RS59657B1 - Sistem za formiranje i održavanje frc visokih performansi - Google Patents

Description

Opis

OBLAST PRONALASKA

[001] Izvođenja koja su ovde opisana uopšteno se odnose na sisteme za konfiniranje magnetne plazme i, naročito, na sisteme i metode koji olakšavaju formiranje i održavanje konfiguracija obrnutog polja (Field Reversed Configurations – FRC) sa superiornom stabilnošću, kao i konfiniranjem čestica, energije i fluksa.

POZNATO STANJE TEHNIKE

[002] Konfiguracija obrnutog polja (FRC) pripada klasi topologija za magnetsko konfiniranje plazme poznatoj kao kompaktni toroidi (CT). Ona ispoljava pretežno poloidalna magnetna polja i poseduje nulta ili mala samogenerisana toroidalna polja (vidi M. Tuszevski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). Poželjnost takve konfiguracije su njena jednostavna geometrija radi lakše konstrukcije i održavanja, prirodni neograničeni divertor za omogućavanje izdvajanja energije i uklanjanja pepela i vrlo visok β (β je odnos prosečnog pritiska plazme i prosečnog pritiska magnetnog polja unutar FRC), tj. velika gustina snage. Visoka priroda β je pogodna za ekonomičan rad i korišćenje naprednih, aneutronskih goriva, poput D-He<3>i p-B<11>.

[003] Tradicionalna metoda formiranja FRC koristi θ-pinč tehnologiju obrnutog polja, proizvodeći vrelu plazmu velike gustine (videti A. L. Hoffman, J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Varijacija ovoga je translatorna-klopka metoda u kojoj se plazma nastala u teta-pinč "izvoru" manje-više odmah izbacuje jednim krajem u komoru za konfiniranje. Translacioni plazmoid je zatim zarobljen između dva jaka ogledala na krajevima komore (videti, na primer, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, i S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Kada se jednom nađe u komori za konfiniranje, mogu se primeniti različite metode zagrevanja i strujnog pogona, kao što je injekcija snopa (neutralna ili neutralizovana), rotirajuća magnetna polja, RF ili omsko zagrevanje, itd. Ovo razdvajanje funkcija izvora i konfiniranja nudi ključne inženjerske prednosti za potencijalne buduće fuzione reaktore. FRC su se pokazali kao izuzetno robusni, otporni na dinamičke formacije, na translaciju i na silovite događaje zahvata. Štaviše, oni pokazuju tendenciju da postanu prioritetno stanje plazme (videti npr. H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller, i L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001 (2004)). U poslednjoj deceniji napravljen je značajan napredak u razvoju drugih metoda formiranja FRC: spajanje sferomaka sa suprotno usmerenim projekcijama ugaonog momenta (videti npr. Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, i T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) i strujnim pogonom sa rotirajućim magnetnim poljima (RMF) (videti npr. I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), koji takođe obezbeđuje dodatnu stabilnost.

[004] U poslednje vreme se znatno razvila tehnika spajanja sudarom, koja je davno predložena (videti npr. D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)): dva odvojena teta-pinča na suprotnim krajevima komore za konfiniranje istovremeno generišu dva plazmoida i ubrzavaju te plazmoide jedan prema drugom pri velikim brzinama; oni se potom sudaraju u centru komore za konfiniranje i spajaju tako da formiraju složeni FRC. Prilikom konstrukcije i uspešnog izvođenja jednog od najvećih FRC eksperimenata do danas, konvencionalna metoda spajanja sudarom pokazala je da proizvodi stabilne, dugotrajne FRC velikog fluksa i visoke temperature (videti npr. M. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett.105, 045003 (2010)).

Sistem i metoda za formiranje i održavanje FRC objavljeni su u WO 2013/074666 A2.

[005] FRC se sastoje od torusa zatvorenih linija polja unutar separatriksa i od prstenastog ivičnog sloja na otvorenim linijama polja izvan separatriksa. Ivični sloj se sjedinjuje u mlaznice izvan dužine FRC, obezbeđujući prirodni divertor. Topologija FRC koincidira sa plazmom ogledala obrnutih polja. Međutim, značajna razlika je u tome što FRC plazma ima β od oko 10. Inherentno nisko unutrašnje magnetno polje omogućava određenu sopstvenu populaciju kinetičkih čestica, tj. čestica sa velikim Larmorovim radijusima, uporedivih sa manjim radijusom FRC. Upravo su ovi snažni kinetički efekti ti koji izgleda makar delimično doprinose bruto stabilnosti prošlih i sadašnjih FRC, poput onih proizvedenih u eksperimentu spajanja sudarom.

[006] Tipičnim prošlim FRC eksperimentima dominirali su konvektivni gubici sa konfiniranjem energije u velikoj meri određenim transportom čestica. Čestice primarno difunduju radijalno iz zapremine separatriksa, a zatim se aksijalno izgube u ivičnom sloju. Shodno tome, konfiniranje FRC zavisi od osobina i oblasti zatvorenih linija polja i oblasti otvorenih linija polja. Vreme difuzije čestica iz separatriksa skalira se kao τ⊥∼ a<2>/D⊥(a ∼ rs/4, gde je rscentralni radijus separatriksa), a D⊥je karakteristični koeficijent difuzije FRC, tako da je D⊥∼ 12.5 ρie, gde ρiepredstavlja jonski žiroradijus, procenjen na spolja primenjenom magnetnom polju. Vreme održavanja (konfiniranja) čestica ivičnog sloja τǁje u suštini aksijalno vreme tranzita u prošlim FRC eksperimentima. U stabilnom stanju, ravnoteža između radijalnih i aksijalnih gubitaka čestica doprinosi dužini gradijenta gustine separatriksa δ ∼ (D⊥τǁ)<1/2>. Vreme konfiniranja čestica FRC skalira se kao (τ⊥τǁ)<1/2>za prošle FRC koji imaju značajnu gustinu u separatriksu (videti npr. M. Tuzsewski, "Field Reversed Configurations," Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)).

[007] Još jedan nedostatak dizajna prethodnih FRC sistema bila je potreba za korišćenjem spoljašnjih multipola za kontrolu rotacionih nestabilnosti, poput brzo rastućih n=2 nestabilnosti razmene. Na taj način tipična spolja primenjena kvadripolna polja obezbedila su potrebni magnetni obnavljajući pritisak da umanji rast ovih nestabilnih modova. Iako je ova tehnika adekvatna za kontrolu stabilnosti termalne plazme, ona predstavlja ozbiljan problem za više kinetiče FRC ili napredne hibridne FRC, gde se populacija visokokinetičkih čestica velikih orbita kombinuje sa uobičajenom termalnom plazmom. U ovim sistemima izobličenja osnosimetričnog magnetnog polja zbog tih multipolnih polja dovode do dramatičnih gubitaka brzih čestica putem stohastičke difuzije bez sudara, što je posledica gubitka konzervacije kanoničkog ugaonog momenta. Za novo rešenje da se obezbedi kontrola stabilnosti bez povećanja difuzije bilo koje čestice je, prema tome, važno iskoristiti potencijal viših performansi ovih nikada ranije istraženih naprednih FRC koncepata.

[008] U svetlu napred navedenog je, stoga, poželjno unaprediti konfiniranje i stabilnost FRC, kako bi se koristili FRC stabilnog stanja kao put ka čitavom nizu primena, uključujući kompaktne izvore neutrona (za proizvodnju medicinskih izotopa, sanaciju nuklearnog otpada, istraživanje materijala, neutronsku radiografiju i tomografiju), kompaktne izvore fotona (za hemijsku proizvodnju i preradu), sisteme za masenu separaciju i obogaćenje, i reaktorska jezgra za fuziju lakih jezgara za buduću proizvodnju energije.

IZLAGANJE SUŠTINE PRONALASKA

[009] Sadašnji načini izvođenja koji se ovde predviđaju usmereni su na sisteme i metode koji olakšavaju formiranje i održavanje novih konfiguracija obrnutih polja visokih performansi (FRC). U skladu sa ovom novom paradigmom visokih performansi FRC, dati sistem kombinuje mnoštvo novih ideja i sredstava za dramatično poboljšanje FRC konfiniranja čestica, energije i fluksa, kao i da obezbedi kontrolu stabilnosti bez neželjenih posledica.

[010] FRC sistem koji se ovde predviđa obuhvata centralni sud za konfiniranje okružen sa dva dijametralno suprotstavljena odeljka formacije obrnutog polja-teta-pinč i, izvan delova formacije, dve divertorske komore za kontrolu neutralne gustine i kontaminacije nečistoćama. Magnetni sistem obuhvata seriju kvazi-DC kalema koji se nalaze na aksijalnim pozicijama duž komponenata FRC sistema, kvazi-DC kalemove ogledala između svakog od krajeva komore za konfiniranje i susednih odeljaka formacije, i priključke ogledala koji sadrže kompaktne kvazi-DC kalemove ogledala između svakog od odeljaka formacije i divertora koji proizvode dodatna polja za vođenje da fokusiraju površinu magnetnog fluksa prema divertoru. Odeljci formacije se sastoje od modularnih impulsnih sistema za stvaranje energije koji omogućavaju da se FRC formiraju in-situ, i da se potom ubrzavaju i ubrizgavaju (= statička formacija) ili da se formiraju i ubrzavaju istovremeno (= dinamička formacija).

[011] FRC sistem uključuje injektore snopa neutralnih atoma i injektor peleta. U jednom načinu izvođenja, injektori snopa su postavljeni pod uglom kako bi ubrizgali neutralne čestice ka srednjoj ravni. Imajući injektore snopova koji su nagnuti prema srednjoj ravni i sa aksijalnim pozicijama snopa koje su blizu srednje ravni poboljšava se snop-plazma uparivanje, čak i kada se FRC plazma skuplja ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda ubrizgavanja. Uključeni su i sistemi za geterovanje, kao i aksijalni plazma pištolji. Elektrode napajanja su takođe obezbeđene za električno napajanje otvorenih površina fluksa.

[012] Tokom rada, globalni plazma parametri FRC, uključujući toplotnu energiju plazme, ukupne brojeve čestica, radijus i dužinu plazme, kao i magnetni fluks, su suštinski održivi bez raspada, dok su neutralni snopovi ubrizgani u plazmu, a peleti obezbeđuju odgovarajuće dopunjavanje čestica.

[013] Sistemi, metode, svojstva i prednosti pronalaska će biti ili će postati očigledni stručnjaku u ovoj oblasti stanja tehnike nakon pregleda slika i detaljnog opisa koji slede. Predmetni pronalazak definiše sistem za generisanje i održavanje magnetnog polja sa konfiguracijom obrnutog polja (FRC) prema patentnom zahtevu 1. Prioritetni načini izvođenja ovog pronalaska definisani su u zavisnim patentnim zahtevima.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

[014] Prateći crteži, koji su uključeni kao deo ove specifikacije, ilustruju trenutni prioritetni način izvođenja pronalaska i, zajedno sa opštim opisom koji je napred naveden i detaljnim opisom prioritetnog načina izvođenja koji se navodi u daljem tekstu, služe da objasne i poduče principima ovog pronalaska.

[015] Slika 1 ilustruje konfiniranje čestica u sadašnjem FRC sistemu pod FRC režimom visokih performansi (HPF) u odnosu na konvencionalni FRC režim (CR), i u odnosu na druge konvencionalne FRC eksperimente.

[016] Slika 2 ilustruje komponente sadašnjeg FRC sistema i magnetsku topologiju jednog FRC koja se može proizvesti u sadašnjem FRC sistemu.

[017] Slika 3A ilustruje osnovni raspored sadašnjeg FRC sistema posmatrano odozgo, uključujući i prioritetni razmeštaj neutralnih snopova, elektroda, plazma pištolja, priključke ogledala i injektora peleta.

[018] Slika 3B ilustruje centralni sud za konfiniranje posmatran odozgo i pokazuje neutralne snopove postavljene pod uglom upravnim na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za konfiniranje.

[019] Slika 3C ilustruje centralni sud za konfiniranje posmatran odozgo i pokazuje neutralne snopove postavljene pod uglom manjim od pravog u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za konfiniranje i usmerene tako da ubrizgaju čestice prema srednjoj ravni centralnog suda za konfiniranje.

[020] Slika 4 ilustruje šematski prikaz komponenata impulsnog sistema napajanja za formacijske odeljke.

[021] Slika 5 ilustruje izometrijski prikaz pojedinačne formacije palete impulsnog napajanja.

[022] Slika 6 ilustruje izometrijski prikaz formacijskog sklopa cevi.

[023] Slika 7 ilustruje parcijalni izometrijski prikaz odeljka sistema neutralnog snopa i ključnih komponenti.

[024] Slika 8 ilustruje izometrijski prikaz rasporeda neutralnih snopova na komori za konfiniranje.

[025] Slika 9 ilustruje parcijalni izometrijski prikaz odeljka prioritetnog razmeštaja Ti i Li sistema za geterovanje.

[026] Slika 10 ilustruje parcijalni izometrijski prikaz odeljka plazma pištolja instaliranog u divertorskoj komori. Takođe su prikazani i pripadajući priključak magnetnog ogledala i sklop divertorske elektrode.

[027] Slika 11 ilustruje prioritetan raspored prstenaste elektrode za napajanje na aksijalnom kraju komore za konfiniranje.

[028] Slika 12 ilustruje evoluciju radijusa isključenog fluksa u FRC sistemu dobijenog iz serije spoljnih dijamagnetskih petlji sa dva odeljka formacije obrnutog polja-teta-pinč i magnetskih sondi ugrađenih u centralnu metalnu komoru za konfiniranje. Vreme se meri od trenutka sinhronizovanog preokreta polja u formacijskim izvorima, a rastojanje z dato je u odnosu na aksijalnu srednju ravan mašine.

[029] Slike 13 (a) do (d) prikazuju podatke predstavnika ne-HPF režima, neodržavanog pražnjenja na sadašnjem FRC sistemu. Prikazani kao funkcije vremena dati su (a) radijus isključenog fluksa na srednjoj ravni, (b) 6 linijskih segmenata linijski integraljene gustine iz srednje ravni CO2 interferometra, (c) radijalni profili gustine Abelove inverzije iz podataka CO2 interferometra, i (d) ukupna temperatura plazme iz ravnoteže pritisaka.

[030] Slika 14 ilustruje aksijalne profile isključenog fluksa u odabranim trenucima vremena za isto pražnjenje sadašnjeg FRC sistema prikazanog na slici 13.

[031] Slika 15 ilustruje izometrijski prikaz sedlastih navoja montiranih izvan komore za konfiniranje.

[032] Slika 16 ilustruje korelaciju životnog veka FRC i dužine impulsa ubrizganih neutralnih snopova. Kako je prikazano, duži impulsi snopa proizvode duži vek FRC.

[033] Slika 17 ilustruje pojedinačne i kombinovane efekte različitih komponenata FRC sistema u pogledu FRC performansi i dostizanja HPF režima.

[034] Slike 18(a) do (d) prikazuju podatke sa predstavnika HPF režima, održavanog pražnjenja na sadašnjem FRC sistemu. Prikazani kao funkcije vremena dati su (a) radijus isključenog fluksa na srednjoj ravni, (b) 6 linijskih segmenata linijski integraljene gustine iz srednje ravni CO2 interferometra, (c) radijalni profili gustine Abelove inverzije iz podataka CO2 interferometra, i (d) ukupna temperatura plazme iz ravnoteže pritisaka.

[035] Slika 19 ilustruje konfiniranje fluksa kao funkciju temperature elektrona (Te). Ona predstavlja grafički prikaz novouspostavljenog superiornog režima skaliranja za HPF pražnjenja.

[036] Slika 20 ilustruje životni vek FRC koji odgovara dužini impulsa nenagnutih i pod uglom ubrizganih neutralnih snopova.

[037] Treba napomenuti da slike nisu nužno crtane u razmeri i da su elementi sličnih struktura ili funkcija generalno predstavljeni sličnim referentnim brojevima u svrhu ilustracije kroz slike. Takođe treba napomenuti da su slike namenjene samo da olakšaju deskripciju različitih načina izvođenja opisanih ovde. Slike ne opisuju nužno svaki aspekt ideja i principa objavljenih ovde i ne ograničavaju obim patentnih zahteva.

DETALJAN OPIS

[038] Sadašnji načini izvođenja koji se ovde predviđaju usmereni su na sisteme i metode koji olakšavaju formiranje i održavanje konfiguracije obrnutih polja visokih performansi (FRC) sa superiornom stabilnošću, kao i superiornim konfiniranjem čestica, energije i fluksa u odnosu na konvencionalne FRC. Ovakvi FRC visokih performansi otvaraju put ka čitavom nizu primena, uključujući kompaktne izvore neutrona (za proizvodnju medicinskih izotopa, sanaciju nuklearnog otpada, istraživanje materijala, neutronsku radiografiju i tomografiju), kompaktne izvore fotona (za hemijsku proizvodnju i preradu), sisteme za masenu separaciju i za obogaćenje, i reaktorska jezgra za fuziju lakih jezgara za buduću proizvodnju energije.

[039] Različiti pomoćni sistemi i načini rada su istraženi da bi se procenilo da li postoji superiorni režim konfiniranja u FRC. Ovi napori doveli su do revolucionarnih otkrića i razvoja paradigme FRC visokih performansi opisane ovde. U skladu sa ovom novom paradigmom, sadašnji sistemi i metode kombinuju mnoštvo novih ideja i sredstava za dramatično poboljšanje FRC konfiniranja, kao što je ilustrovano na slici 1, kao i obezbeđivanje kontrole stabilnosti bez neželjenih posledica. Kao što je detaljnije razmatrano u nastavku, slika 1 prikazuje konfiniranje čestica u FRC sistemu 10, opisanom u daljem tekstu (videti slike 2 i 3), koji funkcioniše u skladu sa režimom FRC visoke performanse (HPF) za formiranje i održavanje FRC, u odnosu na rad u skladu sa konvencionalnim režimom CR za formiranje i održavanje FRC, i u odnosu na konfiniranje čestica u skladu sa konvencionalnim režimima za formiranje i održavanje FRC korišćenim u drugim eksperimentima. Sadašnje objavljivanje će predstaviti i detaljno opisati inovativne pojedinačne komponente FRC sistema 10 i metode, kao i njihove zbirne efekte.

Opis FRC sistema

Vakuumski sistem

[040] Slike 2 i 3 prikazuju šemu sadašnjeg FRC sistema 10. FRC sistem 10 obuhvata centralni sud za konfiniranje 100 okružen sa dva dijametralno suprotstavljena odeljka formacije obrnutog poljateta-pinč 200 i, izvan delova formacije 200, dve divertorske komore 300 za kontrolu neutralne gustine i kontaminacije nečistoćama. Sadašnji FRC sistem 10 je izgrađen da se prilagodi ultravisokom vakuumu i funkcioniše pri tipičnim baznim pritiscima od 10<-8>torr. Ovakvi vakuumski pritisci zahtevaju upotrebu prirubnica za parenje sa dvostrukom pumpom između komponenata za parenje, metalnih O-prstenova, unutrašnjih zidova visoke čistoće, kao i pažljivo početno kondicioniranje površine svih delova pre montaže, kao što su fizičko i hemijsko čišćenje, praćeno 24-satnim vakuumskim pečenjem na 250 °C i čišćenje pražnjenja vodoničnog sjaja.

[041] Odeljci formacije obrnutog polja-teta-pinč 200 su standardni teta-pinčevi obrnutog polja (FRTPs), iako sa naprednim formacijskim sistemom impulsnog napajanja diskutovanim detaljno u nastavku (videti slike 4 do 6). Svaki formacijski odeljak 200 je napravljen od standardnih neprozirnh kvarcnih cevi industrijskog kvaliteta koje sadrže 2 mm unutrašnje obloge ultračistog kvarca. Komora za konfiniranje 100 je izrađena od nerđajućeg čelika da bi se omogućilo mnoštvo radijalnih i tangencijalnih portova; ona takođe služi kao konzervator fluksa na vremenskoj skali eksperimenata opisanih u nastavku i ograničava brze magnetne prelaze. Vakuumi se stvaraju i održavaju unutar FRC sistema 10 skupom suvih rotacionih pumpi, turbomolekularnih pumpi, i kriogenih pumpi.

Magnetski sistem

[042] Magnetski sistem 400 je ilustrovan na slikama 2 i 3. Slika 2, između ostalih karakteristika, ilustruje FRC konture magnetnog fluksa i gustine (kao funkcije radijalnih i aksijalnih koordinata) koje se odnose na FRC 450 koji se može proizvesti pomoću FRC sistema 10. Ove konture su dobijene 2-D rezistivnom Hall-MHD numeričkom simulacijom, korišćenjem koda koji je razvijen da simulira sisteme i metode koji korespondiraju sa FRC sistemom 10 i dobro se slažu sa izmerenim eksperimentalnim podacima. Kao što je prikazano na slici 2, FRC 450 se sastoji od torusa zatvorenih linija polja u unutrašnjosti 453 FRC 450 unutar separatriksa 451, i od prstenastog ivičnog sloja 456 na linijama otvorenog polja 452 neposredno izvan separatriksa 451. Ivični sloj 456 se spaja u mlaznice 454 izvan dužine FRC, obezbeđujući prirodni divertor.

[043] Glavni magnetski sistem 410 obuhvata seriju kvazi-DC kalemova 412, 414 i 416, koji su smešteni na određenim aksijalnim pozicijama duž komponenata, tj. duž komore za konfiniranje 100, formacijskih odeljaka 200 i divertora 300 FRC sistema 10. Kvazi-DC kalemovi 412, 414 i 416 se napajaju pomoću kvazi-DC prekidačkog napajanja i proizvode bazična magnetna polja od oko 0.1 T u komori za konfiniranje 100, formacijskim odeljcima 200 i divertorima 300. Pored kvazi-DC kalemova 412, 414 i 416, glavni magnetski sistem 410 uključuje kvazi-DC kalemove ogledala 420 (koji se napajaju pomoću prekidačkih napajanja) između svakog od krajeva komore za konfiniranje 100 i susednih formacijskih odeljaka 200. Kvazi-DC kalemovi ogledala 420 obezbeđuju magnetne odnose ogledala do 5 i mogu se nezavisno napajati energijom za kontrolu oblikovanja ravnoteže. Pored toga, priključci ogledala 440 se postavljaju između svakog od formacijskih odeljaka 200 i divertora 300. Priključci ogledala 440 sadrže kompaktne kvazi-DC kalemove ogledala 430 i priključke kalemove ogledala 444. Kvazi-DC ogledala kalemovi 430 uključuju tri kalema 432, 434 i 436 (koji se napajaju pomoću prekidačkog napajanja) koji proizvode dodatna polja za vođenje da fokusiraju površinu magnetnog fluksa 455 prema prolazu malog prečnika 442 koji prolazi kroz priključke kalemova ogledala 444. Priključci kalemova ogledala 444 koji su obmotani oko prolaza malog prečnika 442 i koji se napajaju pomoću LC impulsnog strujnog kola, stvaraju jaka magnetna polja ogledala do 4 T. Svrha ovog celog razmeštaja kalemova je da se čvrsto sakupi i usmeri površine magnetnog fluksa 455 i mlaznice na kraju plazmenog stuba 454 u udaljene komore 310 divertora 300. Konačno, skup "antena" sa sedlastim navojem 460 (videti sliku 15) nalazi se izvan komore za konfiniranje 100, po dva na svakoj strani srednje ravni, i napajaju se pomoću DC napajanja. Antene 460 sa sedlastim navojem mogu se konfigurisati tako da obezbede kvazistatički magnetni dipol ili polje kvadripola od oko 0.01 T za kontrolu rotacionih nestabilnosti i/ili kontrole elektronske struje. Antene 460 sa sedlastim navojem mogu fleksibilno da obezbede magnetna polja koja su ili simetrična ili antisimetrična u odnosu na srednju ravan mašine, zavisno od pravca primenjenih struja.

Formacijski sistemi impulsnog napajanja

[044] Formacijski sistemi impulsnog napajanja 210 funkcionišu po modifikovanom teta-pinč principu. Postoje dva sistema tako da svaki napaja jedan od formacijskih odeljaka 200. Slike 4 do 6 ilustruju glavne gradivne blokove i razmeštaj formacijskih sistema 210. Formacijski sistem 210 sastoji se od modularnog impulsnog uređaja za napajanje koji se sastoji od pojedinačnih jedinica (= paleta) 220 tako da svaki napaja energijom podskup kalemova 232 remenskog sklopa 230 (= remenovi) koji su obmotani oko formacijskih kvarcnih cevi 240. Svaka paleta 220 je sastavljena od kondenzatora 221, induktora 223, brzih jakostrujnih prekidača 225 i pridruženih trigera 222 i električna kola deponije 224. Ukupno, svaki formacijski sistem 210 skladišti između 350-400 kJ kapacitivne energije, koja obezbeđuje do 35 GW snage da se formira i ubrza FRC. Koordinisano funkcionisanje ovih komponenti ostvaruje se pomoću najsavremenijih sistema za trigerovanje i kontrolu 222 i 224 koji omogućavaju sinhronizovani tajming između formacijskih sistema 210 na svakom formacijskom odeljku 200 i minimizira prekidački džiter na desetine nanosekundi. Prednost ovog modularnog dizajna je njegov fleksibilan rad: FRC se mogu formirati in-situ, i potom ubrzavati i ubrizgavati (= statička formacija) ili se formirati i ubrzavati istovremeno (= dinamička formacija).

Injektori neutralnog snopa

[045] Neutralni snopovi atoma 600 se primenjuju na FRC sistem 10 kako bi obezbedili grejanje i strujni pogon, kao i da razvijaju pritisak brzih čestica. Kao što je prikazano na slikama 3A, 3B i 8, pojedinačne linije snopa koje sadrže injektorske sisteme snopa neutralnih atoma 610 i 640 smeštene su oko centralne komore za konfiniranje 100 i ubrizgavaju brze čestice tangencijalno u odnosu na FRC plazmu (i upravno ili pod pravim uglom na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za konfiniranje 100) sa parametrom udara tako da zona za zahvat mete leži duboko unutar separatriksa 451 (videti sliku 2). Svaki od injektorskih sistema 610 i 640 je sposoban za ubrizgavanje do 1 MW snage neutralnog snopa u FRC plazmu sa energijom čestica između 20 i 40 keV. Sistemi 610 i 640 zasnovani su na izvorima za ekstrakciju pozitivnih jona sa više otvora i koriste geometrijsko fokusiranje, inercijalno hlađenje mreža za ekstrakciju jona i diferencijalnu pumpu. Pored korišćenja različitih izvora plazme, sistemi 610 i 640 se prvenstveno razlikuju po njihovom fizičkom dizajnu kako bi se zadovoljile odgovarajuće montažne lokacije, doprinoseći mogućnosti ubrizgavanja bočno i odozgo. Tipične komponente ovih injektora neutralnih snopova su posebno ilustrovani na slici za bočne injektorske sisteme 610. Kao što je prikazano na slici 7, svaki pojedinačni sistem neutralnog snopa 610 uključuje RF izvor plazme 612 na ulaznom kraju (ovo je zamenjeno lučnim izvorom u sistemima 640) sa magnetnim ekranom 614 koji prekriva kraj. Jonski optički izvor i rešetke za ubrzanje 616 su spojeni za izvorom plazme 612, a propusni ventil 620 je postavljen između jonskog optičkog izvora i rešetki za ubrzanje 616 i neutralizatora 622. Magnetni deflektor 624 i jonska deponija 628 nalaze se između neutralizatora 622 i uređaja za ciljanje 630 na izlaznom kraju. Sistem hlađenja obuhvata dva krio-frižidera 634, dva kriopanela 636 i LN2 masku 638. Ovaj fleksibilni dizajn omogućava rad u širokom opsegu FRC parametara.

[046] Alternativna konfiguracija za injektore snopa neutralnih atoma 600 je ona koja ubrizgava brze čestive tangencijalno u odnosu na FRC plazmu, ali pod uglom A manjim od 90° u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za konfiniranje 100. Ovi tipovi orijentacije injektora snopa 615 su prikazani na slici 3C. Pored toga injektori snopa 615 mogu biti orijentisani tako da injektori snopa 615 na obe strane srednje ravni centralnog suda za konfiniranje 100 ubrizgavaju svoje čestice prema srednjoj ravni. Najzad, aksijalna pozicija ovih sistema snopa 600 može se izabrati bliže srednjoj ravni. Ovi alternativni načini izvođenja injektora olakšavaju više centralnu opciju pogona, što omogućava bolje spajanje snopova i veću efikasnost hvatanja ubrizganih brzih čestica. Osim toga, u zavisnosti od ugla i aksijalne pozicije, ovaj razmeštaj injektora 615 omogućava direktniju i nezavisniju kontrolu aksijalnog izduženja i drugih karakteristika FRC 450. Na primer, ubrizgavanje snopova pod plitkim uglom A u odnosu na glavnu osu simetrije suda stvoriće FRC plazmu sa dužom aksijalnom ekstenzijom i nižom temperaturom dok bi odabir ugla A koji je više upravan doveo do aksijalno kraće ali toplije plazme. Na ovaj način, ugao ubrizgavanja A i lokacija injektora 625 mogu biti optimizovani za različite svrhe. Pored toga, ovakvo naginjanje i pozicioniranje injektora snopa 615 može omogućiti snopove veće energije (što je uglavnom povoljnije za deponovanje veće energije sa manjom divergencijom snopa) koji se ubrizgavaju u slabija magnetna polja nego što bi inače bilo neophodno da se uhvate ovakvi snopovi. Ovo je zbog činjenice da je azimutna komponenta energije ta koja određuje skalu orbite brzih jona (koja postaje progresivno manja kako se ugao ubrizgavanja u odnosu na glavnu osu simetrije suda smanjuje pri konstantnoj energiji snopa). Osim toga, ugaono ubrizgavanje prema srednjoj ravni i sa aksijalnim pozicijama snopa blizu srednje ravni poboljšava snop-plazma uparivanje, čak i dok se FRC plazma skuplja ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda ubrizgavanja.

Injektor peleta

[047] Kako bi se obezbedila sredstva za ubrizgavanje novih čestica i bolja kontrola FRC inventara čestica, 12-cevni injektor peleta 700 (videti npr. I. Vinyar et al., "Pellet Injectors Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A, "Proceedings of the 26<th>Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010)) se koristi za FRC sistem 10. Slika 3 ilustruje raspored injektora peleta 700 na FRC sistemu 10. Cilindrični peleti (D ∼ 1 mm, L ∼ 1-2 mm) su ubrizgani u FRC brzinom koja je u opsegu 150 - 250 km/s. Svaka pojedinačna peleta sadrži oko 5x10<19>atoma vodonika, što je uporedivo sa FRC inventarom čestica.

Sistemi za geterovanje

[048] Dobro je poznato da je neutralni halogeni gas ozbiljan problem u svim sistemima za konfiniranje. Procesi razmene naelektrisanja i reciklaže (oslobađanje materijala hladnih nečistoća sa zida) mogu imati devastirajući efekat na konfiniranje energije i čestica. Osim toga, svaka značajna gustina neutralnog gasa na ili blizu ivice će dovesti do brzih gubitaka ili makar ozbiljno skratiti životni vek ubrizganih (visokoenergetskih) čestica velikih orbita (velika orbita se odnosi na čestice koje imaju orbite na skali FRC topologije ili makar radijuse orbite koji su mnogo veći od skale dužine gradijenta karakterističnog magnetnog polja) – činjenica koja je štetna za sve energetske primene plazme, uključujući fuziju putem grejanja pomoćnog snopa.

[049] Kondicioniranje površine je sredstvo kojim se štetni efekti neutralnog gasa i nečistoća mogu kontrolisati ili smanjiti u sistemu za konfiniranje. U tu svrhu, FRC sistem 10 koji je ovde naveden koristi sisteme titanijuma i litijuma za depoziciju 810 i 820, koji oblažu površine komore za konfiniranje (ili suda) 100 i divertora 300 koje su okrenute prema plazmi filmovima Ti i/ili Li (debljine desetine mikrometara). Premazi se postižu pomoću tehnika depozicije isparavanjem. Čvrsti Li i/ili Ti su uparavani i/ili sublimirani i raspršeni na obližnje površine kako bi se formirali premazi. Izvori su atomske pećnice sa vođenim mlaznicama (u slučaju Li) 822 ili zagrejane sfere u čvrstom stanju sa vođenim porkivanjem (u slučaju Ti) 812. Sistemi isparivača Li rade u kontinuiranom režimu, dok sublimatori Ti uglavnom rade naizmenično sa radom plazme. Radne temperature ovih sistema su iznad 600 °C da bi se postigle velike brzine depozicije. Da bi se postigla dobra pokrivenost zida, neophodni su višestruki strateški postavljeni sistemi isparivač/sublimator. Slika 9 opisuje prioritetan razmeštaj depozicionih sistema za geterovanje 810 i 820 u FRC sistemu 10. Premazi deluju kao geter površine i efikasno pumpaju atomske i molekularne hidrogenske vrste (H i D). Premazi takođe redukuju na beznačajne nivoe ostale tipične nečistoće kao što su ugljenik i kiseonik.

Priključci ogledala

[050] Kao što je napred rečeno, FRC sistem 10 koristi skupove kalemova ogledala 420, 430 i 444 kako je prikazano na slikama 2 i 3. Prvi skup ogledalskih namotaja 420 nalazi se na dva aksijalna kraja komore za konfiniranje 100 i nezavisno se napaja energijom iz kalemova za konfiniranje 412, 414 i 416 glavnog magnetskog sistema 410. Prvi skup ogledalskih namotaja 420 prvenstveno pomaže da se upravlja i aksijalno zadrži FRC 450 tokom spajanja i obezbeđuje kontrolu oblikovanja ravnoteže tokom održavanja. Prvi skup ogledalskih namotaja 420 proizvodi nominalno jača magnetna polja (oko 0.4 do 0.5 T) od centralnog polja konfiniranja proizvedenog od strane centralnih kalemova za konfiniranje 412. Drugi skup ogledalskih namotaja 430, koji uključuje tri kompaktna kvazi-DC ogledala 432, 434 i 436, smešten je između formacijskih odeljaka 200 i divertora 300 i pokreće ga zajedničko prekidačko napajanje. Kalemovi ogledala 432, 434 i 436, zajedno sa kompaktnijim impulsnim priključcima namotaja ogledala 444 (koji se napajaju kapacitativnim napajanjem), i fizičkim suženjem 442 formiraju kalemove ogledala 440 koji obezbeđuju uzanu putanju niske gasne provodljivosti sa vrlo jakim magnetnim poljima (između 2 do 4 T sa vremenom uspostavljanja od oko 10 do 20 ms). Najkompaktniji impulsni kalemovi ogledala 444 su kompaktnih radijalnih dimenzija, otvora od 20 cm i slične dužine, u poređenju sa otvorom reda metra i „palačinka“ dizajna kalemova za konfiniranje 412, 414 i 416. Namena priključaka ogledala 440 je višestruka: (1) Namotaji 432, 434, 436 i 444 čvrsto uvezuju i usmeravaju površine magnetnog fluksa 452 i mlaznice na kraju plazmenog stuba 454 u udaljene komore divertora 300. Ovo omogućava da izduvne čestice stižu do divertora 300 na odgovarajući način i da postoje

1

kontinualne površine fluksa 455 koje se prostiru od oblasti otvorenih linija polja 452 centralnog FRC 450 sve do divertora 300. (2) Fizička suženja 442 u FRC sistemu 10, kroz koje kalemovi 432, 434, 436 i 444 omogućavaju prolazak površina magnetnog fluksa 452 i plazma mlaznica 454, obezbeđuju prepreku protoku neutralnog gasa iz plazma pištolja 350 koji se nalaze u divertorima 300. Nalik tome, suženja 442 sprečavaju povratno strujanje gasa od formacijskih odeljaka 200 ka divertorima 300, čime se smanjuje broj neutralnih čestica koji mora biti uveden u ceo FRC sistem 10 kada započne puštanje u rad FRC. (3) Snažna aksijalna ogledala proizvedena pomoću kalemova 432, 434, 436 i 444 redukuju gubitke aksijalnih čestica i time smanjuju koeficijent difuzije paralelnih čestica na otvorenim linijama polja.

Aksijalni plazma pištolji

[051] Plazmeni tokovi od pištolja 350 montiranih u divertorskim komorama 310 divertora 300 imaju za cilj poboljšanje stabilnosti i performansi neutralnog snopa. Pištolji 350 se montiraju na osu unutar komore 310 divertora 300 kao što je ilustrovano na slikama 3 i 10, i proizvode plazmu koja teče duž otvorenih linija fluksa 452 u divertoru 300 i prema centru komore za konfiniranje 100. Pištolji 350 rade na velikim gustinama gasnog pražnjenja u kanalu za pranje i dizajnirani su da generišu nekoliko kiloampera potpuno jonizovane plazme za 5 do 10 ms. Pištolji 350 uključuju impulsni magnetni kalem koji odgovara izlaznom toku plazme sa željenom veličinom plazme u komori za konfiniranje 100. Tehnički parametri pištolja 350 naznačeni su time što kanal ima spoljašnji prečnik 5 do 13 cm i unutrašnji prečnik do oko 10 cm i obezbeđuju struju pražnjenja od 10-15 kA na 400-600 V sa unutrašnjim magnetnim poljem pištolja od 0.5 do 2.3 T.

[052] Plazmeni tokovi pištolja mogu prodreti u magnetna polja ogledalnih priključaka 440 i ući u formacijski odeljak 200 i komoru za konfiniranje 100. Efikasnost prenosa plazme kroz priključak ogledala 440 se povećava sa smanjenjem rastojanja između pištolja 350 i priključka 440 i pravljenjem priključka 440 širim i kraćim. U razumnim uslovima, svaki od pištolja 350 može isporučiti približno 10<22>protona/s kroz priključke ogledala 4402 do 4 T sa visokom temperaturom jona i elektrona od oko 150 to 300 eV i oko 40 do 50 eV, respektivno. Pištolji 350 obezbeđuju značajno dopunjavanje FRC ivičnog sloja 456, i poboljšano ukupno konfiniranje FRC čestica.

[053] Da bi se dodatno povećala gustina plazme, mogla bi se iskoristiti gasna kutija kako bi se u tok plazme iz pištolja 350 uveo dodatni gas. Ova tehnika dozvoljava višestruko povećanje ubrizgane gustine plazme. U sistemu FRC 10, gasna kutija instalirana na strani divertora 300 priključaka ogledala 440, poboljšava dopunjavanje FRC ivičnog sloja 456, formiranje FRC 450 i povezivanje linija plazme.

[054] Imajući u vidu sve parametre podešavanja koji su razmatrani gore i takođe uzimajući u obzir da je moguće raditi samo sa jednim ili sa oba pištolja, sasvim je očigledno da je dostupan širok spektar radnih režima.

Elektrode napajanja

[055] Električno napajanje otvorenih površina fluksa može da obezbedi radijalne potencijale koji dovode do azimutnog E3B kretanja, koje obezbeđuje kontrolni mehanizam, analogno okretanju dugmeta, kako bi se kontrolisala rotacija plazme otvorenog polja, kao i stvarno FRC jezgro 450 pomoću brzine smicanja. Da bi ostvario ovu kontrolu, FRC sistem 10 upotrebljava različite elektrode, strateški postavljene u različite delove mašine. Na slici 3 prikazane su elektrode koje se nalaze na prioritetnim lokacijama unutar FRC sistema 10.

[056] U principu, postoje 4 klase elektroda: (1) tačkaste elektrode 905 u komori za konfiniranje 100 koje uspostavljaju kontakt sa određenim otvorenim linijama polja 452 na ivici FRC 450 da bi se obezbedilo lokalno punjenje, (2) prstenaste elektrode 900 između komore za konfiniranje 100 i formacijskih odeljaka 200 za punjenje krajnjih slojeva fluksa 456 na azimutno simetričan način, (3) gomila naslaganih koncentričnih elektroda 910 u divertorima 300 za punjenje višestrukih koncentričnih slojeva fluksa 455 (pri čemu se izbor slojeva može kontrolisati podešavanjem navoja 416 kako bi se podesilo magnetno polje divertora kako bi se željeni slojevi fluksa 456 završili na odgovarajućim elektrodama 910) i, konačno, (4) same anode 920 (videti sliku 10) plazma pištolja 350 (koji presecaju unutrašnje otvorene površine fluksa 455 blizu separatriksa FRC 450). Slike 10 i 11 pokazuju neke tipične dizajne za neke od njih.

[057] U svim slučajevima ove elektrode se pokreću pomoću impulsnih ili DC izvora napajanja na naponima do oko 800 V. U zavisnosti od veličine elektrode i od toga koje površine fluksa se presecaju, struje se mogu naći u opsegu kiloampera.

Neodržavan rad FRC sistema– konvencionalni režim

[058] Standardna formacija plazme na FRC sistemu 10 prati dobro razvijenu tehniku obrnutog poljateta-pinč. Tipičan proces za pokretanje FRC započinje pokretanjem kvazi-DC kalema 412, 414, 416, 420, 432, 434 i 436 do rada u stabilnom stanju. RFTP strujna kola impulsnog napajanja formacijskih sistema impulsnog napajanja 210 potom pokreću kalemove impulsnog brzog obratnog magnetnog polja 232 kako bi se stvorilo privremeno inverzno napajanje od oko -0.05 T u odeljcima formacije 200. U ovom trenutku unapred određena količina neutralnog gasa na 9-20 psi ubrizgava se u dve formacijske zapremine definisane komorama kvarcne cevi 240 (sever i jug) formacijskih odeljaka 200 preko seta azimutno orijentisanih udubljenja za uparivanje na prirubnicama koje se nalaze na spoljnim krajevima formacijskih odeljaka 200. Potom se generiše slabo RF polje (∼ stotine kiloherca) iz skupa antena na površini kvarnih cevi 240 kako bi se stvorila pre-jonizacija u vidu lokalnih semenskih jonizovanih oblasti unutar neutralnog gasnog stuba. Ovo je praćeno primenom teta-zvonjenje modulacije na struju koja pokreće kalemove impulsnog brzog obratnog magnetnog polja 232, što dovodi do sveobuhvatnije pre-jonizacije gasnog stuba. Na kraju, glavni impulsni punjači formacijskih sistema impulsnog napajanja 210 se ispaljuju kako bi pokrenuli kalemove impulsnog brzog obratnog magnetnog polja 232 da stvore direktno polarisano polje do oko 0.4 T. Ovaj korak može biti vremenski sekvenciran tako da se direktno polarizovano polje generiše uniformno po dužini formacijskih cevi 240 (statička formacija) ili takva da se uzastopna peristaltička modulacija polja postiže duž ose formacijskih cevi 240 (dinamička formacija).

[059] U celom ovom formacijskom procesu, stvarno preokretanje polja u plazmi se odvija brzo, u vremenu od oko 5 ms. Multigigavatna impulsna snaga koja se predaje plazmi lako proizvodi vrele FRC koji se zatim izbacuju iz formacijskih odeljaka 200 primenom vremenski sekvencirane modulacije direktnog magnetskog polja (magnetska peristaltija) ili privremeno povećanih struja u poslednjim namotajima skupa kalema 232 u blizini aksijalnih spoljnih krajeva formacijskih cevi 210 (formiranje aksijalnog gradijenta magnetnog polja koje je uperen aksijalno prema komori za konfiniranje 100). Dve FRC formacije (severna i južna) formirane na ovaj način i ubrzane, zatim se proširuju u komoru za konfiniranje 100 većih prečnika, gde kvazi-DC kalemovi 412 proizvode direktno polarisano polje za kontrolu radijalnog širenja i obezbeđenje ravnotežnog spoljašnjeg magnetnog fluksa.

[060] Kada severna i južna formacija FRC stignu blizu srednje ravni komore za konfiniranje 100, FRC se sudaraju. Tokom sudara, aksijalne kinetičke energije severne i južne formacije FRC uglavnom se termalizuju, jer se FRC-ovi spajaju na kraju u jedinstveni FRC 450. Veliki skup dijagnostike plazme je dostupan u komori za konfiniranje 100 za proučavanje ravnoteža FRC 450. Tipični radni uslovi u FRC sistemu 10 proizvode složene FRC sa radijusima separatriksa od oko 0.4 m i aksijalnom širinom od oko 3 m. Dodatne karakteristike su spoljašnja magnetna polja od oko 0.1 T, gustine plazme oko 5x10<19>m<-3>i ukupna temperatura plazme do 1 keV. Bez ikakvog održavanja, tj. bez grejanja i/ili strujnog pogona kroz ubrizgavanje neutralnog snopa ili drugih pomoćnih sredstava, životni vek ovih FRC je ograničen na oko 1 ms, vreme raspada autohtonih karakteristika konfiguracije.

Eksperimentalni podaci neodržavanog rada – konvencionalni režim

[061] Slika 12 prikazuje tipičnu vremensku evoluciju radijusa isključenog fluksa, rΔΦ, koji aproksimira radijus separatriksa, rs, kako bi ilustrovao dinamiku procesa teta-pinč spajanja FRC 450. Dva pojedinačna plazmoida (severni i južni) se proizvode istovremeno a potom ubrzavaju iz odgovarajućih formacijskih odeljaka 200 supersoničnom brzinom, vz∼ 250 km/s, i sudaraju u blizini srednje ravni na z = 0. Tokom sudara plazmoidi se komprimuju aksijalno, nakon čega sledi brza radijalna i aksijalna ekspanzija, pre nego što se na kraju spoje i formiraju FRC 450. I radijalna i aksijalna dinamika spajanja FRC 450 dokazuju se podrobnim merenjima profila gustine i tomografiji zasnovanoj na bolometru.

[062] Podaci iz reprezentativnog nedoržavanog pražnjenja FRC sistema 10 10 prikazani su kao funkcije vremena na slici 13. FRC se inicira pri t = 0. Radijus isključenog fluksa na aksijalnoj srednjoj ravni mašine prikazan je na slici 13 (a). Ovi podaci se dobijaju iz niza magnetnih sondi, smeštenih tik unutar zida komore za konfiniranje od nerđajućeg čelika, koje mere aksijalno magnetno polje. Čelični zid je dobar konzervator fluksa na vremenskim skalama ovog pražnjenja.

[063] Linijski integraljene gustine su prikazane na slici 13(b), iz 6-segment CO2/He-Ne interferometra, lociranim na z = 0. Uzimajući u obzir vertikalno (y) pomeranje FRC, mereno bolometrijskom tomografijom, Abelova inverzija daje konture gustine sa slike 13(c). Posle nešto aksijalnog i radijalnog prskanja tokom prvih 0.1 ms, FRC se smiruje sa šupljim profilom gustine. Ovaj profil je prilično ravan, sa znatnom gustinom na osi, kao što zahtevaju tipične 2-D FRC ravnoteže.

[064] Ukupna temperatura plazme je prikazana na slici 13(d), izvedena iz ravnoteže pritiska i u potpunosti konzistentna sa Tomsonovim rasejanjem i spektroskopskim merenjima.

[065] Analiza iz celog niza isključenog polja fluksa pokazuje da se oblik FRC separatriksa (aproksimiran isključenim aksijalnim profilima fluksa) postepeno razvija od oblika atletičarske staze do eliptičnog. Ova evolucija, prikazana na slici 14, je u skladu postepenim magnetnim povezivanjem sa dva na jedan FRC. I zaista, grube procene ukazuju na to da se u ovom konkretnom trenutku oko 10 % dva inicijalna magnetna fluksa FRC ponovo povezuje tokom sudara.

[066] Dužina FRC se stalno skraćuje od 3 do oko 1 m tokom životnog veka FRC. Ovo skraćenje, vidljivo na slici 14, ukazuje na to da FRC konfiniranjem uglavnom dominiraju konvektivni gubici energije. Kako se pritisak plazme unutar separatriksa smanjuje brže od spoljašnjeg magnetskog pritiska, napregnutost linija magnetnog polja u rubnim oblastima aksijalno komprimuje FRC,

1

vraćajući aksijalnu i radijalnu ravnotežu. Za pražnjenje razmatrano na slikama 13 i 14, magnetni fluks FRC, inventar čestica i toplotna energija (oko 10 mWb, 7x10<19>čestica, i 7 kJ, respektivno) smanjuju se za približno jedan red veličine u prvoj milisekundi, kada izgleda ravnoteža FRC jenjava.

Neprekidan rad - HPF režim

[067] Primeri na slikama 12 do 14 su karakteristični za raspadanje FRC bez ikakvog održanja. Međutim, nekoliko tehnika je primenjeno na FRC sistemu 10 da se dalje poboljša FRC konfiniranje (unutrašnje jezgro i ivični sloj) u HPF režim i da se konfiguracija održava.

Neutralni snopovi

[068] Prvo, brzi (H) neutrali se ubrizgavaju upravno na Bzu snopoima iz osam injektora neutralnih snopova 600. Snopovi brzih neutrala se ubrizgavaju od trenutka kada se FRC severne i južne formacije spajaju u komori za konfiniranje 100 u jedan FRC 450. Brzi joni, stvoreni prvenstveno razmenom naelekrisanja, imaju betatronske orbite (sa primarnim radijusima na skali FRC topologije ili bar znatno veće od skale dužine gradijenta karakterističnog magnetnog polja) koje doprinose azimutnoj struji FRC 450. Nakon nekih frakcija pražnjenja (nakon 0.5 do 0.8 ms u pucanju), dovoljno velika populacija brzih jona značajno poboljšava unutrašnju stabilnost FRC i svojstva konfiniranja (videti npr, M.W. Binderbauer and N. Rostoker, Plasma Phys.56, part 3, 451 (1996)). Pored toga, iz perspektive održivosti, snopovi iz injektora neutralnih snopova 600 su takođe primarno sredstvo za vođenje struje i zagrevanje FRC plazme.

[069] U režimu plazme FRC sistema 10, brzi joni usporavaju prvenstveno na plazma elektronima. Tokom rane faze pražnjenja, tipična vremena usporavanja brzih jona prosečnih orbita su 0.3 - 0.5 ms, što rezultira značajnim grejanjem FRC, pre svega elektrona. Brzi joni prave velike radijalne izlaske van separatriksa zato što je unutrašnje magnetno polje FRC po prirodi slabo (oko 0.03 T u proseku za 0.1 T spoljašnje aksijalno polje). Brzi joni bi bili podložni gubitku usled razmene naelektrisanja, ako bi gustina neutralnog gasa izvan separatriksa bila previsoka. Zbog toga, geterovanje zidova i druge tehnike (kao što su plazma pištolj 350 i priključci ogledala 440 koji doprinose, između ostalog, kontroli gasa) primenjene na FRC sistem 10 imaju tendenciju da minimiziraju granične neutralne elemente i omoguće potrebnu izgradnju struje brzih jona.

Injekcija peleta

[070] Kada se u okviru FRC 450 izgradi značajna populacija brzih jona unutar FRC 450, sa višim temperaturama elektrona i dužim životnim vekom FRC, zamrznute pelete H ili D se ubrizgavaju u FRC 450 iz injektora peleta 700 kako bi se održavao FRC inventar čestica FRC 450. Predviđene vremenske skale ablacije su dovoljno kratke da se obezbedi značajan FRC izvor čestica. Ova brzina se takođe može uvećati povećavanjem površine oblasti ubrizganog dela tako što se pojedinačna peleta razbija na manje fragmente dok se u buradima ili cevima za ubrizgavanje injektora peleta 700 i pre ulaska u komoru za konfiniranje 100, korak koji se može postići povećavanjem trenja između peleta i zidova cevi za ubrizgavanje zatezanjem radijusa savijanja poslednjeg segmenta injektorske cevi neposredno pre ulaska u komoru za konfiniranje 100. Na osnovu promene sekvence ispaljivanja i brzine 12 buradi (injektorskih cevi), kao i fragmentacije, moguće je podesiti sistem za ubrizgavanje peleta 700 da bi se obezbedio baš željeni nivo održavanja inventara čestica. Zauzvrat, ovo pomaže u održavanju unutrašnjeg kinetičkog pritiska u FRC 450 i neprekidnom radu i životnom veku FRC 450.

[071] Jednom kada se atomi nastali ablacijom susretnu sa značajnom plazmom u FRC 450, oni postaju potpuno jonizovani. Rezultirajuća komponenta hladne plazme se zatim zagreva sudarima sa autohtonom FRC plazmom. Energijom koja je neophodna za održavanje željene FRC temperature na kraju se snabdeva od injektora snopa 600. U tom smislu, injektori peleta 700 zajedno sa injektorima neutralnog snopa 600 formiraju sistem koji održava stabilno stanje i održava FRC 450.

Sedlasti navoji

[072] Da bi se postigao strujni pogon stabilnog stanja i održavanje potrebne jonske struje, poželjno je sprečiti ili značajno redukovati elektronski spin nastao usled elektron-jon sile trenja (rezultira iz transfera momenta impulsa prilikom sudara jona i elektrona). FRC sistem 10 koristi inovativnu tehniku za obezbeđivanje elektronskog prekida pomoću spolja primenjenog statičkog magnetnog dipola ili kvadripolnog polja. Ovo se postiže pomoću sedlastih navoja 460 prikazanih na Slici 15. Transverzalno primenjeno radijalno magnetno polje iz sedlastih navoja 460 indukuje aksijalno električno polje u rotirajućoj FRC plazmi. Rezultujuća aksijalna struja elektrona interaguje sa radijalnim magnetnim poljem kako bi se proizvela azimutna sila prekidanja na elektronima, Fθ=- σVeθ<|Br|<2>>. Za tipične uslove u FRC sistemu 10, potrebno primenjeno polje magnetnog dipola (ili kvadripola) unutar plazme mora biti samo reda 0.001 T da bi se obezbedilo adekvatno prekidanje elektrona. Odgovarajuće spoljašnje polje od približno .015 T je dovoljno malo da ne izazove znatne gubitke brzih čestica ili da na drugi način negativno utiče na konfiniranje. U stvari, primenjeno polje magnetnog dipola (ili kvadripola) doprinosi suzbijanju nestabilnosti. U kombinaciji sa tangencijalnim ubrizgavanjem neutralnog snopa i aksijalnim ubrizgavanjem plazme, sedlasti navoji 460 obezbeđuju dodatni nivo kontrole u pogledu održavanja struje i stabilnosti.

Priključci ogledala

[073] Dizajn impulsnih kalemova 444 unutar priključaka ogledala 440 dozvoljava lokalno generisanje visokomagnetnih polja (2 do 4 T) sa skromnom (oko 100 kJ) kapacitivnom energijom. Za formiranje magnetnih polja tipičnih za sadašnju funkciju FRC sistema 10 sve linije polja unutar formacijske zapremine prolaze kroz suženja 442 na ogledalnim priključcima 440, kako je sugerisano linijama magnetnog polja na slici 2 i kontakt plazma-zid se ne dešava. Štaviše, priključci ogledala 440 u tandemu sa kvazi-DC magnetima divertora 416 mogu se podesiti tako da se usmeravaju linije polja na elektrode divertora 910, ili šire linije polja u krajnju pik konfiguraciju (nije prikazano). Ovo potonje poboljšava stabilnost i suzbija paralelnu toplotnu provodljivost elektrona.

[074] Priključci ogledala 440 sami takođe doprinose kontroli neutralnog gasa. Priključci ogledala 440 omogućavaju bolje iskorišćenje deuterijumskog gasa uparenog u kvarcne cevi tokom formiranja FRC, pošto je gasni povratni tok u divertore 300 značajno smanjen malom gasnom provodljivošću priključaka (oskudnih 500 L/s). Najveći deo rezidualnog uparenog gasa unutar formacijskih cevi 210 se brzo jonizuje. Pored toga, plazma visoke gustine koja prolazi kroz priključke ogledala 440 obezbeđuje efikasnu neutralnu jonizaciju, što znači efektivnu gasnu barijeru. Kao rezultat toga, većina neutralni elementi koji se recikliraju u divertorima 300 iz ivičnog sloja FRC 456 ne vraćaju se u komoru za konfiniranje 100. Pored toga, neutralni elementi vezani za rad plazma pištolja 350 (kao što je opisano u nastavku) uglavnom će biti ograničeni na divertore 300.

[075] Najzad, priključci ogledala 440 imaju tendenciju da poboljšaju konfiniranje u FRC ivičnom sloju. Kod odnosa ogledala (magnetna polja za priključak/konfiniranje) u opsegu od 20 do 40, i sa dužinom od 15 m između severnog i južnog ogledala priključka 440, vreme konfiniranja čestica

1

ivičnog sloja τise povećava do na jedan red veličine. Poboljšanje τilako povećava FRC konfiniranje čestica FRC.

[076] Pretpostavljajući da je radijalni difuzivni (D) gubitak čestica iz zapremine separartriksa 451 u ravnoteži sa aksijalnim gubicima (τǁ) od ivičnog sloja 456, dobija se (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/ τǁ), odakle se izdvaja dužina gradijenta gustine separatriksa se može kao δ = (Dτǁ)<1/2>. Ovde su rs, Lsi nsradijus separatriksa, dužina separatriksa i gustina separatriksa, respektivno. FRC vreme konfiniranja čestica je τN= [πrs<2>Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(τ⊥τǁ)<1/2>, pri čemu je τ⊥= a<2>/D, i a = rs/4. Fizički, poboljšanje τǁdovodi do povećanja δ (smanjeni gradijent gustine separatriksa i parametar drifta) i, stoga, do smanjenog FRC gubitka čestica. Sveukupno poboljšanje u FRC konfiniranju čestica je generalno nešto manje od kvadratnog jer nsraste sa τǁ.

[077] Značajno poboljšanje u τitakođe zahteva da ivični sloj 456 ostaje izuzetno stabilan (tj, da nema n = 1 „flauta“, „vatrogasno crevo“, ili drugih MHD nestabilnosti koje su tipične za otvorene sisteme). Upotreba plazma pištolja 350 obezbeđuje ovu prioritetnu stabilnost ivice. U tom smislu, priključci ogledala 440 i plazma pištolj 350 obrazuju efektivan sistem kontrole ivica.

Plazma pištolji

[078] Plazma pištolji 350 poboljšavaju stabilnost FRC izduvnih mlaznica 454 vezivanjem linija. Plazme iz plazma pištolja 350 generišu se bez azimutnog ugaonog momenta, što se pokazalo korisnim kod kontrole rotacionih nestabilnosti FRC. Kao takvi, pištolji 350 su efikasno sredstvo za kontrolu stabilnosti FRC, bez potrebe za starijom tehnikom stabilizacije kvadripola. Kao rezultat, plazma pištolji 350 omogućavaju da se iskoriste korisni efekti brzih čestica ili pristupi naprednom hibridnom kinetičkom FRC režimu kako je navedeno u ovom obelodanjivanju. Zbog toga, plazma pištolji 350 omogućavaju da FRC sistem 10 radi pomoću struja sedlastih kalemova koje su taman dovoljne za prekid elektrona, ali su ispod praga koji bi izazvao nestabilnost FRC i/ili doveo do dramatične difuzije brzih čestica.

[079] Kao što je napred pomenuto u diskusiji pod nazivom Priključci ogledala, ako se τǁmože značajno poboljšati, onda bi isporučena plazma pištolja bi bila uporediva sa brzinom gubitka čestica ivičnog sloja (∼ 10<22>/s). Životni vek plazme proizvedene iz pištolja u FRC sistemu 10 je u opsegu milisekundi. I zaista, razmotrimo plazmu pištolja sa gustinom ne∼ 10<13>cm<-3>i temperaturom jona od oko 200 eV, konfiniranu između krajnjih priključaka ogledala 440. Dužina zamke L i odnos ogledala R su oko 15 m i 20, respektivno. Srednji slobodni put jona usled Kulonovih sudara je λii∼6x10<3>cm i, pošto je λiilnR/R < L, joni se konfiniraju u dinamičkom gasnom režimu. Vreme konfiniranja plazme u ovom režimu je τgd∼ RL/2Vs∼ 2 ms, gde je Vsjonska brzina zvuka. Poređenja radi, klasično vreme konfiniranja jona za ove parametre plazme bilo bi τc∼ 0.5 τii(lnR (lnR)<0.5>) ∼ 0.7 ms. Anomaln transverzalna difuzija može, u principu, skratiti vreme konfiniranja plazme. Međutim, u FRC sistemu 10, ako pretpostavimo Bohm-ovu stopu difuzije, procenjeno poprečno vreme konfiniranja za plazmu pištolja je τ⊥> τgd∼ 2 ms. Prema tome, pištolji bi omogućili značajno dopunjavanje FRC ivičnog sloja 456, i poboljšano sveukupno FRC konfiniranje čestica.

[080] Nadalje, plazmeni tokovi iz pištolja mogu se uključiti za oko 150 do 200 mikrosekundi, što omogućava primenu u FRC pokretanju, translaciji i spajanju u komoru za konfiniranje 100. Ako su uključene oko t ∼ 0 (inicijacija glavnih punjača FRC) plazme pištolja pomažu u održavanju postojećeg dinamički formiranog i spojenog FRC 450. Kombinovani inventari čestica iz formacijskih FRC i iz pištolja su adekvatni za zahvat neutralnog snopa, za grejanje plazme i dugotrajno održavanje. Ako su uključene pri t u opsegu od -1 do 0 ms, plazme pištolja mogu napuniti kvarcne

1

cevi 210 plazmom ili jonizovati gas uparen u kvarcne cevi, omogućavajući tako stvaranje FRC sa smanjenim ili čak i nultim uparenim gasom. Ovo potonje može zahtevati dovoljno hladnu formaciju plazme kako bi se omogućila brzu difuziju obrnuto polarizovanog magnetnog polja. Ako su uključeni pri t < -2 ms, plazmeni tokovi bi mogli da popune zapreminu od približno 1 do 3 m<3>zapremine linija polja formacijskih i oblasti konfiniranja formacijskih odeljaka 200 i komore za konfiniranje 100 sa ciljnom gustinom plazme od nekoliko 10<13>cm<-3>, dovoljno da se omogući stvaranje neutralnog snopa pre dolaska FRC. Formacije FRC bi zatim mogle da se formiraju i transliraju u rezultujući sud za konfiniranje plazme. Na ovaj način plazma pištolji 350 omogućavaju širok spektar radnih uslova i režima parametara.

Električno napajanje

[081] Kontrola radijalnog profila električnog polja u ivičnom sloju 456 je na različite načine korisna za stabilnost i konfiniranje FRC. Zahvaljujući inovativnim podesivim komponentama za napajanje raspoređenim u FRC sistemu 10, moguće je primeniti niz namernih distribucija električnih potencijala na grupu otvorenih površina fluksa širom mašine iz oblasti koje su izvan centralnog područja za konfiniranje u komori za konfiniranje 100. Na taj način radijalna električna polja mogu se generisati preko ivičnog sloja 456 tik izvan FRC 450. Ova radijalna električna polja zatim modifikuju azimutalnu rotaciju ivičnog sloja 456 i uzrokuju njegovo konfiniranje pomoću E3B brzine smicanja. Svaka diferencijalna rotacija između ivičnog sloja 456 i FRC jezgra 453 može se zatim preneti u unutrašnjost FRC plazme pomoću smicanja. Kao rezultat, kontrolisanje ivičnog sloja 456 direktno utiče na FRC jezgro 453. Nadalje, pošto slobodna energija kod rotacije plazme takođe može biti odgovorna za nestabilnosti, ova tehnika obezbeđuje direktno sredstvo za kontrolu početka i rasta nestabilnosti. U FRC sistemu 10, odgovarajuće napajanje ivica omogućava efektivnu kontrolu transporta i rotacije linija otvorenog polja, kao i rotacije FRC jezgra. Lokacija i oblik različitih obezbeđenih elektroda 900, 905, 910 i 920 omogućuje kontrolu različitih grupa površina fluksa 455 na različitim i nezavisnim potencijalima. Na taj način se može realizovati širok spektar različitih konfiguracija i snaga električnog polja, svaki sa različitim karakterističnim uticajem na performanse plazme.

[082] Ključna prednost svih ovih inovativnih tehnika napajanja je činjenica da se na ponašanje plazme jezgra i ivica može uticati daleko izvan FRC plazme, tj. ne postoji potreba da ma koja fizička komponenta bude u dodiru s centralnom vrućom plazmom (što bi imalo ozbiljne posledice na gubitke energije, fluksa i čestica). Ovo ima veliki povoljan uticaj na performanse i sve moguće primene HPF koncepta.

Eksperimentalni podaci - HPF rad

[083] Ubrizgavanje brzih čestica putem snopova iz pištolja neutralnih snopova 600 ima važnu ulogu u omogućavanju HPF režima. Slika 16 ilustruje ovu činjenicu. Prikazan je skup krivih koji pokazuje kako je životni FRC vek u korelaciji sa dužinom impulsa snopa. Svi ostali uslovi rada su držani konstantnim za sva pražnjenja koja ova studija sadrži. Podaci su usrednjeni na osnovu mnogih snimaka i, stoga, predstavljaju tipično ponašanje. Sasvim je očigledno da duže trajanje snopa proizvodi duže živuće FRC. Gledajući ove dokaze kao i druge dijagnostike tokom ove studije, pokazuje se da snopovi povećavaju stabilnost i smanjuju gubitke. Korelacija između dužine impulsnog snopa i životnog veka FRC nije savršena jer zarobljavanje snopa postaje neefikasno ispod određene veličine plazme, tj. kako se fizička dimenzija FRC 450 smanjuje, tako ne bivaju uhvaćeni i zarobljeni svi ubrizgani snopovi. Skupljanje FRC prvenstveno je posledica činjenice da je neto

1

gubitak energije (~ 4 MW na oko pola puta kroz pražnjenje) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne snage koja se dovodi u FRC putem neutralnih snopova (~ 2.5 MW) za određeni eksperimentalni setap. Postavljanje snopova na lokaciju bliže srednjoj ravni suda 100 bi težio da smanji te gubitke i produži životni vek FRC.

[084] Slika 17 ilustruje efekte različitih komponenti na postizanje HPF režima. Prikazuje familiju tipičnih krivih koje prikazuju životni vek FRC 450 kao funkciju vremena. U svim slučajevima konstantna, skromna količina snage snopa (oko 2.5 MW) se ubrizgava tokom celokupnog trajanja svakog pražnjenja. Svaka kriva je predstavnik različite kombinacije komponenti. Na primer, upravljanje FRC sistemom 10 bez bilo kakvih ogledalnih priključaka 440, plazma pištolja 350 ili getera iz sistema za geterovanje 800 rezultuje brzim početkom nestabilnosti rotacije i gubitkom FRC topologije. Dodavanje samo ogledalnih priključaka 440 odlaže početak nestabilnosti i povećava konfiniranje. Korišćenje kombinacije priključaka ogledala 440 i plazma pištolja 350 dodatno smanjuje nestabilnost i povećava životni vek FRC. Konačno dodavanje getera (Ti u ovom slučaju), povrh pištolja 350 i utikača 440, daje najbolje rezultate - rezultantni FRC je bez nestabilnosti i ostvaruje najduži životni vek. Na osnovu ove eksperimentalne demonstracije jasno je da puna kombinacija komponenti daje najbolji efekat i obezbeđuje snopove sa najboljim ciljnim uslovima.

[085] Kao što je prikazano na slici 1, novootkriveni HPF režim pokazuje dramatično poboljšano ponašanje pri transportu. Slika 1 ilustruje promenu vremena konfiniranja čestica u FRC sistemu 10 između konvencionalnog režima i HPF režima. Kao što se može videti, u HPF režimu se poboljšao za više od 5 puta. Pored toga, slika 1 detaljno prikazuje vreme konfiniranja čestica u FRC sistemu 10 u odnosu na vreme konfiniranja čestica u prethodnim konvencionalnim FRC eksperimentima. U odnosu na ove druge mašine, HPF režim FRC sistema 10 je poboljšao konfiniranje za faktor od između 5 do blizu 20. Najzad i najvažnije, priroda skaliranja konfiniranja FRC sistema 10 u HPF režimu se dramatično razlikuje od svih prethodnih merenja. Pre uspostavljanja HPF režima u FRC sistemu 10, različiti empirijski zakoni o skaliranju su izvedeni iz podataka kako bi se predvideli vremena konfiniranja u prethodnim FRC eksperimentima. Sva ta pravila skaliranja zavise uglavnom od odnosa R<2>/ρi, gdje je R radijus magnetnog polja nule (labava mera fizičke skale mašine), a ρije jonski Larmorov radijus procenjen u spolja primenjenom polju (labava mera primenjenog magnetnog polja). Iz slike 1 je jasno da je dugotrajno konfiniranje u konvencionalnom FRC moguće samo za velike dimenzije mašine i/ili na jakom magnetnom polju. Rad FRC sistema 10 u konvencionalnom FRC režimu CR ima tendenciju da prati ta pravila skaliranja, kao što je prikazano na slici 1. Međutim, HPF režim je umnogome superioran i pokazuje da je moguće postići mnogo bolje konfiniranje bez velike dimenzije mašine ili jakog magnetnog polja. Još važnije, takođe je jasno sa slike 1 da HPF režim rezultira poboljšanim vremenom konfiniranja pri smanjenoj veličini plazme u poređenju sa režimom CR. Slični trendovi su takođe vidljivi za vremena konfiniranja fluksa i energije, kako je opisano u nastavku, koja su se povećala za više od 3-8 i u sistemu FRC 10. Revolucionarnost HPF režima, stoga, omogućava korišćenje skromne snage snopa, slabijih magnetnih polja i manjih dimenzija kako bi očuvali i održavali FRC ravnoteže u sistemu FRC 10 i budućim mašinama viših energija. Zajedno sa ovim poboljšanjima dolaze niži troškovi rada i izgradnje, kao i smanjena inženjerska složenost.

[086] Radi daljeg poređenja, na slici 18 prikazani su podaci iz reprezentativnog pražnjenja HPF režima u sistemu FRC 10 kao funkcija vremena. Na slici 18 (a) prikazan je radijus isključenog fluksa na srednjoj ravni. Za ove duže vremenske periode, provodni čelični zid više nije dobar konzervator fluksa, a magnetske sonde koje su unutar zida dopunjene su sondama izvan zida, kako bi se pravilno uračunala difuzija magnetnog fluksa kroz čelik. U poređenju sa tipičnim izvođenjem u

1

konvencionalnom režimu CR, kao što je prikazano na slici 13, režim rada HPF pokazuje preko 400% duži vek trajanja.

[087] Reprezentativni kabl linijski integrisanog traga gustine prikazan je na slici 18 (b) sa svojim komplementom Abelove inverzije, konture gustine, na slici 18 (c). U poređenju sa konvencionalnim FRC režimom CR, koji je prikazan na slici 13, plazma je mirnija tokom čitavog impulsa, što ukazuje na vrlo stabilan rad. Vršna gustina je takođe nešto niža u HPF snimcima - to je posledica vrelije ukupne temperature plazme (do 2 puta veće), kao što je prikazano na Slici 18 (d).

[088] Za odgovarajuće pražnjenje prikazano na Slici 18, vremena konfiniranja energije, čestica i fluksa su 0.5 ms, 1 ms i 1 ms, respektivno. U referentnom vremenu od 1 ms unutar pražnjenja, uskladištena energija plazme je 2 kJ, dok su gubici oko 4 MW, čineći ovaj cilj veoma pogodnim za održavanje neutralnog snopa.

[089] Slika 19 sumira sve prednosti HPF režima u obliku novouspostavljenog eksperimentalnog skaliranja HPF konfiniranja fluksa. Kao što se može videti na Slici 19, na osnovu merenja izvršenih pre i posle t = 0.5 ms, tj. t ≤ 0.5 ms i t> 0.5 ms, konfiniranje fluksa (i slično, konfiniranje čestica i konfiniranje energije) skalira sa približno kvadratom temperature elektrona (Te) za dati radijus separatriksa (rs). Ovo snažno skaliranje sa pozitivnom snagom Te(a ne negativnom snagom) je potpuno suprotno onome što ispoljava konvencionalni tokamak, gde je konfiniranje tipično obrnuto proporcionalno nekom stepenu temperature elektrona. Manifestacija ovog skaliranja je direktna posledica HPF stanja i velike orbite (tj. orbite na skali FRC topologije i/ili bar na skali karakteristične dužine gradijenta magnetnog polja) jonske populacije. U osnovi, ovo novo skaliranje značajno podržava visoke radne temperature i omogućava reaktore relativno skromnih dimenzija.

[090] Sa prednostima koje HPF režim predstavlja, održivost FRC ili stabilno stanje vođeno neutralnim snopovima i korišćenjem odgovarajućeg ubrigavanja peleta može se postići, što znači da su globalni parametri plazme, poput toplotne energije plazme, ukupnog broja čestica, radijusa plazme i dužine plazme, kao i magnetnog fluksa, održivi na razumnom nivou bez značajnog raspada. Poređenja radi, slika 20 prikazuje podatke u plotu A iz reprezentativnog HPF režima pražnjenja u FRC sistemu 10 kao funkciju vremena i u plotu B za projektovani reprezentativni HPF rezim pražnjenja u režimu FRC sistema 10 kao funkciju vremena gde se FRC 450 održava bez raspadanja tokom trajanja impulsa neutralnog snopa. Za plot A, neutralni snopovi sa ukupnom snagom u opsegu od oko 2.5-2.9 MW su ubrizgani u FRC 450 za aktivnu dužinu impulsa snopa od oko 6 ms. Plazma dijamagnetski životni vek prikazan u plotu A iznosio je oko 5.2 ms. Noviji podaci pokazuju da je dijamagnetski životni vek plazme od oko 7.2 ms ostvarljiv sa aktivnom dužinom impulsa snopa od oko 7 ms.

[091] Kao što je napred pomenuto u odnosu na sliku 16, korelacija između dužine impulsa snopa i životnog veka FRC nije savršena, jer zarobljavanje snopa postaje neefikasno ispod određene veličine plazme, tj. kako se fizička dimenzija FRC 450 smanjuje, tako ne bivaju uhvaćeni i zarobljeni svi ubrizgani snopovi. Skupljanje ili propadanje FRC prvenstveno je posledica činjenice da je neto gubitak energije (~ 4 MW na oko pola puta kroz pražnjenje) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne snage koja se dovodi u FRC putem neutralnih snopova (~ 2.5 MW) za određeni eksperimentalni setap. Kao što je napomenuto u pogledu slike 3C, ugaonim ubrizgavanjem snopa iz pištolja neutralnih snopova 600 prema srednjoj ravni poboljšava se snop-plazma uparivanje, čak i kada se FRC plazma skuplja ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda ubrizgavanja. Pored toga, odgovarajuće punjenje peleta će održavati neophodnu gustinu plazme.

1

[092] Plot B je rezultat simulacija koje se pokreću koristeći aktivnu dužinu impulsa snopa od oko 6 ms i ukupnu snagu snopa od pištolja neutralnih snopova 600 od nešto malo više od oko 10 MW, pri čemu neutralne snopove ubrizgavaju H (ili D) neutralni elementi sa energijom čestica od oko 15 keV. Ekvivalentna struja koju ubrizgava svaki od snopova je oko 110 A. Za plot B, ugao ubrizgavanja snopa na osu uređaja je bio oko 20°, a ciljni radiju iznosio je 0.19 m. Ugao ubrizgavanja može se menjati u opsegu 15° - 25°. Snopovi se azimutno ubrizgavaju u ko-strujni pravac. Neto bočna sila, kao i neto aksijalna sila od ubrizgavanja momenta neutralnog snopa biće minimizirane. Kao i u plotu A, brzi (H) neutralni elementi se ubrizgavaju iz injektora neutralnog snopa 600 od trenutka kada se FRC severne i južne formacije spajaju u komori za konfiniranje 100 u jednu FRC 450.

[093] Simulacije koje su bile osnova plota B koriste višedimenzione Hall-MHD solvere za pozadinsku plazmu i ravnotežu, potpuno kinetičke solveri zasnovane na Monte Karlo meodi za komponente energetskog snopa i sve procese rasejanja, kao i niz spojenih transportnih jednačina za sve vrste plazme za modeliranje interaktivnih procesa gubitaka. Komponente transporta su empirijski kalibrirane i obimno upoređene sa eksperimentalnom bazom podataka.

[094] Kao što pokazuje plot B, dijamagnetski živtni vek stabilnog stanja FRC 450 će biti dužina impulsa snopa. Međutim, važno je napomenuti da ključni korelacioni plot B pokazuje da, kada se snopovi isključe, plazma ili FRC počinju da se raspadaju u to vreme, ali ne pre. Raspad će biti sličan onome što se primećuje u pražnjenjima koja nisu uz pomoć snopa - verovatno reda 1 ms preko vremena isključivanja snopa - i predstavlja samo odraz karakterističnog vremena raspada plazme koji je vođen procesima unutrašnjih gubitaka.

[095] Iako je pronalazak podložan različitim modifikacijama i alternativnim oblicima, specifični primeri toga su prikazani crtežima i ovde opisani detaljno. Treba smatrati, međutim, da pronalazak nije ograničen na određene oblike ili metode koje su otkrivene, već naprotiv, pronalazak obuhvata sve modifikacije, ekvivalente i alternative koje spadaju unutar duha i opsega priloženih tvrdnji.

[096] U napred navedenom opisu, samo u svrhu objašnjenja, utvrđena je specifična nomenklatura da obezbedi temeljno razumevanje sadašnjeg objelodanjivanja. Međutim, stručnjaku u ovoj oblasti stanja tehnike će biti očigledno da ovi specifični detalji nisu zahtevani kako bi se praktikovale ideje i principi sadašnjeg obelodanjivanja.

[097] Različita svojstva reprezentativnih primera i zavisnih patentnih zahteva mogu se kombinovati na načine koji nisu posebno i eksplicitno nabrojani kako bi se obezbedili dodatni korisni načini izvođenja prikazanih ideja i principa. Takođe se izričito napominje da svi opsezi vrednosti ili indikacije grupa entiteta otkrivaju svaku moguću posrednu vrednost ili posredni entitet u svrhu prvobitnog obelodanjivanja, kao i u svrhu ograničavanja predmetnog sadržaja patentnih zahteva.

[098] Obelodanjeni su sistemi i metode za generisanje i održavanje HPF režima FRC. Smatra se da su načini izvođenja ovde opisani u svrhu razjašnjenja i ne smeju se smatrati ograničavajućim za predmet objavljivanja. Različite modifikacije, upotrebe, zamene, kombinacije, poboljšanja, metode proizvodnje bez odlaska iz okvira ovog pronalaska biće očigledni stručnjaku u ovoj oblasti stanja tehnike. Na primer, čitalac treba da shvati da je specifičan redosled i kombinacija proceduralnih postupaka opisanih ovde samo ilustrativan, ukoliko nije drugačije naznačeno, a pronalazak može biti izveden korišćenjem drugačijih ili dodatnih proceduralnih postupka, ili drugačijom kombinacijom ili redosledom proceduralnih postupaka. Kao još jedan primer, svako svojstvo jednog načina izvođenja može se mešati i usklađivati s drugim svojstvima prikazanim u drugim načinima izvođenjima. Svojstva i procesi poznati onima sa običnom veštinom mogu se slično uključiti po želji.

2

Dodatno i očigledno, svojstva se mogu dodati ili oduzeti po želji. Shodno tome, pronalazak nije ograničen, osim u svetlu priloženih patentnih zahteva.

Claims (16)

Patentni zahtevi

1. Sistem za generisanje i održavanje magnetnog polja sa konfigurnacijom obrnutog polja (FRC) koji sadrži:

komoru (100) za konfiniranje,

prvi i drugi dijametralno suprotstavljeni FRC odeljak (200) formacije spojene sa komorom (100) za konfiniranje,

prvi i drugi divertor (300) spojen sa prvim i drugim odeljkom formacije (200),

jedan ili više od mnoštva plazma pištolja (350), jednu ili više elektroda napajanja i prvi i drugi priključak ogledala (440), pri čemu mnoštvo plazma pištolja (350) obuhvata prvi i drugi aksijalni plazma pištolj (350) funkcionalno spojen sa prvim i drugim divertorom (300), prvi i drugi formacijski odeljak (200) i komora (100) za konfiniranje, pri čemu su jedna ili više elektroda napajanja pozicionirane unutar jedne ili više komora (100) za konfiniranje, prvi i drugi formacijski odeljak (200), i prvi i drugi divertor (300), i pri čemu su prvi i drugi priključak ogledala (440) pozicionirani između prvog i drugog formacijskog odeljka (200) i prvog i drugog divertora (300),

sistem za geterovanje (800) spojen sa komorom (100) za konfiniranje i sa prvim i drugim divertorom (300),

mnoštvo injektora snopa neutralnih atoma (600, 615) spojenih na komoru (100) za konfiniranje pored srednje ravni komore za konfiniranje, i magnetski sistem (410) koji sadrži mnoštvo kvazi-DC kalemova (432, 434, 436 i 444) pozicioniranih oko komore (100) za konfiniranje, prvi i drugi formacijski odeljak (200), i prvi i drugi divertor (300), prvi i drugi skup kvazi-DC ogledala kalemova (432, 434, 436 i 444) pozicioniranih između komore (100) za konfiniranje i prvog i drugog formacijskog odeljka (200),

naznačen time što

je mnoštvo injektora (600, 615) snopa neutralnih atoma orijentisano tako da ubrizgavaju snopove neutralnih atoma prema srednjoj ravni pod uglom unutar opsega 15° - 25° manjim od pravog ugla u odnosu na uzdužnu osu komore za konfiniranje,

pri čemu je sistem konfigurisan tako da po formiranju jednog FRC od strane sistema oko plazme u komori za konfiniranje, FRC plazma se održava u razmakutom odnosu prema zidu komore za konfiniranje i na ili oko konstantne vrednosti bez raspada, dok se snopovi brzih neutralnih atoma ubrizgavaju iz mnoštva injektora neutralnog snopa u FRC plazmu pod uglom unutar opsega 15° - 25° manjim od pravog ugla u odnosu na uzdužnu osu komore za konfiniranje i prema srednjoj ravni komore za konfiniranje.

2. Sistem iz patentnog zahteva 1 dalje sadrži dva ili više sedlastih navoja (460) spojenih sa komorom (100) za konfiniranje.

3. Sistem iz patentnih zahteva 1-2 dalje sadrži jonski injektor (700) peleta spojen sa komorom (100) za konfiniranje.

4. Sistem iz patentnog zahteva 1, pri čemu svaki formacijski odeljak (200) sadrži modularizovane formacijske sisteme za generisanje FRC i njegovu translaciju prema srednjoj ravni komore (100) za konfiniranje.

5. Sistem iz patentnog zahteva 4 pri čemu mnoštvo plazma pištolja (350) sadrži prvi i drugi aksijalni plazma pištolj operativno spojene na prvi i drugi divertor (300), prvi i drugi formacijiski odeljak (200) i komoru (100) za konfiniranje, i pri čemu su prvi i drugi priključak ogledala (440) pozicionirani između prvog i drugog formacijskog odeljka (200) i prvog i drugog divertora (300), jednu ili više elektroda napajanja za električno napajanje otvorenih površina (455) fluksa generisanog FRC, jedna ili više elektroda napajanja su pozicionirane unutar jedne ili više komora (100) za konfiniranje, prvog i drugog formacijskog odeljka (200), i prvog i drugog divertora (300), i pri čemu sistem dalje sadrži dva ili više sedlasta navoja (460) spojenih sa komorom (100) za konfiniranje, i jonski injektor (700) peleta spojen sa komorom (100) za konfiniranje.

6. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4 i 5 dalje sadrži treći i četvrti skup priključaka ogledala (440) između svakog od prvog i drugog formacijskog odeljka (200) i prvog i drugog divertora (300).

7. Sistem iz patentnog zahteva 6 dalje sadrži skup priključaka kalemova ogledala obmotan oko suženja (442) u prolazu između svakog od prvog i drugog formacijskog odeljka (200) i prvog i drugog divertora (300).

8. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7, pri čemu prvi i drugi formacijski odeljak (200) sadrže izduženu kvarcnu cev (210) sa kvarcnom oblogom.

9. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7, pri čemu su formacijski sistemi implusni formacijski sistemi za napajanje.

10. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7, pri čemu pri čemu formacijski sistemi sadrže mnoštvo jedinica napajanja i upravljačkih jedinica (220) spojenih sa pojedinačnim od mnoštva sklopova remena (230) za napajanje energijom skupa kalemova pojedinačnih iz mnoštva sklopova remena (230) koji su obmotani oko izdužene cevi (210) prvog i drugog formacijskog odeljka (200).

11. Sistem iz patentnog zahteva 10, pri čemu pojedinačni iz mnoštva jedinica napajanja i upravljačkih jedinica (220) koji sadrže sisteme za trigerovanje (222) i kontrolu.

12. Sistem iz patentnog zahteva 11, pri čemu sistemi za trigerovanje (222) i kontrolu pojedinačnih iz mnoštva jedinica napajanja i upravljačkih jedinica (220) imaju mogućnost sinhronizacije da bi omogućili statičku FRC formaciju, pri čemu je FRC formiran i zatim ubrizgan, ili dinamičku FRC formaciju, pri čemu je FRC formiran i transliran simultano preveden.

13. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7, pri čemu mnoštvo injektora (600) snopa neutralnih atoma sadrži jedan ili više RF izvora plazme injektora (600) snopa neutralnih atoma i jedan ili više lučnih izvora injektora (600) snopa neutralnih atoma.

14. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7, pri čemu je mnoštvo injektora (600) snopa neutralnih atoma orijentisano sa putanjom ubrizgavanja tangencijalnom u odnosu na FRC sa zonom za zahvat mete unutar separatriksa (451) FRC-a.

15. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7 pri čemu sistem (800) za geterovanje sadrži jedan ili više od sistema (810) za depoziciju titanijuma i sistem (820) za depoziciju litijuma koji oblažu površine komore (100) za konfiniranje i prvog i drugog divertora (300) koje su okrenute prema plazmi.

16. Sistem iz patentnih zahteva 1, 4-5 i 7, pri čemu elektrode napajanja uključuju jednu ili više od jedne ili više tačkastih elektroda pozicioniranih unutar komore (100) za konfiniranje da se uspostavi kontakt sa otvorenim linijama polja, skup prstenastih elektroda između komore (100) za konfiniranje i prvog i drugog formacijskog odeljka (200) za napajanje krajnjih slojeva fluksa na azimutno simetričan način, mnoštvo koncentričnih naslaganih elektroda pozicioniranih u prvom i drugom divertoru (300) za napajanje višestrukih koncentričnih slojeva fluksa, i anode plazma pištolja (350) za prekidanje otvorenog fluksa (452).