特表 2023-512457 スフェロマック融合および中性ビーム注入を介して、高エネルギー高温ＦＲＣプラズマを形成および維持するためのシステムならびに方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-27

(54)【発明の名称】スフェロマック融合および中性ビーム注入を介して、高エネルギー高温ＦＲＣプラズマを形成および維持するためのシステムならびに方法

(51)【国際特許分類】

   G21B 1/05 20060101AFI20230317BHJP

   G21B 1/11 20060101ALI20230317BHJP

   G21B 1/15 20060101ALI20230317BHJP

   G21B 1/13 20060101ALI20230317BHJP

   H05H 1/14 20060101ALI20230317BHJP

   H05H 1/22 20060101ALI20230317BHJP

【ＦＩ】

G21B1/05

G21B1/11 A

G21B1/15

G21B1/13

H05H1/14

G21B1/11 C

H05H1/22

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022542697

(86)(22)【出願日】2021-01-13

(85)【翻訳文提出日】2022-08-31

(86)【国際出願番号】 US2021013295

(87)【国際公開番号】W WO2021146329

(87)【国際公開日】2021-07-22

(31)【優先権主張番号】62/960,585

(32)【優先日】2020-01-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515056990

【氏名又は名称】ティーエーイー テクノロジーズ， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】郷田 博司

(72)【発明者】

【氏名】タジマ， トシキ

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA13

2G084AA21

2G084BB01

2G084CC27

2G084DD38

2G084FF27

2G084FF29

(57)【要約】

スフェロマック融合および中性ビーム注入を介して、高エネルギー高温ＦＲＣプラズマを形成および維持するためのシステムならびに方法が提供される。高性能磁場反転配位（ＦＲＣ）システムは、中心閉じ込めチャンバと、そのチャンバと結合される、２つのダイバータチャンバと、そのダイバータチャンバと結合される、２つの直径方向に対向するスフェロマック注入器とを含む。磁気システムは、ＦＲＣシステム構成要素に沿って軸方向に位置付けられる、準直流コイルを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場反転配位（ＦＲＣ）を用いて磁場を生成および維持するための方法であって、
第１および第２のスフェロマックプラズマを融合し、閉じ込めチャンバ内の前記融合されたプラズマを中心としてＦＲＣを形成するステップと、
前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度において、高速中性原子のビームを中性ビーム注入器から前記ＦＲＣプラズマの中に注入することによって、減衰を伴わずに、前記ＦＲＣを一定またはほぼ一定値に維持するステップと
を含む、方法。

【請求項2】

前記ＦＲＣを形成するステップは、前記チャンバの中央平面に向かって、スフェロマックプラズマを対向する第１および第２のスフェロマック注入器から注入するステップと、前記スフェロマックプラズマを前記ＦＲＣを形成するために融合するステップとを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記スフェロマックプラズマを融合し、前記ＦＲＣプラズマを形成するステップは、前記第１および第２のスフェロマック注入器から前記閉じ込めチャンバの中に注入される前記スフェロマックプラズマの逆ヘリシティスフェロマック融合を含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備える、請求項２および３に記載の方法。

【請求項5】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、鉄心バイアスコイルシステムを含む、請求項２－４に記載の方法。

【請求項6】

前記鉄心バイアスコイルシステムの前記鉄心は、約２５０の透磁率を伴う鋳鉄である、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記鉄心バイアスコイルシステムの前記鉄心は、約２００，０００と同等またはそれよりも大きい透磁率を伴う約９９．９％のＦｅである、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記第１および第２のスフェロマック注入器を別個に制御するステップをさらに含む、請求項２－７に記載の方法。

【請求項9】

前記第１のスフェロマック注入器から射出される前記スフェロマックプラズマは、前記第２のスフェロマックから射出される前記スフェロマックプラズマとは異なる、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記閉じ込めチャンバの幾何学的軸に沿って、前記第１および第２のスフェロマック注入器の１つまたはそれを上回るものから、前記ＦＲＣプラズマに、１つまたはそれを上回るスフェロマックプラズマを補給するステップをさらに含む、請求項２－９に記載の方法。

【請求項11】

前記補給するステップは、前記第１および第２のスフェロマック注入器の１つまたはそれを上回るものから、前記ＦＲＣプラズマの中に、１つまたはそれを上回るスフェロマックプラズマをマルチパルス注入するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記マルチパルススフェロマックを形成し、前記ＦＲＣプラズマの中に注入するステップをさらに含む、請求項２－９に記載の方法。

【請求項13】

前記高速中性原子のビームを注入するステップは、第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間の複数の中性ビームのビームエネルギーを調整するステップであって、前記第２のビームエネルギーは、前記第１のビームエネルギーとは異なる、ステップ、または第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間の前記複数の中性ビームの前記ビームエネルギーを調整するステップであって、前記第２のビームエネルギーは、前記第１のビームエネルギーとは異なり、前記第２のビームエネルギーは、前記第１のビームエネルギーより高い、ステップ、または第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間の前記複数の中性ビームの前記ビームエネルギーを調整するステップであって、前記第２のビームエネルギーは、前記第１のビームエネルギーとは異なり、前記複数の中性ビームは、注入ショットの持続期間の間、前記第１のビームエネルギーと前記第２のビームエネルギーとの間で切り替わる、ステップのうち１つを含む、請求項１－１２に記載の方法。

【請求項14】

前記チャンバを中心として延在する準直流コイルを用いて、前記チャンバを中心として延在する準直流コイルを用いて、磁場を前記チャンバ内に生成するステップをさらに含む、請求項１－１３に記載の方法。

【請求項15】

前記閉じ込めチャンバの端部に結合されるダイバータの中に、前記ＦＲＣの磁束面を誘導するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

形成区分およびダイバータを中心として延在する準直流コイルを用いて、磁場を前記ダイバータの中に生成するステップを含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記チャンバの対向する端部を中心として延在する準直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を前記チャンバの対向する端部内に生成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記チャンバに結合される鞍形コイルを用いて、磁気双極場および磁気四重極場のうちの１つを前記チャンバ内に生成するステップをさらに含む、請求項１４－１７に記載の方法。

【請求項19】

ゲッタリングシステムを用いて、前記チャンバおよびダイバータの内部表面を調整するステップをさらに含む、請求項１５－１８に記載の方法。

【請求項20】

前記ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうち１つを含む、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記ＦＲＣプラズマの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップをさらに含む、請求項１－２０に記載の方法。

【請求項22】

前記ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、前記ＦＲＣの開磁束面群に電位分布を印加するステップを含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記第１および第２のスフェロマック注入器から、２０ｍＷｂよりも大きい磁束を有するスフェロマックプラズマを注入するステップ、または前記第１および第２のスフェロマック注入器から、約２５～３０ｍＷｂよりも大きい磁束を有するスフェロマックプラズマを注入するステップのうち１つをさらに含む、請求項２－２２に記載の方法。

【請求項24】

磁場反転配位（ＦＲＣ）を用いて磁場を生成および維持するためのシステムであって、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合される第１および第２のダイバータと、
第１および第２の直径方向に対向するスフェロマック注入器であって、スフェロマックプラズマを生成し、前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって前記スフェロマックプラズマを平行移動させるために、前記第１および第２のダイバータに結合される第１および第２の直径方向に対向するスフェロマック注入器と、
複数の中性原子ビーム注入器であって、前記閉じ込めチャンバに結合され、前記閉じ込めチャンバの縦軸の法線未満の角度で、前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって、中性原子ビームを注入するように配向される複数の中性原子ビーム注入器と、
磁気システムであって、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２のダイバータとの周囲に位置付けられる複数の準直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成区分との間に位置付けられる準直流ミラーコイルの第１および第２のセットと、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる第１および第２のミラープラグとを備える磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバと、前記第１および第２のダイバータとに結合されるゲッタリングシステムと、
生成されたＦＲＣの開磁束面に電気的にバイアスをかけるための１つまたはそれを上回るバイアス電極であって、前記１つまたはそれを上回るバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバならびに前記第１および第２のダイバータのうちの１つまたはそれを上回るものの中に位置付けられている、１つまたはそれを上回るバイアス電極と、
前記閉じ込めチャンバに結合される２つまたはそれを上回る鞍形コイルと
を備える、システム。

【請求項25】

磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を生成および維持するためのシステムであって、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合される第１および第２のダイバータと、
前記第１および第２のダイバータに結合される第１および第２の直径方向に対向するスフェロマック注入器と、
複数のバイアス電極および第１および第２のミラープラグのうちの１つまたはそれを上回るものであって、１つまたはそれを上回るバイアス電極が、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２のダイバータのうちの１つまたはそれを上回るものの中に位置付けられ、第１および第２のミラープラグが、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２のダイバータの間とに位置付けられる複数のバイアス電極および第１および第２のミラープラグのうちの１つまたはそれを上回るものと、
前記閉じ込めチャンバと、前記第１および第２のダイバータとに結合されるゲッタリングシステムと、
前記閉じ込めチャンバに結合され、前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって角度付けられて配向される複数の中性原子ビーム注入器と、
磁気システムであって、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２のダイバータとの周囲に位置付けられる複数の準直流コイルと、前記閉じ込めチャンバの間に位置付けられる準直流ミラーコイルの第１および第２のセットとを備える磁気システムと
を備え、
前記システムは、前記中性ビームが、前記プラズマの中に注入される間、ＦＲＣを生成し、減衰を伴わずに前記ＦＲＣを維持するように構成される、
システム。

【請求項26】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、前記チャンバの中央平面に向かってスフェロマックプラズマを注入し、ＦＲＣプラズマを融合および形成するように構成される、請求項２４および２５に記載のシステム。

【請求項27】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、逆ヘリシティを有する第１および第２のスフェロマックプラズマを前記閉じ込めチャンバの中に形成および注入するように構成される、請求項２６に記載のシステム。

【請求項28】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備える、請求項２４－２７に記載のシステム。

【請求項29】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、鉄心バイアスコイルシステムを含む、請求項２４－２７に記載のシステム。

【請求項30】

前記鉄心バイアスコイルシステムの前記鉄心は、約２５０の透磁率を伴う鋳鉄である、請求項２９に記載のシステム。

【請求項31】

前記鉄心バイアスコイルシステムの前記鉄心は、約２００，０００と同等またはそれよりも大きい透磁率を伴う約９９．９％のＦｅである、請求項２９に記載のシステム。

【請求項32】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、別個に制御可能である、請求項２４－２７に記載のシステム。

【請求項33】

前記第１および第２のスフェロマック注入器は、１つを上回るスフェロマックプラズマを前記閉じ込めチャンバの中にマルチパルス注入するように構成される、請求項３２に記載のシステム。

【請求項34】

前記複数の中性ビームは、第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間で調節可能であり、前記第２のビームエネルギーは、第１のビームエネルギーとは異なり、前記複数の中性ビームのビームエネルギーは、注入ショットの持続期間の間、前記第１のビームエネルギーと前記第２のビームエネルギーとの間で切り替わる、請求項２４－３３に記載のシステム。

【請求項35】

前記第１および第２のダイバータと前記閉じ込めチャンバとに介在する、第１および第２の直径方向に対向する反転磁場シータピンチ形成区分をさらに備える、請求項２４－３４に記載のシステム。

【請求項36】

前記第１および第２の直径方向に対向する反転磁場シータピンチ形成区分と前記閉じ込めチャンバとに介在する第３および第４のダイバータをさらに備える、請求項３６に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に説明される実施形態は、概して、磁気プラズマ閉じ込めシステムに関し、より具体的には、優れた安定性だけではなく、粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴う、高エネルギー高温度磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマの形成および維持を促進する、システムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

背景情報
磁場反転配位（ＦＲＣ）は、コンパクトトロイドとして知られる、磁気プラズマ閉じ込めトポロジの分類に属する。これは、主に、ポロイダル磁場を呈し、ゼロまたは小規模自己発生トロイダル磁場を有する（Ｍ． Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ， Ｎｕｃｌ． Ｆｕｓｉｏｎ ２８、２０３３（１９８８）参照）。そのような構成の魅力は、構築および保守の容易性のためのその単純な幾何学形状、エネルギーの抽出および灰の除去を促進するための無制限の自然ダイバータ、ならびに非常に高いβ（βは、ＦＲＣ内側の平均プラズマ圧力と平均磁場圧力の比率である）、すなわち、高パワー密度である。高いβの本質は、経済的動作のために、かつＤ－Ｈｅ^３およびｐ－Ｂ^１１等の進歩した非中性子燃料の使用のために有利である。

【0003】

ＦＲＣを形成する従来の方法は、磁場反転シータピンチ技術を使用し、高温高密度のプラズマを生成する（Ａ． Ｌ． Ｈｏｆｆｍａｎ ａｎｄ Ｊ． Ｔ． Ｓｌｏｕｇｈ， Ｎｕｃｌ． Ｆｕｓｉｏｎ３３， ２７（１９９３）参照）。これに関する変形例は、シータピンチ「源」内に作成されたプラズマが、概ね即座に一端を閉じ込めチャンバの中に吐出される、移行捕捉方法である。移行するプラズモイドは、次いで、チャンバの端部における２つの強力なミラー間に捕捉される（例えば、Ｈ． Ｈｉｍｕｒａ， Ｓ． Ｏｋａｄａ， Ｓ． Ｓｕｇｉｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｓ． Ｇｏｔｏ， Ｐｈｙｓ． Ｐｌａｓｍａｓ ２， １９１（１９９５）参照）。いったん閉じ込めチャンバ内に入ると、（中性または中和された）ビーム注入、回転磁場、ＲＦまたはオーム加熱等の種々の加熱および電流駆動方法が適用されてもよい。源と閉じ込め機能の本分離は、潜在的な将来の核融合炉に対して重要な工学的利点を提供する。ＦＲＣは、非常に堅固であり、動的形成、移行、および激しい捕捉事象に耐性があることが判明している。さらに、それらは、好ましいプラズマ状態を担う傾向を示す（例えば、Ｈ． Ｙ． Ｇｕｏ， Ａ． Ｌ． Ｈｏｆｆｍａｎ， Ｋ． Ｅ． Ｍｉｌｌｅｒ， ａｎｄ Ｌ． Ｃ． Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ９２， ２４５００１（２００４）参照）。過去１０年において、他のＦＲＣの形成方法の開発、すなわち、逆ヘリシティを伴うスフェロマックの融合（例えば、Ｙ． Ｏｎｏ， Ｍ． Ｉｎｏｍｏｔｏ， Ｙ． Ｕｅｄａ， Ｔ． Ｍａｔｓｕｙａｍａ， ａｎｄ Ｔ． Ｏｋａｚａｋｉ， Ｎｕｃｌ． Ｆｕｓｉｏｎ ３９， ２００１（１９９９）参照）によって、ならびに付加的な安定性も提供する、回転磁場（ＲＭＦ）を用いて電流を駆動すること（例えば、Ｉ． Ｒ． Ｊｏｎｅｓ， Ｐｈｙｓ． Ｐｌａｓｍａｓ ６， １９５０（１９９９）参照）によって、著しい進歩が成し遂げられてきた。

【0004】

かなり昔に提案された衝突融合技法（例えば、Ｄ． Ｒ． Ｗｅｌｌｓ， Ｐｈｙｓ． Ｆｌｕｉｄｓ ９， １０１０（１９６６）参照）は、さらに著しく発展してきた。すなわち、閉じ込めチャンバの対向する端部で２つの別個のシータピンチが、２つのプラズモイドを同時に生成し、プラズモイドを互いに向かって高速度で加速させ、次いで、閉じ込めチャンバの中心で衝突し、複合ＦＲＣを形成するために融合する。これまでで最大のＦＲＣ実験の１つの構築および成功した動作において、従来の衝突融合法は、安定しており、長持ちであり、高磁束、高温であるＦＲＣを生産することが示された（例えば、Ｍ． Ｂｉｎｄｅｒｂａｕｅｒ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． １０５， ０４５００３（２０１０）参照）。ごく最近、主要な進歩が、長時間にわたって、比較的高温のＦＲＣを生産する、ビーム駆動ＦＲＣ実験において、衝突融合技法を使用し（典型的なプラズマパラメータは、Ｔｅ約２５０ｅＶ、Ｔｉ約１ｋｅＶ、＜ｎｅ＞約２－３×１０^１３ｃｍ^３、Ｂｅ約１ｋＧ、プラズマ寿命約３０ｍｓ）、高電力中性ビーム（ＮＢ）注入（ＮＢＩ）および効果的な縁バイアスを使用して、成し遂げられた。（Ｇｏｔａ， Ｈ． ｅｔ ａｌ．， Ｎｕｃｌ． Ｆｕｓｉｏｎ ５７， １１６０２１ （２０１７）； Ｇｏｔａ， Ｈ． ｅｔ ａｌ．， Ｎｕｃｌ． Ｆｕｓｉｏｎ ５９， １１２００９ （２０１９）， ａｎｄ Ｇｏｔａ， Ｈ． ｅｔ ａｌ．， Ｂｕｌｌ． Ａｍ． Ｐｈｙｓ． Ｓｏｃ． ６４， ＵＰ１０．００１２３ （２０１９）参照）。そのような実験では、ＮＢＩのための標的プラズマは、磁場反転シータピンチ（ＦＲＴＰ）動的形成技法（Ｂｉｎｄｅｒｂａｕｅｒ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． １０５）を使用して、２つのＦＲＣプラズマの衝突および融合によって生産され、本技法においては、融合されたＦＲＣの捕捉される磁束は、閉じ込め区分内に約１ｋＧの外部磁場を伴う、リジッドローターモデルに基づいて、最初は約５ｍＷｂである。１３ＭＷ以上の高電力（ショット中に、ビームエネルギーを調整することによって、最大約２１ＭＷ増加する）を標的プラズマの中に注入することによって、注入された高速粒子は、捕捉され、主として電子を加熱するためだけではなく、電流駆動のために、大軌道を伴う区分線の内側および外側に進行し、この中で、高速イオンは、ほぼ古典的に閉じ込められる。本高電力ＮＢＩは、任意の他のＣＴ実験で獲得されておらず、ビーム駆動ＦＲＣ概念の妥当性およびその技術的な準備性の非常に重要な実証であった。（Ｇｏｔａ， Ｎｕｃｌ． Ｆｕｓｉｏｎ ５９； Ｇｏｔａ， Ｂｕｌｌ． Ａｍ． Ｐｈｙｓ． Ｓｏｃ． ６４）。

【0005】

高磁束対象ＦＲＣプラズマを生成するために改良されたシステム、デバイス、および方法、ならびに軸方向補給が望ましい。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

システム、デバイス、および方法の例示的実施形態が、高磁束標的ＦＲＣプラズマを生成し、ＦＲＣプラズマを軸方向に補給するために、本明細書に提供される。最適な初期高磁束標的ＦＲＣプラズマを生成するために、（ＣＴ注入器とも呼ばれる）中規模のスフェロマック注入器が、中心に位置付けられるプラズマ閉じ込めチャンバの端部に対向して結合される。スフェロマック注入器は、スフェロマックを閉じ込めチャンバの中央平面に向かって注入し、スフェロマックは、閉じ込めチャンバ内でＦＲＣプラズマを融合および形成する。２つのスフェロマックの逆ヘリシティ融合は、上昇および捕捉された磁束を伴うＦＲＣプラズマを生成する傾向がある。複数の中性ビーム注入器はまた、閉じ込めチャンバに結合され、ＦＲＣプラズマを駆動および維持する。

【0007】

例示的実施形態では、中性ビーム注入器は、初期電力レベルから増加された電力レベルまで調節可能である。

【0008】

さらなる例示的実施形態では、スフェロマック注入器は、効果的な補給および還流のために、閉じ込めチャンバの幾何学的軸に沿って、マルチパルス式スフェロマックをＦＲＣプラズマの中に注入することが可能である。

【0009】

本明細書に説明される主題の他のシステム、デバイス、方法、特徴、および利点は、以下の図および発明を実施するための形態の吟味に応じて、当業者に明白である、または明白となるであろう。全てのそのような付加的なシステム、方法、特徴、および利点は、本明細書内に含まれ、本明細書内で説明される主題の範囲内にあり、付随の請求項によって保護されることが意図される。例示的実施形態の各特徴は、請求項内にそれらの特徴の明示的列挙がない場合でも、添付の請求項を限定するものとしていかようにも解釈されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

本明細書の一部として含まれる、付随の図面は、現在の例示的実施形態を図示し、上記に与えられた概要および下記に与えられる例示的実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明および教示する役割を果たす。

【0011】

【図1】図１は、従来のＦＲＣ体系（ＣＲ）下と対比した、かつ他の従来のＦＲＣ実験と対比した、高性能ＦＲＣ体系（ＨＰＦ）下における本ＦＲＣシステムにおける粒子閉じ込めを図示する。

【0012】

【図2】図２は、本ＦＲＣシステムの構成要素および本ＦＲＣシステムにおいて生産可能なＦＲＣの磁気トポロジを図示する。

【0013】

【図3A】図３Ａは、上部から見た本ＦＲＣシステムの基本レイアウトを図示し、中心閉じ込め容器と、形成区分と、中性ビームと、電極と、プラズマガンと、ミラープラグと、ペレット注入器との好ましい配列を含む。

【0014】

【図3B】図３Ｂは、上部から見た中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して法線である角度で配列される、中性ビームを示す。

【0015】

【図3C】図３Ｃは、上部から見た中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して法線未満である角度で配列され、粒子を中心閉じ込め容器の中央平面に向かって注入するように指向される、中性ビームを示す。

【0016】

【図3D】図３Ｄおよび３Ｅは、それぞれ、本ＦＲＣシステムの代替実施形態の基本レイアウトの上面図および斜視図を図示し、中心閉じ込め容器と、形成区分と、内側および外側ダイバータと、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して法線未満の角度で配列される中性ビームと、電極と、プラズマガンと、ミラープラグとの好ましい配列を含む。

【図3E】図３Ｄおよび３Ｅは、それぞれ、本ＦＲＣシステムの代替実施形態の基本レイアウトの上面図および斜視図を図示し、中心閉じ込め容器と、形成区分と、内側および外側ダイバータと、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して法線未満の角度で配列される中性ビームと、電極と、プラズマガンと、ミラープラグとの好ましい配列を含む。

【0017】

【図4】図４は、形成区分のためのパルス式パワーシステムの構成要素の概略を図示する。

【0018】

【図5】図５は、個々のパルス式パワー形成スキッドの等角図を図示する。

【0019】

【図6】図６は、形成管アセンブリの等角図を図示する。

【0020】

【図7】図７は、中性ビームシステムおよび重要な構成要素の部分的な断面等角図を図示する。

【0021】

【図8】図８は、閉じ込めチャンバ上の中性ビーム配列の等角図を図示する。

【0022】

【図9】図９は、ＴｉおよびＬｉゲッタリングシステムの好ましい配列の部分的な断面等角図を図示する。

【0023】

【図10】図１０は、ダイバータチャンバ内に配設される、プラズマガンの部分的な断面等角図を図示する。関連付けられる磁気ミラープラグおよびダイバータ電極アセンブリもまた示される。

【0024】

【図11】図１１は、閉じ込めチャンバの軸方向端部における環状バイアス電極の好ましいレイアウトを図示する。

【0025】

【図12】図１２は、２つの磁場反転シータピンチ形成区分における、一連の外部反磁性ループ、および中心金属閉じ込めチャンバの内側に埋設される、磁気プローブから取得される、ＦＲＣシステム内の除外された磁束半径の進化を図示する。時間は、形成源における同期磁場反転の瞬間から測定され、距離ｚは、機械の軸方向中央平面に対して与えられる。

【0026】

【図13】図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄは、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦ非持続的放電からのデータを図示する。時間の関数として、中央平面における除外された磁束半径（図１３Ａ）と、中央平面ＣＯ_２干渉計からの６コードの線積分密度（図１３Ｂ）と、ＣＯ_２干渉計データからのアーベル変換密度半径方向プロファイル（図１３Ｃ）と、圧力平衡からの合計プラズマ温度（図１３Ｄ）とが示される。

【0027】

【図14】図１４は、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄに示される、本ＦＲＣシステムの同一の放電に対する、選択された時間における、除外された磁束軸方向プロファイルを図示する。

【0028】

【図15】図１５は、閉じ込めチャンバの外側に搭載される、鞍形コイルの等角図を図示する。

【0029】

【図16】図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、および図１６Ｄは、注入された中性ビームのＦＲＣ寿命時間およびパルス長の相関を図示する。示されるように、より長いビームパルスは、より長く存続するＦＲＣを生産する。

【0030】

【図17】図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ、および図１７Ｄは、ＦＲＣ性能に及ぼされるＦＲＣシステムの異なる構成要素の個々のおよび組み合わせられた影響と、ＨＰＦ体系の獲得とを図示する。

【0031】

【図18】図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、および図１８Ｄは、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦ非持続型放電からのデータを図示する。時間の関数として、中央平面における除外された磁束半径（図１８Ａ）と、中央平面ＣＯ_２干渉計からの６コードの線積分密度（図１８Ｂ）と、ＣＯ_２干渉計データからのアーベル変換密度半径方向プロファイル（図１８Ｃ）と、圧力平衡からの合計プラズマ温度（図１８Ｄ）とが示される。

【0032】

【図19】図１９は、電子温度（Ｔ_ｅ）の関数として、磁束閉じ込めを図示する。これは、ＨＰＦ放電のために、新しく確立された優れたスケーリング体系のグラフ表現を表す。

【0033】

【図20】図２０は、角度付けられていない、および角度付けられた注入される中性ビームのパルス長に対応する、ＦＲＣ寿命時間を図示する。

【0034】

【図21】図２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、および２１Ｅは、角度付けられた注入される中性ビームのパルス長と、角度付けられた注入される中性ビームのパルス長に対応する、プラズマ半径、プラズマ密度、プラズマ温度、および磁束のＦＲＣプラズマパラメータの寿命とを図示する。

【0035】

【図22】図２２Ａおよび２２Ｂは、コンパクトトロイド（ＣＴ）注入器の基本レイアウトを図示する。

【0036】

【図23】図２３Ａおよび２３Ｂは、中心閉じ込め容器を図示し、そこに搭載されたＣＴ注入器を示す。

【0037】

【図24】図２４Ａおよび２４Ｂは、そこに結合されたドリフトチューブを有する、ＣＴ注入器の代替実施形態の基本レイアウトを図示する。

【0038】

【図25】図２５は、調整可能エネルギービーム出力のための中性ビームシステムおよび重要構成要素の断面等角図を図示する。

【0039】

【図26】図２６は、調整可能エネルギービーム出力を伴う中性ビームシステムを図示する、概略図である。

【0040】

【図27】図２７は、閉じ込め容器（ＣＶ）内のＦＲＣプラズマの軸方向位置制御機構を図示する、概略図である。

【0041】

【図28】図２８は、一般的スライディングモード制御スキームのフロー図である。

【0042】

【図29】図２９は、スライディングモード軸方向位置制御シミュレーションの実施例の複合グラフである。

【0043】

【図30】図３０は、スライディングモード軸方向位置制御シミュレーションの実施例の複合グラフである。

【0044】

【図31A】図３１Ａおよび３１Ｂは、対向するスフェロマック注入器を伴う、ＦＲＣ閉じ込めシステムの例示的実施形態を描写する、概略図である。

【図31B】図３１Ａおよび３１Ｂは、対向するスフェロマック注入器を伴う、ＦＲＣ閉じ込めシステムの例示的実施形態を描写する、概略図である。

【0045】

【図32】図３２Ａ、図３２Ｂ、図３２Ｃ、および図３２Ｄは、逆ヘリシティスフェロマック融合を介する、ＦＲＣ形成プロセスにおける各ステップを図示する。

【0046】

【図33】図３３は、スフェロマック注入器の例示的実施形態を描写する、概略図である。

【0047】

図は、必ずしも縮尺通りではなく、類似構造または機能の各要素は、概して、図全体を通して、例示的目的のために、同様の参照番号によって表されることに留意されたい。また、図は、本明細書に説明される、種々の実施形態の説明を促進するためだけに意図されていることに留意されたい。図は、必ずしも、本明細書に開示される教示のあらゆる側面を説明するものではなく、請求項の範囲を限定するものでもない。

【発明を実施するための形態】

【0048】

本主題が詳細に説明される前に、本開示は、説明される特定の実施形態に限定されず、したがって、当然ながら、変動し得ることを理解されたい。本開示の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるであろうため、本明細書内で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのためにあり、限定することは意図されないこともまた、理解されたい。

【0049】

別個および組み合わせの両方において、これらの付加的な特徴および教示の多くを利用する、本明細書に説明される実施形態の代表的実施例が、ここで、添付の図面を参照して説明されるであろう。本詳細な説明は、単に、当業者に、本教示の好ましい側面を実践するためのさらなる詳細を教示することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、以下の詳細な説明において開示される特徴およびステップの組み合わせは、最も広義には、本発明を実践するために必要ではなくてもよく、代わりに、本教示の代表的実施例を特に説明するためだけに教示される。

【0050】

さらに、代表的実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示の付加的有用な実施形態を提供するために、具体的かつ明示的に列挙されない方法で組み合わせられてもよい。加えて、説明および／または請求項に開示される全ての特徴は、元々の開示の目的のためだけではなく、実施形態および／または請求項における特徴の複合物から独立して、請求される主題を制限する目的のために、相互から別個にかつ独立して開示されることが意図されることに明示的に留意されたい。また、全ての値範囲またはエンティティの群の指示は、元々の開示の目的のためだけではなく、請求される主題を制限する目的のために、あらゆる可能性として考えられる中間値または中間エンティティを開示することにも明示的に留意されたい。

【0051】

本明細書に提供される本実施形態は、優れた安定性だけではなく、粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴って、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法を対象とする。本実施形態のいくつかは、調整可能ビームエネルギー能力を備える、中性ビーム注入器を利用しながら、上昇されたシステムエネルギーおよび改良された持続性を伴って、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法を対象とする。本実施形態のいくつかはまた、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマの平衡の軸方向安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法を対象とする。

【0052】

一対の中規模スフェロマック注入器（または磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ））を利用して、高磁束標的ＦＲＣプラズマの生成および維持、ならびにＦＲＣプラズマの軸方向補給を促進する、システムおよび方法に目を向ける前に、従来のＦＲＣに優る、優れた安定性だけではなく、優れた粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴う、高性能ＦＲＣを形成および維持するためのシステムおよび方法の議論が、提供される。そのような高性能ＦＲＣは、（医療用同位体生産、核廃棄物浄化、材料研究、中性子Ｘ線撮影、および断層撮影のための）コンパクト中性子源、（化学生産および処理のための）コンパクト光子源、質量分離および濃縮システム、ならびに将来のエネルギー生成のための軽核の融合用炉心を含む、あらゆる種々の用途への経路を提供する。

【0053】

種々の補助的なシステムおよび動作モードが、ＦＲＣ内の優れた閉じ込め体系が存在するかどうかを評価するために、探求されてきた。これらの努力は、本明細書に説明される高性能ＦＲＣパラダイムの画期的な発見および開発につながってきた。本新パラダイムによると、本システムおよび方法は、多数の新規のアイデアおよび手段を組み合わせ、図１に図示されるように、ＦＲＣ閉じ込めを著しく改良するだけではなく、負の副作用もなく、安定性制御を提供する。下記により詳細に議論されるように、図１は、ＦＲＣを形成および維持するための従来の体系（ＣＲ）に従って動作することに対比した、かつ他の実験で使用されるＦＲＣを形成および維持するための従来の体系に従って粒子閉じ込めと対比した、ＦＲＣを形成および維持するための高性能ＦＲＣ体系（ＨＰＦ）に従って動作する、下記に説明される、ＦＲＣシステム１０内の粒子閉じ込めを描写する（図２および図３参照）。本開示は、ＦＲＣシステム１０および方法の革新的な個々の構成要素だけではなく、それらの集合効果についての概要および詳細を述べるであろう。
ＦＲＣシステム
真空システム

【0054】

図２および図３は、本ＦＲＣシステム１０の概略図を描写する。ＦＲＣシステム１０は、２つの直径方向に対向する反転磁場シータピンチ形成区分２００によって囲繞される、中心閉じ込め容器１００と、形成区分２００を越えて、中性密度および不純物汚染を制御するためのダイバータチャンバ３００とを含む。本ＦＲＣシステム１０は、超高真空を収容し、１０^－８トルの典型的な底面圧で動作するように構築された。そのような真空圧は、噛合部品間の二連ポンプ噛合フランジ、金属Ｏ環、および高純度内壁の使用だけではなく、物理的かつ化学的洗浄等、組立に先立って、全ての部品の慎重な初期表面調整後の２４時間２５０℃真空焼成および水素グロー放電洗浄を要求する。

【0055】

反転磁場シータピンチ形成区分２００は、標準磁場反転シータピンチ（ＦＲＴＰ）であるが、下記に詳細に議論される、高度パルス式電力形成システム（図４－６参照）を伴う。各形成区分２００は、超高純度石英の２ミリメートルの内側裏張りを特徴とする、標準不透明工業グレード石英管から作製される。閉じ込めチャンバ１００は、ステンレス鋼から作製され、多数の半径方向および接線方向ポートを可能にし、これはまた、下記に説明される実験の時間尺度上の磁束コンサーバとしての役割も果たし、高速磁気過度電流を限定する。真空は、ドライスクロール粗引きポンプと、ターボ分子ポンプと、低温ポンプとのセットを用いて、ＦＲＣシステム１０内で作成および維持される。
磁気システム

【0056】

磁気システム４００は、図２および図３に図示される。図２は、他の特徴の中でもとりわけ、ＦＲＣシステム１０によって生産可能なＦＲＣ４５０に関連する、（半径方向座標および軸方向座標の関数としての）ＦＲＣ磁束および密度等高線を図示する。これらの等高線は、ＦＲＣシステム１０に対応するシステムおよび方法をシュミレーションするために開発されたコードを使用して、２Ｄ抵抗ホールＭＨＤ数値シュミレーションによって取得されたものであり、測定された実験データと非常に合致する。図２に見られるように、ＦＲＣ４５０は、区分線４５１の内側のＦＲＣ４５０の内部４５３における閉場線のトーラスと、区分線４５１のすぐ外側の開場線４５２上の環状縁層４５６とから成る。縁層４５６は、ＦＲＣの長さを越えて、ジェット４５４の中に合体し、自然ダイバータを提供する。

【0057】

主磁気システム４１０は、構成要素に沿って、すなわち、閉じ込めチャンバ１００に沿って、特定の軸方向位置に置かれる、一連の準直流コイル４１２、４１４、および４１６と、ＦＲＣシステム１０の形成区分２００と、ダイバータ３００とを含む。準直流コイル４１２、４１４、および４１６は、準直流切替電源供給源によって給送され、閉じ込めチャンバ１００と、形成区分２００と、ダイバータ３００との中に、約０．１Ｔの基本磁気バイアス場を生産する。準直流コイル４１２、４１４、および４１６に加えて、主磁気システム４１０は、閉じ込めチャンバ１００の両端とその近接形成区分２００との間に、（切替供給源によって送給される）準直流ミラーコイル４２０を含む。準直流ミラーコイル４２０は、最大５の磁気ミラー比を提供し、平衡成形制御のために独立して励起されることができる。加えて、ミラープラグ４４０が、各形成区分２００と各ダイバータ３００との間に位置付けられる。ミラープラグ４４０は、コンパクト準直流ミラーコイル４３０と、ミラープラグコイル４４４とを備える。準直流ミラーコイル４３０は、付加的誘導場を提供し、ミラープラグコイル４４４を通して通過する、小径通路４４２に向かって、磁束表面４５５を集束させる３つのコイル４３２、４３４、および４３６（切替供給源によって送給される）を含む。ミラープラグコイル４４４は、小径通路４４２の周囲に被着し、ＬＣパルス型電力回路によって給送されるが、最大４Ｔの強磁気ミラー場を生産する。本コイル配列全体の目的は、磁束表面４５５および端部荷電プラズマジェット４５４をダイバータ３００の遠隔チャンバ３１０の中に緊密に結束および誘導することである。最後に、鞍形コイル「アンテナ」のセット４６０（図１５参照）が、閉じ込めチャンバ１００の外側に位置し、中央平面の両側上の２つは、直流電源供給源によって給送される。鞍形コイルアンテナ４６０は、回転不安定性の制御および／または電子電流制御のために、約０．０１Ｔの準静的磁気双極または四重極場を提供するように構成されることができる。鞍形コイルアンテナ４６０は、印加される電流の方向に応じて、機械の中央平面を中心として対称もしくは非対称である、磁場を柔軟に提供することができる。
パルス型電力形成システム

【0058】

パルス型電力形成システム２１０は、修正されたシータピンチ原理で動作する。２つのシステムが存在し、それぞれが、形成区分２００のうちの１つに電力を供給する。図４－図６は、形成システム２１０の主構築ブロックおよび配列を図示する。形成システム２１０は、形成石英管２４０の周囲に被着する、ストラップアセンブリ２３０（＝ストラップ）のコイル２３２のサブセットをそれぞれ励起する、個々のユニット（＝スキッド）２２０から成る、モジュール式のパルス型電力配列から成る。各スキッド２２０は、コンデンサ２２１と、インダクタ２２３と、高速高電流スイッチ２２５および関連付けられるトリガ２２２と、ダンプ回路２２４とから成る。全体として、各形成システム２１０は、３５０～４００ｋＪの容量エネルギーを貯蔵し、ＦＲＣを形成し、加速させるために、最大３５ＧＷの電力を提供する。本構成要素の協調された動作は、最先端のトリガならびに制御システム２２２および２２４を介して達成され、各形成区分２００上の形成システム２１０の間で同期されたタイミングを可能にし、切替ジッタを数十ナノ秒まで最小限にする。本モジュール式設計の利点は、その柔軟な動作である。すなわち、ＦＲＣは、原位置で形成され、次いで、加速および注入される（静的形成）、もしくは同時に形成および加速される（動的形成）ことができる。
中性ビーム注入器

【0059】

中性原子ビーム６００が、ＦＲＣシステム１０上に展開され、加熱および電流駆動を提供するだけではなく、高速粒子圧力を発生させる。図３Ａ、図３Ｂ、および図８に示されるように、中性原子ビーム注入器システム６１０および６４０を構成する、個々のビーム線は、中心閉じ込めチャンバ１００の周囲に位置し、衝突パラメータを用いて、高速粒子をＦＲＣプラズマに対して接線方向に（かつ中心閉じ込め容器１００内の対称長軸に対して垂直または法線である角度で）注入し、標的捕捉ゾーンが、十分に区分線４５１（図２参照）の範囲内にあるようにする。各注入器システム６１０および６４０は、２０～４０ｋｅＶの粒子エネルギーを用いて、最大１ＭＷの中性ビームパワーをＦＲＣプラズマの中に注入可能である。システム６１０および６４０は、正イオン多開口抽出源に基づいており、幾何学的集束、イオン抽出グリッドの慣性冷却、および差動ポンプを利用する。異なるプラズマ源の使用は別として、システム６１０および６４０は、主に、側方および上方注入能力をもたらす、その個別の搭載場所を満たすようなその物理的設計によって区別される。これらの中性ビーム注入器の典型的な構成要素は、側方注入器システム６１０に関する図７に具体的に図示される。図７に示されるように、各個々の中性ビームシステム６１０は、端部を被覆する磁気遮蔽６１４とともに、入力端部（これは、システム６４０内のアーク源で代用される）にＲＦプラズマ源６１２を含む。イオン光学源および加速グリッド６１６は、プラズマ源６１２に結合され、ゲート弁６２０は、イオン光学源および加速グリッド６１６と中和装置６２２との間に位置付けられる。偏向磁石６２４およびイオンダンプ６２８は、中和装置６２２と出口端部における照準デバイス６３０との間に位置する。冷却システムは、２つの低温冷凍機６３４と、２つの低温パネル６３６と、ＬＮ２シュラウド６３８とを備える。本柔軟性のある設計は、広範囲のＦＲＣパラメータにわたる動作を可能にする。

【0060】

中性原子ビーム注入器６００のための代替構成は、高速粒子をＦＲＣプラズマに対して接線方向に注入するが、角度Ａは、中心閉じ込め容器１００内の対称長軸に対して９０°未満であるものである。ビーム注入器６１５のこれらのタイプの配向は、図３Ｃに示される。加えて、ビーム注入器６１５は、中心閉じ込め容器の中央平面の両側のビーム注入器６１５が、それらの粒子を中央平面に向かって注入するように配向されてもよい。最後に、これらのビームシステム６００の軸方向位置は、中央平面により近接するように選定されてもよい。これらの代替注入の実施形態は、より中心における燃料補給選択肢を促進し、これは、ビームのより優れた結合、および注入される高速粒子のより高い捕捉効率を提供する。さらに、角度および軸方向位置に応じて、ビーム注入器６１５の本配列は、ＦＲＣ４５０の軸方向伸長および他の特性のより直接的かつ独立した制御を可能にする。例えば、ビームを容器の対称長軸に対して浅角Ａで注入することは、より長い軸方向伸展およびより低い温度を伴うＦＲＣプラズマを作成するであろう一方、より垂直な角度Ａで取り上げることは、軸方向により短いが、より高温のプラズマにつながるであろう。本方式では、ビーム注入器６１５の注入角度Ａおよび場所は、異なる目的のために最適化されることができる。加えて、ビーム注入器６１５のそのような角度付けおよび位置付けは、（概して、より少ないビーム分散を伴う、より多くのパワーを堆積させるためにより好ましい）より高いエネルギーのビームが、そうでなければ、そのようなビームを捕捉するために必要となるであろうものより低い磁場の中に注入されることを可能にする。これは、（容器の対称長軸に対する注入角度が一定ビームエネルギーで低減されるにつれて、徐々に小さくなる）高速イオン軌道スケールを判定するのが、エネルギーの方位角成分であるという事実に起因する。さらに、中央平面に向かって角度付けられた注入、および中央平面に近接する軸方向ビーム位置は、注入周期の間に、たとえＦＲＣプラズマが、収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム－プラズマ結合を改良する。

【0061】

図３Ｄおよび図３Ｅに目を向けると、ＦＲＣシステム１０の別の代替構成は、角度付けられたビーム注入器６１５に加え、内側ダイバータ３０２を含む。内側ダイバータ３０２は、形成区分２００と閉じ込めチャンバ１００との間に位置付けられ、外側ダイバータ３００と実質的に類似するように構成され、動作する。その中に高速切替磁気コイルを含む、内側ダイバータ３０２は、形成プロセスの間、事実上、非アクティブであって、形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって平行移動するにつれて、形成ＦＲＣが、内側ダイバータ３０２を通して通過することを可能にする。いったん形成ＦＲＣが、内側ダイバータ３０２を通して、閉じ込めチャンバ１００の中に通過すると、内側ダイバータは、アクティブ化され、外側ダイバータと実質的に類似するように動作し、閉じ込めチャンバ１００を形成区分２００から隔離する。
ペレット注入器

【0062】

新しい粒子を注入するための手段を提供し、ＦＲＣの粒子装荷量をより良好に制御するために、１２バレルのペレット注入器７００（例えば、Ｉ． Ｖｉｎｙａｒ ｅｔ ａｌ．， “Ｐｅｌｌｅｔ Ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｔ ＰＥＬＩＮ ｆｏｒ ＪＥＴ， ＴＡＥ， ａｎｄ ＨＬ－２Ａ，” Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２６ｔｈ Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ０９／２７ ｔｏ １０／０１ （２０１０）参照）が、ＦＲＣシステム１０上で利用される。図３は、ＦＲＣシステム１０上のペレット注入器７００のレイアウトを図示する。円筒状ペレット（Ｄ約１ｍｍ、Ｌ約１～２ｍｍ）は、１５０～２５０ｋｍ／ｓの範囲内の速度で、ＦＲＣの中に注入される。個々のペレットはそれぞれ、約５×１０^１９個の水素原子を含有し、ＦＲＣ粒子装荷量と比較可能である。
ゲッタリングシステム

【0063】

中性ハロガスが、全ての閉じ込めシステムにおける重大な問題であることは周知である。電荷交換および再生利用（壁からの冷不純物材料の解放）プロセスは、エネルギーおよび粒子閉じ込めに及ぼされる、壊滅的な影響を有し得る。加えて、縁またはその近傍における中性ガスの任意の有意な密度は、注入された大軌道（高エネルギー）粒子（大軌道は、ＦＲＣトポロジ規模の軌道または少なくとも特性的磁場勾配長よりもかなり大きい軌道半径を有する粒子を指す）の寿命の即座の損失または少なくとも大幅な削減、すなわち、補助的なビーム加熱を介した融合を含む、全てのエネルギープラズマ用途にとって有害であるという事実につながるであろう。

【0064】

表面調整は、それによって、中性ガスおよび不純物のその有害な影響が、閉じ込めシステム内で制御または低減され得る手段である。この目的を達成するために、本明細書に提供されるＦＲＣシステム１０は、チタンおよびリチウム堆積システム８１０および８２０を採用し、Ｔｉおよび／またはＬｉのフィルム（数十ミクロンの厚さ）を用いて、閉じ込めチャンバ（または容器）１００ならびにダイバータ３００および３０２のプラズマ対向表面をコーティングする。コーティングは、蒸着技法を介して達成される。固体のＬｉおよび／またはＴｉは、蒸発および／または昇華され、近傍表面上に噴霧され、コーティングを形成する。源は、誘導ノズルを伴う原子オーブン（Ｌｉの場合）８２２である、もしくは誘導シュラウド（Ｔｉの場合）８１２を伴う固体の加熱された球体である。Ｌｉ蒸発器システムは、Ｔｉ昇華装置が、大抵、プラズマ動作の合間に、断続的に動作される間、典型的には、連続モードで動作する。これらのシステムの動作温度は、高速堆積率を取得するためには、６００℃を上回る。十分な壁被覆を達成するためには、多数の方略的に位置する蒸発器／昇華装置システムが必要である。図９は、ＦＲＣシステム１０内のゲッタリング堆積システム８１０および８２０の好ましい配列について詳細に示す。コーティングは、ゲッタリング表面として作用し、原子および分子の水素種（ＨおよびＤ）を効果的に圧送する。コーティングはまた、有意ではないレベルまで、炭素および酸素等の他の典型的な不純物を低減させる。
ミラープラグ

【0065】

前述したように、ＦＲＣシステム１０は、図２および図３に示されるように、ミラーコイル４２０、４３０、および４４４のセットを採用する。ミラーコイル４２０の第１のセットは、閉じ込めチャンバ１００の２つの軸方向端部に位置し、主磁気システム４１０のＤＣ閉じ込めコイル、形成コイル、およびダイバータコイル、４１２、４１４、および４１６から独立して励起される。ミラーコイル４２０の第１のセットは、主に、融合中は、ＦＲＣ４５０を操向し、軸方向に含有することに役立ち、持続中は、平衡成形制御を提供する。第１のミラーコイルセット４２０は、中心閉じ込めコイル４１２によって生産される。中心閉じ込め場よりも、公称上高い磁場（約０．４～０．５Ｔ）を生産する。ミラーコイル４３０の第２のセットは、３つのコンパクト準直流ミラーコイル４３２、４３４、および４３６を含むが、形成区分２００とダイバータ３００との間に位置し、共通の切替電力供給源によって駆動される。ミラーコイル４３２、４３４、および４３６は、（容量電力供給源によって給送される）よりコンパクトなパルス型ミラープラグコイル４４４と、物理的狭窄部４４２とともに、非常に高い磁場（約１０～２０ｍｓの立ち上がり時間を伴って、２～４Ｔ）を伴う、細い低ガス伝導性経路を提供する、ミラープラグ４４０を形成する。最もコンパクトなパルス型ミラーコイル４４４は、閉じ込めコイル４１２、４１４、および４１６のメータープラススケールボアおよびパンケーキ設計と比較すると、半径方向寸法がコンパクトであり、２０ｃｍおよび類似の長さのボアを有する。ミラープラグ４４０の目的は、多種多様である。すなわち、（１）コイル４３２、４３４、４３６、および４４４は、磁束表面４５２および端部荷電プラズマジェット４５４を遠隔ダイバータチャンバ３００の中に緊密に結束および誘導する。これは、排出粒子が、適切にダイバータ３００に到達すること、かつ中心ＦＲＣ４５０の開場線４５２領域からダイバータ３００まで辿る、連続磁束表面４５５が存在することを確実にする。（２）ＦＲＣシステム１０内の物理的狭窄部４４２は、それを通して、コイル４３２、４３４、４３６、および４４４が、磁束表面４５２およびプラズマジェット４５４の通過を可能にするが、ダイバータ３００内に着座する、プラズマガン３５０からの中性ガス流動に妨害を提供する。同じように、狭窄部４４２は、形成区分２００からダイバータ３００へのガスの逆流を阻止し、それによって、ＦＲＣの始動を開始するとき、ＦＲＣシステム１０全体の中に導入される必要がある、中性粒子の数を低減させる。（３）コイル４３２、４３４、４３６、および４４４によって生産される、強軸方向ミラーは、軸粒子損失を低減させる、それによって、開場線上の平行粒子の拡散性を低減させる。

【0066】

図３Ｄおよび図３Ｅに示される代替構成では、薄型縮径コイル４２１のセットが、内側ダイバータ３０２と形成区分２００との間に位置付けられる。
軸方向プラズマガン

【0067】

ダイバータ３００のダイバータチャンバ３１０内に搭載される、ガン３５０からのプラズマ流は、安定性および中性ビーム性能を改良することが意図される。ガン３５０は、図３および図１０に図示されるように、ダイバータ３００のチャンバ３１０の内側の軸上に搭載され、ダイバータ３００内の開場線４５２に沿って、閉じ込めチャンバ１００の中心に向かって流動する、プラズマを生産する。ガン３５０は、ワッシャスタックチャネル内の高密度ガス放電で動作し、５～１０ｍｓにわたって、数キロアンペアの完全にイオン化されたプラズマを生成するように設計される。ガン３５０は、閉じ込めチャンバ１００内のプラズマの望ましいサイズを伴って、出力プラズマ流に整合する、パルス型磁気コイルを含む。ガン３５０の技術的なパラメータは、５～１３ｃｍの外径および最大約１０ｃｍの内径を有するチャネルによって特性評価され、０．５～２．３Ｔのガン内在磁場を伴って、４００～６００Ｖで、１０～１５ｋＡの放電電流を提供する。

【0068】

ガンプラズマ流は、ミラープラグ４４０の磁場を貫通し、形成区分２００および閉じ込めチャンバ１００の中に流動することができる。ミラープラグ４４０を通したプラズマ伝送の効率は、ガン３５０とプラグ４４０との間の距離の減少に伴って、ならびにプラグ４４０をより広くかつより短くすることによって、増加する。合理的条件下では、ガン３５０は、それぞれ、約１５０～３００ｅＶおよび約４０～５０ｅＶの高いイオンおよび電子温度を伴って、２～４Ｔのミラープラグ４４０を通して、約１０^２２個の陽子／秒を送達することができる。ガン３５０は、ＦＲＣ縁層４５６の有意な補給およびＦＲＣ粒子閉じ込め全体の改良を提供する。

【0069】

プラズマ密度をさらに増加させるために、ガスボックスが、付加的なガスをガン３５０からプラズマ流の中に吐出するために利用されることができるであろう。本技法は、注入されたプラズマの密度を数倍増加させることができる。ＦＲＣシステム１０では、ミラープラグ４４０のダイバータ３００側上に配設される、ガスボックスは、ＦＲＣ縁層４５６の補給、ＦＲＣ４５０の形成、およびプラズマ線連結を改良する。

【0070】

上記に議論される、全ての調節パラメータを前提として、また、１つのみまたは両方のガンを用いた動作が可能であることを考慮に入れると、広帯域の動作モードが利用可能であることは、容易に明白である。

バイアス電極

【0071】

開磁束面に電気的にバイアスをかけることは、制御機構を提供する、方位角Ｅ×Ｂ運動を起こす、半径方向の電位を提供し、ノブを回すことと同様に、開場線プラズマの回転だけではなく、速度剪断を介した実際のＦＲＣコア４５０を制御することができる。本制御を遂行するために、ＦＲＣシステム１０は、機械の種々の部品内に方略的に設置される、種々の電極を採用する。図３は、ＦＲＣシステム１０内の好ましい場所に位置付けられる、バイアス電極を描写する。

【0072】

原則として、４つのクラスの電極がある。すなわち、（１）局所的充電を提供するための、ＦＲＣ４５０の縁内の特定の開場線４５２と接触する、閉じ込めチャンバ１００内の点電極９０５、（２）方位角的対称方式で遠縁磁束層４５６を充電するための、閉じ込めチャンバ１００と形成区分２００との間の環状電極９００、（３）多数の同心磁束層４５５を充電するための、ダイバータ３００内の同心電極９１０のスタック（各層の選択は、適切な電極９１０上で所望の磁束層４５６を終端させるように、ダイバータ磁場を調節するためのコイル４１６を調節することによって制御可能である）、および最後に、（４）（ＦＲＣ４５０の区分線の近傍で、内側開磁束面４５５を奪取する）プラズマガン３５０自体のアノード９２０（図１０参照）である。図１０および図１１は、これらの中のいくつかに対して、いくつかの典型的な設計を示す。

【0073】

全ての場合において、これらの電極は、最大約８００Ｖの電圧で、パルス型または直流電源によって駆動される。電極のサイズおよび横断されている磁束面に応じて、電流は、キロアンペアの範囲で引き込まれることができる。
ＦＲＣシステムの非持続型動作－従来の体系

【0074】

ＦＲＣシステム１０上の標準プラズマ形成は、十分に開発された、反転磁場シータピンチ技法に従う。ＦＲＣを始動するための典型的なプロセスは、準直流コイル４１２、４１４、４１６、４２０、４３２、４３４、および４３６を定常状態動作に駆動することによって開始する。パルス型電力形成システム２１０のＲＦＴＰパルス型電力回路は、次いで、パルス型高速反転磁場コイル２３２を駆動し、形成区分２００内に、約０．０５Ｔの一時的な反転バイアスを作成する。この時点で、９～２０ｐｓｉで所定の量の中性ガスが、形成区分２００の外側端部上に位置するフランジにおいて方位角的に配向される吐出谷のセットを介して、（北側および南側の）形成区分２００の石英管チャンバ２４０によって画定される、２つの形成容積に注入される。次いで、小規模ＲＦ（約数百キロヘルツ）場が、石英管２４０の表面上に、アンテナのセットから生成され、中性ガス柱内で、局所的シードイオン化領域の形態で、予備イオン化を作成する。この後、パルス型高速反転磁場コイル２３２を駆動する電流上に、シータ共鳴変調を印加し、これは、ガス柱のさらに包括的な予備イオン化につながる。最後に、パルス型電力形成システム２１０の主パルス型電力バンクが、パルス型高速反転磁場コイル２３２を駆動するために始動され、最大０．４Ｔの順方向バイアス場を作成する。本ステップは、時系列であり得、順方向バイアス場が、形成管２４０の長さを通して均一に生成される（静的形成）、もしくは連続蠕動場の変調が、形成管２４０の軸に沿って達成される（動的形成）。

【0075】

本形成プロセス全体では、プラズマ内で実際の磁場反転が、約５μｓ内で急速に発生する。形成するプラズマに送達される、マルチギガワットパルス型電力は、容易に高温のＦＲＣを生産し、これは、次いで、順方向磁場の時系列変調（磁気蠕動）、もしくは（閉じ込めチャンバ１００に向かって、軸方向に指向する、軸方向磁場勾配を形成する）形成管２１０の軸方向外側端部近傍で、コイルセット２３２の最終のコイル内で一時的に増加された電流のいずれかの印加を介して、形成区分２００から射出される。そのように形成および加速される、２つの（北側および南側の）形成ＦＲＣは、次いで、より大きな直径の閉じ込めチャンバ１００の中に拡張し、準直流コイル４１２は、順方向バイアス場を生産し、半径方向拡張を制御し、平衡外部磁束を提供する。

【0076】

いったん北側および南側の形成ＦＲＣが、閉じ込めチャンバ１００の中央平面近傍に到着すると、ＦＲＣは衝突する。衝突の間、北側および南側の形成ＦＲＣの軸方向運動エネルギーは、ＦＲＣが、単一のＦＲＣ４５０内に最終的に融合すると、大きく熱運動化される。プラズマ診断の大きなセットは、ＦＲＣ４５０の平衡を研究するために、閉じ込めチャンバ１００内で利用可能である。ＦＲＣシステム１０での典型的な動作条件は、約０．４ｍの区分線半径および約３ｍの軸方向延在部を有する、合成ＦＲＣを生産する。さらなる特性は、約０．１Ｔの外部磁場、約５×１０^１９ｍ^３のプラズマ密度、および最大１ｋｅＶの合計プラズマ温度である。任意の持続がない場合、すなわち、中性ビーム注入または他の補助的な手段を介した、加熱および／または電流駆動がない場合、これらのＦＲＣの寿命時間は、約１ｍｓ、すなわち、固有の特性的な配位減衰時間に限定される。
非持続型動作の実験データ－従来の体系

【0077】

図１２は、区分線半径ｒ_ｓに近似する、除外された磁束半径ｒ_ΔΦの典型的な時間進化を示し、ＦＲＣ４５０のシータピンチ融合プロセスの動態を図示する。２つの（北側および南側の）個々のプラズモイドは、同時に生産され、次いで、約２５０ｋｍ／ｓの超音速ｖ_Ｚで、個別の形成区分２００から外へ加速され、ｚ＝０において、中央平面近傍で衝突する。衝突中、プラズモイドは、軸方向に圧縮し、その後、ＦＲＣ４５０を形成するために最終的に融合する前に、急速に半径方向および軸方向に拡張する。融合するＦＲＣ４５０の半径方向および軸方向の両方の動態は、詳細な密度プロファイル測定値およびボロメーターベースの断層撮影によって証明される。

【0078】

ＦＲＣシステム１０の代表的な非持続型放電からのデータは、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄにおいて時間の関数として示される。ＦＲＣは、ｔ＝０で始動される。機械の軸方向中央平面における、除外された磁束半径は、図１３Ａに示される。本データは、閉じ込めチャンバのステンレス鋼壁のすぐ内側に位置する、磁気プローブの配列から取得され、これは、軸方向磁場を測定する。鋼鉄壁は、この放電の時間尺度上、優れた磁束コンサーバである。

【0079】

ｚ＝０に位置する、６コードＣＯ_２／Ｈｅ－Ｎｅ干渉計からの線積分密度が、１３Ｂに示される。垂直（ｙ）ＦＲＣ変位を考慮に入れると、ボロメーター断層撮影によって測定されるように、アーベル変換は、図１３Ｃの密度カウンタをもたらす。最初の０．１ｍｓの間、いくつかの軸方向および半径方向の振動後、ＦＲＣは、白密度プロファイルを伴って整定する。本プロファイルは、典型的な２Ｄ ＦＲＣ平衡による要求に応じて、極めて平坦であり、軸上に実質的な密度を備える。

【0080】

圧力平衡から導出され、トムソン散乱分光計測と完全に合致する、合計プラズマ温度が、図１３Ｄに示される。

【0081】

除外された磁束配列全体からの分析は、（除外された磁束軸方向プロファイルによって近似される）ＦＲＣ区分線の形状が、レーストラック形から楕円形に徐々に進化することを示す。図１４に示される本進化は、２つから単一のＦＲＣへの段階的な磁気再結合と合致する。実際に、おおよその推定値は、この特定の瞬間に、２つの初期ＦＲＣ磁束の約１０％が、衝突中に再結合することを示唆する。

【0082】

ＦＲＣの長さは、ＦＲＣ寿命時間の間、３から約１ｍに至るまで、着実に収縮する。本収縮は、図１４で可視化されるように、主に、対流エネルギー損失が、ＦＲＣ閉じ込めを支配することを示唆する。区分線の内側のプラズマ圧力が、外部磁気圧力よりも速く減少するため、端部領域内の磁場線張力は、ＦＲＣを軸方向に圧縮し、軸方向および半径方向の平衡を復元する。図１３および図１４で議論される放電に関して、ＦＲＣ磁束、粒子装荷量、および熱エネルギー（それぞれ、約１０ｍＷｂ、７×１０^１９個の粒子、および７ｋＪ）は、ＦＲＣ平衡が低下するように現れるとき、最初の１ミリ秒以内におおよそ１桁分減少する。
持続型動作－ＨＰＦ体系

【0083】

図１２－図１４の実施例は、任意の持続を伴わない場合の、減衰するＦＲＣの特性である。しかしながら、いくつかの技法が、ＨＰＦ体系に対するＦＲＣ閉じ込め（内側コアおよび縁層）をさらに改良し、構成を持続させるために、ＦＲＣシステム１０上で展開される。
中性ビーム

【0084】

最初に、高速（Ｈ）中性子が、８つの中性ビーム注入器６００からビーム内に、Ｂ_ｚと垂直に注入される。高速中性子のビームは、北側および南側の形成ＦＲＣが、閉じ込めチャンバ１００内で、１つのＦＲＣ４５０の中に融合する瞬間から注入される。主に電荷交換によって作成される、高速イオンは、（ＦＲＣトポロジ規模のまたは少なくとも特性磁場勾配長よりもはるかに大きい一次半径を伴う）ベータトロン軌道を有し、これは、ＦＲＣ４５０の方位角電流を追加させる。放電のある割合後（ショットの中への０．５～０．８ｍｓ後）、十分に大きな高速イオン集団は、内側ＦＲＣの安定性および閉じ込め性質を有意に改良する（例えば、Ｍ．Ｗ． Ｂｉｎｄｅｒｂａｕｅｒ ａｎｄ Ｎ． Ｒｏｓｔｏｋｅｒ， Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓ． ５６， ｐａｒｔ ３， ４５１ （１９９６）参照）。さらに、持続性の観点から、中性ビーム注入器６００からのビームはまた、電流を駆動し、ＦＲＣプラズマを加熱するための主要な手段でもある。

【0085】

ＦＲＣシステム１０のプラズマ体系では、高速イオンは、主に、プラズマ電子上で減速する。放電の初期の間、高速イオンの典型的な軌道平均減速時間は、０．３～０．５ｍｓであり、これは、結果的に、主に、電子の有意なＦＲＣ加熱をもたらす。高速イオンは、内側ＦＲＣ磁場が、本質的に低い（０．１Ｔの外部軸方向場に対して平均約０．０３Ｔ）ため、区分線の外側において、大きな半径方向の逸脱をする。高速イオンは、中性ガス密度が、区分線の外側で非常に高い場合、電荷交換損失の影響を受けやすいであろう。したがって、ＦＲＣシステム１０上で展開される、壁ゲッタリングおよび他の技法（他のものの中でもとりわけ、ガス制御に寄与するようなプラズマガン３５０およびミラープラグ４４０等）は、縁部中性子を最小限にする傾向があり、高速イオン電流の要求される構築を可能にする。
ペレット注入

【0086】

有意な高速イオン集団が、ＦＲＣ４５０内に構築されると、より高い電子温度およびより長いＦＲＣ寿命時間を伴って、凍結されたＨまたはＤペレットが、ＦＲＣ４５０の中にペレット注入器７００から注入され、ＦＲＣ４５０のＦＲＣ粒子装荷量を持続させる。予期されるアブレーション時間尺度は、有意なＦＲＣ粒子源を提供するために十分に短い。この率はまた、閉じ込めチャンバ１００の中へ進入する直前に、注入管の最終区画の屈曲半径を厳密にすることにより、注入管のペレットと壁との間の摩擦を増加させることによって達成され得るステップである、ペレット注入器７００のバレルまたは注入管の中にある間に、かつ閉じ込めチャンバ１００に進入する前に、個々のペレットをより小さな断片に分割することにより、注入される一片の表面積を拡大することによって増加させることができる。１２のバレル（注入管）の始動順序および率だけではなく、断片化を変動させることによって、まさに所望のレベルの粒子装荷量の持続を提供するために、ペレット注入システム７００を調整することが可能である。ひいては、これは、ＦＲＣ４５０における内部動圧およびＦＲＣ４５０の持続的な動作および寿命時間の維持に役立つ。

【0087】

いったんアブレートされた原子が、ＦＲＣ４５０内で有意なプラズマに遭遇すると、それらは、完全にイオン化される。その結果として生じる、冷プラズマ成分は、次いで、固有のＦＲＣプラズマによって、衝突で加熱される。所望のＦＲＣ温度を維持するために必要なエネルギーは、最終的に、ビーム注入器６００によって供給される。この意味で、ペレット注入器７００は、中性ビーム注入器６００とともに、安定した状態を維持し、ＦＲＣ４５０４を持続させるシステムを形成する。
ＣＴ注入器

【0088】

ペレット注入器の代替として、コンパクトトロイド（ＣＴ）注入器が、主に、磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマに燃料補給するために提供される。ＣＴ注入器７２０は、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備え、図２２Ａおよび図２２Ｂに示されるように、同軸円筒形内側および外側電極７２２および７２４と、内側電極７２６の内部に位置付けられる、バイアスコイルと、ＣＴ注入器７２０の放電の反対の端部上の、電気遮断器７２８とを含む。ガスが、ガス注入ポート７３０を通して、内側および外側電極７２２と７２４との間の空間の中に注入され、スフェロマック型状プラズマが、そこから放電によって生成され、ローレンツ力によってガンから押し出される。図２３Ａおよび図２３Ｂに示されるように、一対のＣＴ注入器７２０が、容器１００の中央平面の近傍および対向側において、閉じ込め容器１００に結合され、ＣＴを閉じ込め容器１００内の中心ＦＲＣプラズマの中に注入する。ＣＴ注入器７２０の放電端は、中性ビーム注入器６１５と類似する、閉じ込め容器１００の縦軸に対してある角度で、閉じ込め容器１００の中央平面に向かって指向される。

【0089】

代替実施形態では、ＣＴ注入器７２０は、図２４および図２４Ｂに示されるように、ＣＴ注入器７２０の放電端に結合される、伸長円筒形管を備える、ドリフトチューブ７４０を含む。描写されるように、ドリフトチューブ７４０は、チューブを中心として位置付けられ、それに沿って軸方向に離間される、ドリフトチューブコイル７４２を含む。複数の診断ポート７４４が、チューブの長さに沿って描写される。

【0090】

ＣＴ注入器７２０の利点は、（１）注入されるＣＴあたりの粒子装荷量の制御および調節性、（２）（極低温ペレットの代わりに）高温プラズマが堆積されること、（３）システムが、連続燃料補給を可能にするように、繰り返し率モードで動作されることができること、（４）システムがまた、注入されるＣＴが埋設磁場を搬送するにつれて、ある程度の磁束を復元し得ることにある。実験的使用のための実施形態では、外側電極の内径は、８３．１ｍｍであって、内側電極の外径は、５４．０ｍｍである。内側電極７２２の表面は、好ましくは、電極７２２から生じる不純物を低減させるために、タングステンでコーティングされる。描写されるように、バイアスコイル７２６が、内側電極７２２の内側に搭載される。

【0091】

最近の実験では、最大約１００ｋｍ／秒の超音波ＣＴ平行移動速度が、達成された。他の典型的プラズマパラメータは、以下の通りである。電子密度約５×１，０２１ｍ－^３、電子温度約３０～５０ｅＶ、および粒子装荷量約０．５～１．０×１，０１９。ＣＴの高動圧は、注入されるプラズマが、ＦＲＣの中に深くまで透過し、粒子を区分線の内側に堆積させることを可能にする。最近の実験では、ＦＲＣ粒子燃料補給は、ＦＲＣ粒子装荷量の約１０～２０％が、ＣＴ注入器によって正常に提供される結果をもたらし、燃料補給がＦＲＣプラズマを中断させずに容易に実施され得ることを実証した。
鞍形コイル

【0092】

安定した状態の電流駆動を達成し、要求されるイオン電流を維持するためには、（衝突イオン電子運動量の伝送から生じる）電子イオン摩擦力に起因する、電子のスピンアップを防止または有意に低減させることが望ましい。ＦＲＣシステム１０は、革新的な技法を利用し、外部から印加される安定した磁気双極または四重極場を介して、電子分割を提供する。これは、図１５に描写される、外部鞍形コイル４６０を介して遂行される。鞍形コイル４６０から横断的に印加される半径方向磁場は、回転ＦＲＣプラズマ内の軸方向電場を誘発する。その結果として生じる軸方向電子電流は、半径方向磁場と相互作用し、電子上に、方位角分割力

【数1】

を生産する。ＦＲＣシステム１０での典型的な条件に関し、プラズマの内側で要求され印加される磁気双極（または四重極）場は、十分な電子分割を提供するために、わずか０．００１Ｔ程度である必要がある。約０．０１５Ｔの対応する外部場は、著しい高速粒子損失を引き起こさない、または別様に閉じ込めに負の影響を及ぼさないほどに十分小さい。実際、印加される磁気双極（または四重極）場は、不安定性を抑圧することに寄与する。接線方向の中性ビーム注入と軸方向のプラズマ注入を組み合わせると、鞍形コイル４６０は、電流の維持および安定性に対する制御の付加的なレベルを提供する。
ミラープラグ

【0093】

ミラープラグ４４０内のパルス型コイル４４４の設計は、中程度の（約１００ｋＪ）容量エネルギーを用いて、高磁場（２～４Ｔ）の局所的生成を可能にする。ＦＲＣシステム１０の本動作に特有の磁場の形成のために、形成容積内の全ての場線は、ミラープラグ４４０において、狭窄部４４２を通して通過し、図２で磁場線によって示唆されるように、プラズマの壁接触は発生しない。さらに、準直流ダイバータ磁石４１６と連動する、ミラープラグ４４０は、場線をダイバータ電極９１０の上へ誘導するように、もしくは場線を端部先端構成（図示せず）内で拡開するように、調節されることができる。後者は、安定性を改良し、平行電子の熱伝導を抑圧する。

【0094】

ミラープラグ４４０自体はまた、中性ガス制御に寄与する。ミラープラグ４４０は、ダイバータ３００の中に逆流するガスが、プラグの小さなガス伝導性（わずか５００Ｌ／ｓ）によって有意に低減されるため、ＦＲＣ形成中に、石英管の中に吐出される、重水素ガスのより優れた利用を可能にする。形成管２１０の内側に残留する吐出されたガスの殆どは、急速にイオン化される。加えて、ミラープラグ４４０を通して流動する高密度プラズマは、効率的な中性イオン化、故に、効果的なガス障壁を提供する。結果として、ＦＲＣ縁層４５６からダイバータ３００内で再生利用される中性子の殆どは、閉じ込めチャンバ１００に戻らない。加えて、（下記に議論されるように）プラズマガン３５０の動作と関連付けられる中性子は、殆どがダイバータ３００へ閉じ込められるであろう。

【0095】

最後に、ミラープラグ４４０は、ＦＲＣ縁層閉じ込めを改良する傾向がある。２０～４０の範囲のミラー比（プラグ／閉じ込め磁場）を伴って、北側および南側のミラープラグ４４０の間に１５ｍの長さを伴って、縁層粒子閉じ込め時間τ_∥は、最大１桁分増加する。τ_∥の改良は、ＦＲＣ粒子閉じ込めを容易に増加させる。

【0096】

区分線容積４５３からの半径方向の拡散（Ｄ）粒子損失が、縁層４５６からの軸方向損失（τ_∥）によって平衡されると仮定すると、（２πｒ_ｓＬ_ｓ）（Ｄｎ_ｓ／δ）＝２πｒ_ｓＬ_ｓδ）（ｎ_ｓ／τ_∥）を取得し、そこから、区分線密度勾配長は、δ＝（Ｄτ_∥）^１／２に書き直され得る。ここで、ｒ_ｓ、Ｌ_ｓ、およびｎ_ｓは、それぞれ、区分線半径、区分線長、および区分線密度である。ＦＲＣ粒子閉じ込め時間は、τ_Ｎ＝［πｒ_ｓ ^２Ｌ_ｓ＜ｎ＞］／［（２πｒ_ｓＬ_ｓ）（Ｄｎ_ｓ／δ）］＝（＜ｎ＞／ｎ_ｓ）（τ_Iτ_∥）^１／２であり、式中、τ_I ＝ａ^２／Ｄおよびａ＝ｒ_ｓ／４である。物理学上、τ_∥の改良は、δの増加（区分線密度勾配およびドリフトパラメータの減少）、したがって、ＦＲＣ粒子損失の低減につながる。ＦＲＣ粒子閉じ込めにおける改良全体は、ｎ_ｓが、τ_∥とともに増加するため、概して、二次方程式とは言い難い。

【0097】

τ_∥における有意な改良はまた、縁層４５６が、極めて安定的な状態なままであること（すなわち、ｎ＝１のフルート、ファイアホース、または開放系に特有の他のＭＨＤ不安定性がないこと）を要求する。プラズマガン３５０の使用は、この好ましい縁部の安定性を提供する。この意味で、ミラープラグ４４０およびプラズマガン３５０は、効果的な縁部制御システムを形成する。
プラズマガン

【0098】

プラズマガン３５０は、線連結によって、ＦＲＣ排出ジェット４５４の安定性を改良する。プラズマガン３５０からのガンプラズマは、方位角角運動量を伴うことなく、生成され、これは、ＦＲＣの回転不安定性の制御に有用であることを証明する。したがって、ガン３５０は、より古い四重極安定化技法を必要とすることなく、ＦＲＣの安定性を制御する効果的な手段である。結果として、プラズマガン３５０は、高速粒子の有益な効果を生かすこと、もしくは本開示において概略されるように、高度混成運動ＦＲＣ体系にアクセスすることを可能にする。したがって、プラズマガン３５０は、電子分割にちょうど十分であるが、ＦＲＣの不安定性を引き起こす、および／または劇的な高速粒子拡散につながるであろう閾値を下回る、鞍形コイル電流を伴って、システム１０が動作されることを可能にする。

【0099】

上記のミラープラグの議論で言及したように、τ_∥が、有意に改良され得る場合、供給されるガンプラズマは、縁層粒子損失率（約１０^２２／ｓ）に匹敵するであろう。ＦＲＣシステム１０におけるガン生産プラズマの寿命時間は、ミリ秒の範囲内である。実際に、端部ミラープラグ４４０の間に閉じ込められるｍｎ_ｅ約１０^１３ｃｍ^３の密度と、約２００ｅＶのイオン温度とを有するガンプラズマを検討する。捕捉長Ｌおよびミラー比Ｒは、ぞれぞれ、約１５ｍおよび２０である。クーロン衝突に起因するイオン平均自由経路は、λ_ｉｉ約６×１０^３ｃｍであり、λ_ｉｉｌｎＲ／Ｒ＜Ｌであるため、イオンは、ガス動的体系に閉じ込められる。本体系におけるプラズマ閉じ込め時間は、τ_ｇｄ～ＲＬ／２Ｖ_ｓ～２ｍｓであり、式中、Ｖ_ｓは、イオン音速である。比較のために、これらのプラズマパラメータに対する古典的なイオン閉じ込め時間は、τ_ｃ～０．５τ_ｉｉ（ｌｎＲ＋（ｌｎＲ）^０．５）～０．７ｍｓであろう。異常横断拡散は、原則として、プラズマ閉じ込め時間を短縮し得る。しかしながら、ＦＲＣシステム１０では、ボーム拡散率を仮定する場合、ガンプラズマに対する推定される横断閉じ込め時間は、τ_^＞τ_ｇ約２ｍｓである。したがって、ガンは、ＦＲＣ縁層４５６の有意な補給およびＦＲＣ粒子閉じ込め全体の改良を提供するであろう。

【0100】

さらに、ガンプラズマ流は、約１５０～２００ミリ秒以内でオンにされることができ、これは、ＦＲＣの始動、平行移動、および閉じ込めチャンバ１００内への融合における使用を可能にする。約ｔ～０でオンにされる（ＦＲＣ主バンク開始）場合、ガンプラズマは、本動的に形成および融合されるＦＲＣ４５０を持続することに役立つ。形成ＦＲＣから、かつガンから、混合された粒子装荷量は、中性ビーム捕捉、プラズマ加熱、および長時間持続性に対して十分である。ｔが－１～０ｍｓの範囲でオンにされた場合、ガンプラズマは、石英管２１０をプラズマで充填する、もしくは石英管の中に吐出されるガスをイオン化することができ、したがって、吐出されるガスが低減される、もしくはおそらくゼロでさえある状態でのＦＲＣ形成が可能にされる。後者は、反転バイアス磁場の高速拡散を可能にするために、十分に低温の形成プラズマが要求される場合がある。ｔ＜－２ｍｓでオンにされた場合、プラズマ流は、ＦＲＣ到着に先立って、中性ビーム構築を可能にするために十分である、数１０^１３ｃｍ^３の標的プラズマ密度を伴って、形成区分２００および閉じ込めチャンバ１００の形成および閉じ込め領域の約１～３ｍ^３の場線容積を充填することができるであろう。形成ＦＲＣは、次いで、結果として生じる閉じ込め容器プラズマの中に、形成および平行移動されることができるであろう。このように、プラズマガン３５０は、多種多様な動作条件およびパラメータ体系を可能にする。
電気的バイアス

【0101】

縁層４５６内の半径方向電場プロファイルの制御は、種々の点において、ＦＲＣの安定性および閉じ込めに対して有益である。ＦＲＣシステム１０において展開される革新的なバイアス構成要素によって、閉じ込めチャンバ１００内の中心閉じ込め領域の十分外側にあるエリアから、機械全体を通して、開磁束面群に対して電位の様々な計画的な分布を印加することが可能である。このように、半径方向電場は、ＦＲＣ４５０のすぐ外側で、縁層４５６を横断して、生成されることができる。これらの半径方向電場は、次いで、縁層４５６の方位角回転を修正し、Ｅ×Ｂ速度剪断を介して、その閉じ込めに影響を及ぼす。縁層４５６とＦＲＣコア４５３との間の任意の差動回転は、次いで、剪断によって、ＦＲＣプラズマの内側に伝導され得る。結果として、縁層４５６の制御は、ＦＲＣコア４５３に直接影響を及ぼす。さらに、プラズマ回転内の自由エネルギーはまた、不安定性にも関与し得るため、本技法は、不安定性の開始および成長を制御するための直接的な手段を提供する。ＦＲＣシステム１０では、適切な縁部バイアスは、開場線の移送および回転だけではなく、ＦＲＣコア回転の効果的な制御を提供する。種々の提供される電極９００、９０５、９１０、および９２０の場所および形状は、磁束表面４５５の異なる群の、および異なるかつ独立した電位における制御を可能にする。このように、異なる電場構成および強度の幅広い配列が実現され、それぞれは、プラズマ性能上に異なる特性的な影響を及ぼし得る。

【0102】

全てのこれらの革新的なバイアス技法の重要な利点は、コアおよび縁部プラズマの挙動が、ＦＲＣプラズマの十分に外側から影響を及ぼされ得る、すなわち、任意の物理的な構成要素を（エネルギー、磁束、および粒子損失に対して重要な関係を有するであろう）中心高温プラズマと接触させる必要がないという事実である。これは、性能およびＨＰＦ概念の全ての潜在的な用途に主要かつ有益な影響を及ぼす。
実験データ－ＨＰＦ動作

【0103】

中性ビームガン６００からのビームを介した高速粒子の注入は、ＨＰＦ体系を可能にする際、重要な役割を果たす。図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、および図１６Ｄは、この事実を図示する。描写されているのは、ＦＲＣ寿命時間とビームパルス長との相関を示す、曲線のセットである。全ての他の動作条件は、本研究を構成する全ての放電に対して、一定に保たれる。このデータは、多くのショットにわたって平均化され、したがって、典型的な挙動を表す。より長いビーム持続時間が、より長く存続するＦＲＣを生産することは、明らかに明白である。本研究中の本証拠だけではなく、他の診断から判断すると、ビームは、安定性を増加させ、損失を低減させることが実証される。ビームパルス長とＦＲＣ寿命時間との間の相関は、ビーム捕捉が、あるプラズマサイズを下回ると非効率的になるため、すなわち、ＦＲＣ４５０が物理的なサイズにおいて収縮すると、注入されたビームの全てが、奪取および捕捉されるわけではないため、完璧ではない。 ＦＲＣの収縮は、主に、放電の間のＦＲＣプラズマからの正味エネルギー損失（放電のほぼ中間で約４ＭＷ）が、特定の実験設定に関して、中性ビーム（約２．５ＭＷ）を介してＦＲＣの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。ビームを容器１００の中央平面により近接する場所に位置することは、これらの損失を低減させ、ＦＲＣ寿命時間を延長させる傾向があるであろう。

【0104】

図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ、および図１７Ｄは、ＨＰＦ体系を達成するための異なる構成要素の影響を図示する。これは、時間の関数として、ＦＲＣ４５０の寿命時間を描写する、典型的な曲線系を示す。全ての場合において、一定かつ中程度の量のビーム電力（約２．５ＭＷ）が、各放電の持続期間全体にわたって注入される。各曲線は、各構成要素の異なる組み合わせの代表的なものである。例えば、任意のミラープラグ４４０、プラズマガン３５０、またはゲッタリングシステム８００からのゲッタリングがない状態で、ＦＲＣシステム１０を動作させると、結果として、回転不安定性の急速な開始およびＦＲＣトポロジの損失をもたらす。ミラープラグ４４０のみを追加すると、不安定性の開始を遅らせ、閉じ込めを増加させる。ミラープラグ４４０およびプラズマン３５０を組わせて利用すると、さらに不安定性を低減させ、ＦＲＣの寿命時間を増加させる。最後に、ガン３５０およびプラグ４４０の上部にゲッタリング（この場合、Ｔｉ）を追加すると、最善の結果を産出し、結果として生じるＦＲＣは、不安定性がなく、最長の寿命時間を呈する。各構成要素の完全な組み合わせが、最善の効果を生産し、最善の標的条件を伴うビームを生産することは、本実験的実証から明白である。

【0105】

図１に示されるように、新たに発見されたＨＰＦ体系は、著しく改良された移送挙動を呈する。図１は、従来の体系とＨＰＦ体系との間における、ＦＲＣシステム１０での粒子閉じ込め時間の変化を図示する。図に示すように、ＨＰＦ体系においては、５倍を優に超えて改良されている。加えて、図１は、先行する従来のＦＲＣ実験における粒子閉じ込め時間と比較して、ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間を詳細に示す。これらの他の機械に関しては、ＦＲＣシステム１０のＨＰＦ体系が、５～約２０倍、閉じ込めを改良している。最後に、最も重要なこととして、ＨＰＦ体系における、ＦＲＣシステム１０の閉じ込めスケーリングの本質は、全ての先行する測定値とは著しく異なる。ＦＲＣシステム１０におけるＨＰＦ体系の確立前は、先行するＦＲＣ実験において、閉じ込め時間を予測するために、種々の実験的スケーリング則が、データから導出されていた。全てのそれらのスケーリング法則は、主に、比率Ｒ^２／ρ_ｉに依存し、式中、Ｒは、磁場ヌルの半径（機械の物理的なスケールの大まかな測定値）であり、ρ_ｉは、外部から印加された場において評価された、イオンラーモア半径（印加された磁場の大まかな測定値）である。図１から、従来のＦＲＣにおける長時間の閉じ込めは、大規模な機械サイズおよび／または高磁場においてのみ可能であることは、明白である。従来のＦＲＣ体系ＣＲにおけるＦＲＣシステム１０の動作は、図１に示されるように、それらのスケーリング法則に従う傾向がある。しかしながら、ＨＰＦ体系は、非常に優れており、非常により優れた閉じ込めが、大規模な機械サイズまたは高磁場を伴わずに、獲得可能であることを示す。より重要なこととして、ＣＲ体系と比較して、ＨＰＦ体系は、結果として、プラズマのサイズを低減させながら、閉じ込め時間の改良をもたらすこともまた、図１から明白である。類似の傾向はまた、下記に説明するように、磁束およびエネルギーの閉じ込め時間に対しても明らかであり、これも同様に、ＦＲＣシステム１０において、３～８倍を超えて増加している。ＨＰＦ体系の画期的な進歩は、したがって、ＦＲＣシステム１０および将来の高エネルギー機械において、ＦＲＣ平衡を持続および維持するために、中程度のビーム電力、より低い磁場、およびより小規模のサイズの使用を可能にする。これらの改良と併せることで、より低い動作および構築コストだけではなく、エンジニアリングの複雑性の低減をもたらす。

【0106】

さらなる比較のために、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、および図１８Ｄは、時間の関数として、ＦＲＣシステム１０における代表的なＨＰＦ体系放電からのデータを示す。図１８Ａは、中央平面における除外された磁束半径を描写する。これらのより長い時間尺度に関して、伝導性の鉄壁は、もはや良好な磁束コンサーバではなく、その鉄を通した磁束拡散を適切に考慮するために、その壁の内側にある磁気プローブは、その壁の外側のプローブとともに増大される。従来の体系ＣＲにおける典型的な性能と比較して、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄに示されるように、ＨＰＦ体系の動作モードは、４００％を超えるより長い寿命時間を呈する。

【0107】

線積分密度のトレースの代表的なコードが、そのアーベル変換補数とともに図１８Ｂに示され、密度等高線とともに図１８Ｃに示される。従来のＦＲＣ体系ＣＲと比較して、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄに示されるように、プラズマは、パルスを通してより不活発であり、非常に安定的な動作を示す。ピーク密度はまた、ＨＰＦショットにおいて若干低く、これは、図１８Ｄに示されるように、より高温の合計プラズマ温度（最大２倍）から必然的に導かれる結果である。

【0108】

図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、および図１８Ｄに図示される、個別の放電に関し、エネルギー、粒子、および磁束閉じ込め時間は、ぞれぞれ、０．５ｍｓ、１ｍｓ、および１ｍｓである。放電の中への１ｍｓの基準時間において、貯蔵されるプラズマエネルギーは、２ｋＪであるが、損失は、約４ＭＷであり、本標的を中性ビーム持続に非常に好適なものにする。

【0109】

図１９は、新しく確立された実験用ＨＰＦ磁束閉じ込めスケーリングの形態における、ＨＰＦ体系の全利点を要約する。図１９から分かるように、ｔ＝０．５ｍｓの前後、すなわち、ｔ＜０．５ｍｓおよびｔ＞０．５ｍｓで測定された測定値に基づいて、磁束閉じ込め（同様に、粒子閉じ込めおよびエネルギー閉じ込め）は、所与の区分線半径（ｒ_ｓ）に対して電子温度（Ｔ_ｅ）のほぼ２乗に伴って変化する。Ｔ_ｅの正の指数（負の指数ではない）に伴う本強スケーリングは、閉じ込めが、典型的には、電子温度のある指数に反比例する、従来のトカマクによって呈されるものと完全に反対である。本スケーリングの現れは、ＨＰＦ状態および大軌道（すなわち、ＦＲＣトポロジのスケールおよび／または少なくとも特性磁場勾配長スケール上の軌道）イオン集団の直接的結果である。基本的には、本新しいスケーリングは、高動作温度に実質的に有利に働き、比較的に中程度のサイズの炉を可能にする。

【0110】

ＨＰＦ体系が提示する利点によって、中性ビームによって駆動される、ＦＲＣ持続または定常状態が、達成可能であって、プラズマ熱エネルギー、総粒子数、プラズマ半径および長さだけではなく、磁束等の包括的プラズマパラメータが、実質的減衰を伴わずに、合理的レベルで持続可能であることを意味する。比較のために、図２０は、プロットＡには、時間の関数としてのＦＲＣシステム１０内の代表的ＨＰＦ体系放電からのデータを、プロットＢには、ＦＲＣ４５０が、中性ビームパルスの持続時間を通して、減衰を伴わずに持続される、時間の関数としてのＦＲＣシステム１０内の投影された代表的ＨＰＦ体系放電のデータを示す。プロットＡに関しては、約２．５～２．９ＭＷの範囲内の総パワーを伴う中性ビームが、約６ｍｓの活性ビームパルス長のために、ＦＲＣ４５０の中に注入された。プロットＡに描写されるプラズマ反磁性寿命時間は、約５．２ｍｓであった。より最近のデータは、約７．２ｍｓのプラズマ反磁性寿命時間が、約７ｍｓの活性ビームパルス長を用いて達成可能であることを示す。

【0111】

図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、および図１６Ｄに関して前述のように、ビームパルス長とＦＲＣ寿命時間との間の相関は、ビーム捕捉が、あるプラズマサイズを下回ると非効率的となるため、すなわち、ＦＲＣ４５０の物理的サイズが収縮するにつれて、注入されるビーム全てが、奪取および捕捉されないため、完璧ではない。ＦＲＣの収縮または減衰は、主に、放電の間のＦＲＣプラズマからの正味エネルギー損失（放電のほぼ中間で約４ＭＷ）が、特定の実験設定に関して、中性ビーム（約２．５ＭＷ）を介してＦＲＣの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。図３Ｃに関して記載のように、中央平面に向かって中性ビームガン６００から角度付けられたビーム注入は、注入周期の間、ＦＲＣプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム－プラズマ結合を改良する。加えて、適切なペレット燃料補給は、必要プラズマ密度を維持するであろう。

【0112】

プロットＢは、約６ｍｓの活性ビームパルス長および約１０ＭＷを若干上回る中性ビームガン６００からの総ビームパワーを使用して行われたシミュレーションの結果であって、中性ビームは、約１５ｋｅＶの粒子エネルギーを伴うＨ（またはＤ）中性子を注入するものとする。ビームのそれぞれによって注入される等価電流は、約１１０Ａである。プロットＢに関して、デバイス軸に対するビーム注入角度は、約２０°、標的半径は、０．１９ｍであった。注入角度は、範囲１５°～２５°内で変更されることができる。ビームは、方位角的に並流方向に注入されるものとする。中性ビーム運動量注入からの正味側方力だけではなく、正味軸方向力は、最小限にされるものとする。プロットＡと同様に、高速（Ｈ）中性子が、北側および南側形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００内で融合する瞬間から、中性ビーム注入器６００から１つのＦＲＣ４５０の中に注入される。

【0113】

プロットＢのための基礎となったシミュレーションは、背景プラズマおよび平衡のための多次元ホールＭＨＤソルバと、エネルギー性ビーム成分および全散乱プロセスのための完全運動モンテカルロベースのソルバとだけではなく、全プラズマ種に対して結合された輸送方程式集合も使用して、双方向損失プロセスをモデル化する。輸送成分は、実験的に較正され、実験データベースに対して広範囲にわたってベンチマークされる。

【0114】

プロットＢによって示されるように、ＦＲＣ４５０の定常状態反磁性寿命時間は、ビームパルス長となるであろう。しかしながら、重要となる相関プロットＢは、ビームがオフにされると、プラズマまたはＦＲＣが、その前ではなく、その時間において、減衰し始めることを示すことに留意することが重要である。減衰は、ビーム支援ではない（おそらく、ビームオフ時間を約１ｍｓ超える）、放電中に観察され、単に、固有の損失プロセスによって駆動されるプラズマの特性減衰時間の反映であるものと類似するであろう。

【0115】

図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃ、図２１Ｄおよび図２１Ｅに目を向けると、図に図示される実験結果は、角度付けられた中性ビームによって駆動されるＦＲＣ持続性または定常状態の達成を示す、すなわち、プラズマ半径、プラズマ密度、プラズマ温度だけではなく、磁束等の包括的プラズマパラメータは、ＮＢパルス持続時間と相関して減衰を伴わずに、一定レベルで持続可能である。例えば、そのようなプラズマパラメータは、本質的に、約５＋ｍｓにわたって一定に保たれている。持続性特徴を含む、そのようなプラズマ性能は、強い相関ＮＢパルス持続時間を有し、蓄積された高速イオンに起因して、ＮＢ終端から数ミリ秒後でさえ、反磁性が残存する。図示されるように、プラズマ性能は、ＮＢ注入器だけではなく、他のシステム構成要素等の多くの重要なシステムの関連付けられた電力供給源内の有限貯蔵エネルギーから生じるパルス長制約のみによって限定される。
中性ビーム調整可能ビームエネルギー

【0116】

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ、および図８に関して前述のように、中性原子ビーム６００は、ＦＲＣシステム１０上で展開され、加熱および電流駆動を提供するだけでなく、高速粒子圧力を発生させる。中性原子ビーム注入器システム６００を備える、個々のビーム線は、中心閉じ込めチャンバ１００の周囲に位置し、図３Ｃ、図３Ｄおよび図３Ｅに示されるように、好ましくは、角度付けられ、中性粒子を閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって注入する。

【0117】

ＦＲＣ持続性をさらに改良し、高プラズマ温度および上昇されたシステムエネルギーへのＦＲＣ漸増を実証するために、本ＦＲＣシステム１０は、上昇された電力および拡張されたパルス長、例えば、例示的目的のためのみであるが、最大３０ｍｓパルス長を伴う約２０＋ＭＷの電力の中性ビーム注入器（ＮＢＩ）システム６００を含む。ＮＢＩシステム６００は、複数の陽イオンベースの注入器６１５を含み（図３Ｄおよび図３Ｅ参照）、柔軟性のあるモジュール式設計を特徴とし、ＮＢＩ注入器６１５のサブセット、例えば、８つのＮＢＩ注入器６１５のうちの４つを伴い、ショットの間、一定ビーム電流において、初期のより低いビームエネルギーから上昇されたビームエネルギーに、例えば、約１５ｋｅＶから約４０ｋｅＶにビームエネルギーを調整する能力を有する。ＮＢＩ注入器６１５の本能力は、プラズマコア４５０のより効率的加熱および結果として生じる加圧を達成するために望ましい。特に、本能力は、低エネルギーレベルと比較して、ピークエネルギー動作レベルにおいて、高度に望ましい性能改良を可能にする。例えば、（ｉ）最大２倍の加熱力、（ｉｉ）電荷交換損失における約５分の１の低減、および（ｉｉｉ）最大２倍の加熱効率である。加えて、ＮＢＩ注入器６１５によって生産可能な持続的に可変のビームエネルギーは、漸増プロセスの間、瞬間磁気圧力プロファイルに対して、注入され、次いで、捕捉される高速イオンの軌道パラメータの最適合致を可能にする。最後に、０．１～１０ｍｓの漸増持続時間を可能にする、高速漸増率は、ビームエネルギーおよびＮＢＩ注入器６１５の電力の高速（約１ｍｓまたはそれ未満）調整能力とともに、付加的効果的「制御ノブ」、すなわち、ビームエネルギーおよび電力の変調を介したプラズマ成形およびプラズマの能動フィードバック制御のための制御可能特徴を提供する。

【0118】

十分な加熱電力が、持続性だけではなく、高プラズマ温度および上昇されたシステムエネルギーへの漸増の両方のために、ＦＲＣ４５０の加熱および加圧を可能にするために必要とされる。十分に低損失率であると仮定して、漸増の率は、主に、任意の所与の時間において、ＮＢＩ注入器６１５によってＦＲＣコア４５０内に堆積され得る、電力の量の関数である。注入ポートを通るより高い主中性ビーム電力が、したがって、常時、望ましい。

【0119】

さらに、ＮＢＩ注入器６１５に起因する効果的な加熱率は、注入されるビームの特性と、全ての種の温度、電子およびイオン密度、中性濃度だけではなく、ＦＲＣコア４５０を横断する磁場のその時点での持続的瞬間プロファイルとの間の複雑な相互作用である。これらのうち、磁場プロファイルは、漸増の間、制御システムによって、サブミリ秒の時間尺度で慎重に変化されている一方、動圧関連プロファイルは、自己組織化プロセスから派生する固有の変化および注入プロセスによって堆積されるプラズマだけではなく、エネルギー内の乱流を介して進化する。ビームの調整能力は、これらの変動する条件に最も最適に適合する手段を提供する。

【0120】

例えば、電荷交換断面、すなわち、中性原子を形成するための高速イオンによる電子捕捉の確率は、ビームエネルギーの強い関数である。１５～４０ｋｅＶの範囲に関して、主電荷交換率は、ビームエネルギーの関数として、著しく減少する。したがって、磁場の任意の所与のレベルにおいて、プラズマ内へのエネルギーの留保は、そのような磁場レベルに関して互換性がある最高エネルギーにおいて、粒子を注入するときに最も高い（他のものの中でもとりわけ、これは、注入される粒子のエネルギーが、結果的に、閉じ込めシステムの内壁内に適合する、捕捉イオン軌道半径をもたらすことを要求する）。

【0121】

全体的加熱効率上のプロファイル効果の別の実施例は、電力が堆積される場所に関わる。より高いビームエネルギーは、典型的には、コアと比べて、ＦＲＣ周縁における比較的により高いエネルギー堆積につながるであろう。磁場を上昇させるが、ビームエネルギーを同一に保つことは、結果的に、より緊密な捕捉イオン軌道、およびそれに相応して、ＦＲＣコアプラズマへのより高い電力結合をもたらすであろう。これらの事実は、次いで、エネルギー留保上にも同様に著しく影響を及ぼし、例えば、周辺に堆積されるエネルギーは、開場線構造に沿ってシステムからはるかに容易に移送される一方、コアに堆積されるエネルギーは、より低い交差磁場移送時間に起因して、比較的によりゆっくりと損失される。したがって、磁場漸増とビームエネルギーの適切な増加の緊密な協調が、望ましい。

【0122】

ビームシステム６００は、０．１～１０ｍｓの範囲内の電圧の高速漸増のために設計される。これは、それぞれ、２および１０倍、イオンおよび電子温度を増加させる潜在性を提供し、時間尺度上も、典型的巨視的不安定性成長時間より短くなる。したがって、プラズマ安定性は、基本的に、動作信頼性および再現性と同様に増加される。

【0123】

ビームが能動フィードバックシステムの一部として利用され得るように、０．０５～１ｍｓの可変電圧上昇時間は、十分に迅速応答時間を提供する。このように、ビーム変調は、マクロおよびマイクロ安定性を制御するために使用されることができる。例えば、ビームエネルギーを変化させる（およびそれによって、半径方向エネルギー堆積パターンを偏移させる）ことによって、半径方向電力堆積プロファイルを一時的に偏移させることは、不安定なプラズマモードの発生に対向するし得る、圧力勾配に影響を及ぼし得る。図３Ｄおよび図３Ｅに示されるＦＲＣシステム１０は、本能力を高速磁気フィードバックとともに利用して、内部傾斜、回転率、ドリフト波発生、および他の動作シナリオを制御する。

【0124】

図２５は、本ＦＲＣシステム１０のＮＢＩ注入器６１５の例証を描写する。ＮＢＩ注入器６１５は、例示的実施形態では、アーク駆動部６５０と、プラズマボックス６５１と、抽出および加速グリッドの三極管または四極管群を備える、イオン光学システム６５２と、照準ジンバル６５３と、例えば、Ｔｉアーク蒸発器等のアーク蒸発器６５５、例えば、増加される低温ポンピングのために構成されるリブ付き表面構造等の表面構造を有する、低温ポンプ６５６、および非中性化イオンを除去するための偏向磁石６５６を備える、中性化器６５４と、断続ビーム特性評価、診断、および再較正のための挿入可能熱量計６５９を含む、コリメート開口６５８とを含むように示される。

【0125】

より具体的には、図２６を参照すると、調整可能ビームシステムの実装は、示されるように、好ましくは、三極管タイプイオン光学システム（＝ＩＯＳ）６６０に基づく。本概念は、加速－減速スキームである。図２６に図示されるように、第１のグリッドＧ１は、電圧Ｖ１に設定される一方、第２のグリッドＧ２は、電圧Ｖ２に設定され、最終グリッドＧ３は、電圧Ｖ３に設定される。抽出されるイオンは、最初に、Ｇ１とＧ２との間の間隙を通して横断しながら、エネルギーＥ１＝ｅ×（Ｖ１－Ｖ２）まで加速される（ｅは、ここでは、イオンの電荷を指す）。それらは、次いで、Ｅ２＝Ｅ１＋ｅ×（Ｖ２－Ｖ３）となるように、Ｇ２とＧ３との間の間隙で減速される。電圧は、典型的には、Ｖ１＞Ｖ２＜Ｖ３となるように調節される。適切な個々の電力供給源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３に基づいて、グリッド電圧は、放出されるイオン６６２の出力を変化させるように、パルスの間、徐々に調節されることができる。例えば、水素原子のビームパルスを始めるために、作業電圧は、Ｖ１＝１５ｋＶ、Ｖ２＝－２５ｋＶ、およびＶ３＝０Ｖに調節されてもよい。初期ビームイオンは、次いで、最初に、４０ｋｅＶまで加速され、次いで、１５ｋｅＶのエネルギーを伴って、ＩＯＳから現れるであろう。パルスの後半において、電力供給源は、Ｖ１＝４０ｋＶ、Ｖ２＝－１ｋＶ、Ｖ３＝０Ｖを提供するように切り替えられることができる。第２の間隙におけるビーム減速は、次いで、事実上、不在となり、約４０ｋｅＶの出力ビームエネルギーをもたらすであろう。電力供給源はそれぞれ、個々に、制御可能であって、適切な電圧変調を提供する。初期ビームイオンは、標準的アークまたはＲＦベースのプラズマ源ＰＳの規模から引き出される。ＩＯＳ６６０から現れた後、ビームイオン６６２は、中性化器６６４を横断し、高速イオンは、中性化器６６４内に存在する低温中性ガスから離れた電子の電荷交換を介して、中性イオンに変換する。適切な低温ポンピングは、中性ガスが中性化器６６４の下流オリフィスから漏出しないように防止する。中性化器の終了時にはまた、非中性化高速イオン６６３の除去を提供する、適切な屈曲磁石６６６と、高速イオンおよびそのエネルギーを吸収するために関連付けられたイオンダンプ６６８とが存在する。現れる原子ビーム６７０は、次いで、適切な開口６７２０を通して通過され、ビーム発散を低減させ、良好にコリメートされた中性原子流を反応器のコアに向かって提供する。

【0126】

代替バージョンでは、ＩＯＳは、四極管設計に基づく。この場合、ＩＯＳは、三極管の場合に関して説明されるように、同一加速－減速原理を有する、４つのグリッドから成る。当業者は、システム構成要素と動作原理との間の類似性を容易に認識するであろう。第４のグリッドの導入は、さらなる微調整の可能性および全体的なより多くの動作柔軟性を提供する。

【0127】

本明細書に提供される例示的実施形態は、参照することによって本明細書に組み込まれる、米国仮特許出願第６２／４１４、５７４号に説明されている。
プラズマ安定性および軸方向位置制御

【0128】

ＦＲＣの不安定性に対する従来の解決策は、典型的には、半径方向において不安定であることを犠牲にして、軸方向における安定性を、もしくは軸方向において不安定であることを犠牲にして、半径方向における安定性を提供するが、同時に両方向における安定性を提供しない。最優先するべきこととして、プラズマの位置が横方向または半径方向に安定している、平衡は、軸方向に不安定であることを犠牲にして、軸対称であるという所望の性質を有する。前述を考慮して、本明細書に提供される実施形態は、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性、ならびにＦＲＣプラズマの平衡の軸方向の安定性性質から独立し、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿った、ＦＲＣプラズマの軸方向位置制御を促進する、システムおよび方法を対象とする。しかしながら、軸方向位置の不安定性は、ＦＲＣプラズマ軸方向位置を制御する、外部の軸対称コイルのセットを使用しながら、能動的に制御される。本システムおよび方法は、プラズマと同心円を成す外部コイルのセットに印加される電圧に作用し、非線形制御技法を使用することによって、プラズマ平衡の安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマの軸方向位置のフィードバック制御を提供する。

【0129】

本明細書に提示される実施形態は、半径方向の安定性を強化するために、ＦＲＣの軸方向に不安定な平衡を利用しながら、軸方向の不安定性を安定化または制御する。このように、軸方向および半径方向の両方の安定性が取得される。本制御方法は、外部または平衡磁場を改変し、軸方向に不安定であることを犠牲にして、ＦＲＣプラズマを半径方向または横方向に安定させ、次いで、閉じ込めチャンバの中央平面の周囲におけるオーバーシュートおよび／または発振を最小限にしながら、ＦＲＣプラズマの位置を中央平面に向かって即座に復元するために、半径方向場コイル電流に作用するように設計される。本解決策の利点は、制御のために要求されるアクチュエータの複雑性を低減することである。多自由度を有する従来の解決策と比較すると、本明細書に提示される実施形態の方法は、１自由度を有する、ＦＲＣプラズマ回転軸に沿った制御問題に対する複雑性を低減する。

【0130】

コイル電流の波形、燃料補給、および軸方向に不安定的なプラズマの中に生じる中性ビーム電力の組み合わせは、プラズマを軸方向に不安定な状況の中に配置する、プラズマ制御シナリオを定義する。本シナリオは、シュミレーションまたは実験の先行する知識、もしくは軸方向に不安定である平衡を維持するために制御されるフィードバックを使用しながら、予めプログラムされることができる。プラズマの位置は、放電中、平衡の安定性性質から独立して、制御されるべきであり、例えば、本制御スキームは、軸方向に安定または軸方向に不安定なプラズマのいずれかのために、限界まで機能するべきである。制御され得る最も軸方向に不安定なプラズマは、容器のスキン時間に匹敵する成長時間を有する。

【0131】

ここで、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法に目を向けると、図２７は、簡略化されたスキームを示し、軸方向位置制御機構５１０の例示的実施形態を図示する。閉じ込めチャンバ１００内に示される、回転ＦＲＣプラズマ５２０は、プラズマ電流５２２と、軸方向変位方向５２４とを有する。平衡場（図示せず）が、例えば、準直流コイル４１２（図２、図３Ａ、図３Ｄ、および図３Ｅ参照）等の対称電流成分によって、チャンバ１００内に生産される。平衡場は、軸変位方向５２４に正味力を生産しないが、横方向／半径方向または軸方向のいずれかに安定プラズマを生産するように調整されることができる。本明細書に提示される実施形態の目的のために、平衡場は、横方向／半径方向安定ＦＲＣプラズマ５２０を生産するように調整される。前述のように、これは、結果的に、軸方向不安定性、したがって、軸変位方向５２４におけるＦＲＣプラズマ５２０の軸変位をもたらす。ＦＲＣプラズマ５２０が、軸方向に移動するにつれて、反対称である、すなわち、閉じ込めチャンバ１００の中央平面の両側の閉じ込めチャンバ１００の壁内で逆方向にある、電流５１４および５１６を誘発する。ＦＲＣプラズマ５２０は、これらのタイプの電流成分を容器内と、また、外部コイル内の両方に誘発するであろう。本反対称電流成分５１４および５１６は、半径方向場を生産し、これは、トロイダルプラズマ電流５２２と相互作用し、ＦＲＣプラズマ５２０の移動に対向する力を生産し、本力の結果は、プラズマ軸変位を減速させることである。これらの電流５１４および５１６は、閉じ込めチャンバ１００の抵抗率に起因して、時間に伴って、徐々に消散する。

【0132】

中央平面の両側に閉じ込めチャンバ１００を中心として配置される、半径方向場コイル５３０および５３１は、コイル５３０および５３１内で逆方向に誘発される、電流５３２および５３４に起因する、付加的半径方向場成分を提供する。半径方向場コイル５３０および５３１は、含有容器１００の内部または外部に位置付けられ得る、軸対称コイルのセットを備えてもよい。半径方向コイル５３０および５３１は、準直流コイル４１２（図２、図３Ａ、図３Ｄ、および図３Ｅ参照）と同様に、含有容器１００の外部に位置付けられるように示される。コイル５３０および５３１のそれぞれ、またはコイルのセットは、中央平面の対向側のコイルと異なる電流を搬送し得るが、電流は、含有容器１００の中央平面に対して反対称であって、中央平面に沿って、Ｂ_ｚ≠０、Ｂ_ｒ＝０を伴う磁場構造を生産する。半径方向場コイル５３０および５３１は、トロイダルプラズマ電流５２２と相互作用し、軸方向力を生産する、補完的半径方向場成分を生成する。軸方向力は、順に、プラズマを閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって後退させる。

【0133】

制御機構５１０は、機械中央平面の周囲のオーバーシュートおよび／または発振を最小限にしながら、プラズマ位置を中央平面に向かって即座に復元させるために、半径方向場コイル電流に作用するように構成される、制御システムを含む。制御システムは、半径方向場コイル５３０および５３１と、準直流コイル４１２と、その個別の電力供給源と、例えば、磁気センサ等の他の構成要素とに動作可能に結合される、プロセッサを含み、プラズマ位置、プラズマ速度、およびアクティブコイル電流測定値を提供する。プロセッサは、本願に説明される算出および分析を実施するように構成されてもよく、非一過性コンピュータ可読媒体を含む、１つまたはそれを上回るメモリを含んでもよい、もしくはそれに通信可能に結合されてもよい。これは、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および本明細書に説明される各機能を実行可能な任意の他の回路またはプロセッサを使用する、システムを含む、プロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースのシステムを含んでもよい。上記は、例示にすぎず、したがって、用語「プロセッサ」または「コンピュータ」の定義および／または意味をいかようにも限定することを意図するものではない。

【0134】

プロセッサの機能は、ソフトウェアルーチン、ハードウェア構成要素、またはそれらの組み合わせのいずれかを使用して実装されてもよい。ハードウェア構成要素は、例えば、集積回路または離散電子構成要素を含む、種々の技術を使用して実装されてもよい。プロセッサユニットは、典型的には、可読／書込可能メモリ記憶デバイスを含み、また典型的には、メモリ記憶デバイスに書き込み、および／またはそれを読み取るためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを含む。

【0135】

プロセッサは、算出デバイスと、入力デバイスと、ディスプレイユニットと、例えば、インターネットにアクセスするためのインターフェースとを含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサは、マイクロプロセッサを含んでもよい。マイクロプロセッサは、通信バスに接続されてもよい。コンピュータまたはプロセッサはまた、メモリを含んでもよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、読取専用メモリ（ＲＯＭ）とを含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサはまた、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、光ディスクドライブ、および同等物等、ハードディスクドライブまたは可撤性記憶ドライブであり得る、記憶デバイスを含んでもよい。記憶デバイスはまた、コンピュータプログラムまたは他の命令をコンピュータまたはプロセッサの中にロードするための他の類似手段であってもよい。

【0136】

プロセッサは、入力データを処理するために、１つまたはそれを上回る記憶要素内に記憶される、命令のセットを実行する。記憶要素はまた、所望に応じて、または必要に応じて、データまたは他の情報を記憶してもよい。記憶要素は、処理機械内の情報源または物理的メモリ要素の形態であってもよい。

【0137】

半径方向場コイルアクチュエータを使用して、軸方向に安定または不安定ＦＲＣ構成の位置を制御する問題は、スライディングモード制御として知られる非線形制御理論の分岐を使用して解決される。システム状態（スライディング表面）の線形関数は、所望の漸近的安定（スライディング）挙動を伴う、エラー信号として作用する。スライディング表面は、広範囲のＦＲＣ動的パラメータ内で、漸近的安定性を呈するためのリアプノフ理論を使用して設計される。提案される制御スキームは、次いで、スライディング表面において使用されるパラメータを再調整する必要なく、軸方向に安定および不安定の両方のプラズマのために使用されることができる。本性質は、前述のように、平衡が、ＦＲＣ放電の異なる位相において軸方向に安定平衡と軸方向に不安定平衡との間で遷移する必要があり得るため、有利である。

【0138】

制御スキーム５００の構成は、図２８に示される。低域通過フィルタは、所望の制御帯域幅内の切替周波数を制限する。１サンプル遅延を伴う、サンプリングおよび信号伝送を要求する、デジタル制御ループが、仮定される。エラー信号（スライディング表面）は、コイル電流と、プラズマ位置と、およびプラズマ速度との線形組み合わせである。プラズマのプラズマ位置および速度は、外部磁気測定値から取得され得る。アクティブコイルシステム内の電流は、標準的方法によって測定されることができる。

【0139】

コイル電流およびプラズマ位置が、位置制御を実装するために要求される。プラズマ速度が、性能を改良するために要求されるが、随意である。本エラー信号の非線形関数（リレー制御法則）は、中央平面対称コイルに接続される、電力供給源の対毎の離散電圧レベルを生成する。中央平面対称コイルは、同一強度であるが、反対の符号のリレー電圧を供給される。これは、半径方向場成分を作成し、プラズマ位置を中央平面に向かって復元させる。

【0140】

制御スキームの実行可能性を実証するために、精密なプラズマモデルが、プラズマ動態をシミュレートするために使用される。モデルは、磁石幾何学形状を利用する。プラズマ電流分布は、プラズマおよび容器のみが検討されるとき、成長時間２ｍｓを伴う軸方向に不安定な平衡に対応する。電力供給源は、離散電圧レベル、典型的には、８００Ｖステップを用いて作用すると仮定される。

【0141】

図２９は、２０ｃｍ軸方向に変位されたプラズマを中央平面に戻すために要求されるコイルピーク電流およびランプ率とともに、コイルに印加される電圧とプラズマ位置整定時間との間の関係を強調する、いくつかのプラズマ制御シミュレーションを示す。これらのスライディングモード軸方向位置制御シミュレーション実施例は、４対の外部トリムコイルを使用して、０．３Ｔで起動される。４つの例は、２００Ｖ（黒正方形）、４００Ｖ（黒円形）、８００Ｖ（黒三角形）、および１６００Ｖ（白正方形）ずつの離散電圧レベルを伴う電力供給源と対応するように示される。全ての４つの例に関して、制御帯域幅は、１６ｋＨｚであって、サンプリング周波数は、３２ｋＨｚである。プラズマ位置（上）、最外コイル対内の電流（中央）、およびコイル電流ランプ率（下）が示される。プラズマ変位は、２０ｃｍに到達するまで、不安定になることが可能にされる。本時点で、フィードバック制御が、印加される。

【0142】

シミュレーション結果は、以下を示す。
１． ５ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（黒正方形トレース）、０．５ＭＡ／秒のコイルランプアップ率が十分であって、２００Ｖ電力供給源を要求する。
２． ２．３ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（黒円形トレース）、１ＭＡ／秒のコイルランプアップ率が十分であって、４００Ｖ電力供給源を要求する。
３． １．３ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（黒三角形トレース）、２ＭＡ／秒のコイルランプアップ率が十分であって、８００Ｖ電力供給源を要求する。
４． １．０ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（白正方形トレース）、４ＭＡ／秒のコイルランプアップ率が十分であって、１６００Ｖ電力供給源を要求する。

【0143】

上記に研究された、第３の場合（２ＭＡ／秒ランプ率の場合）に関する、全てのトリムコイルのためのピーク電流はまた、トリムコイル位置の関数として図３０に示される。スライディングモード軸方向位置制御シミュレーション実施例は、３つのレベル（＋８００Ｖ、０、－８００Ｖ）を伴う電力供給源と、１６ｋＨｚの制御帯域幅と、３２ｋＨｚのサンプリング率とを使用する、４対の外部トリムコイルを使用して、０．３Ｔで起動される。１．３ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために、２ＭＡ／秒のコイルランプアップ率が、要求される。全てのコイル対において要求されるピーク電流は、１．５ｋＡ未満である。要求される実際の切替周波数（約２ｋＨｚ）は、制御システム帯域幅を優に下回る。

【0144】

制御システムはまた、プラズマ位置を伴わない、コイル電流およびプラズマ速度のみの関数である、標的表面を実装されることができる。この場合、軸方向位置制御ループは、制御ではなく、軸方向動態の安定化のみを提供する。これは、プラズマが、準安定状況にあって、その軸に沿ってゆっくりとドリフトし得ることを意味する。位置制御が、次いで、プラズマ区分線と容器との間のプラズマ間隙を制御する、付加的フィードバックループを使用して提供され、故に、これは、プラズマ形状および位置制御を同時に実施する。

【0145】

類似の制御システムが使用される、別のプラズマ閉じ込めデバイスは、トカマクである。プラズマ閉じ込めを維持するために、トカマクにおけるプラズマ電流は、それぞれ、プラズマ密度およびトロイダル場にほぼ比例する、下限と上限との間に保たれなければならない。高プラズマ密度で動作するために、プラズマ電流は、増加されなければならない。同時に、ポロイダル場は、可能な限り低く保たれなければならず、したがって、ｑ安全係数は、ｑ＝２を上回る。これは機械軸方向に沿ってプラズマを伸長させることによって達成され、境界磁場をその安全限界を上回って増加させることなく、大プラズマ電流に適合することを可能にする（故に、高プラズマ密度を可能にする）。これらの伸長プラズマは、（トカマク型用語では、垂直方向として知られる）機械軸方向に沿って不安定であり、また、プラズマ安定化機構を要求する。トカマクにおける垂直プラズマ位置制御もまた、半径方向場コイルのセットを使用して復元され、したがって、ＲＦＣ位置制御問題に非常に類似する。しかしながら、トカマクおよびＦＲＣにおける安定化を要求する理由は、異なる。トカマクでは、プラズマ垂直不安定性は、大プラズマ電流で動作するために課される犠牲であって、高トロイダル場を伴って動作するためにプラズマ伸長を要求する。ＦＲＣの場合、プラズマ不安定性は、横方向安定性を取得するために課される犠牲である。トカマクは、構成を安定化させる、トロイダル場を有し、したがって、それらは、横方向安定化を必要としない。

【0146】

本開示は、高磁束標的ＦＲＣプラズマの生成および維持ならびにＦＲＣプラズマの軸方向補給を促進することを対象とする。例示的実施形態では、プロセスは、対向するヘリシティを伴う２つのスフェロマックを融合することによる、大磁束ＦＲＣ（最大３０ｍＷｂ）の形成を含む。融合実験は、トロイダル状に対称な線に沿って接触および再結合することを通して、２つのスフェロマック型プラズマトロイドをともに融合させることによる、磁気再結合を研究するために、種々のデバイス上で実行されている。スフェロマックは、球状またはトロイダル状に成形されるプラズマであり、この中で、フォースフリー電流（ｊ×Ｂ＝０）が、主軸における電流（磁束）ホールの存在に応じて、平衡構成を配置する。同一または対向するトロイダル場に同等のトロイダル電流を搬送する、２つのトロイダルスフェロマックは、制御される外部コイル電流によって強制的に融合され、これらは、それぞれ、共ヘリシティまたは逆ヘリシティ融合と呼ばれる。Ｙａｍａｄａ， Ｍ．， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６５， ７２１ （１９９０）に説明されるように、逆ヘリシティ融合は、再結合サイトにおいて、逆平行磁場線再結合を生成し、磁気再結合が、非常に効率的に発生することが予期される（Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｊｅｅ， Ａ．， Ｐｈｙｓ． Ｆｌｕｉｄｓ ２６， ３３３２（１９８３））。実験結果はまた、逆ヘリシティ融合が、実際に、共ヘリシティ融合の場合よりも、包括的にはるかに速く再結合させ、次いで、融合に起因するスフェロマックの逆方向性トロイダル場をキャンセル後、（ポロイダル場のみから成る）高磁束ＦＲＣ構造を形成することも示す。

【0147】

例示的実施形態では、プロセスは、以下のステップを含む。
１． ＭＣＰＧを使用した逆ヘリシティスフェロマック融合を介して、大磁束標的ＦＲＣプラズマ（Φ_D約２５～３０ｍＷｂ）を生成する。
２． 十分な磁束を伴う標的プラズマを形成し、高エネルギー中性ビームを注入し、したがって、ビームエネルギーをさらに熱エネルギーに変換することによって、核融合プラズマ条件に向けて、ＦＲＣプラズマを増幅、安定化、および電力強化する。
３． ＦＲＣプラズマ閉じ込め性質を持続および向上させるだけではなく、高磁束かつ稠密なＦＲＣ体系を達成するために、付加的なマルチパルス式スフェロマックを形成し、それを粒子補給および還流のためのＦＲＣプラズマの中に注入する。

【0148】

図３１Ａおよび図３１Ｂに目を向けると、ＦＲＣ閉じ込めシステムの例示的実施形態が、両端上に、閉じ込めチャンバ１００と、その閉じ込めチャンバ１００に結合される、一対のダイバータ３０２とを有するものとして、描写されている。最適な初期高磁束標的ＦＲＣプラズマ４５３を生成するために、一対の中規模スフェロマック注入器２５０（または磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ））が、中心に位置付けられるプラズマ閉じ込めチャンバ１００の端部に対向して結合される。スフェロマック注入器２５０は、高磁束（２０ｍＷｂ未満）スフェロマックプラズマを閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって注入し、スフェロマックは、閉じ込めチャンバ１００内で、ＦＲＣプラズマを融合および形成する。２つのスフェロマックの逆ヘリシティ融合は、上昇および捕捉された磁束を伴う、大磁束標的ＦＲＣプラズマ（Φ_D約２５～３０ｍＷｂ）を生成する傾向がある。複数の中性ビーム注入器６１５はまた、閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かう角度で、閉じ込めチャンバ１００に結合され、ＦＲＣプラズマ４５３を駆動および維持する。例示的実施形態では、中性ビーム注入器６１５は、初期電力レベルから増加された電力レベルまで調節可能である。さらなる例示的実施形態では、スフェロマック注入器２５０は、効果的な補給および還流のために、閉じ込めチャンバの幾何学的軸に沿って、マルチパルス式スフェロマックをＦＲＣプラズマの中に注入することが可能である。

【0149】

以前のスフェロマック融合研究（図３２Ａ－３２Ｄ参照）は、コンパクトトロイド核融合プラズマのための実行可能性および潜在性を実証した。Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙにおける、２００４～２００８年の一連のＭＲＸ実験では、逆ヘリシティ融合は、偏平ＦＲＣの形成、安定性、持続性の研究に適用された。トカマクにおいて使用される、中心オーム加熱ソレノイドは、抵抗減衰時間よりも長い時間にわたって、それを持続するために、ＦＲＣにおけるトロイダル電流を増幅するために使用され得ることが実証された（Ｇｅｒｈａｒｄｔ， Ｓ．Ｐ．， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｐｌａｓｍａｓ １５， ０３２５０３ （２００８））。加えて、場成形コイルが、ＦＲＣ境界成形および伸長を制御するために使用された。これは、安定性に及ぼされる、これらの場成形の影響の研究を可能にした。ｎ＝１の傾動モード（ｎは、トロイダルモード番号）は、偏平ＦＲＣにおいて、安定化され得ることが実験的に実証された（Ｇｅｒｈａｒｄｔ， Ｓ．Ｐ．，ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ９９， ２４５００３ （２００７））。また、ｎ≧２の成長率モードは、有利な形状を伴って減速した。これらの結果は、開境界ＦＲＣ物理学の理解において、著しい前進をもたらした。これらの安定性および持続性の結果に加えて、有意なイオン加熱が、逆ヘリシティ融合実験において観察された。２つのスフェロマックの共ヘリシティ融合は、より少ない加熱だが、十分に高いベータスフェロマックプラズマ（β約０．２～０．３）を生成した。無視できないイオン温度（Ｔ_ｉ＞２５ｅＶ、Ｔ≒１０ｅＶ、ｎ_ｅ＞１０^１４ｃｍ^３）を伴って、融合されたプラズマを生産する能力は、可変トロイダル磁場構成要素の高ベータプラズマの安定性特性の研究を可能にする。

【0150】

例示的実施形態では、スフェロマック注入器２５０は、図３３に描写されるように、外側電極２５４と、Ｗコーティングされた内側電極２５５と、外側電極２５４を中心として位置付けられる外側バイアスコイル２５２と、内側電極２５５の中に位置付けられる鉄心バイアスコイル２５３と、ガス吐出２５６と、Ｈ．Ｖ．電力供給源２５８とを有する、比較的コンパクトなスフェロマック注入器である。スフェロマック注入器２５０は、最近開発された鉄心バイアスコイルシステム２５３を利用および改良することによって、十分な磁束を生産する（Ｅｄｏ， Ｔ．， ｅｔ ａｌ．， Ｊｒｎｌ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ ａｎｄ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅｓ． １３， ３４０５０６２ （２０１８）参照）。最近の予備テストでは、ＤＣ電力供給源を伴う、空心バイアスコイルは、約１．６７μＷｂ／アンペアを伴ってスケーリングされる、形成されたスフェロマックの磁束を生産しながら、鉄心（鋳鉄は、透磁率μ約２５０）バイアスコイルシステムを伴うＭＣＰＧは、アンペアあたり約１００倍高い磁束（すなわち、約０．１６ｍＷｂ／アンペア）を生産することができる。電流密度を一定に保持することによって、スフェロマック注入器は、典型的には電極放電と関連付けられる、望ましくない影響を引き起こすことなく、はるかに高い磁束（３０ｍＷｂ未満）を生成するために、サイズにおいて十分にスケールアップされることができる。さらなる例示的実施形態では、鉄心は、純鉄（９９．９％Ｆｅ；μ＞２００，０００）を使用して形成され、これは、合理的なバイアス電流を伴って、より高い磁束を達成する傾向がある。

【0151】

図３Ｄおよび図３Ｅは、閉じ込めチャンバ１００と、閉じ込めチャンバ１００の対向する端部に結合される第１の一対の内側ダイバータ３０２と、内側ダイバータ３０２に対する第１の端部上に結合される、対向するＣＴ形成および注入システム２００と、ＣＴ形成および注入システム３００の第２の端部に結合される、第２の一対の外側ダイバータ３００とを備える、ＣＴ融合ＦＲＣプラズマ閉じ込めシステム１０を描写する。スフェロマック融合を達成するために、図３１Ａに示されるように、図３Ｄおよび図３Ｅに示されるＣＴ形成／注入区分２００および外側ダイバータ３００は、図３１Ａおよび図３１Ｂに図示されるように、内側ダイバータに結合されるスフェロマック注入器２５０によって除去および代替される。スフェロマック注入器２５０は、縁部バイアスを介したＦＲＣ４５３の安定性制御のために使用される、ダイバータの同心電極３１０のすぐ内側に設置される。縁部バイアスシステムは、開場線上に半径方向電場を作成し、したがって、ＮＢＩと相乗的に、包括的ＭＨＤモードを安定化させる、ＦＲＣ区分線（スクレイプオフ層領域）の周囲に、Ｅ_ｒ×Ｂ_ｚによる方位角流動を生産する。スフェロマック注入器２５０は、種々のスフェロマックプラズマだけではなく、初期ＦＲＣを生成するために、個々に動作および制御され、これは、効果的な中性ビーム注入のための最適な標的ＦＲＣを発見するために、初期プラズマ密度および捕捉される磁束が変動されることを可能にする。スフェロマック形成、平行移動、および融合のプロセスの間、閉じ込め区分において、比較的低い平衡およびミラー場（Ｂ_ｅ約１ｋＧ、約２のミラー比）が、平衡およびミラーコイル４１２および４２０によって印加され、ＦＲＣプラズマ４５３は、十分に形成されることができ、その後、それらの場は、ＦＲＣプラズマ４５３を閉じ込めおよび持続させるために、徐々に増加されるべきである（Ｂ_ｅ最大３ｋＧ、約３～３．５のミラー比）。中性ビームはまた、放電を通して、注入器６１５から、閉じ込めチャンバ１００の中に注入され、ビームエネルギーはまた、それに応じて、Ｂ_ｅ漸増を伴って、初期から上昇された電力レベル、例えば、約１５ｋｅＶ～４０ｋｅＶまで増加されることができる。さらに、磁石および中性ビーム注入器システムは、能動的に制御され得、ＦＲＣプラズマは、リアルタイムで安定化および維持されるべきである。

【0152】

閉じ込めチャンバ１００の内側に、十分に粒子を補給するだけではなく、すでに形成されたＦＲＣを還流するために、スフェロマック注入器２５０は、個々に制御される電源供給源２５８を用いて、電力を供給される。対向して配向されるＣＴ注入器が、マルチパルス能力を有する閉じ込めチャンバの中央平面の近傍に配設されると、ＣＴ注入器は、ＦＲＣの中に、スフェロマック様のプラズモイドを半径方向に注入する。すなわち、換言すると、注入されたＣＴは、分裂すること、もしくは強磁気／密度摂動を生産することなく、横方向磁場（Ｂｚ約１ｋＧ）の中に、貫通する必要がある。さらに、中央平面近傍の半径方向ＣＴ注入は、ある程度、高速イオン閉じ込めに影響を及ぼし、システムは、高場核融合デバイスに対して拡大縮小可能ではない傾向がある。したがって、幾何学的軸上（すなわち、「軸方向」ＣＴ注入）で、スフェロマック注入器２５０からＣＴを注入することは、いくつかの科学的観点から、半径方向ＣＴ注入よりも有意に有益である。

【0153】

代替として、例示的実施形態において、図２、図３Ａ、図３Ｄ、および図３Ｅに描写される、システム構成は、２つの直径方向に対向する反転磁場シータピンチ形成区分２００を含むが、含有チャンバの中に含有されるＦＲＣプラズマの補給のために、外側ダイバータ３００に結合される、直径方向に対向するスフェロマック注入器２５０を含むように修正されることができる。

【0154】

本開示のある実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を用いて磁場を生成および維持するための方法は、第１および第２のスフェロマックプラズマを融合するステップと、閉じ込めチャンバ内で融合されたプラズマを中心としてＦＲＣを形成するステップと、閉じ込めチャンバの中央平面に向かう角度で、ＦＲＣプラズマの中に、中性ビーム注入器から、高速中性原子のビームを注入することによって、減衰なく、一定またはほぼ一定値で、ＦＲＣを維持するステップとを含む。

【0155】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、チャンバの中央平面に向かって、対向する第１および第２のスフェロマック注入器から、スフェロマックプラズマを注入するステップと、ＦＲＣを形成するために、スフェロマックプラズマを融合するステップを含む。

【0156】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、第１および第２のスフェロマック注入器から、閉じ込めチャンバの中に注入される、スフェロマックプラズマの逆ヘリシティ スフェロマック融合のステップを含む。

【0157】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備える。

【0158】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、鉄心バイアスコイルシステムを備える。

【0159】

本開示のさらなる実施形態によると、鉄心バイアスコイルシステムの鉄心は、約２５０の透磁率を伴う鋳鉄を備える。

【0160】

本開示のさらなる実施形態によると、鉄心バイアスコイルシステムの鉄心は、約２００，０００と同等、もしくはより大きい透磁率を伴う、約９９．９％Ｆｅである。

【0161】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、第１および第２のスフェロマック注入器を別個に制御するステップを含む。

【0162】

本開示のさらなる実施形態によると、第１のスフェロマック注入器から射出されるスフェロマックプラズマは、第２のスフェロマックから射出されるスフェロマックプラズマとは異なる。

【0163】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、閉じ込めチャンバの幾何学的軸に沿って、第１および第２のスフェロマック注入器の１つまたはそれを上回るものから、１つまたはそれを上回るスフェロマックプラズマを伴って、ＦＲＣプラズマを補給するステップを含む。

【0164】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、第１および第２のスフェロマック注入器の１つまたはそれを上回るものから、ＦＲＣプラズマの中に、１つまたはそれを上回るスフェロマックプラズマをマルチパルス注入するステップを含む。

【0165】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ＦＲＣプラズマの中に、マルチパルス型スフェロマックを形成および注入するステップを含む。

【0166】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間の複数の中性ビームのビームエネルギーを調整するステップであって、第２のビームエネルギーは、第１のビームエネルギーとは異なる、ステップ、または第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間の複数の中性ビームのビームエネルギーを調整するステップであって、第２のビームエネルギーは、第１のビームエネルギーとは異なり、第２のビームエネルギーは、第１のビームエネルギーより高い、ステップ、または第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間の複数の中性ビームのビームエネルギーを調整するステップであって、第２のビームエネルギーは、第１のビームエネルギーとは異なり、複数の中性ビームは、注入ショットの持続期間の間、第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間で切り替わる、ステップを含む。

【0167】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、チャンバを中心として延在する準直流コイルを用いて、チャンバ内で磁場を生成するステップを含む。

【0168】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、閉じ込めチャンバの端部に結合される、ダイバータの中に、ＦＲＣの磁束表面を誘導するステップを含む。

【0169】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、形成区分およびダイバータを中心として延在する準直流コイルを用いて、磁場をダイバータ内で生成するステップを含む。

【0170】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、チャンバの対向端部を中心として延在する準直流コイルを用いて、チャンバの対向端部内でミラー磁場を生成するステップを含む。

【0171】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、チャンバに結合されるサドルコイルを用いて、磁気双極場および磁気四重極場のうちの１つをチャンバ内で生成するステップを含む。

【0172】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ゲッタリングシステムを用いて、チャンバの内部表面と、ダイバータとを調整するステップを含む。

【0173】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの１つを含む。

【0174】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ＦＲＣプラズマのＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップを含む。

【0175】

本開示のさらなる実施形態によると、バイアス電極を用いて、ある電位分布をＦＲＣの開磁束面群に印加する。

【0176】

本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、２０ｍＷｂより大きい磁束を有する、第１および第２のスフェロマック注入器からスフェロマックプラズマを注入するステップ、または約２５～３０ｍＷｂより大きい磁束を有する、第１および第２のスフェロマック注入器からスフェロマックプラズマを注入するステップのうち１つを含む。

【0177】

本開示のさらなる実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を用いて磁場を生成および維持するためのシステムは、閉じ込めチャンバと、閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２のダイバータと、スフェロマックプラズマを生成し、閉じ込めチャンバの中央平面に向かってスフェロマックプラズマを平行移動させるために、第１および第２のダイバータに結合される、第１および第２の直径方向に対向するスフェロマック注入器と、閉じ込めチャンバに結合され、閉じ込めチャンバの縦軸の法線未満の角度で、閉じ込めチャンバの中央平面に向かって、中性原子ビームを注入するように配向される、複数の中性原子ビーム注入器と、閉じ込めチャンバと第１および第２のダイバータとの周囲に位置付けられる、複数の準直流コイルと、閉じ込めチャンバと第１および第２の形成区分との間に位置付けられる、準直流ミラーコイルの第１および第２のセットと、閉じ込めチャンバと第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、第１および第２のミラープラグと、閉じ込めチャンバと、第１および第２のダイバータとに結合される、ゲッタリングシステムと、生成されたＦＲＣの開磁束面に電気的にバイアスをかけるための１つまたはそれを上回るバイアス電極と、閉じ込めチャンバならびに第１および第２のダイバータのうちの１つまたはそれを上回るものの中に位置付けられる、１つまたはそれを上回るバイアス電極と、閉じ込めチャンバに結合される、２つまたはそれを上回る鞍形コイルとを備える。

【0178】

本開示のさらなる実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を用いて磁場を生成および維持するためのシステムは、閉じ込めチャンバと、閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２のダイバータと、第１および第２のダイバータに結合される、第１および第２の直直径方向に対向するスフェロマック注入器と、複数のバイアス電極、ならびに第１および第２のミラープラグのうちの１つまたはそれを上回るものであって、１つまたはそれを上回るバイアス電極は、閉じ込めチャンバ、ならびに第１および第２の外側ダイバータのうちの１つまたはそれを上回るもの内に位置付けられ、第１および第２のミラープラグは、閉じ込めチャンバ、ならびに第１および第２のダイバータとの間に位置付けられているものと、閉じ込めチャンバならびに第１および第２のダイバータに結合される、ゲッタリングシステムと、閉じ込めチャンバに結合され、閉じ込めチャンバの中央平面に向かって角度付けられて配向される、複数の中性原子ビーム注入器と、閉じ込めチャンバ、ならびに第１および第２のダイバータの周囲に位置付けられる、複数の準直流コイルと、閉じ込めチャンバの間に位置付けられる、第１および第２の準直流ミラーコイルのセットとを備える磁気システムであって、システムは、中性ビームが、プラズマの中に注入される間、ＦＲＣを生成し、減衰なくＦＲＣを維持するように構成されるものとを含む。

【0179】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、ＦＲＣプラズマを融合および形成するために、チャンバの中央平面に向かって、スフェロマックプラズマを注入するように構成される。

【0180】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、逆ヘリシティを有する第１および第２のスフェロマックプラズマを形成し、閉じ込めチャンバの中に注入するように構成される。

【0181】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備える。

【0182】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、鉄心バイアスコイルシステムを含む。

【0183】

本開示のさらなる実施形態によると、鉄心バイアスコイルシステムの鉄心は、約２５０の透磁率を伴う鋳鉄である。

【0184】

本開示のさらなる実施形態によると、鉄心バイアスコイルシステムの鉄心は、約２００，０００と同等、もしくはより大きい透磁率を伴う、約９９．９％Ｆｅである。

【0185】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、別個に制御可能である。

【0186】

本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のスフェロマック注入器は、閉じ込めチャンバの中に、１つを上回るスフェロマックプラズマをマルチパス注入するように構成される。

【0187】

本開示のさらなる実施形態によると、複数の中性ビームは、第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間で調節可能であり、第２のビームエネルギーは、第１のビームエネルギーと異なり、複数の中性ビームのビームエネルギーは、注入ショットの持続時間の間、第１のビームエネルギーと第２のビームエネルギーとの間で切替可能である。

【0188】

本開示のさらなる実施形態によると、バイアス電極は、開放磁力線に接触するために閉じ込めチャンバ内に位置付けられる、１つまたはそれを上回る点電極のうちの１つまたはそれを上回それを上回るものと、閉じ込めチャンバと第１および第２のダイバータとの間の環状電極のセットと、複数の同心磁束層を充電するために第１および第２のダイバータ内に位置付けられる、複数の同心状にスタックされた電極とを含む。

【0189】

本開示のさらなる実施形態によると、システムはさらに、第１および第２のダイバータと閉じ込めチャンバとに介在する、第１および第２の直径方向に対向する反転磁場シータピンチ形成区分を備える。

【0190】

本開示のさらなる実施形態によると、システムは、第１および第２の直径方向に対向する反転磁場シータピンチ形成区分と閉じ込めチャンバとに介在する、第３および第４のダイバータを備える。

【0191】

しかしながら、本明細書に提供される例示的実施形態は、単に、例証的実施例として意図され、いかようにも限定されない。

【0192】

本明細書に提供される、任意の実施形態に関して説明される、全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップは、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であるように意図されている。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、一実施形態のみに関して説明される場合、その特徴、要素、構成要素、機能、またはステップは、別様に明示的に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。したがって、本段落は、常に、請求項の導入のための先行する基礎ならびに書面による支援としての役割を果たし、これは、たとえ以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記述しなくても、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または一実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別のもので代用する。可能性として考えられる全ての組み合わせおよび代用を明示的に列挙することは、特に、本明細書を読むにあたり、ありとあらゆるそのような組み合わせおよび代用の可能性が、当業者によって容易に認識されるであろうことを考えれば、過度の負担である。

【0193】

多くの事例では、エンティティは、他のエンティティに結合されるように本明細書に説明される。用語「結合される」および「接続される」（またはその形態のいずれか）は、本明細書では同義的に使用され、両場合では、（任意の無視不可能である（例えば、寄生）介在エンティティを伴わない）２つのエンティティの直接結合、および（１つまたはそれを上回る無視不可能である介在エンティティを伴う）２つのエンティティの間接結合に包括的であることを理解されたい。エンティティが、ともに直接結合されるように示される、または任意の介在エンティティの説明を伴わずに、とともに結合されるように説明される場合、それらのエンティティは、文脈が明確に別様に示さない限り、同様に、ともに間接的に結合されることができることを理解されたい。

【0194】

実施形態は、種々の修正および代替形態を被る一方、その具体的実施例が、図面に示され、本明細書に詳細に説明されてきた。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されるものではなく、対照的に、これらの実施形態は、本開示の精神内にある、全ての修正、均等物、および代替案を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素だけではなく、その範囲内にない特徴、機能、ステップ、または要素によって請求項の発明の範囲を定義する消極的限定が、請求項に列挙または追加されてもよい。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31A】

【図31B】

【図32A】

【図32B】

【図32C】

【図32D】

【図33】

【国際調査報告】