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(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】2023-11-10
(54)【発明の名称】磁気ミラーマシン
(51)【国際特許分類】
H05H 1/14 20060101AFI20231102BHJP
G21B 1/05 20060101ALI20231102BHJP
G21B 1/11 20060101ALI20231102BHJP
【ＦＩ】
H05H1/14
G21B1/05
G21B1/11 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022580093
(86)(22)【出願日】2021-11-11
(85)【翻訳文提出日】2022-12-23
(86)【国際出願番号】 EP2021081409
(87)【国際公開番号】W WO2022101356
(87)【国際公開日】2022-05-19
(31)【優先権主張番号】PCT/EP2020/081762
(32)【優先日】2020-11-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522185346
【氏名又は名称】ノバトロン・フュージョン・グループ・エービー
【氏名又は名称原語表記】Ｎｏｖａｔｒｏｎ Ｆｕｓｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ ＡＢ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｏｒｖｒｅｔｓｖａｅｇｅｎ １５４，１６３ ４７ Ｓｐａｎｇａ Ｓｗｅｄｅｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100199565
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100212705
【弁理士】
【氏名又は名称】矢頭 尚之
(74)【代理人】
【識別番号】100219542
【弁理士】
【氏名又は名称】大宅 郁治
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】イェーデルバリ、ヤン
【テーマコード（参考）】
2G084
【Ｆターム（参考）】
2G084AA21
2G084CC27
2G084FF01
2G084FF21
2G084FF27
2G084FF29
2G084FF39
(57)【要約】
プラズマ閉じ込めのための磁気ミラーマシン（２１００；２２００；３１００；３２００）は、開放磁場線プラズマ閉じ込め領域（２１０６）を生成するために配置された、複数の縦方向に配置された超伝導コイル（２１０４、２１０５、２１０６ａ、２１０６ｂ）を備え、両端部のそれぞれにおいて前記プラズマ閉じ込め領域（２１０６）は、前記プラズマ閉じ込め領域（２１０６）の中心領域（２１１０）に対して磁束密度が増加したそれぞれのミラー領域（２１０８）によって制限されており、ここにおいて前記複数の超伝導コイルのうちの１つの超伝導コイル（２１０５、２１０６ａ、２１０６ｂ）が前記ミラー領域（２１０８）に隣接して位置しており、前記超伝導コイル（２１０５、２１０６ａ、２１０６ｂ）は、前記ミラー領域を通り、磁場線（２１１２）と交差する平面内に、前記磁場線（２１１２）に沿った方向に細長い形状の断面を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマ閉じ込めのための磁気ミラーマシン（２１００；２２００；３１００；３２００）であって、開放磁場線プラズマ閉じ込め領域（２１０６）を生成するために配置された、複数の縦方向に配置された超伝導コイル（２１０４、２１０５、２１０６ａ、２１０６ｂ）を備え、両端部のそれぞれにおいて前記プラズマ閉じ込め領域（２１０６）は、前記プラズマ閉じ込め領域（２１０６）の中心領域（２１１０）に対して磁束密度が増加したそれぞれのミラー領域（２１０８）によって制限されており、ここにおいて、複数の前記超伝導コイルのうちの１つの超伝導コイル（２１０５、２１０６ａ、２１０６ｂ）が前記ミラー領域（２１０８）に隣接して位置しており、前記超伝導コイル（２１０５、２１０６ａ、２１０６ｂ）は、前記ミラー領域を通り、磁場線（２１１２）と交差する平面内に、前記磁場線（２１１２）に沿った方向に細長い形状の断面を有する、磁気ミラーマシン。
【請求項2】
前記ミラー領域（２１０８）の方向に向いた前記断面の領域の周囲セグメント（２１０７ｂ）が、前記周囲セグメント（２１０７ｂ）の外側から見て凸状である、請求項１に記載の磁気ミラーマシン。
【請求項3】
前記ミラー領域（２１０８）から離れる方向に向いた前記断面の領域の周囲セグメント（２１０７ａ）が、前記周囲セグメント（２１０７ａ）の外側から見て凹状である、請求項１～２のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシン。
【請求項4】
前記ミラー領域（２１０８）の方向を向いた前記断面の領域の周囲セグメント（２１０７ｂ）が、前記ミラー領域（２１０８）から離れる方向を向いた前記断面の領域の周囲セグメント（２１０７ａ）に平行に延びている、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシン。
【請求項5】
複数の前記超伝導コイル（２１０４、２１０５）は、同軸に配置され、縦方向に間隔を空けられるとともに、それぞれが、それぞれの電流を同じ方向に通すように配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシン。
【請求項6】
複数の前記超伝導コイルが、第１の複数の同心円状に配置された円形ループ超伝導コイルを備える第１の磁石系であって、
第１の方向に電流を通すように配置された第１の超伝導コイル（２２０６ａ）、及び
前記第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２の超伝導コイル（２２０６ｂ）
を備える、第１の磁石系と、
第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える第２の磁石系であって、前記第１の磁石系と前記第２の磁石系の間に位置する対称平面（Ｐ）に関して、前記第１の磁石系に対してミラー対称に配置されている、第２の磁石系と
を備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシン。
【請求項7】
複数の前記超伝導コイルが、前記プラズマ閉じ込め領域の半径方向外側に配置された第３の磁石系（２１０４）をさらに備え、前記第３の磁石系は、少なくとも１つの超伝導円形ループコイルを備える、請求項６に記載の磁気ミラーマシン。
【請求項8】
請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシンを備える、核融合炉。
【請求項9】
プラズマを閉じ込めるための、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシンの使用。
【請求項10】
核融合炉における、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気ミラーマシンの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、プラズマ閉じ込めのための磁気ミラーマシンに関する。
【背景技術】
【0002】
制御された核融合のための原子炉を設計するために、世界中で多大な努力が払われている。最も有望な融合プロセスは、水素同位体の重水素（２Ｈ）とトリチウム（３Ｈ）との間のものである。重水素－トリチウム核融合プロセスでは、約３．５ＭｅＶの運動エネルギーを有する４Ｈｅアルファ粒子と、約１４．１ＭｅＶの運動エネルギーを有する中性子とが作り出される。
【0003】
核融合が起こるためには、原子核は１億５０００万ケルビン程度の温度を有するプラズマの形態をしていなくてはならない。このようなプラズマの閉じ込めをもたらすことは、依然として大きな課題である。
【0004】
プラズマ閉じ込めは、プラズマの荷電粒子を閉じ込めることを伴う。プラズマ閉じ込めには、いくつかの異なる既知の磁気構成がある。よく知られている設計は磁気ミラーである。その中で、粒子は、磁場線に追従し、通常は、磁気ミラーマシンを通って実質的に縦方向に走り、そして装置の各端部の磁束密度が増加した領域において反射される。換言すれば、磁気ミラーマシンのプラズマ閉じ込め領域は、その両端部のそれぞれにおいて、プラズマ閉じ込め領域の中心領域に対して磁束密度が増加した、それぞれのミラー領域によって制限される。
【0005】
超伝導コイルは、大きな電流を通すことができることでよく知られており、アンペアの法則により、大きな磁束密度を生成することができる。コイルによって生成される最大の達成可能な使用可能磁束密度について、超伝導コイルの設計及び使用における制限要因としては、第一に、超伝導特性の崩壊前の超伝導材料で可能な最大電流密度、及び第二に、超伝導特性の崩壊前の超伝導材料自体において可能な最大磁束密度が挙げられる。
【0006】
すなわち、上記の設計制約の下で、磁気ミラーマシンの性能を最大化する必要がある。
【発明の概要】
【0007】
本開示の目的は、上記の問題を解決するか、又は少なくとも軽減することである。
【0008】
この目的のために、第１の態様によれば、プラズマ閉じ込めのための磁気ミラーマシンであって、開放磁場線プラズマ閉じ込め領域を生成するために配置された、複数の縦方向に配置された超伝導コイルを備え、両端部のそれぞれにおいて前記プラズマ閉じ込め領域は、前記プラズマ閉じ込め領域の中心領域に対して磁束密度が増加したそれぞれのミラー領域によって制限されており、ここにおいて前記複数の超伝導コイルのうちの１つの超伝導コイルが前記ミラー領域に隣接して位置しており、前記超伝導コイルは、前記ミラー領域を通り、磁場線と交差する平面内に、前記磁場線に沿った方向に細長い形状の断面を有する、磁気ミラーマシンが提供される。
【0009】
細長い形状を有する断面としては、断面の第１の主方向において、断面の第２の主方向における延長部の少なくとも２倍、より好ましくは３倍、さらに好ましくは４倍、さらに好ましくは５倍の延長部を有すると理解されるべきである。細長い形状は、長方形、楕円形、三日月形、及び／又は管状セグメント形状の断面を含むが、これらに限定されないものとして理解されるべきである。第１及び第２の主方向は互いに直交していてもよいが、第２の方向は湾曲していてもよく、すなわち、管形断面の場合のように、第１の方向に対して湾曲した形状を有していてもよい。
【0010】
磁場線に沿った方向としては、磁場線に垂直な方向ではなく、磁場線に平行な方向として理解されるべきである。特に、磁場線に沿った方向とは、磁場線に平行か、又は実質的に平行であってもよい。
【0011】
本発明の概念は、超伝導コイル内の最大許容磁束密度と最大コイル電流密度の設計制約の下で、ミラー領域の磁場線に沿った方向に細長い断面を有する超伝導コイルを配置することで、磁気ミラーマシンのミラー領域における最大磁束密度を最大化できる可能性があるという認識に由来する。
【0012】
次に、ミラー領域の高い磁束密度は、磁気ミラーマシンにおける高いミラー比、すなわち、ミラー領域における最大磁束密度と磁気ミラーマシンの中心領域における磁束密度との間の高い比を可能にし、それによって損失コーンのサイズを縮小し、プラズマのより良好な閉じ込めを可能にできる。
【0013】
ミラー領域の高い磁束密度は、磁気ミラーマシンにおける高い全磁束を可能にすることができる。
【0014】
すなわち、本発明の概念により、超伝導コイルの設計制約下で、ミラー領域の磁束密度を最大化する超伝導コイルを備える、磁気ミラーマシンが提供される。
【0015】
代替的に又は追加的に、ミラー領域における高い磁束密度は、磁気ミラーマシンの中心領域における磁束密度と半径との高い積を可能にする。
【0016】
前記ミラー領域の方向を向いた前記断面領域の周囲セグメントは、前記周囲セグメントの外側から見て凸状であってもよい。代替的、又は追加的に、周囲セグメントは、ミラー領域における磁場線と同じ方向に湾曲させてもよい。これによって、ミラー領域における最大磁束密度のさらなる最大化が可能になる。
【0017】
前記ミラー領域から離れる方向に向いた前記断面領域の周囲セグメントは、前記周囲セグメントの外側から見て、凹状であってもよい。代替的、又は追加的に、周囲セグメントは、ミラー領域内の磁場線と同じ方向に湾曲させてもよい。これにより、ミラー領域における最大磁束密度をさらに最大化することができる。
【0018】
前記ミラー領域の方向を向いた前記断面領域の周囲セグメントは、前記ミラー領域から離れる方向に向いた前記断面領域の周囲セグメントと平行に延びていてもよい。これにより、ミラー領域における最大磁束密度をさらに最大化することができる。
【0019】
複数の超伝導コイルは、同軸に配置され、縦方向に間隔を空けられるとともに、それぞれがそれぞれの電流を同一方向に通すように配置されてもよい。これは、本発明概念の特に有益な応用である。
【0020】
複数の超伝導コイルは、第１の複数の同心円状に配置された円形ループ超伝導コイルを備える第１の磁石系であって、第１の方向に電流を通すように配置された第１の超伝導コイル、及び前記第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２の超伝導コイルを備える、第１の磁石系と、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える第２の磁石系であって、前記第１の磁石系と前記第２の磁石系の間に位置する対称平面に関して、前記第１の磁石系に対してミラー対称に配置されている、第２の磁石系とを備えてもよい。これは、本発明概念の別の特に有益な応用である。
【0021】
複数の超伝導コイルは、前記プラズマ閉じ込め領域の半径方向外側に配置された第３の磁石系をさらに備えてもよく、前記第３の磁石系は、少なくとも１つの超伝導円形ループコイルを備える。
【0022】
別の態様によれば、第１の態様の磁気ミラーマシンを備える、核融合炉が提供される。この態様は、全体的に、第１の態様と同じ特徴及び利点を提示できる。
【0023】
別の態様によれば、核融合炉における第１の態様の磁気ミラーマシンの使用が提供される。この態様は、全体的に、第１の態様と同じ特徴及び利点を提示できる。
【0024】
本開示の上記、ならびにさらなる目的、特徴及び利点は、類似の要素に対して同一の参照番号が使用される添付の図面を参照すれば、好ましい実施形態についての以下の例証的及び非限定的な詳細な説明を通して、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1a】プラズマ閉じ込め装置に備えられ得る、第１の磁石系及び第２の磁石系の斜視図。
【図3a】プラズマ閉じ込め装置に備えられ得る、第１の磁石系、第２の磁石系、及び第３の磁石系の切り欠き斜視図。
【図5a】プラズマ閉じ込め装置を示す切り欠き斜視図。
【図5b】プラズマ閉じ込め装置を示す切り欠き斜視図。
【図6】プラズマ閉じ込め装置の切り欠き斜視図。
【図7】プラズマ閉じ込め装置の切り欠き斜視図。
【図8】プラズマ閉じ込め装置の切り欠き斜視図。
【図9】従来式の直線磁気ミラー構成によって生成された模擬磁場線を示す平面図。
【図10】第１及び第２の磁石系によって生成された模擬磁場線を示す平面図。
【図11】第１、第２、及び第３の磁石系によって生成された模擬磁場線を示す平面図。
【図12】第１、第２、及び第３の磁石系によって生成された模擬磁場線を示す平面図において、第１の磁石系及び第２の磁石系における各コイルのそれぞれが、それぞれの強磁性シールドに埋め込まれている、平面図。
【図13】第１、第２、及び第３の磁石系によって生成された模擬磁場線を示す平面図。
【図15】ｖｚ／ｖＲ比が０．５、１．５、２．５のそれぞれに対して、初期半径位置が１．５ｍ、３．０ｍ、及び４．５ｍの模擬荷電粒子軌道を示す図。
【図16】ｖｚ／ｖＲ比が０．５、１．５、２．５のそれぞれに対して、初期半径位置が１．５ｍ、３．０ｍ、及び４．５ｍの模擬荷電粒子軌道を示す図。
【図17】ｖｚ／ｖＲ比が０．５、１．５、２．５のそれぞれに対して、初期半径位置が１．５ｍ、３．０ｍ、及び４．５ｍの模擬荷電粒子軌道を示す図。
【図18】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図19】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図20】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図21A】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図21B】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図22A】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図22B】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図23A】各磁気ミラーマシンの断面図。
【図23B】各磁気ミラーマシンの断面図。
【発明を実施するための形態】
【0026】
一般に知られているように、プラズマ閉じ込め装置は、開放磁場線又は閉鎖磁場線のいずれかに基づき得る。
【0027】
閉鎖磁場線構成は、例えば、トロイダル磁場により実現できる。そのような装置の一例がトカマクである。
【0028】
従来技術において知られているような、開放磁場線プラズマ閉じ込め装置は、磁気ミラーリングの原理によって動作することができ、この場合に、プラズマの荷電粒子は、閉じ込め領域のそれぞれの端部の、磁束密度が増加した領域において反射される。
【0029】
開放磁場線プラズマ閉じ込め装置は、プラズマ閉じ込めを提供できると認識されているが、磁場線と十分に整列した速度ベクトルを持つ電荷粒子の漏れが常にある。より具体的には、ミラー効果は、磁場線のまわりの荷電粒子のジャイロスピンのらせん渦巻きピッチ角によって定義される、損失コーンの外側の接近角の範囲内のすべての粒子に対して生じる。
【0030】
損失コーンの程度は、ミラー領域における最大磁束密度Ｂmirrorと磁気ミラーマシンの中心領域における最小磁束密度Ｂcentralの比として定義される、ミラー比ｒmirrorによって決定される。
【0031】
【数1】
【0032】
次いで、損失コーンを定義する角度は：
【0033】
【数2】
【0034】
このように、高いミラー比は、小さい損失コーンにつながることがわかり、磁場線と最も整列した速度を有する粒子だけが漏れることになるのがわかる。逆に、低いミラー比は、大きい損失コーンにつながる。
【0035】
本開示の全体を通して、超伝導コイルは、従来技術において知られている、方法、材料、化合物、等を使用して製造し、配置することができる。
【0036】
好適な超伝導材料としては、ＹＢＣＯ、Ｂｉ２２２３、２２１２、Ｎｂ３ＳＮ、ＮｂＴｉ及び／又はＭｇＢ２を挙げることができる。
【0037】
本開示の全体を通して超伝導コイルは、例えば、いわゆる高温超伝導コイルとすることができる。
【0038】
当該技術において知られているように、超伝導コイルは、内部構造を備える場合がある。例えば、各超伝導コイル内部で、超伝導材料を、当該技術において一般的に知られている方法を使用して、フィラメント、ストランド、ケーブル、ロープ、等の中に配置されてもよい。本開示の全体を通して参照されるように、コイルの断面は、この内部構造の包囲エンヴェロープとして理解すべきである。
【0039】
例えば、本開示の全体を通して超伝導コイルは、参照により本明細書に組み入れられている、Ｄ Ｕｇｌｉｅｔｔｉ、「A review of commercial high temperature superconducting materials for large magnets: from wires and tapes to cables and conductors」、Supercond. Sci. Technol. 32 (2019) 053001 (29pp)、https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab06a2に詳説されている、方法、材料、化合物、等を使用して、製造され、配置されてもよい。
【0040】
さらに、超伝導コイルは、当該技術において一般的に知られている方法を使用して冷却されてもよい。
【0041】
図１８は、磁気ミラーマシン２１００の断面図である。磁気ミラーマシン２１００は、対称軸Ａのまわりに、回転対称であるか、又は少なくとも実質的に回転対称である。
【0042】
磁気ミラーマシン２１００は、プラズマ閉じ込めに使用されてもよく、当該技術分野で知られているように、慣用のシールド２１０２、例えば中性子シールド２１０２を備えてもよい。特に、磁気ミラーマシン２１００は、核融合炉内に備えられるともに／又は核融合炉内で使用されてもよい。
【0043】
図１８から明らかなように、磁気ミラーマシン２１００は、対称軸Ａに沿って縦方向に配置された、複数の超伝導コイル２１０４、２１０５を備える。各超伝導コイル１０４、１０５は、図１８のように、円形ループに配置されてもよく、当該技術分野において知られているように、開放磁場線プラズマ閉じ込め領域２１０６を生成するために、直流を通すように配置されてもよい。
【0044】
プラズマ閉じ込め領域２１０６は、このように、磁気ミラーマシン２１００を通り、対称軸Ａに沿って、磁気ミラーマシン２１００の縦方向に広がり、磁場線２１１２も同様に縦方向に沿って延びている。
【0045】
図１８の構成では、その図から明らかなように、複数の超伝導コイル２１０４、２１０５は、図１８の例では、対称軸Ａに対して同軸に配置されている。また、超伝導コイルは、対称軸Ａに対して縦方向に間隔が空けられている。また、磁気ボトル配設において一般的なように、各超伝導コイルは、図１８において点とばつ印でマークされているように、それぞれの電流を同じ方向に通すように配置されている。
【0046】
各ミラー領域２１０８及び中心領域２１１０における磁場線間隔から明らかなように、また当該技術分野において知られているように、プラズマ閉じ込め領域２１０６は、両端のそれぞれにおいて、プラズマ閉じ込め領域２１０６の中心領域２１１０に対して磁束密度が増加した、それぞれのミラー領域２１０８によって、制限されている。
【0047】
複数の超伝導コイル２１０４、２１０５のうちのそれぞれの超伝導コイル２１０５は、それぞれのミラー領域２１０８に隣接して位置している。実際に、図１８の例では、それぞれの超伝導コイル２１０５は、それぞれのミラー領域２１０８の半径方向外側に位置している。
【0048】
【0049】
代替的に、やはり図１８から明らかなように、これは、磁気ミラーマシン２１００に対して縦方向において細長い断面を有する、超伝導コイル２１０６として、及び／又は対称軸Ａに沿った方向において細長い断面を有する、超伝導コイル２１０６として定式化されてもよい。
【0050】
図２の例では、断面は長方形であり、磁場線２１１２に沿った方向、及び／又は磁気ミラーマシン２１００の縦方向、及び／又は対称軸Ａに沿った方向において、その方向に垂直な、すなわち磁気ミラーマシン２１００における半径方向の寸法の約２倍の大きさの寸法を有する。
【0051】
図１９は、さらに別の磁気ミラーマシン２２００を示す。磁気ミラーマシン２２００は、それぞれのミラー領域２１０８に隣接する超伝導コイル２２０６のそれぞれが、管状セグメント状の断面を有する、すなわち管の一部から形成されたかのような、円形セグメントの全体形状を有することを除き、図１８の磁気ミラーマシン２１００と同じ特徴を有する。
【0052】
これにより、各超伝導コイル２１０５の断面は、ミラー領域２１０８の方向を向く断面領域の周囲セグメント２３０７ａが、周囲セグメント２３０７ａの外側から見て凸状となっている。
【0053】
また、ミラー領域から離れる方向を向いた各超伝導コイル２３０６の断面領域の周囲セグメント２３０７ｂは、周囲セグメント２３０７ｂの外側から見て凹状となっている。
【0054】
当然のことながら、先の２つの段落のように、必ずしも円形のセグメントパスをたどる必要はなく、凸状と凹状の周囲セグメントを持つ、他の湾曲した断面も同様に可能である。
【0055】
また、図１９の例では、ミラー領域２１０８の方向に向いた断面領域の周囲セグメント２３０７ａは、ミラー領域から離れる方向を向いた断面領域の周囲セグメント２３０７ｂと平行に延びている。
【0056】
図２０は、さらに別の磁気ミラーマシン２３００を示しており、本発明概念に従わないが、本発明概念を理解するのに有用な例として提示されている。磁気ミラーマシン２３００は、それぞれのミラー領域２１０８に隣接する超伝導コイル２４０６のそれぞれが、円形断面を有する、すなわち、細長いものではないことを除いて、図１の磁気ミラーマシン２１００と同じ特徴を有する。
【0057】
【0058】
表１は、シミュレーションの結果を示す：
Ｂcoilは、ミラー領域２１０８に隣接する、各コイル２１０５内部の最大磁束密度である、
Ｂmirrorは、ミラー領域２１０８における最大磁束である、
Ｂcentral,outerは、中心領域１１０の半径方向の最外縁における、対称平面Ｐでの磁束密度である、
Ｂcentral,avgは、中心領域１１０を通して半径方向に平均化された、対称平面Ｐでの磁束密度であり、
Ｒは、磁気ミラーマシン２１００、２２００、２４００の内側半径であり、表１の最終行は、したがって、Ｂcentral,avgとＲの積を示している。
Ｂcoilは、ミラー領域２１０８に隣接する、各コイル２１０５内部の最大磁束密度である、
Ｂmirrorは、ミラー領域２１０８における最大磁束である、
Ｂcentral,outerは、中心領域１１０の半径方向の最外縁における、対称平面Ｐでの磁束密度である、
Ｂcentral,avgは、中心領域１１０を通して半径方向に平均化された、対称平面Ｐでの磁束密度であり、
Ｒは、磁気ミラーマシン２１００、２２００、２４００の内側半径であり、表１の最終行は、したがって、Ｂcentral,avgとＲの積を示している。
【0059】
【表1】
【0060】
シミュレーションは、壁２１０２の厚さとして７００ｍｍ、対称平面Ｐにおける初期磁気ミラーマシン内側半径Ｒとして３３００ｍｍ、及び対称平面Ｐとコイル２１０５の間の距離として５０００ｍｍを使用して実施された。
【0061】
シミュレーションは、各超伝導コイル内の電流密度が一定であると仮定するとともに、ミラー領域２１０８に隣接する各コイル２１０５内の最大磁束密度が、各超伝導コイルに対する崩壊磁束密度の一般的な値である、約２３Ｔを超えてはならないという制約を設けて実施された。
【0062】
さらに、対称平面Ｐにおける平均磁束密度Ｂcentral,avgと、対称平面Ｐにおけるプラズマ閉じ込め領域２１０６の半径に概して対応する、磁気ミラーマシンの内側半径Ｒとの積、Ｂcentral,avg×Ｒが６．０Ｔｍに固定されるように、各磁気ミラーマシンの半径を変化させた。
【0063】
表１の結果において、上記の設計制約を反映して、Ｂcoilは、それぞれの場合に、２３Ｔに近い。ここで、磁場の線形特性のために、この結果は、２３Ｔ以外のその他のコイル最大磁束密度に容易にスケール変換が可能であり、それに対して、この結果は等しく有効であることに留意すべきである。
【0064】
表１からわかるように、磁気ミラーマシン２２００における細長いコイル断面は、コイルにおいて約２３Ｔの磁束密度を超えないとの制約下で、図２０の磁気ミラーマシン２３００の円形の細長くないコイル２１０５と比較して、ミラー領域におけるより高い磁束密度Ｂmirrorを可能にする。さらに、図２０の磁気ミラーマシン２４００のコイル２１０５の管状セグメント断面は、図１９及び１８と比較して、さらに高いＢmirrorを可能にする。
【0065】
中心領域の磁束密度Ｂcentral,outerは、各磁気ミラーマシンにおいて概して一定のままとなる。すなわち、図２０と比較して図１８及び１９における増大したＢmirrorは、積Ｂcentral,avg×Ｒが固定されている場合には、磁気ミラーマシンの増大したミラー比Ｂmirror／Ｂcentral,outerに変換することができる。
【0066】
本発明概念は、複数の超伝導コイルが、第１の複数の同心円状に配置された円形ループ超伝導コイルを備える第１の磁石系であって、第１の方向に電流を通すように配置された第１の超伝導コイル、及び第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２の超伝導コイルを備える、第１の磁石系と、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える第２の磁石系であって、第１の磁石系と第２の磁石系の間に位置する対称平面に関して、第１の磁石系に対してミラー対称に配置されている、第２の磁石系とを備える、磁気ミラーマシンにも同等に応用可能であり、その概念及び利点は本開示の別の場所において考察される。
【0067】
図２１Ａ及び２１Ｂは、そのような磁気ミラーマシン３１００を示し、この場合に、図２１Ａは磁気ミラーマシン２２００の断面図であり、図２１Ｂは図２１Ａの単一象限の拡大図であり、この図は、回転及びミラー対称性のために、図２１Ａに示される断面の全４象限を表わしている。
【0068】
磁気ミラーマシン３１００は、対称軸Ａのまわりに、回転対称であるか、又は少なくとも実質的に回転対称である。
【0069】
磁気ミラーマシン３１００は、プラズマ閉じ込め用に使用してもよいとともに、慣用のシールド２１０２、例えば、当該技術において知られているような、中性子シールド２１０２を備えてもよい。特に、磁気ミラーマシン２１００は、核融合炉内に備えられるとともに／又は核融合炉内で使用されてもよい。
【0070】
図２１Ａから明白なように、磁気ミラーマシン３１００は、対称軸Ａに沿って縦方向に配置された、複数の超伝導コイル２２０４、２２０６ａ、２２０６ｂを備える。各超伝導コイル２２０４、２２０６ａ、２２０６ｂは、図２１Ａ／２１Ｂにおけるように、円形ループに配置して、それぞれが、開放磁場線プラズマ閉じ込め領域２１０６を生成するように配置された、直流電流を通すように配置されてもよい。
【0071】
このようにして、プラズマ閉じ込め領域２１０６は、磁気ミラーマシン３１００を通り、対称軸Ａに沿って縦方向に広がり、プラズマ閉じ込め領域２１０６内の磁場線２１１２も縦方向に延びている。
【0072】
特に、対称平面Ｐの上方に位置する超伝導コイル２２０６ａ及び２２０６ｂは、第１の磁石系を構成し、コイル２２０６ａは、第１の方向に直流電流を通すように配置されており、コイル２２０６ｂは、図２１Ｂにおいて点とばつ印で指示されるように、第２の、反対の方向に直流電流を通すように配置されている。
【0073】
さらに、対称平面Ｐの下方に位置する超伝導コイル２２０６ａ及び２２０６ｂは、対称平面Ｐに関して第１の磁石系に対してミラー対称に配置された、第２の磁石系を構成し、したがって、対称平面Ｐは、第１の磁石系と第２の磁石系の間に位置する。
【0074】
そのような配設を介して、本開示の別の場所で詳述されるように、環状閉じ込め領域２１０６を作り出してもよい。
【0075】
さらに、少なくとも１つの超伝導コイル、通常は複数の超伝導コイル、図２１Ａ及び２１Ｂの例においては、２つの超伝導コイル２１０４を備える、第３の磁石系が、プラズマ閉じ込め領域２１０６の半径方向外側に配置されてもよい。
【0076】
プラズマ閉じ込め領域２１０６は、各ミラー領域２１０８及び中心領域２１１０における磁場線間隔から明らかなように、両端のそれぞれにおいて、プラズマ閉じ込め領域２１０６の中心領域２１１０に対して磁束密度の増加した、それぞれのミラー領域２１０８によって制限されている。
【0077】
第１の磁石系及び第２の磁石系の超伝導コイル２２０６ａ、２２０６ｂは、それぞれのミラー領域２１０８に隣接して位置している。図２１Ａ及び２１Ｂの例では、超伝導コイル２２０６ａは、それぞれのミラー領域２１０８の半径方向外側に位置し、超伝導コイル２２０６ｂは、それぞれのミラー領域２２０６ａの半径方向内側に位置している。
【0078】
図２１Ａ及び２１Ｂから明らかなように、第１の磁石系及び第２の磁石系の各超伝導コイル２２０６ａ、２２０６ｂは、前記ミラー領域を通り磁場線２１１２と交差する、すなわち図２１Ａ／２１Ｂの平面に対応する平面において、磁場線２１１２に沿った方向に細長い形状の断面を有する。図２１Ａ及び２１Ｂの例では、断面は、三日月形であって、磁場線２１１２に沿った方向に、その方向に垂直な寸法の約２倍の大きさの寸法を有する。
【0079】
このように、それぞれのミラー領域２１０８に隣接する各超伝導コイル２２０６ａ、２２０６ｂは、三日月形断面を有している。特に、各超伝導コイルの断面は、ミラー領域２１０８の方向を向いた断面領域の周囲セグメント２２０７ａが、周囲セグメント２２０７ａの外側から見て、凸状となっている。
【0080】
代替的に、図２１Ａ及び２１Ｂからも明らかなように、これは、磁気ミラーマシン３１００に対して縦方向に細長い断面を有する超伝導コイル２２０６ａ、２２０６ｂとして、及び／又は対称軸Ａに沿った方向に細長い断面を有する超伝導コイル２２０６ａ、２２０６ｂとして、定式化されてもよい。
【0081】
さらに、図２１Ａ及び２１Ｂの例に示すように、ミラー領域２１０８から離れる方向を向いた周囲セグメント２２０７ｂは、平坦であってもよい。
【0082】
図１８におけるような長方形のもののような、その他の細長い断面も等しく可能である。
【0083】
図２２Ａ及び２２Ｂは、さらに別の磁気ミラーマシン３２００を示す。
【0084】
磁気ミラーマシン３２００は、各ミラー領域１０８に隣接する超伝導コイル２２０６のそれぞれが、管状セグメント状の断面を有する、すなわち、あたかも管の一部から形成されたような円形セグメントの全体的な形状を有することを除き、図１の磁気ミラーマシン３１００と同様の特徴を有する。当然のことながら、必ずしも円形のセグメントパスをたどる必要はなく、他の湾曲した断面も同様に可能である。
【0085】
これにより、各超伝導コイルの断面は、ミラー領域２１０８の方向に向かう断面領域の周囲セグメント２２０７ａが、周囲セグメント２２０７ａの外側から見て凸状になっている。
【0086】
また、ミラー領域から離れる方向を向いた各超伝導コイル２３０６の断面領域の周囲セグメント２２０７ｂは、周囲セグメント２２０７ｂの外側から見て凹状になっている。
【0087】
当然のことながら、先の２つの段落のように、必ずしも円形のセグメントパスに従う必要はなく、凸状及び凹状の周囲セグメントを有する、他の湾曲した断面も等しく可能である。
【0088】
さらに、図２２Ａ及び２２Ｂの例では、ミラー領域２１０８の方向に向いた断面領域の周囲セグメント２２０７ａは、ミラー領域から離れる方向を向いた断面領域の周囲セグメント２２０７ｂと平行に延びている。
【0089】
図２３Ａ及び２３Ｂは、さらなる磁気ミラーマシン２４００を示しており、本発明概念によるものではないが、本発明概念を理解するのに有用な例として提示されている。磁気ミラーマシン４２００は、それぞれのミラー領域２１０８に隣接する超伝導コイル２２０６ａ、２２０６ｂのそれぞれは、円形断面を有する、すなわち、断面が細長ではないことを除いて、図２１Ａ及び２１Ｂの磁気ミラーマシン２１００と同じ特徴を有する。
【0090】
【0091】
表２はシミュレーションの結果を示す：
Ｂcoilは、ミラー領域２１０８に隣接する、各コイル２２０６ａ、２２０６ｂ内部の最大磁束密度であり、
Ｂmirrorは、ミラー領域２１０８における最大磁束であり、
Ｂcentral,outerは、対称平面Ｐ、すなわち中心領域１１０における最大磁束密度であり、
Ｒは、磁気ミラーマシン３１００、３２００、３３００の内側半径であり、したがって表１の最終行は、Ｂcentral,avgとＲの積を示す。
Ｂcoilは、ミラー領域２１０８に隣接する、各コイル２２０６ａ、２２０６ｂ内部の最大磁束密度であり、
Ｂmirrorは、ミラー領域２１０８における最大磁束であり、
Ｂcentral,outerは、対称平面Ｐ、すなわち中心領域１１０における最大磁束密度であり、
Ｒは、磁気ミラーマシン３１００、３２００、３３００の内側半径であり、したがって表１の最終行は、Ｂcentral,avgとＲの積を示す。
【0092】
【表2】
【0093】
シミュレーションは、壁２１０２の厚さとして７００ｍｍ、対称平面Ｐにおける磁気ミラーマシン内側半径Ｒとして３３００ｍｍ、及び対称平面Ｐとコイル２２０６ａ、２２０６ｂとの間の距離として５０００ｍｍを用いて実施された。
【0094】
シミュレーションは、超伝導コイル内の電流密度が一定であると仮定するとともに、ミラー領域２１０８に隣接する各コイル２１０５内の最大磁束密度が、各超伝導コイルに対する崩壊磁束密度の一般的な値である、約２３Ｔを超えてはならないという制約を設けて実施された。
【0095】
さらに、Ｂcoil／Ｂmirror比が最大になるように各磁気ミラーマシンの半径を変化させたが、これは、Ｂcoilが一定であるため、Ｂmirrorを最小化するのと等価であった。
【0096】
表２の結果において、上記の設計制約を反映して、Ｂcoilはそれぞれ２３．０Ｔである。磁場の線形性のために、この結果は、２３．０Ｔ以外のその他のコイル最大磁束密度に容易にスケール変換が可能であり、それに対して、この結果が等しく有効であることに留意すべきである。
【0097】
表２からわかるように、図２３Ａ／２３Ｂの磁気ミラーマシン３３００の円形の細長くないコイル２２０６ａ、２２０６ｂと比較して、コイルにおいて約２３Ｔの磁束密度を超えないとの制約の下で、磁気ミラーマシン３１００における細長い三日月形コイル断面は、ミラー領域におけるより高い磁束密度Ｂmirrorを可能にする。さらに、図２２Ａ及び２２Ｂの磁気ミラーマシン３２００のコイル２２０６ａ、２２０６ｂの管状セグメント断面は、図２３Ａ／２３Ｂ及び２１Ａ／２１Ｂと比較して、さらに高いＢmirrorを可能にする。
【0098】
したがって、現在の最適化では、中心領域の磁束密度Ｂcentral,outerは約７～８Ｔのままであるのに対して、細長い管状セグメント断面は、積Ｂcentral,avg Ｒの大幅な増大を可能にする。
【0099】
本発明概念が、主として、例示的実施形態を参照して説明された。しかしながら、当業者によれば容易に気づかれるように、添付の特許請求の範囲によって定義されるような、本発明概念の範囲内において、上記で開示されたもの以外の実施形態が、等しく可能である。特に、本明細書で具体的に考察されたもの以外のその他の細長い断面も、特許請求の範囲内で同様に可能である。特に、図２１Ａ及び２１Ｂのもののような三日月状の断面は、例えば、図１８のもののようなボトル型磁気ミラーマシンに等しく適用可能であり、図１８のもののような長方形の断面は、例えば、図２１Ａ及び２１Ｂの磁気ミラーマシンにも同様に適用可能である。
【0100】
本開示の残りの部分は、プラズマ閉じ込め装置及びプラズマ閉じ込めのための方法に関する。
【0101】
制御された核融合のための原子炉を設計するために、世界中で多大な努力が払われている。最も有望な融合プロセスは、水素同位体の重水素（2Ｈ）とトリチウム（3Ｈ）との間のものである。重水素－トリチウム核融合プロセスでは、約３．５ＭｅＶの運動エネルギーを有する4Ｈｅアルファ粒子と、約１４．１ＭｅＶの運動エネルギーを有する中性子とが作り出される。
【0102】
核融合が起こるためには、原子核は１億５０００万ケルビン程度の温度を有するプラズマの形態でなくてはならない。このようなプラズマの閉じ込めをもたらすことは、依然として大きな課題である。
【0103】
プラズマ閉じ込めのためのいくつかの異なる知られた磁気構成がある。
【0104】
プラズマの閉じ込めは、プラズマの荷電粒子を閉じ込めることを伴う。また、閉じ込められたプラズマの安定性に有益な種々の特性が望ましい場合がある。
【0105】
よく知られているデザインは磁気ミラーである。その場合には、粒子は磁場線に追従し、装置の各端部における磁束密度が増加する領域において反射される。実験的に実証されているように、プラズマ閉じ込めが可能である一方で、様々なプラズマ不安定性の問題と関連している。これらの問題を解決するために、テニスボールに似た「ミニマムＢ」設計、又は「バイコニックカスプ（Biconic Cusp）」などの、様々な畳み込まれた非回転対称形状が、従来技術において提案されている。
【0106】
もう一つのよく知られている設計はトカマク（tokamak）である。トカマクは、閉じ込めのために、トロイド形、すなわちドーナツ形の磁場を使用する。トカマクもまた、電荷分離などの様々なプラズマ安定性の問題と関連している。
【0107】
本開示の目的は、特に核融合炉における使用のための、改良型プラズマ閉じ込め装置及び方法を提供することである。
【0108】
この目的のために、第１の態様によれば、第１の方向に電流を通すように配置された第１のコイル、及び第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイルを備える、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第１の磁石系と、第１の磁石系と第２の磁石系の間に位置する対称平面に関して、第１の磁石系に対してミラー対称に配置され、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第２の磁石系とを備え、対称平面において対称平面に垂直な磁場を有する、対称平面における環状のプラズマ閉じ込め領域を作り出す、プラズマ閉じ込め装置が提供される。
【0109】
環状のプラズマ閉じ込め領域として、例えばドーナツ状又は円盤状のトポロジを有する場合を含む、プラズマの荷電粒子が閉じ込められた回転対称区域と理解されるべきである。
【0110】
これにより、得られる磁場構成は、静的な軸方向及び半径方向の磁場を用いて、荷電粒子を開放磁場線磁気ミラー構成に閉じ込め得る。
【0111】
第１の磁石系及び第２の磁石系のそれぞれにおいて、第１のコイルが第１の方向に電流を通すように配置され、第２のコイルが反対の第２の方向に電流を通すように配置されている配設は、対称平面付近で比較的低い磁束密度を維持しながら、第１のコイルと第２のコイルとの間に高い磁束密度の区域を作り出すことを可能にする。従来の磁気ミラー配置と比較して、これによりミラー比を増加させることが可能になり、それによって損失コーン（loss cone）の大きさを低減して、プラズマのより良好な閉じ込めが可能になる。
【0112】
また、トカマクと比較して、プラズマを閉じ込める際に、電荷分離効果を回避し得て、プラズマの安定性のための誘導プラズマ電流を必要としない場合がある。結果として生じる準静的プラズマによって、すなわちグローバルプラズマ電流なしで、磁気流体力学的不安定性を回避することができる。また、核融合炉は、電流ランピング（ramping）を行うことなく、連続（定常）状態で運転可能にさせ得る。
【0113】
さらに、結果として得られる磁場構成は、プラズマを加熱する単純な方法を可能にし得る。
【0114】
第１の複数の同心円状に配置されたコイルは、例えば、第２の複数の同心円状に配置されたコイルと同一に設計され得る。これは、所望の磁場構成を達成するための特に簡単な方法である。
【0115】
この装置は、プラズマ閉じ込め領域の半径方向外側に配置された第３の磁石系をさらに備えてもよく、第３の磁石系は、少なくとも１つの円形ループコイルを備える。
【0116】
これにより、確実に半径方向に増大する磁場を配置することができ、これは閉じ込められたプラズマの安定性に有益であり、従来型の磁気ミラーにさらに改良を加える。
【0117】
さらに、第３の磁石系を有する配設は、プラズマ閉じ込め領域全体において凹状磁場を配置することを可能にし、このことは閉じ込められたプラズマの安定性にとって有益であり得る。
【0118】
このように、ミラー比が高く、プラズマ安定性に有益な特性を有する、回転対称型の開放磁場線プラズマ閉じ込め装置が提供され得る。
【0119】
また、第３の磁石系は、第３の磁石系の円形ループコイルにおける電流調節により、閉じ込められたプラズマを制御することを可能にし得る。
【0120】
第３の磁石系は、第１の磁石系において対称平面の同じ側に配置された第１のコイルと、対称平面の反対側に配置された第２のコイルとを備えてもよく、ここで、第２のコイルは、第１のコイルに対してミラー対称に配置される。
【0121】
第１の磁石系における第１の複数の同心円状に配置されたコイルと、第２の磁石系における第２の複数の同心円状に配置されたコイルとは、それぞれの強磁性構造に埋め込まれていてもよい。これにより、強磁性材料の相対的に高い透磁率を通る磁束が増加し、所定のコイル電流に対してより強い磁場が得られ、それによってより良好な閉じ込めが得られる。
【0122】
任意選択で、前記の強磁性構造は、前記対称平面に向かう方向において、それぞれの前記複数のコイルのうちの少なくとも１つのコイルを覆わない。これによって、対称平面から離れる方向の磁束がシールドされ、磁束を対称平面に向かう方向、すなわちプラズマに向かって誘導する。これにより、所与のコイル電流に対してより効率的なシールドが達成される。
【0123】
前記強磁性構造は、強磁性鋼であり得る。
【0124】
第１の態様による装置は、プラズマを閉じ込めるために用いられ得る。
【0125】
第１の態様による装置は、核融合炉に用いられ得る。
【0126】
第２の態様によれば、第１の方向に電流を通す第１のコイル、及び第１の方向と反対の第２の方向に電流を通す第２のコイルを備える、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第１の磁石系と、第１の磁石系と第２の磁石系の間に位置する対称平面に関して、第１の磁石系に対してミラー対称の電流を通す、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第２の磁石系とにおいて、対称平面に垂直な磁場を有する、対称平面における環状のプラズマ閉じ込め領域を作り出すことを含む、プラズマ閉じ込めの方法が提供される。
【0127】
この第２の態様の実施形態及び利点は、一般に、第１の態様の実施形態と同様又は同一であり得る。
【0128】
この方法は、プラズマ閉じ込め領域の半径方向外側に配置された第３の磁石系における電流調節によって閉じ込められたプラズマを制御することをさらに含み得る。
【0129】
制御することは、プラズマ閉じ込め領域の半径を変化させることを含んでもよく、これにより、プラズマの半径を変化させ得る。
【0130】
この方法は、プラズマ閉じ込め領域の半径方向外側又はプラズマ閉じ込め領域の半径方向内側の領域にイオンビームを挿入し、イオンビームからのイオンをプラズマ閉じ込め領域中に移動させることによって、プラズマを加熱することをさらに含み得る。
【0131】
プラズマを閉じ込めるために作り出された磁場が、外部から来るイオンをプラズマから偏向させるとともに、磁場を貫通し、プラズマ内で一度だけイオン化される中性ビームを使用して加熱を行う必要がある、トカマク又は同様の装置のような既存の解決策とは異なり、ここでは、現在の磁場構成は、イオンを偏向させるのではなく、プラズマ閉じ込め領域にイオンを引き込むことができるので、高エネルギーイオンは、閉じ込められたプラズマに便利で簡単に追加され得るか、又は核融合条件を作り出すためにプラズマの初期加熱のために提供され得る。これにより、手順の複雑さの軽減をもたらすとともに、粒子損失をさらに低減させ得る。
【0132】
第３の態様によれば、第１の方向に電流を通すように配置された第１のコイル、及び第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイルを備える、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第１の磁石系と、第１の磁石系と第２の磁石系との間に位置する対称平面に関して第１の磁石系に対してミラー対称に配置された、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第２の磁石系とを備えて、対称平面において対称平面に垂直な磁場を有する、対称平面における環状の粒子閉じ込め領域を作り出すことを含む、磁気ミラーマシン及び／又は粒子閉じ込め装置が提供される。
【0133】
その他の態様と併せて、また本開示全体を通して考察された実施形態及び利点は、この第３の態様と適合性がある。
【0134】
第４の態様によれば、第１の方向に電流を通す第１のコイル、及び第１の方向と反対の第２の方向に電流を通す第２のコイルを備える、第１の複数の同心円状に配置された円ループコイルを備える、第１の磁石系と、第１の磁石系と第２の磁石系との間に位置する対称平面に関して、第１の磁石系に対してミラー対称の電流を通す、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイルを備える、第２の磁石系とにおいて、対称平面に垂直な磁場を有する、対称平面における環状の粒子閉じ込め領域を作り出すことを含む、荷電粒子の閉じ込め方法が提供される。
【0135】
その他の態様と併せて、また本開示全体を通して考察された実施形態及び利点は、この第３の態様と適合性がある。
【0136】
一般に知られているように、プラズマ閉じ込め装置は、開放磁場線又は閉鎖磁場線のいずれかに基づき得る。
【0137】
閉鎖磁場線装置は、例えば、トロイダル磁場を有し得る。そのような装置の一例がトカマクである。
【0138】
閉鎖磁場線装置は、粒子が磁場線をたどるため、漏れることなくプラズマ粒子を閉じ込める可能性があるが、電荷分離によるＥｘＢドリフトや磁気流体力学的（ＭＨＤ：magneto-hydrodynamic）効果などの他の問題により、プラズマを逃がす可能性がある。ヘリウム灰を除去するには、システムをパルシング（pulsing）したり、定常動作を許可しないなど、特別な配設を行う必要がある。
【0139】
トロイダル場の大きな問題の１つは、電荷分離によって引き起こされるＥｘＢドリフトによってイオンが閉じ込め状態から逃れることである。
【0140】
トカマクにおいては、この問題は、プラズマ中に電流を誘導することによって対処することができ、そこで電流はポロイダル場を作り出す。この結果として、磁場がトーラスに沿ってねじれて、ポロイダル磁場とトロイダル場が一緒になってねじれた磁場を作り上げる。これにより、ＥｘＢドリフトは緩和されるが、内部磁気コイルの電流がランピングしている間、つまり定常状態で動作できない間だけ、プラズマが閉じ込められるという追加の問題が持ちこまれる。
【0141】
さらに、プラズマ電流は、キンク不安定性などの、磁気流体力学的効果に関連するいくつかの不安定性をもたらす。これは、原子炉容器のまわりの様々な補償コイルによって対処することができるが、プラズマの基本的な特性は、大きな磁気流体力学的効果のために不安定なままである。
【0142】
開放磁場線プラズマ閉じ込め装置は、従来技術で知られているように、磁気ミラーリングの原理によって動作可能であり、この場合に、プラズマの荷電粒子は、閉じ込め領域のそれぞれの端部の磁束密度が増加する領域において反射される。このような機械は定常動作の能力を有し、一般に電荷分離の問題が少なく、またヘリウム灰の取り扱いも容易にすることができる。
【0143】
解放磁場線プラズマ閉じ込め装置は、プラズマ閉じ込めを提供できると認識されているが、磁場線に十分に整列した速度ベクトルを持つ電荷粒子の漏れが常にある。より具体的には、ミラー効果は、磁場線のまわりの荷電粒子のジャイロスピンのらせん渦巻きピッチ角によって定義される、損失コーンの外側の接近角の範囲内のすべての粒子に対して生じる。
【0144】
損失コーンの程度は、磁場線に続く最大磁束密度Ｂｍａｘと最小磁束密度Ｂｍｉｎの比として定義される、ミラー比ｒｍｉｒｒｏｒによって決定される：
【0145】
【数3】
【0146】
損失コーンを定義する角度は次のとおりである：
【0147】
【数4】
【0148】
したがって、ミラー比が高いと損失コーンが小さくなり、その結果として磁場線に最も整列した速度を持つ粒子のみが逃れることがわかる。逆に、ミラー比が低いと、損失コーンが大きくなる。
【0149】
閉じ込められたプラズマの磁気流体力学的安定性と関連する、プラズマ閉じ込め装置の磁場線の、文献から知られている第１の性質は、プラズマ閉じ込め領域及び閉じ込められたプラズマの外側から見た凹状の磁場、すなわち凹状の磁場線を有する磁場である。
【0150】
閉じ込められたプラズマの磁気流体力学的安定性と関連する、プラズマ閉じ込め装置の磁場線の、文献から知られている第２の性質は、半径方向に確実に増加する磁場である。
【0151】
【0152】
第１の磁石系１は、対称軸Ａのまわりに配置された第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイル、例えば、図示されているような、第１の、内側コイル１１と、内側コイル１１の径方向外側に同心円状に配置された、第２の、外側コイル１２とを備える。
【0153】
さらに、第１の磁石系１は、同様に軸Ａのまわりに同心円状に配置されるが、第１の磁石系に対して上下に変位した、第２の複数の円形ループコイルを備える、第２の磁石系２を備える。第２の磁石系は、例えば、図示されるように、第１の、内側コイル２１と、内側コイル２１に対して同心円状に、その半径方向外側に配置された、第２の外側コイル２２とを備えてもよい。
【0154】
図１ｃは、対称軸Ａを通る断面平面において、第１の磁石系１及び第２の磁石系２を通る横断面図を示す。
【0155】
第２磁石系２のコイル２１、２２は、第１の磁石系１及び第２の磁石系２のそれぞれに対して等距離にある対称平面Ｐと相対的に、第１の磁石系１のコイル１１、１２に対してミラー対称に配置されている。
【0156】
本開示全体を通して、軸Ａ及び対称平面Ｐに対する座標系及び方向を参照することができる。特に、座標及び方向は、対称軸Ａと対称平面Ｐとの交点を原点として有する円筒座標系又はデカルト座標系を参照して記述することができる。
【0157】
「Ｘ，Ｙ，Ｚ」、「Ｘ，Ｙ，Ｚ」、「Ａ，Ｂ，Ｃ」等と称される座標を有する、デカルト座標系とは、対称平面Ｐに横たわる最初の２つの座標軸「Ｘ，Ｙ」、「Ｘ，Ｙ」、「Ａ，Ｂ」等と、対称軸Ａに沿って原点から上方（図１～図５に見られるように）に正方向に延びる第３の座標軸「ｚ」、「Ｚ」、「Ｃ」等と、を有するものと理解されるべきである。
【0158】
空間座標の単位が開示されていない場合、メートル又は度の単位が暗示される。時間の単位が開示されていない場合、秒の単位が暗示される。
【0159】
円筒座標系とは、対称軸Ａと対称平面Ｐとの交点における原点から延びる径方向及び座標（「Ｒ」、「ｒ」等）と、対称軸Ａを中心とする回転角度として測定される方位角方向及び座標（「φ」、「Ｐｈｉ」等）と、軸方向及び、対称軸Ａに沿って原点から上方に正方向に延びる座標（「ｚ」、「Ｚ」、「Ｃ」等）とを有するものと理解されるべきである。方位角方向に対する正方向は、正の軸方向に対して右手の法則に従う。
【0160】
さらに、本開示全体を通して、模擬磁場（磁束密度）線、すなわち、等磁位線を示す、図２、４ａ、４ｂ、９、１０、１１、及び１２を含む図が参照される。本明細書に開示される磁石系の対称性特性のせいで、すなわち、対称平面Ｐに対するミラー対称性及び軸Ａを中心とする回転対称性のせいで、このような象限の磁場特性は、全体としての磁場構成を記述するのに十分である。したがって、象限を示す図は、対称特性に言及することを条件として、４つの象限すべてにおける磁場及び磁石系構成を開示するものと解釈されるべきである。さらに、回転対称性のせいで、図は３次元磁場と磁石系とを開示していると解釈されるべきである。
【0161】
さらに図１ｃを参照して、第１の磁石系１の第１の複数の同心円状に配置されたコイル１１、１２は、図示されているように、ミラー対称性を守り、第２の磁石系２の第２の複数の同心円状に配置されたコイル２１、２２と同一に設計され得る。
【0162】
【0163】
第１の磁石系１では、内側コイル１１の電流は、図１ｃの右側の断面平面（ばつ印でマーク）の中に入り、図１ｃ左側の断面平面（中心点付き円でマーク）から外に出る方向、すなわち、第１磁石系の上方から見て反時計回りに、流れるように構成されている。逆に、外側コイル１２の電流は、図１ｃの右側の断面平面（中心点付き円でマーク）から外に出て、図１ｃの左側の断面平面（ばつ印でマーク）から中に入る方向、すなわち、第１の磁石系の上方から見て時計回りに流れるように構成されている。
【0164】
このように、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイルは、第１の方向に電流を通すように配置された第１のコイル１１と、第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイル１２とを備える。
【0165】
同様に、対称平面Ｐに対するミラー対称性を守り、第２の磁石系２において、内側コイル２１の電流は、図１ｃの右側の断面平面（ばつ印でマーク）の中に入り、図１ｃの左側の断面平面（中心点付き円でマーク）から外に出る方向、すなわち、第１の磁石系を上方から見て反時計回り、に流れるように構成されており、外側コイル２２の電流は、図１ｃの右側の断面平面（中心点付き円でマーク）から外に出て、図１ｃの左側の断面平面（ばつ印でマーク）の中に入る方向、すなわち、第１の磁石系の上方から見て時計回り、に流れるように構成されている。
【0166】
このように、第２の磁石系２の電流は、第１の磁石系１及び第２の磁石系２が動作している状態で、第１の磁石系１と第２の磁石系２との間に位置する対称平面Ｐに関して、第１の磁石系に対してミラー対称に配置される。
【0167】
磁場（磁束密度）ベクトルＢを示すベクトル矢印２０２で示されているように、対称平面Ｐにおいて、第１の磁石系１と第２の磁石系２における電流のミラー対称構成は、対称平面Ｐにおいて、対称平面Ｐに垂直な磁場を作り出す。近似的な破線楕円で示される、環状で、典型的にはトロイド形状の、プラズマ閉じ込め領域２０６（図２、５ａ及び５ｂ参照）が、以下でさらに説明されるように、対称平面Ｐにおいて形成される。
【0168】
このように、換言すれば、プラズマ閉じ込め装置は、プラズマが閉じ込められ得る空間をその間に有する、軸方向に対向する２つの円盤状の磁石系１、２を備えてもよい。各磁石系１、２は、電流の方向と大きさが、対称平面Ｐにおいて垂直方向磁場境界条件を作り出す、少なくとも２つのコイル１１、１２、２１、２２を有する。
【0169】
また、なお図１ａ、１ｂ、１ｃを参照して、第１の磁石系１における第１の複数の同心円状に配置されたコイル１１、１２、及び第２の磁石系２における第２の複数の同心円状に配置されたコイル２１、２２のそれぞれが、強磁性鋼などの強磁性材料でもよいそれぞれのコア構造２０４に埋め込まれていてもよい。あるいは、コア構造２０４は、非強磁性鋼などの非強磁性材料であってもよい。
【0170】
任意選択で、図示されているように、第１の磁石系１及び第２の磁石系２のそれぞれのコア構造２０４は、図示されるように対称平面Ｐに向かう方向にはそれぞれの複数のコイルのすべてのコイルのうちの、少なくとも１つのコイルを覆っていないが、その他のすべての方向において、それぞれのコイル１１、１２、２１、２２を覆っている。
【0171】
比較の目的で、図９は、２つのコイル、すなわち、各半球において単一のコイル１６００、を備える直線磁気ミラー構成の模擬磁場線を示す。このような直線磁気ミラー（「ボトル」）構成に典型的であるように、磁場は、対称平面Ｐ付近の比較的低い磁束密度の領域１６０２と、コイル１６００の近傍の比較的高い磁束密度の領域１６０４とを見せて、上記説明のように磁気反射の原理に基づいて、荷電粒子に対する閉じ込め領域２０６を作り出している。また、閉じ込め領域２０６の半径方向外側から、すなわち図９において右から見られるとき、対称平面の近くの比較的大きな領域は凸状の磁場線を見せるのに対して、コイル１６００に近いより小さい領域は凹状の磁場線を見せ、前者は、上記で考察された第１の特性のとおりに、不利であり、後者が有利である。また、対称平面Ｐにおいて、磁束密度は半径の増加とともに減少していることが注記され得る。
【0172】
開示された磁石系構成は、対称平面Ｐと直角に交差する磁場線によって明らかなように、対称平面Ｐ全体にわたって対称平面Ｐに垂直な磁場を作る。図２は、図１ｃと同様に、軸Ａを通る断面平面における磁場線を示している。第１の磁石系１及び第２の磁石系２の回転対称性のせいで、磁場構成も回転対称であり、その結果として、図２は、任意のそのような断面平面全体に対して、したがってすべての磁場構成に対しても、代表的である。特に、この磁場は、すなわち、図２の断面平面に出入りする方向、すなわち上記で言及した方位角方向を指す方向において、トロイダル成分を有さない。換言すれば、磁場ベクトルは、軸Ａを通る任意のそのような断面平面に対して、断面平面内にある。図９～図１３の構成についても同様である。
【0173】
図２には、図１ａ、１ｂ、１ｃと併せて上記で考察された第１の磁石系１及び第２の磁石系２における電流のミラー対称構成から生じる、磁場線が示されている。結果として生じる磁場構成からは、プラズマのイオンが閉じ込められ得る、ここでも近似的な破線楕円によって表わされた、環状の閉じ込め領域２０６が得られる。プラズマ閉じ込め領域は、シミュレーションで確認されたように、内側の半径と外側の半径の間で半径方向に制限されている。プラズマ閉じ込め装置に閉じ込められたプラズマイオンは、対称平面Ｐにおけるプラズマ閉じ込め領域２０６において、その平面に垂直な磁場のせいで、その平面内で円形ジャイロ運動を行うことになる。既述のように、トロイダル場は存在しない。したがって、トロイダル磁場成分がない場合には、対称平面Ｐにおけるイオンには軸方向ローレンツ力は存在しない。磁場線に沿って、軸方向に対称平面から遠ざかると、ローレンツ力がイオンを対称平面に向かって押し戻し、イオンを対称平面に閉じ込め得る。
【0174】
プラズマがトロイダル磁場及びポロイダル磁場で閉じ込められているトカマクにおける状況と異なり、本開示による閉じ込め装置は、プラズマを軸方向（軸Ａに平行）磁場及び半径方向磁場によって閉じ込める。
【0175】
図１０は、プラズマ閉じ込め装置に備えられ得る別の構成を示し、この構成も、第１の方向に電流を通すように配置された第１のコイル１１、及び第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイル１２を備える、第１の磁石系１（図１ｃ参照）と、第１の磁石系１と第２の磁石系２（図示なし）の間に位置する対称平面Ｐに関して、前記第１の磁石系に対してミラー対称で配置されている第１及び第２の同心円状に配置された円形ループコイル（図示なし）を備える、第２の磁石系とが配置されている。図９の直線磁気ミラーに対するのと同様に、荷電粒子に対する閉じ込め領域、すなわちプラズマ閉じ込め領域２０６は、対称平面において、対称平面に垂直な磁場を有する、対称平面Ｐである。
【0176】
図９と併せて上記で考察されたように、図１０に示され、又は図２において明白なように、第１の磁石系及び第２の磁石系のコイル１１、１２の幾何学形状とそれに通される電流を適切に選択することによって、磁気反射の原理に基づいて、対称平面Ｐに近い比較的低い磁束密度の区域１６０２と、コイル１１、１２に近い比較的高い磁束密度の区域１６０４とを示す、荷電粒子に対する閉じ込め領域２０６を作り出す、磁場構成を達成することができる。さらに、図１０におけるように、閉じ込め領域２０６の半径方向外側から、すなわち図９において右から見て、対称平面の近くの区域１６０２は、凸状の磁場線を見せるのに対して、区域１６０４は凹状の磁場線を見せる。
【0177】
さらに、図１０（及び図１２）を図９と比較することから明白なように、コイルの幾何学形状とそれを流れる電流の適切な選択により、コイル１１、１２の近くの比較的高い磁束密度の区域１６０４における、かなり増大された磁束密度が可能になる。このことは、より高いミラー比をもたらして、低減された損失コーンのせいで、プラズマ内の荷電粒子の閉じ込めを改善し得る。
【0178】
図３ａ及び３ｂは、プラズマ閉じ込め装置内に備えられ得る、第１の磁石系１と、第２の磁石系２と、第３の磁石系とを示す（図５ａ及び５ｂを参照）。以下に具体的に言及しない限り、図３ａ、３ｂ、及び図４の磁石系は、図１ａ、１ｂ、１ｃ、及び２に併せて上述された、第１の磁石系及び第２の磁石系と同じ特徴及び特性を有する。第３の磁石系３は、軸Ａに対して、プラズマ閉じ込め領域２０６の半径方向外側に配置される。
【0179】
さらに、第３の磁石系３は、図示されるように、軸Ａに対して、第１の磁石系１及び第２の磁石系２の半径方向外側に位置し得る。
【0180】
第３の磁石系３は、少なくとも１つの円形ループコイル、例えば、図示されるような、第１の磁石系と対称平面Ｐの同じ側に配置された第１の円形ループコイル３１と、対称平面Ｐの反対側に配置された第２の円形コイルループ３２とを備え、この場合に、第２のコイル３２は第１のコイル３１に関してミラー対称で配置されている。特に、図３ｂを参照すると、第１のコイル３１及び第２のコイル３２の各々は、磁石系が動作している状態で、図３ｂの左側の断面平面（ばつ印でマーク）の中に入り、図３ｂの右側の断面平面（中心点付き円でマーク）から外に出る方向、すなわち、第１の磁石系の上方から見た時計回りに流れるように構成された電流を有する。
【0181】
得られた模擬磁場線が図４ａ及び４ｂに示されている。磁場構成は、図２のそれと同様である。特に、環状のプラズマ閉じ込め領域２０６が、図１ａ、１ｂ、１ｃ、及び２と併せて上述されたように、形成される。図４ｂは、図４ａの１つの象限を拡大して示している。磁石系の対称特性のせいで、すなわち、対称平面Ｐに対するミラー対称と、軸Ａのまわりの回転対称のせいで、そのような１つの象限の磁場特性は全体としての磁場構成を説明するのに十分である。
【0182】
図１１は、プラズマ閉じ込め装置において備えられ得る、さらに別の構成を示す。図１０の第１の磁石系１と第２の磁石系２に加えて、図３ａ及び３ｂにおけるように、第３の磁石系３が、プラズマ閉じ込め領域２０６の半径方向外側に配置されている。第３の磁石系３は円形ループコイル３１を備える。
【0183】
さらに図１１を参照すると、図９に併せて上記で考察されたように、磁場構成は、対称平面Ｐに近い比較的低い磁束密度の区域１６０２と、コイル１１、１２近くの比較的高い磁束密度の区域１６０４とを見せて、磁気反射の原理に基づいて、荷電粒子に対する閉じ込め領域２０６を作り出している。
【0184】
さらに、図１１をさらに参照すると、図１０におけるように、閉じ込め領域２０６の半径方向外側から、すなわち図９において右から見たときに、対称平面の近くの区域１６０２は、プラズマ閉じ込め領域２０６の外側から見たとき、凹状の磁場線を見せるのに対して、区域１６０４は、やはりプラズマ閉じ込め領域２０６の外側から見たときに、凸状の磁場線を見せる。しかしながら、凹状の磁場線の区域は、プラズマ閉じ込め領域の大部分に対応して、図１０の構成のそれよりも大きい。
【0185】
また、さらに図１１を参照すると、図１０におけるように、コイルの幾何学形状と、それを流れる電流とを適切に選択すると、コイル１１、１２の近くの比較的高い磁束密度の区域１６０４における、磁束密度をかなり増大させて、高いミラー比をもたらすことが可能になる。
【0186】
さらに、図１１（及び図４ａ及び４ｂ）から明らかなように、第３の磁石系のコイル３１を通過する電流の適切な選択を通して、プラズマ閉じ込め領域２０６における、半径方向に確実に増大する磁束密度を有する磁場構成が達成可能である。
【0187】
図１２は、プラズマ閉じ込め装置に備えられ得る、さらに別の構成を示す。図１１の構成に加えて、第１の磁石系１及び第２の磁石系２におけるそれぞれのコイルの各々が、それぞれの強磁性シールドに埋め込まれている。これにより磁場を集束させて、より高いミラー比が可能になる。
【0188】
図１３は、プラズマ閉じ込め装置に備えられ得る、さらに別の構成を示す。この例示的構成において、図１２の構成と比較して、コイル１１、１２、３１は、テーパ付き表面及び／又は凸状表面を有する。これによって、図１３から明らかなように、プラズマ閉じ込め領域２６０の半径方向外側の周囲１２０２が、反射ポイントまでとぎれず、凹状の磁場線を有するとともに、半径方向内側の周囲１２０４も同様であり、一方で磁束密度は半径方向に確実に増加している、磁場構成が達成可能である。
【0189】
図５ａ及び５ｂはそれぞれ、図１ａ、１ｂ、１ｃ、及び２と併せて上記で詳述されたような、それぞれが第１の磁石系１及び第２の磁石系２と、図３ａ、３ｂ、４ａ、及び４ｂと併せて上記で詳述されたような、任意選択の第３の磁石系３とを備える、プラズマ閉じ込め装置５００を示す。そのようなプラズマ閉じ込め装置５００は、それぞれ、核融合炉において使用され得る。
【0190】
さらに、各プラズマ閉じ込め装置５００は、それ自体はプラズマ融合技術においてよく知られているような、プラズマ容器２０８を備える。プラズマ容器は、図示されているように、第１の磁石系１と第２の磁石系２の間に位置し得る。さらに、プラズマ容器２０８は、そのような系が存在する場合には、図示されているように、第３の磁石系３の半径方向内側に位置し得る。プラズマ容器２０８は、図示されているように、軸Ａのまわりに回転対称としてもよい。原子炉用容器２０８は、環状の、トロイド形プラズマ閉じ込め領域２０６が原子炉容器２０８の内側に位置するように、位置している。
【0191】
プラズマ閉じ込め装置５００の物理的寸法は、磁気コイル内のエンジニアリング電流密度、アルファ粒子の閉じ込めの度合い、所望のプラズマ体積、などの多くのパラメータに依存し得る。アルファ粒子の良好な閉じ込めと、１０Ａ／ｍｍ２の磁石系におけるエンジニアリング電流密度において、約１５ｍ３のプラズマ体積をもたらし得る、典型的な寸法は以下のとおりである：
第１の磁石系１と第２の磁石系２の外径：８～１６ｍ、通常は１２ｍ。
第１の磁石系１と第２の磁石系２の外径：８～１６ｍ、通常は１２ｍ。
【0192】
コイル１１、１２、２１、２２のそれぞれの高さ：１．５～３．５ｍ、通常は２．５ｍ。
【0193】
コイルを埋め込むコア２０４の厚さ：０．６～１．３ｍ、通常は１．０ｍ。
【0194】
第１の磁石系１の上縁と第２の磁石系２の下縁との距離：４．０～８．０ｍ、通常は６．０ｍ。
【0195】
第３の磁石系３の外径：１０．０～２２ｍ、通常は１６．０ｍ。
【0196】
コイル電流又はコイル電流を変動させることによって、磁場構成は、プラズマ閉じ込め領域２０６に閉じ込められたプラズマを制御するように変化させられ得る。
【0197】
図５ｂは、軸Ａにおいて装置５００の中心に位置し、したがってプラズマ閉じ込め領域２０６の半径方向内側に位置する、それ自体は知られている、任意選択のマイクロ波プラズマ加熱装置２１０を有する、プラズマ閉じ込め装置５００を示す。
【0198】
さらに、プラズマ閉じ込め装置５００は、それ自体は知られている、容器２０８中につながり、プラズマ閉じ込め領域２０６の半径方向外側に位置している、任意選択のイオンビーム挿入配設２１２を有し得る。
【0199】
例えば、高エネルギーアルファ粒子を含む、イオンビームは、プラズマ閉じ込め領域２０６の半径方向外側の領域におけるイオンビーム挿入装置２１０を使用して挿入されてもよく、その後に、イオンビームからのイオンが、低い半径に向かって、プラズマ閉じ込め領域２０６の中に移動し、それによってプラズマを加熱し、プラズマは、次の段階において、加熱において自己維持性となる、すなわち点火プラズマとなり得る。
【0200】
代替的に（図示なし）、例えば高エネルギーアルファ粒子を含む、イオンビームは、そのようなイオンビーム挿入装置を使用して、プラズマ閉じ込め領域２０６の半径方向内側の領域に挿入されてもよく、その後にイオンビームからのイオンが、高い半径に向かって、プラズマ閉じ込め領域２０６中に移動し、それによってプラズマを加熱することを可能にしてもよい。
【0201】
このように、本開示によるプラズマ閉じ込め装置設計は、系の外半径と中心の両方における加熱装置に対するアクセシビリティを可能にする。
【0202】
さらに代替的に、プラズマは、マイクロ波加熱装置２１０によって加熱され得る。
【0203】
図６、７、及び８は、図１３に併せて上記で詳述された、第１の磁石系１と、第２の磁石系２と、第３の磁石系３とを備える、別のプラズマ閉じ込め装置５００の切り欠き斜視図である。プラズマ閉じ込め装置５００は、核融合炉において使用され得る。
【0204】
さらに、図７に示されるように、プラズマ閉じ込め装置５００は、それ自体はプラズマ融合技術においてよく知られている、プラズマ容器２０８を備えてもよい。図示されているように、プラズマ容器２０８は、第３の磁石系３のコイル３１、３２の半径方向内側、それぞれ、第１の磁石系１及び第２の磁石系２の外側コイル２２、１２の半径方向内側、及びそれぞれ、第１の磁石系１及び第２の磁石系２の内側コイル１１、２１の半径方向外側で、軸方向内側に位置し得る。
【0205】
さらに図７は強磁性埋め込み２０４を示す。
【0206】
最後に、図８はハウジング１５００内に収納されているプラズマ閉じ込め装置５００を示す。
【0207】
通常の寸法は次のとおりである。ハウジング１５００を含み、装置５００は、約２５ｍの直径、約３５ｍの高さを有し得る。第３の磁石系３のコイルの内径は、約１２ｍであり得る。それぞれ、第１の磁石系１及び第２の磁石系２の内側コイル１１、２１同士の間の最小距離は、約１１ｍであり得る。
【0208】
本開示によれば、粒子の系、すなわちその中に閉じ込められたプラズマにおける全体電流は、ゼロ、又はゼロ近くであり得る。このことは、トカマクなどのトロイダルベースの原子炉と比較して、動的なプラズマがずっと少なく生じ得る。そのような動的でないプラズマは、キンク不安定性などの、電流駆動プラズマ不安定性の問題が少なくなり得る。
【0209】
以下において、本発明概念によるプラズマ閉じ込め装置に対するシミュレーション結果が、図１４ａ、１４ｂ、１５、１６、及び１７を参照して、考察されて、融合プラズマイオンを閉じ込める、プラズマ閉じ込め装置５００の能力を検証する。融合プラズマを閉じ込めることは、プラズマ体積における磁場によって、重水素イオン、トリチウムイオン、アルファ粒子、及び電子を閉じ込めることを意味する。３．５ＭｅＶ（約１３，０００，０００ｍ／ｓ）運動エネルギーを有する、重水素－トリチウム融合の生成物の１種である、アルファ粒子は、これまでで閉じ込めるのが最も困難な粒子である。
【0210】
アルファ粒子が閉じ込められ得る場合には、プラズマの加熱に寄与し、その結果として、点火プラズマが、閉じ込められたアルファ粒子によって自己維持される。プラズマの燃焼は、外部エネルギーを必要とするが、それは融合プロセスによって生成される加熱エネルギーよりも少ない。そのような加熱は、融合生成物アルファ粒子によって提供される。すなわち、アルファ粒子を閉じ込めることは重要である。
【0211】
重水素とトリチウムとは、１２ｋｅＶ又はそれ未満で融合する。より低いエネルギーでより軽いイオンを閉じ込めることは、高エネルギーで重いイオンを閉じ込めるよりもずっと容易である。融合生成物アルファ粒子が閉じ込められ得る場合には、重水素イオン及びトリチウムイオン、ならびに電子も、同じ体積内に閉じ込められる、すなわち、アルファ粒子が閉じ込められれば、重水素イオンとトリチウムイオンも閉じ込められる。
【0212】
有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションによって計算された磁場内で、荷電粒子の軌道のシミュレーションが実施されて、荷電粒子閉じ込めの能力の検証が行われた。
【0213】
この系は回転対称であるので、２次元（２Ｄ）シミュレーションに記述され得る。さらに、第１の磁石系と第２の磁石系の２つの間にミラー対称性があるので、第１の象限（図４ｂ、９～１３参照）により、系の全体積を完全に定義することができる。
【0214】
粒子軌道は、粒子上のローレンツ力とニュートンの第２法則とを考慮に入れて、反復的に計算された。
【0215】
【0216】
図１４ａは、１００ｋｅＶの運動エネルギーでの重陽子の模擬された経路を示し、これに対して図１４ｂは、運動エネルギー３．５ＭｅＶでのアルファ粒子の、すなわち、重水素イオンとトリチウムイオンの間の融合からの生成物として通常の模擬された経路を示す。両方の粒子は、プラズマ閉じ込め領域内に閉じ込められて、それぞれの端点において磁気的に反射される。１次の近似として、所与の初期速度ベクトルに対して、荷電粒子のジャイロセンタ（gyrocenter）は、所与の磁場線に追従し、粒子運動エネルギー又は電荷にかかわりなく、同一の端点において反射される。しかしながら、粒子は異なるジャイロスピン半径（ラーモア半径（Larmor radius））を有するので、ドリフトも異なることになる。
【0217】
図１５、１６、及び１７は、それぞれ、０．５、１．５、２．５のｖｚ／ｖＲ（軸方向速度と半径方向速度の）比に対する、それぞれ、初期半径方向位置が１．５ｍ、３．０ｍ、及び４．５ｍでの、模擬荷電粒子軌道を示し、これらの構成のそれぞれに対する荷電粒子の閉じ込めを示す。
【0218】
本発明概念が、例示的実施形態を参照して、主として説明された。しかしながら、当業者によって容易に気づかれるように、上記で開示されたもの以外の実施形態が、添付の特許請求の範囲によって定義されるような、本発明概念の範囲内において、等しく可能である。
以下は、本明細書の一部を形成する例である。
以下は、本明細書の一部を形成する例である。
【例１】
【0219】
第１の方向に電流を通すように配置された第１のコイル（１１）、及び
前記第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイル（１２）
を備える、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（１１、１２）を備える、第１の磁石系（１）と、
前記第１の磁石系（１）と前記第２の磁石系（２）の間に位置する対称平面（Ｐ）に関して、前記第１の磁石系（１）に対してミラー対称に配置され、前記第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（２１、２２）を備える、第２の磁石系（２）とを備え、
前記対称平面（Ｐ）において前記対称平面（Ｐ）に垂直な磁場を有する、前記対称平面（Ｐ）における環状のプラズマ閉じ込め領域（２０６）を作り出す、プラズマ閉じ込め装置（５００）。
前記第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイル（１２）
を備える、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（１１、１２）を備える、第１の磁石系（１）と、
前記第１の磁石系（１）と前記第２の磁石系（２）の間に位置する対称平面（Ｐ）に関して、前記第１の磁石系（１）に対してミラー対称に配置され、前記第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（２１、２２）を備える、第２の磁石系（２）とを備え、
前記対称平面（Ｐ）において前記対称平面（Ｐ）に垂直な磁場を有する、前記対称平面（Ｐ）における環状のプラズマ閉じ込め領域（２０６）を作り出す、プラズマ閉じ込め装置（５００）。
【例２】
【0220】
前記第１の複数の同心円状に配置されたコイル（１１、１２）は、前記第２の複数の同心円状に配置されたコイル（２１、２２）と同一に設計されている、例１に記載の装置（５００）。
【例３】
【0221】
前記プラズマ閉じ込め領域（２０６）の半径方向外側に配置された第３の磁石系（３）をさらに備え、前記第３の磁石系（３）は少なくとも１つの円形ループコイル（３１、３２）を備える、例１から２のいずれか１つに記載の装置。
【例４】
【0222】
前記第３の磁石系（３）は、前記対称平面（Ｐ）の前記第１の磁石系（１）と同じ側に配置された第１のコイル（３１）と、前記対称平面（Ｐ）の反対側に配置された第２のコイル（３２）とを備え、ここにおいて、前記第２のコイル（３２）は、前記第１のコイル（３１）に対してミラー対称に配置されている、例３に記載の装置（５００）。
【例５】
【0223】
前記第１の磁石系における前記第１の複数の同心円状に配置されたコイルと、前記第２の磁石系における前記第２の複数の同心円状に配置されたコイルとは、それぞれがそれぞれの強磁性構造中に埋め込まれている、例１から４のいずれか１つに記載の装置（５００）。
【例６】
【0224】
前記強磁性構造は、前記対称平面に向かう方向において、それぞれの前記複数のコイルの少なくとも１つのコイルを覆わない、例５に記載の装置（５００）。
【例７】
【0225】
前記強磁性構造が強磁性鋼を備える、例５から６のいずれか１つに記載の装置（５００）。
【例８】
【0226】
プラズマを閉じ込めるための、例１から７のいずれか１つに記載の装置（５００）の使用。
【例９】
【0227】
核融合炉における、例１から７のいずれか１つに記載の装置（５００）の使用。
【例１０】
【0228】
第１の方向に電流を通すように配置された第１のコイル（１１）、及び前記第１の方向と反対の第２の方向に電流を通すように配置された第２のコイル（１２）を備える、第１の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（１１、１２）を備える、第１の磁石系（１）と、
前記第１の磁石系（１）と前記第２の磁石系（２）の間に位置する対称平面（Ｐ）に関して、前記第１の磁石系（１）に対してミラー対称の電流を通す、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（２１、２２）を備える、第２の磁石系（２）とにおいて、
前記対称平面（Ｐ）に垂直の磁場を有する、前記対称平面（Ｐ）における環状のプラズマ閉じ込め領域を作り出すことを含む、プラズマ閉じ込めの方法。
前記第１の磁石系（１）と前記第２の磁石系（２）の間に位置する対称平面（Ｐ）に関して、前記第１の磁石系（１）に対してミラー対称の電流を通す、第２の複数の同心円状に配置された円形ループコイル（２１、２２）を備える、第２の磁石系（２）とにおいて、
前記対称平面（Ｐ）に垂直の磁場を有する、前記対称平面（Ｐ）における環状のプラズマ閉じ込め領域を作り出すことを含む、プラズマ閉じ込めの方法。
【例１１】
【0229】
前記プラズマ閉じ込め領域（２０６）の半径方向外側に配置された第３の磁石系（３）において、電流調節によって閉じ込められたプラズマを制御すること
をさらに含む、例１０に記載の方法。
をさらに含む、例１０に記載の方法。
【例１２】
【0230】
前記制御することは、前記プラズマ閉じ込め領域の半径を変更することを含む、例１１に記載の方法。
【例１３】
【0231】
前記プラズマ閉じ込め領域（２０６）の半径方向外側、又は前記プラズマ閉じ込め領域（２０６）の半径方向内側の領域内にイオンビームを挿入することによって前記プラズマを加熱すること、及び
前記イオンビームからのイオンが、前記プラズマ閉じ込め領域（２０６）中に移動することを可能にすること
をさらに含む、例１０から１２のいずれか１つに記載の方法。
前記イオンビームからのイオンが、前記プラズマ閉じ込め領域（２０６）中に移動することを可能にすること
をさらに含む、例１０から１２のいずれか１つに記載の方法。
【図1a】
【図1b】
【図1c】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図4a】
【図4b】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14a】
【図14b】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23A】
【図23B】
【国際調査報告】