RS59350B1 - Sistemi i postupci za formiranje i održavanje plazme u frc-ovima visokih performansi - Google Patents

Description

Opis

OBLAST

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

STANJE TEHNIKE

[0002] Konfiguracija sa reverznim poljima (eng. Field Reversed Configuration - FRC) spada u klasu topologija za magnetno držanje plazme poznatu kao kompaktni toroidi (eng. compact toroids - 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 jednostavnost konstrukcije i održavanja, zatim 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 podesan 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 (eng. translation-trapping), u kome se plazma stvorena u teta-pinč "izvoru" više-manje odmah kroz jedan kraj izbacuje 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-ovi su se pokazali kao izuzetno robusni, otporni na dinamičko formiranje, translaciju i pojave nasilnog hvatanja. Osim toga, oni ispoljavaju tendenciju da preuzmu 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 sferomaksa 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 (eng. collision-merging), koja je bila odavno predložena (videti npr. D. R. Wells, Phys. Fluids 9, 1010 (1966)): dva odvojena tetapinča 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 je pokazano da konvencionalni postupak sjedinjavanja sudarom stvara FRC-ove 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-ovi se sastoje od torusa sa linijama polja zatvorenim unutar separatrise, i prstenastog ivičnog sloja na otvorenim linijama polja neposredno izvan separatrise. Spoljašnji sloj se sjedinjava u mlazeve iza dužine FRC, formirajući prirodni divertor. FRC topologija se poklapa sa onom kod plazme u polju preokrenutom kao u ogledalu (eng. Field-Reversed-Mirror). Međutim, značajna razlika je što je kod FRC plazme β oko 10. Inherentno slabo unutrašnje magnetno polje obezbeđuje određenu sopstvenu populaciju čestica sa kinetičkom energijom, tj. čestice sa velikim Larmorovim radijusima su uporedive sa malim FRC radijusom. Izgleda da su ovi jaki kinetički efekti ono što bar delimično doprinosi velikoj stabilnosti ranijih i sadašnjih FRC-ova, kao što su oni dobijeni u eksperimentu spajanja 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, FRC držanje zavisi od svojstava regiona i sa zatvorenim, i sa otvorenim linijama polja. Širenje, odn. difuzija 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 u spoljašnjem 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-ove 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 ponovno vraćanje 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-ova sa većom kinetikom ili kod naprednih hibridnih FRC-ova, gde se populacija čestica koje se nalaze u orbiti sa velikom kinetičkom energijom 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 stabilnost kontrole 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-ova, sa ciljem da se iskoristi stabilno stanje FRC-ova 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.

[0009] WO2013/074666-A2 otkriva jedan FRC sistem sadrži centralni sud za držanje okružen sa dve dijametralno suprotne sekcije za formiranje reverznih polja sa teta pinčom, a iza tih sekcija za formiranje, dve komore divertora za kontrolu gustine neutrala i kontaminacije nečistoćama. Magnetni sistem koji sadrži seriju kvazi-DC (eng. quasi-DC) namotaja, nalazi se na aksijalnim položajima duž komponenata FRC sistema, pri čemu se kvazi-DC namotaji ogledala nalaze između komore za držanje i susednih sekcija za formiranje, i prigušnicu ogledala, između sekcija za formiranje i divertora. Sekcije za formiranje sadrže modularne impulsno napajane sisteme za formiranje, koji omogućavaju da FRC-ovi budu formirani na licu mesta, a zatim ubrzani i injektovani (statičko formiranje) ili da budu istovremeno formirani i ubrzani (dinamičko formiranje). FRC sistem dalje sadrži injektore snopova neutralnih atoma, injektor peleta, sisteme za geterovanje, aksijalne plazma topove i polarizacione elektrode za električnu polarizaciju otvorenih površina fluksa.

[0010] ROGER RAMAN: "Fuelling Requirements for Advanced Tokamak Operation", 32ND EPS CONFERENCE ON PLASMA PHYS. TARRAGONA, vol. 29C, 27. juni 2005. (2005-06-27), strane 1-4, XP55438760, ISBN: 978-0-660-19890-3 otkriva aspekte koji se odnose na rad Tokamaka.

[0011] Drugi primeri stanja tehnike u oblasti su M. TUSZEWSKI ET AL: "Combined FRC and Mirror Plasma Studies in the C-2 Device", FUSION SCIENCE AND TECHNOLOGY., vol. 59, no.

1T, (2011-01-01), strane 23-26, OKADA S ET AL: "Experiments on additional heating of FRC plasmas", NUCLEAR FUSION, PUBLISHING SECTION. VIENNA, AT, vol. 41, no. 5, (2001-05-01), strane 625-629, WO2010/089670-A1 i WO2015/048092-A1.

SUŠTINA PRONALASKA

[0012] Predmetna prijava obezbeđuje postupak za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom sa reverznim poljima i sistem za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom sa reverznim poljima shodno patentnim zahtevima koji slede.

KRATKI OPIS SLIKA NACRTA

[0013] Priložene slike nacrta, koje su uključene kao deo predmetnog opisa pronalaska, prikazuju poželjne primere izvođenja i zajedno sa gore datim opštim opisom i detaljnim opisom poželjnog primera izvođenja datim u nastavku služe za objašnjenje i otkrivanje principa predmetnog pronalaska.

Slika 1 ilustruje držanje čestica u aktuelnom 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 aktuelnog FRC sistema i magnetna topologija FRC koja se može dobiti u aktuelnom FRC sistemu.

Slika 3A ilustruje osnovni raspored u aktuelnom FRC kada se on posmatra odozgo, uključujući poželjni 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 nekim uglom u odnosu na normalu 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 za impulsno napajanje sekcija za formiranje.

Slika 5 ilustruje izometrijski izgled jedne pojedinačne skretnice za impulsno napajanje sekcije za formiranje.

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 poželjne 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 poželjni raspored 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 sekcijama za formiranje dva teta-pinča-reverznih-polja i magnetnih sondi ugrađenih unutar centralne metalne komore za držanje. Vreme je mereno od trenutka sinhronizovanog okretanja polja u izvorima za formiranje, a rastojanje z je dato u odnosu na aksijalnu centralnu ravan uređaja.

Slike 13 (a) do (d) ilustruju podatke za reprezentativna ne-HPF, neodrživa pražnjenja aktuelnog FRC sistema. Kao funkcije vremena su prikazani (a) radijus isključenog fluksa u centralnoj ravni, (b) 6 kanala linijski integrisane gustine iz centralne ravni CO2interferometra, (c) podaci o Abelovim inverznim radijalnim profilima gustine sa CO2interferometra, i (d) ukupna temperatura plazme za ravnotežu pritisaka.

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

Slika 15 ilustruje izometrijski izgled kalemova oblika sedla 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-ove sa dužim vremenom života.

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

Slike 18(a) do (d) ilustruju podatke za reprezentativni HPF, neodrživo pražnjenje na aktuelnom FRC sistemu. Kao funkcija vremena su prikazani (a) radijus isključenog fluksa u centralnoj ravni, (b) 6 kanala linijski integrisane gustine za centralnu ravan CO2interferometra, (c) podaci o Abelovim inverznim radijalnim profilima gustine sa CO2interferometra, i (d) ukupna temperatura plazme za ravnotežu pritisaka.

Slika 19 ilustruje držanje fluksa u funkciji temperature elektrona (Te). Ono predstavlja grafičku predstavu novouspostavljenog superiornog skalirajućeg režima za HPF pražnjenja.

Slika 20 ilustruje životni vek FRC koji odgovara dužini impulsa nenagnutih i pod uglom injektovanih snopova neutrala.

Slike 21A i 21B ilustruju ilustruje osnovni raspored kompaktnog toroidnog (CT) injektora.

Slike 22A i 22B ilustruju centralni sud za držanje i prikazuju CT injektor koji je montiran na njega.

Slike 23A i 23B ilustruju osnovni raspored alternativnog načina izvođenja CT injektora koji je povezan sa cevi za zanošenje.

[0014] Treba uočiti da slike nisu obavezno nacrtane u razmeri i da su elementi sličnih struktura ili funkcija generalno označeni istim pozivnim oznakama na slikama nacrta u ilustrativne svrhe. Takođe treba uočiti da su slike namenjene samo za to da olakšaju opisivanje različitih, ovde prikazanih primera izvođenja. Slike ne moraju da prikažu svaki aspekt ovde prikazanih otkrivanja i ne ograničavaju obim zaštite definisan patentnim zahtevima.

DETALJNI OPIS PRONALASKA

[0015] Primeri izvođenja koji su ovde prikazani se odnose na sisteme i postupke koji olakšavaju formiranje i održavanje konfiguracija sa reverznim poljima visokih performansi (eng. High Performance Field Reversed Configurations - FRC) superiorne stabilnosti, kao i sa superiornim držanjem čestica, energije i fluksa u odnosu na konvencionalne FRC. Ovakvi FRC-ovi visokih performansi daju 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.

[0016] Različiti pomoćni sistemi i režimi rada su ispitivani da bi se utvrdilo da li postoji superiorni režim držanja kod FRC-ova. 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 (eng. High Performance FRC, skr. HPF) za formiranje i održavanje FRC, za razliku od rada u skladu sa konvencionalnim režimom CR za formiranje i održavanje FRC, i za razliku od držanja čestica u skladu sa konvencionalnim režimima za formiranje i održavanje FRC, koji su korišćeni u drugim eksperimentima. Predmetnim otkrivanjem će biti naznačene i detaljno opisane pojedinačne inovativne komponente FRC sistema 10 i postupaka, kao i njihovi zajednički efekti.

Opis FRC sistema

Vakuumski sistem

[0017] Slike 2 i 3 šematski prikazuju aktuelni FRC sistem 10. FRC sistem 10 sadrži centralnu komoru 100 za držanje okružen sa dve dijametralno suprotne sekcije 200 za formiranje reverznih polja sa teta-pinčom 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/mehaničko i hemijsko čišćenje, koje je praćeno sa 24-časovnim vakuumskim pečenjem na 250 °C i čišćenjem tinjajućim pražnjenjem kroz vodonik.

[0018] Sekcije 200 za formiranje reverznih polja sa teta-pinčom su standardni teta-pinčevi-reverznihpolja (eng. field-reversed-theta-pinches, skr. FRTP-ovi), mada sa naprednim impulsno napajanim sistemom za formiranje koji je detaljno razmotren dole (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 kanala; 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 pretpumpi, turbo molekularnih pumpi i krio pumpi.

Magnetni sistem

[0019] Magnetni sistem 400 je prikazan na slikama 2 i 3. Slika 2, pored ostalih karakteristika, prikazuje konture FRC magnetnog fluksa i gustine (kao funkcije radijalnih i aksijalnih koordinata) koje se odnose na FRC 450, koji može napraviti FRC sistem 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 kružnog ivičnog sloja 456 na otvorenim linijama polja 452 neposredno izvan separatrise 451. Ivični sloj 456 se sjedinjuje u mlazeve 454 iza dužine FRC, praveći tako prirodni divertor.

[0020] Glavni magnetni sistem 410 obuhvata niz kvazi-dc kalemova 412, 414, i 416 koji su smešteni na posebnim 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 biti 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 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 "antena" 460 oblika sedla (videti sliku 15) je locirana izvan komore 100 za držanje, po dva sa svake strane centralne ravni, i one se napajaju iz izvora jednosmerne struje. Antene 460 u vidu kalema oblika sedla mogu biti konfigurisane tako da se realizuje 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 kalema oblika sedla mogu fleksibilno da obezbede magnetna polja koja su simetrična ili asimetrična oko centralne ravni uređaja, u zavisnosti od smera primenjenih struja.

Impulsno napajani sistemi za formiranje

[0021] Impulsno napajani sistemi 210 za formiranje 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 delove od kojih se sastoje, kao i raspored sistema 210 za formiranje. Sistem 210 za formiranje se sastoji od modularnog uređaja za impulsno napajanje, koji se sastoji od pojedinačnih jedinica (=skretnica) 220, od kojih svaka napaja podskup kalemova 232 pojasnog sklopa 230 (=pojaseva), koji su obavijeni oko kvarcnih cevi 240 za formiranje. Svaka skretnica 220 se sastoji od kondenzatora 221, induktora 223, brzih prekidača 225 jakih struja i pridruženog okidača 222 i sabirnog kola 224. Sve u svemu, svaki sistem 210 za formiranje akumulira između 350-400 kJ kapacitivne energije, što obezbeđuje oko 35 GW snage za formiranje i ubrzanje FRC-ova. Koordinisani rad ovih komponenata se ostvaruje pomoću naprednog okidača 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 prekidanja reda veličine od desetine nanosekundi. Prednost ovakvog modularnog dizajna je njegova fleksibilnost u radu: FRC-ovi mogu biti formirani na licu mesta, odn. in-situ, a zatim ubrzani i injektovani (= statičko formiranje) ili mogu biti formirani i ubrzani u isto vreme (=dinamičko formiranje).

Injektori snopa neutrala

[0022] Injektori 600 snopova 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 dijapazon FRC parametara.

[0023] Alternativna konfiguracija za injektore 600 snopova neutralnih atoma je ona koja injektuje brze čestive tangencijalno u odnosu na FRC plazmu, ali pod uglom A manjim od 90° u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnoj komori 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 centralne komore 100 za držanje injektuju svoje čestice prema centralnoj ravni. Najzad, aksijalna pozicija ovih sistema 600 snopova može se izabrati bliže centralnoj ravni. Ovi alternativni načini 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 razmeštaj 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 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

[0024] 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 5×10<19>atoma vodonika, što je uporedivo sa svim FRC česticama.

Sistemi za geterovanje

[0025] 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 orbitu reda FRC topologije ili bar radijus orbite koji ima 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.

[0026] 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 kojima su obložene površine komore 100 (ili suda) za držanje koje su okrenute ka plazmi i divertori 300 sa 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 bliske 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 plazme. 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

1

poželjan raspored sistema 810 i 820 za taloženje geterovanjem u FRC sistemu 10. Obloge deluju kao površine za geterovanje i efikasno pumpaju atomske i molekulske verzije vodonika (H i D). Obloge takođe smanjuju druge tipične nečistoće, kao što su ugljenik ili kiseonik, do zanemarljivih nivoa.

Prigušnice ogledala

[0027] 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 do 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

[0028] 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 fluksa 452 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 do 2,3 T.

[0029] 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 pravljenjem šire i kraće prigušnice 440. Pod razumnim uslovima, svaki top 350 može isporučiti približno 10<22>protona/s kroz prigušnice 440 ogledala od između 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 ponovno napajanje FRC ivičnog sloja 456, i sveukupno poboljšano držanje čestica FRC.

[0030] 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 ponovno napajanje FRC ivičnog sloja 456, formiranje FRC 450 i linijsko vezivanje plazme.

[0031] 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

[0032] Električna polarizacija otvorenih površina fluksa može obezbediti 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 poželjnim lokacijama unutar FRC sistema 10.

[0033] U principu postoje 4 klase elektroda: (1) tačkaste elektrode 905 u komori 100 za držanje koje ostvaruju kontakt sa određenim otvorenim linijama polja 452 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 fluksa 456 azimutno simetrično, (3) naslagane koncentrične elektrode 910 u divertorima 300 za naelektrisanje višestrukih koncentričnih slojeva fluksa 455 (zahvaljujući čemu se izborom slojeva može upravljati pomoću podešavajućih kalemova 416 radi podešavanja magnetnog polja divertora tako da se željeni slojevi fluksa 456 završe na odgovarajućim elektrodama 910, i konačno (4) same anode 920 (videti sliku 10) plazma topova 350 (koje zadržavaju, odn. presreću unutrašnje otvorene površine fluksa 455 u blizini separatrise FRC 450). Slike 10 i 11 prikazuju neke tipične konstrukcije za neke od njih.

[0034] 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

[0035] Standardno formiranje plazme na FRC sistemu 10 sledi dobro razvijenu tehniku reverznog polja sa teta-pinčevima. Tipični proces za započinjanje FRC počinje napajanjem kvazi-dc kalemova 412, 414, 416, 420, 432, 434 i 436 sve do stacionarnog radnog režima. RFTP impulsna kola za impulsno napajane sisteme 210 za formiranje onda napajaju 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 zidova za ubacivanje 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-pre-jonizacija u obliku lokalnih regiona za zasejavanje jonizacije unutar neutralnih gasnih kolona. Ovo je praćeno primenom teta-prstenaste modulacije na strujom napajane impulsne kalemove 232 brzog reverznog magnetnog polja, što dovodi do globalnije prejonizacije gasnih kolona. Konačno, uključuju se glavni energetski blokovi impulsno napajanih sistema 210 za formiranje da bi napajali impulsne kalemove 232 brzog reverznog magnetnog polja, da bi se stvorilo prednje polarizaciono polje do 0,4 T. Ovaj korak može biti vremenski sekvenciran, tako da se prednje polarizaciono polje generiše ravnomerno po dužini cevi 240 za formiranje (statičko formiranje) ili tako da se ostvaruje uzastopna peristaltička modulacija polja duž ose cevi 240 za formiranje (dinamičko formiranje).

[0036] U ovom celom procesu formiranja, tekuća promena polja u plazmi se dešava brzo, u okviru oko 5 ms. Multi-gigavatna impulsna energija, koja je dovedena radi formiranja plazme, lako stvara vrele FRC-ove, 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 kalemova 232 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). Dva formirana FRC-a (severni i južni), koji su tako formirani i ubrzani, 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.

[0037] Kada formirani severni i južni FRC-ovi dođu u blizinu centralne ravni komore 100 za držanje, FRC-ovi se sudaraju. Tokom kolizije aksijalne kinetičke energije formiranog severnog i južnog FRC-a se pretežno termalizuju, kada se FRC-ovi 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-ove 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 5×10<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-ova je ograničeno na oko 1 ms, kao vreme raspadanja, koje je inherentna karakteristika konfiguracije.

1

Eksperimentalni podaci za neodrživi rad - konvencionalni režim

[0038] Slika 12 prikazuje tipično vreme evolucije 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 pod nadzvučnom brzinom, VZ~ 250 km/s, i sudaraju se u blizini centralne ravni u z = 0. Tokom kolizije plazmoidi se aksijalno komprimuju pre konačnog sjedinjavanja da bi formirali FRC 450, što je praćeno brzom radijalnom i aksijalnom ekspanzijom. I radijalna, i aksijalna dinamika sjedinjavanja FRC 450 su pokazane detaljnim merenjima profila gustine i bolometrijski baziranom tomografijom.

[0039] 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 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 periodima za ovo pražnjenje.

[0040] 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.

[0041] Ukupna temperatura plazme je prikazana na slici 13(d), a izvedena je na osnovu ravnoteže pritisaka i u potpunosti je konzistentna sa merenjima Tomsonovim rasejanjem i spektroskopskim merenjima.

[0042] 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 trenutku oko 10% od dva inicijalna FRC magnetna fluksa rekonektuje tokom kolizije.

[0043] 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, 7×10<19>čestica, i 7 kJ, respektivno) se smanjuju grubo uzev za jedan red veličine u prvoj milisekundi, kada počinje da se uspostavlja FRC ravnoteža.

Održivi rad - HPF režim

[0044] Primeri na slikama 12 do 14 su karakteristični za raspadajuće FRC-ove bez mogućnosti održanja. 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

[0045] Prvo se brzi (H) neutrali injektuju upravno na Bzu snopovima iz osam injektora 600 snopova neutrala. Snopovi brzih neutrala se injektuju od momenta kada se formirani severni i južni FRC-ovi 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.

[0046] U plazma režimu FRC sistema 10, brzi joni prvenstveno usporavaju na elektronima plazme. Tokom ranog dela pražnjenja, tipična vremena prosečnog usporavanja orbita brzih jona 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 usled razmene 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

[0047] 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 održale sve FRC čestice FRC-a 450. Anticipirani redovi veličina vremena za izdvajanje su dovoljno kratki da obezbede značajan izvor FRC čestica. Ova brzina se takođe može povećati povećanjem površine injektovanog delića razbijanjem pojedinačne pelete na manje fragmente, dok se u bubnjevima ili cevima za injektovanje injektora 700 peleta i pre ulaska u komoru 100 za držanje može ostvariti korak povećanja 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.

[0048] Kada se izdvojeni atomi sretnu sa značajnom plazmom u FRC 450, onda oni postaju potpuno jonizovani. Rezultujuća komponenta hladne plazme se onda koliziono zagreva postojećom FRC

1

plazmom. Energija koja je neophodna za održavanje željene FRC temperature se konačno obezbeđuje od strane 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.

CT injektor

[0049] Kao alternativa injektoru peleta, obezbeđen je kompaktni toroidni (CT) injektor, pretežno za napajanje plazme u konfiguraciji sa reverznim poljima (FRCs). CT injektor 720 sadrži namagnetisan koaksijalni plazma top (eng. Magnetized Coaxial Plasma-Gun - 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 sferomaksu i potiskuje iz topa Lorencovom silom. Kao što je prikazano na slikama 22A i 22B, par CT injektora 720 je povezan na komoru 100 za držanje, blizu i na suprotnim stranama centralne ravni komore 100, da injektje CT-ove u centralnu FRC plazmu unutar komore 100 za držanje. Krajevi za pražnjenje CT injektora 720 su usmereni prema centralnoj ravni komore 100 za držanje, pod izvesnim uglom na uzdužnu osu komore 100 za držanje, slično injektorima 615 snopova neutrala.

[0050] U alternativnim načinima 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.

[0051] Prednosti CT injektora 720 su: (1) kontrola i podesivost svih čestica po injektovanom CT-u; (2) taloži se topla plazma (umesto kriogenih peleta); (3) sistem može raditi u režimu ponavljanja brzine (eng. rep-rate) tako da se omogući kontinuirano napajanje; (4) sistem takođe može da obnovi nešto magnetnog fluksa jer injektovani CT-ovi nose ugrađeno magnetno polje. U jednom načinu 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.

[0052] U skorašnjim eksperimentima je postignuta nadzvučna brzina translacije CT-a do ∼100 km/s. Ostali tipični parametri plazme su sledeći: gustina elektrona ∼5x10<21>m<-3>, temperatura elektrona ∼30-50 eV i broj čestica ∼0.5-1.0x10<19>. Visok kinetički pritisak CT omogućava da injektovana plazma prodre duboko u FRC i taloži čestice unutar separatrise. U nedavnim eksperimentima FRC napajanje čestica rezultiralo je sa ∼10-20 % od svih FRC čestica koje obezbeđuju CT injektori uspešno demonstrirajući kako se napajanje može lako sprovesti bez remečenja FRC plazme.

Kalemovi oblika sedla

[0053] Da bi se ostvarilo stacionarno napajanje strujom i održala struja jona, poželjno je da se spreči ili značajno smanji spin elektrona zbog sile trenja između elektrona i jona (koja nastaje usled prenosa

1

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 kalemova 460 oblika sedla koji su prikazani na slici 15. Poprečno primenjeno radijalno magnetno polje iz kalemova 460 oblika sedla indukuje aksijalno električno polje u rotirajućoj FRC plazmi. Rezultujuća struja aksijalnih elektrona sadejstvuje sa radijalnim magnetnim poljem da bi se stvorila azimutna sila proboja na elektronima, Fθ= σVeθ<|Br|<2>>. 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 proboj 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 ne 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, kalemovi 460 oblika sedla obezbeđuju dodatni nivo kontrole za aktuelno održavanje i stabilnost.

Prigušnice ogledala

[0054] 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 aktuelni 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 se mogu podesiti tako da vode linije polja na elektrode 910 divertora, ili da šire linije polja u rubnu konfiguraciju na krajevima (nije prikazana). Zadnje pomenuto poboljšava stabilnost i sprečava paralelnu termičku kondukciju pomoću elektrona.

[0055] Same prigušnice 440 ogledala takođe doprinose kontroli neutralnog gasa. Prigušnice 440 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 provodnošću gasa od strane prigušnica (jedva 500 L/s). Najveći deo zaostalog gasa ubačenog unutar cevi 210 za formiranje se brzo jonizuje. Pored toga, plazma visoke gustine koja struji kroz prigušnice 440 ogledala obezbeđuje efikasnu neutralnu jonizaciju zbog efikasne barijere za gas. 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.

[0056] 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║tako povećava držanje FRC čestica.

[0057] 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>,

1

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 kvadrata, jer se nspovećava sa τ║.

[0058] Značajno poboljšanje τ║takođe zahteva da ivični sloj 456 ostane stabilan u celini (tj. da nema n = 1 tipa flaute, vatrogasnog creva ili druge MHD nestabilnosti 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 upravljački sistem za ivice.

Plazma topovi

[0059] 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 ovom otkrivanju. Zbog toga plazma topovi 350 omogućavaju da FRC sistem 10 radi sa strujama iz kalemova oblika sedla koje su upravo adekvatne za proboj elektrona, ali ispod granice koja bi izazvala nestabilnost FRC i /ili dovela do dramatične difuzije brzih čestica.

[0060] Kao što je pomenuto gore u diskusiji Prigušnice ogledala, ako τ║može da bude znatno poboljšan, onda bi realizovana plazma iz topova bila uporediva sa brzinom gubitaka čestica u ivičnom sloju (~ 10<22>/s). Vreme života plazme proizvedene topovima u FRC sistemu 10 je reda veličine milisekunda. 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~ 6×10<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~ 0,5 τii(lnR (lnR)<0,5>) ~ 0,7 ms. Anomalna poprečna difuzija u principu može skratiti 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 ponovno napajanje FRC ivičnog sloja 456, kao i poboljšano ukupno držanje FRC čestica.

[0061] 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 tokom oko t ~ 0 (inicijacija glavnog bloka FRC), plazme iz topova potpomažu održanje aktuelne dinamički formirane i sjedinjene FRC 450. Sve sjedinjene čestice od formiranja FRC-ova i iz topova su adekvatne za hvatanje snopova neutrala, zagrevanje plazme i za dugo održavanje. Ako se uključe tokom 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

1

hladno formiranje plazme da bi se omogućila brza difuzija reverznog polarizacionog magnetnog polja. Ako se uključe tokom 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 plazmom male ciljne gustine od 10<13>cm<-3>, što je dovoljno da omogući stvaranje snopova neutrala pre prispeća FRC. Formiranje FRC-ova bi onda moglo biti formirano i translirano u sud za držanje rezultujuće plazme. Na ovaj način plazma topovi 350 omogućavaju veliki broj radnih uslova i parametarskih režima.

Električna polarizacija

[0062] 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 da bi se grupisale otvorene površine 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 E×B brzine smicanja. 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 predviđenih elektroda 900, 905, 910 i 920 omogućavaju kontrolu različitih grupa površina fluksa 455 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.

[0063] 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

[0064] Injektovanje brzih čestica pomoću snopova iz topova 600 za snopove 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-ove sa dužim vremenom života. Posmatrajući ovaj dokaz, kao i drugu dijagnostiku tokom ove studije, on dokazuje da snopovi povećavaju stabilnost i smanjuju gubitke. Korelacija između dužine impulsa snopova i vremena života FRC nije savršena, pošto zarobljavanje snopova postaje neefikasno ispod izvesne veličine plazme, tj. pošto se FRC 450 skuplja po svojoj

1

fizičkoj veličini ukoliko svi injektovani snopovi nisu uhvaćeni i zarobljeni. Skupljanje FRC se primarno javlja usled činjenice da je za posebnu eksperimentalnu postavku neto energetski gubitak (~ 4 MW otprilike na sredini kroz pražnjenje) 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 komore 100 bi dovelo do tendencije smanjenja ovih gubitaka i produžetka vremena života FRC.

[0065] Slika 17 ilustruje efekte različitih komponenata na ostvarivanje HPF režima. Ona prikazuje familiju tipičnih krivih koje prikazuju vreme života FRC 450 kao funkciju 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.

[0066] 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. Što se tiče ove u odnosu na druge mašine, HPF režim FRC sistema 10 ima poboljšano držanje za faktor između 5 i skoro 20. Konačno i najvažnije, priroda skaliranja 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) i 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-ovima moguće samo u mašini velike veličine i /ili sa jakim magnetnim poljem. 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 znatno superiorniji i prikazuje da se može ostvariti mnogo bolje držanje bez mašine velike veličine 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, slabija magnetna polja i manju veličinu za dostizanje i održavanje FRC ravnoteže u FRC sistemu 10 i buduće mašine sa većom energijom. Uporedo sa ovim poboljšanjima dolazi do nižih troškova rada i konstrukcije, kao i manje kompleksnosti pri projektovanju.

2

[0067] Radi daljeg poređenja, slika 18 prikazuje podatke za reprezentativni HPF režim pražnjenja u FRC sistemu 10 kao funkciju 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 bile pojačane 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 HPF režima ispoljava preko 400 % duže vreme života.

[0068] Reprezentativna traka traga linijske integrisane gustine je prikazana na slici 18(b) svojim Abelovim inverznim komplementom, profilima gustine, na slici 18(c). U poređenju sa konvencionalnom FRC režimom CR, kao što je prikazano na slici 13, plazma je mirnija tokom impulsa, što ukazuje na veoma stabilan rad. Vršna gustina je takođe neznatno manja nego kod HPF pobuda - ovo je posledica više ukupne temperature plazme (za faktor do 2), kao što je prikazano na slici 18(d).

[0069] 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 cilj čini veoma podesnim za održavanje snopova neutrala.

[0070] Slika 19 sumira sve prednosti HPF režima u obliku novog eksperimentalno potvrđenog proporcionalnog držanja HPF 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, 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 pozitivnom energijom Te(a ne sa negativnom energijom) je potpuno suprotna onome što se ispoljava kod konvencionalnih tokomaka, gde je držanje obično inverzno proporcionalno nekoj energiji 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 stimuliše visoke radne temperature i omogućava reaktore relativno umerene veličine.

[0071] Sa prednostima koje HPF režim predstavlja, može se postići održivost FRC ili stacionarno stanje upravljano snopovima neutrala i korišćenjem odgovarajućeg injektovanja peleta, što znači da su globalni parametri plazme, poput toplotne energije plazme, ukupnog broja čestica, radijusa plazme i dužine, 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 snopa neutrala. Za plot A, snopovi neutrala 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.

[0072] 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 FRC 450 fizički smanjuje, tako ne bivaju uhvaćeni i zarobljeni svi injektovani snopovi. Smanjivanje ili raspad FRC prvenstveno je posledica činjenice da je neto gubitak energije (~ 4 MW otprilike na sredini kroz pražnjenje) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne snage koja se dovodi u FRC putem snopova neutrala (~ 2.5 MW) za određeni eksperimentalni setap. Kao što je napomenuto u pogledu slike 3C, injektovanjem snopa pod uglom iz topa 600 snopova neutrala prema centralnoj ravni poboljšava se snop-plazma uparivanje, čak i kada se FRC plazma smanjuje ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda injektovanja. Pored toga, odgovarajuće napajanje peleta će održavati potrebnu gustinu plazme.

[0073] Plot B je rezultat simulacija koje se izvršavaju koristeći aktivnu dužinu impulsa snopa od oko 6 ms i ukupnu snagu snopa od topa 600 snopova neutrala od nešto više od oko 10 MW, pri čemu snopove neutrala ubrizgavaju H (ili D) neutralni elementi sa energijom čestica od oko 15 keV. Ekvivalentna struja koju injektuje svaki od snopova je oko 110 A. Za plot B, ugao injektovanja snopa na osu uređaja je bio oko 20°, a ciljni radijus iznosio je 0,19 m. Ugao injektovanja može se menjati u opsegu 15° - 25°. 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 u plotu A, brzi (H) neutralni elementi se ubrizgavaju iz injektora 600 snopova neutrala od trenutka kada se severna i južna formacija FRC spajaju u komori 100 za držanje u jedan FRC 450.

[0074] Simulacije koje su bile osnova za plot B koriste višedimenzione Hall-MHD solvere za pozadinsku plazmu i ravnotežu, potpuno kinetičke solvere zasnovane na Monte Karlo metodi za komponente energetskog snopa i sve procese rasejanja, kao i veliki broj povezanih transportnih jednačina za sve vrste plazme za modeliranje procesa interaktivnih gubitaka. Komponente transporta su empirijski kalibrisane i detaljno upoređene sa eksperimentalnom bazom podataka.

[0075] Kao što pokazuje plot B, stacionarni dijamagnetski životni vek 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 tom trenutku, ali ne pre. Raspad je sličan onom koji se primećuje u pražnjenjima koja nisu potpomognuta snopom - verovatno reda 1 ms nakon vremena isključivanja snopa - i prosto predstavlja odraz karakterističnog vremena raspada plazme kojim upravljaju procesi unutrašnjih gubitaka.

Predmetna prijava obezbeđuje postupak za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom sa reverznim poljima i sistem za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom sa reverznim poljima shodno patentnim zahtevima koji slede.

Claims (22)

Patentni zahtevi

1. Postupak za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom sa reverznim poljima (FRC) koji sadrži korake:

formiranja FRC u plazmi unutar komore (100) za držanje koja ima uzdužnu centralnu ravan, i održavanje FRC-a na ili oko konstantne vrednosti bez raspada injektovanjem snopova brzih neutralnih atoma iz injektora (600) snopova neutrala u FRC plazmu pod nekim uglom prema centralnoj ravni komore za držanje i naznačeno time što postupak dalje sadrži: injektovanje plazmi kompaktnog toroida (CT) iz prvog i drugog CT injektora (720) u FRC plazmu pod nekim uglom prema centralnoj ravni komore za držanje, pri čemu su prvi i drugi CT injektor postavljeni na suprotnim stranama centralne ravni komore za držanje.

2. Postupak prema patentnom zahtevu 1 dalje sadrži jedean ili oba koraka:

a) generisanje magnetnog polja unutar komore pomoću kvazi-dc kalemova (412) koji se pružaju oko komore, ili b) generisanje magnetnog polja ogledala unutar suprotnih krajeva komore pomoću kvazi-dc kalemova (412) koji se pružaju oko suprtonih krajeva komore.

3. Postupak prema patentnom zahtevu 1 ili 2 pri čemu korak formiranja FRC uključuje stvaranje formacije FRC u sekciji (200) za formiranje povezanoj sa jednim krajem komore za držanje i ubrzavanje formacije FRC prema centralnoj ravni komore kako bi se formirao FRC ili uključuje stvaranje prve i druge formacije FRC prva i druga sekcija za formiranje povezane su sa prvim i drugim krajem komore za držanje i ubrzavaju prvu i drugu formaciju FRC prema centralnoj ravni komore gde se dve formacije FRC sjedinjavaju da bi formirali FRC.

4. Postupak prema patentnom zahtevu 3 pri čemu korak formiranja FRC uključuje jedno od stvaranja formacije FRC dok se ubrzava formacija FRC prema centralnoj ravni komore i stvaranje formacije FRC a potom ubrzavanje formacije FRC prema centralnoj ravni komore.

5. Postupak prema patentnom zahtevu 3 dalje sadrži korak vođenja površina magnetnog fluksa FRC-a u divertore (300) povezane sa krajevima sekcija (200) za formiranje.

6. Postupak prema patentnom zahtevu 5 dalje sadrži korak generisanja magnetnog polja unutar sekcija (200) za formiranje i divertora (300) sa kvazi-dc kalemovima (414, 416) koji se pružaju oko sekcija za formiranje i divertora.

7. Postupak prema patentnom zahtevu 6, dalje sadrži korak generisanja magnetnog polja ogledala između sekcija (200) za formiranje i divertora (300) sa kvazi-dc kalemovima (430) ogledala.

8. Postupak prema patentnom zahtevu 7, dalje sadrži korak generisanja magnetnog polja prigušnica ogledala unutar unutar suženja između sekcija (200) za formiranje i divertora (300) sa kvazi-dc

2

kalemovima (444) prigušnica ogledala koji se pružaju oko suženja između sekcija za formiranje i divertora.

9. Postupak prema patentnim zahtevima 1 do 7 dalje sadrži jedan od sledećih koraka:

a) generisanje jednog magnetnog dipolnog polja i magnetnog kvadrupolnog polja unutar komore sa kalemovima (460) u obliku sedla povezanim sa komorom;

b) kondicioniranje unutrašnjih površina komore (100), sekcija (200) za formiranje i divertora (300) sa sistemom (800) za geterovanje;

c) kondicioniranje unutrašnjih površina komore (100), sekcija (200) za formiranje i divertora (300) sa sistemom (800) za geterovanje, pri čemu sistem (800) za geterovanje uključuje jedan sistem za taloženje titanijuma i jedan sistem za taloženje litijuma;

d) aksijalno injektovanje plazme u FRC iz aksijalno montiranih plazma topova (350);

e) kontrolisanje radijalnog profila električnog polja u ivičnom sloju (456) FRC-a; i f) kontrolisanje radijalnog profila električnog polja u ivičnom sloju FRC-a, pri čemu korak kontrolisanja radijalnog profila električnog polja u ivičnom sloju FRC-a uključuje primenu distribucije električnih potencijala na grupu otvorenih površina fluksa FRC-a pomoću polarizacionih elektroda.

10. Postupak prema patentnom zahtevu 1 pri čemu injektovanje CT plazmi u FRC plazmu pod nekim uglom prema centralnoj ravni komore za držanje uključuje injektovanje CT plazmi pod uglom od oko 15° do 25° u odnosu na normalu na uzdužnu osu komore za držanje i prema centralnoj ravni komore za držanje.

11. Postupak prema patentnom zahtevu 1 pri čemu injektovanje CT plazmi u FRC plazmu pod nekim uglom prema centralnoj ravni komore za držanje uključuje injektovanje CT plazmi u režimu ponavljanja brzine.

12. Sistem (10) za generisanje i održavanje plazme u magnetnom polju sa konfiguracijom sa reverznim poljima (FRC) sadrži

komoru (100) za držanje,

prvu i drugu dijametralno suprotnu FRC sekciju (200) za formiranje, koje su povezane sa komorom (100) za držanje, sekcija za formiranje sadrži modularne sisteme za formiranje za generisanje FRC i transliranje FRC prema uzdužnoj centralnoj ravni komore za držanje, prvi i drugi divertor (300), koji su povezani sa prvom i drugom sekcijom (200) za formiranje, prvi i drugi aksijalni plazma top (350) operativno povezane sa prvim i drugim divertorom, prvom i drugom sekcijom za formiranje i komorom za držanje,

mnoštvo injektora (600) snopova neutralnih atoma povezanih na komoru za držanje i orijentisanih da injektuju snopove neutralnih atoma prema centralnoj ravni komore za držanje pod nekim uglom u odnosu na normalu na uzdužnu osu komore za držanje,

magnetni sistem koji sadrži mnoštvo kvazi-dc kalemova (412, 414, 416) postavljenih duž komore za držanje, prve i druge sekcije za formiranje, i prvog i drugog divertora, prvu i drugu grupu kvazi-dc kalemova (420, 430) ogledala koji su postavljeni između komore za držanje i prve i druge sekcije za formiranje i prva i druga prigušnica ogledala (440) koje su postavljene između prve i druge sekcije za formiranje i prvog i drugog divertora,

sistem (800) za geterovanje koji je spojen sa komorom za držanje i prvim i drugim divertorom, jedna ili više polarizacionih elektroda (900, 905, 910, 920) za električnu polarizaciju otvorenih površina fluksa generisanog FRC, jedna ili više polarizacionih elektroda koje su postavljene unutar jedne ili više komora za držanje, prve i druge sekcije za formiranje i prvog i drugog divertora,

dva ili više kalemova (460) oblika sedla povezanih na komoru za držanje, i naznačeno time što sistem dalje sadrži:

prvi i drugi injektor (720) kompaktnog toroida (CT) spojene sa komorom za držanje pod nekim uglom prema centralnoj ravni komore za držanje, pri čemu su prvi i drugi CT injektor postavljeni na suprotnim stranama centralne ravni komore za držanje.

13. Sistem (10) prema patentnom zahtevu 12 pri čemu je sistem konfigurisan da generiše FRC i održava FRC na ili oko konstantne vrednosti bez raspada, dok se snopovi neutralnih atoma injektuju u FRC.

14. Sistem (10) prema patentnom zahtevu 12 ili 13, pri čemu prva i druga prigušnica ogledala (440) sadrži treći i četvrti skup kalemova ogledala između svake od prve i druge sekcije za formiranje i prvog i drugog divertora ili pri čemu prva i druga prigušnica ogledala sadrži treći i četvrti skup kalemova ogledala između svake od prve i druge sekcije za formiranje i prvog i drugog divertora a svaka od prve i druge prigušnice ogledala (440) dalje sadrži skup kalemova prigušnica ogledala obavijenih oko suženja u prolazu između svake od prvih i drugih sekcija za formiranje i prvog i drugog divertora.

15. Sistem (10) prema patentnim zahtevima 12 do 14 pri čemu sistemi za formiranje sadrže mnoštvo jedinica za napajanje i upravljačkih jedinica koje su povezane na pojedinačne od više pojasnih sklopova (230) da napajaju skup kalemova pojedinačnih od više pojasnih sklopova koji su obavijeni oko izdužene cevi prve i druge sekcije za formiranje.

16. Sistem (10) prema patentnom zahtevu 15, pri čemu pojedinačne od mnoštva jedinica za napajanje i upravljačkih jedinica sadrže okidač i upravljački sistem.

17. Sistem (10) prema patentnom zahtevu 16, pri čemu okidači i upravljački sistemi pojedinačnih od mnoštva jedinica za napajanje i upravljačkih jedinica koje su sinhronizujuće tako da omoguće statičko formiranje FRC, gde se FRC formira a zatim injektuje, ili dinamičko formiranje FRC, gde se FRC formira i prenosi simultano.

18. Sistem (10) prema patentnim zahtevima 12 do 17 pri čemu više injektora snopova neutralnih atoma sadrži jedan ili više RF izvora plazme injektora snopova neutralnih atoma i jedan ili više lučnih izvora injektora snopova neutralnih atoma.

19. Sistem (10) prema patentnim zahtevima 12 do 18 pri čemu je mnoštvo injektora snopova neutralnih atoma orijentisano sa putanjom injektovanja koja je tangencijalna na FRC sa ciljnom zonom hvatanja unutar separatrise FRC.

20. Sistem (10) prema ma kojem od patentnih zahteva 12 do 19 pri čemu važi najmanje jedno od sledećeg:

2

a) izdužena cev je kvarcna cev sa kvarcnom oblogom;

b) sistemi za formiranje su impulsno napajani;

c) sistem za geterovanje sadrži jedan ili više sistema za taloženje titanijuma i sistema za taloženje litijuma koji su konfigurisani da oblažu površine okrenute ka plazmi komore za držanje i prvog i drugog divertora, i

d) polarizacione elektrode uključuju jedno ili više od:

i) najmanje jedne tačkaste elektrode (905) postavljene unutar komore za zadržavanje da ostvari kontakt sa otvorenim linijama polja,

ii) skup prstenastih elektroda (900) između komore za držanje i prve i druge sekcije za formiranje da bi se azimutno simetrično naelektrisali najudaljeniji ivični slojevi fluksa, i

iii) mnoštvo naslaganih koncentričnih elektroda (910) postavljenih u prvom i drugom divertoru da naelektrišu višestruke koncentrične slojeve fluksa, i anode (920) plazma topova da presretnu otvoreni fluks.

21. Sistem prema patentnom zahtevu 12 pri čemu su prvi i drugi CT injektor 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.

22. Sistem prema patentnom zahtevu 12 pri čemu su prvi i drugi CT injektor konfigurisani da injektuju CT plazme u FRC plazmu u režimu ponavljanja brzine.

2