RS62629B1 - Sistemi i postupci za stabilnost položaja frc plazme - Google Patents

Description

Opis

OBLAST

[0001] Predmet koji je ovde opisan odnosi se generalno na sisteme za magnetno držanje plazme koji imaju konfiguraciju sa reverznim poljima (engl. Field Reversed Configuration - FRC) i, naročito, na sisteme i postupke koji omogućavaju stabilnost FRC plazme i u radijalnom i u aksijalnom pravcu, i kontrolu položaja FRC plazme duž ose simetrije FRC komore za držanje plazme.

POZNATO STANJE TEHNIKE

[0002] Konfiguracija sa reverznim poljima (FRC) spada u klasu topologija za magnetno držanje plazme poznata kao kompaktni toroidi (engl. 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, 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 unutar FRC), tj. velika gustina energije. Prirodno visoko β je povoljno za ekonomičan rad i za korišćenje naprednih, aneutronskih goriva, kao što su D-He<3>and p-B<11>.

[0003] FRC uređaji su zatvoreni uređaji sa visokim vakuumom koji se oslanjaju na magnetno polje za držanje visokotemperaturne plazme, između ostalog, u svrhu generisanja energije termonuklearne fuzije. Komponentu magnetnog polja nužno mora proizvesti intenzivna toroidna struja u plazmi, koja interaguje sa magnetnim poljem koje proizvode spoljni kalemovi u plazmi. Za razliku od drugih uređaja za magnetno držanje, FRC uređaji nemaju spoljne kalemove za proizvodnju toroidnog polja. Tipična FRC plazma podseća na elipsoid revolucije koji ima osu duž spoljne ose kalema. Granica elipsoida je separatrisa plazme, koja ograničava kompaktnu toroidnu plazmu svojom osom simetrije duž ose revolucije (okretanja) elipsoida.

[0004] Zbog nedostatka toroidnog magnetnog polja, FRC plazme su sklone narušavanju osne simetrije, što može dovesti do povećane energije, gustine i gubitaka držanja ako se ne preduzmu nikakve korektivne mere. Najosnovnija nestabilnost odnosi se na činjenicu da u FRC plazmi struja plazme teče u suprotnom smeru od struje spoljašnjeg kalema, što generiše moment sile koji radi u pravcu poravnavanja strujne petlje plazme sa spoljašnjim poljem (nestabilnost nagiba). Ostala narušavanja osne simetrije odnose se na radijalno pomeranje ose revolucije plazme (radijalni pomeraj), eliptičnu deformaciju pojasa FRC (rotacioni režim), kombinaciju radijalnog pomeraja i rotacije (režim kolebanja (engl. wobble mode)), mikroturbulenciju plazme i druge. Ova narušavanja osne simetrije, takođe poznata kao nestabilnosti plazme, moraju se izbegavati da bi se imalo dobro držanje mase i energije plazme.

[0005] Jedno od predloženih rešenja za postizanje stabilnosti u radijalnom pravcu zasniva se na činjenici da FRC ravnoteža sadrži rešenja u kojima je položaj plazme ili stabilan u aksijalnom pravcu na račun nestabilnosti u transverzalnom ili radijalnom pravcu, ili stabilan u radijalnom pravcu na račun aksijalne nestabilnosti, ali ne oba istovremeno. U prvom redu, ravnoteža u kojoj je položaj plazme transverzalno stabilan ima željeno svojstvo da bude osnosimetrična, na račun toga da bude aksijalno nestabilna. Nestabilnost aksijalnog položaja, međutim, može se aktivno kontrolisati korišćenjem skupa spoljnih osnosimetričnih kalemova, kako bi se postigla stabilnost i u aksijalnom i u radijalnom pravcu.

[0006] U svetlu prethodno navedenog poželjno je, dakle, obezbediti sisteme i postupke koji olakšavaju kontrolu aksijalnog položaja FRC plazme na način koji je nezavisan od svojstava aksijalne stabilnosti njene ravnoteže. Ovo je važno zbog toga što će ravnoteža možda morati da prelazi između aksijalno stabilne i aksijalno nestabilne ravnoteže u različitim fazama FRC pražnjenja, na primer ako se scenario aksijalne nestabilnosti privremeno izgubi i povrati tokom pražnjenja plazme.

IZLAGANJE SUŠTINE

[0007] Predmetni pronalazak se odnosi na postupak za stabilizaciju FRC plazme prema patentnom zahtevu 1, i na sistem za generisanje i stabilizaciju FRC plazme prema patentnom zahtevu 14. Prioritetni načini izvođenja pronalaska su obelodanjeni u zavisnim patentnim zahtevima. Ovde dati načini izvođenja usmereni su na sisteme i postupke koji omogućavaju stabilnost FRC plazme i u radijalnom i u aksijalnom pravcu, kao i kontrolu aksijalnog položaja FRC plazme duž ose simetrije komore za držanje FRC plazme nezavisno od svojstava aksijalne stabilnosti ravnoteže FRC plazme. U prvom redu, ravnoteža u kojoj je položaj plazme transverzalno ili radijalno stabilan ima željeno svojstvo da bude osnosimetrična, na račun toga da bude aksijalno nestabilna. Nestabilnost aksijalnog položaja se, međutim, aktivno kontroliše korišćenjem skupa spoljnih osnosimetričnih kalemova, koji kontrolišu aksijalni položaj FRC plazme.

[0008] Ovde predstavljeni načini izvođenja koriste aksijalno nestabilnu ravnotežu FRC-a da bi sproveli radijalnu stabilnost, dok stabilizuju ili kontrolišu aksijalnu nestabilnost. Na ovaj način se može postići stabilnost i u aksijalnom i u radijalnom pravcu. Kontrolna metodologija je dizajnirana tako da promeni spoljašnje ili ravnotežno magnetno polje, kako bi se FRC plazma učinila radijalno ili transverzalno stabilnom na račun toga da bude aksijalno nestabilna, a zatim deluje na struju kalema radijalnog polja u cilju ekspeditivnog obnavljanja položaja FRC plazme prema centralnoj ravni, dok se minimizira prekoračenje i/ili oscilacije oko centralne ravni komore za držanje. Prednost ovog rešenja je u tome što smanjuje složenost aktuatora koji su neophodni za kontrolu. U poređenju sa konvencionalnim rešenjima sa višestrukim stepenima slobode, metodologija načina izvođenja koja je ovde predstavljena svodi složenost na kontrolni problem duž ose revolucije plazme FRC koji ima jedan stepen slobode.

[0009] Međunarodna patentna prijava WO2015048092 otkriva sistem konfiguracije sa reverznim poljima visokih performansi (FRC), uključujući centralni sud za držanje, dve dijametralno suprotne sekcije za formiranje reverznih polja sa teta-pinčom, spojene sa sudom, i dve komore divertora, spojene sa sekcijama za formiranje. Magnetni sistem uključuje kvazi-dc kalemove aksijalno pozicionirane duž komponenti FRC sistema, kvazi-dc kalemove ogledala između komore za držanje i sekcija za formiranje, i prigušnice ogledala između sekcija za formiranje i divertora. Sekcije za formiranje uključuju modularne impulsno napajane sisteme za formiranje koji omogućavaju statičko i dinamičko formiranje i ubrzanje FRC-ova. FRC sistem dalje uključuje injektore snopova neutralnih atoma, injektore peleta, sisteme za geterovanje, aksijalne plazma topove i polarizacione elektrode površine fluksa.

[0010] Patentna prijava Sjedinjenih Država US4314879 otkriva upotrebu koaksijalnog plazma topa za proizvodnju plazma prstena koji je usmeren u magnetno polje tako da se formira plazma reverznog polja koja se drži u magnetnom ogledalu. Tako proizvedena plazma može se koristiti kao meta za naknadno injektovanje snopa neutrala, ili za druge slično proizvedene i projektovane plazma prstenove, ili za direktno oslobađanje energije fuzije u impulsnom režimu.

[0011] Dokument XP000320502A J. T. Slough et al., "Confinement and Stability of Plasmas in a Field-Reverse Configuration", Physical Review Letters, American Physical Society, Vol.69, No.15, 12. oktobar 1992. godine otkriva eksperimente koji su sprovedeni na LSX uređaju, gde su plazme držane u magnetnoj geometriji reverznih polja pokazale rekordni životni vek energije, čestica i konfiguracije. Skaliranje sa prethodnih manjih uređaja pokazalo je veoma pozitivnu širinu skaliranja držanja, broj žiroradijusa jona unutar konfiguracije sa reverznim poljima. Primećeno je da ove plazme imaju veliku stabilnost prema globalnim režimima niskog reda, kao što je unutrašnji nagib.

[0012] Dokument XP000320502A J. T. Slough et al., "Enhanced Confinement and Stability of Plasmas in a Field-Reverse Configuration with Rotating Magnetic Field Current Drive", Physical Review Letters, Vol. 85, No. 7, 14. avgust 2000. godine otkriva novi eksperiment koji je konstruisan da proučava održavanje konfiguracije sa reverznim poljima (FRC) sa rotirajućim magnetnim poljem (engl. Rotating Magnetic Field - RMF). FRC-ovi su formirani sa hladnim, nemagnetizovanim jonima i samim tim bez kinetičke jonske komponente, za koju se verovalo da obezbeđuje stabilnost režimima unutrašnjeg nagiba. Nisu uočene nikakve destruktivne nestabilnosti za RMF FRC. Primećena je samo periferna radijalna penetracija RMF-a.

[0013] Ovde opisani sistemi i postupci povoljno obezbeđuju: kontrolu povratne sprege aksijalnog položaja FRC plazme dejstvom na napone primenjene na skup spoljnih kalemova koncentričnih u odnosu na plazmu; kontrolu povratne sprege aksijalnog položaja FRC korišćenjem tehnike nelinearne kontrole; i, kontrolu povratne sprege aksijalnog položaja FRC nezavisno od svojstava stabilnosti ravnoteže plazme. Ova nezavisnost je povoljna jer će ravnoteža možda morati da prelazi između aksijalno stabilne i aksijalno nestabilne ravnoteže u različitim fazama FRC pražnjenja, na primer ako se scenario aksijalne nestabilnosti privremeno izgubi i povrati tokom pražnjenja plazme.

[0014] Sistemi, postupci, karakteristike i prednosti datih primera načina izvođenja će biti ili će postati očigledni stručnjaku u ovoj oblasti tehnike nakon pregleda slika i detaljnog opisa koji slede. Obim pronalaska je definisan patentnim zahtevima.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

[0015] Priložene slike nacrta, koje su uključene kao deo predmetnog opisa pronalaska, ilustruju trenutne primere načina izvođenja i zajedno sa gore datim opštim opisom i detaljnim opisom primera načina izvođenja datim u nastavku služe za objašnjenje i poučavanje principima predmetnog pronalaska.

Slika 1 ilustruje držanje čestica u aktuelnom FRC sistemu u FRC režimu visokih performansi (engl. High Performance FRC - 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 magnetnu topologiju FRC koja se može dobiti u aktuelnom FRC sistemu.

Slika 3A ilustruje osnovni raspored u aktuelnom FRC sistemu 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 gledano odozgo i prikazuje neutralne snopove raspoređene pod uglom normalnim na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za držanje.

Slika 3C ilustruje centralni sud za držanje gledano odozgo i prikazuje neutralne snopove raspoređene pod uglom manjim od normalnog u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu za držanje i usmerene tako da ubrizgavaju 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 prstenaste polarizacione elektrode 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-reverznihpolja i magnetnih sondi smeštenih 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 CO2 interferometra, (c) podaci o Abelovim inverznim radijalnim profilima gustine sa CO2 interferometra, 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 funkcije vremena su prikazani (a) radijus isključenog fluksa u centralnoj ravni, (b) 6 kanala linijski integrisane gustine za centralnu ravan CO2 interferometra, (c) podaci o Abelovim inverznim radijalnim profilima gustine sa CO2 interferometra, 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 vreme života FRC koje odgovara dužini impulsa injektovanih snopova neutrala koji nisu pod uglom i koji jesu pod uglom.

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

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

Slike 23A i 23B ilustruju osnovni raspored alternativnog načina izvođenja CT injektora koji ima cev za zanošenje (engl. drift tube) spojenu na njega.

Slika 24 je šematski prikaz koji ilustruje mehanizam kontrole aksijalnog položaja FRC plazme unutar suda za držanje (CV).

Slika 25 je dijagram toka generičke šeme upravljanja kliznim režimom.

Slika 26 je kompozitni grafik primera simulacije kontrole aksijalnog položaja kliznog režima.

Slika 27 je kompozitni grafik primera simulacije kontrole aksijalnog položaja kliznog režima.

[0016] 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, načina izvođenja. Slike ne moraju da prikažu svaki aspekt ovde prikazanih otkrivanja i ne ograničavaju obim zaštite definisan patentnim zahtevima.

DETALJAN OPIS

[0017] Predmetni načini izvođenja koji su ovde dati usmereni su na sisteme i postupke koji olakšavaju stabilnost FRC plazme i u radijalnom i u aksijalnom pravcu, i kontrolu aksijalnog položaja FRC plazme duž ose simetrije komore za držanje FRC plazme, nezavisno od svojstava aksijalne stabilnosti ravnoteže FRC plazme. Reprezentativni primeri ovde opisanih načina izvođenja, primeri koji koriste mnoge od ovih dodatnih karakteristika i otkrivanja, zasebno i u kombinaciji, sada će biti detaljnije opisani, uz pozivanje na priložene crteže. Ovaj detaljni opis namenjen je samo tome da poduči stručnjaka u datoj oblasti dopunskim detaljima za primenu prioritetnih aspekata ovog otkrivanja, i nema nameru da ograniči obim pronalaska. Prema tome, kombinacije karakteristika i koraka, obelodanjenih u detaljnom opisu koji sledi, možda neće biti neophodne za primenu pronalaska u najširem smislu, i umesto toga izučavaju se samo da bi posebno opisale reprezentativne primere predmetnih otkrivanja.

[0018] Štaviše, različite karakteristike reprezentativnih primera i zavisnih zahteva mogu se kombinovati na načine koji nisu posebno i eksplicitno nabrojani, kako bi se realizovali dodatni korisni načini izvođenja aktuelnih otkrivanja.

[0019] Konvencionalna rešenja za FRC nestabilnosti tipično obezbeđuju stabilnost u aksijalnom pravcu na račun nestabilnosti u radijalnom pravcu, ili stabilnosti u radijalnom pravcu na račun aksijalne nestabilnosti, ali ne stabilnost u oba pravca istovremeno. U prvom redu, ravnoteža u kojoj je položaj plazme transverzalno ili radijalno stabilan ima željeno svojstvo da bude osnosimetrična, na račun toga da bude aksijalno nestabilna. Imajući u vidu gore navedeno, ovde dati načini izvođenja su usmereni na sisteme i postupke koji omogućavaju stabilnost FRC plazme i u radijalnom i u aksijalnom pravcu, i kontrolu aksijalnog položaja FRC plazme duž ose simetrije FRC komore za držanje plazme nezavisno od svojstava aksijalne stabilnosti ravnoteže FRC plazme. Nestabilnost aksijalnog položaja se, međutim, aktivno kontroliše korišćenjem skupa spoljnih osnosimetričnih kalemova koji kontrolišu aksijalni položaj FRC plazme. Sistemi i postupci obezbeđuju kontrolu povratne sprege aksijalnog položaja FRC plazme nezavisno od svojstava stabilnosti ravnoteže plazme dejstvom na napone primenjene na skup spoljnih kalemova koncentričnih u odnosu na plazmu, i korišćenjem tehnike nelinearne kontrole.

[0020] Ovde predstavljeni načini izvođenja koriste aksijalno nestabilnu ravnotežu FRC-a da bi sproveli radijalnu stabilnost, dok stabilizuju ili kontrolišu aksijalnu nestabilnost. Na ovaj način se može postići stabilnost i u aksijalnom i u radijalnom pravcu. Kontrolna metodologija je dizajnirana tako da promeni spoljašnje ili ravnotežno magnetno polje, kako bi se FRC plazma učinila radijalno ili transverzalno stabilnom na račun toga da bude aksijalno nestabilna, a zatim deluje na struju kalema radijalnog polja u cilju ekspeditivnog obnavljanja položaja FRC plazme prema centralnoj ravni, dok se minimizira prekoračenje i/ili oscilacije oko centralne ravni komore za držanje. Prednost ovog rešenja je u tome što smanjuje složenost aktuatora koji su neophodni za kontrolu. U poređenju sa konvencionalnim rešenjima sa višestrukim stepenima slobode, metodologija načina izvođenja koja je ovde predstavljena svodi složenost na kontrolni problem duž ose revolucije plazme FRC koji ima jedan stepen slobode.

[0021] Kombinacija talasnih oblika u strujama kalemova, napajanja i snage snopa neutrala koji rezultuju aksijalno nestabilnom plazmom, definišu scenario kontrole plazme koji postavlja plazmu u aksijalno nestabilnu situaciju. Scenario se može unapred programirati korišćenjem prethodnog znanja o simulacijama ili eksperimentima, ili kontrolisanom povratnom spregom, kako bi se održala ravnoteža koja je aksijalno nestabilna. Položaj plazme treba da bude kontrolisan tokom pražnjenja nezavisno od svojstava stabilnosti ravnoteže, npr. kontrolna šema treba da radi i za aksijalno stabilnu i za aksijalno nestabilnu plazmu, do neke granice. Aksijalno najnestabilnija plazma koja se može kontrolisati ima vreme rasta uporedivo sa vremenom formiranja spoljašnjeg sloja (engl. skin time) suda.

[0022] Pre nego što pređemo na sisteme i postupke koji olakšavaju stabilnost FRC plazme i u radijalnom i u aksijalnom pravcu, i kontrolu aksijalnog položaja FRC plazme duž ose simetrije komore za držanje FRC plazme, data je diskusija o sistemima i postupcima za formiranje i održavanje FRC-ova visokih performansi sa superiornom stabilnošću, kao i superiornim držanjem čestica, energije i fluksa u odnosu na konvencionalne FRC-ove. Ovakvi FRC-ovi visokih performansi obezbeđuju put do čitavog niza 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 atomskih jezgara za buduću proizvodnju energije.

[0023] Različiti pomoćni sistemi i režimi rada su bili ispitivani kao bi se procenilo da li postoji superiorni režim držanja kod FRC-ova. Ovi napori su doveli do revolucionarnih otkrića i do razvoja ovde opisane paradigme FRC visokih performansi. U skladu sa ovom novom paradigmom, aktuelni sistemi i postupci kombinuju mnoštvo novih ideja i sredstava radi dramatičnog poboljšanja držanja FRC, kako je ilustrovano na slici 1, kao i radi obezbeđivanja kontrole stabilnosti bez negativnih neželjenih 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 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 korišćenim u drugim eksperimentima. Predmetno obelodanjivanje će naznačiti i detaljno opisati pojedinačne inovativne komponente FRC sistema 10 i postupaka, kao i njihove kolektivne efekte.

FRC sistem

Vakuumski sistem

[0024] 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 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 ultravisokog vakuuma i on radi na tipičnom osnovnom pritisku od 10<-8>torr. Ovakvi vakuumski pritisci zahtevaju primenu dvostruko-pumpajućih uparenih prirubnica između uparenih komponenata, metalne O-prstenove, unutrašnje zidove velike čistoće, kao i pažljivo inicijalno kondicioniranje površina svih delova pre sklapanja, kao što je fizičko/mehaničko i hemijsko čišćenje, koje je praćeno 24-časovnim vakuumskim pečenjem na 250 °C i čišćenjem tinjajućim pražnjenjem kroz vodonik.

[0025] Sekcije 200 za formiranje reverznih polja sa teta-pinčom su standardni teta-pinčevireverznih-polja (engl. Field-Reversed-Theta-Pinches - FRTPs), mada sa naprednim impulsno napajanim sistemom za formiranje koji je detaljno razmotren ispod (videti slike 4 do 6). Svaka sekcija 200 za formiranje je napravljena od standardnih neprovidnih kvarcnih cevi industrijskog kvaliteta, koje su iznutra obložene sa 2 mm ultračistog kvarca. Komora 100 za držanje je napravljena od nerđajućeg čelika kako bi se obezbedilo mnoštvo radijalnih i tangencijalnih kanala; ona takođe služi i za konzervaciju fluksa u vremenskom periodu odvijanja dole opisanih eksperimenata i ograničava brze magnetne promene. Unutar FRC sistema 10 se stvaraju i održavaju vakuumi pomoću grupe suvih zavojnih pretpumpi, turbo molekularnih pumpi i krio pumpi.

Magnetni sistem

[0026] 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 proizvodi FRC sistem 10. Ove konture dobijene su 2-D rezistentnom Hall-MHD numeričkom simulacijom, uz korišćenje kôda 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, obezbeđujući tako prirodni divertor.

[0027] 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 (napajane prekidačkim napajanjima) 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. Dodatno, prigušnice 440 ogledala smeštene su između svake od sekcija 200 za formiranje i divertora 300. 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 (napajana prekidačkim napajanjima) koji proizvode dodatna vodeća polja kako 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 ogledala do 4 T. Svrha ovog celokupnog rasporeda kalemova je da tesno uvežu u snop i vode površine 455 magnetnog fluksa i mlazeve 454 plazme koji struje sa krajeva u udaljene komore 310 divertora 300. Konačno, skup "antena" 460 oblika sedla (videti sliku 15) nalazi se 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 obezbedi kvazi-statično magnetno polje u vidu dipola ili kvadrupola od oko 0.01 T za kontrolu rotacionih nestabilnosti i/ili kontrolu struje elektrona. Antene 460 u vidu kalema oblika sedla mogu fleksibilno da obezbede magnetna polja koja su ili simetrična ili asimetrična oko centralne ravni uređaja, u zavisnosti od smera primenjenih struja.

Impulsno napajani sistemi za formiranje

[0028] 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 ilustruju glavne gradivne delove 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 komponenti se postiže pomoću najsavremenijeg 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 (engl. in-situ) i potom ubrzani i injektovani (=statičko formiranje), ili mogu biti formirani i ubrzani u isto vreme (=dinamičko formiranje).

Injektori snopa neutrala

[0029] Snopovi 600 neutralnih atoma se primenjuju na FRC sistem 10 da bi se obezbedilo zagrevanje i proticanje struje, kao i razvijanje pritiska brzih čestica. Kako je prikazano na slikama 3A, 3B i 8, pojedinačne linije snopova, koji se sastoje od sistema 610 i 640 za injektovanje snopova neutralnih atoma, nalaze se oko centralne komore 100 za držanje i injektuju brze čestice tangencijalno na FRC plazmu (i okomito ili pod uglom normalnim na glavnu osu simetrije u centralnom sudu 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 u stanju da injektuje snopove neutrala snage do 1 MW u FRC plazmu sa energijama čestica između 20 i 40 keV. Sistemi 610 i 640 se zasnivaju na izvorima za ekstrakciju pozitivnih jona sa višestrukim otvorima 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 dizajnu kako bi odgovarali svojim lokacijama za ugradnju, strani prinosa i vrhunskim sposobnostima injektovanja. Tipične komponente ovih injektora snopova neutrala su posebno ilustrovane na slici 7 za bočne sisteme 610 za injektovanje. Kao što je prikazano na slici 7, svaki pojedinačni sistem 610 za snopove neutrala uključuje RF izvor 612 plazme na ulaznom kraju (ovo je zamenjeno lûčnim izvorom u sistemima 640), sa magnetnim ekranom 614 koji pokriva kraj. Optički izvor jona i rešetke 616 za ubrzanje su spojeni sa izvorom 612 plazme, a zasunski ventil 620 je pozicioniran 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-frižidera 634, dva krio-panela 636 i LN2 pokrivač 638. Ovaj fleksibilni dizajn omogućava rad u širokom opsegu FRC parametara.

[0030] Alternativna konfiguracija za injektore 600 snopova neutralnih atoma je ona kod koje je injektovanje brzih čestica tangencijalno na FRC plazmu, ali pod uglom A manjim od 90° u odnosu na glavnu osu simetrije u centralnom sudu 100 za držanje. Ovi tipovi orijentacije injektora 615 snopova prikazani su na slici 3C. Dodatno, injektori 615 snopova mogu biti orijentisani tako da injektori 615 snopova sa obe strane centralne ravni centralnog suda 100 za držanje injektuju svoje čestice prema centralnoj ravni. Konačno, aksijalni položaj ovih sistema 600 snopova može biti izabran bliže centralnoj ravni. Ovi alternativni načini izvođenja injektovanja omogućavaju više centralnu opciju napajanja, koja obezbeđuje bolje spajanje snopova i veću efikasnost hvatanja injektovanih brzih čestica. Osim toga, u zavisnosti od ugla i aksijalnog položaja, ovaj raspored injektora 615 snopova dozvoljava 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 će stvoriti FRC plazmu sa dužim aksijalnim nastavkom i nižom

1

temperaturom, dok će odabir ugla A koji je više upravan dovesti do aksijalno kraće ali toplije plazme. Na ovaj način, ugao A injektovanja i lokacija injektora 615 snopova mogu se optimizovati za različite namene. Dodatno, takav ugao i pozicioniranje injektora 615 snopova dozvoljava da se snopovi veće energije (što je generalno povoljnije za deponovanje veće snage sa manjom divergencijom snopa) injektuju u slabija magnetna polja nego što bi inače bilo neophodno za hvatanje takvih snopova. Ovo je zbog činjenice da je azimutalna komponenta energije ta koja određuje skalu orbite brzih jona (koja postaje progresivno manja kako se ugao injektovanja u odnosu na glavnu osu simetrije suda smanjuje pri konstantnoj energiji snopa). Osim toga, injektovanje pod uglom prema centralnoj ravni i sa aksijalnim položajima snopa blizu centralne ravni poboljšava spajanje snopa i plazme, čak i kada se FRC plazma skuplja ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda injektovanja.

[0031] Osvrćući se na slike 3D i 3E, još jedna alternativna konfiguracija uključuje unutrašnje divertore 302, pored injektora 615 za snopove pod uglom. Unutrašnji divertori 302 su postavljeni između sekcija 200 za formiranje i komore 100 za držanje, i konfigurisani su i funkcionišu suštinski slično spoljašnjim divertorima 300. Unutrašnji divertori 302, koji uključuju magnetne kalemove sa brzim prebacivanjem, delotvorno su neaktivni tokom procesa formiranja kako bi omogućili formiranom FRC da prođe kroz unutrašnje divertore 302, dok se formirani FRC translira prema centralnoj ravni komore 100 za držanje. Kada formirani FRC-ovi prođu kroz unutrašnje divertore 302 u komoru 100 za držanje, unutrašnji divertori se aktiviraju da rade suštinski slično spoljašnjim divertorima i izoluju komoru 100 za držanje od sekcija 200 za formiranje.

Injektor peleta

[0032] Da bi se obezbedio način za injektovanje novih čestica i bolju kontrolu FRC inventara 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 ilustruje raspored 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 FRC inventarom čestica.

Sistemi za geterovanje

[0033] Dobro je poznato da neutralni halo gas predstavlja ozbiljan problem u svim sistemima za držanje. Procesi razmene naelektrisanja i recikliranja (oslobađanje hladnog materijala nečistoća sa zida) mogu imati razarajući efekat na držanje energije i čestica. Dodatno, svaka značajna gustina neutralnog gasa na ivici ili u blizini ivice će dovesti do trenutnih gubitaka ili će barem značajno skratiti životni vek injektovanih čestica sa velikom orbitom (visokoenergetskih) (velika orbita se odnosi na čestice koje imaju orbitu reda FRC topologije ili barem radijus orbite mnogo većeg red veličine od podužnog gradijenta karakterističnog magnetnog polja) – činjenica koja je štetna za sve energetske primene plazme, uključujući fuziju preko pomoćnog grejanja snopa.

[0034] Kondicioniranje površine je način na koji se u sistemu za držanje mogu kontrolisati ili smanjiti štetni efekti neutralnog gasa i nečistoća. U tom cilju se u FRC sistemu 10 koji je ovde obezbeđen 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 i 302 sa filmovima (debljine desetine mikrometra) od Ti i/ili Li. Obloge su napravljene tehnikama naparavanja. Čvrsti Li i/ili Ti se isparavaju i/ili sublimiraju, pa raspršuju na obližnje 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 tipično rade u neprekidnom radnom režimu, dok Ti sublimatori uglavnom rade sa prekidima između rada plazme., Radne temperature ovih sistema su iznad 600 °C da bi se dobile velike brzine taloženja. Da bi se postigla dobra pokrivenost zida, neophodno je više strateški lociranih sistema za isparavanje/sublimaciju. Na slici 9 je detaljno prikazan poželjan raspored sistema 810 i 820 za taloženje geterovanjem u FRC sistemu 10. Obloge deluju kao površine za geterovanje i delotvorno pumpaju atomske i molekularne vrste vodonika (H i D). Obloge takođe smanjuju druge tipične nečistoće, poput ugljenika ili kiseonika, do zanemarljivih nivoa.

Prigušnice ogledala

[0035] Kao što je već rečeno, FRC sistem 10 koristi skupove kalemova 420, 430, i 444 ogledala, kao što je prikazano na slikama 2 i 3. Prvi skup kalemova 420 ogledala se nalazi na dva aksijalna kraja komore 100 za držanje i nezavisno se napaja sa kalemova 412, 414 i 416 za držanje glavnog magnetnog sistema 410. Prvi skup kalemova 420 ogledala primarno služi da upravlja i aksijalno održava FRC 450 tokom sjedinjavanja, a tokom održavanja obezbeđuje ravnotežnu kontrolu oblikovanja. Prvi skup 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. Drugi skup kalemova 430 ogledala, koji uključuje tri kompaktna kvazi-dc kalema 432, 434 i 436 ogledala, nalazi se između sekcija 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 napajanja) i fizičkim suženjem 442, formiraju prigušnice 440 ogledala, koje obezbeđuju usku putanju niske provodljivosti gasa uz vrlo jaka magnetna polja (između 2 do 4 T sa vremenima uspostavljanja od oko 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 veći od metra. Svrha prigušnica 440 ogledala je višestruka: (1) kalemovi 432, 434, 436 i 444 tesno uvežu u snop 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 stići do divertora 300 na odgovarajući način, i da postoje kontinualne površine 455 fluksa koje polaze iz oblasti 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, stvaraju prepreku za protok neutralnog gasa iz plazma topova 350 koji su smešteni u divertorima 300. Istovetno, 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 započne pokretanje FRC-a. (3) jaka aksijalna ogledala koja proizvode kalemovi 432, 434, 436 i 444 smanjuju gubitke aksijalnih čestica, a time smanjuju difuzivnost paralelnih čestica na linijama otvorenog polja.

[0036] U alternativnoj konfiguraciji prikazanoj na slikama 3D i 3E, skup niskoprofilnih namotaja 421 vrata su položaji između unutrašnjih divertora 302 i sekcija 200 za formiranje.

Aksijalni plazma topovi

[0037] 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 ilustrovano 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 velikom 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, i obezbeđuju struju pražnjenja od 10-15 kA na 400-600 V sa magnetnim poljem unutar topa od između 0.5 i 2.3 T.

[0038] Struje iz plazma topova mogu prodreti kroz magnetna polja prigušnica 440 ogledala i strujati u sekcije 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.

[0039] Da bi se dodatno povećala gustina plazme, mogla bi se upotrebiti gasna kutija za ubacivanje dodatnog gasa u struju plazme iz topova 350. Ova tehnika omogućava višestruko povećanje gustine injektovane plazme. U FRC sistemu 10, gasna kutija koji je instalirana na strani divertora 300 prigušnica 440 ogledala poboljšava ponovno napajanje FRC ivičnog sloja 456, formiranje FRC 450 i linijsko vezivanje plazme.

[0040] 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 širok spektar režima rada.

Polarizacione elektrode

[0041] Električna polarizacija otvorenih površina fluksa može obezbediti radijalne potencijale koji izazivaju azimutno ExB kretanje, koje obezbeđuje kontrolni mehanizam, analogan okretanju dugmeta, za kontrolu rotacije plazme sa otvorenim linijama polja, kao i aktuelnog FRC jezgra 450 pomoću brzine smicanja. Da bi se ostvarila ova kontrola, 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.

[0042] 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 kako bi se obezbedilo lokalno naelektrisanje, (2) prstenaste elektrode 900 između komore 100 za držanje i sekcija 200 za formiranje, kako bi se azimutno simetrično naelektrisali slojevi fluksa 456 na udaljenim ivicama, (3) naslagane koncentrične elektrode 910 u divertorima 300 za naelektrisanje višestrukih koncentričnih slojeva fluksa 455 (pri čemu se izbor slojeva može kontrolisati

1

podešavanjem kalemova 416 da bi se podesilo magnetno polje 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 presreću unutrašnje otvorene površine fluksa 455 u blizini separatrise FRC 450). Slike 10 i 11 prikazuju neke tipične dizajne za neke od njih.

[0043] U svim slučajevima ove elektrode se napajaju impulsnim ili jednosmernim izvorima napajanja sa naponima do oko 800 V. U zavisnosti od veličine elektrode i toga koje površine fluksa se presecaju, struje koje se povlače mogu biti u kiloamperskom opsegu.

Neodrživi rad FRC sistema - konvencionalni režim

[0044] Standardno formiranje plazme na FRC sistemu 10 sledi dobro razvijenu tehniku reverznog polja sa teta-pinčevima. Tipični proces za pokretanje FRC započinje napajanjem kvazidc kalemova 412, 414, 416, 420, 432, 434 i 436 do stacionarnog režima rada. RFTP impulsna kola za impulsno napajane sisteme 210 za formiranje onda napajaju impulsne kalemove 232 brzog reverznog magnetnog polja da bi generisali 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 preko skupa azimutno orijentisanih zidova za ubacivanje na prirubnicama smeštenim na spoljašnjim krajevima sekcija 200 za formiranje. Zatim se generiše malo RF (~ stotine kiloherca) polje od strane skupa antena na površinama kvarcnih cevi 240 da bi se stvorila predjonizacija 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 predjonizacije gasnih kolona. Konačno, uključuju se glavni energetski blokovi impulsno napajanih sistema 210 za formiranje da bi napajali impulsne kalemove 232 brzog reverznog magnetnog polja, kako 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).

[0045] U celom ovom procesu formiranja, stvarna promena polja u plazmi se dešava brzo, u roku od oko 5 ms. Implulsna snaga od više gigavata, koja je isporučena plazmi koja se formira, lako proizvodi vrele FRC-ove, koji se onda izbacuju iz sekcija 200 za formiranje, bilo primenom vremenski sekvencirane modulacije prednjeg magnetnog polja (magnetna peristaltika), ili privremenim povećanjem struja u poslednjim kalemovima skupova 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). Dva formirana FRC-a (severni i južni), koji su tako formirani i ubrzani, potom se šire u komori 100 za držanje većeg prečnika, gde kvazi-dc kalemovi 412 stvaraju prednje polarizovano polje radi kontrole radijalne ekspanzije i obezbeđivanja ravnoteže spoljašnjeg magnetnog fluksa.

[0046] Kada formirani severni i južni FRC-ovi dođu u blizinu centralne ravni komore 100 za držanje, FRC-ovi se sudaraju. Tokom sudara aksijalne kinetičke energije formiranog severnog i južnog FRC-a se u velikoj meri termalizuju kada se FRC-ovi konačno sjedinjavaju u jedinstven FRC 450. U komori 100 za držanje je dostupan veliki set dijagnostičkih sredstava za plazmu za proučavanje ravnoteža FRC 450. Tipični radni uslovi u FRC sistemu 10 proizvode složene FRCove sa radijusima separatrisa od oko 0.4 m i aksijalnim produženjem od oko 3 m. Dalje karakteristike su spoljašnja magnetna polja od oko 0.1 T, gustine plazme oko 5x10<19>m<-3>i ukupna temperatura plazme do 1 keV. Bez bilo kakvog održavanja, tj. bez zagrevanja i/ili napajanja strujom putem injektovanja snopova neutrala ili drugih pomoćnih sredstava, životni vek ovih FRC-ova je ograničen na oko 1 ms, vreme raspada autohtone karakteristične konfiguracije.

Eksperimentalni podaci za neodrživi rad - konvencionalni režim

[0047] Slika 12 prikazuje tipičnu vremensku evoluciju radijusa isključenog fluksa, rΔΦ, koji aproksimira radijus separatrise, rs, da bi se ilustrovala dinamika teta-pinč procesa sjedinjavanja FRC 450. Dva pojedinačna plazmoida (severni i južni) se proizvode istovremeno, a zatim se ubrzavaju iz odgovarajućih sekcija 200 za formiranje nadzvučnom brzinom, vz ~ 250 km/s, i sudaraju se u blizini centralne ravni u z = 0. Tokom sudara plazmoidi se aksijalno komprimuju pre nego što se konačno sjedine da bi formirali FRC 450, što je praćeno brzom radijalnom i aksijalnom ekspanzijom. I radijalna i aksijalna dinamika sjedinjavanja FRC 450 su dokazane detaljnim merenjima profila gustine i bolometrijski zasnovanom tomografijom.

[0048] Podaci za reprezentativno neodrživo pražnjenje FRC sistema 10 prikazani su 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, smeštenih upravo unutar zida od nerđajućeg čelika komore za držanje, koje mere aksijalno magnetno polje. Čelični zid je dobar konzervator fluksa u vremenskim okvirima ovog pražnjenja.

[0049] 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 značajnom gustinom na osi, kao što zahtevaju tipične 2-D FRC ravnoteže.

[0050] Ukupna temperatura plazme je prikazana na slici 13(d), a izvedena je na osnovu ravnoteže pritisaka i u potpunosti je konzistentna sa Tomsonovim rasejanjem i spektroskopskim merenjima.

[0051] Analiza čitavog niza isključenog fluksa ukazuje da oblik FRC separatrise (aproksimiran aksijalnim profilima isključenog fluksa) postepeno evoluira od oblika trkačke staze do eliptičnog. Ova evolucija, prikazana na slici 14, konzistentna je sa postepenom magnetnom rekonekcijom sa dva na samo jedan FRC. Zaista, grube procene sugerišu da se u ovom konkretnom trenutku oko 10% od dva inicijalna FRC magnetna fluksa rekonektuje tokom sudara.

[0052] Dužina FRC se stalno smanjuje sa 3 na oko 1 m tokom životnog veka FRC. Ovo skupljanje, 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 oblastima aksijalno komprimuje FRC, zbog čega se ponovo uspostavlja aksijalna i radijalna ravnoteža. Za pražnjenje koje se razmatra na slikama 13 i 14, magnetni fluks FRC, inventar čestica i toplotna energija (oko 10 mWb, 7×10<19>čestica, i 7 kJ, respektivno) se smanjuju za otprilike jedan red veličine u prvoj milisekundi, kada se čini da FRC ravnoteža opada.

1

Održivi rad - HPF režim

[0053] Primeri na slikama 12 do 14 su karakteristični za FRC-ove koji se raspadaju bez mogućnosti održavanja. Međutim, na FRC sistemu 10 je primenjeno nekoliko tehnika za dalje poboljšanje držanja FRC (unutrašnjeg jezgra i ivičnog sloja) u HPF režimu i za održanje konfiguracije.

Snopovi neutrala

[0054] 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 južni FRC-ovi sjedine u komori 100 za držanje u jedan FRC 450. Brzi joni, prvenstveno stvoreni razmenom naelektrisanja, imaju betatronske orbite (sa primarnim radijusima u razmeri FRC topologije ili barem mnogo većim od razmere podužnog gradijenta karakterističnog magnetnog polja), koje doprinose azimutalnoj struji FRC 450. Posle nekog dela pražnjenja (nakon 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)). Štaviše, iz perspektive održavanja, snopovi iz injektora 600 snopova neutrala su takođe primarna sredstva za napajanje strujom i zagrevanje FRC plazme.

[0055] U plazma režimu FRC sistema 10, brzi joni usporavaju se prvenstveno 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, a prvenstveno elektrona. Brzi joni prave velike radijalne izlete izvan separatrise zbog toga što je unutrašnje FRC magnetno polje inherentno slabo (oko 0.03 T u proseku za spoljašnje aksijalno polje od 0.1 T). Brzi joni bi bili podložni gubicima usled razmene naelektrisanja ako bi gustina neutralnog gasa izvan separatrise bila prevelika,. Stoga, geterovanje zida i druge tehnike (kao što su plazma top 350 i prigušnice 440 ogledala koji doprinose, između ostalog, kontroli gasa) koje su primenjene na FRC sistemu 10 teže da minimiziraju ivične neutrale i da omoguće zahtevano stvaranje struje brzih jona.

Injektovanje peleta

[0056] 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 održao FRC inventar čestica FRC-a 450. Anticipirani vremenski okviri ablacije su dovoljno kratki da obezbede značajan izvor FRC čestica. Ova brzina se takođe može povećati povećanjem površine injektovanog dela putem razbijanja pojedinačne pelete na manje fragmente, dok se u buradima 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 zatezanjem radijusa krivine poslednjeg segmenta cevi za injektovanje neposredno pre ulaska u komoru 100 za držanje. Na osnovu variranja sekvence i brzine injektovanja 12 buradi (cevi za injektovanje), kao i fragmentacije, moguće je podesiti sistem 700 za injektovanje peleta tako da se obezbedi upravo željeni nivo održavanja inventara čestica. Zauzvrat, ovo pomaže u održavanju unutrašnjeg kinetičkog pritiska u FRC 450 i održivi rad i životni vek FRC 450.

[0057] Kada se atomi izdvojeni ablacijom susretnu sa značajnom plazmom u FRC 450, oni postaju potpuno jonizovani. Rezultujuća komponenta hladne plazme se tada sudarno zagreva

1

autohtonom FRC plazmom. Energija koja je neophodna za održavanje željene FRC temperature se na kraju snabdeva od strane injektora 600 snopova. U tom smislu injektori 700 peleta zajedno sa injektorima 600 snopova neutrala formiraju sistem koji održava stacionarno stanje, i održava FRC 450.

CT injektor

[0058] Kao alternativa injektoru peleta, obezbeđen je kompaktni toroidni (CT) injektor, uglavnom za napajanje konfiguracije plazmi sa reverznim poljima (FRC). CT injektor 720 se sastoji od magnetizovanog koaksijalnog plazma topa (engl. Magnetized Coaxial Plasma-Gun -MCPG), koji, kao što je prikazano na slici 21, uključuje koaksijalne cilindrične unutrašnje i spoljašnje elektrode 722 i 724, kalem za polarizaciju postavljen unutar unutrašnje elektrode 726, i električni prekid 728 postavljen na kraj nasuprot pražnjenju CT injektora 720. Gas se injektuje kroz kanal 730 za injektovanje gasa u prostor između unutrašnje i spoljašnje elektrode, 722 i 724, i iz njega se pražnjenjem generiše plazma slična sferomaku i izbacuje iz topa pomoću Lorencove sile. Kako je prikazano na slikama 22A i 22B, par CT injektora 720 spojen je sa sudom 100 za držanje blizu i na suprotnim stranama centralne ravni suda 100 da bi se injektovali CT-ovi u centralnu FRC plazmu unutar suda 100 za držanje. Kraj pražnjenja CT injektora 720 je usmeren ka centralnoj ravni suda 100 za držanje pod uglom u odnosu na uzdužnu osu suda 100 za držanje, slično injektorima 615 snopova neutrala.

[0059] U alternativnim načinima izvođenja, CT injektor 720, kao što je prikazano na slikama 23A i 23B, uključuje cev 740 za zanošenje, koja sadrži izduženu cilindričnu cev spojenu na kraj za pražnjenje CT injektora 720. Kao što je prikazano, cev 740 za zanošenje uključuje kalemove 742 cevi za zanošenje postavljene oko i aksijalno raspoređene duž cevi. Mnoštvo dijagnostičkih kanala 744 je prikazano duž dužine cevi.

[0060] Prednosti CT injektora 720 su: (1) kontrola i podesivost inventara čestica po injektovanom CT-u; (2) deponovana topla plazma (umesto kriogenih peleta); (3) sistem može da radi u režimu ponavljanja kako bi se omogućilo neprekidno napajanje; (4) sistem takođe može da povrati nešto magnetnog fluksa pošto injektovani CT-ovi nose ugrađeno magnetno polje. U jednom načinu izvođenja za eksperimentalnu upotrebu, unutrašnji prečnik spoljašnje elektrode je 83.1 mm, a spoljašnji prečnik unutrašnje elektrode je 54.0 mm. Poželjno je da površina unutrašnje elektrode 722 bude presvučena volframom kako bi se smanjile nečistoće koje izlaze iz elektrode 722. Kao što je prikazano, kalem 726 za polarizaciju postavljen je unutar unutrašnje elektrode 722.

[0061] U nedavnim eksperimentima postignuta je supersonična 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 inventar čestica od ∼0.5-1.0x10<19>. Visok kinetički pritisak CT-a omogućava da injektovana plazma prodre duboko u FRC i deponuje čestice unutar separatrise. U nedavnim eksperimentima napajanje FRC čestica dovelo je toga da ∼10-20% FRC inventara čestica obezbeđuju CT injektori, uspešno demonstrirajući da se napajanje može lako izvesti bez ometanja FRC plazme.

1

Kalemovi oblika sedla

[0062] Da bi se postiglo stacionarno napajanje strujom i održavala zahtevana 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 prilikom sudara). FRC sistem 10 primenjuje inovativnu tehniku za obezbeđivanje proboja elektrona pomoću spolja primenjenog statičkog magnetnog dipolnog ili kvadrupolnog polja. 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 interaguje sa radijalnim magnetnim poljem da bi se proizvela azimutna sila proboja na elektronima, Fθ=-σVeθ<|Br|<2>>. Za tipične uslove u FRC sistemu 10, zahtevano primenjeno magnetno dipolno (ili kvadrupolno) polje unutar plazme treba da bude samo reda 0.001 T kako 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 suzbijanju 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

[0063] Dizajn 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. Osim toga, 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). Ovo poslednje poboljšava stabilnost i potiskuje paralelnu toplotnu provodljivost elektrona.

[0064] Prigušnice 440 ogledala same po sebi takođe doprinose kontroli neutralnog gasa. Prigušnice 440 ogledala dopuštaju bolje iskorišćavanje gasa deuterijuma ubačenog u kvarcne cevi tokom formiranja FRC, pošto je strujanje gasa nazad u divertore 300 značajno smanjeno malom provodnošću gasa od strane prigušnica (oskudnih 500 L/s). Najveći deo zaostalog gasa ubačenog unutar cevi 210 za formiranje se brzo jonizuje. Dodatno, plazma velike gustine koja struji kroz prigušnice 440 ogledala obezbeđuje efikasnu neutralnu jonizaciju a time i delotvornu barijeru za gas. Kao rezultat toga, najveći deo neutrala iz FRC ivičnog sloja 456 recikliranih u divertorima 300 se ne vraća u komoru 100 za držanje. Dodatno, neutrali koji su povezani sa radom plazma topova 350 (kao što je razmotreno u nastavku) će biti uglavnom zadržani u divertorima 300.

[0065] Konačno, prigušnice 440 ogledala teže da poboljšaju držanje 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.

1

[0066] Pod pretpostavkom 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, stoga, do smanjenog gubitka FRC čestica. Ukupno poboljšanje držanja FRC čestica je generalno nešto manje od kvadrata, jer se nspovećava sa τ║.

[0067] Značajno poboljšanje τ║takođe zahteva da ivični sloj 456 ostane u velikoj meri stabilan (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 ivice. U tom smislu, prigušnice 440 ogledala i plazma top 350 obrazuju delotvorni kontrolni sistem za ivice.

Plazma topovi

[0068] Plazma topovi 350 poboljšavaju stabilnost FRC izbačenih mlazeva 454 putem linijskog vezivanja. Plazme topova iz plazma topova 350 generišu se 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. Kao rezultat toga, plazma topovi 350 omogućavaju da se iskoriste povoljni efekti brzih čestica ili pristup naprednom hibridnom kinetičkom FRC režimu, kao što je navedeno u ovom obelodanjivanju. Stoga plazma topovi 350 omogućavaju da FRC sistem 10 radi sa strujama iz kalemova oblika sedla koje su upravo adekvatne za proboj elektrona, ali ispod praga koji bi izazvao nestabilnost FRC i/ili doveo do dramatične difuzije brzih čestica.

[0069] Kao što je pomenuto u diskusiji Prigušnice ogledala iznad, ako τ║može da bude znatno poboljšan, onda bi isporučena plazma iz topova bila uporediva sa brzinom gubitaka čestica u ivičnom sloju (~ 10<22>/s). Životni vek plazme proizvedene topovima u FRC sistemu 10 je reda veličine milisekunda. Zaista, uzmimo u obzir 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 usled Kulonovih sudara 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. Poređenja radi, klasično vreme držanja jona za ove parametre plazme bilo bi τc~ 0.5τii(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, procenjeno vreme poprečnog držanja za plazmu iz topova je τ⊥> τgd~ 2 ms. Prema tome, topovi bi obezbedili značajno ponovno napajanje FRC ivičnog sloja 456, kao i poboljšano ukupno držanje FRC čestica.

[0070] 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. Kombinovani inventari čestica od formiranja FRC-ova i iz topova su adekvatni za hvatanje snopova neutrala, zagrevanje plazme i za dugo održavanje. Ako se uključe na t u opsegu od -1 do 0 ms, plazme iz topova mogu

1

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. Ovo poslednje može zahtevati dovoljno hladno formiranje plazme da bi se omogućila brza difuzija reverznog polarizacionog magnetnog polja. Ako se uključe na t < -2 ms, struje plazme bi mogle da ispune oko 1 do 3 m<3>zapremine linija polja oblasti za formiranje i držanje sekcija 200 za formiranje i komore 100 za držanje sa plazmom male ciljne gustine od nekoliko 10<13>cm<-3>, dovoljno da omogući stvaranje snopova neutrala pre dolaska FRC. Formiranje FRC-ova bi onda moglo biti formirano i translirano u sud za držanje rezultujuće plazme. Na ovaj način plazma topovi 350 omogućavaju širok spektar radnih uslova i režima parametara.

Električna polarizacija

[0071] 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 raspoređene u FRC sistemu 10 moguće je primeniti različite namerne raspodele električnih potencijala na grupu otvorenih površina fluksa u celoj mašini, od oblasti koje su daleko izvan centralne oblasti za držanje u komori 100 za držanje. Na ovaj način mogu se generisati radijalna električna polja kroz ivični sloj 456 neposredno izvan FRC 450. Ova radijalna električna polja potom 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 potom smicanjem može preneti na unutrašnjost FRC plazme. Kao rezultat toga, kontrola ivičnog sloja 456 direktno utiče na FRC jezgro 453. Osim 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 delotvornu 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 455 fluksa i na različitim i nezavisnim potencijalima. Na ovaj način se može realizovati širok spektar različitih konfiguracija i jačina električnih polja, od kojih svaki ima različit karakterističan uticaj na performanse plazme.

[0072] Ključna prednost svih ovih inovativnih polarizacionih tehnika je činjenica da se na ponašanje jezgra i ivice plazme može uticati dosta izvan FRC plazme, tj. 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 povoljan uticaj na performanse i sve potencijalne primene HPF koncepta.

Eksperimentalni podaci - HPF rad

[0073] 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 je korelaciji životni vek FRC sa dužinom impulsa snopova. Svi drugi radni uslovi su održavani konstantnim za sva pražnjenja koja je obuhvatala ova studija. Podaci su bili uprosečeni za mnoge pobude i stoga 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 pokazuje da snopovi povećavaju stabilnost i smanjuju gubitke. Korelacija između dužine impulsa snopa i životnog veka FRC-a nije savršena, pošto

2

zarobljavanje snopova postaje neefikasno ispod određene veličine plazme, tj. kako se FRC 450 skuplja po svojoj fizičkoj veličini svi injektovani snopovi nisu presretnuti i zarobljeni. Skupljanje FRC se primarno javlja usled činjenice da je neto gubitak energije (~ 4 MW oko sredine pražnjenja) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne energije napajanja dovedene u FRC pomoću snopova neutrala (~2.5 MW) za određenu eksperimentalnu postavku. Smeštanje snopova na lokaciju koja je bliža centralnoj ravni suda 100 bi dovelo do tendencije smanjenja ovih gubitaka i produžetka životnog veka FRC.

[0074] Slika 17 ilustruje efekte različitih komponenti na ostvarivanje HPF režima. Ona prikazuje familiju tipičnih krivih koje prikazuju životni vek 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 komponenti. 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 dodatno smanjuje nestabilnosti i produžava životni vek FRC. Konačno, dodavanje geterovanja (u ovom slučaju Ti) na vrh topa 350 i prigušnica 440 daje najbolje rezultate - rezultujući FRC nema nestabilnosti i pokazuje najduži životni vek. Na osnovu ove eksperimentalne demonstracije je jasno da kompletna kombinacija komponenti daje najbolji efekat i da obezbeđuje snopove sa najboljim ciljnim uslovima.

[0075] Kao što je prikazano na slici 1, novootkriveni HPF režim ispoljava dramatično poboljšano ponašanje u transportu. 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. Dodatno, slika 1 detaljno prikazuje vreme držanja čestica u FRC sistemu 10 u odnosu na vreme držanja u ranijim konvencionalnim FRC eksperimentima. U odnosu na ove druge mašine, HPF režim FRC sistema 10 ima poboljšano držanje za faktor između 5 i blizu 20. Konačno i najvažnije, priroda skaliranja držanja FRC sistema 10 u HPF režimu se dramatično razlikuje od svih prethodnih merenja. Pre uspostavljanja HPF režima u FRC sistemu 10, iz podataka su bili izvedeni različiti empirijski zakoni skaliranja da bi se predvidela vremena držanja u prethodnim FRC eksperimentima. Sva ova pravila za skaliranje zavise uglavnom od odnosa R<2>/ρi, gde je R radijus nule magnetnog polja (labava aproksimativna mera fizičke veličine mašine) i ρije jonski Larmorov radijus procenjen u spoljašnjem primenjenom polju (labava aproksimativna mera primenjenog magnetnog polja). Sa slike 1 je jasno da je dugo držanje u konvencionalnim FRC-ovima moguće samo pri velikoj veličini mašine i/ili sa jakim magnetnim poljem. Rad FRC sistema 10 u konvencionalnom FRC režimu CR teži tome da sledi ova pravila za skaliranje, kao što je prikazano na slici 1. Međutim, HPF režim je znatno superiorniji i pokazuje 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 su takođe uočljivi 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. Proboj HPF režima stoga 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. Ruku pod ruku sa ovim poboljšanjima dolaze niži troškovi rada i konstrukcije, kao i smanjena kompleksnost pri projektovanju.

[0076] 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 okvire provodni čelični zid nije više tako dobar konzervator fluksa, a magnetne sonde unutar zida su pojačane sondama sa spoljašnje strane zida kako bi se pravilno uračunala 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% duži životni vek.

[0077] 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, kako 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 toplije ukupne temperature plazme (za faktor do 2), kako je prikazano na slici 18(d).

[0078] Za odgovarajuće pražnjenje koje je ilustrovano 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.

[0079] Slika 19 sumira sve prednosti HPF režima u obliku novog eksperimentalno potvrđenog skaliranja 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 tipično 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. U osnovi, ova nova proporcionalnost u velikoj meri favorizuje visoke radne temperature i omogućava reaktore relativno skromne veličine.

[0080] Uz prednosti koje HPF režim predstavlja, održavanje FRC-a ili stacionarno stanje napajano snopovima neutrala i korišćenjem odgovarajućeg injektovanja peleta je ostvarivo, što znači da su globalni parametri plazme poput toplotne energije plazme, ukupnih brojeva čestica, radijusa i dužine plazme, kao i magnetnog fluksa održivi na razumnim nivoima bez značajnog raspada. Poređenja radi, slika 20 prikazuje podatke na grafiku A iz reprezentativnog HPF režima pražnjenja u FRC sistemu 10 kao funkciju vremena, i na grafiku B za projektovani reprezentativni HPF režim pražnjenja u FRC sistemu 10 kao funkciju vremena, gde se FRC 450 održava bez raspada tokom trajanja impulsa snopa neutrala. Za grafik A, snopovi neutrala ukupne snage u opsegu od oko 2.5-2.9 MW bili su injektovani u FRC 450 tokom dužine impulsa aktivnog snopa od oko 6 ms. Dijamagnetni životni vek plazme prikazan na grafiku A bio je oko 5.2 ms. Noviji podaci pokazuju da je dijamagnetni životni vek plazme od oko 7.2 ms moguće postići pri dužini impulsa aktivnog snopa od oko 7 ms.

[0081] Kao što je gore navedeno u vezi sa slikom 16, korelacija između dužine impulsa snopa i životnog veka FRC nije savršena pošto zarobljavanje snopova postaje neefikasno ispod određene veličine plazme, tj. kako se FRC 450 skuplja po svojoj fizičkoj veličini svi injektovani snopovi nisu presretnuti i zarobljeni. Skupljanje ili raspad FRC se primarno javlja usled činjenice da je neto gubitak energije (~ 4 MW oko sredine pražnjenja) iz FRC plazme tokom pražnjenja nešto veći od ukupne energije napajanja dovedene u FRC pomoću snopova neutrala (~2.5 MW) za određenu eksperimentalnu postavku. Kao što je primećeno u vezi sa slikom 3C, injektovanje snopa pod uglom iz topova 600 snopa neutrala prema centralnoj ravni poboljšava spajanje snopa i plazme, čak i kada se FRC plazma skuplja ili na drugi način aksijalno kontrahuje tokom perioda injektovanja. Dodatno, odgovarajuće napajanje peleta će održati potrebnu gustinu plazme.

[0082] Grafik B je rezultat simulacija koje se izvode korišćenjem dužine impulsa aktivnog snopa od oko 6 ms i ukupne snage snopa iz topova 600 snopa neutrala od nešto više od oko 10 MW, gde će snopovi neutrala injektovati H (ili D) neutrale sa energijom čestica od oko 15 keV. Ekvivalentna struja koju injektuje svaki od snopova je oko 110 A. Za grafik B, ugao injektovanja snopa u odnosu na osu uređaja bio je oko 20°, ciljni radijus 0.19 m. Ugao injektovanja se može menjati unutar opsega od 15° - 25°. Snopovi treba da se injektuju azimutalno u pravcu istovremene struje. Neto bočna sila kao i neto aksijalna sila od injektovanja momenta snopa neutrala treba da se minimizira. Kao i kod grafika A, brzi (H) neutrali se injektuju iz injektora 600 snopa neutrala od momenta kada se formirani severni i južni FRC-ovi sjedine u komori 100 za držanje u jedan FRC 450.

[0083] Simulacije koje su osnova za grafik B koriste višedimenzionalne hall-MHD solvere za pozadinsku plazmu i ravnotežu, potpuno kinetičke solvere zasnovane na Monte Carlo metodi za komponente energetskog snopa i sve procese rasejanja, kao i mnoštvo spregnutih transportnih jednačina za sve vrste plazme za modeliranje interaktivnih procesa gubitaka. Komponente transporta su empirijski kalibrisane i opsežno procenjene u odnosu na (engl. benchmarked) eksperimentalnu bazu podataka.

[0084] Kao što je prikazano na grafiku B, dijamagnetski životni vek u stacionarnom stanju FRC 450 biće dužina impulsa snopa. Međutim, važno je napomenuti da je ključni korelacioni grafik B pokazuje da kada se snopovi isključe, plazma ili FRC počinje da se raspada u tom trenutku, ali ne ranije. Raspad će biti sličan onom koji se primećuje kod pražnjenja koja nisu potpomognuta snopom - verovatno reda veličine 1 ms nakon vremena isključivanja snopa - i jednostavno je odraz karakterističnog vremena raspada plazme izazvanog unutrašnjim procesima gubitaka.

Stabilnost plazme i kontrola aksijalnog položaja

[0085] Osvrćući se sada na sisteme i postupke koji olakšavaju stabilnost FRC plazme i u radijalnom i u aksijalnom pravcu i kontrolu aksijalnog položaja FRC plazme duž ose simetrije komore za držanje FRC plazme, slika 24 prikazuje pojednostavljenu šemu koja ilustruje primer načina izvođenja mehanizma 510 za kontrolu aksijalnog položaja. Rotirajuća FRC plazma 520 prikazana unutar komore 100 za držanje ima struju 522 plazme i pravac 524 aksijalnog pomeranja. Ravnotežno polje (nije prikazano) se proizvodi unutar komore 100 simetričnim komponentama struje kao što su npr. kvazi-dc kalemovi 412 (videti slike 2 i 3). Ravnotežno polje ne proizvodi neto silu u pravcu 524 aksijalnog pomeranja, ali se može podesiti da proizvede ili transverzalno/radijalno ili aksijalno stabilnu plazmu. Za potrebe ovde predstavljenog načina izvođenja, ravnotežno polje je podešeno da proizvede transverzalno/radijalno stabilnu FRC plazmu 520. Kao što je gore navedeno, ovo rezultuje aksijalnom nestabilnošću i, prema tome, aksijalnim pomeranjem FRC plazme 520 u pravcu 524 aksijalnog pomeranja. Kako se FRC plazma

2

520 pomera aksijalno, ona indukuje struje 514 i 516 koje su antisimetrične, tj. u suprotnim smerovima u zidovima komore 100 za držanje sa svake strane centralne ravni komore 100 za držanje. FRC plazma 520 će indukovati ovu vrstu strujnih komponenti kako u sudu tako i u spoljašnjim kalemovima. Ove antisimetrične strujne komponente 514 i 516 proizvode radijalno polje koje u interakciji sa strujom 522 toroidalne plazme proizvodi silu koja se suprotstavlja kretanju FRC plazme 520, a rezultat ove sile je da usporava aksijalna pomeranja plazme. Ove struje 514 i 516 postepeno nestaju tokom vremena, zbog otpornosti komore 100 za držanje.

[0086] Kalemovi 530 i 531 radijalnog polja, raspoređeni oko komore 100 za držanje sa svake strane centralne ravni, obezbeđuju dodatne komponente radijalnog polja koje su posledica struja 532 i 534 indukovanih u suprotnom smeru u kalemovima 530 i 531. Kalemovi 530 i 531 radijalnog polja mogu sadržati skup osnosimetričnih kalemova koji mogu biti postavljeni unutra ili spolja u odnosu na sud 100 za držanje. Prikazano je da su radijalni kalemovi 530 i 531 postavljeni spolja u odnosu na sud 100 za držanje slično kvazi-dc kalemovima 412 (videti slike 2 i 3). Svaki od kalemova 530 i 531, ili skupova kalemova, može imati različitu struju od kalemova na suprotnoj strani centralne ravni, ali su struje antisimetrične u odnosu na centralnu ravan suda 100 za držanje, i stvaraju strukturu magnetnog polja sa Bz≠ 0, Br= 0 duž centralne ravni. Kalemovi 530 i 531 radijalnog polja stvaraju dodatnu komponentu radijalnog polja, koja je u interakciji sa strujom 522 toroidalne plazme kako bi proizvela aksijalnu silu. Aksijalna sila zauzvrat pomera plazmu nazad ka centralnoj ravni komore 100 za držanje.

[0087] Kontrolni mehanizam 510 uključuje kontrolni sistem konfigurisan tako da deluje na struju kalema radijalnog polja u cilju ekspeditivnog obnavljanja položaja plazme prema centralnoj ravni, dok se minimizira prekoračenje i/ili oscilacije oko centralne ravni mašine. Kontrolni sistem uključuje procesor koji je operativno spojen sa kalemovima radijalnog polja 530 i 531, kvazi-dc kalemovima 412, njihovim odgovarajućim izvorima napajanja, i drugim komponentama kao što su npr. magnetni senzori, koji obezbeđuju merenja položaja plazme, brzine plazme i struje aktivnog kalema. Procesor može biti konfigurisan za obavljanje proračuna i analiza opisanih u predmetnoj prijavi i može uključivati ili biti komunikativno spojen sa jednom ili više memorija, uključujući postojani računarski čitljiv medijum. Može uključivati sistem zasnovan na procesoru ili mikroprocesoru, uključujući sisteme koji koriste mikrokontrolere, računare sa smanjenim skupom instrukcija (engl. Reduced Instruction Set Computers - RISC), integrisana kola specifična za aplikaciju (engl. Application Specific Integrated Circuits - ASIC), logička kola, i bilo koje drugo kolo ili procesor koji su u stanju da izvršavaju ovde opisane funkcije. Gore navedeni primeri su samo primeri, i stoga nemaju za cilj da na bilo koji način ograniče definiciju i/ili značenje pojma „procesor“ ili „računar“.

[0088] Funkcije procesora mogu biti implementirane korišćenjem bilo softverskih rutina, hardverskih komponenti, ili njihovih kombinacija. Hardverske komponente mogu biti implementirane korišćenjem raznih tehnologija, uključujući, na primer, integrisana kola ili diskretne elektronske komponente. Procesorska jedinica tipično uključuje čitljiv/upisiv memorijski uređaj za skladištenje, i tipično takođe uključuje hardver i/ili softver za pisanje i/ili čitanje memorijskog uređaja za skladištenje.

[0089] Procesor može uključivati računarski uređaj, ulazni uređaj, jedinicu za displej i interfejs, na primer, za pristup internetu. Računar ili procesor može uključivati mikroprocesor. Mikroprocesor može biti povezan na komunikacionu magistralu. Računar ili procesor mogu takođe da uključuju memoriju. Memorija može uključivati memoriju sa slučajnim pristupom (engl. Random Access Memory - RAM) i memoriju samo za čitanje (engl. Read Only Memory - ROM). Računar ili procesor mogu takođe uključivati uređaj za skladištenje, koji može biti hard disk jedinica, ili prenosivi uređaj za skladištenje podataka, kao što je flopi disk jedinica, optička disk jedinica, i slično. Uređaj za skladištenje može takođe biti drugo slično sredstvo za učitavanje računarskih programa ili drugih instrukcija u računar ili procesor.

[0090] Procesor izvršava skup instrukcija koje se čuvaju u jednom ili više elemenata za skladištenje, kako bi se obradili ulazni podaci. Elementi za skladištenje mogu takođe da skladište podatke ili druge informacije prema želji ili potrebi. Element za skladištenje može biti u obliku izvora informacija ili fizičkog memorijskog elementa unutar mašine za obradu.

[0091] Problem kontrole položaja aksijalno stabilne ili nestabilne FRC konfiguracije pomoću aktuatora kalema radijalnog polja je rešen korišćenjem grane teorije nelinearnog upravljanja poznate kao kontrola kliznog režima. Linearna funkcija stanja sistema (klizna površina) deluje kao signal greške sa željenim asimptotski stabilnim (kliznim) ponašanjem. Klizna površina je dizajnirana korišćenjem teorije Lijapunova da pokaže asimptotsku stabilnost u širokom opsegu FRC dinamičkih parametara. Predložena kontrolna šema se tada može koristiti i za aksijalno stabilnu i za aksijalno nestabilnu plazmu, bez potrebe za ponovnim podešavanjem parametara koji se koriste u kliznoj površini. Ova osobina je povoljna jer, kao što je ranije pomenuto, ravnoteža će možda morati da prelazi između aksijalno stabilne i aksijalno nestabilne ravnoteže u različitim fazama FRC pražnjenja.

[0092] Konfiguracija kontrolne šeme 500 je prikazana na slici 25. Niskopropusni filter ograničava preklopne frekvencije unutar željene kontrolne širine opsega. Pretpostavlja se digitalna kontrolna petlja koja zahteva uzorkovanje i prenos signala sa kašnjenjem jednog uzorka. Signal greške (klizna površina) je linearna kombinacija struje kalema, položaja plazme i brzine plazme. Položaj i brzina plazme se dobijaju eksternim magnetnim merenjima. Struje u sistemima aktivnih kalemova mogu se meriti standardnim metodama.

[0093] Za implementaciju kontrole položaja potrebne su struje kalemova i položaj plazme. Brzina plazme je potrebna za poboljšanje performansi, ali je opciona. Nelinearna funkcija ovog signala greške (zakon upravljanja relejem) generiše diskretne nivoe napona za svaki par izvora napajanja spojen sa simetričnim kalemovima u centralnoj ravni. Simetrični kalemovi centralne ravni se napajaju relejnim naponima istog intenziteta, ali suprotnog predznaka. Ovo stvara radijalnu komponentu polja za vraćanje položaja plazme prema centralnoj ravni.

[0094] Da bi se demonstrirala izvodljivost kontrolne šeme, korišćen je model krute plazme za simulaciju dinamike plazme. Model koristi geometriju magneta. Raspodela struje plazme odgovara aksijalno nestabilnim ravnotežama sa vremenom rasta od 2ms, kada se razmatraju samo plazma i sud. Pretpostavlja se da izvori napajanja rade sa diskretnim nivoima napona, obično u koracima od 800 V.

[0095] Slika 26 prikazuje nekoliko simulacija kontrole plazme koje naglašavaju odnos između napona primenjenih na kalemove i vremena smirivanja položaja plazme, zajedno sa potrebnom vršnom strujom kalema i brzinama rampe da se plazma, koja je bila aksijalno pomerena za 20cm, vrati u centralnu ravan. Ovi primeri simulacije kontrole aksijalnog položaja u kliznom režimu se izvode na 0.3 T, korišćenjem četiri para spoljnih trim kalemova. Prikazana su četiri slučaja koji odgovaraju izvorima napajanja sa diskretnim nivoima napona u koracima od 200 V (pun kvadrat), 400 V (pun krug), 800 V (pun trougao) i 1600 V (šuplji kvadrat). Za sva četiri slučaja kontrolna

2

širina opsega je 16 kHz, a frekvencija uzorkovanja je 32 kHz. Prikazani su položaj plazme (gornja slika), struja u najudaljenijem paru kalemova (sredina) i brzina rampe struje kalema (dole). Pomeranje plazme je dozvoljeno da nestabilno raste dok ne dostigne 20 cm. U tom trenutku se primenjuje kontrola povratne sprege.

[0096] Rezultati simulacije ukazuju da:

1. Da bi se plazma vratila u centralnu ravan u roku od 5 ms (puni kvadratni tragovi), dovoljna je brzina povećanja struje kalema od 0.5 MA/s, što zahteva napajanje od 200 V.

2. Da bi se plazma vratila u centralnu ravan u roku od 2.3 ms (puni kružni tragovi), dovoljna je brzina povećanja struje kalema od 1MA/s, što zahteva napajanje od 400 V.

3. Da bi se plazma vratila u centralnu ravan u roku od 1.3 ms (puni tragovi trougla), dovoljna je brzina povećanja struje kalema od 2MA/s, što zahteva napajanje od 800 V.

4. Da bi se plazma vratila u centralnu ravan u roku od 1.0 ms (šuplji kvadratni tragovi), dovoljna je brzina povećanja struje kalema od 4MA/s, što zahteva napajanje od 1600 V.

[0097] Vršne struje za sve trim kalemove za treći slučaj proučen iznad (slučaj rampe od 2MA/s) su takođe prikazane na slici 27 kao funkcija položaja trim kalemova. Primeri simulacije kontrole aksijalnog položaja u kliznom režimu se izvode na 0.3 T, korišćenjem četiri para eksternih trim kalemova koji koriste napajanje sa tri nivoa (+800V, 0, -800V), kontrolnu širinu opsega od 16 kHz i brzinu uzorkovanja od 32 kHz. Da bi se plazma vratila u centralnu ravan u roku od 1.3 ms, potrebna je brzina povećanja struje kalema od 2MA/s. Vršna struja potrebna u svim parovima kalemova je manja od 1.5 kA. Potrebna stvarna preklopna frekvencija (oko 2 kHz) je znatno ispod propusnog opsega kontrolnog sistema.

[0098] Kontrolni sistem se takođe može implementirati na ciljnu površinu koja je funkcija samo struje kalema i brzine plazme, ne i položaja plazme. U ovom slučaju kontrolna petlja aksijalnog položaja obezbeđuje samo stabilizaciju aksijalne dinamike, ali ne i kontrolu. To znači da je plazma u metastabilnoj situaciji i da može polako da se kreće duž svoje ose. Kontrola položaja se zatim obezbeđuje korišćenjem dodatne petlje povratne sprege, koja kontroliše praznine u plazmi između separatrise plazme i suda, tako da istovremeno vrši kontrolu oblika plazme i položaja plazme.

[0099] Još jedan uređaj za držanje plazme gde se koriste slični kontrolni sistemi je tokamak. Da bi se održavalo držanje plazme, struja plazme u tokamaku mora se održavati između donje i gornje granice, koje su otprilike proporcionalne gustini plazme i toroidnom polju, respektivno. Za rad na velikoj gustini plazme struja plazme mora biti povećana. U isto vreme, poloidalno polje mora biti što je moguće manje, tako da je q faktor sigurnosti iznad q=2. Ovo se postiže izduživanjem plazme duž pravca ose mašine, omogućavajući da se uklopi velika struja plazme (i time omogući velika gustina plazme) bez povećanja graničnog magnetnog polja iznad njegovih sigurnosnih granica. Ove izdužene plazme su nestabilne duž pravca ose mašine (poznat u žargonu tokamaka kao vertikalni pravac), i takođe zahtevaju mehanizme stabilizacije plazme. Vertikalna kontrola položaja plazme u tokamacima se takođe obnavlja korišćenjem skupa kalemova radijalnog polja, tako da jako podseća na problem kontrole položaja RFC. Međutim, razlozi da se zahteva stabilizacija u tokamaku i FRC-u su različiti. U tokamaku je vertikalna nestabilnost plazme cena koja se plaća za rad pri velikoj struji plazme, što zahteva izduživanje plazme kako bi se radilo sa jakim toroidnim poljem. U slučaju FRC-a, nestabilnost plazme je cena koja se plaća kako bi se

2

dobila poprečna stabilnost. Tokamaci imaju toroidno polje koje stabilizuje konfiguraciju, tako da im nije potrebna poprečna stabilizacija.

[0100] Ovde dati primeri načina izvođenja su, međutim, zamišljeni samo kao ilustrativni primeri i ne smeju biti ograničavajući na bilo koji način.

[0101] U mnogim slučajevima entiteti su ovde opisani kao spojeni sa drugim entitetima. Treba razumeti da se pojmovi „spojeni“ i „povezani“ (ili ma koji od njihovih oblika) ovde koriste naizmenično i u oba slučaja oni su generički termini za direktno spajanje dva entiteta (bez bilo kakvih nezanemarljivih (npr. parazitskih) intervenišućih entiteta) i za indirektno spajanje dva entiteta (sa jednim ili više nezanemarljivih intervenišućih entiteta). Kada su entiteti prikazani kao direktno spojeni jedan sa drugim, ili opisani kao spojeni jedan sa drugim bez opisa bilo kog intervenišućeg entiteta, treba razumeti da ovi entiteti mogu takođe biti indirektno spojeni jedan sa drugim, osim ako kontekst jasno ne nalaže drugačije.

[0102] Obim pronalaska je definisan patentnim zahtevima.

2

Claims (15)

Patentni zahtevi

1. Postupak za stabilizaciju plazme koja ima konfiguraciju sa reverznim poljima (FRC) sastoji se od koraka:

formiranja FRC plazme postavljene duž uzdužne ose komore (100) za držanje uz centralnu ravan komore (100) za držanje formiranjem FRC magnetnog polja oko rotirajuće plazme u komore (100) za držanje, i

stabilizacije FRC plazme u radijalnom pravcu normalnom na uzdužnu osu da bi se FRC plazma pozicionirala osnosimetrično oko uzdužne ose, podešavanjem primenjenog magnetnog polja generisanog unutar komore (100) simetričnim komponentama struje, kako bi se izazvala radijalna stabilnost i aksijalna nestabilnost u FRC plazmi;

naznačeno time što

se FRC plazma stabilizuje u aksijalnom pravcu duž uzdužne ose stvaranjem prvog i drugog radijalnog magnetnog polja, pri čemu prvo i drugo radijalno magnetno polje interaguju sa FRC plazmom kako bi aksijalno pomerili FRC plazmu da pozicioniraju FRC plazmu osnosimetrično oko centralne ravni.

2. Postupak prema patentnom zahtevu 1, pri čemu je primenjeno magnetno polje generisano unutar komore (100) kvazi-dc kalemovima (412) koji se prostiru oko komore (100).

3. Postupak prema patentnim zahtevima 1 ili 2, pri čemu korak stabilizacije FRC plazme uključuje praćenje položaja FRC plazme.

4. Postupak prema patentnom zahtevu 3, pri čemu korak praćenja položaja FRC plazme uključuje praćenje magnetnih merenja povezanih sa FRC plazmom.

5. Postupak prema patentnim zahtevima 3 ili 4, pri čemu se prvo i drugo radijalno magnetno polje generišu zbog struja indukovanih u suprotnom smeru u prvom i drugom radijalnom kalemu (530, 531), postavljenim oko komore (100) za držanje, koji dalje obuhvata korak merenja struje u prvom i drugom radijalnom kalemu (530, 531).

6. Postupak prema patentnom zahtevu 5 dalje obuhvata korak praćenja brzine FRC plazme.

7. Postupak prema patentnim zahtevima 1 do 5 dalje obuhvata održavanje FRC plazme na ili oko konstantne vrednosti bez raspada injektovanjem snopova brzih neutralnih atoma iz injektora snopova neutrala (600, 615) u FRC plazmu pod uglom prema centralnoj ravni komore (100) za držanje i injektovanje kompaktne toroidne plazme u FRC plazmu.

8. Postupak prema patentnim zahtevima 1 do 7, pri čemu korak formiranja FRC plazme uključuje formiranje formacijske FRC plazme u sekciji (200) za formiranje, spojenoj sa krajem komore (100) za držanje, i ubrzavanje formacijske FRC plazme prema centralnoj ravni komore (100) da formira FRC plazmu.

9. Postupak prema patentnom zahtevu 8 pri čemu korak formiranja FRC plazme uključuje jedno od: formiranje formacijske FRC plazme uz istovremeno ubrzavanje formacijske FRC plazme

2

prema centralnoj ravni komore (100) za držanje, ili formiranje formacijske FRC plazme pa zatim ubrzavanje formacijske FRC plazme prema centralnoj ravni komore (100).

10. Postupak prema patentnom zahtevu 8 dalje obuhvata korak vođenja površina magnetnog fluksa (452, 455) FRC plazme u divertore (300, 302) spojene sa krajevima prve i druge sekcije (200) za formiranje.

11. Postupak prema patentnim zahtevima 1 do 10 dalje obuhvata korak kondicioniranja unutrašnjih površina komore (100) za držanje, sekcija (200) za formiranje i divertora (300, 302) sa sistemom (800) za geterovanje.

12. Postupak prema patentnom zahtevu 11, pri čemu sistem (800) za geterovanje uključuje jedan od sistema (810) za taloženje titanijuma i sistema (820) za taloženje litijuma ili dalje obuhvata korak aksijalnog injektovanja plazme u FRC plazmu iz aksijalno montiranih plazma topova (350).

13. Postupak prema patentnim zahtevima 1 do 12 dalje obuhvata korak kontrole profila radijalnog električnog polja u ivičnom sloju (456) FRC plazme.

14. Sistem za generisanje i stabilizaciju plazme koja ima konfiguraciju sa reverznim poljima (FRC), konfigurisan tako da izvrši postupak prema patentnom zahtevu 1, koji sadrži:

komoru (100) za držanje,

prvu i drugu dijametralno suprotnu FRC sekciju (200) za formiranje plazme, koje su spojene sa komorom (100) za držanje, sekciju (200) za formiranje koja sadrži modularne sisteme za formiranje za generisanje FRC plazme i transliranje FRC plazme prema centralnoj ravni komore (100) za držanje,

prvi i drugi divertor (300, 302), koji su spojeni sa prvom i drugom sekcijom (200) za formiranje,

prvi i drugi aksijalni plazma top (350) funkcionalno spojene sa prvim i drugim divertorom (300, 302), prvom i drugom sekcijom (200) za formiranje i komorom (100) za držanje, mnoštvo injektora (600, 615) snopova neutralnih atoma koji su spojeni sa komorom (100) za držanje i orijentisani tako da injektuju snopove neutralnih atoma prema centralnoj ravni komore (100) za držanje pod uglom koji je manji od normalnog u odnosu na uzdužnu osu komore (100) za držanje,

magnetni sistem (400) koji sadrži mnoštvo kvazi-dc kalemova (412, 414) postavljenih duž komore (100) za držanje, prve i druge sekcije (200) za formiranje, i prvog i drugog divertora (300, 302), prvog i drugog skupa kvazi-dc kalemova (420, 430) ogledala koji su postavljeni između komore (100) za držanje i prve i druge sekcije (200) za formiranje, i prva i druga prigušnica (440) ogledala postavljene između prve i druge sekcije (200) za formiranje i prvog i drugog divertora (300, 302),

sistem (800) za geterovanje koji je spojen sa komorom (100) za držanje i prvim i drugim divertorom (300, 302),

naznačen time da dalje sadrži:

prvi i drugi skup kalemova (530, 531) radijalnog magnetnog polja konfigurisanih tako da generišu prvo i drugo radijalno magnetno polje unutar komore (100), i kontrolni sistem (224) operativno spojen sa mnoštvom kvazi-dc kalemova (412,414) i prvim i drugim skupom kalemova (530, 531) radijalnog magnetnog polja, kontrolni sistem (224) koji uključuje procesor spojen sa postojanom memorijom koji sadrži mnoštvo instrukcija koje kada se izvrše uzrokuju da procesor podesi magnetno polje koje generiše mnoštvo kvazi-dc kalemova (412,414), i prvi i drugi skup kalemova (530, 531) radijalnog magnetnog polja da stabilizuju FRC plazmu u radijalnom pravcu normalno na uzdužnu osu komore (100) i da postave FRC plazmu osnosimetrično oko uzdužne ose, i u aksijalnom pravcu duž uzdužne ose da postave FRC plazmu osnosimetrično oko centralne ravni.

15. Sistem prema patentnom zahtevu 14, pri čemu je sistem dalje konfigurisan tako da generiše FRC plazmu i održava FRC plazmu na ili oko konstantne vrednosti bez raspada dok se snopovi neutralnih atoma injektuju u FRC plazmu ili pri čemu je prvo i drugo radijalno magnetno polje antisimetrično oko centralne ravni.