es preferiblemente de aproximadamente 10 kVolts para un espacio de 1 cm.

Requerimientos del reactor Para un impulso de corriente una potencia P¡ es preferiblemente transferida a los ¡ones a una frecuencia ?, y una potencia Pe es preferiblemente transferida a los electrones a la frecuencia ?e. Esto compensará las interacciones de Coulomb entre los electrones y los iones, lo que reduce la velocidad de los iones e incrementa la velocidad de los electrones. (En ausencia de las transferencia de potencia, las colisiones de Coulomb conducirán a la misma velocidad para electrones y iones y sin corriente). El campo eléctrico promedio para mantener el equilibrio de electrones y iones se da por 2prQ (E ) = IR (27) M ß. en donde / = y-to - ?c es la corriente/longitud de unidad y es la resistencia/longitud de unidad. Ne, N1t N2 son densidades de línea de electrones y iones Ne = N-,Z? + N2Z2 en donde Z Z2 son números atómicos de los iones; f1e y t2e son tiempos de transferencia de momento de iones a electrones. El campo eléctrico promedio es el mismo para iones o electrones porque Nt = N, para cuasi-neutralidad y la carga es opuesta. La potencia que debe ser transferida a los iones es P^2nrJw {E0) (28) y la potencia que puede ser extraída de los electrones es 1 = 2prQIc9 {E0) (29) en donde I® = Nee?¡ / 2py le? = Nee?e / 2p. Para reabastecer de combustible con el impulso de RF, el combustible puede ser reemplazado a cualquier energía a velocidades dadas por los tiempos de fusión ? = 1/n-? (sv)-? y tF2 = 1/n2 <sv)2; ni y n2 son densidades de ion de plasma y <sv) son reactividades. La magnitud se da en segundos. Los neutrales inyectados (para remplazar los iones de combustible que se queman y desaparecen) se ionizarán rápidamente y acelerarán debido a colisiones de Coulomb hasta la velocidad de ion promedio en un tiempo del orden de milisegundos (para densidades de reactor del orden de 1015 cm"3). Sin embargo, esto requiere una adición a <ET) y una adición para transferencia de potencia para mantener un estado constante. La adición es que incrementará la transferencia de potencia requerida por aproximadamente un factor de dos (2). La potencia puede ser provista para impulso de corriente y reabastecimiento de combustible sin exceder la amplitud de voltaje del espacio máxima de 10 kVolts/cm. Considerando que la frecuencia será de 1-10 Mega-Hertz y que el campo magnético será del orden de 100 kGauss no se esperarían rompimientos. La potencia que debe ser transferida al impulso de corriente y reabastecimiento de combustible es similar para cualquier método de impulso de corriente. Sin embargo, la tecnología de RF a 1-10 Mega-Hertz ha sido una tecnología de alta eficiencia establecida por muchos años. El método descrito que usa electrodos en lugar de antenas tiene una ventaja considerable porque las condiciones para penetración de campo son mucho más relajadas que las ondas electromagnéticas. Por lo tanto, este método tendría ventajas con respecto a la potencia y eficiencia circulante.

Fusión Significativamente, estas dos técnicas para formar una FRC dentro de un sistema de contención 300 descrito anteriormente, o similar, puede dar por resultados plasmas que tengan propiedades adecuadas para causar fusión nuclear en las mismas. Muy particularmente, la FRC formada por estos métodos se puede acelerar a cualquier nivel deseado de energía de rotación y resistencia de campo magnético. Esto es crucial para aplicaciones de fusión y confinamiento clásico de haces de combustible de alta energía. En el sistema de confinamiento 300, por lo tanto, se hace posible atrapar y confinar haces de plasma de alta energía para periodos suficientes de tiempo para causar una reacción de fusión con los mismos. Para acomodar la fusión, la FRC formada por estos métodos es preferiblemente acelerada a niveles apropiados de energía de rotación y resistencia de campo magnético por aceleración de betatrón. La fusión, sin embargo, tiende a requerir un conjunto particular de condiciones físicas para que tenga lugar cualquier reacción. Además, para lograr la combustión eficiente de combustible y obtener un equilibrio de energía positivo, el combustible se tiene que mantener en este estado sustancialmente sin cambiar durante periodos prolongados. Esto es importante, ya que la temperatura cinética alta y/o energía caracterizan un estado pertinente de fusión. La creación de este estado, por lo tanto, requiere entrada de energía dimensionable, que puede ser sólo recuperado si la mayor parte del combustible sufre fusión. Como consecuencia, el tiempo de confinamiento de combustible tiene que ser más largo que su tiempo de combustión. Esto conduce a un equilibrio de energía positivo y consecuentemente salida de energía neta. Una ventaja significativa de la presente invención es que el sistema de confinamiento y el plasma descritos aquí son capaces de tiempos de confinamiento largos, es decir, tiempos de confinamiento que exceden los tiempos de combustión de combustible. Un estado típico para fusión es, por lo tanto, caracterizado por las siguientes condiciones físicas (que tienden a variar con base en el combustible y modo de operación): Temperatura de ion promedio: en un intervalo de aproximadamente 30 a 230 keV y preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 80 keV a 230 keV Temperatura de electrón promedio: en un intervalo de aproximadamente 30 a 100 keV y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 80 a 100 keV. La energía coherente de los haces de combustible (haces de iones inyectados y haz de plasma circulante): en un intervalo de aproximadamente 100 keV a 3.3 MeV y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 300 keV a 3.3 MeV. Campo magnético total: en un intervalo de aproximadamente 47.5 a 120 kG y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 95 a 120 kG (con el campo externamente aplicado en un intervalo de aproximadamente 2.5 a 15 kG y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 5 a 15 kG). Tiempo de confinamiento clásico: mayor que el tiempo de combustión de combustible y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 10 a 100 segundos. Densidad de ion de combustible: en un intervalo de aproximadamente 1014 a menos de 1016 cm"3 y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 1014 a 1015 cm"3. Potencia de fusión total: preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 50 a 450 kW/cm (potencia por cm de longitud de cámara). Para acomodar el estado de fusión ilustrado anteriormente, la FRC es preferiblemente acelerada a un nivel de energía de rotación coherente preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 100 keV a 3.3 I eV, y muy preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 300 keV a 3.3 MeV, y un nivel de resistencia de campo magnético preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 45 a 120 kG, y muy preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 90 a 115 kG. A estos niveles, los haces de iones de energía alta, que son neutralizados y polarizados como se describió antes, se pueden inyectar en la FRC y atrapar para formar una capa de haz de plasma en donde los ioens del haz de plasma están magnéticamente confinados y los electrones del haz de plasma están electrostáticamente confinados. Preferiblemente, la temperatura de los electrones se mantiene tan baja como es prácticamente posible para reducir la cantidad de radiación de Bremsstrahlung, que, de otra manera, puede conducir a pérdida de energía radiante. El pozo de energía electrostática de la presente invención provee un medio efectivo para lograr esto. La temperatura de los iones preferiblemente se mantiene a un nivel que provee la combustión eficiente ya que la sección transversal de fusión es una función de la temperatura de los ¡ones. La energía directa alta de los haces de iones de combustible es esencial para proveer transporte clásico como se describe en esta solicitud. También reduce al mínimo los efectos de inestabilidades sobre el plasma de combustible. El campo magnético es consistente con la energía de rotación del haz. Parcialmente es creado por el haz de plasma (auto-campo) y a su vez provee el soporte y fuerza para mantener el haz de plasma en la órbita deseada.

Productos de fusión Los productos de fusión nacen en el núcleo de potencia predominantemente cerca de la superficie de valor cero 86 desde donde emergen por difusión hacia la separatriz 84 (véase figuras 3 y 5). Esto se debe a colisiones con electrones (ya que las colisiones con ¡ones no cambian el centro de la masa y por lo tanto no hacen que cambien las líneas de campo). Debido a su energía cinética alta (¡ones de producto de fusión tienen energía mucho más alta que los iones de combustible), los productos de fusión pueden cruzar fácilmente la separatriz 84. Una vez que están más allá de la separatriz 84, pueden dejar a lo largo de líneas de campo abiertas 80 siempre que experimenten dispersión de colisiones ion-ion. Aunque este proceso de colisión no conduce a difusión, puede cambiar la dirección de vector de velocidad del ion de tal manera que apunta paralelo al campo magnético. Las líneas de campo abiertas 80 conectan la topología de FRC del núcleo con el campo aplicado uniforme provisto fuera de la topología de FRC. Los iones del producto emergen sobre diferentes líneas de campo, que siguen con una distribución de energías. Ventajosamente, los iones de producto y electrones neutralizantes de carga emergen en forma de haces anulares de rotación desde ambos extremos del plasma de combustible. Por ejemplo para un diseño de 50 MW de una reacción de p-B11, estos haces tendrán un radio de aproximadamente 50 centímetros y un espesor de aproximadamente 10 centímetros. En los campos magnéticos fuertes encontrados fuera de la separatriz 84 (típicamente alrededor de 100 kG), los iones de producto tiene una distribución asociada de giro-radios que varía de un valor mínimo de aproximadamente 1 cm a un máximo de alrededor de 3 cm para los iones de producto más energéticos. Inicialmente, los iones de producto tienen energía longitudinal así como rotacional caracterizado por 1 M(vpar)2 y ? M(vperp)2- vperp es la velocidad azimutal asociada con la rotación alrededor de la línea de campo como el centro orbital. Puesto que las líneas de campo se dispersan después de dejar la vecindad de la topología de FRC, la energía de rotación tiende a disminuir mientras la energía total permanece constante. Esta es consecuencia de la invariancia adiabática del momento magnético de los iones de producto. Es bien sabido en la técnica que las partículas cargadas que orbitan en un campo magnético tienen un momento magnético asociado con su movimiento. En el caso de partículas que se mueven a lo largo de un campo magnético de cambio lento, también existe una invariante adiabática del movimiento descrito por 1/2 M(vperp)2/B. Los iones de producto que orbitan alrededor de sus líneas de campo respectivas tienen un momento magnético y una invariante adiabática asociada con su movimiento. Puesto que B disminuye por un factor de aproximadamente 10 (indicado por la distribución de las líneas de campo), vperp disminuirá así mismo en aproximadamente 3.2. Por lo tanto, en el tiempo en que los iones de producto llegan a la región de campo uniforme, su energía de rotación será menor que 5% de su energía total; en otras palabras, casi toda la energía está en el componente longitudinal.

Conversión de energía El sistema de conversión de energía directo de la presente invención comprende un convertidor de ciclotrón inverso (ICC) 420 mostrado en las figura 22A y 23A acoplado a un núcleo de potencia (parcialmente ¡lustrado) 436 de un reactor de fusión de haz de colisión (CBFR) 410 para formar un sistema de generación de energía eléctrica por plasma 400. Un segundo ICC (no mostrado) puede estar dispuesto simétricamente a la izquierda del CBFR 410. Una cúspide magnética 486 está ubicada entre el CBFR 410 y el ICC 420 y está formada cuando los campos magnéticos de CBFR 410 y ICC 420 se fusionan.

Antes de describir el ICC 420 y su operación con detalle, se provee una revisión de un acelerador de ciclotrón típico. En aceleradores de ciclotrón convencionales, los iones energéticos con velocidades perpendiculares al campo magnético giran en círculos. El radio de la órbita de los iones energéticos es determinado por la resistencia de campo magnético y su relación de carga a masa, e incrementa con la energía. Sin embargo, la frecuencia de rotación de los iones es independiente de su energía. Ese hecho ha sido explotado en el diseño de aceleradores de ciclotrones. Haciendo referencia a la figura 24A, un acelerador de ciclotrón convencional 700 incluye dos electrodos en forma de C de imagen de espejo 710 que forma cavidades en forma D de imagen de espejo colocadas en un campo magnético homogéneo 720 que tiene líneas de campo perpendiculares al plano de simetría de los electrodos, es decir, el plano de la página. Un potencial eléctrico oscilante se aplica entre los electrodos en forma de C (véase figura 21 B). Los iones I son emitidos desde una fuente colocada en el centro del ciclotrón 700. El campo magnético 720 es ajustado de tal manera que la frecuencia de rotación de los iones se acopla a la del potencial eléctrico y campo eléctrico asociado. Si un ion I cruza el espacio 730 entre los electrodos en forma de C 710 en la misma dirección que la del campo eléctrico, se acelera. Al acelerar el ion I, su energía y radio de la órbita se incrementan. Cuando el ion ha viajado un arco de semicírculo (que no experimenta incremento en la energía), cruza el espacio 730 nuevamente. Ahora el campo eléctrico entre los electrodos en forma de C 710 ha revertido la dirección. El ion I es nuevamente acelerado, y su energía es adicionalmente incrementada. Este proceso se repite cada vez que el ion cruza el espacio 730 siempre que su frecuencia de rotación continúe acoplándose al campo eléctrico oscilante (véase figura 24C). Si por otra parte una partícula cruza el espacio 730 cuando el campo eléctrico está en la dirección opuesta será desacelerada y regresada a la fuente en el centro. Sólo partículas con velocidades iniciales perpendiculares al campo magnético 720 y que cruzan los espacios 730 en la fase apropiada del campo eléctrico oscilante serán acelerados. Por lo tanto, el acoplamiento de la fase apropiada es esencial para la aceleración. En principio, el ciclotrón se podria usar para extraer energía cinética de un haz de lápiz de iones energéticos idénticos. La desaceleración de iones con un ciclotrón, pero sin extracción de energía se ha observado para protones, como se describe en Bloch y Jeffries en Phys. Rev. 80, 305 (1950). Los iones podrían ser inyectados en la cavidad de tal manera que se llevaran a una fase de desaceleración en relación con el campo oscilante. Todos los iones entonces revertirían la trayectoria T del ion de aceleración mostrado en la figura 24A. A medida que los iones se hacen lentos debido a la interacción con el campo eléctrico, su energía cinética es transformada a energía eléctrica oscilante en el circuito eléctrico del cual el ciclotrón es parte. La conversión directa a energía eléctrica se lograría, tendiendo a ocurrir con eficiencia muy alta. En la práctica, los iones de un haz de ¡ones entraría al ciclotrón con todas las fases posibles. A menos que las fases variables sean compensadas en el diseño del ciclotrón, mitad de los ¡ones serían acelerados y la otra mitad desacelerados. Como resultado, la eficiencia de conversión máxima sería efectivamente de 50%. Más aún, los haces de iones de producto de fusión anular descritos anteriormente son de una geometría no adecuada para el ciclotrón convencional. Como se describe con detalle más adelante, el ICC de la presente invención acomoda el carácter anular de los haces de producto de fusión que salen de la FRC del núcleo de potencia del reactor de fusión, y la fase relativa aleatoria de los iones dentro del haz y la dispersión de sus energías. Haciendo referencia nuevamente a la figura 22A, una porción de un núcleo de potencia 436 del CBFR 410 se ¡lustra en el lado izquierdo, en donde un núcleo de plasma 435 está confinado en una FRC 470 formada en parte debido al campo magnético aplicado por bobinas de campo exterior 425. La FRC 470 incluye líneas de campo cerradas 482, una separatriz 484 y líneas de capo abiertas 480, que, como se indicó anteriormente, determina las propiedades del haz anular 437 de los producto de fusión. Las líneas de capo abiertas 480 se extienden del alejamiento del núcleo de potencia 436 hacía la cúspide magnética 486. Como se indicó anteriormente, los productos de fusión emergen del núcleo de potencia 436 a lo largo de las líneas de campo abiertas 480 en forma de un haz anular 437 que comprende iones energéticos y electrones neutralizantes de carga.

La geometría del ICC 420 es como un cilindro hueco con una longitud de aproximadamente cinco metros. Preferiblemente, cuatro o más electrodos semicilíndricos iguales 494 con pequeños espacios rectos 497 constituyen la superficie del cilindro. Durante el funcionamiento, un potencial oscilante se aplica a los electrodos 494 de una manera alternante. El campo eléctrico E dentro del convertidor tiene una estructura de cuadripolo como se indica en la vista extrema ilustrada en la figura 22B. El campo eléctrico E se disipa sobre el eje de simetría e incrementa linealmente con el radio; el valor pico está en el espacio 497. Además, el ICC 420 incluye bobinas de campo externas 488 para formar un campo magnético uniforme dentro de la geometría de cilindro hueco del ICC. Puesto que la corriente corre a través de las bobinas de campo de ICC 488 en una dirección opuesta a la dirección de la corriente que corre a través de las bobinas de campo de CBFR 425, las líneas de campo 496 en el ICC 420 corren en una dirección opuesta a la dirección de las líneas de campo abiertas 480 de CBFR 410. En un extremo más allá del núcleo de potencia 436 del CBFR 410, el ICC 420 incluye un colector de iones 492. Entre el CBFR 410 y el ICC 420 está una cúspide simétrica magnética 486 en donde las líneas de campo abiertas 480 del CBFR 410 se fusionan con las líneas de campo 496 del ICC 420. Un colector de electrones de forma anular 490 está ubicado alrededor de la cúspide magnética 486 y está eléctricamente acoplado al colector de iones 498. Como se describe más adelante, el campo magnético de las cúspides 486 convierte la velocidad axial del haz 437 a una velocidad de rotación con alta eficiencia. La figura 22C ilustra una órbita de iones típica 422 dentro del convertidor 420. El CBFR 410 tiene una simetría cilindrica. En su centro está el núcleo de potencia de fusión 436 con un núcleo de plasma de fusión 435 contenido en una topología de campo magnético de FCC 470 en la cual tienen lugar las reacciones de fusión. Como se señaló, los núcleos de producto y electrones neutralizantes de carga emergen como haces anulares 437 de ambos extremos del plasma de combustible 435. Por ejemplo para un diseño de 50 MW de una reacción de p-B11, estos haces tendrán un radio de aproximadamente 50 cm y un espesor de aproximadamente 10 cm. El haz anular tiene una densidad n = 107-108 cm3. Para dicha densidad, las cúspides magnéticas 486 separan los electrones y iones. Los electrones siguen las líneas de campo magnético al colector de electrones 490 y los iones pasan a través de la cúspide 486 en donde las trayectorias de iones son modificadas para seguir una trayectoria sustancialmente helicoidal a lo largo de la longitud del ICC 420. La energía es removida de los iones a medida que pasan espiralmente los electrodos 494 conectados a un circuito resonante (no mostrado). La pérdida de la energía perpendicular es más grande para los iones de energía más alta que circulan inicialmente cerca de los electrodos 494, en donde el campo eléctrico es más fuerte. Los iones llegan a la cúspide magnética 486 con la energía de rotación aproximadamente igual a la energía total inicial, es decir, Vi Mv2p = V2 Mv20. Hay una distribución de energías de iones y radios iniciales de iones r0 en donde los iones alcanzan la cúspide magnética 486. Sin embargo, los radios iniciales r0 tienden a ser aproximadamente proporcionales a la velocidad inicial v0. En el campo magnético radial y la velocidad del haz radial producirán una fuerza de Lorente en la dirección azimutal. El campo magnético en las cúspides 486 no cambian la energía de partículas pero convierten la velocidad axial inicial vp s v0 a una velocidad axial residual v2 y la velocidad azimutal v„ en donde v20 = v22 + v2<¡. El valor de la velocidad azimutal v-, se puede determinar a partir de la conservación de momento canónico ^ = . v± _^¿ = ^¿ (3i) 2c 2c Un ion del haz entra al lado izquierdo de la cúspide 486 con ß2 = Bo, v2,= v0, v-i = 0 y r = r0. Emerge sobre el lado derecho de la cúspide 486 con r = r0, ß2 = -ßQ, vi = q 0 Mc y v. = >N - o - C¡B° en donde "° ~ Mc es la frecuencia de ciclotrón. La frecuencia de rotación de los ¡ones está en un ángulo de aproximadamente 1-10 MHz, y preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 5-10 MHz, que es la frecuencia a la cual tiene lugar la generación de potencia. Para que los iones pasen a través de la cúspide 486, los giro- radios de iones efectivos deben ser mayores que la anchura de la cúspide 486 en el radio r0. Es muy factible experimentalmente reducir la velocidad axial por un factor de 10 por lo que la energía axial residual se reducirá por un factor de 100. Entonces 99% de la energía de iones se convertirá a energía de rotación. El haz de iones tiene una distribución de valores para v0 y r0. Sin embargo, debido a que r0 es proporcional a v0 como se indicó anteriormente por las propiedades del reactor basado en FRC, la eficiencia de conversión a energía de rotación tiende a ser 99% para todos los iones. Como se ilustra en la figura 22B, la estructura de electrodos simétrica de ICC 420 de la presente invención preferiblemente incluyen cuatro electrodos 494. Un circuito de tanque (no mostrado) están conectadas a las estructuras de electrodos 494 de tal manera que los voltajes instantáneos y campos eléctricos son como se ilustran. El voltaje y el circuito del tanque oscilan a una frecuencia de ? = O0. El campo eléctrico azimutal E en los espacios 497 se ilustra en las figura 22B y la figura 25. La figura 25 ilustra el campo eléctrico en los espacios 497 entre los electrodos 494 y el campo que un ion experimenta a medida que gira a una velocidad angular O0. Es evidente que en una revolución completa la partícula experimentará alternativamente aceleración y deceleración en un orden determinado por la fase inicial. Además del campo eléctrico azimutal Ee también hay un campo eléctrico radial Er. El campo eléctrico azimutal Ee es máximo en los espacios 497 y disminuye a medida que el radio disminuye. La figura 22 asume que la partícula gira manteniendo un radio constante. Debido al gradiente en el campo eléctrico, la desaceleración siempre dominará sobre la aceleración. La fase de aceleración hace que el radio del ion se incremente por lo que cuando el ¡on enseguida encuentra un campo eléctrico desacelerarte que el radio del ¡on será más grande. La fase de desaceleración dominará independiente de la fase inicial del ion porque el gradiente radial del campo eléctrico azimutal Ee es siempre positivo. Como resultado, la eficiencia de conversión de energía no es limitada a 50% debido al problema de fase inicial asociado con ciclotrones convencionales. El campo eléctrico Er también es importante. También oscila y produce un efecto neto en la dirección radial que regresa la trayectoria del haz al radio original con velocidad cero en el plano perpendicular al eje como en la figura 22C. El proceso por el cual los iones siempre son desacelerados es similar al principio de enfoque fuerte que es una característica esencial de aceleradores modernos como se describe en la patente de E.U.A. No. 2,736,799. La combinación de un lente positivo (enfoque) y negativo (desenfoque) es positivo si el campo magnético tiene un gradiente positivo. Un lente de doblete de cuadripolo de enfoque fuerte se ilustra en la figura 26. El primer lente está enfocando en la dirección x y desafocando en la dirección y. El segundo lente es similar con propiedades x y y intercambiadas. El campo magnético se disipa sobre el eje de simetría y tiene un gradiente radial positivo. Los resultados netos para un haz de iones que pasa a través de ambos lentes está enfocando en todas las direcciones independientes del orden del pasaje.

Resultados similares han sido reportados para un haz que pasa a través de una cavidad resonante que contiene un campo magnético axial fuerte y que opera en el modo TEm (véase Yoshikawa et al). Este dispositivo se llama peniotrón. En el modo TEm la cavidad resonante tiene ondas de reposo en las cuales el campo eléctrico tiene simetría de cuadripolo. Los resultados son cualitativamente similares a algunos de los resultados aquí. Existen diferencias cuantitativas en que la cavidad de resonancia es mucho más grande en tamaño (10 metros de largo), y opera a una frecuencia (155 MHz) y campo magnético (10 T) más altos. La extracción de energía de las ondas de frecuencia altas requiere una rectena. El espectro de energía del haz reduce la eficiencia de conversión. La existencia de dos tipos de iones es un problema más severo, pero la eficiencia de conversión es adecuada para un reactor D-He3 que produce protones 15 MeV. Una órbita de partícula individual 422 para una partícula dentro del ICC 420 se ilustra en la figura 22C. Este resultado se obtuvo por simulación de computadora y un resultado similar se obtuvo para el peniotrón. Un ion que entra en algunos espirales de radio r0 por debajo de la longitud del ICC y después de perder la energía de rotación inicial converge a un punto en un círculo del mismo radio rQ. Las condiciones iniciales son asimétricas; el estado final refleja esta asimetría, pero es independiente de la fase inicial por lo que todas las partículas son desaceleradas. El haz en el extremo colector de iones del ICC es nuevamente anular y de dimensiones similares. La velocidad axial sería reducida por un factor de 10 y la densidad correspondientemente incrementada. Para una partícula individual, una extracción de eficiencia de 99% es factible. Sin embargo, varios factores, tales como energía de rotación perpendicular del haz anular antes de que entre al convertidor, puede reducir la eficiencia en aproximadamente 5%. La extracción de energía eléctrica sería a aproximadamente 1-10 MHz y preferiblemente a aproximadamente 5-10 MHz, con reducción adicional en eficiencia de conversión debido a condicionamiento de potencia para conectar a una rejilla de potencia. Como se ilustra en las figuras 23A y 23B, modalidades alternativas de las estructuras de electrodo 494 en el ICC 420 pueden incluir dos electrodos semicirculares simétricos y/o electrodos ahusados 494 que se ahusan hacia el colector de iones 492. Ajustes a la dinámica de iones dentro del campo magnético principal del ICC 420 pueden ser implementados usando dos conjuntos de bobinas auxiliares 500 y 510, como se muestran en las figuras 27A y 24B. Ambos conjuntos de bobinas 500 y 510 implican conductores adyacentes con corrientes opuestamente dirigidas, por lo que los campos magnéticos tienen un intervalo corto. Un gradiente de campo magnético, como se ilustra esquemáticamente en la figura 27A cambiará la frecuencia y fase de rotación. Un campo magnético de multipolo, como se ilustra esquemáticamente en la figura 27B, producirá abultamiento, como en el acelerador lineal.

Reactor La figura 28 ilustra un reactor de 100 MW. El corte del reactor ¡lustra una región de núcleo de potencia de fusión que tiene bobinas superconductoras para aplicar un campo magnético uniforme y una bobina de flujo para formación de un campo magnético con topología de campo revertido. Extremos opuestos adyacentes de la región de núcleo de potencia de fusión son convertidores de energía de ICC para conversión directa de la energía cinética de los productos de fusión a la energía eléctrica. El equipo de soporte para dicho reactor se ilustra en la figura 29.

Sistema de propulsión La exploración del sistema solar (y más allá) requiere capacidades de propulsión que exceden por mucho los sistemas de propulsión químicos o eléctricos disponibles mejores. Para aplicaciones de propulsión avanzada, la presente invención sostiene la promesa: simplicidad de diseño, alta confiabilidad, alto impulso específico, alta densidad de potencia específica, masa de sistema baja, y combustibles que producen poca o nada radioactividad. Un sistema de propulsión de empuje de masa, de conformidad con la presente invención, utiliza la energía cinética alta embebida en los productos de fusión a medida que son expulsados axialmente fuera del núcleo del plasma de fusión. El sistema 800 se ilustra esquemáticamente en las figuras 30 y 31. El sistema incluye un reactor de fusión de haz de colisión de núcleo de potencia de FRC 836 en el cual un núcleo de combustible de fusión 835 está contenido como se describió antes. El reactor además comprende u generador de campo magnético 825, una bobina de corriente (no mostrada) e inyectores de haz de iones 840. Un convertidor de energía directa de ICC 820 como se describió antes, está acoplado a un extremo del núcleo de potencia 836 que intercepta aproximadamente la mitad de las partículas de producto de fusión que emergen de ambos extremos del núcleo de potencia 836 en forma de haces anulares 837. Como se describió antes, el ICC 820 los desacelera mediante un proceso ce ciclotrón inverso, y convierte su energía cinética a energía eléctrica. Una boquilla magnética 850 está ubicada adyacente al otro extremo del núcleo de potencia 836 y dirige las partículas de producto de fusión restantes en el espacio como empujes T. El haz anular 837 de los productos de fusión sale de un extremo del núcleo de potencia de fusión 836 a lo largo de las líneas de campo 837 en el ICC 820 para conversión de energía y del otro extremo del núcleo de potencia 836 a lo largo de las líneas de campo 837 fuera de la boquilla 850 para empuje T. La radiación de Bremsstrahlung es convertida a energía eléctrica por un convertidor de energía termoeléctrica (TEC) 870. La energía de Bremsstrahlung que no es convertida por el TEC 870 entonces pasa a una máquina de calor de ciclo de Brayton 880. El calor de desecho es rechazado al espacio. Un subsistema de control de potencia (810, véase figura 32) monitorea todas las fuentes y disipadores de energía eléctrica y calórica para mantener la operación del sistema en el estado constante para evitar que una fuente independiente de energía (es decir, celdas de combustible, baterías, etc.) inicien la operación de la nave espacial y sistema de propulsión desde un estado no operante. Puesto que los productos de fusión son partículas a cargadas, el sistema no requiere el uso de radiación masiva y protectores de neutrones y por lo tanto se caracteriza por masa de sistema significativamente reducida en comparación con otro sistema de propulsión del espacio nucleares. El desempeño del sistema de propulsión de empuje por plasma 800 se caracteriza por los siguientes parámetros cinéticos para un ejemplo de núcleo de fusión de 100 MW p-B11 que tiene un diseño como se ilustra en la figura 31 : Impulso específico, /sp 1.4 x 106 s Impulso de empuje, Pt 50.8 MW Potencia de empuje/potencia de salida total, P?/P0 0.51 Empuje, T 28.1 N Empuje/potencia de salida total, T/P0 281 mN/MW El sistema 800 presenta un impulso específico muy alto, que permite altas velocidades terminales de una nave espacial que utiliza el sistema de propulsión de empuje por plasma. Un desempeño de misión/métrica de limitación clave para todos los vehículos espaciales es la masa del sistema. Los componentes de la masa principales en el sistema de propulsión de empuje por plasma 800 se ilustran en las figuras 31 y 32. El núcleo de fusión 835 requiere aproximadamente 50 MW de potencia inyectada de operación de estado constante. El sistema genera aproximadamente 77 MW de potencia nuclear (partícula), la mitad de las cuales sea recuperada en el convertidor de energía directa 820 con una eficiencia de hasta 90%. Por lo tanto, 11.5 MW adicionales se necesitan para sustentar el reactor, que se provee por el TEC 870 y la máquina de calor de Brayton 880. La fuente principal de calor en el sistema de propulsión de empuje por plasma 880 se debe a radiación de Bremsstrahlung. El TEC 870 recupera aproximadamente 20% de la radiación, o 4.6 MW, transfiriendo aproximadamente 18.2 MW a la máquina de calor de Brayton de ciclo cerrado 880. La máquina de calor de Brayton 880 comprende un intercambiador de calor 860, tubo-alternador 884, compresor 882, y radiadores 886, como se muestra en la figura 31. La máquina de Brayton 880 suministra los 7 MW restantes de potencia necesarios para sustentar el reactor, otros 11 MW son descargados directamente al espacio por medio de radiaciones. Una máquina de calor de Brayton de ciclo cerrado es una opción madura y eficiente para convertir exceso de calor rechazado por el TEC 870. En las máquinas de Brayton las temperaturas de ciclo máximo es restringida por consideraciones de materiales, que limita la eficiencia del ciclo termodinámico máxima. Con base en el mapa de desempeño estándar de la máquina de Brayton, se pueden extraer varios puntos de diseño. Eficiencias típicas pueden alcanzar hasta 60%. Para el presente caso, 7 MW es necesario para ser recuperado, por lo tanto, solo una eficiencia de 40% en el calor de desecho de conversión es aceptable y bien dentro de límites actualmente contenibles de máquinas de Brayton convencionales. La masa de componente para la máquina de Brayton (menos los radiadores de calor) se calcula con base en los parámetros de masa específica típicos de tecnologías industriales avanzadas, es decir, en el intervalo de 3 kg/kWe. Las turbomáquinas, incluyen compresores, turbinas de potencia, e intercambiadores de calor, se combinan para una masa de subsistema total de 18 MT. Se estima que la masa del radiador es 6 MT, preferiblemente usando paneles de tubos de calor con conductividad térmica alta de la técnica más avanzada. El peso del sistema significativo también proviene de los imanes 825 que confinan el núcleo de plasma 835. Las bobinas magnéticas superconductoras 825 están hechas preferiblemente de Nb3Sn, que opera establemente a 4.5K y a un campo de 12.5-13.5 T. Los requerimientos criogénicos para Nb3 Sn son menos astringentes que otros materiales considerados. Con un requerimiento de campo magnético de 7 Tesla y una longitud de dispositivo de aproximadamente 7.5 metros, la bobina necesita aproximadamente 1500 vueltas de alambre que porte 56 kA de corriente. Usando alambres con radio de 0.5-cm, la masa total de esta bobina es aproximadamente 3097 kg. El sistema de enfriamiento con helio líquido está compuesto de dos bombas, una en cada extremo de la bobina principal. La masa total de estas bombas es de aproximadamente 60 kg. La coraza estructural externa se usa para soportar los imanes y todos los componentes internos desde el exterior. Está hecha de material mixto de kevlar/carbón-carbón de 0.01 -m de espesor con una masa total de aproximadamente 772 kg. La capa más externa es la camisa de aislamiento para proteger el interior de la variación de temperatura grande en el espacio se estima a 643 kg. La masa total para el subsistema de imán 825 es, por lo tanto, de aproximadamente 4.8 MT. En la actualidad, el sistema de inyección de iones 840 más apropiado para aplicaciones en el espacio sería un acelerador lineal (linac) de inducción o RFQ. Hace aproximadamente 15 años una RFQ se hizo fluir sobre un cohete científico y demostró exitosamente el uso de potencia de alto voltaje y la inyección de haces de iones hacia el espacio. En una modalidad preferida, seis inyectores 840 se distribuyen a lo largo de la longitud del CBFR, tres para cada especie de ¡on. Cada inyector 840 es preferiblemente un RFQ de 30 beamiet con una dimensión global de 0.3 metros de largo y un radio de 0.020-m. Cada inyector requiere una fuente de iones, preferiblemente de 0.02-metros de largo y un radío de 0.020 metros, que suministra hidrógeno o boro ionizado. Se necesita una fuente para cada acelerador. Tanto el inyector como la fuente están bien dentro de límites actualmente logrables; en donde los refinamientos de diseño para espaciar su masa total, incluyendo las fuentes y los aceleradores, deben ser de aproximadamente 60 kg. El convertidor de energía directo de ICC en forma de cono 820 está ubicado en un extremo del reactor 836, que está hecho preferiblemente de acero inoxidable. Con un radio de base de 0.5 metros y una longitud de 2 metros, la masa de ICC es de aproximadamente 1690 kg. Un suministro de potencia de RF 820 (inversor/convertidor) recupera el flujo de iones dirigido, convirtiéndolo en energía eléctrica. La masa de suministro de potencia es de aproximadamente 30 kg. Una batería de almacenamiento 812 se usa para iniciar/re-iniciar la CBFR. La capacidad almacenada es de aproximadamente 30 MJ. Su masa es de aproximadamente 500 kg. Alternativamente, también se podría usar una celda de combustible. Unidades de control adicionales coordinan la operación de todos los componentes. Se estima que la masa del subsistema total es 30 kg. La masa del subsistema de convertidor/iniciador de energía total, por lo tanto, se estima que es de aproximadamente 2.25 MT. Una boquilla magnética 850 está ubicada en el otro extremo del núcleo de fusión 835. La boquilla 850 enfoca la corriente de producto de fusión como un flujo de partícula dirigido. Se estima que la masa de la boquilla magnética y el ICC son aproximadamente iguales; ya que ambos están compuestos de imanes superconductores y componentes estructurales de masa relativamente baja. El TEC 870 recupera energía de las emisiones electromagnéticas del núcleo de fusión. Es preferiblemente una estructura ultradelgada hecha de carburo de boro/silicio-germanio de 0.02-cm de espesor, que tiene una densidad de masa de aproximadamente 5 g/cm3. El TEC 870 está ubicado en la primera pared y preferiblemente alinea completamente la superficie interna del núcleo del reactor; la masa del TEC 870 se estima a aproximadamente 400 kg. El flujo radiante sobre el TEC 870 es 1.2 MW/m2 y su temperatura de operación pico se supone que es menor que 1800°K. La masa del sistema de propulsión de empuje por plasma total por lo tanto se estima que es de aproximadamente 33 MT. Esto define los parámetros críticos de misión restantes para la unidad de 100 MW actualmente descrita: Masa total/potencia total, Mt/P0 0.33 x 10"3 kg/W Empuje/masa, T/Mt 0.85 x 10"3 N/kg Aunque la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas, un ejemplo específico del mismo se ha mostrado en los dibujos y se describe aquí con detalle. Cabe entender, sin embargo, que la invención no se limita a la forma particular descrita, sino por el contrario, la invención ha de cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caen dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (124)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Una cámara de reactor, caracterizada porque comprende una pared de cámara cilindrica que tiene primer y segundo extremos, y una pluralidad de aberturas aislantes que se extienden axialmente a lo largo de la pared de la cámara entre y en relación separada con el primer y segundo extremos.

2.- La cámara de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque la pluralidad de aberturas aislante incluyen una ranura formada en la pared de la cámara.

3.- La cámara de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque la pared de la cámara está formada de metal.

4.- La cámara de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque la pluralidad de aberturas aislantes incluyen un material aislante insertado en la ranura.

5.- La cámara de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada además porque el material aislante es un material de cerámica.

6.- La cámara de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada además porque comprende adicíonalmente una pluralidad de mortajas ubicadas dentro de la cámara y sobre el material aislante.

7.- La cámara de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada además porque comprende adicionalmente una placa de sellado que se extiende sobre la ranura.

8.- La cámara de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porque el material aislante está acoplado a la placa de sellado.

9.- La cámara de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porque comprende adicionalmente un medio para formar un sello entre la placa de sellado y la pared de la cámara.

10.- La cámara de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada además porque la placa de sellado está formada de material de fibra de vidrio.

11.- La cámara de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende adicionalmente un generador de campo magnético acoplado a la cámara para generar un campo magnético unidireccional dentro de la cámara.

12.- La cámara de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizada además porque el generador de campo magnético incluye una pluralidad de bobinas de campo que se extienden azimutalmente alrededor del perímetro de la pared de la cámara.

13.- La cámara de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada además porque la pluralidad de bobinas de campo están orientadas paralelamente unas a otras.

14.- La cámara de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada además porque la pluralidad de bobinas de campo incluye primer y segundo conjuntos de bobinas de espejo.

15.- La cámara de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizada además porque comprende adicionalmente una bobina de flujo de betatrón que se extiende concéntricamente con la pared de la cámara.

16.- La cámara de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque la bobina de flujo de betatrón está ubicada fuera de la pared de la cámara.

17.- La cámara de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque la bobina de flujo de betatrón incluye una pluralidad de bobinas devanadas paralelas.

18.- La cámara de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende adicionalmente uno o más inyectores de haces de iones ortogonales a y radialmente separados de un eje longitudinal de la pared de la cámara.

19.- La cámara de conformidad con la reivindicación 18, caracterizada además porque los inyectores de haces de ¡ones incluyen un medio para neutralizar la carga eléctrica de los haces de iones emitidos por los inyectores de haces de iones.

20.- La cámara de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende adicionalmente una fuente de plasma para formar una nube anular de plasma de fondo hacia un plano medio de la cámara.

21.- La cámara de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende adicionalmente convertidores de energía acoplados al primer y segundo extremos de la pared de la cámara.

22.- La cámara de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizada además porque los convertidores de energía incluyen una pluralidad de electrodos que se extienden axialmente con espacios longitudinales entre los mismos.

23.- La cámara de conformidad con la reivindicación 22, caracterizada además porque comprende adicionalmente una pluralidad de bobinas de campo que se extienden alrededor del perímetro de la pluralidad de electrodos.

24. La cámara de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada además porque comprende adicíonalmente primer y segundo colectores de iones y primer y segundo colectores de electrones.

25.- Un sistema de generación de plasma, caracterizado porque comprende una bobina de choque, y una boquilla de Laval acoplada a la bobina de choque.

26.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 25, caracterizado además porque la bobina de choque comprende un cuerpo en forma de disco anular y una bobina de alambres devanados paralelos fijados a la cara del cuerpo.

27.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 26, caracterizado además porque la bobina es una bobina de una sola vuelta.

28.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 27, caracterizado además porque la bobina es una bobina de filamentos múltiples.

29.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 27, caracterizado además porque los alambres de la bobina son adyacentes a un radio externo del cuerpo en puntos angularmente separados y que rodean la cara del cuerpo una vuelta terminando en un radio interno del cuerpo.

30.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 29, caracterizado además porque los alambres de la bobina empiezan en el perímetro del cuerpo.

31.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 26, caracterizado además porque el cuerpo comprende un cubo que forma el radio interno del cuerpo.

32.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 31 , caracterizado además porque la boquilla de Laval comprende un brazo de boquilla en forma de disco anular acoplado al cubo.

33.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 32, caracterizado además porque una cara del brazo que mira hacia el cubo forma un pleno de gas de forma anular y una boquilla de restricción-expansión con una cara del cubo.

34.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 33, caracterizado además porque comprende adicionalmente una pluralidad de canales de gas formados en el cubo y en comunicación con el pleno de gas.

35.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 34, caracterizado además porque comprende adicionalmente un anillo de asiento de válvula que tiene una pluralidad de asientos de válvula alineados con la pluralidad de canales de gas.

36.- El sistema de generación de plasma de la reivindicación 26, caracterizado además porque comprende adicionalmente una mortaja acoplada al cuerpo.

37.- Un método para generar un plasma, caracterizado porque comprende los pasos de distribuir un gas neutro sobre una bobina de alambres devanados paralelos de una bobina de choque de baja inductancia, energizar los devanados de bobina, y ionizar el gas en un plasma.

38.- El método de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de expulsar el plasma formado a partir de la bobina de choque.

39.- El método de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado además porque el paso de energizar la bobina incluye energizar todos los alambres de la bobina.

40.- El método de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado además porque el paso de energizar la bobina incluye energizar un primer conjunto de alambres y energizar un segundo conjunto de alambres después de una cantidad predeterminada de tiempo.

41.- El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque el paso de expulsar el plasma incluye expulsar un plasma de forma anular.

42.- Un sistema de generación de energía eléctrica por plasma, caracterizado porque comprende una cámara que tiene un eje principal, un primer generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de una región central de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un generador de plasma que comprende una bobina de choque y una boquilla de Laval ubicada dentro de la cámara, y una bobina que porta corriente concéntrica con el eje principal de la cámara para crear un campo eléctrico azimutal dentro de la cámara.

43.- El sistema de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado además porque la cámara comprende una pared cilindrica de la cámara que tiene primer y segundo extremos, y una pluralidad de aberturas aislantes que se extienden axialmente a lo largo de la pared de la cámara entre y en relación separada con el primer y segundo extremos.

44.- El sistema de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado además porque la bobina de choque comprende un cuerpo en forma de disco anular y una bobina de alambres devanados paralelos fijados a la cara del cuerpo.

45.- El sistema de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado además porque la bobina es una bobina de una sola vuelta.

46.- El sistema de conformidad con la reivindicación 45, caracterizado además porque los alambres de la bobina empiezan en un radio externo de cuerpo en puntos angularmente separados y que rodea la cara del cuerpo una vuelta terminando en el radio interno del cuerpo.

47.- El sistema de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado además porque los alambres de la bobina empiezan en el perímetro del cuerpo.

48.- El sistema de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado además porque el cuerpo comprende a cubo que forma el radio interno del cuerpo.

49.- El sistema de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado además porque la boquilla de Laval comprende un brazo de boquilla en forma de disco anular acoplado al cubo.

50.- El sistema de conformidad con la reivindicación 49, caracterizado además porque una cara del brazo que mira hacia el cubo forma un pleno de gas de forma anular y una boquilla de restricción-expansión con una cara del cubo.

51.- El sistema de conformidad con la reivindicación 50, caracterizado además porque comprende adicionalmente una pluralidad de canales de gas formados en el cubo y en comunicación con el pleno de gas.

52.- El sistema de conformidad con la reivindicación 51 , caracterizado además porque comprende adicionalmente un anillo de asiento de válvula tiene una pluralidad de asientos de válvula alineados con la pluralidad de canales de gas.

53.- El sistema de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado además porque comprende adicionalmente una mortaja acoplada al cuerpo.

54.- El sistema de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado además porque comprende adicionalmente un sistema de conversión de potencia dentro de la cámara.

55.- El sistema de conformidad con la reivindicación 54, caracterizado además porque el sistema de conversión de potencia comprende una pluralidad de electrodos semicilíndricos que forman una superficie cilindrica en una primera región extrema de la cámara.

56.- El sistema de conformidad con la reivindicación 55, caracterizado además porque la pluralidad de electrodos comprende más de dos electrodos en relación separada que forman un espacio entre electrodos adyacentes.

57.- El sistema de conformidad con la reivindicación 56, caracterizado además porque comprende adicionalmente un segundo generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de la primera región extrema de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un colector de electrones que se interpone entre el primer y segundo generadores de campo magnético y adyacente a un primer extremo de la pluralidad de electrodos, y un colector de iones ubicados adyacentes a un segundo extremo de la pluralidad de electrodos.

58.- El sistema de conformidad con la reivindicación 57, caracterizado además porque comprende adicionalmente una segunda pluralidad de electrodos semi-cilíndricos que forman una superficie cilindrica en una segunda región extrema de la cámara, en donde la segunda pluralidad de electrodos comprende más de dos electrodos en relación separada que forman un espacio entre electrodos adyacentes, un tercer generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de la segunda región extrema de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un segundo colector de electrones que se interpone entre el primer y tercer generadores de campo magnético y adyacente a un primer extremo de la segunda pluralidad de electrodos, y un segundo colector de iones ubicados adyacentes a un segundo extremo de la segunda pluralidad de electrodos.

59.- El sistema de conformidad con la reivindicación 58, caracterizado además porque comprende adicionalmente inyectores de haces de iones acoplados al recipiente.

60.- El sistema de conformidad con la reivindicación 59, caracterizado además porque los inyectores de haces de iones incluyen un medio para neutralizar la carga eléctrica de los haces de iones emitidos desde los inyectores.

61.- Un método para formar una configuración campo magnético de campo revertido dentro de una cámara, caracterizado porque comprende los pasos de crear un campo de guía magnética en una cámara, distribuir un gas neutro sobre una bobina de alambres devanados paralelos de una bobina de choque de baja inductancia, energizar los devanados de bobina de la bobina de choque ionizando el gas en un plasma, expulsar el plasma formado de la bobina de choque en la cámara a lo largo de las líneas de campo del campo de guía, crear un campo eléctrico azimutal dentro de la cámara haciendo que el plasma gire y forme un auto-campo magnético poloidal que rodea al plasma, incrementar la energía de rotación del plasma para incrementar la magnitud del auto-campo a un nivel que supera la magnitud del campo de guía, y unir líneas de campo del campo de guía y el auto-campo en un campo magnético que tiene una topología de configuración de campo invertido (FRC).

62.- El método de conformidad con la reivindicación 61 , caracterizado además porque el paso de energizar la bobina incluye energizar todos los alambres de la bobina.

63.- El método de conformidad con la reivindicación 61 , caracterizado además porque el paso de energizar la bobina incluye energizar un primer conjunto de alambres y energizar un segundo conjunto de alambres después de una cantidad predeterminada de tiempo.

64.- El método de conformidad con la reivindicación 62, caracterizado además porque el paso de expulsar el plasma incluye expulsar un plasma de forma anular.

65.- El método de conformidad con la reivindicación 61 , caracterizado además porque el paso de crear el campo de guía incluye energizar una pluralidad de bobinas de campo y bobinas de espejo que se extienden alrededor de la cámara.

66.- El método de conformidad con la reivindicación 61 , caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de incrementar la magnitud del campo de guía para mantener el plasma giratorio a un tamaño radial predeterminado.

67.- El método de conformidad con la reivindicación 61 , caracterizado además porque el paso de crear el campo eléctrico azimutal incluye el paso de energizar una bobina de flujo de betatrón dentro de la cámara e incrementar la corriente que corre a través de la bobina.

68.- El método de conformidad con la reivindicación 67, caracterizado además porque el paso de incrementar la energía de rotación del plasma giratorio incluye incrementar la velocidad de cambio de la corriente que corre a través de la bobina.

69.- El método de conformidad con la reivindicación 68, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de incrementar la velocidad de cambio de la corriente que corre a través de la bobina de flujo para acelerar el plasma giratorio a energía de rotación de nivel de fusión.

70.- El método de conformidad con la reivindicación 61 , caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de crear un pozo electrostático dentro de la cámara.

71.- El método de conformidad con la reivindicación 70, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de sintonizar el pozo electrostático.

72.- El método de conformidad con la reivindicación 71 , caracterizado además porque el paso de sintonizar el pozo electrostático incluye manipular la magnitud del campo de guía.

73.- El método de conformidad con la reivindicación 69, caracterizado además porque comprende adicionalmente los pasos de inyectar haces de iones de energía de nivel de fusión en la FRC y atrapar los haces en órbita de betatrones dentro de la FRC.

74.- El método de conformidad con la reivindicación 73, caracterizado además porque el paso de inyectar y atrapar los haces de iones además comprende los pasos de neutralizar los haces de iones, drenar la polarización eléctrica de los haces de iones neutralizados, y ejercer una fuerza de Lorentz debido al campo magnético aplicado en los haces de iones neutralizados para doblar los haces de iones en órbitas de betatrón.

75.- El método de conformidad con la reivindicación 73, caracterizado además porque comprende adicionalmente los pasos de confinar magnéticamente iones dentro de la FRC y confinar electrostáticamente electrones dentro del pozo electrostático.

76.- El método de conformidad con la reivindicación 75, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de formar iones de producto de fusión.

77.- El método de conformidad con la reivindicación 76, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de hacer salir los iones del producto de fusión de la FRC en un haz anular.

78.- Un sistema de generación de energía eléctrica por plasma, caracterizado porque comprende una cámara que tiene un eje principal, un primer generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de una región central de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un sistema impulsor de RF acoplado a la región central de la cámara, y una bobina de corriente concéntrica con el eje principal de la cámara para crear un campo eléctrico azimutal dentro de la cámara.

79.- El sistema de conformidad con la reivindicación 78, caracterizado además porque el sistema impulsor de RF comprende un ciclotrón de cuadripolo.

80.- El sistema de conformidad con la reivindicación 79, caracterizado además porque el ciclotrón de cuadripolo comprende cuatro electrodos semicilíndricos que forman una superficie cilindrica.

81.- El sistema de conformidad con la reivindicación 78, caracterizado además porque el sistema impulsor de RF comprende un ciclotrón de dipolo.

82.- El sistema de conformidad con la reivindicación 81 , caracterizado además porque el ciclotrón de dipolo comprende cuatro electrodos semicilíndricos que forman una superficie cilindrica.

83.- El sistema de conformidad con la reivindicación 78, caracterizado además porque el sistema impulsor de RF comprende bobinas moduladoras de campo que se extienden axialmente adyacentes al perímetro de la cámara y la bobina de corriente.

84.- El sistema de conformidad con la reivindicación 78, caracterizado además porque comprende adicionalmente un sistema de conversión de potencia dentro de la cámara.

85.- El sistema de conformidad con la reivindicación 84, caracterizado además porque el sistema de conversión de potencia comprende una pluralidad de electrodos semicilíndricos que forman una superficie cilindrica en una primera región-extrema- de la cámara.

86.- El sistema de conformidad con la reivindicación 85, caracterizado además porque la pluralidad de electrodos comprende más de dos electrodos en relación separada que forman un espacio entre electrodos adyacentes.

87.- El sistema de conformidad con la reivindicación 86, caracterizado además porque comprende adicionalmente un segundo generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de la primera región extrema de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un colector de electrones que se interpone entre el primer y segundo generadores de campo magnético y adyacente a un primer extremo de la pluralidad de electrodos, y un colector de iones ubicado adyacente a un segundo extremo de la pluralidad de electrodos.

88.- El sistema de conformidad con la reivindicación 87, caracterizado además porque comprende adícionalmente una segunda pluralidad de electrodos semicilíndricos que forman una superficie cilindrica en una segunda región extrema de la cámara, en donde la segunda pluralidad de electrodos comprende más de dos electrodos en relación separada que forman un espacio entre electrodos adyacentes, un tercer generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de la primera región extrema de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un segundo colector de electrones que se interpone entre el primer y tercer generadores de campo magnético y adyacente a un primer extremo de la segunda pluralidad de electrodos, y un segundo colector de iones ubicado adyacente a un segundo extremo de la segunda pluralidad de electrodos.

89.- El sistema de conformidad con la reivindicación 88, caracterizado además porque comprende adicionalmente inyectores de haces de iones acoplados al recipiente.

90.- El sistema de conformidad con la reivindicación 89, caracterizado además porque los inyectores de haces de iones incluyen un medio para neutralizar la carga eléctrica de los haces de iones emitidos desde los inyectores.

91.- Un método para impulsar iones y electrones en una FRC, caracterizado porque comprende los pasos de generar una FRC alrededor de un plasma giratorio, y crear una onda de potencial eléctrico que gira en la misma dirección que la velocidad azimutal de los iones en el plasma giratorio.

92.- El método de conformidad con la reivindicación 91 , caracterizado además porque el paso de crear una onda de potencial eléctrico incluye energizar una pluralidad de electrodos alargados que forman una superficie cilindrica.

93.- El método de conformidad con la reivindicación 92, caracterizado además porque la pluralidad de electrodos alargados forma un ciclotrón alargado.

94.- El método de conformidad con la reivindicación 92, caracterizado además porque el ciclotrón es un ciclotrón de cuadripolo.

95.- El método de conformidad con la reivindicación 92, caracterizado además porque el ciclotrón es un ciclotrón de dipolo.

96.- El método de conformidad con la reivindicación 91 , caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de inyectar iones neutros en la onda.

97.- El método de conformidad con la reivindicación 92, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de atrapar iones neutros inyectados en la onda.

98.- El método de conformidad con la reivindicación 97, caracterizado además porque comprende adicíonalmente el paso de incrementar el momento y la energía de los iones atrapados.

99.- Un sistema de generación y propulsión de plasma-energía eléctrica, caracterizado porque comprende una cámara que tiene un eje principal y primer y segundo extremos, un primer generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro de la cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, una bobina de corriente concéntrica con el eje principal de la cámara para crear un campo eléctrico azimutal dentro de la cámara, un sistema de conversión de energía acoplado al primer extremo de la cámara, y una boquilla magnética acoplada al segundo extremo de la cámara.

100.- El sistema de conformidad con la reivindicación 99, caracterizado además porque el sistema de conversión de energía comprende una pluralidad de electrodos semicilíndricos que forman una superficie cilindrica.

101.- El sistema de conformidad con la reivindicación 100, caracterizado además porque la pluralidad de electrodos comprende más de dos electrodos en relación separada que forma un espacio entre electrodos adyacentes.

102.- El sistema de conformidad con la reivindicación 101 , caracterizado además porque comprende adicionalmente un segundo generador de campo magnético para crear un campo magnético azimutalmente simétrico dentro del sistema de conversión de energía con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un colector de electrones que se interpone entre el primer y segundo generadores de campo magnético y adyacente a un primer extremo de la pluralidad de electrodos, y un colector de iones ubicado adyacente a un segundo extremo de la pluralidad de electrodos.

103.- El sistema de conformidad con la reivindicación 102, caracterizado además porque comprende adicionalmente inyectores de haces de iones acoplados a la cámara.

104.- El sistema de conformidad con la reivindicación 103, caracterizado además porque los inyectores de haces de iones incluyen un medio para neutralizar la carga eléctrica de los haces de iones emitidos desde los inyectores.

105.- El sistema de conformidad con la reivindicación 104, caracterizado además porque comprende adicionálmente un convertidor termoeléctrico acoplado a la cámara.

106.- El sistema de conformidad con la reivindicación 105, caracterizado además porque comprende adicionalmente una máquina de calor de Brayton acoplada a la cámara.

107.- El sistema de conformidad con la reivindicación 106, caracterizado además porque la máquina de calor de Brayton comprende un intercambiador de calor, un turbo-alternador acoplado al intercambiador de calor, un compresor acoplado al intercambiador de calor y turbo-alternador, y un radiador acoplado al compresor y turbo-alternador.

108.- El sistema de conformidad con la reivindicación 107, caracterizado además porque comprende adicionalmente un dispositivo de almacenamiento de potencia acoplado al turbo-alternador.

109.- El sistema de conformidad con la reivindicación 108, caracterizado además porque el dispositivo de almacenamiento de potencia comprende baterías.

110.- El sistema de conformidad con la reivindicación 108, caracterizado además porque el dispositivo de almacenamiento de potencia comprende celdas de combustible.

111.- Un método caracterizado porque comprende los pasos de generar una FRC alrededor de un plasma giratorio dentro de una cámara que tiene primer y segundo extremos, y expulsar un haz anular de iones de producto de fusión del primer y segundo extremos de la cámara, convertir la energía de los iones de producto de fusión expulsados desde el primer extremo en energía eléctrica, y convertir la energía de los iones de fusión expulsados desde el segundo extremo en empuje.

112.- El método de conformidad con la reivindicación 111 , caracterizado además porque el paso de convertir la energía de los iones de producto de fusión expulsados desde el primer extremo en energía eléctrica incluye inyectar los iones a lo largo de una trayectoria helicoidal dentro de una cavidad generalmente cilindrica formada de una pluralidad de electrodos semicilíndricos en relación separada unos con otros formando una pluralidad de espacios alargados entre los mismos, convertir sustancialmente toda la energía axial de los iones inyectados en energía de rotación, formar un campo eléctrico de multi-polos dentro de la cavidad, el campo eléctrico comprendiendo tres o más polos, y convertir por lo menos una porción de la energía de iones en energía eléctrica.

113.- El método de conformidad con la reivindicación 112, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de aplicar un potencial oscilatorio a la pluralidad de electrodos.

114.- El método de conformidad con la reivindicación 112, caracterizado además porque el paso de formar un campo eléctrico incluye crear un campo eléctrico azimutal a través de la pluralidad de espacios.

115.- El método de conformidad con la reivindicación 112, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de desacelerar los iones.

116.- El método de conformidad con la reivindicación 112, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de dirigir el haz anular a través de una cúspide magnética.

117.- El método de conformidad con la reivindicación 112, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de colectar electrones neutralizantes de carga del haz anular a medida que los electrones siguen líneas de campo magnético de la cúspide magnética.

118.- El método de conformidad con la reivindicación 117, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de colectar los iones una vez que una porción sustancial de su energía es convertida en energía eléctrica.

119.- El método de conformidad con la reivindicación 112, caracterizado además porque la pluralidad de electrodos comprende por lo menos cuatro electrodos.

120.- El método de conformidad con la reivindicación 116, caracterizado además porque comprende adícionalmente el paso de crear la cúspide magnética.

121.- El método de conformidad con la reivindicación 120, caracterizado además porque el paso de crear la cúspide magnética comprende los pasos de crear primer y segundo campos magnéticos, en donde las líneas de campo del primer y segundo campo magnéticos se extienden en direcciones opuestas, y unir el primer y segundo campos magnéticos.

122.- El método de conformidad con la reivindicación 111 , caracterizado además porque el paso de convertir la energía de los iones de fusión expulsados desde el segundo extremo en empuje incluye enfocar el haz de iones de fusión anular como un flujo de partícula dirigido.

123.- El método de conformidad con la reivindicación 122, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de convertir emisiones electromagnéticas de la cámara a energía eléctrica.

124.- El método de conformidad con la reivindicación 122, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de convertir calor que radia de la cámara a energía eléctrica.