(57)【要約】  プラズマ閉じ込めのための装置（１１２）および方法が開示されている。プラズマ（１００）の安定平衡は、マックスウェル方程式、運動モーメント方程式、断熱方程式の対象となるシステムエネルギを、準中立状態を強いることなく、変化させることによって決定される。ある実施例では、電子は、２つの流体の電荷分離によって発生する磁力および内部的な静電力によるイオンによって封じ込められる。ある実施例では、エネルギ変化プロセスのための入力パラメータは、プラズマのベータパラメータ状態を満たすように選択され、それにより、制御変数の数を一つ減らしている。一次元的に平衡な円筒状に対称なプラズマの半径方向の長さは、電子膜の深さによって特徴づけられている。そのようなプラズマは、コンパクトな形状を有する高いアスペクト比のトロイドとして封じ込むことができる。コンパクトなプラズマ溶融装置の出願は、中性子の発生、Ｘ線の発生、電力の発生を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じ込め寸法を有する閉じ込め容積内に露出したプラズマであって、複数の電子および複数のイオンを備え、電子が、前記プラズマ中に発生する電流中で電荷キャリアとして働くプラズマと；
前記複数の電子および前記複数のイオンの分布において少なくとも部分的な分離を生じさせるように、前記閉じ込め容積よりも小さい電子閉じ込め容積に対する閉じ込めの第１のモードとして、電子が磁気的に閉じ込められるように、前記イオンよりも実質的に前記電子に影響を与える磁界であって、前記分離が、前記閉じ込め容積内での閉じ込めの第２のモードとして、前記イオンの閉じ込めを促進する静電界を誘起する磁界と；
を備えることを特徴とする２モードプラズマ閉じ込め装置。
【請求項２】
電子閉じ込め容積が、約１から約１０００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
電子閉じ込め容積が、約１から約１００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
電子閉じ込め容積が、約１から約６０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項５】
電子閉じ込め容積が、約１から約４０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項６】
電子閉じ込め容積が、約１から約１０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
電子閉じ込め容積が、約１から約２の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項８】
電子閉じ込め容積が、約１．２の電子膜深さの寸法を有する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
閉じ込め容積が実質的に円筒形状を有する請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
閉じ込め容積が実質的にトロイダル形状を有する請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
電子がＺピンチ閉じ込めを利用した磁界によって閉じ込められている請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
電子がシータピンチ閉じ込めを利用した磁界によって閉じ込められている請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
電子がＺピンチおよびシータピンチ閉じ込めの組合せによって閉じ込められている請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
プラズマの稼働パラメータがプラズマに付随するベータ値の制限の対象となり、ここで、ベータ値は、平均数濃度、プラズマの温度および磁界の強さを備える要素に従属する請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
電子の電流に対する寄与が、相対的にイオンの電流に対する寄与以上である請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
プラズマ中の電子のバルク動作が、相対的にプラズマ中のイオンのバルク動作以上である請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
プラズマ中の電子の流れが、相対的にプラズマ中のイオンの流れ以上である請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
電子およびイオンを備えるプラズマと；
容積スケール長により特徴付けられる限定された容積内に前記電子を実質的に閉じ込める形状および寸法を有し、前記容積スケール長が、前記限定された容積内に電子膜深さによって決定される寸法を有し、前記電子および前記イオンが、前記限定された容積内にオーバーラップする空間的分布を維持し、前記オーバーラップする空間的な分布を安定させる前記限定された容積内に安定的なバルク状の静電界を発生させるとともに、前記限定された容積内に前記イオンを実質的に閉じ込める形状および寸法を有する磁界と；
を備えることを特徴とするプラズマ容器。
【請求項１９】
前記容積スケール長が、約１から約１０００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２０】
前記容積スケール長が、約１から約１００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２１】
前記容積スケール長が、約１から約６０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２２】
前記容積スケール長が、約１から約４０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２３】
前記容積スケール長が、約１から約１０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２４】
前記容積スケール長が、約１から約２の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２５】
前記容積スケール長が、約１．２の電子膜深さの寸法を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２６】
前記限定された容積が、実質的に円筒形状を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２７】
前記限定された容積が、実質的にトロイダル形状を有する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２８】
電子がＺピンチ閉じ込めを利用した磁界によって閉じ込められている請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項２９】
電子がシータピンチ閉じ込めを利用した磁界によって閉じ込められている請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項３０】
電子がＺピンチおよびシータピンチ閉じ込めの組合せによて閉じ込められている請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項３１】
プラズマの稼働パラメータがプラズマに付随するベータ値の制限の対象となり、ここで、ベータ値は、平均数濃度、プラズマの温度および磁界の強さを備える要素に従属する請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項３２】
プラズマが、少なくともイオンの一部の核融合反応を許すような方法で収納されている請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項３３】
核融合反応が中性子を発生する請求項３２に記載のプラズマ装置。
【請求項３４】
核融合反応が電力を発生する請求項３２に記載のプラズマ装置。
【請求項３５】
プラズマが、軟ｘ線の生成を許すような方法で収納されている請求項１８に記載のプラズマ容器。
【請求項３６】
電子の電流に対する寄与が、相対的にイオンの電流に対する寄与以上である請求項１８に記載の装置。
【請求項３７】
プラズマ中の電子のバルク動作が、相対的にプラズマ中のイオンのバルク動作以上である請求項１８に記載の装置。
【請求項３８】
プラズマ中の電子の流れが、相対的にプラズマ中のイオンの流れ以上である請求項１８に記載の装置。
【請求項３９】
プラズマ閉じ込め装置を設計する方法であって、
電子の分布およびイオンの分布を備えるプラズマシステムのエネルギの特徴付けであって、前記電子の分布および前記イオンの分布間の非類似性によって、プラズマ内部に誘起されたバルク状の静電界に付随するエネルギ項を含む特徴付けを生成する工程と、
前記プラズマシステムのエネルギの特徴付けに付随する平衡状態を決定する工程と、
前記平衡状態に付随する１つ以上のプラズマパラメータを決定する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４０】
前記１つ以上のプラズマパラメータが電子数濃度および容積スケール長を備える請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
その内部に閉じ込められたプラズマであって、複数の電子および複数のイオンを備えるプラズマを有するプラズマ反応容器と；
磁界を反応容器に供給し、それにより、実質的にプラズマ閉じ込め容器内へのプラズマの閉じ込めを促進する閉じ込め場発生器と；
プラズマ状態下で融合可能で反応生成物を生成するイオンの１つ以上の種類を提供する反応燃料供給装置であって、電子がプラズマ中に確立された電流中の電荷キャリアとして働き、それにより、イオンよりも電子に影響する磁界を起こし、磁気的な閉じ込めが複数の電子および複数のイオンの分布において少なくとも部分的な分離を発生し、そのような分離がプラズマ反応容器中にイオンの閉じ込めを促進する静電界を誘起し、プラズマ閉じ込め容積が容積スケール寸法によって特徴付けられる、反応燃料供給装置と；
を備えることを特徴とするプラズマ融合装置。
【請求項４２】
容積スケール寸法が、約１から約１０００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４３】
容積スケール寸法が、約１から約１００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４４】
容積スケール寸法が、約１から約４０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４５】
容積スケール寸法が、約１から約１０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４６】
容積スケール寸法が、約３の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４７】
反応生成物が中性子を備え、融合装置が中性子発生器として使用される請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４８】
反応燃料供給装置がデュートリウム−トリチウム燃料を提供する請求項４７に記載のプラズマ融合装置。
【請求項４９】
１立方メータ当たり約１０２０電子の平均濃度を有するデュートリウム−トリチウムプラズマが、約１ｃｍ未満である寸法を許す請求項４８に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５０】
約５ｋｅＶの平均温度を有するデュートリウム−トリチウムプラズマが、１秒当たり約１０１１中性子の割合で中性子の生成物を発生する請求項４９に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５１】
反応生成物がエネルギを備え、融合装置が電力発電器として使用される請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５２】
約４０ｃｍ未満の寸法を有する電力発生器がキロワットレンジの電力を発生する請求項５１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５３】
プラズマの稼働パラメータがプラズマに付随するベータ値の制限の対象となり、ここで、ベータ値は、平均数濃度、プラズマの温度および磁界の強さを備える要素に従属する請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５４】
電子の電流に対する寄与が、相対的にイオンの電流に対する寄与以上である請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５５】
プラズマ中の電子のバルク動作が、相対的にプラズマ中のイオンのバルク動作以上である請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５６】
プラズマ中の電子の流れが、相対的にプラズマ中のイオンの流れ以上である請求項４１に記載のプラズマ融合装置。
【請求項５７】
その内部に閉じ込められたプラズマであって、複数の電子および複数のイオンを備えるプラズマを有するプラズマ反応容器と；
磁界をプラズマ容器に供給し、それにより、実質的にプラズマ閉じ込め容積内へのプラズマの閉じ込めを促進し、電子がプラズマ中に確立された電流中の電荷キャリアとして働き、それにより、イオンよりも電子に影響する磁界を起こし、磁気的な閉じ込めが複数の電子および複数のイオンの分布において少なくとも部分的な分離を発生し、そのような分離がプラズマ反応容器中にイオンの閉じ込めを促進する静電界を誘起し、プラズマ閉じ込め容積が容積スケール寸法によって特徴付けられる、反応燃料供給装置と；
を備えることを特徴とするｘ線発生装置。
【請求項５８】
容積スケール寸法が、約１から約１０００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項５９】
容積スケール寸法が、約１から約１００の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６０】
容積スケール寸法が、約１から約４０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６１】
容積スケール寸法が、約１から約１０の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６２】
容積スケール寸法が、約３の電子膜深さの範囲の寸法を有する請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６３】
ｘ線が、非融合状態を含む状態下のプラズマによって発生された軟ｘ線を備える請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６４】
プラズマの稼働パラメータがプラズマに付随するベータ値の制限の対象となり、ここで、ベータ値は、平均数濃度、プラズマの温度および磁界の強さを備える要素に従属する請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６５】
電子の電流に対する寄与が、相対的にイオンの電流に対する寄与以上である請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６６】
プラズマ中の電子のバルク動作が、相対的にプラズマ中のイオンのバルク動作以上である請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６７】
プラズマ中の電子の流れが、相対的にプラズマ中のイオンの流れ以上である請求項５７に記載のｘ線発生装置。
【請求項６８】
閉じ込め寸法を有する閉じ込め容積内に露出したプラズマであって、複数の電子および複数のイオンを備え、イオンが、前記プラズマ中に発生する電流中で電荷キャリアとして働くプラズマと；
前記複数の電子および前記複数のイオンの分布において少なくとも部分的な分離を生じさせるように、前記閉じ込め容積よりも小さい電子閉じ込め容積にイオンが磁気的に閉じ込められるように、前記電子よりも実質的に前記イオンに影響を与える磁界であって、前記分離が、前記閉じ込め容積内での前記イオンの閉じ込めを促進する静電界を誘起する磁界と；
を備えることを特徴とするプラズマ閉じ込め装置。
【請求項６９】
イオン閉じ込め容積が、約１から約１０００のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７０】
イオン閉じ込め容積が、約１から約１００のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７１】
イオン閉じ込め容積が、約１から約６０のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７２】
イオン閉じ込め容積が、約１から約４０のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７３】
イオン閉じ込め容積が、約１から約１０のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７４】
イオン閉じ込め容積が、約１から約２のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７５】
イオン閉じ込め容積が、約１．２のイオン膜深さの範囲の寸法を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７６】
閉じ込め容積が実質的に円筒形状を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７７】
閉じ込め容積が実質的にトロイダル形状を有する請求項６８に記載の装置。
【請求項７８】
電子がＺピンチ閉じ込めを利用した磁界によって閉じ込められている請求項６８に記載の装置。
【請求項７９】
電子がシータピンチ閉じ込めを利用した磁界によって閉じ込められている請求項６８に記載の装置。
【請求項８０】
電子がＺピンチおよびシータピンチ閉じ込めの組合せによって閉じ込められている請求項６８に記載の装置。
【請求項８１】
プラズマの稼働パラメータがプラズマに付随するベータ値の制限の対象となり、ここで、ベータ値は、平均数濃度、プラズマの温度および磁界の強さを備える要素に従属する請求項６８に記載の装置。
【請求項８２】
電子の電流に対する寄与が、相対的にイオンの電流に対する寄与以上である請求項６８に記載の装置。
【請求項８３】
プラズマ中の電子のバルク動作が、相対的にプラズマ中のイオンのバルク動作以上である請求項６８に記載の装置。
【請求項８４】
プラズマ中の電子の流れが、相対的にプラズマ中のイオンの流れ以上である請求項６８に記載の装置。
【請求項８５】
プラズマが、イオンの少なくとも一部の融合反応を許すように収納されている請求項６８に記載の装置。
【請求項８６】
融合反応が中性子を発生する請求項８５に記載の装置。
【請求項８７】
融合反応が電力を発生する請求項８５に記載の装置。
【請求項８８】
プラズマが、軟ｘ線の生成物を許すように収納されている請求項６８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本発明の教示は、一般的にはプラズマ閉じ込めの技術分野に関し、特に、相対的にコンパクトな閉じ込め容器内で安定したプラズマを確立するためのシステムおよび方法に関するものである。
【０００２】
先行技術の説明
核融合は、２つの比較的低い質量の原子核が溶けて、より大きい質量の原子核と反応生成物となる際に起きる。エネルギの実質量は反応生成物と関連するため、制御された核融合の研究は、重要なゴールの一つである有効なパワー発生として進行中のプロセスである。融合を起こすために、相互に反発するクーロンバリアを越えたのち、２つの原子核が核のレベルにおける相互作用を起こすために必要である。そのような相互作用を増進させるために、異なる方法を用いることもできる。
【０００３】
融合プロセスを増進する良く知られた方法の一つが、十分な濃度および十分な温度において融合可能なイオンを有するプラズマの容積を与えることにある。そのようなプラズマは、融合反応を起こさせるために、十分長い間閉じ込められる必要がある。好ましくは、そのような閉じ込めは、熱のロスを減らすために、実質的にプラズマを周囲の環境から隔離する。
【０００４】
融合可能なプラズマを閉じ込めるための一つの方法は、磁場を用いてプラズマをある容積に“詰め込ん”で制限することである。一般的に“トカマク”と呼ばれる磁場閉じ込め方法の一例は、磁場をドーナツ形状（トロイド）の容積に制限する。従来たくさんの磁気的に閉じ込めるための融合装置がパワー発生のために適合されているため、閉じ込め容積はより大きく設計されている。その結果、そのような大きな装置や種々の支援部材は、広く知られた用途において用いようとすると、法外に複雑および／または高価であった。
【０００５】
概要
大きな融合装置に関連する上述した問題点は、融合可能なプラズマの相対的に小さい容積の形成をもたらす閉じ込め方法および装置によって、および、安定性を向上させることによって、解消することができる。そのようなプラズマは、準中立状態を強いることなく、システムの安定したエネルギ状態を決定することによって設計することができる。相対的に小さい寸法を有する閉じ込められた融合可能なプラズマは、プラズマの安定性に大きく寄与するかなりの誘導静電界を含んでいる。そのような閉じ込められたプラズマに基づくコンパクトな装置は、中性子発生装置、Ｘ線発生装置、電力発生装置などの異なる応用分野でも用いることができる。
【０００６】
本発明のあるの側面は、閉じ込め容積中に閉じ込め寸法を持って配置されたプラズマを含む２モードプラズマ閉じ込め装置に関するものである。プラズマは、たくさんの電子およびたくさんのイオンを含み、電子はプラズマによって造られる電流中で電荷キャリアとして働く。装置は、さらに、閉じ込め容積よりも小さい電子閉じ込め容積まで閉じ込めの第１モードとして電子を磁気的に閉じ込めるように、イオンより電子に実質的に影響を与える磁界を含む。そのような閉じ込めは、電子の数およびイオンの数の分布において少なくとも部分的な分離を起こす。分離は、閉じ込め容積内で制限の第２モードとして、イオンの閉じ込めを行う静電界を誘起させる。
【０００７】
本発明の他の側面は、電子およびイオンを有するプラズマ容器に関するものである。プラズマ容器は、さらに、容積スケール長さによって特徴づけられる制限された容積内へ電子を実質的に閉じ込める形状および大きさを有する磁界を含んでいる。容積スケール長さは、閉じ込まれた容積内での電子膜深さによって決定される大きさを有している。電子およびイオンは、閉じ込まれた容積内で互いに空間的分布をオーバーラップして維持される。互いにオーバーラップする空間的分布は、閉じ込まれた容積内に、互いにオーバーラップする空間的分布を安定化し閉じ込まれた容積内にイオンを実質的に閉じ込める実質的にバルク状の磁界を発生する。
【０００８】
本発明のさらに他の側面は、プラズマ閉じ込め装置を設計するための方法に関するものである。この方法は、電子の分布およびイオンの分布を有するプラズマシステムのエネルギの特徴付けをする工程を含む。この特徴付けは、電子の分布およびイオンの分布の間の不同性によって、プラズマ内に誘起するバルクの電界と一体となるエネルギの条件を含む。この方法は、さらに、プラズマシステムのエネルギの特徴付けと一体となる平衡状態を決定する工程を含む。この方法は、さらに、平衡状態と一体となる１つ以上のプラズマパラメータを決定する工程を含む。
【０００９】
本発明のさらに他の側面は、その中に閉じ込められたプラズマを有するプラズマ反応容器を含むプラズマ融合装置に関するものである。プラズマは、たくさんの電子およびたくさんのイオンを含む。プラズマ融合装置は、さらに、磁界を反応容器に供給し、それにより実質的にプラズマ閉じ込め容積内にプラズマの閉じ込めを行う閉じ込め磁界発生器を含む。プラズマ融合装置は、さらに、プラズマ状体で融合でき反応生成物を得ることができる１種以上のイオンを備える反応燃料供給装置を含む。電子は、プラズマ内で造られる電流中で電荷キャリアとして働き、それにより、イオンよりも電子に影響を与える磁界を発生する。そのような磁気閉じ込めは、電子の数およびイオンの数の分布において少なくとも部分的な分離を発生する。そのような分離は、プラズマ反応容器内におけるイオンの閉じ込みを行う静電界を誘起する。プラズマ閉じ込め容積は、容積スケール寸法によって特徴付けられている。ある実施例では、反応生成物は中性子を含み、融合装置は中性子発生器として使用される。ある実施例では、反応生成物はエネルギを含み、融合装置は電力発生器として使用される。
【００１０】
本発明のさらに他の側面は、その中に閉じ込められたプラズマを有するプラズマ容器を含むＸ線発生器に関するものである。プラズマは、たくさんの電子およびたくさんのイオンを含む。Ｘ線発生器は、さらに、磁界をプラズマ容器に供給し、それにより実質的にプラズマ閉じ込め容積内にプラズマの閉じ込めを行う閉じ込め磁界発生器を含む。電子は、プラズマ内で造られる電流中で電荷キャリアとして働き、それにより、イオンよりも電子に影響を与える磁界を発生する。磁気閉じ込めは、電子の数およびイオンの数の分布において少なくとも部分的な分離を発生する。分離は、プラズマ容器内におけるイオンの閉じ込みを行う静電界を誘起する。プラズマ閉じ込め容積は、容積スケール寸法によって特徴付けられている。ある実施例では、そのような閉じ込められたプラズマは、非融合プラズマ状態を含む状態下で軟Ｘ線を発生する。
【００１１】
本発明のさらに他の側面は、閉じ込め寸法を有する閉じ込め容積内に配置されたプラズマを含むプラズマ閉じ込め装置に関するものである。プラズマは、たくさんの電子およびたくさんのイオンを含み、イオンは、プラズマ内で造られる電流中で電荷キャリアとして働く。装置は、さらに、実質的に電子よりもイオンに影響を与える磁界を含み、電子の数およびイオンの数の分布において少なくとも部分的な分離を発生するように、閉じ込め容積よりも小さいイオン閉じ込め容積にイオンは磁気的に閉じ込められる。分離は、プラズマ容器内における電子の閉じ込みを行う静電界を誘起する。
【００１２】
本発明のさらに他の側面は、閉じ込められたプラズマの、電子閉じ込め容積、容積スケール長さ、容積スケール、イオン閉じ込め容積などと一体となる寸法に関するものである。ある実施例では、寸法は、電子膜深さのほぼ１〜１０００倍の範囲をもつ。ある実施例では、寸法は、電子膜深さのほぼ１〜１００倍の範囲をもつ。ある実施例では、寸法は、電子膜深さのほぼ１〜６０倍の範囲をもつ。ある実施例では、寸法は、電子膜深さのほぼ１〜４０倍の範囲をもつ。ある実施例では、寸法は、電子膜深さのほぼ１〜１０倍の範囲をもつ。ある実施例では、寸法は、電子膜深さのほぼ１〜２倍の範囲をもつ。ある実施例では、寸法は電子膜深さのほぼ２倍である。
【００１３】
本発明のさらに他の側面は、磁気的閉じ込めが他の種類よりもある種類に影響を与える、電子およびイオンを有する安定なプラズマに関するものである。磁気的閉じ込めの影響の量は、プラズマ中のバルク動作またはある種類の流れとして特徴付けられる。そのような閉じ込めは、電子またはイオンの分布において少なくとも部分的な分離を発生する。分離は、磁気的な閉じ込めによってより少ない影響の種類の閉じ込めを起こす静電界を誘起する。ある実施例では、電子が実質的に全てのバルク動作を与える。ある実施例では、イオンが実質的に全てのバルク動作を与える。ある実施例では、電子およびイオンの両者がバルク動作を与える。
【００１４】
本発明のこれらおよびその他の側面、効果および新規な特徴は、以下の詳細な記載を読むことによって、および、添付された図面を参照することによって、明らかになるであろう。図面において、近似した部材は近似した参照番号を有する。
【００１５】
実施例の詳細な説明
本発明は、一般的に、相対的に安定した平衡状態でプラズマ閉じ込めを行う装置および方法に関するものである。ある側面では、そのようなプラズマは、プラズマの安定性および閉じ込めを助長する実質的に内部の静電界を含む。
【００１６】
図１は閉じ込め装置１１２によって閉じ込められたプラズマ１００を示す。プラズマ１００は、境界１０６によって実質的に閉じ込められた第１の領域１０２、および、内部の境界１０６およびプラズマの境界によって閉じ込められた第２の領域１０４を定義する。プラズマ１００は、矢印１１０で示されるように単位Ｌの少なくともある大きさを有する。
【００１７】
記載上、プラズマ１００は、電子流体およびイオン流体を有する２流体システムとして特徴付けることができる。イオン流体が同一のまたは異なる元素および／または同位元素に基づくイオンを必要とすることはわかるであろう。また、ここでのプラズマの特徴の全体的な流体方程式は、単純に、プラズマを記載するための一つの方法であって、本発明の範囲を限定するつもりのないことはわかるであろう。プラズマは、動的なアプローチのような他の方法を使って特徴付けることができる。
【００１８】
図１に示すように、プラズマ１００は、領域１０２において、電子に起因する統合された電荷Ｑ-first regionがイオンに起因する統合された電荷Ｑ+second regionと異なる、内部的に非準中立の安定状態にあるものとして示されている。同様に、領域１０４において、Ｑ-second regionはＱ+second regionと大きく異なる。第１の領域１０２における過剰な電荷は異符号であり、第２の領域１０４における過剰な電荷と近似的に同じであり、それによって、実質的に中性なプラズマ１００の全体を造っている。
【００１９】
図１にさらに示すように、内部境界１０６についての異符号の過剰電荷の形成は、矢印１０８によって示されるバルク状内部静電界の形成を起こす。もし電界が正電荷から離れ負電荷に近づくものとすると、電界１０８は、第１の領域１０２が過剰な電子を有していれば（そして第２の領域１０４が過剰なイオンを有していれば）、電界１０８は境界線１０６から内部に向かうでしょう。これとは反対に、もし第１の領域１０２が過剰なイオンを有していれば、電界１０８は境界線１０６から外部に向かうでしょう。両方の可能性は以下詳細に記載する。
【００２０】
ここに記載されているように、プラズマ１００内におけるそのような静電界の形成はプラズマシステムのエネルギに寄与する。そのようなシステムの相対的に安定なエネルギ状態を決定することが、従来のプラズマシステムで用いられていたものとは実質的に異なる、プラズマの大きさＬの選択された範囲を含む、プラズマパラメータをもたらす。プラズマ中の静電界がデバイ(Debye)長さより実質的に大きな距離を超えて存在しないことは一般的に知られている。それらは電子およびイオンの再配列のためにシールドされている。しかしながら、これは外力の存在しない状態での話しである。ここで記載する本発明では、プラズマの大きさＬは一般的にたくさんのデバイ長さより大きいが；これは、例えば磁界の存在に基づく外力の存在のために、許容されている。
【００２１】
以下の記載において、プラズマシステムの各種実施例は、円筒およびトロイダル形状のシステムとして記載される。本記載では、円筒形状の構成が記載を単純化するために使用されており、いかなる方法によっても制限されて解釈されるものではない。少なくともここで記載されるいくつかの効果は閉じ込められたプラズマのスケールに依存しているため、閉じ込められたプラズマのたくさんの任意の形状を本記載に関連して使用することができる。例えば、図１のプラズマ１００は、オーダーＬのスケールで近似的に閉じ込められるとともに付随するプラズマパラメータを与えることによって内部の静電界効果を明白にする“一般的”形状の容積として示されている。
【００２２】
本発明のある側面は、相対的に安定しており、その安定性が相対的に実質の内部静電界の形成によって助長されるプラズマ状態を決定するための方法に関する。図２はそのような安定状態を決定するとともに一つ以上の関連するプラズマパラメータを決定するプロセス１２０の一実施例を示す。プロセス１２０は開始状態１２２で始まり、それに続くプロセスブロック１２４において、プロセス１２４はプラズマシステムのエネルギを特徴付ける。エネルギの特徴付けは、プラズマの内部で誘起される実質的な静電界によるエネルギ条件を含む。それに続くプロセスブロック１２６において、プロセス１２０は、プラズマシステムの相対的に安定なエネルギ状態と関連する平衡状態を決定する。それに続くプロセスブロック１２８において、プロセス１２０は、平衡状態と関連する一つ以上のプラズマパラメータを決定する。プロセス１２０は停止状態１３０で終了する。
【００２３】
プラズマシステムのエネルギを特徴付ける一つの方法は、準中立の仮定なしに２種流体アプローチを使用することである。従来のアプローチでは、準中立性は電子およびイオンの濃度分布が実質的に同じであると見なされている。これに対し、本発明のある側面は、電子およびイオンの濃度がプラズマ全体で実質的に独立して変化することを許される２種流体システムを特徴付けることに関する。そのようなアプローチは、２種の流体が別に分配されることを許容し、それにより、プラズマの平衡状態においてバルク静電界を誘起する。
【００２４】
磁界によって少なくとも部分的に閉じ込められたプラズマに対し、システムのエネルギＵは、Ｅフィールドエネルギの条件、Ｂフィールドエネルギの条件、２種類の流体の動的エネルギの条件、および、２種類の流体の圧力に関連するエネルギの条件の合計の積分値として表現することができる。すなわち、
【数１】
2007524957.tif 000003
ここで、Ｅは電界強度を示し、ε０は自由空間の誘電率を示し、Ｂは磁界強度を示し、μ０は自由空間の透磁率を示し、合計の記号およびその添え字ｓは電子ｅまたはイオンｉの種類を示し、ｍｓは対応する種類の質量を示し、ｎｓは対応する種類の粒子密度を示し、ｕｓは対応する種類の速度を示し、ｐｓは対応する種類の流体の圧力を示し、ｄVはプラズマの容積の差分容積要素を示す。
【００２５】
ここでの記載では、“粒子濃度”や“数濃度”の用語およびそれに近似した用語が、一般的に粒子の分布を参照している。“電子濃度”および“電子数濃度”などの用語は、一般的に、電子の分布を参照している。“イオン濃度”および“イオン数濃度”などの用語は、一般的に、イオンの分布を参照している。さらにまた、ここでの記載では、“平均粒子濃度”および“平均数濃度”などの用語は、一般的に、対応する分布の平均値を示すものとして使用されている。
【００２６】
プラズマをさらに特徴付ける一方法は、定常状態の平衡において実質的に粒子の衝突がなく実質的に完全にイオン化したプラズマとしてシステムを取り扱うことである。また、２種類の流体のそれぞれは、以下の式で示される断熱方程式に実質的に従うものとして特徴付けることができる。
【数２】
2007524957.tif 000004
ここで、Ｃｓは以下に記載する方法によって実質的に決定することができる定数を示し、γは２種類の流体における特定の熱の比を示す。
【００２７】
２種類の流体の温度は、理想的なガスの関係を通して決定することができる。
【数３】
2007524957.tif 000005
ここで、κはボルツマン係数を示す。さらにまた、流体の両者とも実質的にマックスウェルの式を満たすものとしてみなされる。
【００２８】
プラズマをさらに特徴付ける一方法は、それぞれの流体を、以下に示す実質的に粒子の衝突がなく力のバランスの平衡を示す式として現すことである。
【数４】
2007524957.tif 000006
ここで、ｍｓは種類ｓの粒子質量を示し、ｑｓは電荷を示し、ｕｓは流体速度を示し、記載を簡略化する目的で、圧力のテンソルは無視している。
【００２９】
プラズマをさらに特徴付ける一方法は、システムを、以下に示すマックスウェルの式として表現することである。
【数５】
2007524957.tif 000007
【数６】
2007524957.tif 000008
【数７】
2007524957.tif 000009
【数８】
2007524957.tif 000010
知られているように、式（５）はポアゾンの式を表現する一方法であり；式（６）は実質的な定常状態におけるアンペアの法則を表現する一方法であり；式（７）は実質的な定常状態におけるファラデーの法則から導かれる電界の回転のない特性を表現する一方法であり；式（８）は磁界のソレノイド特性を表現する一方法である。
【００３０】
また、知られているように、マックスウェルの式はシステムの全電荷の変換とみなすことが出来る。従って、以下に記載する方法で適切な境界条件を適用することによって電子変換を実質的に保証するために、以下のように定義される独立変数Ｑを導くことができる。
【数９】
2007524957.tif 000011
電子密度ｎｅは、さらに、ｎｅ≧０の関係に従うとして特徴付けることができる。
【００３１】
プラズマシステムの相対的に安定な閉じ込め状態を決定する一方法は、式（２）〜（９）で表現されるような種々の制限を前提として式（１）で表現されているようにプラズマシステムのエネルギの第１の変動から途義気出される平衡状態を決定することである。そのような決定方法の一例として、式（１）および（４）の圧力の項は、式（２）を用いることによって除くことができる。結果としての制限は、ラグランジェ乗数関数を用いることによってエネルギ表現Ｕに付加することができる。従来技術として知られているそのような変動手段は非線型微分方程式の相対的に複雑な一般ベクトルとなる。
【００３２】
興味深い結果としての解法の性質を犠牲とすることなく変動手段を簡単にする一方法は、円筒座標およびそれに付随する対称性を用いる手段を実行することである。円筒対称性は、システムの独立変数をひとつの変数ｒに減縮するために用いられる。従って、システムの従属変数は、ｎｉ、ｎｅ、Ｅｒ、Ｂｚ、Ｂθ、Ｑ、ｕｉｚ、ｕｉθ、ｕｅｚおよびｕｅθ；ここで添え字ｉ、ｅはそれぞれイオンおよび電子の種類を現している；として表現することができる。最後の４つから引き出されるもの（速度要素）は式（１１Ａ）〜（１１Ｐ）に現れていないため、それらは以下に記載する方法のように制御変数として取り扱われる。
【００３３】
プラズマシステムに円筒対称性を適用することで（式（７）および（８）の制限▽×Ｅ＝０および▽・Ｂ＝０は同時に実質的に満たされる）、式（４）〜（６）および（９）と付随する円筒座標系の表現は、ラグランジェ乗数関数Ｍｉ、Ｍｅ、ＭＥ、Ｍｚ、ＭθおよびＭＱを用いる式（１）のＵに付加することができる。名前が意味するように、制御変数の変動はラグランジェ乗数関数と同様に状態変数で変動を作りだすものとして考えることができる。
【００３４】
Ｕの変動は、ラグランジェ乗数関数および状態変数の一次微分方程式、および、制御変数の方程式、を導く。そのような方程式は以下の置き換えを用いた次元無しの形式の方程式として簡単に表現される：ｒ→ｒΛｅ、ｕｓ→ｕｓｃ、ｎ→Ｎ０ｎ、Ｅ→ＥｅＮ０Λｅ／ε０、Ｂ→ＢｅＮ０Λｅμ０ｃ、Ｃｓ→Ｃｓｍｅｃ２Ｎ０１−ｒ、ｐｓ→ｐｓｍｅＮ０ｃ２、Ｑ→ＱΛｅおよびＴ→Ｔｓｋ／ｍｃ２、ここで、ｃは光の速度を示し、Ｎ０は平均粒子濃度を示し、ｅは電子電荷の大きさを示し、Λｅは以下の式で表される電子膜深さを示す。
【数１０】
2007524957.tif 000012
【００３５】
上述したエネルギ変動方法から得られる方程式の一つのシステムは、以下のように表現することができる。
【数１１】
2007524957.tif 000013
【００３６】
境界条件の一例（ｒ＝０、ｒ＝ａ、ここでａは図３の外側の境界として定義される）は、Ｅｒ（０）＝Ｅｒ（ａ）＝０、Ｂｚ（ａ）＝Ｂ０およびＢθ（０）＝０の関係を含む。境界条件は、さらに、個々の種類の電荷変換に関するＱ（０）＝０およびＱ（ａ）＝Ｎ０ａ／２の関係を含むことができる。各境界における条件は、さらに、実質的に状態変動がない状態で実質的にゼロと等しくなるように、各状態変数またはそれに関連するラグランジェ乗数関数に重ね合わせることができる。そして、関係Ｍｅ（０）＝Ｍｅ（ａ）＝Ｍｉ（０）＝Ｍｉ（ａ）＝Ｍｚ（０）＝０を得る。
【００３７】
上述した円筒プラズマシステムの安定平衡を決定するための方法の一実施例として、方程式のシステム（式（１１Ａ−Ｐ））を解くための入力パラメータ（次元を有する形式で表現される）は、円筒半径ａ、両種類とも実質的に同じ平均粒子数濃度Ｎ０、Ｂｚ（０）＝Ｂ０である境界ａにおける軸磁界、全軸方向電流Ｉ、および、ｎｓ＝Ｎ０であるｒの値で得られる温度である電子およびイオンの両者に対する温度値Ｔ０、を含む。これらの入力パラメータを用いることで、Ｂθ（ａ）＝μ０Ｉ／（２πａ）を決定することができる。
【００３８】
さらにまた、Ｃｓの値は、式（２）から得られる状態の断熱方程式および式（３）から得られる理想のガス原理を組み合わせることによって決定することができ、Ｃｓ＝ｎｓ１−ｒｋＴｓを得ることができる。このようにして、ｎｓ＝Ｎ０およびＴｓ＝Ｔ０の時ｒの値で評価すると、Ｃｓ＝Ｎ０１−ｒｋＴ０を得ることができる。電子およびイオン平均温度は異なっており、ＣｉとＣｅの異なった値となる。本実施例の一例として、これらの温度は実質的に同じ例えばＴ０とすることができる。そのような記載の簡略化は、如何なる方法によっても、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３９】
入力パラメータの他の有効な組合せは、Ｂ０をβ＝Ｎ０ｋＴ０／（Ｂ０２／２μ０）で定義されるプラズマβ値で置き換えること、および、Ｉ＝２πａＢθ（ａ）／μ０の時、Ｉを他のβ値α＝Ｎ０ｋＴ０／（Ｂθ（ａ）２／２μ０）で置き換えることによって得ることができる。ここで、１／βが実質的に純粋なＺピンチに対応し、１／α＝０が実質的に純粋なシータピンチに対応することに注意のこと。スクリューピンチは１／αおよび１／βの両者における実質的に非ゼロ値に対応する。
【００４０】
上述したエネルギ変動方法は、１２個の１次連結非線型の通常の微分方程式と、４個の代数方程式と、１６個の未知の部分を有する１個の不等状態（ｎｅ≧０）によってプラズマシステムの記述をすることができる。そのような方程式の数値的解法はたくさんの方法で得ることができる。ここで記載する解法は、従来の数値解析ソフトウェアＩＭＳＬの一部であるＢＶＰＦＤのようなルーチンを解く既知の微分方程式を使用して得ることができる。
【００４１】
図３は上述した２流体システムのエネルギ変動解析に対する解法を具体的に得ることのできる円筒形状に閉じ込められたプラズマ１４０の一実施例を示す。参考として、円筒形状のプラズマ１４０は円筒座標システム１４２に重ね合わせられている。座標システム１４２上の任意の点１４４は、座標（ｒ、θ、ｚ）を有するものとして表現することができる。
【００４２】
プラズマ１４０は、ｚ軸からｒ＝Ｙまで延びる第１の円筒容積１５０およびｚ軸からｒ＝ａまで延びる第２の円筒容積１５２を定義する。第１の円筒容積１５０は、一般的に、２つの流体の第１の種類がｎ１（ｒ）として分布するプラズマ１４０の領域に対応する。第２の円筒容積１５２は、一般的に、２つの流体の第２の種類がｎ２（ｒ）として分布するプラズマ１４０の領域に対応する。
【００４３】
一般的に、第１および第２の種類は以下のように分布する。
【数１２】
2007524957.tif 000014
すなわち、第１の領域１５０は第２の種類よりもたくさんの第１の種類を有しており、第１の領域の外側の第２の領域１５２の部分は第１の種類を実質的に有していない。式（１２Ｃ）が示すように、２種類の粒子の全数は実質的に本実施例では同じである。
【００４４】
ある実施例では、第１の種類の実質的に全てのものが、ｒ＝Ｙが第１の種類に対する境界を定義する第１の領域１５０内に位置する。その結果、Ｙ＜ｒ＜ａの領域は実質的に第１の種類を有しておらず、ΔＮの量だけ第２の種類で占められている。第１および第２の種類の全数は本実施例において同数であるため、ΔＮの値は、第１の領域１５０内の第２の種類に対する第１の種類の超過数を表している。
【００４５】
ある実施例では、以下により詳細に記載するように、第１の種類が電子であり、境界ｒ＝Ｙに対する値の１つ以上の選択された範囲内にプラズマが閉じ込められた時、第２の種類はイオンである。他の実施例では、同様に以下により詳細に記載するように、第１の種類がイオンであり、境界ｒ＝Ｙに対する値の１つ以上の他の選択された範囲内にプラズマが閉じ込められた時、第２の種類は電子である。
【００４６】
図４ＡおよびＢは磁界によって円筒構成のプラズマを閉じ込める２つの方法を示しており、それにより、図３を参照してすでに説明したように、電子およびイオンの分布を異なるものとしている。図４ＡはＺピンチ閉じ込め１６０の一実施例を示し、図４Ｂはシータピンチ閉じ込め１８０の一実施例を示す。Ｚピンチ方法およびシータピンチ方法を別々に示しているが、これら２つのピンチは、一般的にスクリューピンチとして参照されるものを形成するために組み合すこともできることがわかる。
【００４７】
図４Ａに示すように、Ｚピンチ１６０は、軸電流Ｉｚ１６４がプラズマ１７２中で生成された時に、達成できる。そのような電流は、以下に記載する実験例方法を含む、たくさんの手段で達成することができる。軸電流Ｉｚ１６４は、プラズマ１６２の帯電した粒子を移動する際放射状の内部力Ｆz-pinch１６８を確立する方位角を有する磁界Ｂθ１６６の形成を行う。
【００４８】
以下に詳細に記載するように、プラズマの放射方向の寸法がある範囲に選択されたとき、他の種類に対するある種類の動作は強調され、それにより、より強い磁気ピンチング力となる。そのため、図４Ａに示すように、プラズマ１６２の内部の第１の領域１７０は磁気的に閉じ込められた種類の実質的すべてを含む。図４Ａにおいて、磁気的に閉じ込められた種類は電子として記載される。そのため、イオンは、第１の領域１７０を含み第１の領域１７０を越えて放射状に延びる第２の領域１７２内に分布する。そのような二つの種類の分布は、Ｅ’ｒとして示される実質的内部静電界１７４を誘起する。静電界１７４は実質的に第２の領域１７２内へのイオンの閉じ込めを促進する。イオンが第１の領域１７０内に磁気的に閉じ込められたとき、静電界１７４は方向が反対となり、電子閉じ込めをそのような静電界によって促進できることがわかる。
【００４９】
図４Ｂに示すように、シータピンチ１８０は、安定した方位角を有する電流Ｉθ１８６がプラズマ中で生成された時に、達成できる。電流Ｉθ１８６は以下に記載する実験方法を含むたくさんの手段で達成することができる。軸磁界Ｂｚ１８４は方位角を有する電流Ｉθ１８６上に放射状の内部力Ｆθ-pinch１８８を確立し、それにより、プラズマ１８２の閉じ込めを促進する。
【００５０】
図５は、円筒形状の配置での上述したプラズマ閉じ込めの解法をトロイダル形状の閉じ込め装置の設計に近似的に用いる例を示す。トロイダル形状に閉じ込められたプラズマ２００の断面は、近似した形状にした（チューブ形状）円筒状に閉じ込めたプラズマ２１０の断面と重ね合わせて示されている。トロイド２００は、トロイダル“チューブ”（半径ａを有する）の中心が距離Ｒ（矢印２０８によって示されている）だけ中心点２０６から離れるように中心点２０６の回りに中心がくるよう示されている。
【００５１】
高いアスペクト比（Ｒ／ａ）のトロイドのように、距離Ｒがａに対して相対的に大きいとき、トロイド形状の配置で与えられたセグメントは円筒形状の配置に近似できることがわかる。そのため円筒形状の配置を使ったデザインパラメータを得ることができれば、そのような解法をトロイダル形状の配置の装置のデザインに適用できる。従来技術からわかるように、そのよう円筒近似はトロイダル形状のデザインの良い基礎を与える。トロイダル形状の配置と円筒形状の配置との間の相違を補正するための一つの手段は、プラズマを閉じ込めるために、プラズマトロイダルの半径Ｒが磁気的な輪状の力により増加することを禁止する垂直場としてしばしば参照される、補正外部磁場を与えることである。
【００５２】
このようにして、図５に示すように、トロイダル状に閉じ込められたプラズマ２００は、円筒状のプラズマの例と同様に互いに配置された、トロイダル形状の第１の領域２０２およびトロイダル形状の第２の領域２０４を含む。円筒状のプラズマと同様に、第１の領域はある実施例では電子によって定義することができ、他の実施例ではイオンによって定義することができる。
【００５３】
円筒状のプラズマの上述した解析は、エネルギ変動方法を使用する一次元（ｒ）解析を含む。図５を参照して上述したように、そのような一次元解析は、高いアスペクト比のトロイドのデザインや特徴を推測するための基礎とすることができる。より一般化された例えば一般的なトロイドや様々な形状の容器の同様の方法による３次元解析は、電子およびイオンの一部が分離している場合と近似の結果を期待でき、それにより、プラズマ内に実質的な静電界を生じさせる。
【００５４】
本発明のある側面は、その内部に誘起された実質的な静電界を有する閉じ込められたプラズマの規模に関する。上述したエネルギ変動手続の種々の結果は、円筒形状の対称性という状況で記載されている。しかしながら、そのような結果が近似の規模を有する閉じ込められたプラズマの他の形状においても明白であることが望ましい。
【００５５】
図６〜１０は入力のセットを有するＺピンチされたシステムに対する円筒形状のプラズマのエネルギ変動解析の結果となる各種プラズマパラメータを示す。プラズマは、膜深さ（スケール長さ）Λｅの約３倍の外径ａを有する円筒として定義される。プラズマの規模のそのような選択では、実験例の入力パラメータは、Ｎ０＝１０１９／ｍ３、Ｔ０＝５ｋｅＶ、１／α＝２．５１（これにより磁界強度Ｂθ（ａ）および軸電流Ｉを定義する）および１／β＝０（これによりＢｚ（ａ）＝Ｂ０＝０をセットする）を含む。対応する電子膜深さパラメータΛｅ＝（ｍｅ／μ０Ｎ０ｅ２）１／２（式（１０）および入力パラメータＮ０に依存する）は、約１．７ｍｍである。
【００５６】
上述した入力パラメータにより電子が磁力によってピンチされた閉じ込められたプラズマを得られ、それにより、電子−イオンの分離を良好にしている。その結果、電子は、実質的に円筒の内側領域（図３の第１の領域１５０）の中に分布し、イオンは、部分的に第１の領域１５０内に分布するとともに、部分的に第１の領域１５０の境界（ｒ＝Ｙ）を越えて分布する。そのような電荷の分離は、イオンを閉じ込める静電界を作製する。結果として得られる電荷勾配スケール長さは、式（１０）で示されるように電子膜深さのオーダーとなり、比較的小さい。
【００５７】
図６は次元の無い変数ｒ／Λｅの関数として方向角のある磁界強度Ｂθのプロファイル２２０を示す。そのような磁界は、図７に示す様に、電子を閉じ込め、ここで電子に働く力はｒ／Λｅの関数として示される。図７の力のプロファイルにおいて、力の正の値は放射状に外側に向く方向性を示すことができ、負の値は逆である。そのため、電子流体を膨張させる動的圧力２３０は外側を向く。電子の電気力２３２は、上述した電荷の勾配によってプラズマ中に誘起する内側へ向く静電界によって発生する。電子を閉じ込める磁力２３４はそのため内側を向き、外側を向く圧力の合計および電子容積の多くのものにおける電気力２３０、２３２をオフセットする。図７に示すように電子を閉じ込めた例では、圧力および電気力２３０および２３２は電気力の多くのものと実質的に同様の大きさを有する。図７に示す実施例において、電子力のプロファイルは、境界を越える電子が実質的に存在しないため、ｒ＝Ｙを越えて延びない。
【００５８】
図８はイオンに働く力のプロファイルを示す。イオン上の磁力２４２は、イオンの移動速度が比較的低いため、実質的に無視することができる。イオン流体を延びさせようとするイオン上の動的圧力２４０は外側を向く。イオン上の電気力２４４は内側を向き、上述した電荷勾配によってプラズマ中に誘起される内側を向く静電界によって発生する。電気力２４４は重要であり、一般的に、圧力２４０をオフセットすることがわかる。そのため、電荷の分離から作製された電界は、一次イオン閉じ込め力である。
【００５９】
磁界がプラズマに対する初期の閉じ込め機構を提供する一方、内部で形成された電界が安定したプラズマの平衡状態を作り出すうえで重要で実際的な役割を演ずることが望ましい。図７および８に示される力のプロファイルおよびその結果として得られるプラズマの安定平衡状態は、電界の重要性を強調している。そのような電界によって促進される安定平衡状態は、プラズマが非中性であると現れない。それ故、プラズマ閉じ込め装置を設計するうえにおいて非中性状態を作らないようにすることの重要性は、明らかにされる。
【００６０】
図９Ａは、電界プロファイル２５２を生じる電子分布２５０およびイオン分布２５４を示す。３つの曲線２５０、２５２および２５４は、無次元の変数ｒ／Λｅの関数として示される。電子分布２５０およびイオン分布２５４に対する垂直方向のスケールは、平均濃度値Ｎ０の項である。電界プロファイル２５２は図７および８を参照して上述した電気力プロファイルを生じる。電子分布２５０が示すように、電子は約１．２Λｅで実質的に境界Ｙの内側に分布している。式（１０）で定義したように、Λｅ＝（ｍｅ／μ０Ｎ０ｅ２）１／２の値は、Ｎ０＝１０１９／ｍ３のときに約１．７である。そのため、図９Ａの実験例のプラズマに対する電子境界Ｙの値は、約２．０４ｍｍである。
【００６１】
図９Ａに示すように、電子分布およびイオン分布は、少なくとも軸の近辺のプラズマの部分でオーバーラップしている。図９Ａにさらに示すように、電子は電子境界Ｙで定義される制限された容積に実質的に閉じ込められる。そのため、そのような制限された容積は、電子膜深さΛｅのような容積スケール長によって特徴付けることができる。
【００６２】
図９Ａにさらに示すように、イオン分布２５４は、境界Ｙを越えて広がっている。Ｙ境界を越えて、イオン流体は、上述した方程式を変形することによって簡単に得ることができる単一の流体方程式を満たすものとして特徴付けることができる。実質的に完全なイオン分布およびそれに負沿いするプラズマパラメータを得るための一つの方法は、独立変数およびその微分値がＹで実質的に連続となるように、入力パラメータを調整することによって、境界Ｙで二つの方程式（ｒ＜Ｙおよびｒ＞Ｙ）を一致させることである。
【００６３】
本発明の一つの側面は、電子分布２５０およびイオン分布２５４によって示されるように、有機された電荷分離を有するプラズマシステムに関するものであり、それによって、プラズマ容積と実質的にオーバーラップする放射方向を向く電界プロファイル２５２を発生する。そのような誘起された静電界の範囲は、電子に対する境界Ｙが電子スケール長Λｅのオーダーの大きさを有する閉じ込められたプラズマシステムによって、得ることができる。
【００６４】
一実施例として頑丈な閉じ込めを与えるに十分な深さのエネルギ井戸内に存在するシステムのために、円筒半径を電子スケール長（膜深さ）Λｅの値に近い範囲内にする。図６〜９を参照して上述した実施例では、Ｙ≒１．２Λｅであり、電界はプラズマの実質的部分を越えて広がっている。
【００６５】
相対的に大きい半径の構成（例えば、Ｙ＝６Λｅ）は、プラズマ円筒の外側の領域近傍に誘起される実質的な電界の結果となる。そのような構成に付随するエネルギ井戸は、Ｙ≒１．２Λｅの場合と比較すると、相対的に浅くなる。また、相対的に小さい半径の構成（例えば、Ｙ＝０．３Λｅ）は、閉じ込めが行われない結果となる。
【００６６】
ある実施例では、そのため、誘起された静電界によって促進されるプラズマの閉じ込めは、電子スケール長Λｅの約１〜２倍の範囲のＹ値を持つ。ある実施例では、１．２Λｅの近辺のＹ値が最適な閉じ込め状態に近い状態を与えるようである。Ｎ０＝１０１９／ｍ３（図６〜９のプラズマと同様）を有するプラズマに対し、Λｅ＝１．７ｍｍおよびＹ＝（１．２）（１．７）≒２．０４ｍｍである。実施例のプラズマではａ＝３Λｅであるため、閉じ込められたプラズマの外側の半径は約５．１ｍｍである。安定に閉じ込められたプラズマのそのようなコンパクトな寸法がたくさんの応用分野で使われており、そのうちのいくつかを以下により詳細に記載することがわかる。
【００６７】
プラズマは、プラズマから閉じ込め容積を規定する壁までのエネルギおよび／または粒子のロスが減るように、閉じ込める。そのようなエネルギ／粒子ロスの減少を達成する一つの方法は、壁と接触するプラズマ粒子の数を減らすことである。電子分布２５０およびイオン分布２５４がログスケールでプロットされている図９Ｂに示すように、イオンの数濃度２５４は、ｒ／ΛｅがＹ値の約２倍であるとき約０．００１Ｎ０の値に達する。そのため、Ｙ＝１．２Λｅ≒２．０４ｍｍである実施例では、イオン数濃度はｒ≒（２．０４）（２）＝４．１ｍｍで平均濃度値Ｎ０の約０．１％に達する。
【００６８】
上述したように、ａ＝３Λｅであるプラズマ閉じ込め設計では、Ｙ＝１．２Λｅの場合外径ａは約５．１ｍｍである。そのようなシステムでは、壁はｒ＞５．１ｍｍの位置に設置でき、やはり相対的に小さい閉じ込め装置の構成を得ることができる。また、ｒ＞５．１ｍｍ（３Λｅ）でのイオン数濃度は、上述したように実質的に０．１％レベル以下である。そのため、ｒ＞５．１ｍｍで壁に接触するイオンおよびそこに搬送されるエネルギおよび／またはそれと相互に作用するイオンの数は、より一層減少する。
【００６９】
図１０は、図６〜９を参照して上述したプラズマの実施例におけるｒ／Λｅの関数としてのプラズマ温度プロファイル２６０を示す。温度は実質的に３Λｅ（５．２ｍｍ）で減少することがわかる。温度は、ｒ＞３Λｅの領域でより一層低くなる。このようにして、壁と接触するプラズマ粒子はプラズマの内部と比較すると実質的に低い動的なエネルギを持つため、プラズマからｒ＞３Λｅの位置の壁への熱の移動は減少する。
【００７０】
図６〜１０を参照して上述したプラズマの実施例は、誘起された静電界を効果的に含む。そのようなプラズマは、約１−２Λｅの範囲にある境界Ｙの実質的な内部に分布する電子を含み、電界がプラズマ容積の実質的な部分を覆うようにする。このような電界の重要性は、電子スケール長（膜深さ）のオーダーのスケールでプラズマの頑丈な閉じ込めを増進する。そのようなプラズマシステムの研究は、入力パラメータが大きく変化したときでも、そのようなスケールで閉じ込められたプラズマのそのような特徴が維持されることを示している。例えば、閉じ込めを増進する同様の効果的な電界は、平均数濃度Ｎ０が約１０倍に変化したとき、および、入力パラメータＴ０が約３０倍に変化したとき、約２の因子内に維持される。そのため、電子スケール長のオーダーでの寸法を有するプラズマ閉じ込めの設計は、比較的自由にすることができる。
【００７１】
本実施例の記載は、ｒ＜Ｙの領域における超過した電子およびｒ＞Ｙの領域において実質的に唯一の種類であるイオンに基づく実質的な電界を示している。上述したように、数値解は、ｒ＜Ｙに対し方程式（１１Ａ）−（１１Ｐ）を解くことおよび境界状態においてａの代わりにＹを代入することにより、得ることができる。（イオンにおいても）、境界状態において０をＹに置き換え、二つのセットの解をｒ＝Ｙでマッチさせることで、ｒ＞Ｙに対する同様の解を求めることができる。ある実施例では、磁気的に閉じ込められた種類の数濃度は、ｒ＝Ｙにおいて実質的にゼロとなる。
【００７２】
ある実施例では、そのようなマッチング工程を実施することで、１／αおよび１／βの項で表現される入力パラメータまたは制御パラメータに付加的な制限を与えることができる。例えば、Ｎ０、Ｔ０およびＢ０から得ることのできる、Ｚピンチ実施例の円筒座標系での処理は、約２（典型的な溶融プラズマのパラメータ値に対して）である。１／αのより正確な値は、Ｔ０とｎ０の関数をゆっくり変化させることによって表現することができる。円筒構成の一例として、近似値は、図１１の例のように、Ｙ／Λｅおよび温度Ｔの関数としての１／αの外形プロットの実施例から得ることができる。シータピンチ、スクリューピンチ、イオン移動、他の構成、または、それらの組合せに対し、適切な制限は、実験的にあるいは方程式（１１Ａ）−（１１Ｐ）に近似の方程式を解くことによって得ることができ、ｒ＞Ｙに対しても適切な同様の結果を得ることができる。ある実施例では、電流を与える種類の数濃度は、境界ｒ＝Ｙにおいて近似的にゼロに近づく。両方の種類が実質的な電流を与えることのできるある実施例では、近似の方法を解を得るために適用することができる。
【００７３】
図６〜１０を参照して上述したプラズマの実施例はＺピンチされたものである。同様の静電界効果は、プラズマがシータピンチされたときも、発生する。図１２〜１４は、上述したエネルギを変更する方法の実験結果を示す。
【００７４】
シータピンチの実施例では、約３Λｅの外径ａを用いる。さらにまた、入力パラメータＮ０＝１０１９／ｍ３、Ｔ０＝１０４ｋｅＶ、１／α＝０および１／β＝２０．５を用いる。対応する電子スケール長Λｅ＝（ｍｅ／μ0Ｎ０ｅ２）１／２は約１．７ｍｍである。
【００７５】
上述した実施例の入力に基づき、図１２はＺ軸からの距離の関数として軸方向の磁界プロファイル２７０を示す。そのような磁界シータピンチは、電子分布２８０およびイオン分布２８２が図１３に示すように形成されることで、プラズマを閉じ込めることができる。そのような分布に基づく電荷の分離は、図１４に示すような実質的な電界プロファイル２９０を生じる。
【００７６】
上述したシータピンチ閉じ込めの実施例は、結果として、Ｙの値が約２．０４ｍｍとなる。そのため、電子スケール長Λｅのオーダーの閉じ込め寸法を有するシータピンチされたプラズマは、Ｚピンチされたプラズマシステムを参照して上述した各種の効果的な特徴を提供できる。
【００７７】
前に記載したように、スクリューピンチは、Ｚピンチおよびシータピンチの組合せによって達成することができる。そのため、上述した例と同様のエネルギ変動解析を１／α≠０および１／β≠０の条件で実施することができ、実質的な静電界が電荷の分離によって誘起される同様の結果をもたらす。さらにまた、電子スケール長Λｅのオーダーの閉じ込め寸法を有するスクリューピンチされたプラズマは、Ｚおよびシータピンチされたプラズマシステムを参照して上述した各種の効果的な特徴を提供できる。スクリューピンチされた磁気的に閉じ込められたプラズマは、一般的に、Ｚまたはシータピンチの単独の例より安定したものとみなされる。本発明のスクリューピンチの実施例が、ここで記載された各種の特徴を共有することが期待される。
【００７８】
また上述したように、プラズマの電子スケール長のオーダーの寸法にプラズマを磁気的に閉じ込めることは、結果として、電荷の分離を生じさせ、それにより、プラズマ容積の実質的な部分の上に実質的な静電界を誘起させる。そのような電界は、安定平衡に付随したエネルギー井戸の深さに対応するよう特徴付けられる。また、エネルギ井戸深さは、電子流体半径Ｙが約１−２Λｅの範囲にあるとき比較的深くなることが期待されている。そのような相対的に深い平衡のエネルギ井戸は、相対的に安定して閉じ込められたプラズマを与える。約１−２ΛｅのＹの値における閉じ込められたプラズマのそのような安定性は、しかしながら、Ｙのより大きな値における磁気的閉じ込めが誘起された静電界によって増進された安定性を有する可能性を排除しない。
【００７９】
本発明のある側面は、異なる寸法のスケールにおける磁気的に閉じ込められるとともに相対的に安定な平衡状態にあるプラズマに関するものである。図１５Ａ〜Ｃは、異なるプラズマサイズに対する電子分布およびイオン分布を示す。より大きなサイズのプラズマシステムはＹ＝１−２Λｅの場合と同様に安定な平衡状態を生じさせないのに対し、そのような平衡状態は電界によって増進される十分な安定性を有している。
【００８０】
図１５Ａは次元無しの変数ｒ／Λｅの関数として粒子濃度の第１の例を示す。曲線３００および３０２はそれぞれ電子分布およびイオン分布の例を示す。電子分布３００はＹ≒１．５Λｅで実質的に閉じ込められたものとして示されており、そのため、図９Ａを参照して上述されたプラズマの例と近似している。結果として誘起される静電界（ブラケット３０４として示されている）はプラズマの実質的な部分を覆う。
【００８１】
図１５Ｂは、電子濃度分布３０６がＹ≒１０Λｅの値で実質的に閉じ込められている粒子濃度の第２例を示す。イオン濃度分布３０８は境界Ｙを越えて広がるものとして示されており、それにより、プラズマの外側境界近傍の領域３１０に影響を与える静電界を誘起する。
【００８２】
図１５Ｃは、電子濃度分布３１２がＹ≒４０Λｅの値で実質的に閉じ込められている粒子濃度の第３例を示す。イオン濃度分布３１４は境界Ｙを越えて広がるものとして示されており、それにより、プラズマの外側境界近傍の領域３１６に影響を与える静電界を誘起する。
【００８３】
種々のプラズマの実施例において、電界が覆うスケール（３０４、３１０、３１６）は一般的に近似しており、数電子スケール長のオーダーである。そのため、プラズマの安定性における静電界の役目を特徴付ける一つの方法は、プラズマ容積の表面近傍に形成された層として電界を考えることである。プラズマ容積の大きさ（例えば円筒システムにおける半径ａ）が電界層の“厚さ”（図１５Ａのシステムのように）のオーダーであるシステムでは、静電界の影響は全プラズマに対してかなりのものである。その結果、静電界によって促進されるエネルギの安定性は、そのようなシステムにおいてより影響力がある。
【００８４】
プラズマ容積の大きさが電界層の“厚さ”（図１５ＡおよびＢのシステムのように）より実質的に大きいシステムでは、静電界の影響は、図１５Ａのようなシステムと比較したとき、それほど大きくない。その結果、静電界はエネルギの安定性に大きく寄与するが、しかしながら、そのような寄与はより小さなシステムで期待されているほと大きくない。
【００８５】
本発明のある側面は、誘起された静電界が電子スケール長（電子膜深さ）のオーダーでありプラズマよりも実質的に大きいスケール長（膜深さ）を有するプラズマに関するものである。図１５Ｄは内側の境界４０２で閉じ込められたイオンの分布および外側の境界４０４で閉じ込められた電子の分布を有するプラズマ４００の例を示しており、それにより、放射線状に外側に位置する静電界４０６を誘起する。そのようなプラズマでは、電子とイオンとの役割が逆になっていることが分かる。
【００８６】
そのような役割が逆になったプラズマでは、イオンは電荷キャリアとして働き、それにより、磁気閉じ込めの対象となる。イオン移動プラズマに対するａの値は、より大きなイオン膜深さΛｉｏｎ＝（ｍｉｏｎ／μ０Ｎ０ｅ２）１／２のため、電子移動プラズマの何倍もの値となる。近似した平均濃度値を有するプラズマでは、Λｉｏｎ／Λｅの比＝（ｍｉｏｎ／ｍｅ）１／２である。デューテリウムでは、Λｉｏｎ／Λｅの比は約６１である。そのため、移動するイオンを有するプラズマは、電子が移動する近似のプラズマの約６１２＝３７００倍の容積を有しているが、その他は実質的に同じである。ここで記載されたエネルギ変動方法は解析のために簡単に変更することができ、結果として得られるプラズマシステムは電力製造に十分な大きさを有している。
【００８７】
図１〜１５に関連して上述したように、誘起された静電界は容積スケール長の広い範囲を有するプラズマを形成できる。電子が磁気的に閉じ込められたプラズマでは、容積スケール長は電子閉じ込めの大きさＹによって表される。ある実施例では、容積スケール長は約１Λｅから約１０００Λｅの範囲に存在する。ある実施例では、容積スケール長は約１Λｅから約１００Λｅの範囲に存在する。ある実施例では、容積スケール長は約１Λｅから約６０Λｅの範囲に存在する。ある実施例では、容積スケール長は約１Λｅから約４０Λｅの範囲に存在する。ある実施例では、容積スケール長は約１Λｅから約１０Λｅの範囲に存在する。ある実施例では、容積スケール長は約１Λｅから約２Λｅの範囲に存在する。近似の容積スケール長の特徴付けは、イオンが閉じ込められるプラズマにも適用することができる。
【００８８】
図１〜１５に関連して上述したように、プラズマ中で誘起された静電界は安定したプラズマ状態の形成を促進する。特に、静電界は放射状に向く場を備える。よく知られているように、動的な（安定と反対の意味として）放射状の電界は、トカマクなどの大きなシステムにおいて存在することが知られている。しかしながら、そのような動的な放射状の場は電荷の大きな分離によるものではない。どちらかと言えば、そのような動的な放射状の場は、イオンのローレンツ力およびイオンの圧力中の不均衡の結果であり、動的な場の大きさは、おおよそ１０の要素によって（電荷の分離によって）誘起される静的な電荷の大きさより小さく現れる。
【００８９】
図１〜１５に関連して上述したように、静電界で促進された安定なプラズマは、電子またはイオンの磁気的な閉じ込めによって形成される。そのような態様においては、磁気的に閉じ込められた粒子が電荷のキャリアとして働く。そのため、電子が電荷のキャリアとして働くときは、電子は磁気的に閉じ込められ；イオンが電荷のキャリアとして働くときは、イオンが磁気的に閉じ込められる。
【００９０】
プラズマ中で電荷のキャリアであることは、異なった方法でも特徴付けることができる。一つの方法は、電荷のキャリアがプラズマ中で電流を生じることであると言える。他の方法は、電荷のキャリアがプラズマ中でバルク動作を起こすことであると言える。さらに他の方法は、電荷のキャリアがプラズマ中で流動することであると言える。
【００９１】
ある実施例において、電子およびイオンの両者は電荷のキャリアとして働くことができる。すなわち、電子およびイオンの両者が、電流に寄与し、バルク動作を起こし、プラズマ中で流動する。２種類物質の電流を作り出す特徴の程度における相違は、一方の種類が他方の種類よりも磁気的に閉じ込められる点に現れる。そのような２つの種類の磁気的閉じ込めにおける相違は、プラズマ中での静電界の形成をうながす電荷の分離を誘起する。
【００９２】
図１６および１７は、その中に誘起される実質的な静電界を有するプラズマを磁気的に閉じ込めるプラズマ閉じ込め装置の単純化した図を示す。図１６ＡおよびＢは、コア３２６を介して一次巻線３２４と磁気的に接続される閉じ込めリング３２２を有する単純化したＺピンチ装置３２０を示している。リング３２２中の電荷のキャリアは、トランスのコア３２６上の二次巻線として、一次巻線３２４（電源装置３３４を介して）中に発生する一次電流ｉ１（ｔ）がリング３２２内に二次電流ｉ２（ｔ）３３２を誘起するように働く。そのようなトロイダル状の電流（円筒近似における軸方向の電流）は、図４Ａを参照して上述したようにプラズマを閉じ込める。適切に選択されたリング３２２の大きさおよび適切に選択された内部のプラズマのためのパラメータは、結果として、イオン濃度分布３２８からの電子濃度分布３３０の分離を起こし、それにより、実質的な静電界を誘起する。
【００９３】
図１７ＡおよびＢは、その周りに巻線３４４を備える閉じ込め部３４２を有する単純化したシータピンチ装置３４０を示す。電流ｉ（ｔ）は、電源３４６によって発生し、巻線３４４を通り、それにより軸方向の磁界ＢＺ３５２（トロイダルシステム中のトロイダル場）を形成する。図４Ｂを参照して上述したように、そのような磁界は、シータピンチを介してプラズマを閉じ込めることができる。適切に選択された閉じ込め部３４２の大きさおよび適切に選択された内部のプラズマのためのパラメータは、結果として、イオン濃度分布３４８からの電子濃度分布３５０の分離を起こし、それにより、実質的な静電界を誘起する。
【００９４】
前述したように、Ｚピンチおよびシータピンチは組み合わされ、スクリューピンチを発生できる。そのため、図１６および１７のＺピンチ装置およびシータピンチ装置は組み合わされ、スクリューピンチ装置を作製できる。さらにまた、そのような閉じ込め方法およびそれに記載されている各種の概念は、円筒幾何学で近似することができる閉じ込めセクションを有するいかなる閉じ込め装置にも導入することができる。
【００９５】
図１８は、本発明の閉じ込められたプラズマに基づく溶融反応装置３６０の一実施例を示す。反応装置３６０は、反応容器３６４内に実質的にプラズマ３７２を閉じ込める磁界を含む反応容器３６４を備えている。そのような磁界は、プラズマ３７２と電磁気的に接続された閉じ込め場発生装置３６６によって発生することができる。場発生装置３６６は電源３７０によって駆動される。反応装置３６０は、さらに、プラズマ３７２に対する反応燃料を供給し、および／または、維持する反応燃料供給装置を備えている。
【００９６】
図１８に示すように、プラズマ３７２は、少なくとも部分的にイオン分布３７６から分離している電子分布３７４を具体化する。そのような閉じ込められたプラズマは、少なくとも反応容器３６４が上述したように相対的に小さい寸法を有するようにする。
【００９７】
上述した方法で閉じ込められたプラズマ３７２は、中性子、ｘ線、電力および／またはその他の反応生成物を生成する核融合反応を起こす。種々の運転条件でのデューテリウム−トリチウム（ＤＴ）反応の例における可能な反応の構成および生成物のいくつかを、表１〜３にまとめる。
【００９８】
表１は、種々の粒子濃度での電子スケールで高いアスペクト比を有するトロイダルシステムに付随する各種の大きさをまとめている。表１における項目は以下のように定義される：ｎ＝平均粒子濃度；Λ＝電子スケール長；Ｙ＝電子流体境界半径＝１．５Λにセットされる；ａ＝トロイドの小半径＝イオン流体境界半径＝２．５Ｙにセットされる；Ｒ＝トロイドの大半径＝２０ａにセットされる；Ｖ＝トロイドの容積＝２π２Ｒａ２。
【００９９】
【表１】
2007524957.tif 000015
【０１００】
表２は、各種の温度での表１のシステムにおける種々の中性子生成率の予測をまとめて示す。表２に記載された各種の量は以下の通りである：Ｔ＝プラズマ温度；συ＝反応率；中性子率＝ｎ２（συ）Ｖ／４。これらの反応率および中性子率の表現は背景技術において良く知られている。
【０１０１】
【表２】
2007524957.tif 000016
【０１０２】
表３は、デュートリウム−トリチウム装置に対する各種温度での表１のシステムにおける種々の電力生成の予測をまとめて示す。表３に記載された各種の量は以下の通りである：Ｔ＝プラズマ温度；帯電した粒子に付随する電力＝（ｎＤｎＴσυ）（５．６×１０-１３）（ワット）。電力の表現は背景技術において良く知られている。
【０１０３】
【表３】
2007524957.tif 000017
【０１０４】
いかなる意味でも限定して解釈するわけではないが、表１〜３の例として、高いアスペクト比のトロイダル容器に閉じ込められたＤＴ燃料を有するプラズマシステムを考える。約１０２０ｍ−３の平均数濃度ｎは、約０．０５３２ｃｍの電子スケール長Λに対応する。Ｙ＝１．５Λｅ＝０．０８０ｃｍ、２．５Λｅでの最小半径ａ＝０．２０ｃｍ、２０ａでの最大半径Ｒ＝４ｃｍと設定すると、容積Ｖは約３．１３ｃｍ３の結果となる。
【０１０５】
約５ｋｅＶの温度におけるそのようなプラズマを稼働すると（反応率が約１．３０×１０−１７である）、１秒あたり約１．０２×１０１１の中性子を生成できる。そのようなコンパクトな装置からの中性子の流れは、対テロリスト材料の検知、ボーリング検層、海底のモニタリング、放射性同位体の生成、その他の応用などの多くの領域において有効である。
【０１０６】
そのようなＤＴ燃料を使用するプラズマの稼働は、約１−５ｋｅＶの範囲のエネルギを有する高強度軟ｘ線を生成できる。そのようにコンパクトな装置からのそのようなｘ線は、フォトリソグラフィーのような領域で有効である。ある実施例では、融合が起きなくても、軟ｘ線はプラズマから生成される。
【０１０７】
表１〜３から、５ｋｅＶの温度で平均数濃度１０２０ｍ−３の稼働パラメータの例が、約５７ｍＷの電力出力を生成することがわかる。異なるプラズマパラメータを変えることにより、電力出力を劇的に増加させることができる。上述したように、図６〜１０を参照したプラズマ解法の例は、一般的に、平均数濃度が約１０の要素で変化するとき、および、温度が約３０の要素で変化するとき、維持されると思われる。
【０１０８】
可能な電力増加に対する相対的に保守的な推測として、約２０の要素による温度の変化は、約１００ｋｅＶのプラズマ温度を生成し、この場合、ｎ＝１０２０ｍ−３のとき、電力出力は約３．７２Ｗである。また、図１５Ａ〜Ｃに関連して上述したように、安定なプラズマを増進する静電界は、増加する容積に従って形成される。そのため、１０の要素による高いアスペクト比のトロイドの最大および最小半径の両者をスケーリングすることが、１０３の要素による容積を増加する。このように、電力出力はプラズマ容積に比例するため、上述した例の３．７２Ｗを出力する装置は、出力数ｋＷを生成するようスケーリングすることができる。そのような装置は約４０ｃｍの最大半径を持ち、さらに、発電機として相対的にコンパクトな装置となる。
【０１０９】
ここに記載したプラズマ装置の各種の例は、安定で閉じ込められたプラズマの形成を増進するスタートアッププロセスの例を含むことによって稼働できる。スタートアッププロセスは、トロイダル（軸方向）およびポロイダル（アジマス方向）の磁界が閉じ込めの実質的な役割を果たすトロイダル構成を有するプラズマ装置の背景として記載されている。近似したスタートアッププロセスは、一般的に、ここで記載されたＺピンチ、シータピンチ、スクリューピンチの各概念に適用される。
【０１１０】
ある実施例では、真空のトロイダル磁界は、ポロイダル方向（図１７ＡおよびＢに示されているように）に巻回されたトロイダル場コイルに電流を伝えることによって達成される。次に、中性ガスが真空容器内に瞬間的に供給され、そこで得られた強制的な破壊がガスをイオン化し、相対的に冷たく実質的に中性のプラズマを生成する。電子とイオンの再配列時間と比べて短い時間内に、トランスの一次巻線中の電流（図１６ＡおよびＢに示されているように）が急成長する。トーラスの中央部を通る磁束中の変化は、ポロイダル（アジマス方向）の磁界を発生するトロイダル（軸方向）電流を誘起する。この電流は、約２〜３ｋｅＶのプラズマの抵抗ジュール熱を起こすことができる。
【０１１１】
このようにして、上述したスタートアッププロセスの例は、プラズマの環境を特徴付ける実質濃度と温度のパラメータをプラズマに与えることができる。同時に、イオンに対する閉じ込めを与える実質的なラジアル静電界の随伴的な発展を伴う緩和プロセスを介して、安定で、閉じ込められた平衡状態に、プラズマはなる。高周波加熱のような付加的加熱メカニズムは、プラズマ温度をさらに高め、それにより、プラズマ環境内で融合回数の確率を高めるために用いられる。
【０１１２】
上述した実施例は、上述した実施例に適用された本発明の基本的に新規な特徴を示し、記載し、指摘しているが、ここで示された装置、システムおよび／または方法の細かい形式における各種の除外、置き換えおよび変更は、本発明の有効範囲から離れることがない範囲で、当業者によってなされることは理解すべきである。結果として、本発明の範囲は上述した記載に制限すべきではなく、付加されたクレームによって定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】図１は電子およびイオンの空間的な分布における相違のためにプラズマの内部に誘起されるバルク静電界を有する閉じ込められたプラズマを示す；
【図２】図２は誘起された電界を有するプラズマの定常平衡を決定するための工程を示す；
【図３】図３は電子およびイオンの濃度がＺ軸上でラジアル方向の距離ｒにあるような円筒状の対称を有する閉じ込められたプラズマの一実施例を示す；
【図４Ａ】図４Ａは図３の円筒状に対称なプラズマのＺピンチ閉じ込めを示す；
【図４Ｂ】図４Ｂは図３の円筒状に対称なプラズマのシータピンチ閉じ込めを示す；
【図５】図５は円筒状の構成によっていかに高いアスペクト比のトロイダル閉じ込めを予測できるかを示す；
【図６】図６はＺピンチングを与える方位磁界プロファイルの一実施例を示す；
【図７】図７は電界および圧力により力を実質的にオフセットする磁気力による電子の安定閉じ込めの一実施例を示す；
【図８】図８は圧力により力を実質的にオフセットする磁気力によるイオンの安定閉じ込めの一実施例を示す；
【図９Ａ】図９Ａは閉じ込められた電子およびイオンの空間的な分布の相違の結果から発生する電界プロファイルの一実施例を示す；
【図９Ｂ】図９Ｂは対数表記で図９Ａの電子およびイオンの分布を示す；
【図１０】図１０はプラズマに相対的に近い位置に位置する閉じ込め壁に対する熱損失がいかに減少できるかを示す温度プロファイルの一実施例を示す；
【図１１】図１１はＹ／Λｅおよび温度Ｔの関数としてプラズマ変数１／αの外形プロットの一実施例を示す；
【図１２】図１２はプラズマをシータピンチする軸方向に向く磁界の磁界プロファイルの一実施例を示す；
【図１３】図１３はシータピンチしたプラズマ中の異なる電子およびイオンの分布の例を示す；
【図１４】図１４は図１３の異なる電子およびイオンの分布の結果から得られる電界プロファイルの例を示す；
【図１５Ａ】図１５Ａは電荷の分離によって誘起された電界によって助長されたプラズマ閉じ込めの各種スケールを示す；
【図１５Ｂ】図１５Ｂは電荷の分離によって誘起された電界によって助長されたプラズマ閉じ込めの各種スケールを示す；
【図１５Ｃ】図１５Ｃは電荷の分離によって誘起された電界によって助長されたプラズマ閉じ込めの各種スケールを示す；
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、イオンが磁気的に閉じ込められるとともに電子が誘起された電界によって閉じ込められ、そのようなプラズマが電子スケール長より実質的に大きいイオンスケール長に大きさを合わせることができる、逆プラズマ構成の一実施例を示す；
【図１６Ａ】図１６Ａは異なる電子およびイオンの分布を造ることができるＺピンチ型プラズマ閉じ込め装置の一実施例を示す；
【図１６Ｂ】図１６Ｂは異なる電子およびイオンの分布を造ることができるＺピンチ型プラズマ閉じ込め装置の一実施例を示す；
【図１７Ａ】図１７Ａは異なる電子およびイオンの分布を造ることができるシータピンチ型プラズマ閉じ込め装置の一実施例を示す；および
【図１７Ｂ】図１７Ｂは異なる電子およびイオンの分布を造ることができるシータピンチ型プラズマ閉じ込め装置の一実施例を示す；および
【図１８】図１８は、イオン閉じ込めが実質的な静電界によって助長されるプラズマに基づく各種出力を出すことができる装置の一実施例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月19日(2007.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ閉じ込め装置を設計する方法であって：
電子の分布およびイオンの分布を備えるプラズマシステムの全エネルギの特徴付けであって、前記電子の分布および前記イオンの分布間の非類似性によって、プラズマ内部に誘起されたバルク状の静電界に付随する電気エネルギ項を含む特徴付けを生成する工程と；
前記プラズマシステムの全エネルギの特徴付けに付随する平衡状態を決定する工程と；
前記平衡状態に付随する１つ以上のプラズマパラメータを決定する工程と；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記１つ以上のプラズマパラメータが粒子数濃度および容積スケール長を備えることを特徴とする方法。
【請求項３】
プラズマ閉じ込め方法において：
複数の荷電した第１の粒子と複数の荷電した第２の粒子を備えるプラズマシステムを提供する工程と；
前記第１及び第２の粒子の全体の分布間に非類似性を生成する工程と；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法が更に、前記非類似性の生成から前記プラズマ内部にバルク状の静電界を誘起する工程を備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法が更に、前記プラズマシステムの全エネルギを特徴付ける工程を備え、当該特徴付けが前記バルク状の静電界に付随する電気エネルギ項を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法が更に、前記プラズマシステムの全エネルギの特徴付けに付随する平衡状態を決定する工程を備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法が更に、前記プラズマを第１のベータ値と第２のベータ値に制限する工程を備え、当該第１及び第２のベータ値が、平均粒子数濃度、平均プラズマ温度、および前記プラズマ中に確立された磁界の強さを備える要因に従属しており、前記第１のベータ値の逆数が約０と２２の間であり、前記第２のベータ値の逆数が約０と３の間であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法が更に、第１の粒子膜深さを決定する工程と、１から２の間の第１の粒子膜深さの半径の実質的に円筒形状の容積内に前記第１の粒子を閉じ込める工程と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法が更に、第１の粒子膜深さを決定する工程と、１から２の第１の粒子膜深さの半径の実質的にトロイダル形状を有する容積内に前記第１の粒子を閉じ込める工程と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
プラズマ閉じ込め方法において：
複数の第１の粒子と複数の第２の粒子を備えるプラズマを提供する工程と；
第１の容積に前記第１の粒子を実質的に閉じ込める工程と；
第２の容積に前記第２の粒子を実質的に閉じ込める工程と；
を備え、前記第２の容積が前記第１の容積より大きく、前記第１の容積を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、前記第１の粒子の移動が電流を生じさせ、前記第１の容積に前記第１の粒子を実質的に閉じ込める工程が、当該電流の方向に実質的に垂直に前記プラズマ内に磁界を確立する工程を備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法において、前記第２の容積に前記第２の粒子を実質的に閉じ込める工程が、前記第１の粒子および第２の粒子のバルク状の分布を、前記プラズマ内の前記第１の粒子と前記第２の粒子との間にバルク状の静電界ができるように分離する工程を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
プラズマ閉じ込め方法において：
複数の荷電した第１の粒子と複数の荷電した第２の粒子を備えるプラズマを提供する工程であって、前記第１の粒子が前記プラズマ中で電荷キャリアとして働くことによって電流を確立する工程と；
前記プラズマ中に磁界をつくる工程であって、当該磁界が前記電流に実質的に直交する方向にあり、前記磁界が前記第１の粒子上で、前記プラズマ内の前記第１の粒子と前記第２の粒子間の分布に非類似性を作るように働く工程と；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記第１の粒子が電子を備え、前記第２の粒子がイオンを備えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記第１の粒子がイオンを備え、前記第２の粒子が電子を備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法が更に、前記プラズマを実質的に円筒形状の容積内に閉じ込める工程を備え、この容積が軸方向および方位方向を規定することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法が更に、前記プラズマを実質的にトロイダル形状の容積内に閉じ込める工程を備え、この容積がトロイダル方向およびポロイダル方向を規定することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法において、前記電流が軸方向に流れ、前記磁界が方位方向を向いていることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法において、前記電流が方位方向に流れ、前記磁界が軸方向を向いていることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法において、前記電流が組み合わせた軸−方位方向に流れ、前記磁界が組み合わせた方位−軸方向を向いていることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法において、前記電流がらせん方向に流れ、前記磁界がらせん方向を向いていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
プラズマ閉じ込め方法であって：
複数の荷電した第１の粒子と複数の荷電した第２の粒子を備えるプラズマであって、前記第１の粒子が前記プラズマ中の電流の電荷キャリアであるプラズマを提供する工程と；
電磁的に、前記第２の粒子の位置に影響するよりも、前記第１の粒子の位置により影響する磁界を前記プラズマ中に確立する工程と；
前記磁界の影響の下に前記第１の粒子を第１の容積に実質的に閉じ込める工程と；
前記第２の粒子の少なくとも一部を前記第１の容積外に維持する工程と；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記第１の粒子の位置がＺピンチを介して電磁的に影響されていることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方法において、前記第１の粒子の位置が、シータピンチを介して電磁的に影響されていることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２２に記載の方法において、前記第１の粒子の位置が、スクリューピンチを介して電磁的に影響されていることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２２に記載の方法が更に、前記プラズマ内にバルク状静電界を確立する工程と、前記第２の粒子を第２の容積に閉じ込める工程を備え、前記第１の容積が前記第２の容積より小さく、前記バルク状静電界の影響の下に前記第２の容積内に閉じ込められていることを特徴とする方法。
【請求項２７】
プラズマ閉じ込め方法において：
複数の荷電した第１の粒子と複数の荷電した第２の粒子を備えるプラズマであって、前記第２の粒子が前記第１の粒子の電荷と反対の電荷であるプラズマを提供する工程と；
前記第１の粒子をこの粒子が電流を確立するように一の方向に押圧する工程と；
前記プラズマ内に磁界を確立する工程と；
前記電界によって前記第１の粒子に与えられた力を介して前記第１の粒子を第１の容積内に実質的に閉じ込める工程と；
前記第２の粒子の少なくとも一部を前記第１の容積の外側に維持し、これによって前記第１及び第２の粒子のバルク状分布に分離をつくる工程と；
前記第１及び第２の粒子の前記バルク状分布の分離によって前記プラズマ内にバルク状静電界を確立する工程と；
前記第２の粒子を第２の容積内に実質的に閉じ込める工程であって、前記第１の容積が前記第２の容積より小さく、前記静電界によって前記第２の粒子に与えられる力を介して前記第２の容積内に封入されている工程と；
を備えることを特徴とする方法。