KR-102959908-B1 - 라디오주파수 및 중성 빔 전력을 사용하는 고에너지 플라즈마 발생기

Abstract

고에너지 플라즈마 생성 장치는 조정된 라디오주파수 필드에 의해 융합 레벨들로 에너지가 증폭된 플라즈마 이온들을 생성하기 위해서 자기적으로(magnetically) 포함된 미러 플라즈마에 주입된 저에너지 중성 빔을 사용한다.

Inventors

• 포레스트, 캐리, 브레트
• 앤더슨, 제이, 키이스
• 윌레이스, 존, 필립
• 하베이, 로버트, 더블유.
• 페트로브, 유리, 브이.

Assignees

• 위스콘신 얼럼나이 리서어치 화운데이션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20210316

Priority Date

20200403

Claims (17)

1. 플라즈마를 보유하는 격납 체적의 대향된 제1 및 제2 단부들에서 수렴하는 축방향으로 연장되는 마그네틱 플럭스 라인들을 제공하는 자기 거울 격납 필드(magnetic mirror containment field); 미리 결정된 피치 및 50 keV 미만의 에너지로 입자들의 중성 빔을 상기 격납 체적으로 지향시키는 중성 빔 발생기, 상기 입자들은 상기 격납 체적 내에서 플라즈마 이온들로 해리되도록함; 및 상기 플라즈마 이온들의 융합하기에 충분한 에너지로 상기 플라즈마 이온들을 선택적으로 가속하기 위해 전기장을 생성하는 라디오주파수 발생기를 포함하는 고에너지 플라즈마 생성을 위한 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 전기장의 주파수는 상기 자기 거울 격납 필드에서 상기 중성 빔의 상기 플라즈마 이온들에 대한 터닝 포인트들에서 사이클로트론 주파수에 기능적으로 의존하는 장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 주파수는 상기 사이클로트론 주파수보다 큰 상기 사이클로트론 주파수의 고조파(harmonic)인 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 중성 빔의 상기 에너지는 상기 중성 빔 입자들의 50% 이상이 플라즈마 이온들로 변환되도록 설정되는 장치.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서, 상기 라디오주파수 발생기는 상기 중성 빔으로부터의 상기 플라즈마 이온들의 에너지를 2배 이상 증가시키는(boost) 장치.
7. 제1 항에 있어서, 상기 라디오주파수 발생기는 상기 플라즈마 이온들의 반사 한계에 근접하고 자기 거울 격납 필드의 상기 축에 수직인 회전 전기 벡터를 생성하도록 위치된 안테나를 포함하는장치.
8. 제7 항에 있어서, 상기 피치는 상기 축에 대해서 30° 및 60° 사이인 장치.
9. 제1 항에 있어서, 고에너지 중성자들을 수용하기 위해 상기 격납 체적을 적어도 부분적으로 둘러싸고 다른 요소로 변환되는 요소를 포함하는 처리 체적을 더 포함하는 장치.
10. 제9 항에 있어서, 변환을 위한 상기 요소는 전구체들 99Mo, 131I, 133Xe 및 177Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 메디컬 방사성동위원소에 대한 전구체인 장치.
11. 제9 항에 있어서, 변환을 위한 상기 요소는 소진된 핵연료인 장치.
12. 제1 항에 있어서, 상기 중성 빔은 중수소 및 삼중수소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 장치.
13. 제1 항에 있어서, 상기 중성 빔은 중수소인 장치.
14. 제1 항에 있어서, 상기 자기 거울 격납 필드를 생성하는 한 쌍의 자기 코일들을 포함하고, 상기 라디오주파수 발생기는 상기 자기 코일들 사이에 안테나를 제공하고 상기 격납 체적은 가스 기밀 챔버 내에 포함되는 장치.
15. 축방향으로 연장되는 제1 자기 격납 필드 내에 가용성 재료를 보유하는 반응 체적; 상기 축을 따라 상기 반응 체적을 플랭킹하는 제1 및 제2 플라즈마 플러그; 다음을 포함하는 각 플라즈마 플러그: (a) 플라즈마를 보유하는 격납 체적의 대향되는 제1 및 제2 단부들에서 수렴하는 축방향으로 연장되는 마그네틱 플럭스 라인들을 제공하는 자기 거울 격납 필드; (b) 미리 결정된 피치 및 50 keV 미만의 에너지에서 입자들의 중성 빔이 상기 격납 체적 내로 지향시키는 중성 빔 발생기 - 상기 입자들은 상기 격납 체적 내에서 플라즈마 이온들로 해리됨; 및 (c) 상기 격납 체적에 들어가는 입자들의 에너지보다 높은 에너지로 상기 플라즈마 이온들을 선택적으로 가속하기 위해 전기장을 생성하는 라디오주파수 발생기;를 포함하고, 이에 의하여 제1 및 제2 플라즈마 플러그로부터 나오는 플라즈마 이온들은 상기 반응 체적에서 융합 반응을 생성하는 융합 장치.
16. 제15 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 플라즈마 플러그 내의 플라즈마 이온들의 압력은 상기 반응 체적 내의 플라즈마 이온들의 압력보다 더 큰 융합 장치.
17. 제16 항에 있어서, 상기 반응 체적으로부터 중성자들을 수용하여 전력을 생성하는 전기 발생기를 더 포함하는 융합 장치.

Description

라디오주파수 및 중성 빔 전력을 사용하는 고에너지 플라즈마 발생기 연방 지원 연구 또는 개발에 관한 진술 본 발명은 미국 에너지부가 수여한 DE-SC0002322에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 발명에 대한 특정 권리들을 가지고 있다. 관련 출원에 대한 상호 참조 본 출원은 2020년 4월 3일에 출원된 미국 특허 출원 16/839,780의 이익을 주장하며, 이 특허 출원은 여기에 참조로 포함된다. 본 발명은 핵 융합을 촉진할 수 있는 고에너지 플라즈마 생성 장치에 관한 것으로서, 특히 추가적인 라디오주파수 전력 주입(Radio Frequency Power Injection)으로 중성 빔 주입(Neutral Beam Injection) 및 자기 거울 가둠(Magnetic Mirror Confinement)을 이용한 시스템에 관한 것이다. 고온 플라즈마는 자기 거울 가둠 시스템에 의해 물리적 용기에서 멀리 떨어져 있고 용기 손상 및 가능한 플라즈마 냉각을 방지할 수 있다. 그러한 가둠 시스템은 마그네틱 플럭스 라인들이 수렴하는 2개의 단부들 사이에서 연장되는 축방향 자기장을 제공할 수 있다. 이 축방향 자기장 내에서 이동하는 플라즈마 이온들은 국부 사이클로트론 주파수에서 플럭스 라인들을 따라 나선형으로 이동하고 나선형 이온들에 작용하는 축방향 자기력 성분에 의해 "반사"된다. 플럭스 라인 수렴과 그에 따른 자기장 강도의 증가로 인해 발생하는 반사 자기력은 수렴에서 멀어지는 방향이다. 또한, 반사력은 자기장에 수직인 입자 운동 에너지 성분에 비례한다. 유사한 반사력이 플라즈마 전자들에 작용한다. 충분히 높은 에너지와 밀도를 갖는 플라즈마를 생성함으로써 자기 거울 감금 시스템에서 핵융합이 촉진될 수 있다. 이 고에너지/밀도 상태에 도달하는 한 가지 방법은 중성 빔의 중성 입자가 이온화되는, 즉 플라즈마 이온들과 전자들로 분할되는 플라즈마 내로 자기 봉쇄장을 통해 전기적으로 중성인 입자(중성 빔)를 주입한다. 중성 빔은 융합에 필요한 것보다 높은 초기 에너지를 가지므로 결과로 나온 플라즈마 이온들은 플라즈마 내로 도입된 후 예상되는 충돌 에너지 손실에도 핵융합에 적합한 에너지를 유지한다. 플라즈마 밀도 및 에너지는 빔 에너지가 증가함에 따라 감소하는 중성 빔에 의해 주입된 고속 이온의 손실률에 의해 결정된다; 따라서 고에너지 이온은 저에너지 이온보다 더 잘 구속된다. 자기 거울 감금 시스템에서 높은 핵융합 출력을 유지하기에 충분한 에너지에서 고에너지 입자의 충분한 플럭스를 생성하는 중성 빔은 에너지 관점에서 어렵고 비용이 많이 든다. 현재 이러한 접근 방식은 순 융합 에너지 생성에 실용적이지 않은 것으로 보인다. 본 발명은 또한 자기 거울 가둠 내로 중성 빔 주입을 주입하지만 상당한 융합을 직접 생성하는 데 필요한 것보다 훨씬 적은 에너지를 갖는 저에너지 중성 빔을 사용함으로써 이전의 접근 방식과 다르다. 대신, 중성 빔이 이온화된 후, 중성 빔 소스된(sourced) 고속 이온들의 에너지는 라디오주파수 전기장을 사용하여 자기 격납 체적 내에서 증폭된다. 고주파 에너지를 열 이온들(thermal ions)보다 고속 중성 빔 이온으로 우선적으로 전달하는 어려움은 중성 빔의 주입 각도와 에너지를 제어하여 자기 격납 필드에서 고속 이온의 "전환점(turning point)"이 잘 정의되도록 제어함으로써 극복된다. 라디오주파수 파동들은 전환점에서 사이클로트론 주파수의 배수(즉, 고조파)로 조정하면 열 이온들에 대한 작은 예상 파동 감쇠 효과만 있는 융합 레벨들로 이러한 중성 빔 주입 이온에 우선적으로 에너지를 공급한다. 구체적으로, 그 다음, 일 실시예에서, 본 발명은 자기 거울 격납 필드에서 고에너지 플라즈마를 생성하기 위한 장치를 제공하며, 후자는 플라즈마를 유지하는 격납 체적의 대향하는 제1 및 제2 단부에서 수렴하는 축방향으로 연장되는 마그네틱 플럭스 라인들을 제공한다. 중성 빔 생성기는 자기장 및 에너지 범위에 대해 미리 결정된 피치 각도에 입자들의 중성 빔을 격납 체적 내로 향하게 하여 입자들이 격납 체적 내에서 동일한 피치 각도로 플라즈마 이온들로 해리되고 잘 정의된 전환점을 갖도록 한다. 전환점에서 빠른 이온들은 순수한 수직 에너지를 갖는다. 그런 다음 라디오주파수 발생기는 플라즈마 이온들의 융합에 충분한 에너지로 빔 소스 이온들을 가속하기 위해 t 전기장을 생성하는 데 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징은 격납 필드로 주입된 후 플라즈마 이온들의 에너지를 부스팅하여 중성 빔의 효율을 크게 증가시키는 시스템을 제공하는 것이다. 전기장의 주파수는 자기 거울 격납 필드에서 중성 빔의 플라즈마 이온에 대한 전환점에서의 사이클로트론 주파수에 기능적으로 의존할 수 있다. 따라서, 일치하는 사이클로트론 주파수를 갖는 플라즈마 이온들에 에너지를 우선적으로 증착하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 일 실시예에서, 전기장의 주파수는 사이클로트론 주파수보다 더 큰 전환점에서의 사이클로트론 주파수의 고조파일 수 있다. 따라서, 더 높은 사이클로트론 고조파들에서 발생하는 고속 공진 이온으로의 라디오주파수 전기 에너지의 우선적인 전달을 이용하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 중성 빔의 에너지는 중성 빔 입자들의 50% 이상이 플라즈마 이온들로 변환되도록 설정된다. 따라서, 더 높은 입자 플럭스에 순응하여 높은 플라즈마 밀도를 가질 수 있는 더 낮은 에너지 중성 빔의 사용을 허용하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 중성 빔은 50,000 전자 볼트 미만의 에너지를 가질 수 있다. 따라서 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징은 높은 에너지들보다는 높은 플럭스 속도에 대한 중성 빔 발생기의 설계에서 트레이드오프를 설정하여 이온 연료 공급 속도를 향상시키는 것이다. 라디오주파수 발생기는 중성 빔으로부터 플라즈마 이온들의 에너지를 2 이상 높일 수 있다. 따라서 주입 후 플라즈마 이온들의 상당한 에너지 부스팅을 제공하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 라디오주파수 발생기는 플라즈마 이온의 반사 한계에 근접하고 자기 거울 격납 필드의 축에 수직인 회전 전기 벡터를 발생시키도록 위치된 안테나를 포함할 수 있다. 따라서 플라즈마 이온의 에너지 증착을 위해 안테나를 최적화하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 중성 빔의 각도는 축에 대해 15°와 80° 사이일 수 있다. 따라서 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징은 중성 빔의 에너지와 열 이온들로부터 중성 빔을 격리시키는 전환점 사이에 좋은 절충점을 제공하는 것이다. 장치는 고에너지 중성자를 수용하기 위해 격납 체적을 적어도 부분적으로 둘러싸고 다른 요소로의 변환을 위한 요소를 포함하는 처리 공간을 더 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 방사성 의약품을 생성하거나 사용후핵연료(spent nuclear fuel)를 활성화하기 위해 물질을 중성자로 처리하기 위한 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 중성 빔은 중수소 및 삼중수소로 구성된 그룹에서 선택될 수 있고 일부 실시예에서 시스템은 중성 빔 및 격납 용적 내의 가스에 대해서만 중수소를 사용할 수 있다. 따라서 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징은 잘 알려진 중성 빔 재료들과 함께 작동할 수 있고 일부 경우에는 중수소 대신 삼중수소의 사용을 피할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다. 일 실시예에서, 본 발명은 제1 축방향으로 연장되는 자기 격납 필드 내에 가용성 재료를 보유하는 반응 체적을 갖는 융합 장치를 생성하는데 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 제1 및 제2 플라즈마 플러그는 축을 따라 반응 체적의 측면에 위치(flank)할 수 있으며, 각각의 플라즈마 플러그는 전술한 바와 같이 고에너지 플라즈마를 생성하기 위한 장치이고, 여기서 제1 및 제2 플라즈마 플러그들로부터 탈출한 플라즈마 이온들은 반응 체적 내에서 융합 반응을 생성한다. 따라서 변환 또는 발전을 제공하기 위한 융합 장치에 대한 개선된 설계를 제공하는 것이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다. 이러한 특정 목적 및 이점은 특허청구범위에 속하는 일부 실시예에만 적용될 수 있으며 따라서 본 발명의 범위를 정의하지 않는다. 도 1은 자기 거울 격납 필드, 격납 체적 내로 빔들을 지향시키는 중성 빔 생성기 및 중성 빔으로부터 플라즈마 이온에 작용하는 전기장을 생성하는 라디오주파수 생성기를 제공하는 본 발명의 제1 실시 예의 절단 사시도이다; 도 2는 도 1의 격납 체적의 플럭스 라인들의 측면도이고, 플럭스 라인들의 단부 도면으로 정렬되고, 이 두 도면들은 서로 다른 에너지들의 플라즈마 이온들의 궤적뿐만 아니라, 축방향 거리의 함수로서 사이클로트론 주파수, 체류 시간 및 전기장 강도의 그래프를 보여준다; 그리고 도 3은 중심 솔레노이드 자기장 셀로부터 고에너지 플라즈마 이온들의 탈출을 차단하는 플러그들로서 도 1의 자기 거울 격납 필드들을 사용하는 융합 장치의 단순화된 입면도이다. 이제 도 1을 참조하면, 고에너지 플라즈마 시스템(10)은 압력 탱크 등(미도시)으로부터 밸브 입구 조립체(13)를 통해 중수소 또는 삼중수소와 같은 반응 가스를 수용하기 위해 축(14)을 따라 연장되는, 예를 들어 스테인리스 스틸 등의 밀봉된 원통형 쉘 형태의 압력 용기(12)를 제공할 수 있다. 제1 및 제2 전자기 코일들(16a, 16)은 압력 용기(12)의 대향 단부 근처에서 압력 용기(12) 내에 위치되어 자기 격납 필드(15)를 갖는 격납 체적(17)을 그들 사이에 정의할 수 있다. 전자기 코일들(16)은 그 사이에 축 B0필드를 설정하기 위해 축(14)을 따라 정렬된 헬름홀츠 쌍을 형성하도록 배향 및 분리된다. 일 실시예에서, 전자기 코일들(16)은 당업계에서 이해되는 유형의 제어 가능한 외부 DC 전원(18)에 의해 전력을 공급받는 축(14) 주위에 나선들을 제공하는 팬케이크 코일들(pancake coils)일 수 있다. 전자기 코일들(16) 사이에 위치하지만 하나의 전자기 코일(16b)에 근접하게 위치하는 것은 라디오주파수 안테나(19)(단순화된 형태로 도시됨)이며, 예를 들어 라디오주파수 발