KR101541576B1

KR101541576B1 - 플라스마를 압축하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101541576B1
Application number: KR1020117020670A
Authority: KR
Inventors: 미첼 조지 라버쥐; 더글라스 에이치. 리차드슨
Original assignee: 제너럴 퓨전 아이엔씨.
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2015-08-03
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: WO2010089670A1; EP2394496B1; US8537958B2; CA2750441C; EP2394496A4; JP5107466B2; CN102301832A; US20110026657A1; CA2750441A1; BRPI1008865A2; US10984917B2; US9424955B2; US9875816B2; EP2394496A1; CN102301832B; US20180190390A1; RU2011128777A; BRPI1008865B1; RU2503159C2; US20140247913A1

Abstract

플라스마를 압축하기 위한 시스템 및 방법의 실시예가 기재되며, 여기서, 플라스마를 액체 금속의 깔때기 내부로 주입시키고, 상기 깔때기에서 플라스마가 압축 및/또는 가열됨으로써, 고체 물질의 파괴점 이상의 플라스마 압력이 얻어질 수 있다.

Description

플라스마를 압축하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR COMPRESSING PLASMA}

이 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서 2009년02월04일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/149,886호 "SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATING AND COMPRESSING A PLASMA"를 기초로 우선권 주장하며, 상기 미국 가특허출원은 본원에서 참조로서 인용된다.

본 발명은 플라스마를 압축하기 위한 시스템 및 방법의 실시예에 관한 것이다. 이러한 특정 실시예에서, 액체 금속 깔때기(liquid metal funnel)을 이용하여 플라스마 토로이드(plasma toroid)가 압축된다.

고온 및 고밀도로 플라스마를 가열하고 압축하기 위한 다양한 시스템이 기재되었다. 액체 매질에 큰 진폭의 음압파(acoustic pressure wave)를 구면 포커싱(spherical focusing)함으로써 플라스마 가열 및 압축을 하는 한 가지 방식이, 2006년09월07일 미국 공개 특허 번호 제2006/0198486호 “Pressure Wave Generator and Controller for Generating a Pressure Wave in a Fusion Reactor"에 기재되어 있으며, 상기 미국 공개 특허는 본원에서 참조로서 인용된다. 이 방식의 특정 실시예에서, 액체 매질을 포함하는 실질적으로 구형인 베셀(vessel) 주변에 복수의 피스톤이 배열된다. 액체 매질에 소용돌이 또는 공동(cavity)이 생성된다. 피스톤이 가속되고, 음향파를 발생하는 베셀의 외벽에 충돌된다. 액체 매질에서 발생된 음향파가 집중되며, 소용돌이 내로 도입되는 플라스마를 감싸고, 이로써, 플라스마를 가열하고 압축시킨다.

미국 공개 특허 번호 제2006/0198486호에서 기재된 유형의 압력파 발생기가, 예를 들어, 2006년09월07일자로 출원된 미국 공개 특허 번호 제2006/0198483호 “Magnetized Plasma Fusion Reactor"에 기재된 자화 표적 핵융합(MTF: Magnetized Target Fusion) 반응기에서 사용될 수 있으며, 상기 미국 공개 특허는 본원에서 참조로서 인용된다. 이러한 특정 구현예에서, 자화 플라스마(magnetized plasma)가 액체 매질(가령, 융해된 납-리튬(PbLi)) 내에 생성되는 소용돌이로 도입된다. 구형 반응기 베셀을 둘러싸는 피스톤의 충돌에 의해 발생되는 음향파가 자화 플라스마를 고밀도 및 고온으로 압축할 수 있다.

앞서 기재된 장치의 일부 실시예에서, 압축된 기체, 가령, 수증기나 공기가 피스톤을 가속시키기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 플라스마 압축을 위한 바람직한 피스톤 충돌 속도가 100m/s 정도이며, 일반적으로, 약 1,300psi의 압축된 기체 압력이 피스톤을 가속시키기 위해 사용된다. 일부 구현예에서 유용하거나 바람직할 수 있는 내파(implosion)의 대칭성을 달성하기 위해, 피스톤 점화, 궤적 및 충돌의 타이밍이 각각의 피스톤에 대해 정교하게 제어된다. 예를 들어, 일부 플라스마 압축 구현예에 있어서, 모든 피스톤은 서로 약 1㎲ 내로 베셀 벽에 충돌하는 것이 바람직하다. 일부 구현예에서, 각각의 피스톤의 위치를 정교하게 측정하고 피스톤의 궤적을 제어하여, 필요한 충돌 시간을 확보하기 위해, 서보 제어 시스템(servo control system)이 사용될 수 있다.

이러한 기계적 압축 시스템의 특정 실시예는, 가령 비용 관점에서 매력적인 형태지만, 이러한 특정 구현예는, 특히, 피스톤 점화의 반복 주파수가 높은 경우에서, 빈번한 유지보수를 필요로 할 수 있다.

플라스마를 압축하기 위한 시스템 및 방법의 실시예가 기재된다. 일부 실시예는, 가령, 플라스마 가속기(가령, 레일 건)를 이용하여 플라스마를 전기적으로 가속시키는 것을 포함한다. 플라스마는 액체 금속의 깔때기 내부로 가속될 수 있으며, 상기 깔때기에서 플라스마가 추가로 압축된다. 액체 금속을 이용함으로써, 높은 플라스마 밀도가 얻어질 수 있는데, 일부 실시예에서, 도달되는 압력이, 일반적으로 장치 자체에서 사용되는 고체 물질의 파괴점 또는 항복 강도보다 높을 수 있기 때문이다.

특정 실시예에서, 낮은 밀도 및 온도의 스페로막(spheromak) 또는 토로이드형 플라스마(toroidal plasma)가 플라스마 건, 가령, 자화 동축 건을 이용하여 형성된다. 액체 금속 깔때기 쪽으로 뻗어 있는 플라스마 가속기(가령, 차츰 가늘어지는 형태의 레일 건)를 이용해 토로이드형 플라스마가 높은 밀도 및 온도까지로, 전기적으로 가속되고, 압축되며, 가열된다. 일부 실시예에서 액체 금속 깔때기은 융해된 금속(가령, 융해된 납-리튬(PbLi))으로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 토로이드형 플라스마는 FRC(field-reversed configuration) 또는 그 밖의 다른 컴팩트한 토로이드로서 형성될 수 있다.

일부 구현예에서, 플라스마는 핵융합 물질, 가령, 경원소의 동위원소(예를 들어, 듀테륨, 트리튬, 헬륨-3, 리튬-6 및/또는 리튬-7)를 포함할 수 있다. 이러한 일부 구현예에서 획득 가능한 더 높은 플라스마 밀도 및/또는 온도가, 핵융합 반응이 개시되기에 충분할 수 있다. 일부 핵융합 반응은 중성자를 발생시킨다. 따라서 시스템의 일부 실시예는 중성자 공급원으로서 구성될 수 있다. 시스템 및 방법의 일부 실시예는 (가령, 손익분기점 이상의) 순수 에너지 생산이 발생하도록 충분한 핵융합 반응을 제공할 수 있다.

플라스마를 압축하기 위한 장치의 일실시예가 기재된다. 상기 장치는, 플라스마의 컴팩트한 토로이드를 생성하도록 구성된 플라스마 건과, 제 1 단부, 제 2 단부, 및 상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 길이방향 축을 갖는 플라스마 가속기(상기 제 1 단부에서 컴팩트한 토로이드를 수용하고, 상기 컴팩트한 토로이드를 길이방향 축을 따라 제 2 단부 쪽으로 가속시킴)와, 상기 플라스마 가속기의 길이방향 축과 실질적으로 정렬되는 실질적으로 원통형의 통로를 갖는 액체 깔때기를 포함하는 액체 깔때기 시스템(상기 통로는 통로의 상단부에서 제 1 내부 직경과 통로의 하단부에서 제 2 내부 직경을 가지며, 상기 제 2 내부 직경은 상기 제 1 내부 직경보다 작고, 액체 깔때기 시스템은 플라스마 가속기의 제 2 단부로부터 컴팩트한 토로이드를 수용하여, 상기 컴팩트한 토로이드가 상단부로부터 하단부 쪽으로 통로를 따라 이동함에 따라, 상기 컴팩트한 토로이드를 압축하도록 구성됨)을 포함하며, 상단부 아래에 있을 때의 컴팩트한 토로이드의 압력이 상단부 위에 있을 때의 컴팩트한 토로이드의 압력보다 높도록 상기 시스템이 구성된다.

플라스마를 압축하도록 구성된 액체 금속 깔때기 시스템의 일실시예가 기재된다. 상기 액체 금속 깔때기 시스템은, 실질적으로 원통형의 통로를 갖는 액체 금속 깔때기를 포함한다. 상기 액체 금속 깔때기는, 통로의 제 1 단부에서 제 1 내부 직경, 통로의 제 2 단부에서 제 2 내부 직경을 갖고, 상기 제 2 내부 직경은 상기 제 1 내부 직경보다 작으며, 액체 금속 깔때기는 통로의 제 1 단부가 통로의 제 2 단부보다 높게 위치하도록 구성된다. 액체 금속 깔때기는 플라스마 주입기로부터의 플라스마를 수용하며, 상기 플라스마가 제 1 단부에서 제 2 단부로 통로를 따라 이동함에 따라, 플라스마를 압축하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하도록 구성된다.

플라스마를 압축하기 위한 방법에 대한 일실시예가 기재된다. 상기 방법은, 토로이드형 플라스마를 발생시키는 단계와, 길이 방향을 따라 상기 토로이드형 플라스마를 가속시키는 단계와, 상기 가속된 토로이드형 플라스마를 액체 깔때기 내 통로로 도입시키는 단계(상기 통로는 통로의 제 1 단부에 제 1 크기, 통로의 제 2 단부에 제 2 크기를 가지며, 상기 제 1 크기는 제 2 크기보다 작음)와, 상기 토로이드형 플라스마가 통로의 제 1 단부에서 통로의 제 2 단부 쪽으로 이동함에 따라, 상기 토로이드형 플라스마를 압축하는 단계를 포함한다.

도 1a는 차츰 가늘어지는 형태의 금속 깔때기에서 플라스마를 압축하는 시스템의 일실시예의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 플라스마 건은 플라스마 가속기에 의해 액체 금속 깔때기쪽으로 가속되는 컴팩트한 토로이드를 형성한다.
도 1b는 액체 금속 깔때기 시스템에서 플라스마를 압축하기 위한 시스템의 또 다른 일실시예의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 상기 깔때기 시스템은 액체 금속 깔때기와, 실질적으로 상기 펀넬의 중심 축을 따라 배치된 축방향 액체 금속 가이드를 포함한다. 이 실시예에서, 플라스마 가속기는 가속기의 전파 채널 내에 협착부를 포함하는 플라스마 제한장치를 포함한다.
도 1c는 액체 금속 깔때기 시스템에서 플라스마를 압축하기 위한 시스템의 도 다른 실시예를 나타내는 개략적 단면도이다. 이 실시예에서, 플라스마 가속기는 하나 이상의 자기 코일을 포함하는 플라스마 제한장치를 포함한다.
도 1d는 플라스마를 압축하기 위한 시스템의 일실시예를 비스듬하게 도시한 투시도이다. 도 1c에 도시된 실시예는 도 1b에 도시된 실시예와 전체적으로 유사하다.
도 2는 다양한 플라스마 밀도에 대한 로슨 조건을 얻기 위한, 플라스마의 에너지에 대한 일례적인 계산과, 다양한 플라스마 밀도에서의 플라스마의 자기 압력의 일례적인 계산을 나타내는 그래프이다. 이들 일례적인 계산은 봄 확산과 이하에서 설명되는 그 밖의 다른 특정 가정을 기초로 한다. 1 표준대기압(atm)은 약 10⁵Pa이다.
도 3은 차츰 가늘어지는 액체 금속 깔때기 내 토로이드형 플라스마의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 4는 플라스마 압축 시스템의 일례적인 실시예에서 발생할 수 있는 다양한 전력 손실을 고려하여, 다양한 플라스마 밀도에 대한 로슨 조건을 얻기 위한 플라스마 에너지의 예시적 계산을 도시하는 그래프이다.

과거에는, 가령, x-선 발생, 토코막(tokomak) 연료공급, 및 플라스마 물리학 연구를 위해, 차츰 가늘어지는 형태의 동축 플라스마 스페로막(spheromak) 가속기가 구축되고 연구되었다. 그러나 장치에서 사용되는 고체의 재료 강도(가령, 고체 물질의 파괴 한계, 항복 강도, 또는 파괴점)에 의해, 최대 얻을 수 있는 자기 압력(magnetic pressure)에 한계가 존재한다. 본 발명 방식의 특정 실시예에서, 차츰 가늘어지는 형태, 즉, 깔때기(funnel) 형태의 액체 금속 튜브를 이용함으로써(이하에서 상세히 설명됨), 얻어질 수 있는 자기 압력이 이러한 한계 이상까지 증가된다.

도면을 참조하면, 도 1a-1d는 플라스마를 가속시키고 압축하도록 사용될 수 있는 시스템(1000)의 몇 가지 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1a-1d에 나타난 실시예들은, 토로이드형 플라스마(toroidal plasma)(가령, 스페로막(spheromak) 등의 컴팩트한 토로이드)를 발생시키도록 구성된 플라스마 건(plasma gun)(100)과, 가속기(110)의 길이방향 축(115)을 따라 플라스마를 가속시키도록 구성되는 플라스마 가속기(110)와, 가속기(110)에 의해 가속된 플라스마가 추가로 압축되기 위해 도입되는 액체 금속 깔때기 시스템(120)을 포함한다. 다양한 실시예에서, 플라스마 건(100)은 가속기(110)의 길이방향 축(115)과 실질적으로 정렬되거나 동축인 건 축(gun axis)을 갖는 자화 플라스마 건을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스마 건(100)은 마샬(Marshall)-타입 플라스마 건을 포함한다. 다양한 실시예에서, 플라스마 가속기(110)는, 자기력 및/또는 전자기력을 이용하여 플라스마를 가속하도록 구성된 레일 건(rail gun)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 길이방향 축(115)을 따라 플라스마가 가속될 때 플라스마 가속기(110)가 어느 정도의 플라스마 압축을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레일 건은, 길이방향 축(115)을 따르는 가속 동안 플라스마를 압축하기 위해 하나 이상의 차츰 가늘어지는 형태의 전극을 포함할 수 있다. 액체 금속 깔때기 시스템(120)은, 가속기(110)의 길이방향 축(115)과 실질적으로 정렬되는 통로를 갖는 액체 금속 깔때기, 또는 원통, 또는 튜브(8)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 통로의 단면적 및/또는 내부 직경이 깔때기의 상단부에서 깔때기의 하단부까지 변할 수 있다. 가령, 단면적( 및/또는 내부 직경)이 감소함으로써, 플라스마가 상단부 아래에서 하단부 쪽으로 이동함에 따라, 플라스마가 압축될 수 있다. 특정 실시예에서, 플라스마 건(100) 및/또는 플라스마 가속기(110)는 실질적으로 액체 깔때기 시스템(120) 위에 위치한다. 특정 실시예에서, 깔때기(8)의 상단부는 실질적으로 깔때기(8)의 하단부 위에 위치한다.

플라스마 건(100)에 의해 발생되는 토로이드형 플라스마는, 전도성 플라스마에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자신 고유의 자기장에 의해 가둬지는(confined) 토로이드형 플라스마인 컴팩트한 토로이드(가령, 스페로막(spheromak))일 수 있다. 그 밖의 다른 실시예에서, 컴팩트한 토로이드는, 자기장 라인의 중앙 침투가 거의, 또는 전혀 없는 실질적으로 폐쇄된 자기장 라인을 가질 수 있는 플라스마의 FRC(field-reversed configuration)일 수 있다.

도 1a-1d에 도시된 실시예에서 개략적으로 기재된 바와 같이, 고속 퍼프 밸브(fast puff valve)(3)에 의해, 하나 이상의 탱크(4)로부터의 기체가 건(gun)으로 도입된다. 일부 구현예에서, 초기 기체 압력은 평방인치당 약 15 파운드(약 15psi)이다(가령, 약 1.03×10⁵Pa). 기체는 핵융합 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 핵융합 물질은, 경원소의 하나 이상의 동위 원소, 가령, 수소의 동위 원소(가령, 듀테륨 및/또는 트리튬), 헬륨의 동위 원소(가령, 헬륨-3), 및/또는 리튬의 동위 원소(가령, 리튬-6 및/또는 리튬-7)를 포함할 수 있다. 그 밖의 다른 핵융합 물질이 사용될 수 있다. 원소와 동위 원소의 결합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 약 100개의 퍼프 밸브(3)를 이용하여 50% 듀테륨 - 50% 트리륨 기체 혼합물이 탱크(4)로부터 도입된다. 일 구현예에서, 밸브로부터의 각각의 펄스가 약 2㎎의 기체를 도입한다. 그 밖의 다른 실시예에서, 다른 개수의 밸브 및/또는 다른 질량의 기체가 사용 및 도입될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 듀테륨 및 트리튬의 퍼센트율은 각각, 50% 및 50%와 상이할 수 있다.

코일(5)이 외부 전극(7)과 형성 전극(14) 사이의 공간에 자기장을 유도한다. 일부 구현예에서, 코일(5)은 약 0.8Tesla의 대부분 방사 방향인 속 자기장(stuffing magnetic field)을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 1a-1c에 개략적으로 도시된 실시예에서, 형성 전극(14)은 실질적으로 원통형이고, 외부 전극(7)은 내측으로 액체 금속 깔때기 시스템(120) 쪽으로 차츰 가늘어지는 형태이다. 도 1b-1d에 개략적으로 도시된 실시예에서, 3개의 자기 코일(5a, 5b 및 5c)에 의해, 자기장이 발생되지만, 그 밖의 다른 실시예에서 더 적은 개수나 더 많은 개수의 코일이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 코일(5a)은 약 140권수의 중공 사각형 6㎜×6㎜ 구리선(copper wire)을 포함한다. 시스템의 동작 동안, 상기 구리선은 약 830㎾를 소비하면서 약 630V에서 약 1000Amps의 전류를 운반할 수 있다. 코일(5b)은, 약 830㎾을 소비하면서 약 832V의 전압에서 약 1000Amps의 전류를 운반하는 약 224권수의 중공 사각형 6㎜×6㎜ 구리선을 포함한다. 코일(5c)은, 약 840㎾을 소비하면서 약 844V의 전압에서 약 1000Amps의 전류를 운반하는 약 552권수의 중공 사각형 6㎜×6㎜ 구리선을 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템의 동작 동안, 코일(5a, 5b 및 5c)은 실질적으로 연속적으로 운영될 것이다. 일부 실시예에서, 냉각 시스템(도면상 도시되지 않음)은, 중공 선 내부를 흘러 이를 냉각시키는 물(또는 또 다른 냉각제)을 제공한다.

시스템의 특정 구현예에서, 외부 전극(7)과 형성 전극(14) 사이에만 기체를 도입시키는 것이 바람직하다. 이러한 특정 구현예에서, 전극(7)과 전극(14) 사이에 기체가 실질적으로 가둬지도록 상기 기체를 도입시키기 위해 밸브(3)가 충분히 빠르게 개방되고 폐쇄된다. 예를 들어, 실온(가령, 약 20℃)에서, 기체의 열 속도는 약 900m/s이다. 예를 들어, 전극(7)과 전극(14) 사이에의 거리가 약 1미터인 경우, 각각의 컴팩트한 토로이드를 발생시키기 위한 기체를 제공하도록 기체가 약 1ms 이하의 지속시간 동안 주입될 수 있다. 일부 구현예에서, Parker Hannifin사(소재지: 오하이오, 클리블랜드)의 상용화된 Parker 시리즈 99 밸브가 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 형성 전극(14)은 커패시터 뱅크(1)로 전기적으로 연결된다. 일부 이러한 실시예에서, 커패시터 뱅크(1)는 약 4.1mF의 커패시턴스를 포함할 수 있으며, 뱅크는 약 22㎸의 전압으로 충전될 수 있다. 일부 경우, 커패시터 뱅크(1)는 약 80개의 52㎌ 개별 커패시터(가령, General Atomics Energy Products(소재지: 캘리포니아, 샌 디에고)의 것)를 포함한다. 개별 커패시터는 병렬로 연결될 수 있다. 커패시터 뱅크(1)는 송전 라인(transmission line)을 이용해 형성 전극(14)으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 송전 라인과 커패시터의 총 인덕턴스는 약 20nF이며, 이는 바람직하게도 충분히 신속한 전기 충전을 제공한다.

시스템(1000)의 동작 동안, 퍼프 밸브(3)에 의해 도입되는 기체가 전극(7)과 전극(14) 사이에서 적합한 압력을 얻을 때, 커패시터 뱅크(1)는 기체를 방전하여, 기체를 플라스마로 전환시킨다. 커패시터 뱅크의 전압이 (기체 압력에 따라 달라질 수 있는) 기체의 항복 전압을 초과할 때, 방전이 발생할 수 있다. 일부 구현예에서, 기체 압력이 약 10mTorr(가령, 약 1.3Pa)인 때 뱅크(1)는 방전된다. 그 밖의 다른 실시예에서 다른 기체 압력으로 방전이 발생할 수 있다. 도 1a에 도시된 실시예에서, 기체를 통해 커패시터 뱅크(1)를 방전시켜 플라스마를 발생하도록 스위치(2)가 활성화된다. 스위치(2)를 이용하는 실시예의 가능한 이점은, 기체가 희망 압력에 있을 때 방전이 발생하도록 스위치가 활성화될 수 있는 것이며, 이로 인해서 동작 중의 유연성이 증가될 수 있다.

전류가 증가하고(가령, 일부 경우, 약 20㎲ 동안 3MAmp까지 전류가 증가), 이러한 전류로부터의 자기장이 도 1a-1c에 도시된 하향 방향으로 플라스마 가속기(110) 쪽으로 플라스마를 억지로 보낸다. 코일(5)의 속 자속 자체가 플라스마를 감싼다. 자기장이 재결합(reconnect)되어, 폐쇄된 자기 표면이 형성될 수 있으며, 플라스마는 컴팩트한 토로이드를 형성한다. 예를 들어, 토로이드는 비교적 낮은 밀도(일부 경우, 예컨대, 약 10¹⁵㎝^-3)와 온도(일부 경우, 예컨대, 약 20eV)를 갖는 스페로막(16)일 수 있다.

시스템(1000)의 일부 구현예에서, 자기장이 재결합될 수 있도록 하는, 및/또는 난류(turbulence)(존재하는 경우)가 해결될 수 있도록 하는 비교적 작은 딜레이(일부 경우, 예컨대, 약 30㎲)가 지난 후, 플라스마 가속기(110)에 의해 스페로막(16)이 액체 금속 깔때기 시스템(120) 쪽으로 가속되고, 압축된다.

예를 들어, 도 1a-1d에 개략적으로 도시된 실시예에서, 가속 전극(6)이 제 2 커패시터 뱅크(11)로 연결되며, 상기 커패시터 뱅크(11)는 플라스마로 에너지를 제공하도록 사용된다. 일부 실시예에서, 커패시터 뱅크(11)는 약 2.6mF의 커패시턴스를 가지며, 약 88㎸의 전압으로 충전된다. 이러한 일부 실시예에서, 커패시터 뱅크(11)는 52㎌, 44㎸의 개별 커패시터를 약 100쌍 포함하며, 각각의 쌍은 전기적으로 직렬로 연결되며, 상기 100쌍은 전기적으로 병렬로 연결된다. 일부 실시예에서, 커패시터는 General Atomics Energy Products(소재지: 캘리포니아, 샌 디에고)의 모델 32283 커패시터를 포함한다. 일부 구현예에서, 인덕턴스를 감소시키거나 최소화하기 위해, 동축 건(coaxial gun)(100)을 실질적으로 둘러싸는 실질적으로 디스크-형태인 송전 라인(15)을 이용하여, 커패시터 뱅크(11)가 가속 전극(6)으로 전기적으로 연결된다. 뱅크(11)의 비교적 큰 커패시턴스 때문에, 일부 실시예의 전류 상승 시간(current rise-time)은 약 40㎲이다. 일부 실시예에서, 실질적으로 디스크-형태인 송전 라인이 사용되어, 커패시터 뱅크(1)를 형성 전극(14)으로 전기적으로 연결할 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 실질적으로 디스크-형태인 송전 라인이 사용되며, 실질적으로 디스크-형태인 제 1 송전 라인은 커패시터 뱅크(1)를 형성 전극으로 전기적으로 연결하며, 실질적으로 디스크-형태인 제 2 송전 라인은 커패시터 뱅크(11)를 가속 전극(6)으로 전기적으로 연결한다.

플라스마 가속기(110)는 플라스마 전파 채널(114)을 포함하며, 상기 플라스마 전파 채널(114)을 통해, 또는 상기 플라스마 전파 채널(114)을 따라, 토로이드형 플라스마(16)가 가속된다. 예를 들어, 도 1a-1d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 가속 전극(6)은 외부 전극(7) 내에 배치될 수 있고, 플라스마 전파 채널(114)은 전극(6)과 전극(7) 사이에 공간을 포함한다. 플라스마 전파 채널(114)은 (길이방향 축(115)에 수직인) 단면을 가질 수 있는데, 상기 단면은 가속기의 제 1 단부(112a)에서 제 2 단부(112b)까지에서 (형태, 크기, 폭, 공간, 및/또는 그 밖의 다른 것이) 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 1a-1d에서 도시된 실시예에서, 전극(6 및 7) 중 하나 이상이, 가속기(100)의 제 1 단부(112a)(가령, 플라스마 건(100) 근방)에서 가속기(100)의 제 2 단부(112b)(가령, 깔때기 시스템(120) 근방)까지 차츰 가늘어지는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 가속기(110)의 반경(가령, 길이방향 축(115)에서부터 채널(114)의 중심까지의 반경)이, 제 1 단부(112a)에서 제 2 단부(112b)까지, 약 30의 인수로 감소된다. 또 다른 실시예에서, 가속기(110)의 반경이, 약 2, 약 5, 약 10, 약 20, 약 50, 약 100, 또는 그 밖의 다른 임의의 인수로, 제 1 단부에서부터 제 2 단부까지 감소한다. 다양한 실시예에서, 제 1 단부에서부터 제 2 단부까지의 가속기의 반경 감소가 약 10 내지 약 50, 또는 약 20 내지 약 40, 또는 그 밖의 다른 임의의 범위일 수 수 있다.

도 1a-1d에 개략적으로 도시된 실시예를 더 참조하면, 플라스마 가속기(110)의 자기력이 차츰 가늘어지는 형태의 동축 전극(6 및 7) 사이의 토로이드형 플라스마(16)를 가속시키고, 상기 플라스마를 더 높은 온도와 밀도로 가열 및 압축하여, 압축된 토로이드형 플라스마(12)를 형성한다.

플라스마가 가속기(110)의 제 1 단부(112a)에서 제 2 단부(112b)로 이동함에 따라 원하는 압축 크기를 제공하기 위해, 전극(6, 7)의 구성이 선택될 수 있다. 예를 들어, 원하는 압축을 제공하기 위해, 전극(6, 7)의 점감도(tapering), 모양 및/또는 간격을 포함하는 하나 이상의 인자들이 선택될 수 있다. 일부 토로이드형 플라스마 구성(가령, 컴팩트한 토로이드)의 경우, 시스템(1000)의 일부 구현예에서, 플라스마의 압축비는, 토로이드의 방사 방향 압축비(가령, 시스템에서 제 2 위치에 있을 때의 토로이드의 반경에 대한 시스템에서 제 1 위치에 있을 때의 토로이드의 반경의 비)로서 측정될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 플라스마가 가속기의 제 1 단부(112a)에서 제 2 단부(112b)로 이동함에 따른 플라스마의 방사 방향 압축비는 약 30:1이다. 그 밖의 다른 실시예에서 가속기(110)에서의 플라스마의 방사 방향 압축비가 다를 수 있으며, 예를 들자면, 약 2:1, 약 5:1, 약 10:1, 약 15:1, 약 20:1, 약 30:1, 약 50:1, 약 100:1 등일 수 있다. 다양한 실시예에서, 가속기(110)에서의 플라스마의 압축비는 약 10:1 내지 약 50:1, 또는 약 20:1 내지 40:1, 또는 그 밖의 다른 임의의 적합한 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기(110)에서 전극(6, 7)의 차츰 가늘어지는 형태가 사용되지 않으며, 가속기(110)에서 플라스마의 어떠한 압축도 이뤄지지 않는다.

그 밖의 다른 실시예에서, 외부 전극(7)이 가속 전극으로서 동작하도록 플라스마 가속기(110)가 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극(6)과 전극(7) 모두 사용되어, 플라스마를 제 1 단부에서 제 2 단부까지 전자기적으로 가속시킬 수 있다. 그 밖의 다른 실시예에서, (가령, 채널(114)에서 플라스마의 안정화를 보조하거나, 토로이드의 기울어짐을 방지하거나, 또는 둘 모두를 하기 위해) 추가적인 전극이 사용될 수 있다.

전극(6, 7) 및/또는 전극(14)이 전기 전도성 금속으로부터 형성될 수 있다. 전극(6, 7) 및/또는 전극(14)이 하나 이상의 섹션에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전극(6, 7) 및/또는 전극(14)이, 약 5㎜의 두께를 갖는 하나 이상의 스테인리스 강(304) 판(plate) 또는 시트(sheet)를 포함한다. 용접, 패스너(가령, 볼트) 등에 의해, 전극의 섹션들이 다함께 접합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 추가적인 및/또는 상이한 물질( 및/또는 상이한 두께의 물질)로부터 전극이 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 플라스마는, 전극의 일부를 적어도 부분적으로 기화시키기에 충분히 고온이 될 수 있다. 일부 경우, 전극의 기화에 의해, 플라스마는, 상기 플라스마를 냉각시킬 수 있는 금속성 불순물로 인해 오염될 수 있다. 따라서 (적어도 부분적으로) 기화될 수 있는 전극을 이용하는 특정 구현예에서, 전극(6, 7 및 14) 중 하나 이상이, 고 융해점의 물질, 가령, 텅스텐으로 코팅될 수 있다. 코팅 물질(가령, 텅스텐)의 융해점이 전극 물질(가령, 스테인리스 강)의 융해점보다 높도록 상기 코팅 물질이 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 텅스텐은 전극 물질(가령, 스테인리스 강(304)) 상에 분사되는 플라스마이다. 예를 들어, Flamespray Northwest(워싱턴, 시애틀)가 플라스마 분사 서비스를 제공한다. 또 다른 실시예에서, 고 융해점 물질이 전극 상에 적층되거나 증착될 수 있다. 도 다른 실시예에서, 전극은 고 유해점 물질로 형성된다.

전류 상승 시간 동안, 플라스마가 플라스마 전파 채널(114)(가령, 가속 전극(6)과 외부 전극(7) 사이의 공간)에서 액체 금속 깔때기 시스템(120) 쪽으로 이동함에 따라, 상기 플라스마는 가속될 것이다. 일부 구현예에서, 플라스마가 약 20m의 거리 동안 가속되고, 그 후, 또 다른 약 20m 동안 가속되어, 커패시터 뱅크(11)의 방전을 완료시킨다. 이러한 실시예에서, 플라스마 가속기(110)의 총 길이는 약 40m이다. 이와 다른 플라스마 가속기의 길이도 가능하다. 예를 들어, 뱅크(11)에서 커패시터의 전압이 증가되고, 뱅크(11)의 커패시턴스는 감소됨으로써, 커패시터 뱅크(11)에 저장된 에너지가 유지된다. 이는 전류 상승 시간과 가속기(110)의 길이를 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서 더 높은 전압을 이용함으로써, 가령, 기술적으로 까다롭고 비싸다는 가능한 단점을 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 플라스마 가속기(110)가 플라스마 제한장치(plasma restrictor)(23)를 포함한다. 일실시예에 따르는 플라스마 제한장치를 포함하는 가속기(110)의 길이는, 플라스마 제한장치를 포함하지 않는 가속기 실시예의 길이보다 짧을 수 있다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 플라스마 제한장치(23)는 가속기(110)의 제 1 단부(112a) 근방에, 예를 들어, 제 1 단부(112a) 아래에 배치된다. 전극(6) 및/또는 전극(7)으로의 전류가 증가함에 따라, 플라스마 가속기(110)의 자기장은 처음에는 제한장치(23) 너머까지 플라스마를 보내기에 불충분하다. 전파 채널(114)을 따르는 플라스마의 움직임이 막아진다. 가속기(110)의 자기장이 증가하고(가령, 전극(6) 및/또는 전극(7)에 제공되는 전류 및/또는 전압이 증가하고), 자기장이 증가하여 임계값(상기 임계값에서, 플라스마를 제한장치(23) 너머까지 보내기에 자력이 충분한)에 도달하도록, 시스템이 구성될 수 있다. 그 후, 상기 플라스마는 전파 채널(114)을 따라 가속된다. 예를 들어, 피크 전류에서(또는 피크 전류 근방에서), 플라스마가 제한장치(23)를 통과하도록 밀고, 플라스마 가속기(10) 하류에서 플라스마 가속을 개시하기에 자력이 충분하도록, 시스템이 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 플라스마 제한장치(23)는 플라스마 전파 채널(114) 내 협착(constriction)을 포함한다. 예를 들어, 협착은 가속 전극(6)과 외부 전극(7) 사이의 공간의 좁힘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 구조물(23a)을 플라스마 가속 채널(114)에 배치함으로써, 협착이 제공된다(예를 들어 도 1b 참조). 그 밖의 다른 실시예에서, 협착 지점에서 채널(114)이 좁아지도록 외부 전극(7) 및/또는 가속 전극(6)을 성형함으로써, 플라스마 채널(114) 내 협착이 제공된다. 채널(114)을 따르는 플라스마의 움직임에 대해 원하는 제한 정도를 제공하기 위해, 전파 채널(114)을 따라 배치되는 협착부(가령, 채널(114) 내에 또는 채널(114)을 따라 배치되는 구조물, 또는 채널(114)의 좁아지는 영역)의 위치, 모양, 크기, 간격 및/또는 개수가 선택될 수 있다. 이러한 구현예에서, 88㎸ 커패시터 전압을 이용해 커패시터 뱅크(11)에서 플라스마로 에너지를 전달하도록 약 10m의 가속기 길이가 사용될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 도 1b에 개략적으로 도시된 협착이 아닌 다른 플라스마 제한장치(23)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1c가, 플라스마 제한장치(23)가, 가속기(110)의 제 1 단부(112a) 근방에 배치되는 하나 이상의 자기 코일(23b)을 포함하는 일실시예를 개략적으로 도시한다. 전류가 하나 이상의 자기 코일(23b)에 제공될 때, 코일(23b)은, 가속기(110)에 의해 발생되는 자력이 임계값 이상일 때까지, 자신의 위치를 지나려는 플라스마 토로이드의 움직임을 억제하는, 제한 자력(restricting magnetic force)을 제공한다. 일부 실시예에서, 코일(23b)로의 전류가 감소(또는 스위치-오프)되어, 제한 자력을 감소(또는 실질적으로 제거)할 수 있으며, 이로써, 플라스마 토로이드가 가속기(110)의 제 2 단부(112b) 쪽으로 가속될 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기(110)에 의해 제공되는 자력의 증가와 코일(23b)에 의해 제공되는 제한 자력의 감소의 조합에 의해, 적정 시점에서 플라스마가 채널(114)을 따라 가속될 수 있다. 일부 실시예에서, 코일(23b)에 의해 발생되는 자기장은, 가속기(110) 내 최대 전류에서조차, 채널(114)을 따르는 토로이드형 플라스마의 가속을 금지하기에 충분하다. 이러한 실시예에서, 코일(23b)로의 전류가 감소(또는 스위치-오프)되어, 원하는 시점에 토로이드형 플라스마를 방출할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스마 제한장치(23)는 하나 이상의 협착부(23a)와 하나 이상의 코일(23b)을 포함할 수 있다.

플라스마가 형성된 후, 플라스마가 외부 전극(7)과 가속 전극(6)을 전기적으로 접촉한다. 이러한 접촉은 가속 커패시터 뱅크(11)를 단락(short circuit)시키고, 전류가 플라스마를 흐르기 시작하도록 할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 일부 구현예에서, 폐쇄된 자기 표면이 형성되도록 하거나, 난류(존재할 경우)가 해결되도록 하거나, 또는 둘 모두를 위해, 가속을 지연시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 임의의 구현예에서, 포화 인덕터(saturable inductor)(17)(예를 들어 도 1b 참조)가 사용되어, 전극에 제공되는 전압을 지연시킬 수 있다. 포화 인덕터(17)는 송전 라인(15)에 배치될 수 있다. 상기 포화 인덕터(17)는 포화 자기 물질(saturable magnetic material)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비정질 금속, 가령, METGLAS 2605Co(Metglas Inc., 소재지: 사우스 캐롤라이나, 콘웨이)가 사용될 수 있다. 약 88㎸의 전압에서 약 30㎲의 딜레이를 제공하기 위해, 인덕터(17)가 약 88㎸ 곱하기 30㎲ = 2.6V·s를 저장할 수 있다. 일부 실시예에서, 인덕터(17)는 약 0.6㎡의 단면적과 약 1m의 주 반경(major radius)을 갖는 실질적으로 토로이드형이다. 일부 실시예에서, 인덕터(17)는 약 1.8Tesla의 포화 장(saturation field)을 갖는 Metglas 감긴 테이프를 포함하여, 적정 딜레이를 제공할 수 있다.

도 1a-1d에 개략적으로 도시된 실시예에서, 플라스마의 압력이, 전극(6) 및/또는 전극(7)(또는 제 2 단부(112b) 근방에 위치하는 가속기의 그 밖의 다른 구성요소)을 포함하는 물질(또는 조립체)의 파괴점이나 강도를 초과할 수 있도록 구축되는 때, 또는 구축되기 전에, 플라스마가 가속기(110)를 빠져나가고 액체 금속 깔때기 시스템(120)으로 입장하도록, 시스템이 구성된다. 이들 실시예 중 일부의 이점은, (가령, 가속기(110)의 제 2 단부(112b)의 생산 오류 및/또는 변형으로 인해) 가속기에 손상을 입히지 않고, 가속기에서의 플라스마의 압력이 비교적 큰 값까지로 증가한다는 것이다.

도시된 실시예에서, 액체 금속 깔때기 시스템(120)은, 액체 금속 깔때기(8)을 형성하기 위해 액체 금속을 순환시키도록 구성된 탱크(10)와 하나 이상의 펌프(9)를 포함한다. 중력의 영향 하에서, 액체 금속은 깔때기 시스템(120)의 상단부에서 깔때기 시스템(120)의 하단부로 흐른다. 일부 실시예에서, 깔때기 시스템(120)의 상단부는 실질적으로 깔때기 시스템(120)의 하단부 위에 위치한다. 일부 실시예에서, 펌프(9)가 액체 금속에 압력을 제공할 수 있으며, 이는 탱크(10) 내 액체 금속의 흐름에도 영향을 미칠 수 있다. 일부 구현예에서, 깔때기(8)은, 플라스마 가속기(110)의 길이방향 축에 실질적으로 정렬되는 통로(125)를 갖는 실질적으로 원통인 형태를 가진다. 통로(125)의 (통로(125)의 길이방향 축에 수직인) 단면은 실질적으로 원형, 실질적으로 타원형, 실질적으로 다각형, 또는 그 밖의 다른 임의의 형태일 수 있다. 통로의 단면 형태( 및/또는 크기)는 상단부에서 하단부까지 변할 수 있다. 예를 들어, 하부 단면에서의 단면적이 상단부에서의 단면적보다 작을 수 있다. 통로(125)는 내부 직경을 갖는 내부 표면을 가질 수 있다. 내부 표면의 단면은 실질적으로 원형, 실질적으로 타원형, 실질적으로 다각형(가령, 장방형), 또는 임의의 적합한 형태일 수 있다. 하단부에서의 내부 직경이 상단부에서의 내부 직경보다 클 수 있다. 통로 단면의 모양, 크기, 및/또는 내부 직경은, 플라스마가 상단부 아래로 이동함에 따른 원하는 정도의 플라스마 압축을 제공하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하단부에서의 통로(125)의 내부 직경은, 상단부에서의 통로(125)의 내부 직경보다 3배 더 작다. 하단부에서의 통로의 내부 직경에 대한 상단부에서의 통로의 내부 직경은 약 1.5, 약 2, 약 4, 약 5, 약 10, 약 15, 또는 그 이상일 수 있다. 이 비는 약 1.5 내지 약 5, 또는 약 2 내지 약 4, 또는 그 밖의 다른 임의의 범위일 수 있다.

일부 실시예에서, 플라스마가 통로의 상단부에서 하단부로 이동할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플라스마가 통로의 하단부에 도달하기 전에, 채널을 따르는 플라스마의 이동 동안 플라스마 압력이 깔때기(8)를 붕괴시킬 수 있기에 충분히 커질 수 있다.

특정 실시예에서, 액체 물질을 포함하는 액체 깔때기(8)는 실질적으로 통로의 축을 중심으로 회전하지 않는다. 다른 예를 들면, 액체 물질이 탱크(10)로 도입되어, 액체 물질이 상단부에서 하단부로 이동함에 따라 액체 물질이 통로의 축을 중심으로 회전할 수 있다. 액체 물질이 임의의 크기의 회전(또는 소용돌이)을 갖는 깔때기가 일부 구현예에서 이점(가령, 통로의 내부 표면의 안정성을 증가시킨다)을 제공할 수 있다.

플라스마가, 액체 금속에서의 음속(가령, 일부 경우, 약 3㎞/s)보다 더 높은 속도로(가령, 일부 경우, 수 십 ㎞/s, 또는 그 이상) 이동할 수 있기 때문에, 플라스마가 액체 깔때기 시스템(120)을 통과하여 이동할 때 액체 금속은 탈선할 시간이 없다(가령, 액체 금속 깔때기의 관성이 플라스마를 적어도 부분적으로 가둠). 따라서 액체 금속은 플라스마에 대해 마치 고체인 것처럼 행동하는 경향이 있으며, 플라스마를 깔때기(8)의 통로(125)에 봉입하도록 기능할 수 있다. 플라스마가 깔때기(8)의 상단부에서 깔때기(8)의 하단부로 이동함에 따라, 플라스마는 깔때기(8)에서 압축( 및 가열)을 겪을 수 있다. 예를 들어, 플라스마가 깔때기(8)의 상단부 아래에 있을 때의 플라스마의 압력은, 깔때기(8)의 상단부 위에 있을 때의 플라스마의 압력보다 클 수 있다. 도 1a-1c는 깔때기(8)에서의 압축된 플라스마 토로이드(13)를 개략적으로 도시한다.

일부 구현예에서, 깔때기(8)의 통로(125)에서의 플라스마의 방사 방향 압축비는 약 3:1일 수 있다. 다른 구현예에서, 플라스마의 방사 방향 압축비는 약 1.5:1, 약 2:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 7:1, 약 10:1, 약 15:1, 또는 그 이상일 수 있다. 깔때기(8)의 통로(125)에서의 플라스마의 방사 방향 압축비는 약 1.5:1 내지 약 5:1, 또는 약 2:1 내지 약 4:1, 또는 그 밖의 다른 임의의 범위일 수 있다. 특정 구현예에서, 가속기(110)의 제 1 단부와 깔때기(8)에서의 플라스마의 최종 위치 간에 측정된 플라스마의 희망 총 방사 방향 압축비(가령, 플라스마 압력이 깔때기를 붕괴시키기에 충분히 커질 때)는 약 200:1, 약 150:1, 약 100:1, 약 90:1, 약 75:1, 약 50:1, 약 30:1, 약 20:1, 약 10:1, 또는 그 밖의 다른 임의의 값일 수 있다. 총 방사 방향 압축비는 약 50:1 내지 약 150:1, 약 75:1 내지 약 125:1, 약 80:1 내지 약 100:1, 또는 그 밖의 다른 임의의 범위에 속할 수 있다.

일부 구현예에서, 가속기(110)에서 제 1 압축비를 갖고, 깔때기(8)에서 제 2 압축비를 가지며, 제 1 압축비와 제 1 압축비의 곱이 희망하는 총 압축비와 동일하도록, 시스템(1000)을 구성함으로써, (가령, 가속기(110)의 제 1 단부(112a)에서 플라스마의 깔때기(8) 내 최종 위치까지에서의) 플라스마 토로이드의 희망 총 방사 방향 압축비가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 약 90:1의 총 압축비를 얻기 위해, 가속기(110)는 약 30:1의 제 1 압축비를 제공하고, 깔때기(8)은 약 3:1의 제 2 압축비를 제공하도록 구성될 수 있다. 이들 비는 본원발명의 시스템 및 발명에 대한 한정이 아니며, 예를 계속 들자면, 90:1의 총 압축비는 시스템(1000)의 여러 다른 구현예에서 다르게 얻어질 수 있는데, 가령, 가속기에서의 약 45:1과 깔때기에서 약 2:1, 가속기에서의 약 18:1과 깔때기에서의 약 5:1 등이 있다. 일부 실시예에서, 가속기(110)에서의 제 1 압축비는, 가속기의 제 2 단부(112b)에서의 플라스마의 압력이 가속기(110)의 제 2 단부(112b)에서의 물질(또는 물질 조립체)의 재료 강도나 파괴점이도록, 또는 그 이하이도록 선택된다. 일부 구현예에서, 가속기(110)는 희망하는 제 1 압축비를 제공하도록 구성되는 것은, 액체 퍼넬이 희망하는 제 2 압축비를 제공하도록 구성되는 것보다 더 쉽게 이뤄질 수 있다. 이러한 일부 구현예에서, 가속기(110)가 깔때기(8)보다 압축을 더 제공하는 것이 바람직하다(가령, 제 1 압축비가 제 2 압축비보다 큰 것이 바람직하다).

액체 깔때기(8)은 적정 액체 금속, 가령, 약 17%의 리튬(Li)을 갖는 융해된 납-리튬(PbLi)을 포함할 수 있다. 그 밖의 다른 실시예에서 그 밖의 다른 리튬 퍼센트율(가령, 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 등)이 사용될 수 있다. 또한, 그 밖의 다른 실시예에서, 다른 액체 물질(가령, 그 밖의 다른 액체 금속, 액체 금속 합금 등)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 또 다른 실시예에서, 실질적으로 순수한 액체 리튬 및/또는 농축된 액체 리튬이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 금속은, 중성자를 흡수하여 트리튬을 생성할 수 있는 하나 이상의 리튬 동위원소를 포함한다.

플라스마가 핵융합 물질을 포함하는 시스템의 일부 구현예에서, 플라스마가 핵융합 물질 내에서 적어도 일부의 열핵 반응을 개시하기에 충분한 밀도 및/또는 온도까지로 압축될 수 있다. 열핵반응이 중성자를 생성할 수 있다. 예를 들어 시스템이 중성자 공급원(neutron source)으로서 구성된 경우, 중성자 분석을 위해 중성자 중 일부가 사용될 수 있다. 예를 들어, 액체 금속 깔때기(8)에 중성자 중 일부가 흡수되고, 이들의 에너지가 융해된 깔때기의 열로 변환될 수 있다. 시스템이 에너지 공급원으로서 구성된 경우, 이러한 열 중 일부가 추출되어, (예컨대, 증기 터빈을 통해) 전기력을 발생시킬 수 있다. 플라스마가 깔때기를 통과하는 동안, 또는 통과한 후, 액체 금속 깔때기(8)은 적어도 부분적으로 교란 및/또는 파괴되는 것이 일반적이다(가령, 액체 금속이 외부로, 그러나 탱크(10) 내에서 튄다). 펌프(9)가 액체 금속을 탱크(10) 내부로 순환시켜서, 다음 번 플라스마 주입(또는 플라스마 샷)을 위해 액체 금속 깔때기(8)을 다시 형성할 수 있다. 따라서 도 1a-1d에 개략적으로 도시된 시스템의 실시예는, 플라스마 토로이드가 액체 금속 깔때기(8) 내로 반복적으로 도입됨에 따라, 중성자 및/또는 에너지의 펄스된 공급원(pulsed source)으로 기능하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서(가령, 도 1b-1d를 참조), 액체 금속 깔때기(8)에 추가로, 액체 깔때기 시스템(120)은 실질적으로 중앙, 또는 축방향 액체 가이드(22)를 포함한다. 예를 들어, 액체 가이드(22)가 가속기(110)의 길이방향 축(115) 및/또는 통로(125)의 축과 실질적으로 정렬될 수 있다. 액체 가이드(22)는 깔때기 시스템(120)에서, 플라스마 토러스(plasma torus)를 기울이는 경향을 안정화 및/또는 감소시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 가이드(22)에, 액체 금속 저장 탱크, 또는 저장소(reservoir)(18)로부터의 액체 금속이 공급된다. 일부 실시예에서, 가속 전극들(6) 사이에 저장 탱크(18)가 배치된다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 적어도 부분적으로 중력의 영향 하에서, 액체 가이드(22)가 탱크(10)의 바닥 쪽으로 흐르며, 펌프(21)가 상기 액체 금속을 재사용되도록 저장 탱크(18)로 다시 재순환시키도록 사용될 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, 깔때기(8)용으로 사용되는 액체 금속과 액체 가이드(22)용으로 사용되는 액체 금속은 동일한 물질을 포함하는 것이 바람직한데, 왜냐하면, 가이드(22)의 액체 금속과 깔때기(8)의 액체 금속이 탱크(10)에서 혼합될 가능성이 크기 때문이다. 예를 들어, 액체 가이드(22)용 액체 금속은 융해된 PbLi를 포함할 수 있다.

이러한 일부 실시예에서, 깔때기(8)의 내부 표면과 액체 가이드(22)의 외부 표면 사이에서 플라스마가 압축되는데, 이는 액체 가이드(22)를 이용하지 않는 실시예에서보다 더 높은 압축을 제공할 수 있다. 플라스마가 액체 금속 깔때기 시스템(120)의 상부 아래로 이동함에 따라, 플라스마에 대해 원하는 압축 및/또는 가열 정도가 제공되도록 깔때기(8) 및/또는 액체 가이드(22)의 크기 및/또는 모양이 구성될 수 있다. 액체 가이드(22)는 다양한 실시예에서, 액체 깔때기(8)( 및/또는 탱크(10))로부터 물리적 및/또는 전기적으로 고립될 수 있다.

액체 가이드(22)를 이용하는 시스템의 일부 실시예의 이점은, 액체 금속이 전기적으로 전도성을 띄고, 실질적으로 중앙 또는 축방향 전극처럼 기능한다는 것이다. 이러한 일부 실시예에서, 플라스마 가속기(110)로부터의 전기 전류가, 추가적인 압축을 제공하기 위해 플라스마를 미는 자기력( 및/또는 전자기력)을 계속 제공할 수 있다. 따라서 이러한 일부 실시예가, 플라스마의 운동량에 의해 깔때기(8) 내 압축이 우선적으로 제공되는, 액체 가이드를 포함하지 않는 특정 실시예에 비교해서 추가적인 압축을 제공할 수 있다.

특정 실시예에서, 액체 가이드(22)가 외부 전극(7)으로부터 전기적으로 절연되어, 전기 회로를 단락시킬 가능성이 낮아지거나, 없어질 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 액체 가이드(22)가 탱크(10)로 지속적으로 제공되지 않는다. 예를 들어, 액체 깔때기 시스템(120)은, 적정한 때에, 액체 가이드(2)를 깔때기(8)의 통로 내부로 주입하는 액체 가이드 주입 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 가이드 주입 시스템은, 플라스마 샷 전에 잠시 개방될 수 있는 펄스 밸브(pulse valve)(20)를 포함할 수 있다. 액체 가이드(22) 내 액체 금속의 하단부가 탱크(10)의 바닥과 접촉하기 전에(또는 탱크(10)의 바닥에서 액체 금속과 접촉하기 전에), 플라스마 샷이 점화될 수 있는데, 왜냐하면, 이러한 접촉은 전기 회로를 완성할 가능성이 높기 때문이다. 각각의 플라스마 샷 이후, 펌프(21)(가령, 간헐적 펌프)가 탱크(10)에서 액체 금속 중 일부를 저장 탱크(18)로 재순환시킨다. 일부 실시예에서, 가속 전극(6)이 고전압이 아닐 때(가령, 플라스마 샷과 샷 사이일 때), 펌프(21)가 저장 탱크(18)를 재충전하도록 기능한다. 일부 실시예에서, 액체 금속을 탱크(18)로 재순환시키기 위해 사용되는 재순환 배관(recirculation plumbing)(가령, 리턴 파이프(return pipe)(31))이 전기 절연된 섹션(19)을 포함한다(가령, 도 1b 및 1c를 참조). 가속 전극(6)의 단락 가능성을 감소시키기 위해, 저장 탱크(18)의 재충전 후 잔류 액체 금속의 배출을 가능하게 하기 위해, 절연체 섹션(19)이 실질적으로 수직으로 배향될 수 있다. 일부 실시예에서, 비활성 기체, 가령, 아르곤을 이용해, (가령, 일부 경우, 약 30psi의 압력으로)(가령, 약 2.07×10⁵Pa) 저장 탱크(18) 내 유체 위의 공간이 가압된다. 가압된 비활성 기체가 저장 탱크(18) 내 액체에 하향 힘(downward force)을 제공하고, 이러한 하향 힘은 (중력과 결합되어) 액체 금속이 희망하는 속력으로 분사되게 한다.

자화 표적 핵융합( Magnetized Target Fusion ) 적용의 예시

다음의 기재는, 특정 플라스마 압축 값을 얻기 위해 사용될 수 있는, 시스템의 일실시예에 따르는 특정 매개변수의, 한정이 아닌, 예를 들기 위한 것이다. 이들 예시의 맥락에서, 플라스마를 압축하기 위한 시스템의 하나의 예시적 실시예에 포함되는 인수 및 고려사항들 중 일부를 강조하기 위해, 다양한 가정이 논의되고, 다양한 수학식 및 일례적인 계산이 제공된다. 다음의 기재는 본 발명의 시스템 및 방법의 범위, 본 발명의 시스템의 최종 사용 또는 적용을 제한하기 위한 것이 아니다. 여기서 기재되는 시스템 및 방법의 그 밖의 다른 구현예에서, 그 밖의 다른 수학식, 매개변수, 인수 및 고려사항이 적용될 수 있다.

자화 표적 핵융합(MTF) 시스템은 상당한 에너지(가령, 일부 경우, 약 100MJ)를 이용하여, 플라스마를 압축할 수 있다. 많은 시스템에서 핵융합 에너지를 발생시키기 위해, 잘 알려진 로슨 조건(Lawson criteria)이, 10keV의 온도에서, 시간 τ 동안 유지되는 밀도 n의 플라스마는, 핵융합 발열이 플라스마 열 손실을 초과한다는 nτ>10²⁰m^-3s이도록 선택되어야 한다. 그러나 플라스마는 시간 τ=r²/x에 따라 냉각되는데, 여기서, r은 고온 플라스마 코어와 반응기의 저온 에지 간의 가장 짧은 거리이고, x는 확산계수(diffusivity)이다. 따라서 더 넓은 플라스마(가령, 더 큰 r)가 유리할 수 있지만, 형성되기 위해서는 더 많은 에너지를 이용함으로써, 일반적으로 더 크고 더 비싼 장치를 이용한다.

플라스마 내 에너지는 이온에 대해 3/2 NkT_i이며, 전자에 대해 3/2NkT_e인데, 여기서 T_i는 이온 온도이고, T_e는 전자 온도이며, N은 이온 또는 전자의 개수이다. 전체 전하 중성의 경우, 이온과 전자의 개수는 동일하다. T_i와 T_e가 서로 동일한 온도라고 가정하면, 플라스마의 열 에너지(E_th)는 3NkT가 된다.

따라서 시스템의 특정 실시예에서 일례적인 매개변수에 대한 추정을 제공하기 위해 아래의 수학식이 적용 가능하다:

nτ>10²⁰m^-3s

τ=r²/x

E_th=3VnkT

여기서, N=nV이고, V는 플라스마 체적이며, E_mag=E_th/β이며, 여기서 β는 플라스마 압력/자기 압력이다. 총 에너지는 열 에너지 E_th 더하기 자기 에너지 E_mag이다. 토러스(torus)의 경우, 체적은 2π²r²R이며, 여기서 R은 (토러스 주변의) 장 반경(major radius)이고, r은 단 반경(minor radius)이다. 컴팩트한 토러스에 있어서, R은 r과 거의 동일하여, 체적이 대략 2π²r³이 된다.

이들 수학식을 조합해보면, 임의의 시스템 실시예에서, 10keV에서 로슨 기준에 도달하기 위한 최소 에너지는 대략, E=7×10¹⁶(1+1/β)x^3/2n^-1/2 줄(Joule)이며, 이때, n의 단위는 m-3, x의 단위는 m2/s이다.

에너지 E는 밀도가 증가함에 따라 감소하고, x가 감소함에 따라 감소한다. 이 시스템에서 확산율 및 x의 값이 많은 연구의 대상이다. 복잡한 난류 때문에, 확산율의 값은 이른바 전통적인 계산에서보다 훨씬 더 크다. 확산율의 값에 대한 전통적인 추정치는 가능한 최적의 확산을 제공한다. 많은 실험에서 전통적인 값보다 훨씬 더 큰, 그러나 이른바 보옴 확산율(Bohm diffusion)보다 작은 확산이 관찰된다:

x_Bohm = ρ_iv_i/16

여기서, ρ_i는 이온의 회전 반경(gyroradius)이고, v_i는 이온의 열 속도(thermal velocity)이다.

(최악 케이스 예시 시나리오로서) 보옴 확산율을 가정하면, 다양한 플라스마 밀도에 대한(가령, 10keV 및 β=0.1에서 전형적인 특정 스페로막), 로슨 조건을 달성하기 위한 최소 플라스마 에너지가, 위의 수학식으로부터 예측될 수 있고, 도 2에서 도시된 그래프로 나타난다(사각형이 포함된 실선). 고체 물질이 파괴되기 전에 취할 수 있는 최대 압력은 일반적으로 약 1×10⁴atm(가령, 약 1000MPa)이다. 상기 압력에서, 도 2에 도시된 일례적인 계산은, 손익분기점을 달성하기 위해서는 일례적인 시스템이 플라스마에 약 100MJ를 제공해야 하고, 실용적 이득을 위해서는 이보다 몇 배 더 많은 에너지를 제공해야 함을 나타낸다. 전력원에서 플라스마로의 전달 효율이 약 50%라고 가정하면, 플라스마를 핵융합 온도까지로 가열하기 위해서는 시스템이 적어도 약 200MJ의 에너지를 제공해야 한다.

에너지 공급원으로서 본 발명의 시스템이 이점을 제공한다. 예를 들어, 액체 금속 깔때기(liquid metal funnel)을 이용함으로써, 고체 물질의 파괴점 이상인 플라스마의 압력이 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템의 실시예들은 증가된 플라스마 밀도를 제공할 수 있으며, 이러한 증가된 플라스마 밀도는 시스템에 의해 사용되는 에너지를 바람직하게도 감소시킨다. 또한 시스템의 비용 및/또는 크기도 감소시킬 수 있다.

본 발명의 시스템 및 방법의 일부 실시예에서, 플라스마가 가속됨에 따라 플라스마 압력이 증가하고, 그 후, 플라스마가 가속기(110) 하향으로 이동함에 따라(가령, 동축의 차츰 가늘어지는 형태의 전극(6과 7) 사이의 전파 채널(114)을 따라), 플라스마가 압축된다. 플라스마 경로 중, 플라스마 압력이 봉입 전극 물질(confining electrode material)의 강도와 일치 및/또는 초과하는 포인트에서, 또는 상기 포인트 전에, 플라스마가 액체 금속 깔때기 시스템(120) 내부로 향하고, 여기서 추가적인 압축이 발생한다. 예를 들어, 플라스마 압축은 가속기에서 약 30의 인수를 갖고, 깔때기 시스템에서 약 3의 인수를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스마는 가속기(110) 하향에서 약 100㎞/s 이상의 속력으로 가속될 수 있다. 액체 금속의 음속은 일반적으로 3㎞ 정도이므로, 액체 금속은 이탈할 시간이 없고, 높은 플라스마 압력이 깔때기(8)에서 유지된다. 일부 구현예에서, 액체 금속에서 충격파 각성(shock wave wake)이 발생될 수 있다. 충격파 각성의 에너지는 플라스마 운동 에너지로부터 인출되며, 이는 일부 시스템에서 새로운 에너지 손실 메커니즘일 수 있다.

도 3은 차츰 가늘어지는 형태의 액체 금속 깔때기(25)의 일부분 내에서 이동하는 토로이드형 플라스마(30)의 일례를 나타내는 단면도를 개략적으로 도시한다. 플라스마 속력이 V_P, 플라스마 길이가 L, 액체금속의 음속이 C_S를 가정하면, 도 3의 개략적 도면은 플라스마 뒤를 따라가는 충격파를 나타낸다. 충격파의 두께는 약 C_SL/V_P이다. 약 L/V_P의 시간 동안(가령, 플라스마가 자신의 고유 길이만큼 이동하기 위한 시간 동안), 깔때기에서 압축된 액체의 체적은 약 2πRLC_S·L/V_P이다. 압축된 체적을 시간으로 나눔으로써, 다음과 같이 액체 금속이 압축되는 속도(rate)에 대한 추정치가 제공된다:

dV/dt= 2πRLC_S ㎥/S

여기서 R은 액체 금속 깔때기(25)의 반경이다.

예를 들어, 액체 금속에 대한 상태 수학식에 대한 간단한 근사 식이 사용될 수 있다:

P=K(V₀/V-1)

여기서, K는 체적 압축 계수이며, V₀는 0 압축비에서의 초기 체적이다.

따라서, 이 예에서, 압축 일 PdV이 적분되어, 압축 액체 금속에 저장된 에너지가 계산될 수 있다:

E/V=K[In(P/K+1)-1/(1+K/P)] J/㎥

이 예에서, 각성에서 소산되는 전력이 다음의 수학식에 의해 계산된다:

Power = 2πRLC_S K[In(P/K+1)-1/(1+K/P)] watt

일부 구현예에서, 스페로막의 자기장에 의해 액체 금속에 전기 전류가 유도될 수 있다. 액체 금속에서의 저항성 손실이 플라스마를 포함하는 자기장에서의 에너지를 감소시킬 수 있으며, 이는 일부 경우에서, 또 다른 가능한 에너지 손실 메커니즘을 나타낸다. 다음의 예는 이 에너지 손실 메커니즘에 대한 추정치를 제공하도록 사용된다.

자기장을 지지하기 위해 액체 금속에 흐르는 전류 I는,

I=LB/μ₀

이며, 여기서, L은 플라스마의 길이이고, B는 스페로막(또는 그 밖의 다른 컴팩트한 적정 토러스) 내 자기장이며, μ₀는 진공 투과도(vacuum permeability)이다.

금속에 흐르는 전기 전류의 시트(sheet)의 두께 t는,

t = (ητ/μ₀)^1/2

에 의해 계산되며, 여기서, η는 금속의 전기 저항률이고, τ는 금속에 자기장이 인가되는 시간이며, τ=L/V_P이다.

저항은,

Resistance = η2πR/Lt

이다.

따라서, 액체 금속에서 저항에 의해 소산되는 전력은,

Power = Resistance I² = 2πRB²(ηLV_P)^1/2 μ₀ ^-3/2watt

이다.

일부 구현예에서, 난류성 이동(tubulent transport)으로 인해 전력 손실도 존재한다. 봄 확산 공식을 이용한 이러한 전력 손실에 대한 추정치는,

Power_Bohm = E_th/τ_Bohm

이다.

일부 경우, 제동복사 손실(bremsstrahlung radiation loss)이 발생할 수 있으며, 이러한 손실에 대한 추정치는,

Power_{bremsstrahlung} = 1.67×10^-38n²T¹ ^/2Z_eff W/㎥

에 의해 계산되며, 여기서, T의 단위는 eV이고, n의 단위는 m^-3이며, Z_eff=∑Z²n_Z/n인데, 여기서, Z는 불순물의 원자번호이고, n_Z는 밀도이다. 제동복사 손실은 불순물의 원자번호 Z의 거듭제곱의 함수이므로, 일부 경우 낮은 불순물 함유량을 갖는 것이 바람직할 수 있다(특히, 높은 원자번호를 갖는 불순물의 경우).

한정이 아닌 설명을 위한 이 일례적인 계산을 계속 언급하자면, 플라스마 구성에서의 에너지를, 이들 다양한 전력 손실로 나눔으로써, 총 플라스마 봉입 시간(plasma confinement time) τ가 제공될 수 있다. 본 발명의 시스템의 이 일례적인 실시예에 대해, 상기 봉입 시간을 이용하여, 다양한 밀도에서의 로슨 손익분기 조건을 얻기 위해 최소 플라스마 에너지를 계산하는 것이 가능하다. 이 실시예에 대한 에너지는 도 4의 그래프에 나타난다.

일부 구현예에서, 사용되는 에너지는 도 2의 일례적인 그래프에 나타난 것보다 더 높을 수 있는데, 왜냐하면, 앞의 일례적인 실시예에 대한 구체적 에너지 손실 메커니즘이 고려되었지 때문이다. 도 4의 그래프는 예를 들어 10¹⁹㎝^-3의 밀도에서 사용되는 최소 플라스마 에너지에 대한 일례적인 추정치가 약 3MJ임을 나타낸다. 이를, 동일한 밀도에서 약 1MJ 이하를 나타내는 도 2에 나타난 일례적인 결과에 비교해보자. 이 일례적인 계산에서 플라스마 외부 반경 R은 2.4㎝이다. 이 일례적인 계산에서, 봉입 시간은 10㎲이다. 이 일례적인 계산에서, 자기장은 200Tesla이며, 압력은 0.16MBar이다. 최대 압축 동안의 플라스마의 속도에 대한 가능한 값은, 음속, 가령, 약 5㎞/s 이상이다. 이 일례적인 값을 기초로, 플라스마는, 플라스마 온도 및 압력 조건이 핵융합이 발생하도록 할 수 있는 시간 동안 약 50㎜를 이동한다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 시스템의 일부 구현예에서, 플라스마가 통과하는 동안 및/또는 통과한 후, 액체 금속 깔때기는 바깥쪽으로 붕괴되는 경향을 가질 수 있다. 이러한 일부 구현예에서, 시간 L_fe/v_f 후에(이때, L_fe는 깔때기의 길이이고, v_f는 (액체 금속을 깔때기 시스템(120)의 탱크(10)로 투입하는) 노즐로부터 액체가 방출되는 속도임), 액체 금속 깔때기가 재형성되도록 시스템이 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이들 매개변수가 사용되어, 최대 펄스 반복률(pulse repetition rate)에 대한 일례적인 추정치를 결정할 수 있다. 이러한 한정하기 위함이 아닌 예를 들기 위한 예시에서, 예를 들어, 중성자 대부분을 흡수하기 위해 약 1m의 액체 금속이 사용되고, 따라서, 플라스마 온도와 압력 조건이 핵융합이 중앙에서 발생하기에 적합한 2m 길이의 액체 금속 깔때기가 적정할 것이다. v_f가 약 10m/s라고 가정하면, 이 예에서, 반복률이 약 5㎐일 수 있다. 마지막으로, 순수 에너지 출력이 에너지 투입 수준인 경우, 플라스마는 5㎐에서 3MJ를 생성하며, 약 15MW의 전력 출력량을 생성할 것이고, 이는 소형 발전소에게 적합하다. 이들 추정치가 손익 분기점을 제공하는 발전소의 크기에 대한 한 가지 가능한 추정치를 제공하며, 더 큰 발전소는 더 많은 전력을 제공할 수 있지만, 개발하고 구축하기 위한 비용이 더 들 수 있다.

이 예시에 대해 계속 언급하자면, 최대 압축에서의 조건에서 일하며, 일반적으로 일부 플라스마 건(100)이 약 10¹⁴㎝^-3을 많이 초과하지 않는 플라스마 밀도를 생성한다고 가정하면, 약 10¹⁹㎝^-3의 밀도를 갖는 최종 2.4㎝ 반경의 압축된 플라스마를 제공하기 위해, 플라스마 가속기(110)의 제 1 단부(112a)에서의 초기 플라스마 형상의 직경이 약 2.2m일 것이다. 초기 플라스마 형상의 길이는 약 1m일 것이며, 따라서, 이 예시적 구현예에서 이는 형성 영역에 대해 추정되는 길이이다. 따라서, 이 예시에서, 토로이드가 액체 금속 깔때기(8) 내에 있을 때 컴팩트한 토로이드의 반경 크기에 대한, 가속기(110)의 제 1 단부(112a)에서의 컴팩트한 토로이드의 반경 크기의 비는, 약 100 대 1이다. 또 다른 구현예에서, 이 비는 달라질 수 있는데, 가령, 약 5:1, 약 10:1, 약 25:1, 약 50:1, 약 90:1, 약 125:1, 약 150:1, 약 200:1, 또는 그 밖의 다른 값일 수 있다.

예를 들어, 커패시터와 플라스마 간의 약 33%의 에너지 전달 효율을 가정하면, 이 예에서, 약 10MJ가 사용될 것이다. 일반적으로 고속 방전 포일 커패시터는 약 1J/㎤의 에너지 밀도를 가지며, 따라서, 이 예에서, 약 10㎥의 커패시터 체적이 사용된다. 커패시터가 1m 높이를 갖고, 플라스마 가속기와 연계된 디스크 형태의 송전 라인(15)의 양 측면 상에 패킹되어 있다고 가정하면, 이 예시에서, 약 2.2m 내부 직경 및 2.6m 외부 직경을 갖는 디스크가 사용된다. 일부 실시예에서, 이 디스크형 송전 라인과 커패시터의 내부 인덕턴스의 합은 약 20nH의 인덕턴스를 가진다. 일부 구현예에서 플라스마 가속기의 인덕턴스는 약 130nH이다. 일반적으로, 커패시터 내 전압이 높을수록, 방전이 빨리 이뤄진다. 약 88㎸의 전압을 가정하면, 커패시터 뱅크가 약 2.6mF의 커패시턴스를 가질 수 있다. 이러한 일례적인 구현예에서, 시스템은 약 100㎲의 LC 링잉 시간(ringing time)을 가질 수 있다. 일례적인 구현예에서, 합리적인 에너지 전달이 발생하도록, 링잉 시간의 절반(가령, 약 50㎲)이, 가속기 이하에서 플라스마가 가속하기 위한 시간과 대략적으로 동일해야 한다. 액체 금속 깔때기에서 플라스마의 운동 에너지가 자신을 최대 압축비로 압축하기에 충분히 높도록 최종 속도가 충분히 높은 것이 바람직할 수 있다. 앞서 알아낸 일례적인 에너지를 운동 에너지로 변환하면 다음과 같다:

3MJ = mv²/2

플라스마의 질량은 자신의 체적에 밀도를 곱한 값이며, 대략 다음과 같다:

m = 2 밀리그램

따라서, 이 예시에서, 플라스마의 최종 속도는 약 1700㎞/s이다. 플라스마의 이동 시간(transit time)이 링잉 시간의 절반과 동일하기 위해, 일부 경우에서, 약 40m 길이의 가속기가 사용될 수 있다. 가속기(110)의 제 1 단부(112a)에서, 또는 그 근방에서, 플라스마 제한장치를 이용함으로써, 가속기의 길이는 감소될 수 있는 것이 바람직하다(도 1B에 도시된 협착부, 또는 도 1C에 도시된 자기 코일(23b) 참조). 인덕턴스에 의해 제한되는 전류가 증가함에 따라, 플라스마가 협착물을 통과할 수 없게 된다. 일부 실시예에서, 피크 전류에서만, 또는 피크 전류 근방에서의 자력이, 플라스마를 협착부를 통과하도록 밀어, 플라스마를 빠르게 가속시키기에 충분히 강력하도록 시스템이 구성된다. 이러한 일부 실시예에서, 플라스마가 피크 전류에서만(또는 피크 전류 근방에서도) 가속되기 시작하기 때문에, 약 1/4 길이인 가속기(가령, 일부 경우, 약 10m)가 사용될 수 있다. 이는 플라스마를 압축하고, 일부 경우, 핵융합 반응을 개시하기 위한, 합리적이며, 실용적이고, 실현 가능한 시스템의 구현을 제공할 것이다. 이러한 시스템의 구현예는 그 밖의 다른 용도도 가질 수 있다.

기타 실시예 및 유용한 적용예의 예시

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 시스템 및 방법의 특정 실시예가, 핵융합 반응과 유용한 중성자 발생이 일어날 수 있는 핵융합 물질을 포함하는 플라스마를 압축하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 핵융합 물질은 경원소의 하나 이상의 동위원소, 가령, 듀테륨, 트리튬, 헬륨-3, 리튬-6, 리튬-7 등을 포함할 수 있다. 따라서 본 발명의 시스템의 특정 실시예는, 중성자 발생기 또는 중성자 공급원으로서 구성되고 동작될 수 있다. 이렇게 생성된 중성자는 연구와 산업 분야에서 광범위한 실용적 용도를 가진다. 예를 들어, 중성자 공급원은, 다양한 재료(가령, 폭발물, 약물, 핵분열 물질, 독극물 등)에서 다수 원소, 소수 원소, 미량 원소 및 희귀 원소의 다원소 분석을 제공할 수 있는 중성자 활성 분석(NAA: neutron activation analysis)을 위해 사용될 수 있고, 다양한 적용예(가령, 폭발물 검출 및 식별, 환경과 핵 폐기물의 생태적 모니터링)에서 사용될 수 있다. 일실시예에서, 중성자 공급원으로서 설정된 시스템이 물질 연구(가령, 물질의 구조, 역학, 조성 및 화학적 균일성의 분석)를 위해, 그리고 (가령, 중성자 라디오그래피(radiography) 및/또는 중성자 토모그래피(tomography)를 통해) 산업 물체의 비파괴적 테스트를 위해, 및 그 밖의 다른 많은 산업적 및 기술적 적용예를 위해, 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 시스템의 실시예는 핵폐기물 개선 및 의료용 뉴클레오다이드의 생성을 위해 사용될 수 있다.

플라스마 가열 및 압축을 위한 앞서 언급된 시스템 및 방법의 실시예는, 고에너지 밀도 플라스마의 연구 분야(가령, 천체물리학 및 핵물리학)에 적용되기 적합하다.

에너지 저장의 최근의 진보(가령, 수퍼커패시터)와 고전력 반도체 스위칭이 고전력 전기 부품의 비용을 감소시켰다. 전기 펄스 전력 시스템의 추가적인 발전과 다양한 분야에서의 이러한 부품의 증가하는 수요가 전기적으로 구동되는 MTF 시스템(및/또는 중성자 공급원)의 비용을 다른 접근법과 비교할 때 경쟁력 있게 만들 것이다. 비용에 대한 비중이 적은 적용예(가령, 저질량의 페이로드를 구하기 어려운 핵융합 우주 추진장치)에서, 이러한 전기적으로 구동되는 시스템의 실시예는 이미 다른 가능한 기술에 비해 더 매력적일 수 있다.

본 발명의 시스템 및 방법의 특정 구현예에서, 기계적 방식(가령, 특정 피스톤-기반 시스템)보다는 전기적 방식을 기초로 플라스마 압축을 이루는 것이 시스템 유지 보수 횟수를 감소시키고, 그 밖의 다른 이점도 제공할 것으로 예상된다. 예를 들어, 이러한 일부 실시예에서, 가속 시스템은, 움직이는 부분이 거의, 또는 전혀 없도록 구성되고, 더 낮은 중량을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 피스톤-기반 시스템의 특정 실시예에 비교할 때 동기화 문제도 단순화된다.

본원의 특정 요소, 실시예, 예시 및 적용예가 기재되었지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 해당업계 종사자라면 본 발명의 범위 내에서 변형이 가능함을 잘 알 것이다. 따라서 예를 들어, 임의의 방법 또는 프로세스에서, 상기 방법/프로세스를 구성하는 단계 또는 동작은 임의의 적합한 시퀀스로 수행될 수 있으며, 반드시 본원에 기재된 시퀀스로 제한될 필요는 없다. 다양한 실시예에서 요소와 구성요소들은 다르게 구성되거나 배열, 조합, 생략될 수 있다. 본원 전체를 참조하면, "일부 실시예", "일실시예" 등은, 상기 실시예와 관련되어 기재된 특정 특징부, 구조, 단계, 프로세스 또는 특징이 하나 이상의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서 본원에서 "일부 실시예", "일실시예" 등의 구문의 등장이, 동일한 실시예를 의미하는 것이 아니며 동일한, 또는 상이한 실시예들 중 하나 이상을 의미한다. 실제로, 본원에 기재된 신규한 방법 및 시스템은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 덧붙여, 다양한 생략, 추가, 치환, 등가, 재배열, 발명의 형태의 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능할 수 있다.

Claims

플라스마를 압축하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는
플라스마의 컴팩트한 토로이드를 발생시키도록 구성된 플라스마 건(plasma gun)과,
제 1 단부, 제 2 단부, 및 상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 길이방향 축을 갖는 플라스마 가속기 - 상기 플라스마 가속기는 상기 제 1 단부에서 컴팩트한 토로이드를 수용하고, 상기 컴팩트한 토로이드를 길이방향 축을 따라 제 2 단부 쪽으로 가속시키도록 구성됨 - ,
상기 플라스마 가속기의 길이방향 축을 따라 정렬되는 원통형의 통로를 갖는 액체 깔때기 및 액체 가이드(liquid guide)를 상기 액체 깔때기의 원통형 통로 내부로 상기 통로의 길이방향 축을 따라 주입하도록 구성된 액체 가이드 주입 시스템을 포함하는 액체 깔때기 시스템(liquid funnel system) - 상기 액체 가이드는 상기 통로의 상단부에서부터 상기 통로의 하단부까지 상기 통로의 길이방향 축을 따라 뻗어 있고, 상기 액체 가이드는 상기 액체 깔때기의 내부 표면으로부터 이격되어, 상기 액체 깔때기의 내부 표면과 상기 액체 가이드의 외부 표면에 의해 환형 공간이 생성되며, 상기 통로는 자신의 상단부에서의 제 1 내부 직경과 자신의 하단부에서의 제 2 내부 직경을 가지며, 상기 제 2 내부 직경은 상기 제 1 내부 직경보다 작고, 상기 액체 깔때기 시스템은 플라스마 가속기의 제 2 단부로부터 컴팩트한 토로이드를 수용하여, 상기 컴팩트한 토로이드가 상기 통로의 상단부로부터 상기 통로의 하단부를 향해 상기 환형 공간을 따라 이동함에 따라, 상기 컴팩트한 토로이드를 압축하도록 구성됨 -
을 포함하며, 컴팩트한 토로이드의 상단부 아래에 있을 때의 압력이 컴팩트한 토로이드의 상단부 위에 있을 때의 압력보다 높도록 상기 액체 깔때기 시스템은 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 장치는
커패시터 뱅크
를 더 포함하며, 상기 커패시터 뱅크는 전기 에너지를 플라스마 건으로, 또는 디스크형 송전 라인으로 제공하며, 상기 디스크형 송전 라인은 상기 커패시터 뱅크를 플라스마 건으로 전기적으로 연결하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 플라스마 가속기는 플라스마 가속기의 제 1 단부 근방에 위치하는 플라스마 제한장치를 포함하며, 상기 플라스마 제한장치는, 상기 플라스마 가속기의 자기장 세기가 임계값을 초과할 때까지, 플라스마 전파 채널 내에서, 상기 제한장치의 위치 위에서부터 상기 제한장치의 위치 아래로의 컴팩트한 토로이드의 이동을 막도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 플라스마 제한장치는, 플라스마 전파 채널 내에 위치하는 협착부(constriction), 또는 플라스마 가속기의 제 1 단부 근방에 배치되는 하나 이상의 자기 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 장치는
커패시터 뱅크
를 더 포함하며, 상기 커패시터 뱅크는, 전기 에너지를 플라스마 가속기에게, 또는 포화 인덕터(saturable inductor)에게 제공하며, 상기 포화 인덕터는 커패시터 뱅크로부터 플라스마 가속기로의 전기 에너지의 제공을 딜레이시키도록 구성되며, 상기 포화 인덕터는 커패시터 뱅크로부터의 전기 에너지를 플라스마 가속기로 전달하도록 구성된 디스크형 송전 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 장치는, 플라스마 가속기의 제 2 단부에서의 컴팩트한 토로이드의 압력이 플라스마 가속기의 제 2 단부에서의 플라스마 가속기의 재료 강도(material strength)보다 낮거나, 컴팩트한 토로이드의 액체 깔때기 내에 있을 때의 압력은 플라스마 가속기의 재료 강도보다 높은 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액체 깔때기는 액체 금속을 포함하고, 액체 깔때기는, 액체 깔때기 시스템의 액체 깔때기를 형성하기 위해 액체 금속을 공급하도록 구성된 펌프 시스템(pump system)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액체 가이드는 전기 전도성이며 상기 액체 깔때기 내 중앙 전극으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액체 가이드 주입 시스템은 컴팩트한 토로이드가 액체 깔때기의 상단부에 도달하기 전에 상기 액체 가이드를 상기 액체 깔때기 시스템으로 주입하도록 구성되며,
상기 액체 가이드 주입 시스템은 액체 가이드를, 적어도 부분적으로 중력의 영향으로 흐르는 액체 물질로서 액체 깔때기 시스템으로 제공하도록 구성되며, 상기 액체 가이드는, 컴팩트한 토로이드가 깔때기의 상단부 아래에 있을 때 액체 깔때기와 전기적으로 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 장치는
액체 깔때기 시스템으로부터의 액체 물질의 일부분을, 액체 가이드용 액체 물질을 저장하도록 구성된 저장소(reservoir)로 재순환시키도록 구성된 재순환 시스템(recirculation system)
을 더 포함하며, 상기 재순환 시스템은,
액체 깔때기 시스템으로의 플라스마의 연속되는 주입들 간에 액체 물질의 일부분들을 재순환시키도록 구성된 간헐성 펌프(intermittent pump)와,
액체 깔때기 시스템과 저장소 사이에 유체 연결(fluid communication)된 리턴 파이프(return pipe)
를 포함하며, 상기 리턴 파이프는 플라스마 가속기에 대해 전기적으로 절연되도록 구성된 전기 절연 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 장치.
플라스마를 압축하도록 구성된 액체 금속 깔때기 시스템(liquid metal funnel system)에 있어서, 상기 액체 금속 깔때기 시스템은,
원통형의 통로를 갖는 액체 금속 깔때기(liquid metal funnel) - 상기 액체 금속 깔때기는, 통로의 제 1 단부에서 제 1 내부 직경과, 통로의 제 2 단부에서 제 2 내부 직경을 갖고, 상기 제 2 내부 직경은 상기 제 1 내부 직경보다 작으며, 액체 금속 깔때기는 통로의 제 1 단부가 통로의 제 2 단부보다 높게 위치하도록 구성됨 - , 및
상기 액체 금속 깔때기의 원통형 통로의 길이방향 축을 따라 액체 금속 가이드(liquid metal guide)를 주입하도록 구성된 액체 가이드 주입 시스템 - 상기 액체 가이드는 상기 통로의 제 1 단부에서 상기 통로의 제 2 단부 까지 통로의 길이방향 축을 따라 뻗어 있고, 상기 액체 금속 가이드는 상기 액체 금속 깔때기의 내부 표면으로부터 이격되어, 상기 액체 금속 깔때기의 내부 표면과 상기 액체 가이드의 외부 표면에 의해 환형 공간이 생성됨 -
을 포함하며,
상기 액체 금속 깔때기는, 플라스마 주입기로부터의 플라스마를 수용하며, 상기 플라스마가 제 1 단부로부터 제 2 단부까지로 통로를 따라 이동함에 따라, 플라스마를 압축하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액체 금속 깔때기 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 액체 금속 깔때기 시스템은
액체 금속이, 적어도 부분적으로 중력의 영향 하에 제 1 단부에서 제 2 단부로 흐르도록, 상기 액체 금속을 순환시키도록 구성된 액체 금속 순환 시스템
을 더 포함하고, 상기 액체 금속 순환 시스템은 봉입 시스템(confinement system)과 펌프 시스템(pump system)을 포함하며, 상기 액체 금속 깔때기가 상기 봉입 시스템 내에 배치되고, 상기 펌프 시스템은 상기 봉입 시스템의 하단부로부터 상기 봉입 시스템의 상단부로 액체 금속을 펌핑하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 깔때기 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 액체 금속 깔때기 시스템은 액체 금속 깔때기의 내부 표면과 액체 가이드의 외부 표면 사이에 플라스마를 수용하도록 구성되고, 상기 액체 금속 가이드는 상기 액체 금속 깔때기에 대해 전기적으로 절연되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 깔때기 시스템.
플라스마를 압축하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
토로이드형 플라스마(toroidal plasma)를 발생시키는 단계와,
길이 방향을 따라 상기 토로이드형 플라스마를 가속시키는 단계와,
상기 가속된 토로이드형 플라스마를 액체 깔때기 내 통로 내로 도입시키는 단계 - 상기 통로는 통로의 제 1 단부에서 제 1 크기와 통로의 제 2 단부에서 제 2 크기를 가지며, 상기 제 1 크기는 제 2 크기보다 작음 - ,
상기 토로이드형 플라스마가 통로의 제 1 단부에서 통로의 제 2 단부 쪽으로 이동함에 따라, 상기 토로이드형 플라스마를 압축하는 단계
를 포함하며,
상기 토로이드형 플라스마를 압축하는 단계는 상기 통로의 내부 표면과 상기 통로의 길이방향 축을 따라 액체 깔때기 내로 도입되는 액체 가이드의 외부 표면 사이에서 플라스마를 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 방법은
액체 깔때기를 형성하기 위해 액체를 재순환시키는 단계
를 더 포함하며, 상기 액체 깔때기는 액체 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 방법은
컴팩트한 토로이드가 통로의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 있을 때 액체 가이드를 액체 깔때기에 대해 전기적으로 절연시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 방법은
토로이드형 플라스마를 가속시키기 위한 전기 에너지를 제공하도록 커패시터 뱅크를 방전시키는 단계
를 더 포함하며, 상기 커패시터 뱅크를 방전시키는 단계는 포화 인덕터를 이용하여 커패시터 뱅크의 방전을 딜레이시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 압축하기 위한 방법.
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