RS63672B1 - Sistemi za formiranje i održavanje frc visokih performansi - Google Patents

Description

Opis

OBLAST

[0001] Primeri izvođenja koji su ovde opisani se uopšteno odnose na sisteme za magnetno držanje plazme, a još preciznije, na sisteme koji olakšavaju formiranje i održavanje konfiguracija reverznog polja sa superiornom stabilnošću, kao i držanje čestica, energije i fluksa.

STANJE TEHNIKE

[0002] Konfiguracija reverznog polja (FRC) spada u klasu topologija za magnetno držanje plazme poznatu kao kompaktni toroidi (CT). Ona ispoljava pretežno poloidalna magnetna polja i poseduje nula ili malo samogenerisanih toroidnih polja (videti M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033 (1988)). Atraktivnosti ovakve konfiguracije su njena jednostavna geometrija, koja omogućava jednostavno konstruisanje i održavanje, prirodno neograničeni divertor za olakšavanje ekstrakcije energije i uklanjanje pepela i vrlo visoki β (β je odnos prosečnog pritiska plazme i prosečnog pritiska magnetnog polja u FRC), tj., visoka gustina energije. Prirodno visoki β je pogodan za ekonomičnost operacije i za korišćenje naprednih, aneutronskih goriva, kao što su D-He<3>i p-B<11>.

[0003] Tradicionalni postupak formiranja FRC primenjuje θ-pinč tehnologiju reverznog polja, koja stvara vrele plazme visoke gustine (videti A. L. Hoffman i J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27 (1993)). Varijacija ovoga je postupak translacije-zarobljavanja u kome se plazma stvorena u teta-pinč "izvoru" u većem ili manjem stepenu odmah izbacuje iz jednog kraja u komoru za držanje. Translirajući plazmoid se zatim zarobljava između dva jaka ogledala na krajevima komore (videti, na primer, H. Himura, S. Okada, S. Sugimoto, i S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191 (1995)). Jednom kada je u komori za držanje, mogu se primeniti različiti postupci za zagrevanje i napajanje strujom, kao što su injektovanje snopa (neutralnog ili neutralisanog), rotirajuća magnetna polja, RF ili omsko zagrevanje, itd. Ovo razdvajanje funkcija izvora i držanja pruža ključne konstrukcijske prednosti pri projektovanju potencijalnih budućih fuzionih reaktora. FRC su se pokazali kao izuzetno robusni, otporni na dinamičko formiranje, translaciju i pojave nasilnog hvatanja. Osim toga, oni ispoljavaju tendenciju da zauzmu poželjno 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 dekadi je ostvaren značajan napredak u razvoju drugih postupaka formiranja FRC: spajanje sferomaka sa suprotno usmerenim helicitima (videti npr. Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama, i T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001 (1999)) i napajanje strujom pomoću rotirajućih magnetnih polja (RMF) (videti npr. I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950 (1999)), koji takođe obezbeđuje dodatnu stabilnost.

[0004] Nedavno je znatno unapređena tehnika sjedinjavanja sudarom koja je bila odavno predložena (videti npr. D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)): dva odvojena teta-pinča na suprotnim krajevima komore za držanje istovremeno stvaraju dva plazmoida i ubrzavaju ih jedan prema drugom velikom brzinom; oni se zatim sudaraju u centru komore za držanje i sjedinjavaju da bi formirali sjedinjenu FRC. Pri konstrukciji i uspešnom radu jednog od najvećih FRC eksperimenata do danas, pokazano je da konvencionalni postupak sjedinjavanja sudarom stvara FRC koji su stabilni, dugotrajni, sa visokim fluksom i visokom temperaturom (videti npr. M. Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett.105, 045003 (2010)).

[0005] FRC se sastoje od torusa sa linijama polja zatvorenim unutar separatrise, i prstenastog ivičnog sloja na otvorenim linijama polja neposredno izvan separatrise. Ivični sloj se sjedinjava u mlazeve iza dužine FRC, formirajući prirodni divertor. Topologija FRC se poklapa sa onom kod plazme u polju preokrenutom kao u ogledalu. Međutim, značajna razlika je u tome, što je kod FRC plazme β oko 10. Inherentno slabo unutrašnje magnetno polje obezbeđuje određenu sopstvenu populaciju čestica sa kinetičkom energijom, tj. čestica sa velikim Larmorovim radijusima uporedivim sa malim FRC radijusom. Izgleda da su ovi jaki kinetički efekti ono što bar delimično doprinosi velikoj stabilnosti ranijih i sadašnjih FRC, kao što su oni dobijeni u eksperimentu sjedinjavanja sudarom.

[0006] Tipičnim ranijim FRC eksperimentima su dominirali konvektivni gubici uz držanje energije koje je pretežno bilo određeno transportom čestica. Iz zapremine separatrise čestice se šire pretežno radijalno, a zatim se gube aksijalno u ivičnom sloju. Shodno tome, držanje FRC zavisi od svojstava regiona linija sila i zatvorenog, i otvorenog polja. Vreme difuzije čestica koje ističu iz separatrise se određuje kao τ┴~ a<2>/D┴(a ~ rs/4, gde je rscentralni radijus separatrise), a D┴je karakteristična difuzivnost FRC, tako da D┴~12,5 ρie, gde ρiepredstavlja žiro-radijus jona, procenjen u eksterno primenjenom magnetnom polju. Vreme držanja čestica u ivičnom sloju τ||je u suštini aksijalno vreme prolaska iz prethodnih FRC eksperimenata. U stacionarnom stanju, odnos između radijalnog i aksijalnog gubitka čestica daje dužinu gradijenta gustine separatrise δ ~ (D┴τ||)<1⁄2>. FRC vreme držanja čestica se određuje kao (τ┴τ||)<1⁄2>za prethodne FRC koji imaju znatnu gustinu na separatrisi (videti npr. M. TUSZEWSKI, "Field Reversed Configurations," Nucl.

Fusion 28, 2033 (1988)).

[0007] Sledeći nedostatak ranijih konstrukcija FRC sistema je bila potreba da se iskoriste eksterni multipoli za kontrolu rotacionih nestabilnosti, kao što su brzo rastuće n=2 nestabilnosti u obliku petlje. Na ovaj način, tipična eksterno primenjena kvadrupolna polja su obezbeđivala potrebno magnetno obnavljanje pritiska radi prigušivanja rasta ovih nestabilnih stanja. Dok je ova tehnika adekvatna za kontrolu stabilnosti termičke plazme velike zapremine, ona dovodi do ozbiljnih problema kod FRC sa većom kinetikom ili kod naprednih hibridnih FRC, gde se populacija visokokinetičkih čestica sa orbitama velikih radijusa kombinuje sa uobičajenom termičkom plazmom. Kod ovih sistema, distorzije osnosimetričnog magnetnog polja usled takvih multipolnih polja dovode do dramatičnih gubitaka brzih čestica usled stohastičke difuzije bez sudara, čiju posledicu predstavlja gubitak održanja kanoničnog ugaonog momenta. Shodno tome, neophodno je novo rešenje da bi se obezbedila kontrola stabilnosti bez povećanja difuzije bilo kojih čestica da bi se iskoristila prednost većeg potencijala performansi ovih nikada ranije istraživanih naprednih FRC koncepata.

[0008] U svetlu napred navedenog je, stoga, poželjno da se poboljšaju držanje i stabilnost FRC, sa ciljem da se iskoristi stacionarno stanje FRC kao put za mnoštvo različitih 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. WO2013/074666-A2 otkriva FRC sistem koji sadrži centralni sud za držanje okružen sa dve dijametralno suprotne sekcije za formiranje teta pinča reverznog polja, a iza tih sekcija za formiranje, dve komore divertora za kontrolu gustine neutrala i kontaminacije nečistoćama. Magnetni sistem koji sadrži seriju kvazi-dc namotaja je aksijalno postavljen duž komponenata FRC sistema, pri čemu se kvazi-dc namotaji ogledala nalaze između komore za držanje i susednih sekcija za formiranje, i prigušnice ogledala, između sekcija za formiranje i divertora. Sekcije za formiranje uključuju modularne sisteme za formiranje sa impulsnim napajanjem, koji omogućavaju da FRC budu formirani in-situ, a zatim ubrzani i injektovani (statičko formiranje) ili da budu istovremeno formirani i ubrzani (dinamičko formiranje). FRC sistem dalje uključuje injektore snopova neutralnih atoma, injektor peleta, sisteme za geterovanje, aksijalne plazma topove i elektrode za polarizaciju površina fluksa.

[0009] ROGER RAMAN: "Fuelling Requirements for Advanced Tokamak Operation", 32ND EPS CONFERENCE ON PLASMA PHYS. TARRAGONA, tom.29C, 27. jun 2005. (2005-06-27), strane 1-4, XP55438760, ISBN: 978-0-660-19890-3 otkriva aspekte koji se odnose na rad Tokamaka.

SUŠTINA PRONALASKA

[0010] Predmetna prijava obezbeđuje sistem za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom reverznog polja shodno patentnim zahtevima koji slede.

[0011] Sistemi, karakteristike i prednosti pronalaska biće, ili će postati, očigledni stručnjaku u ovoj oblasti nakon pregleda slika nacrta i detaljnog opisa u nastavku teksta. Predviđeno je da se obim pronalaska definiše patentnim zahtevima.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

[0012] Priloženi crteži, koji su uključeni kao deo predmetne specifikacije, ilustruju primer izvođenja i, zajedno sa gore datim opštim opisom i detaljnim opisom primera izvođenja datim u nastavku, služe da objasne i poduče principima predmetnog pronalaska.

Slika 1 ilustruje držanje čestica u predmetnom FRC sistemu u FRC režimu visokih performansi (HPF) u odnosu na ono u konvencionalnom FRC režimu (CR) i u odnosu na druge konvencionalne FRC eksperimente.

Slika 2 ilustruje komponente predmetnog FRC sistema i magnetnu topologiju FRC koja se može dobiti u predmetnom FRC sistemu.

Slika 3A ilustruje osnovni raspored u predmetnom FRC sistemu kada se on posmatra odozgo, uključujući raspored snopova neutrala, elektroda, plazma topova, prigušnica ogledala i injektora peleta.

Slika 3B ilustruje centralni sud za držanje kada se on posmatra odozgo i prikazuje snopove neutrala raspoređene pod pravim uglom u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za držanje.

Slika 3C ilustruje centralni sud za držanje kada se on posmatra odozgo i prikazuje snopove neutrala raspoređene pod uglom manjim od pravog u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za držanje i usmerene da injektuju čestice prema centralnoj ravni centralnog suda za držanje.

Slika 4 šematski ilustruje komponente sistema sa impulsnim napajanjem sekcija za formiranje.

Slika 5 ilustruje izometrijski izgled pojedinačne skretnice za formiranje sa impulsnim napajanjem.

Slika 6 ilustruje izometrijski izgled sklopa cevi za formiranje.

Slika 7 ilustruje delimični izometrijski izgled preseka sistema za snopove neutrala i ključnih komponenti.

Slika 8 ilustruje izometrijski izgled sklopa za snop neutrala na komori za držanje.

Slika 9 ilustruje delimični izometrijski izgled preseka konstrukcije sistema za geterovanje sa Ti i Li.

Slika 10 ilustruje delimični izometrijski izgled preseka plazma topa smeštenog u komori divertora. Takođe su prikazane njima pridružene magnetne prigušnice ogledala i sklop elektroda divertora.

Slika 11 ilustruje raspored prstenastih polarizacionih elektroda na aksijalnom kraju komore za držanje.

Slika 12 ilustruje evoluciju radijusa isključenog fluksa u FRC sistemu dobijenog iz niza spoljašnjih dijamagnetnih petlji na dve sekcije za formiranje teta pinča reverznog polja i magnetnih sondi ugrađenih unutar centralne metalne komore za držanje. Vreme je mereno od trenutka sinhronizovane reverzije polja u izvorima za formiranje, a rastojanje z je dato u odnosu na aksijalnu centralnu ravan mašine.

Slike 13 (a) do (d) ilustruju podatke za reprezentativna ne-HPF, neodrživa pražnjenja predmetnog FRC sistema. Kao funkcije vremena su prikazani (a) radijus isključenog fluksa u centralnoj ravni, (b) 6 kanala linijski integrisane gustine iz centralne ravni CO2 interferometra, (c) podaci o Abelovim inverznim radijalnim profilima gustine sa CO2 interferometra, i (d) ukupna temperatura plazme na osnovu ravnoteže pritisaka.

Slika 14 ilustruje aksijalne profile isključenog fluksa u izabranim trenucima za isto pražnjenje predmetnog FRC sistema koje je prikazano na slici 13.

Slika 15 ilustruje izometrijski izgled sedlastih kalemova montiranih izvan komore za držanje.

Slika 16 ilustruje korelaciju između vremena života FRC i dužine impulsa injektovanih snopova neutrala. Kao što je prikazano, duže trajanje impulsa snopova stvara FRC sa dužim vremenom života.

Slika 17 ilustruje pojedinačne i kombinovane efekte različitih komponenata FRC sistema na performanse FRC i postizanje HPF režima.

DETALJAN OPIS

[0013] Primeri izvođenja koji su ovde prikazani se odnose na sisteme koji olakšavaju formiranje i održavanje konfiguracija reverznog polja (FRC) visokih performansi sa superiornom stabilnošću, kao i sa superiornim držanjem čestica, energije i fluksa u odnosu na konvencionalne FRC. Ovakvi FRC visokih performansi trasiraju put za mnoštvo različitih primena, uključujući kompaktne izvore neutrona (za proizvodnju medicinskih izotopa, sanaciju nuklearnog otpada, istraživanje materijala, neutronsku radiografiju i tomografiju), kompaktne izvore fotona (za hemijsko proizvodnju i preradu), sisteme za masenu separaciju i obogaćenje, i reaktorska jezgra za fuziju lakih jezgara za buduću proizvodnju energije.

[0014] Različiti pomoćni sistemi i režimi rada su ispitivani da bi se utvrdilo da li postoji superiorni režim držanja kod FRC. Ovi napori su doveli do izuzetnih otkrića i do razvoja ovde opisane paradigme FRC visokih performansi. U skladu sa ovom novom paradigmom, aktuelni sistem i postupci kombinuju mnogo novih ideja i sredstava radi dramatičnog poboljšanja držanja FRC, kao što je prikazano na slici 1, kao i radi obezbeđivanja kontrole stabilnosti bez negativnih sporednih efekata. Kao što je detaljno razmotreno u nastavku, slika 1 prikazuje držanje čestica u dole opisanom FRC sistemu 10 (videti slike 2 i 3), koji radi u skladu sa režimom FRC visokih performansi (HPF) za formiranje i održavanje FRC, za razlika od rada u skladu sa konvencionalnim režimom CR za formiranje i održavanje FRC, i za razlika od držanja čestica u skladu sa konvencionalnim režimima za formiranje i održavanje FRC, koji su korišćeni u drugim eksperimentima. Predmetnim otkrićem će biti naznačene i detaljno opisane pojedinačne inovativne komponente FRC sistema 10 i postupaka, kao i njihovi zajednički efekti.

Opis FRC sistema

Vakuumski sistem

[0015] Slike 2 i 3 šematski prikazuju predmetni FRC sistem 10. FRC sistem 10 uključuje centralni sud 100 za držanje okružen sa dve dijametralno suprotne sekcije 200 za formiranje teta pinča reverznog polja i, iza sekcija 200 za formiranje, dve komore 300 divertora za kontrolu gustine neutrala i kontaminacije nečistoćama. Predmetni FRC sistem 10 je prilagođen za održavanje ultra visokog vakuuma i on radi na tipičnom osnovnom pritisku od 10<-8>torr. Takvi vakuumski pritisci zahtevaju primenu dvostruko-pumpajućih uparenih prirubnica između uparenih komponenata, metalne O-prstenove, unutrašnje zidove velike čistoće, kao i pažljivu početnu pripremu površina svih delova pre sastavljanja, kao što je fizičko i hemijsko čišćenje, koje je praćeno sa 24-časovnim vakuumskim pečenjem na 250 °C i čišćenjem tinjajućim pražnjenjem kroz vodonik.

[0016] Sekcije 200 za formiranje teta pinča reverznog polja su standardni teta-pinčevi-reverznogpolja (FRTP), mada sa naprednim sistemom za formiranje sa impulsnim napajanjem koji je detaljno razmotren ispod u tekstu (videti sliku 4 do sliku 6) Svaka sekcija 200 za formiranje je napravljena od standardnih neprovidnih kvarcnih cevi industrijskog kvaliteta, koje su iznutra obložene sa 2 mm ultra-čistog kvarca. Komora 100 za držanje je napravljena od nerđajućeg čelika da bi se obezbedilo mnoštvo radijalnih i tangencijalnih portova; ona takođe služi i za konzervaciju fluksa u vremenskom periodu odvijanja dole opisanih eksperimenata i takođe ograničava brze magnetne promene. Unutar FRC sistema 10 se dobijaju i održavaju vakuumi pomoću grupe suvih zavojnih pred-pumpi, turbo molekularnih pumpi i krio pumpi.

Magnetni sistem

[0017] Magnetni sistem 400 je ilustrovan na slikama 2 i 3. Slika 2, pored ostalih karakteristika, ilustruje konture FRC magnetnog fluksa i gustine (kao funkcije radijalnih i aksijalnih koordinata) koje se odnose na FRC 450, koji može da se napravi pomoću FRC sistema 10. Ove konture su dobijene 2-D rezistentnom Hall-MHD numeričkom simulacijom uz korišćenje koda razvijenog za simulaciju sistema i postupaka koji odgovaraju FRC sistemu 10 i one se dobro slažu sa izmerenim eksperimentalnim podacima. Kao što se vidi na slici 2, FRC 450 se sastoji od torusa koji formiraju zatvorene linije polja u unutrašnjosti 453 FRC 450, unutar separatrise 451, i od prstenastog ivičnog sloja 456 na otvorenim linijama 452 polja neposredno izvan separatrise 451. Ivični sloj 456 se sjedinjuje u mlazeve 454 iza dužine FRC, praveći tako prirodni divertor.

[0018] Glavni magnetni sistem 410 obuhvata niz kvazi-dc kalemova 412, 414 i 416 koji su smešteni na određenim aksijalnim pozicijama duž komponenata FRC sistema 10, tj. duž komore 100 za držanje, sekcija 200 za formiranje i divertora 300. Kvazi-dc kalemovi 412, 414 i 416 se napajaju pomoću kvazi-dc prekidačkog napajanja i oni stvaraju osnovna polarizaciona magnetna polja od oko 0,1 T u komori 100 za držanje, sekcijama 200 za formiranje i divertorima 300. Pored kvazi-dc kalemova 412, 414 i 416, glavni magnetni sistem 410 sadrži kvazi-dc kalemove 420 ogledala (koje napajaju prekidačka napajanja) između bilo kog kraja komore 100 za držanje i susednih sekcija 200 za formiranje. Kvazi-dc kalemovi 420 ogledala obezbeđuju odnose magnetnog ogledala do 5 i mogu da budu nezavisno napajani radi kontrole ravnotežnog oblikovanja. Pored toga, između svake od sekcija 200 za formiranje i divertora 300 su smeštene prigušnice 440 ogledala. Prigušnice 440 ogledala sadrže kompaktne kvazi-dc kalemove 430 ogledala i kalemove 444 prigušnica ogledala. Kvazi-dc kalemovi 430 ogledala sadrže tri kalema 432, 434 i 436 (koje napajaju prekidačka napajanja) koji proizvode dodatna vodeća polja da bi fokusirali površine 455 magnetnog fluksa prema prolazu 442 malog prečnika, koji prolazi kroz kalemove 444 prigušnica ogledala. Kalemovi 444 prigušnica ogledala, koji su obavijeni oko prolaza 442 malog prečnika i napaja ih LC impulsno kolo za napajanje, stvaraju jako magnetno polje u ogledalu do 4 T. Svrha ovog celokupnog rasporeda kalemova je da tesno usnope i vode površine 455 magnetnog fluksa i mlazeve 454 plazme koji struje sa krajeva u udaljene komore 310 divertora 300. Na kraju, grupa sedlastih "antena" 460 (videti sliku 15) je locirana izvan komore 100 za držanje, po dve sa svake strane centralne ravni, i one se napajaju iz izvora jednosmerne struje. Antene 460 u vidu sedlastog kalema mogu da budu konfigurisane tako da obezbeđuju kvazi-statično magnetno polje u vidu dipola ili kvadrupola od oko 0,01 T za kontrolu rotacionih nestabilnosti i/ili kontrolu strujanja elektrona. Antene 460 u vidu sedlastog kalema mogu fleksibilno da obezbede magnetna polja koja su simetrična ili asimetrična oko centralne ravni mašine, u zavisnosti od smera primenjenih struja.

Sistemi za formiranje sa impulsnim napajanjem

[0019] Sistemi 210 za formiranje sa impulsnim napajanjem rade na modifikovanom teta-pinč principu. Postoje dva sistema, od kojih svaki napaja po jednu od sekcija 200 za formiranje. Slike 4 do 6 prikazuju glavne gradivne blokove i raspored sistema 210 za formiranje. Sistem 210 za formiranje je sačinjen od modularnog uređaja sa impulsnim napajanjem, koji se sastoji od pojedinačnih jedinica (=skretnica) 220, od kojih svaka napaja podgrupu kalemova 232 pojasnog sklopa 230 (=pojaseva), koji su obavijeni oko kvarcnih cevi 240 za formiranje. Svaka skretnica 220 je sačinjena od kondenzatora 221, induktora 223, brzih prekidača 225 jakih struja i pridruženog okidača 222 i sabirnog kola 224. Ukupno, svaki sistem 210 za formiranje akumulira između 350-400 kJ kapacitivne energije, što obezbeđuje oko 35 GW snage za formiranje i ubrzanje FRC. Koordinisani rad ovih komponenata se ostvaruje pomoću okidača iz stanja tehnike i upravljačkog sistema 222 i 224, koji omogućava međusobnu vremensku sinhronizaciju između sistema 210 za formiranje na svakoj sekciji 200 za formiranje i minimizira odstupanje pri prebacivanju do reda veličine od desetina nanosekundi. Prednost ovakvog modularnog dizajna je njegova fleksibilnost u radu: FRC mogu da budu formirani in-situ, a zatim ubrzani i injektovani (=statičko formiranje) ili mogu da budu formirani i ubrzani u isto vreme (=dinamičko formiranje).

Injektori snopa neutrala

[0020] Snopovi 600 neutralnih atoma se primenjuju na FRC sistem 10 da bi se obezbedili zagrevanje i proticanje struje, kao i ostvarivanje pritiska brzih čestica. Kao što je prikazano na slikama 3A, 3B i 8, sistemi 610 i 640 za injektovanje snopova neutralnih atoma, koji sadrže pojedinačne linije snopova, nalaze se oko centralne komore 100 za držanje i injektuju brze čestice tangencijalno na FRC plazmu (i upravno ili pod pravim uglom u odnosu na glavnu osu simetrije centralnog suda 100 za držanje) sa takvim parametrom udara da ciljna zona hvatanja leži duboko unutar separatrise 451 (videti sliku 2). Svaki sistem 610 i 640 za injektovanje je sposoban da injektuje snopove neutrala snage do 1 MW u FRC plazmu sa energijom čestica između 20 i 40 keV. Sistemi 610 i 640 su bazirani na izvorima za ekstrakciju pozitivnih jona sa više otvora i koriste geometrijsko fokusiranje, inercijalno hlađenje rešetki za ekstrakciju jona i diferencijalno pumpanje. Osim korišćenja različitih izvora plazme, sistemi 610 i 640 se pre svega razlikuju po svom fizičkom izgledu da bi odgovarali svojim mestima za ugradnju, strani prinosa i vrhunskim svojstvima injektovanja. Tipične komponente ovih injektora snopova neutrala su posebno prikazane na slici 7 i to za bočne sisteme 610 za injektovanje. Kao što je prikazano na slici 7, svaki pojedinačni sistem 610 za snopove neutrala sadrži RF izvor 612 plazme na ulaznom kraju (ovo je zamenjeno lučnim izvorom u sistemima 640), sa magnetnim ekranom 614 koji pokriva kraj. Optički izvor jona i rešetke 616 za ubrzanje su povezani sa izvorom 612 plazme, a zasunski ventil 620 se nalazi između optičkog izvora jona i rešetki 616 za ubrzanje i neutralizatora 622. Magnet 624 za deflekciju i jonski sabirnik 628 se nalaze između neutralizatora 622 i uređaja 630 za usmeravanje na izlaznom kraju. Sistem za hlađenje sadrži dva krio-hladnjaka 634, dva krio panela 636 i LN2 pokrivač 638. Ovakav fleksibilni dizajn omogućava rad uz širok opseg FRC parametara.

[0021] Alternativna konfiguracija za injektore 600 snopova neutralnih atoma je ona koja injektuje brze čestice tangencijalno u odnosu na FRC plazmu, ali pod uglom A manjim od 90º u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu 100 za držanje. Ovi tipovi orijentacije injektora 615 snopova su prikazani na slici 3C. Dodatno, injektori 615 snopova mogu biti orijentisani tako da injektori 615 snopova sa ma koje strane centralne ravni centralnog suda 100 za držanje injektuju svoje čestice prema centralnoj ravni. Najzad, aksijalna pozicija ovih sistema 600 snopova može se izabrati bliže centralnoj ravni. Ovi alternativni primeri izvođenja injektovanja omogućavaju centralniju opciju napajanja, što omogućava bolje spajanje snopova i veću efikasnost hvatanja injektovanih brzih čestica. Dalje, u zavisnosti od ugla i aksijalne pozicije, ovaj raspored injektora 615 snopova omogućava direktniju i nezavisniju kontrolu aksijalnog izduženja i drugih karakteristika FRC 450. Na primer, injektovanje 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 vrelije plazme. Na ovaj način, ugao injektovanja A i lokacija 625 injektora snopova mogu biti optimizovani za različite namene. Dodatno, ovakvo naginjanje i pozicioniranje injektora 615 snopova može omogućiti snopove veće energije (što je uglavnom povoljnije za deponovanje veće snage sa manjom divergencijom snopa) koji se injektuju u slabija magnetna polja nego što bi inače bilo neophodno za zarobljavanje ovakvih snopova. To je zbog činjenice da je azimutna komponenta energije ta koja određuje skalu orbite brzih jona (koja postaje progresivno manja kako se smanjuje ugao injektovanja u odnosu na glavnu osu simetrije suda, pri konstantnoj energiji snopa). Dalje, injektovanje pod uglom prema centralnoj ravni i sa aksijalnim pozicijama

1

snopova blizu centralne ravni poboljšava snop-plazma uparivanje, čak i dok se FRC plazma smanjuje ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda injektovanja.

Injektor peleta

[0022] Da bi se obezbedio način za injektovanje novih čestica i bolju kontrolu svih FRC čestica, u FRC sistemu 10 se primenjuje 12-cevni injektor 700 peleta (videti npr. I. Vinyar et al., "Pellet Injector Developed at PELIN for JET, TAE, and HL-2A", Proceedings of 26th Fusion Science and Technology Symposium, 09/27 to 10/01 (2010)). Slika 3 prikazuje horizontalnu projekciju injektora 700 peleta u FRC sistemu 10. Cilindrične pelete (D ~ 1 mm, L ~ 1 - 2 mm) se injektuju u FRC sa brzinom u opsegu od 150 - 250 km/s. Svaka pojedinačna peleta sadrži oko 5 x 10<19>atoma vodonika, što je uporedivo sa svim FRC česticama.

Sistemi za geterovanje

[0023] Dobro je poznato da neutralni halo gas predstavlja ozbiljan problem u svim sistemima za držanje. Procesi razmene naelektrisanja i recikliranja (oslobađanja hladnih nečistoća sa zidova) mogu imati poražavajući efekat na držanje energije i čestica. Osim toga, svaka značajnija gustina neutralnog gasa na ivici ili u njenoj blizini će dovesti do trenutnih gubitaka ili će bar znatno smanjiti vreme života injektovanih čestica sa velikom orbitom (visokoenergetskih) (velika orbita se odnosi na čestice koje imaju orbite reda FRC topologije ili bar radijuse orbite koji imaju mnogo veći red veličine od podužnog gradijenta karakterističnog magnetnog polja) - činjenica koja je štetna za sve energetske primene plazme, uključujući fuziju sa dodatnim zagrevanjem pomoću snopova.

[0024] Kondicioniranje površine je način na koji se mogu kontrolisati ili smanjiti štetni efekti neutralnog gasa i nečistoće u sistemu za držanje. U tom cilju se u FRC sistemu 10 koji je ovde opisan koriste sistemi 810 i 820 za taloženje titanijuma i litijuma pomoću kojih se površine okrenute ka plazmi komore 100 (ili suda) za držanje i divertora 300 oblažu filmovima (debljine desetine mikrometra) od Ti i/ili Li. Obloge su napravljene tehnikama naparavanja. Čvrsti Li i/ili Ti isparavaju i/ili sublimiraju, pa se onda raspršuju na okolne površine da bi se formirale obloge. Izvori su atomske peći sa vodećim mlaznicama 822 (u slučaju Li) ili zagrejane sfere 812 čvrste materije sa prekrivačem za vođenje (u slučaju Ti). Li sistemi za naparavanje obično rade u neprekidnom radnom režimu, dok Ti sublimatori uglavnom rade sa prekidima između rada sa plazmom. Da bi se ostvarile velike brzine taloženja, radne temperature ovih sistema su iznad 600 °C. Da bi se postigla dobra pokrivenost zida, potrebno je više strateški lociranih sistema za isparavanje/sublimaciju. Na slici 9 je detaljno prikazan raspored sistema 810 i 820 za taloženje geterovanjem u FRC sistemu 10. Obloge deluju kao geterujuće površine i efikasno pumpaju atomske i molekulske vrste vodonika (H i D). Obloge takođe smanjuju druge tipične nečistoće, kao što su ugljenik ili kiseonik, do zanemarljivih nivoa.

Prigušnice ogledala

[0025] Kao što je gore navedeno, FRC sistem 10 koristi grupe kalemova 420, 430 i 444 ogledala, kao što je prikazano na slikama 2 i 3. Prva grupa kalemova 420 ogledala je locirana na dva aksijalna kraja komore 100 za držanje i nezavisno se napaja sa kalemova 412, 414 i 416 za držanje glavnog magnetnog sistema 410. Prva grupa kalemova 420 ogledala primarno služi da upravlja i aksijalno održava FRC 450 tokom sjedinjavanja i tokom održavanja obezbeđuje ravnotežnu kontrolu oblika. Prva grupa kalemova 420 ogledala stvara nominalno jača magnetna polja (oko 0,4 do 0,5 T) od centralnog polja za držanje, koje stvaraju centralni kalemovi 412 za držanje. Druga grupa kalemova 430 ogledala, koja sadrži tri kompaktna kvazi-dc kalema 432, 434 i 436 ogledala, nalazi se između sekcije 200 za formiranje i divertora 300, a pobuđuje se sa zajedničkog prekidačkog napajanja. Kalemovi 432, 434 i 436 ogledala, zajedno sa još kompaktnijim impulsnim prigušnim kalemovima 444 ogledala (koje napaja kapacitivni izvor) i fizičkim suženjem 442, formiraju prigušnice 440 ogledala koje obezbeđuju usku prolaznu putanju za gas uz vrlo jaka magnetna polja (između 2 i 4 T sa vremenom uspostave od 10 do 20 ms). Najkompaktniji impulsni kalemovi 444 ogledala imaju kompaktne radijalne dimenzije, centralni otvor od 20 cm i slične dužine, u poređenju sa kalemovima 412, 414 i 416 za držanje koji imaju oblik palačinke i centralni otvor reda veličine većeg od metra. Svrha prigušnica 440 ogledala je višestruka: (1) kalemovi 432, 434, 436 i 444 tesno usnopljuju i vode površine 452 magnetnog fluksa i mlazeve 454 plazme koji struje sa krajeva u komore 300 udaljenog divertora. Ovo garantuje da će izbačene čestice na odgovarajući način stići do divertora 300 i da postoje kontinualne površine 455 fluksa koje polaze iz regiona otvorenih linija 452 polja centralnog FRC 450 sve do divertora 300. (2) Fizička suženja 442 u FRC sistemu 10, kroz koja kalemovi 432, 434, 436 i 444 omogućavaju prolazak površinama 452 magnetnog fluksa i mlazevima 454 plazme, predstavljaju prepreku strujanju neutralnog gasa iz plazma topova 350 koji su smešteni u divertorima 300. Istovremeno, suženja 442 sprečavaju povratno strujanje gasa iz sekcija 200 za formiranje do divertora 300, čime se smanjuje broj neutralnih čestica koje treba da budu uvedene u celokupni FRC sistem 10 kada počne formiranje FRC. (3) Jaka aksijalna ogledala koja stvaraju kalemovi 432, 434, 436 i 444 smanjuju gubitke aksijalnih čestica, a time smanjuju difuzibilnost paralelnih čestica na linijama otvorenog polja.

Aksijalni plazma topovi

[0026] Struje plazme iz topova 350 koji su montirani u komorama 310 divertora 300 su namenjene za poboljšanje stabilnosti i performansi snopova neutrala. Topovi 350 su montirani na osi unutar komore 310 divertora 300, kao što je prikazano na slikama 3 i 10, i proizvode plazmu koja struji duž otvorenih linija 452 fluksa u divertoru 300 i prema centru komore 100 za držanje. Topovi 350 rade sa visokom gustinom pražnjenja gasa u kanalu sa naslaganim prstenastim pločama i namenjeni su za generisanje nekoliko kiloampera potpuno jonizovane plazme tokom 5 do 10 ms. Topovi 350 sadrže impulsni magnetni kalem koji odgovara izlaznoj struji plazme sa željenom veličinom plazme u komori 100 za držanje. Tehnički parametri topova 350 su karakterisani kanalom koji ima spoljašnji prečnik od 5 do 13 cm i unutrašnji prečnik do oko 10 cm, a obezbeđuju struju pražnjenja od 10-15 kA na 400-600 V sa magnetnim poljem unutar topa između 0,5 i 2,3 T.

[0027] Struje iz plazma topova mogu prodreti kroz magnetna polja prigušnica 440 ogledala i strujati u sekciju 200 za formiranje i komoru 100 za držanje. Efikasnost transfera plazme kroz prigušnicu 440 ogledala se povećava sa smanjenjem rastojanja između topa 350 i prigušnice 440 i širenjem i skraćivanjem prigušnice 440. Pod razumnim uslovima, svaki top 350 može isporučiti približno 10<22>protona/s kroz prigušnice 440 ogledala od 2 do 4 T, sa visokim temperaturama jona i elektrona od oko 150 do 300 eV i oko 40 do 50 eV, respektivno. Topovi 350 obezbeđuju značajno dopunjavanje FRC ivičnog sloja 456, i sveukupno poboljšano držanje čestica FRC.

[0028] Da bi se još više povećala gustina plazme, mogao bi se upotrebiti rezervoar gasa za ubacivanje dodatnog gasa u struju plazme iz topova 350. Ova tehnika omogućava povećanje gustine plazme od nekoliko puta. U FRC sistemu 10, rezervoar gasa koji je instaliran na strani divertora 300 prigušnica 440 ogledala poboljšava dopunjavanje FRC ivičnog sloja 456, formiranje FRC 450 i linijsko vezivanje plazme.

[0029] Uzimajući u obzir sve parametre podešavanja koji su razmotreni gore, a takođe uzimajući u obzir i da je moguć rad samo sa jednim ili sa oba topa, lako se uočava da je dostupan široki spektar radnih režima.

Polarizacione elektrode

[0030] Električna polarizacija otvorenih površina fluksa može da obezbedi radijalne potencijale koji izazivaju azimutno ExB kretanje, koje obezbeđuje mehanizam upravljanja, analogan okretanju dugmeta, za kontrolu obrtanja plazme sa otvorenim linijama polja, kao i aktuelnog FRC jezgra 450 pomoću brzine smicanja. Da bi se ostvarilo ovakvo upravljanje, u FRC sistemu 10 se upotrebljavaju različite elektrode koje su strateški postavljene u različitim delovima mašine. Slika 3 prikazuje polarizacione elektrode koje su postavljene na lokacijama unutar FRC sistema 10.

1

[0031] U principu postoje 4 klase elektroda: (1) tačkaste elektrode 905 u komori 100 za držanje koje ostvaruju kontakt sa određenim otvorenim linijama 452 polja na ivici FRC 450 da bi se ostvarilo lokalno naelektrisanje, (2) prstenaste elektrode 900 između komore 100 za držanje i sekcija 200 za formiranje da bi se naelektrisali najudaljeniji ivični slojevi 456 fluksa azimutno simetrično, (3) naslagane koncentrične elektrode 910 u divertorima 300 za naelektrisanje višestrukih koncentričnih slojeva 455 fluksa (zahvaljujući čemu se izborom slojeva može upravljati podešavanjem kalemova 416 za podešavanje magnetnog polja divertora tako da se željeni slojevi 456 fluksa završe na odgovarajućim elektrodama 910), i konačno (4) same anode 920 (videti

[0032] sliku 10) plazma topova 350 (koje presreću unutrašnje otvorene površine 455 fluksa u blizini separatrise FRC 450). Slike 10 i 11 prikazuju neke tipične konstrukcije za neke od njih.

[0033] U svim slučajevima ove elektrode se napajaju impulsnim ili dc izvorima energije sa naponima do oko 800 V. U zavisnosti od veličine elektroda i toga koje površine fluksa se zadržavaju, struje koje se povlače mogu biti u kilo-amperskom opsegu.

Neodrživi rad FRC sistema - konvencionalni režim

[0034] Standardno formiranje plazme na FRC sistemu 10 sledi dobro razvijenu tehniku teta pinča reverznog polja. Tipični postupak za pokretanje FRC počinje pobuđivanjem kvazi-dc kalemova 412, 414, 416, 420, 432, 434 i 436 do stacionarnog radnog režima. RFTP impulsna kola sistema 210 za formiranje sa impulsnim napajanjem onda pobuđuju impulsne kalemove 232 brzog reverznog magnetnog polja da bi generisale privremenu reverznu polarizaciju od oko -0,05 T u sekciji 200 za formiranje. U ovom trenutku unapred određena količina neutralnog gasa pod 9-20 psi se injektuje u dve zapremine za formiranje definisane kvarcnim cevima kao komorama 240 (severna i južna) sekcija 200 za formiranje pomoću grupe azimutno orijentisanih odušnih ventila na prirubnicama lociranim na spoljašnjim krajevima sekcija 200 za formiranje. Kao sledeće, generiše se malo RF (~ stotine kiloherca) polje od strane grupe antena na površinama kvarcnih cevi 240 da bi se stvorila pre-jonizacija u obliku lokalnih regiona početne jonizacije unutar neutralnih gasnih kolona. Ovo je praćeno primenom teta-prstenaste modulacije struje koja napaja impulsne kalemove 232 brzog reverznog magnetnog polja, što dovodi do globalnije prejonizacije gasnih kolona. Konačno, uključuju se glavni blokovi sa impulsnim napajanjem sistema 210 za formiranje sa impulsnim napajanjem za pobuđivanje impulsnih kalemova 232 brzog reverznog magnetnog polja, da bi se stvorilo prednje polarizaciono polje do 0,4 T. Ovaj korak može da ima takav vremenski sled, da se prednje polarizaciono polje generiše ravnomerno po dužini cevi 240 za formiranje (statičko formiranje) ili da se ostvaruje uzastopna peristaltička modulacija polja duž ose cevi 240 za formiranje (dinamičko formiranje).

[0035] U ovom celom postupku formiranja, sama reverzija polja u plazmi se dešava brzo, u okviru oko 5 µs. Multi-gigavatna impulsna energija, koja je dovedena radi formiranja plazme, lako stvara vrele FRC, koji se onda izbacuju iz sekcija 200 za formiranje bilo primenom vremenski sekvencirane modulacije prednjeg magnetnog polja (magnetna peristalzija) ili privremenim povećanjem struja u poslednjim kalemovima grupa 232 kalemova u blizini aksijalnih spoljašnjih krajeva cevi 210 za formiranje (čime se formira gradijent aksijalnog magnetnog polja koji je usmeren aksijalno prema komori 100 za držanje). Dve formacije FRC (severna i južna), koje su tako formirane i ubrzane, onda ekspanduju u komori 100 za držanje većeg prečnika, gde kvazi-dc kalemovi 412 stvaraju prednje polarizovano polje radi upravljanja radijalnom ekspanzijom i obezbeđivanja ravnoteže spoljašnjeg magnetnog fluksa.

[0036] Kada severna i južna formacija FRC dođu u blizinu centralne ravni komore 100 za držanje, FRC se sudaraju. Tokom kolizije aksijalne kinetičke energije severne i južne formacije FRC se pretežno termalizuju, kada se FRC konačno sjedinjavaju u samo jedan FRC 450. U komori 100 za držanje se na raspolaganju nalazi velika grupa dijagnostičkih sredstava za plazmu da bi se proučile ravnoteže FRC 450. Tipični radni uslovi u FRC sistemu 10 proizvode sjedinjene FRC sa radijusima separatrisa od oko 0,4 m i aksijalnim pružanjem od oko 3 m. Sledeće karakteristike su spoljašnja magnetna polja od oko 0,1 T, gustine plazme oko 5 x 10<19>m<-3>i ukupna temperatura plazme do 1 keV. Bez bilo kakvog održavanja, tj. bez zagrevanja i/ili napajanja strujom putem injektovanja snopova neutrala ili drugih pomoćnih sredstava, trajanje ovih FRC je ograničeno na oko 1 ms, kao vreme raspadanja, koje je inherentna karakteristika konfiguracije.

Eksperimentalni podaci za neodrživi rad - konvencionalni režim

[0037] Slika 12 prikazuje tipičnu vremensku evoluciju radijusa isključenog fluksa, rΔΦ, koji aproksimira radijus separatrise, rs, da bi se ilustrovala dinamika procesa teta-pinčnog sjedinjavanja FRC 450. Dva pojedinačna plazmoida (severni i južni) se stvaraju istovremeno, a zatim se ubrzavaju iz odgovarajućih sekcija 200 za formiranje pri nadzvučnoj brzini, vz~ 250 km/s, i sudaraju se u blizini centralne ravni u z = 0. Tokom kolizije plazmoidi se aksijalno komprimuju, što je praćeno brzom radijalnom i aksijalnom ekspanzijom, pre konačnog sjedinjavanja da bi formirali FRC 450. I radijalna, i aksijalna dinamika sjedinjavanja FRC 450 su pokazane detaljnim merenjima profila gustine i bolometrijski baziranom tomografijom.

[0038] Podaci za reprezentativno neodrživo pražnjenje FRC sistema 10 su prikazani kao funkcije vremena na slici 13. FRC se inicira u t = 0. Radijus isključenog fluksa u aksijalnoj centralnoj

1

ravni mašine je prikazan na slici 13(a). Ovi podaci su dobijeni na osnovu niza magnetnih sondi, lociranih upravo unutar zida od nerđajućeg čelika komore za držanje, koje mere aksijalno magnetno polje. Čelični zid dobro održava fluks u vremenskim okvirima ovog pražnjenja.

[0039] Linijski integrisane gustine su prikazane na slici 13(b), sa 6-kanalnog CO2/He-Ne interferometra lociranog u z = 0. Uzimajući u obzir vertikalno (y) pomeranje FRC, kao što je izmereno bolometrijskom tomografijom, Abelova inverzija daje konture gustine sa slike 13(c). Posle izvesnog aksijalnog i radijalnog kolebanja tokom prvih 0,1 ms, FRC se stabilizuje, sa šupljim profilom gustine. Ovaj profil je prilično ravan, sa znatnom gustinom na osi, kao što je neophodno za tipične 2-D FRC ravnoteže.

[0040] Ukupna temperatura plazme je prikazana na slici 13(d), a izvedena je na osnovu ravnoteže pritisaka i u potpunosti je konzistentna sa rasejanjem po Tomsonu i spektroskopskim merenjima.

[0041] Analiza celokupne oblasti isključenog fluksa ukazuje da oblik FRC separatrise (aproksimiran aksijalnim profilima isključenog fluksa) postepeno evoluira od oblika trkačke staze do eliptičnog. Ova evolucija, koja je prikazana na slici 14, konzistentna je sa postepenom magnetnom rekonekcijom dve FRC u samo jednu. Zaista, grube procene sugerišu da se u ovom specifičnom trenutka oko 10% od dva inicijalna FRC magnetna fluksa rekonektuje tokom kolizije.

[0042] Dužina FRC se konstantno smanjuje sa 3 na oko 1 m tokom trajanja FRC. Ovo skraćivanje, koje je vidljivo na slici 14, sugeriše da držanjem FRC dominiraju pretežno konvektivni gubici energije. Pošto se pritisak plazme unutar separatrise smanjuje brže od spoljašnjeg magnetnog pritiska, linijski napon magnetnog polja u krajnjim regionima aksijalno komprimuje FRC, zbog čega se ponovo uspostavlja aksijalna i radijalna ravnoteža. Za pražnjenje koje je razmotreno na slikama 13 i 14, FRC magnetni fluks, ukupan broj čestica i toplotna energija (oko 10 mWb, 7 x 10<19>čestica, i 7 kJ, respektivno) se smanjuju grubo uzev za jedan red veličine u prvoj milisekundi, kada se čini da se ravnoteža FRC smanjuje.

Održivi rad - HPF režim

[0043] Primeri na slikama 12 do 14 su karakteristični za raspadajuće FRC bez ikakvog održavanja. Međutim, na FRC sistemu 10 je primenjeno nekoliko tehnika za dalje poboljšanje držanja FRC (unutrašnjeg jezgra i ivičnog sloja) u HPF režimu i održanje konfiguracije.

Snopovi neutrala

[0044] Prvo se brzi (H) neutrali injektuju upravno na Bz, u snopovima iz osam injektora 600 snopova neutrala. Snopovi brzih neutrala se injektuju od momenta kada se formirani severni i

1

južni FRC sjedine u komori 100 za držanje u jedan FRC 450. Brzi joni, prvenstveno stvoreni razmenom naelektrisanja, koji imaju betatronske orbite (sa primarnim radijusima u razmerama FRC topologije ili mnogo većim od razmere podužnog gradijenta karakterističnog magnetnog polja), dodaju se azimutnoj struji FRC 450. Posle izvesnog dela pražnjenja (posle 0,5 do 0,8 ms od pobude), dovoljno velika populacija brzih jona značajno poboljšava unutrašnju stabilnost i svojstva držanja FRC (videti npr. M.W. Binderbauer i N. Rostoker, Plasma Phys. 56, deo 3, 451 (1996)). Dalje, iz perspektive održivosti, snopovi iz injektora 600 snopova neutrala su takođe primarna sredstva za napajanje strujom i zagrevanje FRC plazme.

[0045] U plazma režimu FRC sistema 10, brzi joni prvenstveno usporavaju na elektronima plazme. Tokom ranog dela pražnjenja, tipična vremena usporavanja brzih jona, uprosečena po orbitama, su od 0,3 - 0,5 ms, što rezultuje značajnim zagrevanjem FRC, a prvenstveno elektrona. Brzi joni vrše velike radijalne izlaske izvan separatrise, jer je unutrašnje FRC magnetno polje inherentno slabo (oko 0,03 T u proseku za spoljašnje aksijalno polje od 0,1 T). Ako bi gustina neutralnog gasa izvan separatrise bila prevelika, brzi joni bi bili podložni gubicima pri razmeni naelektrisanja. Zbog toga geterovanje zida i druge tehnike (kao što su plazma top 350 i prigušnice 440 ogledala koji doprinose, između ostalih, kontroli gasa) koje su primenjene na FRC sistemu 10 teže da minimiziraju ivične neutrale i da omoguće neophodno stvaranje struje brzih jona.

Injektovanje peleta

[0046] Kada se stvori značajna populacija brzih jona unutar FRC 450, sa višim temperaturama elektrona i dužim vremenima života FRC, zamrznute H ili D pelete se injektuju u FRC 450 iz injektora 700 peleta da bi se održala ukupna količina FRC čestica u FRC 450. Anticipirani redovi veličina vremena ablacije su dovoljno kratki da obezbede značajan izvor FRC čestica. Ova brzina takođe može da bude povećana uvećavanjem površine injektovanog delića razbijanjem pojedinačne pelete na manje fragmente, dok su u bubnjevima ili cevima za injektovanje injektora 700 peleta i pre ulaska u komoru 100 za držanje, što je korak koji može da se ostvari povećanjem trenja između pelete i zidova cevi za injektovanje smanjenjem radijusa krivine poslednjeg segmenta cevi za injektovanje neposredno pre ulaska u komoru 100 za držanje. Zahvaljujući promeni sekvence i brzine injektovanja 12 bubnjeva (cevi za injektovanje), kao i fragmentaciji, moguće je podesiti sistem 700 za injektovanje peleta tako da se ostvari upravo željeni nivo održavanja svih čestica. Sa druge strane, ovo pomaže održavanje unutrašnjeg kinetičkog pritiska u FRC 450 i održivi rad i vreme života FRC 450.

[0047] Kada se atomi podvrgnuti ablaciji sretnu sa značajnom količinom plazme u FRC 450, oni onda postaju potpuno jonizovani. Rezultujuća komponenta hladne plazme se onda koliziono

1

zagreva postojećom FRC plazmom. Energija koja je neophodna za održavanje željene FRC temperature se konačno obezbeđuje pomoću injektora 600 snopova. U ovom smislu, injektori 700 peleta zajedno sa injektorima 600 snopova neutrala formiraju sistem koji održava stacionarno stanje, kao i FRC 450. Injektor peleta nije deo pronalaska.

CT injektor

[0048] Kao alternativa injektoru peleta, obezbeđen je kompaktni toroidni (CT) injektor, pretežno za napajanje plazme u konfiguraciji reverznog polja (FRC). CT injektor 720 sadrži namagnetisan koaksijalni plazma top (MCPG), koji, kako je prikazano na slici 21, uključuje koaksijalne cilindrične unutrašnje i spoljne elektrode 722 i 724, polarizacioni kalem koji je postavljen unutar unutrašnje elektrode 726 i električnu kočnicu 728 na jednom kraju koji je suprotan pražnjenju CT injektora 720. Gas se injektuje preko porta 730 za injektovanje gasa u prostor između unutrašnjih i spoljnih elektroda 722 i 724 i od njega se pražnjenjem generiše plazma nalik Sferomaku i potiskuje iz topa Lorencovom silom. Kao što je prikazano na slikama 22A i 22B, par CT injektora 720 je povezan na sud 100 za držanje, blizu i na suprotnim stranama centralne ravni suda 100, da injektuje CT u centralnu FRC plazmu unutar suda 100 za držanje. Krajevi za pražnjenje CT injektora 720 su usmereni prema centralnoj ravni suda 100 za držanje, pod izvesnim uglom na uzdužnu osu suda 100 za držanje, slično injektorima 615 snopova neutrala.

[0049] U alternativnim primerima izvođenja, CT injektor 720, kao što je prikazano na slikama 23A i 23B, uključuje cev 740 drifta koja sadrži izduženu cilindričnu cev koja je povezana na kraj za pražnjenje CT injektora 720. Kako je prikazano, cev 740 drifta uključuje kalemove 742 cevi drifta postavljene oko, i aksijalno razmaknute duž cevi. Mnoštvo dijagnostičkih portova 744 prikazano je duž cevi.

[0050] Prednosti CT injektora 720 su: (1) kontrola i podesivost svih čestica po injektovanom CT; (2) taloži se topla plazma (umesto kriogenih peleta); (3) sistem može da radi u režimu ponavljanja brzine tako da se omogući kontinuirano napajanje; (4) sistem takođe može da obnovi nešto magnetnog fluksa jer injektovani CT nose ugrađeno magnetno polje. U jednom primeru izvođenja za eksperimentalnu upotrebu, unutrašnji prečnik spoljne elektrode je 83,1 mm, a spoljni prečnik unutrašnje elektrode je 54,0 mm. Površina unutrašnje elektrode 722 je poželjno presvučena volframom da bi se smanjile nečistoće koje izlaze iz elektrode 722. Kao što je prikazano, polarizacioni kalem 726 je montiran unutar unutrašnje elektrode 722.

[0051] U nedavnim eksperimentima je postignuta nadzvučna brzina translacije CT do ~100 km/s. Ostali tipični parametri plazme su sledeći: gustina elektrona ~5x10<21>m<-3>, temperatura elektrona ~30-50 eV i broj čestica ~0,5-1,0 x 10<19>. Visok kinetički pritisak CT omogućava da injektovana

1

plazma prodre duboko u FRC i taloži čestice unutar separatrise. U nedavnim eksperimentima napajanje česticama u FRC rezultovalo je obezbeđivanjem ~10-20% od svih FRC čestica pomoću CT injektora, uspešno demonstrirajući kako se napajanje može lako sprovesti bez remećenja FRC plazme.

Sedlasti kalemovi

[0052] Da bi se ostvarilo stabilno napajanje strujom i održala potrebna struja jona, poželjno je da se spreči ili značajno smanji spin elektrona zbog sile trenja između elektrona i jona (koja nastaje usled prenosa momenta između jona i elektrona pri njihovom sudaru). FRC sistem 10 primenjuje inovativnu tehniku za obezbeđivanje proboja elektrona pomoću statičkog magnetnog dipolnog ili kvadrupolnog polja primenjenog spolja. Ovo se ostvaruje pomoću spoljašnjih sedlastih kalemova 460 koji su prikazani na slici 15. Poprečno primenjeno radijalno magnetno polje iz sedlastih kalemova 460 indukuje aksijalno električno polje u rotirajućoj FRC plazmi. Rezultujuća struja aksijalnih elektrona sadejstvuje sa radijalnim magnetnim poljem da bi se stvorila azimutna sila prekida Fθ=-σVeθ‹|Br|<2>›, koja deluje na elektrone. Za tipične uslove u FRC sistemu 10, neophodno primenjeno magnetno dipolno (ili kvadrupolno) polje unutar plazme treba da bude samo reda od 0,001 T da bi se obezbedio adekvatni prekid u raspodeli elektrona. Odgovarajuće spoljašnje polje od oko ,015 T je dovoljno malo da ne izazove primetne gubitke brzih čestica ili da na neki drugi način negativno utiče na držanje. U stvari, primenjeno magnetno dipolno (ili kvadrupolno) polje doprinosi smanjenju nestabilnosti. U kombinaciji sa tangencijalnim injektovanjem snopova neutrala i aksijalnim injektovanjem plazme, sedlasti kalemovi 460 obezbeđuju dodatni nivo kontrole u pogledu održavanja toka i stabilnosti.

Prigušnice ogledala

[0053] Konstrukcija impulsnih kalemova 444 unutar prigušnica 440 ogledala dopušta lokalno generisanje jakih magnetnih polja (2 do 4 T) sa umerenom (oko 100 kJ) kapacitivnom energijom. Za formiranje magnetnih polja koja su tipična za razmatrani rad FRC sistema 10, sve linije polja unutar zapremine za formiranje prolaze kroz suženja 442 na prigušnicama 440 ogledala, što sugerišu linije magnetnog polja na slici 2, i ne dolazi do kontakta plazme sa zidovima. Dalje, prigušnice 440 ogledala u tandemu sa magnetima 416 kvazi-dc divertora mogu da se podese tako da vode linije polja na elektrode 910 divertora, ili da šire linije polja u konfiguraciji oštrih krajnjih izbočina (nije prikazano). Zadnje pomenuto poboljšava stabilnost i suprimira paralelnu termičku kondukciju elektrona.

[0054] Same prigušnice 440 ogledala takođe doprinose kontroli neutralnog gasa. Prigušnice 440

1

ogledala dopuštaju bolje iskorišćavanje deuterijuma kao gasa ubačenog u kvarcne cevi tokom formiranja FRC, pošto je strujanje gasa nazad u divertore 300 znatno smanjeno malom provodljivošću gasa od strane prigušnica (jedva 500 L/s). Najveći deo zaostalog ubačenog gasa unutar cevi 210 za formiranje se brzo jonizuje. Pored toga, plazma visoke gustine koja struji kroz prigušnice 440 ogledala obezbeđuje efikasnu jonizaciju neutralnih čestica, i stoga efikasnu gasnu barijeru. Kao rezultat ovoga, najveći deo neutrala iz ivičnog sloja 456 FRC recikliranih u divertorima 300 se ne vraća u komoru 100 za držanje. Pored toga, neutrali koji su povezani sa radom plazma topova 350 (kao što je razmotreno u nastavku) će biti uglavnom zadržani u divertorima 300.

[0055] Konačno, prigušnice 440 ogledala teže da poboljšaju zadržavanje FRC ivičnog sloja. Za odnose ogledala (prigušnice/magnetna polja za držanje) u opsegu od 20 do 40 i za dužinu od 15 m između severne i južne prigušnice 440 ogledala, vreme držanja čestica ivičnog sloja τ||povećava se za jedan red veličine. Poboljšanje τ||lako povećava držanje FRC čestica.

[0056] Pretpostavljajući da je radijalni difuzni (D) gubitak čestica iz zapremine 453 separatrise uravnotežen sa aksijalnim gubitkom (τ||) iz ivičnog sloja 456, dobija se da je (2πrsLs)(Dns/δ) = (2πrsLsδ)(ns/τ||), na osnovu čega se podužni gradijent gustine separatrise može napisati kao δ = (Dτ||)<1⁄2>. Ovde su rs, Lsi nsradijus separatrise, dužina separatrise i gustina separatrise, respektivno. Vreme držanja FRC čestica je τN= [πrs<2>Ls<n>]/[(2πrsLs)(Dns/δ)] = (<n>/ns)(τ┴τ||)<1⁄2>, gde je τ┴= a<2>/D sa a=rs/4. Fizički, poboljšanje τ||dovodi do povećanja δ (smanjeni su gradijent gustine separatrise i parametar zanošenja) i zbog toga do smanjenog gubitka FRC čestica. Ukupno poboljšanje držanja FRC čestica je generalno nešto manje od kvadratnog, jer se nspovećava sa τ||.

[0057] Značajno poboljšanje τ||takođe zahteva da ivični sloj 456 ostane stabilan u celini (tj. da pri n = 1 nema MHD nestabilnosti tipa flaute, vatrogasnog creva ili drugog tipa, tipične za otvorene sisteme). Primena plazma topova 350 obezbeđuje ovu poželjnu stabilnost ivica. U ovom smislu, prigušnice 440 ogledala i plazma top 350 obrazuju efikasni sistem kontrole ivica.

Plazma topovi

[0058] Plazma topovi 350 poboljšavaju stabilnost izbačenih mlazeva 454 FRC putem linijskog vezivanja. Plazme iz plazma topova 350 se generišu bez azimutnog ugaonog momenta, što se pokazalo korisnim u kontroli rotacionih nestabilnosti FRC. Topovi 350 kao takvi su efikasno sredstvo za kontrolu stabilnosti FRC bez potrebe za starijom tehnikom stabilizacije kvadrupolima. Zahvaljujući tome, plazma topovi 350 prvenstveno obezbeđuju korisne efekte brzih čestica ili pristup naprednom hibridnom kinetičkom FRC režimu, kao što je istaknuto u

2

ovom prikazu. Zbog toga plazma topovi 350 omogućavaju da FRC sistem 10 radi sa strujama iz sedlastih kalemova koje su upravo adekvatne za prekid u raspodeli elektrona, ali ispod granice koja bi izazvala nestabilnost FRC i/ili dovela do dramatične difuzije brzih čestica.

[0059] Kao što je pomenuto iznad u diskusiji u odeljku Prigušnice ogledala, ako τ||može da bude znatno poboljšan, onda bi isporučena plazma iz topova bila uporediva sa brzinom (~10<22>/s) gubitaka čestica ivičnog sloja. Vreme života plazme proizvedene topovima u FRC sistemu 10 je reda veličine milisekunde. Zaista, razmotrimo plazmu iz topova sa gustinom ne~10<13>cm<-3>i temperaturom jona od oko 200 eV, koja se drži između krajnjih prigušnica 440 ogledala. Dužina zamke L i odnos ogledala R su oko 15 m i 20, respektivno. Srednja slobodna putanja jona zbog Kulonovih kolizija je λii~6 x 10<3>cm i, pošto je λiilnR/R < L, joni se drže u gasno-dinamičkom režimu. Vreme držanja plazme u ovom režimu je τgd~RL/2Vs~ 2 ms, gde je Vsjonska brzina zvuka. Radi poređenja, klasično vreme držanja jona za ove parametre plazme bi bilo τc~0,5τii(lnR (lnR)<0,5>) ~ 0,7 ms. Anomalna poprečna difuzija u principu može da skrati vreme držanja plazme. Međutim, u FRC sistemu 10, ako pretpostavimo Bomovu brzinu difuzije, onda je procenjeno vreme poprečnog držanja za plazmu iz topova τ┴> τgd~2 ms. Shodno tome, topovi bi obezbedili značajno dopunjavanje FRC ivičnog sloja 456, kao i poboljšano ukupno držanje FRC čestica.

[0060] Pored toga, struje plazme iz topova se mogu uključiti na oko 150 do 200 mikrosekundi, što omogućava njihovu primenu za formiranje, translaciju i sjedinjavanje FRC u komori 100 za držanje. Ako se uključe približno u trenutku t~0 (inicijacija glavnog bloka FRC), plazme iz topova potpomažu održanje aktuelne dinamički formirane i sjedinjene FRC 450. Objedinjena ukupna količina čestica iz formiranja FRC i iz topova adekvatna je za hvatanje snopova neutrala, zagrevanje plazme i za dugo održavanje. Ako se uključe u trenutku t u opsegu od -1 do 0 ms, plazme iz topova mogu ispuniti kvarcne cevi 210 plazmom ili jonizovati gas ubačen u kvarcne cevi, čime se omogućava formiranje FRC sa smanjenom količinom ili možda čak bez ubačenog gasa. Zadnje pomenuto može zahtevati dovoljno hladno formiranje plazme da bi se omogućila brza difuzija reverznog polarizacionog magnetnog polja. Ako se uključe u trenutku t<-2 ms, struje plazme bi mogle ispuniti oko 1 do 3 m<3>zapremine linija polja regiona za formiranje i držanje sekcija 200 za formiranje i komore 100 za držanje sa ciljnom gustinom plazme od nekoliko 10<13>cm<-3>, što je dovoljno da omogući stvaranje snopova neutrala pre prispeća FRC. Nakon toga, formacije FRC bi mogle da budu formirane i translatirane u sud za držanje rezultujuće plazme. Na ovaj način, plazma topovi 350 omogućavaju veliku raznovrsnost radnih uslova i režima parametara.

Električna polarizacija

[0061] Kontrola profila radijalnog električnog polja u ivičnom sloju 456 je na različite načine korisna za stabilnost i držanje FRC. Zahvaljujući inovativnim komponentama za polarizaciju koje su razvijene u FRC sistemu 10 moguće je primeniti različite razmotrene raspodele električnih potencijala na grupu otvorenih površina fluksa u mašini, od oblasti koje su dosta udaljene od centralnog regiona za držanje u komori 100 za držanje. Na ovaj način se mogu generisati radijalna električna polja kroz ivični sloj 456 neposredno izvan FRC 450. Ova radijalna električna polja onda modifikuju azimutnu rotaciju ivičnog sloja 456 i utiču na njegovo držanje putem brzine smicanja, ExB. Bilo kakva diferencijalna rotacija između ivičnog sloja 456 i FRC jezgra 453 se onda može preneti smicanjem na unutrašnjost FRC plazme. Kao rezultat ovoga, kontrola ivičnog sloja 456 direktno utiče na FRC jezgro 453. Pored toga, pošto slobodna energija pri rotaciji plazme takođe može biti odgovorna za nestabilnosti, ova tehnika obezbeđuje sredstvo za direktnu kontrolu pojave i porasta nestabilnosti. U FRC sistemu 10, odgovarajuća ivična polarizacija omogućava efikasnu kontrolu transporta i rotacije otvorenih linija polja, kao i rotacije FRC jezgra. Lokacija i oblik različitih datih elektroda 900, 905, 910 i 920 omogućavaju kontrolu različitih grupa površina 455 fluksa i različitih i nezavisnih potencijala. Na ovaj način se može realizovati veliki spektar različitih konfiguracija i jačina električnih polja, od kojih svaki ima različit karakteristični uticaj na performanse plazme.

[0062] Ključna prednost svih ovih inovativnih polarizacionih tehnika je činjenica da se na ponašanje jezgra i ivice plazme može dosta uticati izvan FRC plazme, tj. da nema potrebe da se bilo koja od fizičkih komponenti dovodi u kontakt sa centralnom vrelom plazmom (što bi imalo ozbiljne implikacije na gubitke energije, fluksa i čestica). Ovo ima veliki korisni uticaj na performanse i sve potencijalne primene HPF koncepta.

Eksperimentalni podaci - HPF rad

[0063] Injektovanje brzih čestica putem snopova iz topova 600 snopova neutrala igra važnu ulogu u omogućavanju HPF režima. Slika 16 ilustruje ovu činjenicu. Prikazana je grupa krivih koje pokazuju u kakvoj korelaciji se nalazi vreme života FRC sa dužinom impulsa snopova. Svi drugi radni uslovi su održavani konstantnim za sva pražnjenja koja je sadržala ova studija. Podaci su bili uprosečeni za mnoge pobude i zbog toga predstavljaju tipično ponašanje. Jasno je pokazano da duže trajanje snopa proizvodi FRC sa dužim vremenom života. Posmatranje ove činjenice, kao i drugih rezultata dijagnostike tokom ove studije, otkriva da snopovi povećavaju stabilnost i smanjuju gubitke. Korelacija između dužine impulsa snopova i vremena života FRC nije savršena, pošto zarobljavanje snopova postaje neefikasno ispod određene veličine plazme, tj. pošto se FRC 450 fizički smanjuje ukoliko svi injektovani snopovi nisu presretnuti i zarobljeni.

Skupljanje FRC se primarno javlja usled činjenice da je, za konkretnu eksperimentalnu postavku, neto energetski gubitak (~4 MW otprilike na sredini pražnjenja) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne energije napajanja dovedene u FRC pomoću snopova neutrala (~2,5 MW). Lociranje snopova na lokaciju koja je bliža centralnoj ravni suda 100 bi dovelo do tendencije smanjenja ovih gubitaka i produžetka vremena života FRC.

[0064] Slika 17 ilustruje efekte različitih komponenata na ostvarivanje HPF režima. Ona prikazuje familiju tipičnih krivih koje prikazuju vreme života FRC 450 u funkciji vremena. U svim slučajevima se konstantna, umerena količina energije snopova (oko 2,5 MW) injektuje tokom celog trajanja svakog pražnjenja. Svaka kriva predstavlja različitu kombinaciju komponenata. Na primer, rad FRC sistema 10 bez bilo koje prigušnice 440 ogledala, plazma topova 350 ili geterovanja iz sistema 800 za geterovanje rezultuje brzom pojavom rotacione nestabilnosti i gubitkom FRC topologije. Dodavanje samo prigušnica 440 ogledala odlaže pojavu nestabilnosti i povećava držanje. Korišćenje kombinacije prigušnica 440 ogledala i plazma topa 350 još više smanjuje nestabilnosti i povećava vreme života FRC. Konačno, dodavanje geterovanja (Ti u ovom slučaju) na vrh topa 350 i prigušnica 440 daje najbolje rezultate -rezultujuća FRC nema nestabilnosti i ispoljava najduže vreme života. Na osnovu ove eksperimentalne demonstracije je jasno da kompletna kombinacija komponenata daje najbolji efekat i da obezbeđuje snopove sa najboljim ciljnim uslovima.

[0065] Kao što je prikazano na slici 1, novootkriveni HPF režim ispoljava dramatično poboljšano transportno ponašanje. Slika 1 ilustruje promenu vremena držanja čestica u FRC sistemu 10 između konvencionalnog režima i HPF režima. Kao što se može videti, ono je poboljšano znatno više od faktora 5 u HPF režimu. Pored toga, slika 1 detaljno prikazuje vreme držanja čestica u FRC sistemu 10 u odnosu na vreme držanja u ranijim konvencionalnim FRC eksperimentima. U poređenju sa ovim drugim mašinama, HPF režim FRC sistema 10 ima poboljšano držanje za faktor između 5 i skoro 20. Konačno i najvažnije, priroda preračunavanja držanja FRC sistema 10 u HPF režimu je dramatično drugačija od svih prethodnih merenja. Pre uspostavljanja HPF režima u FRC sistemu 10, na osnovu podataka su bili izvedeni različiti empirijski zakoni za preračunavanje da bi se predvidela vremena držanja u prethodnim FRC eksperimentima. Sva ova pravila za preračunavanje zavise uglavnom od odnosa R<2>/ρi, gde je R radijus nule magnetnog polja (aproksimativna mera fizičke veličine mašine) a ρije jonski Larmorov radijus određen u eksterno primenjenom polju (aproksimativna mera primenjenog magnetnog polja). Sa slike 1 je jasno da je dugo držanje u konvencionalnim FRC moguće samo u mašini velikih dimenzija i/ili jakog magnetnog polja. FRC sistem 10 koji radi u konvencionalnom FRC režimu CR teži tome da sledi ova pravila za preračunavanje, kao što je prikazano na slici 1. Međutim, HPF režim je

2

znatno superiorniji i prikazuje da se može ostvariti mnogo bolje držanje bez mašine velikih dimenzija ili jakih magnetnih polja. Još važnije, sa slike 1 je takođe jasno da HPF režim rezultuje poboljšanjem vremena držanja sa smanjenom veličinom plazme u poređenju sa CR režimom. Slični trendovi se takođe mogu uočiti za vremena držanja fluksa i energije, kao što je opisano u nastavku, koja su se u FRC sistemu 10 takođe povećala za faktor veći od 3-8. Zbog toga proboj sa HPF režimom omogućava upotrebu snopova sa umerenom energijom, slabijih magnetnih polja i manjih dimenzija za dostizanje i održavanje FRC ravnoteža u FRC sistemu 10 i budućih mašina veće energije. Uporedo sa ovim poboljšanjima dolazi do nižih troškova rada i konstrukcije, kao i manje kompleksnosti pri projektovanju.

[0066] Radi daljeg poređenja, slika 18 prikazuje podatke reprezentativnog pražnjenja u HPF režimu u FRC sistemu 10 u funkciji vremena. Slika 18(a) prikazuje radijus isključenog fluksa u centralnoj ravni. Za ove duže vremenske razmere provodni čelični zid nije više dobar za održavanje fluksa, a magnetne sonde unutar zida su dopunjene sondama sa spoljašnje strane zida da bi se adekvatno odredila difuzija magnetnog fluksa kroz čelik. U poređenju sa tipičnim performansama u konvencionalnom režimu CR, kao što je prikazano na slici 13, rad u HPF režimu ispoljava vreme života koje je preko 400% duže.

[0067] Na slici 18(b) prikazan je karakteristični grafik traga linijski integrisane gustine sa svojim Abelovim inverznim komplementom, a, na slici 18(c), profili gustine. U poređenju sa konvencionalnom FRC režimom CR, kao što je prikazano na slici 13, plazma je statičnija tokom trajanja impulsa, što ukazuje na veoma stabilan rad. Gustina pikova je takođe neznatno manja kod HPF snimaka - ovo je posledica više ukupne temperature plazme (za faktor do 2), kao što je prikazano na slici 18(d).

[0068] Za odgovarajuće pražnjenje koje je prikazano na slici 18, vremena držanja energije, čestica i fluksa su 0,5 ms, 1 ms i 1 ms, respektivno. Za referentno vreme od 1 ms u pražnjenju, akumulirana energija plazme je 2 kJ, dok su gubici oko 4 MW, što ovaj skup ciljnih parametara čini veoma podesnim za održavanje snopova neutrala.

[0069] Slika 19 sumira sve prednosti HPF režima u obliku novouspostavljenog eksperimentalnog preračunavanja držanja fluksa u HPF režinu. Kao što se može videti na slici 19, na osnovu merenja izvršenih pre i posle trenutka t = 0,5 ms, tj. kada je t ≤ 0,5 ms i t > 0,5 ms, držanje fluksa (i, slično, držanje čestica i držanje energije) je približno proporcionalno kvadratu temperature elektrona (Te) za dati radijus separatrise (rs). Ova jaka proporcionalnost sa pozitivnim stepenom Te(a ne sa negativnim stepenom) je potpuno suprotna onome što se javlja kod konvencionalnih tokomaka, gde je držanje obično obrnuto proporcionalno nekom stepenu temperature elektrona. Manifestacija ove proporcionalnosti je direktna posledica HPF stanja i velike orbite (tj. orbita u razmerama FRC topologije i/ili bar razmerama podužnog gradijenta karakterističnog magnetnog polja) populacije jona. Fundamentalno, ova nova proporcionalnost bitno favorizuje visoke radne temperature i omogućava da reaktori imaju relativno umerenu veličinu.

[0070] Sa prednostima koje HPF režim predstavlja, može se postići održivost ili stacionarno stanje FRC pokrenuto snopovima neutrala i korišćenjem odgovarajućeg injektovanja peleta, što znači da su globalni parametri plazme, poput toplotne energije plazme, ukupnog broja čestica, radijusa i dužine plazme, kao i magnetni fluks, održivi na razumnim nivoima bez značajnog opadanja. Poređenja radi, slika 20 prikazuje na dijagramu A podatke dobijene kao rezultat pražnjenja u karakterističnom HPF režimu u FRC sistemu 10 u funkciji vremena, a na dijagramu B, podatke za projektovani karakteristični HPF režim u FRC sistemu 10 u funkciji vremena, gde se FRC 450 održava bez opadanja tokom trajanja impulsa snopa neutrala. Za dijagram A, snopovi neutrala sa ukupnom snagom u opsegu od oko 2,5-2,9 MW su ubrizgani u FRC 450 pri dužini aktivnih impulsa snopa od oko 6 ms. Životni vek plazme kao dijamagnetika prikazan na dijagramu A iznosio je oko 5,2 ms. Noviji podaci pokazuju da je životni vek plazme kao dijamagnetika od oko 7,2 ms ostvarljiv pri dužini aktivnih impulsa snopa od oko 7 ms.

[0071] Kao što je iznad u tekstu pomenuto u pogledu slike 16, korelacija između dužine impulsa snopa i životnog veka FRC nije savršena, jer zarobljavanje snopa postaje neefikasno ispod određene veličine plazme, tj. kako se FRC 450 fizički skuplja, tako ne bivaju presretnuti i zarobljeni svi injektovani snopovi. Skupljanje ili raspad FRC prvenstveno je posledica činjenice da je neto gubitak energije (-4 MW otprilike na sredini pražnjenja) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne snage koja se dovodi u FRC putem snopova neutrala (-2.5 MW) za konkretnu postavku eksperimenta. Kao što je napomenuto u pogledu slike 3C, injektovanjem snopa pod uglom iz topova 600 snopova neutrala prema centralnoj ravni poboljšava se uparivanje snop-plazma, čak i kada se FRC plazma smanjuje ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda injektovanja. Pored toga, odgovarajuće napajanje peletama će održavati potrebnu gustinu plazme.

[0072] Dijagram B je rezultat simulacija koje se izvršavaju korišćenjem dužine aktivnog impulsa snopa od oko 6 ms i ukupne snage snopa iz topova 600 snopova neutrala od nešto više od oko 10 MW, pri čemu snopovi neutrala ubrizgavaju H (ili D) neutralne čestice sa energijom čestica od oko 15 keV. Ekvivalentna struja koju injektuje svaki od snopova je oko 110 A. Za dijagram B, ugao injektovanja snopa na osu uređaja je bio oko 20º, a ciljni radijus iznosio je 0,19 m. Ugao injektovanja može se menjati u opsegu 15º - 25º. Snopovi se azimutno injektuju u ko-strujni pravac. Neto bočna sila, kao i neto aksijalna sila od injektovanja momenta snopa neutrala biće minimizirane. Kao i na dijagramu A, brze (H) neutralne čestice se ubrizgavaju iz injektora 600

2

snopova neutrala od trenutka kada se severna i južna formacija FRC spajaju u komori 100 za držanje u jedan FRC 450.

[0073] Simulacije koje su bile osnova za dijagram B koriste višedimenzione algoritme rešenja Hall-MHD za pozadinsku plazmu i ravnotežu, potpuno kinetičke algoritme rešenja zasnovane na metodi Monte Karlo za komponente energetskih snopova i sve procese rasejanja, kao i veliki broj spregnutih transportnih jednačina za sve vrste plazme s ciljem modelovanja interaktivnih procesa gubitaka. Komponente transporta su empirijski kalibrisane i detaljno upoređene sa eksperimentalnom bazom podataka.

[0074] Kao što pokazuje dijagram B, životni vek dijamagnetika u stacionarnom stanju FRC 450 biće jednak dužini impulsa snopa. Međutim, važno je napomenuti da ključni korelacioni dijagram B pokazuje da, kada se snopovi isključe, plazma ili FRC počinju da se raspadaju u tom trenutka, ali ne pre. Raspad je sličan onom koji se zapaža u pražnjenjima koja nisu potpomognuta snopom - verovatno reda veličine od 1 ms nakon vremena isključivanja snopa - i prosto predstavlja odraz karakterističnog vremena raspada plazme kojim upravljaju intrinzički procesi gubitaka.

[0075] Dok je pronalazak podložan raznim modifikacijama i alternativnim oblicima, na crtežima su prikazani i ovde detaljno opisani njegovi specifični primeri. Podrazumeva se, međutim, da obim pronalaska ne treba da bude ograničen na određene otkrivene oblike, već da je ograničen priloženim patentnim zahtevima.

[0076] U gorenavedenom opisu, samo u svrhu objašnjenja, izložena je specifična nomenklatura kako bi se obezbedilo temeljno razumevanje ovog prikaza. Međutim, stručnjaku iz ove oblasti će biti očigledno da ovi specifični detalji nisu neophodni za praktikovanje učenja ovog prikaza.

[0077] Otkriveni su sistemi za generisanje i održavanje HPF režima FRC. Podrazumeva se da su ovde opisani primeri izvođenja dati radi jasnoće. Stručnjaku u ovoj oblasti tehnike bile bi očigledne različite modifikacije, upotrebe, zamene, kombinacije i poboljšanja, bez odstupanja od obima ovog pronalaska, kako je definisano priloženim patentnim zahtevima.

2

Claims (16)

Patentni zahtevi

1. Sistem za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom reverznog polja (FRC) koji sadrži:

komoru (100) za držanje koja ima centralnu ravan, prvu i drugu dijametralno suprotnu sekciju (200) za formiranje FRC, koje su povezane sa komorom za držanje,

prvi i drugi divertor (300), koji su povezani sa prvom i drugom sekcijom za formiranje, mnoštvo injektora (600) snopova neutralnih atoma povezanih sa komorom za držanje i orijentisanih prema centralnoj ravni komore za držanje,

magnetni sistem (400) povezan sa komorom za držanje, prvom i drugom sekcijom za formiranje, i prvim i drugim divertorom, i naznačen time, što sistem dodatno sadrži: prvi i drugi kompaktni toroidni, CT, injektor (720) koji su povezani sa komorom za držanje pod uglom prema centralnoj ravni komore za držanje, pri čemu se prvi i drugi CT injektor nalaze na suprotnim stranama centralne ravni komore za držanje.

2. Sistem prema patentnom zahtevu 1, gde svaka pojedinačna od prve i druge sekcije (200) za formiranje sadrži izduženu kvarcnu cev (240) i sistem (210) za formiranje sa impulsnim napajanjem povezan sa izduženom kvarcnom cevi.

3. Sistem prema patentnom zahtevu 2, gde sistemi za formiranje sa impulsnim napajanjem sadrže mnoštvo napojnih i upravljačkih jedinica (220) povezanih sa pojedinačnim od mnoštva pojasnih sklopova (230) za napajanje grupe kalemova (232) pojedinačnih od pojasnih sklopova obavijenih oko izdužene kvarcne cevi prve i druge sekcije za formiranje.

4. Sistem prema patentnom zahtevu 3, gde pojedinačne od mnoštva napojnih i upravljačkih jedinica sadrže okidač (222) i upravljački sistem (224).

5. Sistem prema patentnom zahtevu 4, gde okidač i upravljački sistem pojedinačnih od mnoštva napojnih i upravljačkih jedinica mogu da se sinhronizuju tako da omoguće statičko formiranje FRC, gde se FRC formira, a zatim injektuje, ili dinamičko formiranje FRC, gde se FRC formira i translatira istovremeno.

6. Sistem prema patentnom zahtevu 1, koji dodatno sadrži jednu ili više polarizacionih elektroda (900, 905, 910, 920) za električnu polarizaciju otvorenih površina (455) fluksa generisanog FRC.

7. Sistem prema patentnom zahtevu 6, gde jedna ili više polarizacionih elektroda uključuju jednu ili više tačkastih elektroda (905) postavljenih unutar komore za zadržavanje da ostvare kontakt sa otvorenim linijama polja, grupu prstenastih elektroda između komore za držanje i prve i druge sekcije za formiranje da bi se azimutno simetrično naelektrisali najudaljeniji ivični slojevi fluksa, mnoštvo naslaganih koncentričnih elektroda postavljenih u prvom i drugom divertoru da naelektrišu višestruke koncentrične slojeve fluksa, i anode plazma topova da presretnu otvoreni fluks.

8. Sistem prema patentnom zahtevu 1, gde magnetni sistem uključuje mnoštvo kvazi-dc kalemova (412) aksijalno razmaknutih na pozicijama duž komore za držanje, prve i druge sekcije za formiranje, i prvog i drugog divertora, i prvu grupu kvazi-dc kalemova (420) ogledala postavljenih između krajeva komore za držanje i prve i druge sekcije za formiranje.

9. Sistem prema patentnom zahtevu 8, gde magnetni sistem dodatno sadrži prvu i drugu prigušnicu (440) ogledala, pri čemu prigušnica ogledala sadrži drugu grupu kvazi-dc kalemova ogledala između svake od prve i druge sekcije za formiranje i prvog i drugog divertora.

10. Sistem prema patentnom zahtevu 9, gde prigušnica ogledala dodatno sadrži grupu kompaktnih impulsnih prigušnih kalemova ogledala obavijenih oko suženja u prolazu između svake od prve i druge sekcije za formiranje i prvog i drugog divertora.

11. Sistem prema patentnom zahtevu 1, gde je mnoštvo injektora (600) snopova neutralnih atoma orijentisano sa putanjom injektovanja koja je tangencijalna na FRC sa ciljnom zonom hvatanja unutar separatrise FRC.

12. Sistem prema patentnom zahtevu 1 koji dodatno sadrži dva ili više sedlastih kalemova (460) povezanih sa komorom za držanje.

13. Sistem prema patentnom zahtevu 1 koji dodatno sadrži sistem (810, 820) za geterovanje konfigurisan tako da oblaže površine okrenute ka plazmi komore za držanje i prvog i drugog divertora slojem materijala za geterovanje.

14. Sistem prema patentnom zahtevu 1, gde su prvi i drugi CT injektor (720) orijentisani pod uglom od oko 15° do 25° u odnosu na normalu na uzdužnu osu komore za držanje i prema centralnoj ravni komore za držanje.

15. Sistem prema patentnom zahtevu 1, gde su prvi i drugi CT injektor konfigurisani da injektuju CT plazme u FRC plazmu u režimu ponavljanja brzine.

16. Sistem prema patentnom zahtevu 1 koji dodatno sadrži prvi i drugi aksijalni plazma top (350) koji su funkcionalno povezani sa prvim i drugim divertorom, prvom i drugom sekcijom za formiranje i komorom za držanje.