(57)【要約】  液体金属キャビティ内の磁化されたプラズマに対する投射体の衝撃によりプラズマを圧縮できる、プラズマを圧縮するためのシステムおよび方法の実施形態が開示されている。投射体は、液体金属キャビティ内で溶融でき、この液体金属をリサイクルして新しい投射体を形成できる。【選択図】図１
2013501314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを圧縮するためのシステムであって、
磁化されたプラズマを発生するようになっているプラズマ形成システム、および第１部分、第２部分、ならびに前記第１部分と前記第２部分との間に位置する長手方向軸を有し、前記第１部分において、前記磁化されたプラズマを受け、前記長手方向軸に沿って前記第２部分に向けて前記磁化されたプラズマを加速するようになっているプラズマ加速器を含むプラズマインジェクタと、
前記プラズマ加速器の前記第２部分から前記磁化されたプラズマを受けるようになっているチャンバの少なくとも一部を形成する液体金属を提供するようになっている液体金属循環システムとを備え、前記磁化されたプラズマは、前記チャンバ内に収納されたときに第１圧力を有し、
前記長手方向軸の少なくとも一部に沿って前記チャンバに向けて投射体を加速するようになっている投射体加速器を更に備え、
前記システムは、前記投射体が前記チャンバ内で前記磁化されたプラズマを圧縮するように構成されており、前記磁化され、圧縮されたプラズマは、前記第１圧力よりも高い第２圧力を有する、プラズマを圧縮するためのシステム。
【請求項２】
前記磁化されたプラズマは、コンパクトトロイドを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コンパクトトロイドはスフェロマックを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記プラズマ形成システムは、前記プラズマ形成システム内でガスをイオン化し、前記磁化されたプラズマを発生するようになっているプラズマ形成電極を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記プラズマ形成システムは、イオン化に先立ち、前記ガス内に初期磁界を発生するようになっている１つ以上のコイルを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記プラズマ加速器は、内側電極と外側電極とを備え、前記内側電極および前記外側電極の少なくとも一方は、前記長手方向軸に沿って前記磁化されたプラズマが加速されたときに、前記磁化されたプラズマの圧縮を行うようなテーパが付けられている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記プラズマ加速器は、圧縮比を２よりも大きくするように構成されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記投射体加速器は、加圧ガスを使って前記投射体を加速するようになっているガスガンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ガスガンは、前記投射体の前方の領域を少なくとも部分的に真空状態にするようになっているバルブシステムを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記バルブシステムは、前記投射体の後方に高圧領域を維持し、前記投射体の前方に低圧力領域を維持するように同期化されるようになっている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記投射体加速器は、電磁加速器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記投射体は、前記チャンバ内に前記磁化されたプラズマを閉じ込めるように構成された表面を含み、前記表面は円錐形を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記円錐形は、凹状であり、約２０°〜８０°の範囲内の円錐角を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記投射体は、前記チャンバ内に前記磁化されたプラズマを閉じ込めるように構成された表面を含み、前記表面は、前記投射体の長手方向軸に沿って延びる細長い部材を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記投射体は、前記チャンバ内に前記磁化されたプラズマを閉じ込めるように構成された表面を含み、前記表面は、１つ以上のコーティングを含み、前記コーティングの少なくとも１つは、リチウムまたは重水素化リチウムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記液体金属は、鉛−リチウムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記液体金属は、金属材料の液相を含み、前記投射体は、金属材料の固体相を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記液体金属循環システムは、閉じ込めシステム内に液体金属の流れを提供するようになっているポンプシステムを含み、前記流れは、前記チャンバの少なくとも一部を形成するようになっている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記液体金属循環システムは、液体金属の前記流れを出力するように構成されたテーパ付きノズルを含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記液体金属製の前記チャンバは、実質的に円錐形の形状を有する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記液体金属循環システムは、前記液体金属を所望する温度に維持するようになっている熱交換器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記液体金属の一部を受け、前記液体金属の前記受けた部分から１つ以上の投射体を形成するようになっている投射体リサイクルシステムを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記投射体リサイクルシステムは、リサイクルされた投射体を前記投射体加速器に自動的に装填するようになっている装填機構を含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
プラズマを圧縮する方法であって、
トロイダルプラズマを発生するステップと、
前記トロイダルプラズマを液体金属製のキャビティに向けて加速するステップ、
前記液体金属製の前記キャビティに向けて投射体を加速するステップと、
前記トロイダルプラズマが前記液体金属製の前記キャビティにあるときに、前記投射体により前記トロイダルプラズマを圧縮するステップとを備える、プラズマを圧縮する方法。
【請求項２５】
トロイダルプラズマを発生する前記ステップは、スフェロマックを発生することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記トロイダルプラズマを加速する前記ステップは、前記トロイダルプラズマを圧縮するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記投射体を加速する前記ステップは、前記投射体を加速するために高圧ガスを使用することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記投射体を加速する前記ステップは、前記投射体を加速するために電磁気力を使用することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体金属製の前記キャビティを形成するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
前記キャビティを形成する前記ステップは、前記キャビティを形成するために液体金属を流すことを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つの新しい投射体を形成するために前記液体金属の一部をリサイクルするステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
プラズマを圧縮するための装置であって、
凹状形状を含む液体金属製のキャビティに向けてプラズマのコンパクトトロイドを加速するようになっているプラズマインジェクタと、
前記キャビティに向けて投射体を加速するようになっている投射体加速器と、
前記投射体が前記液体金属製の前記キャビティ内に前記コンパクトトロイドを閉じ込めるよう、前記コンパクトトロイドの加速と前記投射体の加速とをコーディネートするようになっているタイミングシステムとを備える、プラズマを圧縮するための装置。
【請求項３３】
前記コンパクトトロイドは、スフェロマックを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記プラズマインジェクタは、前記コンパクトトロイドの加速中に前記コンパクトトロイドを圧縮するようになっている少なくとも１つのテーパ付き電極を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記投射体加速器は、流体式ガンを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
前記投射体加速器は、誘導コイルガンを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３７】
前記タイミングシステムは、前記液体金属製の前記キャビティに対する前記投射体の位置に少なくとも部分的に基づき、前記コンパクトトロイドの形成をトリガーするようになっている、請求項３２に記載の装置。
【請求項３８】
前記液体金属の流れを発生するようになっている液体金属循環システムを更に含み、前記流れは、前記液体金属製の前記キャビティを形成するようになっている、請求項３２に記載の装置。
【請求項３９】
前記液体金属の一部をリサイクルし、少なくとも１つの別の投射体を形成するようになっている投射体リサイクルシステムを更に含む、請求項３８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願とのクロスレファレンス）
本願は、「投射体をリサイクルすることによりプラズマを圧縮し、加熱するためのシステムおよび方法」を発明の名称とし、２００９年７月２９日に出願された米国仮特許出願第61/229,355号に基づく権利を主張するものであり、この米国仮特許出願の内容全体を本願で参考例として援用する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、プラズマ圧縮をするためのシステムおよび方法の実施形態に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、プラズマを高温および高密度に圧縮するための一部のシステムは、巨大であり、高価であり、繰り返しレートおよび作動寿命が限られている。プラズマ内に磁界を加えると、プラズマ容積部からの粒子およびエネルギー損失レートが減少するので、この方法は、所定の加熱方式の有効性を改善するための有望な方法となっている。
【０００４】
プラズマを圧縮する方法として次の６つの方式がある。
【０００５】
（１）時間と共に大きくなる外部磁界を使用してプラズマを直接圧縮する方式。
【０００６】
（２）強力な電磁放射線または（所定の慣性閉じ込め核融合（ＩＣＦ）デバイスのような）高エネルギー粒子ビームによって駆動される圧縮による爆縮カプセルの外側表面のアブレーションロケット効果による圧縮方式。例えばＲ.Ｗ.モアール外の論文「ＨＹＬＩＦＥ−ＩＩ：慣性核融合発電所のための長寿命の第１壁コンポーネントへのアプローチ」、レポート番号ＵＣＲＬ-ＪＣ--１１７１１５；ＣＯＮＦ-９４０９３３-４６、ローレンス・リバモアー国立研究所、１９９４年８月を参照されたい。この論文の内容全体を本願で参考例として援用する。
【０００７】
（３）爆縮ライナー内を流れるパルス状の大電流によって駆動される導電性ライナー（一般には金属製）の電磁爆縮によって圧縮する方式。
【０００８】
（４）導電性媒体内で大振幅の音響パルスを球状または円筒形状に合焦することによる圧縮方式。例えば、米国公開特許出願第2006/0198483号および同第2006/0198486号に開示されているシステムおよび方法を参照されたい。これら米国公開特許出願の各々の内容全体を本願で参考例として援用する。一部の実施例では、外部加圧ガスを使用し、導電性媒体の圧縮を実行できる。例えばＲ.Ｌ.ミラーおよびＲ.Ａ.クラコウスキーによる論文「低速で爆縮するライナー（ＬＩＮＵＳ）核融合炉のコンセプトの評価」、レポート番号ＬＡ-ＵＲ-８０-３０７１、ニューメキシコ州ロスアラモス科学研究所、ロスアラモス、ＮＭ  １９８０年に記載されているＬＩＮＵＳシステムを参照されたい。この論文の内容全体を本願で参考例として援用する。
【０００９】
（５）壁境界制限によって決定される圧縮をプラズマの運動エネルギーが駆動するように、移動中のプラズマを導電性媒体内の円錐状に収束する静的空隙内に注入することによる受動的圧縮方式。例えば、Ｃ.Ｗ.ハートマン外による論文「ＣＴの連続発生ストリングを利用するコンパクトなトーラス核融合炉。ＣＴストリング核融合炉」、核融合エネルギーのＣＴＳＲジャーナル、第２７巻（２００８年）、４４〜４８ページ、および「スフェロマック  トーラスの加速：実験結果および核融合応用」、ＵＣＲＬ-１０２０７４、磁界反転コンフィギュレーションおよびコンパクトトロイドに関する１１回目の日米ワークショップ議事録所収；１９８９年１１月７〜９日（ニューメキシコ州ロスアラモス）を参照されたい。これら各々の論文の内容全体を本願で参考例として援用する。
【００１０】
（６）高運動エネルギーの巨視的な投射体の衝撃により、例えば衝突する投射体のペアにより、または静止ターゲット媒体に衝撃を与える１つの投射体により駆動されるプラズマを圧縮する方式。例えば米国特許第4,328,070号参照。この米国特許の内容全体を本願で参考例として援用する。Ｃ.Ｗ.ハートマン外による上記援用論文「スフェロマックトーラスの加速：実験結果および核融合の応用」も参照されたい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
プラズマを圧縮するためのシステムが開示されている。このシステムは、プラズマインジェクタを含むことができ、このプラズマインジェクタは、磁化されたプラズマを発生するようになっているプラズマ形成システムと、第１部分、第２部分、ならびに第１部分と第２部分との間に位置する長手方向軸を有するプラズマ加速器とを含む。プラズマ加速器は、第１部分において、磁化されたプラズマを受け、長手方向軸に沿って第２部分に向けて磁化されたプラズマを加速するようになっている。プラズマを圧縮するためのシステムは、プラズマ加速器の第２部分から磁化されたプラズマを受けるようになっているチャンバの少なくとも一部を形成する液体金属を提供するようになっている液体金属循環システムも含むことができる。磁化されたプラズマは、チャンバ内に収納されたときに第１圧力を有することができる。システムは、長手方向軸の少なくとも一部に沿って前記チャンバに向けて投射体を加速するようになっている投射体加速器も含むことができる。システムは、投射体が前記チャンバ内で磁化されたプラズマを圧縮し、磁化され、圧縮されたプラズマが、第１圧力よりも高い第２圧力を有することができるように構成できる。
【００１２】
プラズマを圧縮する方法の一実施形態が開示されている。この方法は、トロイダルプラズマを発生するステップと、トロイダルプラズマを液体金属製のキャビティに向けて加速するステップ、液体金属製のキャビティに向けて投射体を加速するステップと、トロイダルプラズマが、液体金属製のキャビティにあるときに、投射体によりトロイダルプラズマを圧縮するステップとを備える。一部の実施形態では、本方法はキャビティを形成するように液体金属を流すことも含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、少なくとも１つの新しい投射体を形成するために、液体金属の一部をリサイクルすることも含むことができる。
【００１３】
プラズマを加速するための装置が開示されている。この装置は、液体金属製のキャビティに向けてプラズマのコンパクトトロイドを加速するようになっているプラズマインジェクタを含むことができ、このキャビティは、凹状形状となっている。この装置は、キャビティに向けて投射体を加速するようになっている投射体加速器および投射体が液体金属製のキャビティ内にコンパクトトロイドを閉じ込めるよう、コンパクトトロイドの加速と投射体の加速とをコーディネートするようになっているタイミングシステムも含むことができる。
【００１４】
図面全体にわたり、参照番号を付した要素の間の対応を示すのに、参照番号を再使用することができる。これら図面は、本願に記載する実施形態を示すために添付したものであり、本発明の開示の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】液体金属壁閉じ込め部を有するプラズマ圧縮システムの実施形態の一例を示す横断面略図であり、ここで、システムは投射体加速デバイスと、プラズマインジェクタと、液体金属再循環容器と、投射体形成サブシステムとを備える。
【図２】投射体加速器のマズルを中心として同軸状に位置するプラズマインジェクタの実施形態の一例の一部を示す横断面略図であり、図示された実施形態ではプラズマインジェクタは、投射加速軸４０ａを中心として回転対称となっている。
【図３】液体金属による衝撃から最大圧力ポイントまで投射体およびプラズマがどのように振る舞うか、更に、投射体のその後の分裂および投射体材料のリサイクルのために使用される液体金属との相互混合の一例を時間シーケンスで示す横断面簡略図（Ａ−Ｉ）を示す。ｋｇ／ｍ3を単位とする密度の値は、図の右にあるステータスバー内の値に従ったグレイスケールレベルとして示されている。
【図４Ａ】投射体の種々の実施形態のうちの１つを示す横断面略図である。
【図４Ｂ】投射体の種々の実施形態のうちの１つを示す横断面略図である。
【図４Ｃ】投射体の種々の実施形態のうちの１つを示す横断面略図である。
【図４Ｄ】投射体の種々の実施形態のうちの１つを示す横断面略図である。
【図４Ｅ】投射体の種々の実施形態のうちの１つを示す横断面略図である。
【図４Ｆ】投射体の種々の実施形態のうちの１つを示す横断面略図である。
【図５】投射体加速器の一実施形態におけるガスベントバルブのタイミングの一例を略図で示す。
【図６】磁化されたプラズマに対する投射体の衝撃を使用して液体金属チャンバ内にプラズマを圧縮する方法の一実施形態を略図で示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記プラズマ圧縮方式は、種々の利点および欠点を有する。しかしながら、プラズマ圧縮方式を有効に実現する上での重大な障害は、一般にかかるデバイスを必要な物理的スケールで構築する金銭的なコストである。上記方式のうちの一部に対し、建設コストがフルスケールでのプロトタイプの試験および開発を阻害したり、禁止さえもしている。従って、従来の一部の方法および材料を使用してプロトタイプおよびフルスケールでなんとか構築可能であり、比較的ストレートフォワードな全体の設計および比較的小さい物理的スケールを有する技術を検討することが有益となり得る。
【００１７】
上記圧縮方式の実施形態は、実際には実質的にパルス状に操作される。検討すべき可能な２つのファクターとして、パルス毎のコストおよびパルスの繰り返しレートが挙げられる。各パルスサイクルで破壊される高精密部品を使用する方式（例えば方式２、３および方式６のあるバージョン）は、非破壊的である方式または材料の受動的リサイクルを使用する方式（例えば方式４、５および方式６のあるバージョン）よりもパルスごとのコストがかなり高くなり得る。非破壊的パルス方式は、所定の実現例でｋＨｚレンジ内の高い値となり得る最大繰り返しレート（このレートは磁気効果によって制限される）を有する傾向がある。受動的なリサイクルは、所定の実現例では数Ｈｚもの値となり得る繰り返しレート（この繰り返しレートはライナー流体の流れ粘性によって制限される）により、次に速い方式となり得る。パルス状圧縮のための中心アセンブリがパルスごとに破壊される方式は、破壊された要素をクリアし、新しいアセンブリを挿入するのにかかる時間によって決定される最も遅い固有の繰り返しレートとなる傾向がある。この繰り返しレートは、一部の実現例において、最良の場合でも数秒ごとに１回よりも多い繰り返しレートとなる可能性は低い。
【００１８】
高密度および高温でプラズマから高強度のＸ線および高エネルギーの粒子を放出するためのポテンシャルにより、プラズマからの発生放射線が圧縮デバイスの永久的構造要素に達する距離を短くするために大容積の交換可能な吸収材料を使用する方式を検討することは好ましい。かかる吸収材料またはブランケットを内蔵しないデバイスは、それらの構造部品が放射線による損傷を受けるという問題が生じ、それに従って作動寿命が短くなる傾向がある。方式１、２および３の一部の実施形態は、ある量の吸収材料を収納するようにできるが、このことは設計を複雑にし得る（例えばモアール外による上記引用論文に記載されているＨＹＬＩＦＥ−ＩＩ核融合炉の設計を参照されたい）。これと対照的に、方式４、５および６は、圧縮ライナー流体のために使用される材料を選択したり、および／またはデバイスを囲む未使用の大きな空間内に材料を加えたりすることにより、吸収材料を使用する。再循環吸収流体を使用するシステムも、圧縮中に発生する熱を抽出するための低コスト方法を提供できる。吸収流体を再循環させることによっても、吸収流体に含まれる同位体を転換するのに、圧縮されたプラズマから生じる放射線を使用できるようになる。この方法は、廃棄材料を処理するため、またはレア同位体を製造するための、コスト的に有効な方法を提供するのに使用できる。
【００１９】
衝撃被動圧縮方式は、一般に磁界を用いるか、限界的閉じ込め特性だけを有する磁界を用いて、固体投射体を極端に高密度の高温プラズマ状態に圧縮し、加熱するのに必要な超高速度まで、小さくかつ巨視的な投射体を加速するための方法を一般に必要としていた。これには一般に必要な速度を発生するのに極めて長い（例えば数キロメートルの長さまでの）電磁加速器を使用しなければならず、この結果、建設コストは禁止的な値となる。
【００２０】
本開示の種々の実施形態は、これらおよびそれ以外の課題の一部を解決するものである。例えば投射体を使用するほとんどのシステムでは、これまで投射体材料をリサイクルする方法はなく、この結果、高精度の部品は破壊され、パルスごとのコストが大幅に増加していた。更に、有効な目的のために、プラズマ放射生成物を吸収するための機構が、従来の設計には組み込まれていないので、後付けとして吸収ブランケットを追加しなければならず、エンジニアリングの複雑さが増す可能性がある。
【００２１】
本アプローチの一部の実施形態は、プラズマ圧縮を駆動するのに投射体の衝撃を使用し、これまでのアプローチよりも高い繰り返しレートおよび／または長いシステム寿命を有する大幅に小さいスケールのシステムを可能にするシステムコンフィギュレーションを提供するものである。一部の衝撃圧縮方法（例えば本願で全体を参考例として援用する米国特許第4,435,354号を参照)と対照的に、本アプローチの所定の実施形態は、十分に磁化されたプラズマを圧縮するように働く、より低速で進行する、より大きい質量を利用するものである。これによってプラズマを圧縮するためにより複雑でない、より低コストの投射体加速方法を使用することを可能にする。例えば投射体を、例えば約１００ｍのスパンにわたって数ｋｍ／ｓまでの速度に投射体を加速するのに、軽量ガスガンを使用できる。米国特許第5,429,030号および米国特許第4,534,263号には、本願に開示したプラズマ圧縮システムの実施形態で使用できる軽量ガスガンおよび投射体発射器の例が記載されており、これら米国特許の各々全体を本願で参考例として援用する。Ｌ.Ｒ.ベルトリーニ外による刊行物、「ＳＨＡＲＰ、フルサイズのジュールベルヌ発射器に向かう第一歩」（レポート番号ＵＣＲＬ−ＪＣ−−１１４０４１；ＣＯＮＦ−９３０５２３３−２、ローレンスリバモア国立研究所、１９９３年５月（本刊行物全体を本願で参考例として援用する））に記載されている投射体発射器も、プラズマ圧縮システムの実施形態と共に使用できる。
【００２２】
本アプローチの実施形態は、投射体材料のための一体的なパッシブなリサイクルシステムを内蔵できる。これによって、改善された（比較的高い）繰り返しレートおよび／またはシステム寿命の延長が可能となる。材料を適当に選択することにより、投射体およびライナー流体はプラズマ放射生成物の効率的な吸収体として作動でき、この結果、経済的な実現性および実用性を有するシステムが得られる。
【００２３】
プラズマを圧縮するためのシステムおよび方法の例
次に、プラズマを圧縮するためのシステムおよび方法の実施形態について説明する。一部の実施形態では、液体金属キャビティ内の磁化されたプラズマトロイドに対する投射体の衝撃によりプラズマを圧縮できる。投射体は、液体金属キャビティ内で溶融でき、新しい投射体を形成するように液体金属をリサイクルできる。圧縮中、プラズマを加熱できる。
【００２４】
図面を参照すると、図１には改良された新しいプラズマ圧縮システム１０の一実施形態の横断面略図が示されている。このシステム例１０は、磁化されたプラズマ形成／注入デバイス３４と、加速器４０（例えば軽量ガスニューマチックガンまたは電磁加速器）を含み、この加速器は液体金属４６の収束する流れによって一部が構成される圧縮チャンバ２６に向かって、加速軸４０ａに沿って投射体１２をファイアする。液体金属再循環容器１８内には、液体金属４６が収納されており、円錐ノズル２４が圧縮チャンバ２６にて所望する形状の、表面２７を有する磁束保存ライナー内に液体金属４６の流れを向ける。この圧縮チャンバ２６は、軸を中心に実質的に対称的でよい。この圧縮チャンバ２６の軸は、加速軸４０ａと実質的に同一直線上にあってよい（例えば図１および２に参照）。このシステム１０は、例えばプラズマの形成、プラズマの加速、投射体の発射または加速などの事象の相対的タイミングをコーディネートするようになっているタイミングシステム（図示せず）を含むことができる。例えば一部の実施形態では、投射体の速度をプラズマ注入速度よりも大幅に遅くしたり、プラズマの形成および注入を遅延させ、投射体１２が加速器４０のあらかじめ定めた位置（例えばマズルの近く）に達したときにタイミングシステムによってトリガーしてもよい。
【００２５】
図１は、圧縮チャンバ２６に向かって移動中の３つの投射体１２ａ、１２ｂおよび１２ｃの例を略図で示す。第４の投射体１２ｄは、液体金属４６内の、プラズマの最大圧縮ポイントの近くに位置する。これら４つの投射体１２ａ〜１２ｄは、システム１０の特徴を示すものであり、発明を限定するものではない。例えば別の実施形態では、任意の時間に加速器４０により別の数（例えば１つ、２つ、４つまたはそれ以上）の投射体を加速できる。図１は、システム１０内の異なる３つの位置にあるプラズマトーラスも略図で示している。図示された実施形態では、磁化されたプラズマトーラスをプラズマ形成／注入デバイス３４の形成領域３６ａの近くに形成できる。位置３６ｂに示された磁化されたプラズマは加速されており、同軸電極４８と５０との間で圧縮されている。加速器４０のマズルの近くの位置３６ｃにおいて、磁化されたプラズマは同軸電極４０および５０の端部から圧縮チャンバ２６のより大きい空間内に膨張する。この圧縮チャンバ２６は、投射体１２ｃの前方表面（図１参照）および液体金属の表面２７によって構成されている。この磁化されたプラズマは、圧縮時間よりも数倍長い磁気崩壊時間の間、圧縮チャンバ２６内の位置３６ｃに持続できる。
【００２６】
投射体１２ｃの運動は、プラズマの内部磁気閉じ込めにより、位置３６ｃの近くでプラズマを圧縮し、圧縮の早期段階中にプラズマインジェクタ内に大量の粒子が戻って失われるのを低減または防止できる。図１に略図で示されたシステム１０では、加速軸４０ａに対して横方向の投射体１２ｃのサイズは圧縮チャンバ２６への開口部のサイズよりも小さいので、投射体が位置３６ｃの近くにあるときには投射体の外側のまわりには環状開口部が存在する。投射体１２ｃがチャンバに対する開口部を閉じた後に、圧縮後のフェーズが開始し、圧縮チャンバ２６は液体金属の表面２７および投射体１２ｃにより、実質的または完全に囲まれる。圧縮の幾何学的形状のシミュレートされた時間シーケンスを略図で示す図３を参照されたい。従って、圧縮チャンバ内のプラズマに対する投射体１２の衝撃は、プラズマの圧力、密度および／または温度を高めることができる。例えばプラズマは、圧縮チャンバ２６にあるときの第１圧力（または密度もしくは温度）および投射体２１の衝撃後の第２圧力（または密度もしくは温度）を有することができ、第２圧力（または密度もしくは温度）は、第１圧力（または密度もしくは温度）よりも高くなっている。第２圧力（密度もしくは温度）を第１圧力（または密度もしくは温度）よりも、例えば１.５、２、４、１０、２５、５０、１００またはそれ以上の数の倍だけ高くすることができる。（図１では投射体１２ｄとして示されている）液体金属４６内に投射体が巻き込まれた後に、投射体は容易に分解し、液体金属４６内に溶けこむ。以下、更に説明するように、容器１８からの液体金属４６は、新しい投射体を形成するのにリサイクルできる。
【００２７】
圧縮の結果としてプラズマを加熱できる。圧縮されたプラズマからの放射線生成物の吸収に起因するだけでなく、投射体の運動エネルギーの熱化に起因しても液体金属４６の賞味加熱が、生じ得る。例えば一部の実現例では、プラズマの圧縮事象により数百℃よりも高い温度によって液体金属４６を加熱できる。従って、図１の例に示されるように、ポンプ１４により液体金属４６が再循環される際に、熱交換システム１６を介して液体金属を冷却し、入口パイプ２８または円錐形ノズル２４において所望する温度を維持できる。一部の実現例では、プラズマ圧縮によって発生された熱を熱交換器によって抽出し、発電システム（例えば抽出された熱から発生される蒸気により駆動されるタービン）内でこの熱を使用できる。一部の実施形態では、液体金属の温度は溶融点よりも適当に高い温度（例えばＴmelt＋約１０〜５０℃に維持できる。熱交換器１６は任意の適当な熱交換器とすることができる。
【００２８】
一部の実施形態では、他のプロセスでは、交換器の出力を使用できる。例えば圧縮チャンバ２６の表面２７を形成するように円錐ノズル２４に液体金属４６の流れを向ける入口パイプ２８に加え、再循環パイプ３０は、投射体の新しいバッチを作成するためのサブシステム（例えば図１に示された投射体ファクトリー３７）内の投射体モールド３２に対し液体金属４６を供給できる。一部の実施形態では、加速器４０の裂け目内に新しい投射体を自動装填するように装填機構３８を使用できる。一部の実施形態では、カートリッジ構造体内に投射体１２のアレイを位置させることができ、このカートリッジ構造体は、加速器４０の裂け目内に装填機構３８により装填し、加速軸３０ａに沿って比較的高速シーケンスで発射できる。加速器４０の発射を生じさせることなく、投射機の次のカートリッジを装填できるよう一部のケースでは短時間、ある実現例では、可能な場合に１〜２秒の短い時間を設けることができる。一部の実施形態では、装填機構３８は、直接的な装填−シュート−装填−シュートサイクルを有することができ、この場合、カートリッジ構造体は使用しなくてもよく、投射体の発射も実質的に定常的なレートに維持できる。
【００２９】
一部の実施形態では、リサイクルされた液体金属４６を受け、種々の製造方法を使って新しい投射体のキャスティングを可能にするのに適した冷却サイクルを提供するように、投射体モールド３２を自動化できる。所望する打ち出しレートで投射体を供給するように、液体金属の再循環および新しい投射体の製造のレートを十分な値にすることができる。モールド内で、液体金属が十分に凝固するのに必要な全冷却時間を新しい投射体のバッチを調製する方法内でのパラレルな実行にかけることができる。システム１０の一部の実現例では、冷却時間を実用的な程度に短くし、および／またはガンを停止させる加速度を維持するよう、装填機構の適正な機械的な機能および／または投射体１２の能力に必要な剛性量によって決定できる。このような高度に自動化された発射サイクル内では、長い時間、適度に高い繰り返しレートを達成できる。更に、起こり得る、各ショットのためのプラズマ注入を除けば、本システム１０の所定の実施形態には、液状の実質的に同じ材料で満たされた容器１８内に固体の投射体１２を発射でき、新しい投射体１２を形成するために液体金属４６をリサイクルできる閉ループに効果的になるという利点を有する。一部の実施形態では、例えば米国特許第4,687,045号（この米国特許全体を本願で参考例として援用する）に記載されているシステムおよび方法を使って投射体の製造を実行できる。
【００３０】
このシステム１０は、種々の実用的で、かつ有効な応用例で使用できる。例えば放射線生成物の吸収により、同位体を転換する応用例では、例えば標準的なゲッターベッド技術を使って、液体金属４６から同位体を抽出できる液体金属フローサイクルの別の分岐（図示せず）が存在し得る。別の実施形態において必要であれば、変換または他の損失、もしくは非効率性により、失われた量を補充するために追加金属をフローに追加してもよい。
【００３１】
システム１０の一部の実現例では、再循環液体金属システムの一部またはすべては、上記圧縮方式４および５の一部の実現例に使用されるシステムに類似していてもよい。この方式の所定の実現例は、圧縮チャンバ２６の中心キャビティを形成するのに、渦巻き状の流体力学的フローを使用せず、その代わりにリニアノズルフローを使用できるという点で、方式４の所定の実現例と異なっていてもよい。本アプローチの一部の実現例の、各圧縮を駆動するのに単一の投射体しか使用せず、実質的に対称的な音響パルスを形成するのに使用される多数のピストンの衝撃の同期化を不要にできるという点で方式４の一部の実現例と異なっていてもよい。
【００３２】
本アプローチの所定の実施形態は方式５よりも優れたいくつかの利点も有する。この方式５では、プラズマのフル圧縮を発生するのに必要な運動エネルギーを発生するのに、大幅に長く、かつよりパワフルなプラズマインジェクタを一般に使用するので、その結果、容量性エネルギーの貯蔵の価格に起因して製造コストがより高くなる。本アプローチの一部の実施形態では、プラズマを圧縮するのに使用できるエネルギーは、加速器４０内で投射体１２を加速する加圧ガスから主に誘導できる。一部のケースでは、この方法は、方式５の所定の実現例で使用される技術よりも複雑でなく、効果でない技術とすることができる。
【００３３】
プラズマ圧縮システム１０の実施形態は、プラズマインジェクタ３４の中心を実質的に通過する軸４０ａに沿って延び、再循環容器１８内のプラズマおよび圧縮チャンバ２６の液体金属壁に衝突して終了する実質的に直線状の経路に沿って投射体１２を発射するための加速器４０を含むことができる。一部の実施形態では、大型のキャリバー投射体（例えば約１００ｋｇの質量、約４００ｍｍの直径）に対し、高い投射速度（例えば約１〜３ｋｍ／ｓ）を効率的に得ることができ、自動化された繰り返し発射モードで作動できるように加速器４０を構成できる。この応用例に適合した公知の加速デバイスは多数存在する。１つの可能なアプローチは、軽量ガスガンを使用することである。一部の実現例では、ガンの設計により、加圧された軽量「プッシャーガス」（このガスは例えば水素またはヘリウムを含むことができる）を投射体後方のプレナム空間に高速再チャージできるようにする。一部の実現例では、ガンをその後発射する前に、投射体前方の領域を少なくとも部分的に真空状態にすると有利である。例えば投射体１２が前方に移動する際に、投射体はその経路内のガスの一部を圧縮チャンバ２６内にプッシュできる。ガスの組成によっては、圧縮チャンバ２６内に注入されるプラズマがこのプッシュによって汚染され得る。あるケースでは、別の（不純物）ガスが存在することにより、ライン放射線の放出によってプラズマが冷却され得る。この冷却は、プラズマを加熱するのに利用できるエネルギーを低減する。プッシャーガスとして水素を使用する実現例では、かかる冷却の問題が生じる確率を高くすることなく、水素を十分にイオン化し、これをプラズマ内に混入することができる。更に投射体の前方にある残留ガスは、抗力を発生するように働き、ガン内の投射体の加速度を低下させる。従って、投射体前方に少なくとも１つの部分的な真空が存在する実施形態では、高いガン効率を達成できる。
【００３４】
一部の実施形態では、従来の軽量ガスガンは、相互ショット時間の間にガンバレル４４の急速真空化を可能にし得る。例えば１つの可能なガン構造では、ガン４４の長手方向に沿って多数の操作可能なベントバルブ４２を分散させた状態で、大幅に大きい真空タンク（図１には示されず）により、メインガンバレル４４を囲むことができる。バルブを作動させる１つの可能な方法として、次の方法がある。相互ショット時間の間、バルブ４２のすべて（または少なくともかなりの部分）を開放でき、前の投射体発射からのプッシャーガスを真空タンク内に排出できる。バルブが一旦開放されると、真空タンクの表面でのアクティブなポンピングに起因するアウトフローの効果を含むことなく、初期平衡圧力の推定値は、次のように示される。
Ｐequ＝ Ｐpush  Ｖgun/Ｖtank ＝Ｐpush （ ｒgun/ｒtank）2
ここで、Ｐpushは、投射体がマズルを離間した後のガン内の最終圧力であり、Ｖgun、Ｖtankは、それぞれガンバレル４４および真空タンクの容積であり、この推定値は、同軸円筒形ガン−タンクシステムに対して、ガンバレルの半径とタンクの半径の比の平方にも比例する。例えば（ｒgun／ｒtank）＝１／１０であり、最終プッシュ圧力がＰpush＝１気圧（ここで１気圧は約１.０１３×１０5Ｐａである）である場合、初期平衡圧力は１気圧の約１／１００となる。所定のシステムの実現例では、このように圧力の容積が減少するので、システムを真空にするための標準的な高速ターボポンプ技術を使用することが可能となる。このような高速ターボポンプ技術は、一般に一部のガスガン構造で生じる極高圧では使用されないものである。かかる所定の実施形態では、真空タンクの表面に沿って真空ターボポンプ（図示せず）を分散させることができ、パラレルにポンピングする場合、これらターボポンプは投射体を駆動するためのプッシャーガスの注入に起因する時間平均されたガス流入レート以上の組み合わせポンピングレートを有し得る。１つの可能な配置をプッシャーガス用の閉ループとすることができ、この閉ループでは複数のコンプレッサが真空ポンプからの排気を取り込み、ガンプレナムを直接加圧する。プレナム内のガスを熱加圧するのに、上記に加え、または上記の代わりに、熱交換システム１６からの熱エネルギーを使用してもよい。
【００３５】
バルブ作動方法の例を継続する場合に、ガン４０内の圧力を一旦十分なレベルに下げると、バルブ４２を閉じ始めることができ、ガン４０の裂け目に最も近いバルブがまず最初に完全に閉じることができるよう、バルブ４２を同期化できる。あるケースでは、ガン４０は投射体の軌跡をトラックするように、ガン４０の長手方向に沿ったリニアシーケンスでバルブ４２の全体の閉鎖時間をスタガーすることができる。別の同期化パターンも使用できる。適当な同期化により、裂け目に近いバルブ４２が閉じるとすぐに、別の投射体１２を発射するようにガン４０の一部の実施形態を構成することができ、次にガン４０に従って投射体１２が前進するにつれ、投射体は新たに閉じられたバルブを通過でき、この場合、投射体の前方のバルブは閉じるプロセスにあるが、真空タンク内に押し出すべき残留ガスに対しては、十分に開放状態のままである。別の実施形態では、他のガン発射パターンも使用できる。
【００３６】
作動されるベントバルブ４２は、例えば実際に直線状または回転状とし得る運動によって作動できる。図５は、投射体加速器の一実施形態における回転ガスベントバルブ４２ａ〜４２ｄのタイミングの一例を略図で示す。モータ７８ａ〜７８ｄは、それぞれバルブロータ７２ａ〜７２ｄを回転するのに使用できる。この例では、投射体（本例では右に移動中である）の位置７６の後方において、１つ以上のベント孔７４ａおよび７４ｂの上で、バルブロータ７２ａおよび７２ｂが少なくとも部分的に閉じ、更に投射体の位置７６の前方において、バルブロータ７２ｃおよび７２ｄが、それぞれ１つ以上のベント孔７４ｃおよび７４ｄを、少なくとも部分的に開放状態のままにし、よって投射体の後方の領域内にガスを少なくとも部分的に閉じ込めることができ、他方、投射体の前方の領域を少なくとも部分的に真空状態にできるようなタイミングを設定できる。一部の実現例では、システムを通るプッシャーガスのリサイクルは、短い（例えばサブ秒）の相互ショット時間中に大きなエネルギー消費を必要とし得る。ガン動作の別の方法では、ベントバルブ（使用する場合）を上記の方法とは別の方法で作動できる。
【００３７】
所定の実施形態では、投射体加速システムの繰り返しレートを圧縮方式の固有の繰り返しレート以上とすることができる。別の実施形態では、投射体加速システムの繰り返しレートを圧縮方式の固有の繰り返しレート未満とすることもできる。
【００３８】
別の投射体加速方法も使用できる。例えば別の投射体加速方法として誘導コイルガンを使用する方法があり、この方法は、一部の実施形態ではパルス状の電磁コイルにより、あるシーケンスの反発磁力を加え、投射体を加速する。この誘導コイルガンを使用する１つの利点は、定常状態で高い真空状態でコイルガンを維持できることである。
【００３９】
システム１０の一部の実施形態では、加速器４０の発射の精密トリガーのために別のセンサ（図示せず）とトリガー回路（図示せず）を組み込むことができる。
【００４０】
トリガー１２および／または液体金属４６の実施形態を金属、合金またはそれらの組み合わせから製造できる。例えば約１７％原子濃度のリチウムを含む鉛／リチウムの合金を使用できる。その合金は、約２８０℃の溶融点および約１１.６ｇ／ｃｍ3の密度を有する。別のリチウム濃度（例えば５％、１０％、２０％）も使用でき、一部の実現例ではリチウムは使用しない。一部の実施形態では、投射体１２の液体金属４６は実質的に同じ組成（例えば一部のパルス状のリサイクル実現例）を有する。別の実施形態では、投射体１２と液体金属４６は異なる組成を有することができる。一部の実現例では、投射体２１および／または液体金属４６を金属、合金またはそれらの組み合わせから製造できる。例えば投射体および／または液体金属は、鉄、ニッケル、コバルト、銅、アルミなどを含むことができ、一部の実施形態では、有効な中性子束が液体金属から脱出するのに十分に低い中性子吸収率を有するように、液体金属４６を選択できる。
【００４１】
プラズマトーラスインジェクタ３４の実施形態は、一般に同軸レールガンタイプの所定の公知の構造に類似していてもよい。例えばＪ.Ｈ.デグナン外による論文「コンパクトトロイド形成、圧縮および加速」（流体物理Ｂ、第５巻、第８号、２９３８〜２９５８ページ、１９９３年）；Ｒ.Ｅ.ピーターキンによる論文「コンパクトトロイドの高密度および高速度への直接電磁加速」（フィジカルレビューレターズ、第７４巻、第１６号、３１６５〜３１７０ページ、１９９５年）およびＪ.Ｈ.ハマー外による論文「磁気的に閉じ込められたプラズマリングの加速および合焦の実験的実証」（フィジカルレビューレターズ、第６１巻、第２５号、２８４３〜２８４６ページ、１９８８年１２月）に記載されている種々のプラズマトーラスインジェクタの実施形態を参照されたい。更に、Ｈ.Ｓ.マクリーン外の論文「受動的に切り換えられる繰り返しコンパクトトロイドプラズマ加速器の設計および作動」（核融合技術、第３３巻、２５２〜２７２ページ、１９９８年５月）に記載され、実験的にテストされたインジェクタ構造も参照されたい。本願では上記刊行物の各々全体を参考例として援用する。更に、プラズマトーラスインジェクタ３４の実施形態と共に米国公開特許出願第2006/0198483号および同第2006/0198486号（これら特許出願の各々の開示全体を本願で参考例として援用する）に記載されたプラズマ発生器の実施形態を使用できる。
【００４２】
プラズマインジェクタ３４によって発生されるトロイダルプラズマは、例えばスフェロマックのようなコンパクトトロイドとすることができ、このトロイドは、導電性プラズマ内で流れる電流によって生じる自己の磁界によって閉じ込められたトロイダルプラズマである。別の実施形態では、コンパクトトロイドを磁界反転構造（ＦＲＣ）のプラズマとすることができ、このプラズマは磁力線の中心にほとんどまたは全く侵入しない実質的に閉じた磁力線を有することができる。
【００４３】
かかる一部のプラズマトーラスインジェクタ構造は、トロイダルトポロジーの強力な内部磁界を有する高密度のプラズマを発生でき、この内部磁界は、圧縮およびリバウンドの時間に匹敵するか、それを超え得る時間の間、プラズマのコア内に帯電プラズマ粒子を閉じ込めるように働く。インジェクタの実施形態は、プラズマのかなりの予備加熱、例えば外部駆動電流によるオーミックまたは抵抗加熱を行い、プラズマが圧縮チャンバ２６内で抵抗し始めたときに、注入運動エネルギーの熱化から内部磁界および／または直接イオン加熱の部分崩壊を加熱するように構成できる。
【００４４】
図２に略図で示されるように、プラズマインジェクタ３４の一部の実施形態は、数個のシステムまたは領域、すなわちプラズマ形成システム６０と、プラズマ膨張領域６２と、プラズマ加速／合焦システム、すなわち加速器６４とを含むことができる。図２に示された実施形態では、プラズマ加速／合焦システム、すなわち加速器６４の境界は電極４８および５０によって定められている。電極４８、５０の一方または双方は、加速器６４の軸に沿ってプラズマが移動する際にプラズマの圧縮を行うように円錐形にするか、またはテーパを付けることができる。図示された実施形態では、形成システム６０は最大の径を有し、プラズマ形成システム６０の外壁と同軸状の別個の形成電極６８を含み、この電極は高電圧、高電流の放出により、注入されたガスをイオン化し、プラズマを形成するように附勢できる。プラズマ形成システム６０は、イオン化放電に先立ち、初期磁界を発生する１つ以上のソレノイドコイルの１組も有することができ、この磁界は、プラズマ形成中にプラズマ内に埋め込まれた状態となる。この初期磁界は、膨張領域６０内での膨張および弛緩中にプラズマプロセスによって成形された後に、閉じたトロイダル磁束表面の１組を発生でき、この磁束表面は、主に内部プラズマ電流によって維持される、強力な粒子およびエネルギーの閉じ込めを行うことができる。
【００４５】
この磁化されたプラズマトーラス３６が一旦形成されると、中心円錐加速電極４８からプラズマを横断し、外側電極５０に沿って戻るように加速電流を駆動できる。この結果生じるローレンツ力（Ｊ×Ｂ）が加速器６４の下方でプラズマを加速する。プラズマ加速器６４は、加速器の軸４０ａと実質的に共通直線上にある加速軸を有することができる。円錐形の収束電極４８、５０は、（例えば図１で略図で示されるような位置３６ｂ、３６ｃにおいて）より小さい半径までプラズマを圧縮することができる。一部の実施形態では、約２ｍの外径で、約５ｍの長さの適当なサイズのインジェクタ３４から、約４のラジアル圧縮率を得ることができる。この結果、注入されるプラズマの密度をインジェクタの膨張領域において、元の密度の約６４倍にすることができ、よって高い初期密度のスタートプラズマでインパクト圧縮プロセスを提供できる。別の実施形態では、圧縮率を例えば２、３、５、６、７、１０またはそれ以上としてもよい。一部の実施形態では、プラズマ加速器内の圧縮を使用せず、システム１０は主にプラズマに対する投射体の衝撃によってプラズマを圧縮する。図示されている実施形態では、プラズマトーラスの形成、磁化および加速は、パルス電力システム５２によって達成できる。パルス状電力システム５２は、コンデンサバンクを含むことができる。別の実施形態では、Ｊ.Ｈ.ハマー外による論文「磁気的に閉じ込められたプラズマリングの加速および合焦の実験的実証」（フィジカルレビューレターズ第６１巻、第２５号、２８４３〜２８４６ページ、１９８８年（この論文の全体を本願で参考例として援用する））に記載されているような標準的な方法で電力を加えることができる。
【００４６】
図１の横断面に示される実質的に円筒形の中心部分を有するように、液体金属循環容器１８の実施形態を構成でき、この円筒形部分は、一端部においてテーパ付き開口部２４（円錐形ノズル）を通ってメインチャンバに進入し、パイプ２０またはかかるパイプの一組を通って反対の端部から出る軸方向に沿って、液体の純流れをサポートしている。図１には、液体金属４６を投射体モールド３２に向けるためのオプションの再循環パイプ３０も示されている。オプションとして再循環パイプ３０を容器１８の別の領域からの別個のパイプとすることもできる。種々の実施形態では、液体金属４６の流れ速度は、数ｍ／ｓから数十ｍ／ｓまでの範囲とすることができ、一部の実現例では、実質的にシステム１０全体にわたって実質的に層状の流れを維持することが好ましい。層流を促進するために容器１８内にハニカム要素を内蔵させてもよい。圧縮領域において流れを所望する形状に向けるために、指向性翼または水中翼構造体を使用してもよい。投射体の形状の所定の円錐角に対し、衝撃水力特性を改善するために収束流れの円錐角を選択できる。投射体の衝撃およびプラズマ圧縮事象から生じる出力圧力波に耐えることができるよう十分な強度および厚さの材料から、再循環容器１８を製造できる。オプションとして、熱交換システムに損傷を与える得る圧力波を減衰するのに、容器１８の出口近くまたは他の適当な位置に設けられた特殊な流れ要素を使用してもよい。始動のため、またはメンテナンスサイクル後に液体金属の温度を溶融点よりも高くするため、オプションとしてヒーター（図示せず）を使用してもよい。所定の実施形態では、米国公開特許出願第2006/0198483号および同第2006/0198486号（これら特許出願の各々が開示したすべてに対して、全体を本願で参考例として援用する）に開示されている液体金属流れのためのシステムおよび方法を、本システム１０と共に使用できる。
【００４７】
投射体が加速され、衝撃を与える間、装置の構造に対して加えられるようなリコイル力を生じさせるような大きなモーメント変換が生じ得る。一部の実現例では再循環容器１８内のバルク流体の質量は十分（例えば投射体の質量の約１０００倍以上）となり得るので、容器１８の変位量は約１ｃｍの大きさとなり得るよう、衝撃からのリコイル力は堅いショックアブゾーバの一組に容器１８を取り付けることによって処理できる。加速器４０は投射体を加速するように働くときに、リコイル反作用も受ける。一部の実施形態では、加速器４０は投射体１２の数百倍の質量とすることができ、それに対応し、加速器４０は、容器１８よりも高いリコイル加速度および全変位振幅を受ける傾向がある。これら相対的有限運動により、図示された実施形態における３つのシステム構成部品（例えば加速器４０、プラズマインジェクタ３４および再循環容器１８）を、例えばベローズのような実質的に可撓性の接続部によって接合し、所望する真空および流体のシールを有利に維持できる。一部のシステム１０がフル作動する間、駆動力は数ヘルツの周波数（例えば約１Ｈｚ〜約５Ｈｚの範囲内）でほぼ周期的とすることができる。従って、駆動周波数と大幅に異なる共振周波数を有するように、機械的振動システム（例えば質量＋ショックアブゾーバスプリング）を構成し、強力な減衰が生じるようにすることが好ましい。
【００４８】
一部の実施形態では、最大圧縮ポイント２２を囲む液体金属４６の容積は、吸収材の元素（例えばリチウム）による放射線の十分な吸収を行い、よって、あった場合でもシステム１０の固体金属構造での放射線の変換がほとんどないように、再循環容器１８のサイズを選択できる。例えば一部の実施形態では、約１７％のＬｉの原子濃度の鉛／リチウム混合物に対する約１.５メートルの液体金属の厚さは、固体支持構造体に対して少なくとも約１０4倍だけ放射線フラックスを低減できる。
【００４９】
図３は、液体金属４６を含む流体に対する投射体１２の衝撃中の可能な圧縮幾何学的形状の時間シーケンスを略図で示す横断面図（Ａ−Ｉ）を示す。これら図は、衝撃事象中の流体および投射体材料の密度を示す。これら図は崩壊の近似的ダイナミクスを略図で示すよう、プラズマ容積３６を手で追加した、固定メッシュでの非粘性有限容積方法を使ったシミュレーションに基づくものである。この例では、図Ａに示された時間に先立ち、加速器４０は投射体１２を打ち出し、投射体はマズルの端部近くのセンサを通過し、次にセンサはプラズマインジェクタのプラズマシーケンスをトリガーする。本例におけるプラズマトーラスは、投射体１２と一部が液体金属４６の流れによって形成された圧縮チャンバ２６の円錐表面２７との間の、定常的に閉じた容積内に注入できる。投射体１２が圧縮注入２６に衝撃を与えるとき、本例におけるプラズマトーラス３６は、液体金属流により形成された円錐圧縮チャンバ２６内でより小さい径に実質的に均一に圧縮される。密度（または圧力もしくは温度）が２倍以上、４倍以上、１０倍以上、１００倍以上、または他のある倍率で増加できるようにプラズマを圧縮できる。
【００５０】
投射体１２の先端が（図Ａに示されるような）液体金属の表面２７に衝撃を与えると、閉じた容積内でプラズマ３６がシールされた状態となる。投射体のエッジが（図Ｂ、ＣおよびＤに示されるように）液体金属内に進入し始めると、圧縮レートが増加する。液体金属内で音速または音速を超えるような投射体の衝撃速度に対して、この衝撃は、投射体と共に移動するような弓状の衝撃波を発生し得る。
【００５１】
投射体１２の前方表面は、圧縮量を増加するための成形部分を含むことができる。例えば図３に示されたシミュレーションでは、投射体１２は、円錐形に凹状の前方部分（例えば図４Ａ参照）を含む。一部の実施形態では、所定の衝撃速度に対し、弓状の衝撃波の角度と実質的に同じになるように投射体の角度を選択できる。かかる一部の実施形態では、このような円錐角の選択は、投射体１２の表面の前方で生じ得る、弓状衝撃波の交差中の初期ではなく、投射体２１のスローダウン時間中に圧縮が生じるように行うことができる。
【００５２】
投射体１２が衝撃からの抵抗をまず受けると、投射体を通して後方に圧縮波７０を打ち上げ、投射体のバルク圧縮を生じさせる一方、同時に正常な衝撃力が投射体の開口部をフレア状にする傾向があり、変形プロセスを開始させる。投射体の外側エッジでは、液体内で起こり得る後流乱流７２が形成し得る。投射体が液体金属の音速よりも低下する（例えば図Ｅ）と、液体流内にも前方に圧縮波７０が発射され得る。圧縮波が圧縮チャンバ２６を超えて通過した後に、プラズマのピーク圧縮が生じ得る（例えば図Ｆ）。後方に進む圧縮波が投射体の背面に到達すると、圧縮波は反射し、投射体と通って前方に伝搬する逆圧縮波７４を発生する。逆圧縮波がプラズマを含むキャビティに到達した後に、内側壁の表面の崩壊が始まり、空間内で減速し、ピークプラズマ圧力、温度および磁界強度にてスタグネートし、次に再膨張を開始し、プラズマ内の純増加圧力によって駆動される。
【００５３】
図示された非限定的例として、４５０ＭＪの運動エネルギーを有し、３ｋｍ／ｓの衝撃速度で進む１００ｋｇの投射体のケースでは、約２００ミリ秒のエネルギー変換時間が生じ、その結果、平均パワーは、２×１０12ワットとなる。ピーク圧縮時間は約１／２エネルギー変換時間となるので、所定の時間にプラズマを圧縮するように進むエネルギーの約１／３の、エネルギーの回転角方向の流体への発散が生じ得る。例えばこの図示されたシミュレーションでは、プラズマを圧縮するように進む全エネルギーのうちの最大約１／６が存在し得る。従って、この図示されたシミュレーションでは、プラズマを圧縮するのに約７５ＭＪの仕事がなされることになる。投射体が液体金属流れ内に完全に沈んだ状態になった後に、投射体は分解ライン７６を発生し、より小さいフラグメントに分解し始め、これらフラグメントは数秒以下のスパンにわたって流れ内に再溶融する。
【００５４】
図３に示されたシミュレーションにおける投射体１２は、円錐凹状表面を含む。別の圧縮特性を示すような他の投射体形状も可能である。図４Ａ〜４Ｆにはそれぞれ投射体形状の他の例１２ａ〜１２ｆが略図で示されている。これら投射体１２ａ〜１２ｆは、それぞれ表面１３ａ〜１３ｆを有し、この表面は、圧縮チャンバ２６内に液体金属を閉じ込めている。一部の実施形態では、この表面は、実質的に円錐形でよく、表面の一部を凹状または凸状とすることができる。他の表面形状、例えば球面の一部または他の円錐部分などを使用することもできる。円錐表面を含む一部の実施形態では、種々の凹状表面形状を形成するように調節できる１つの可能なパラメータとして、図４Ａおよび４Ｂにおいて角度Φとして示された円錐角がある。この円錐角は、投射体が液体金属のライナーに衝突する際のショックおよび流れのダイナミクスを改善するように選択できる。この円錐形Φは投射体１２ｆの場合よりも投射体１２ａの場合のほうが大きい。この円錐角Φは、約２０°、約３０°、約４０°、約４５°、約５０°、約６０°または他の角度とすることができる。種々の実施形態では、円錐角Φを約２０°〜約８０°の範囲内、約３０°〜約６０°の範囲内などとすることができる。
【００５５】
一部の実施形態では、投射体１２ｃは、プラズマインジェクタ３４の中心電極を連続させるように働くことができる細長い部材１５（例えば中心スパイク；図４Ｃ参照）を含む。システム１０の一部の実現例では、かかる細長い部材１５は、プラズマトーラスがプラズマインジェクタ３４から来たときの磁化されたプラズマトーラスのフリッピングを阻止できる。かかる一部の実現例では、スパイク１５の前方端部が圧縮チャンバ２６内の液体金属４６に接触する際にプラズマを有利に注入でき、圧縮中に実質的にトロイダルトポロジーにプラズマ容積を維持できる。好ましいことに、かかる実現例は、球状崩壊トポロジーよりも良好な磁気閉じ込めを可能にし得るが、プラズマに直接露出させる金属の表面積がより広くなり、このことは、あるケースでは不純物のレベルを高め、ピークのプラズマ温度を下げる可能性がある。
【００５６】
一部の投射体の構造では、適当な形状の凸状投射体１２ｄ（例えば図４Ｄ参照）を使用することによって、流体のショック効果によりプラズマ圧縮があまり影響されないようにすることも可能であり、このような凸状の投射体は、投射体が液体金属表面に交差する前の全崩壊時間のうちのかなりの部分の間、プラズマを圧縮することができる。プラズマの不純物を低減または緩和するために、投射体１２ｅの表面１３ｅは、第２材料、例えばリチウムまたは重水素化リチウムから形成されるコーティング１９を含むことができる（例えば図４ｅ参照）。投射体の他の部分は１つ以上のコーティングを含むことができる。このような材料は、一般に不純物を導入しにくく、これら不純物はプラズマのエッジ内にスイープされた場合に、例えば望ましくないプラズマの冷却を生じさせ得る。一部の実施形態では、多数のコーティングを使用できる。一部の構造では、投射体は装填システムの機械的機能に適合するよう、その表面のまわりに溝および／または凹部のような特徴部または流体式加速ガンのためのシールのような主要部を有することができる。図４Ｆに略図で示されている投射体１３ｆは、バックエッジの円周まわりに溝１７を有し、例えば投射体の初期キャスティング中に再使用可能なシールフランジをこの溝に嵌合することができる。投射体１２ｆを加速するために流体式ガンを使用する一部の実施形態では、シールフランジの後方の鉛リングが従来のガスガンにおけるバーストダイヤグラムの動作に多少類似する剪断を生じ、よって投射体を自由に加速できるような十分高い圧力にプッシャーガスが到達すると、投射体１２ｆの発射が生じ得る。
【００５７】
図６は、プラズマに対する投射体の衝撃を利用して液体金属チャンバ内でプラズマを圧縮する方法の一実施形態１００を略図で示すフローチャートである。ブロック１０４において、液体金属圧縮チャンバに向けて投射体１２を加速する。加速器、例えば加速器４０を使って投射体を加速できる。例えばこの加速器は軽量ガスガンまたは電磁加速器とすることができる。圧縮チャンバは液体金属で形成できる。一部の実現例では、図１を参照して本願で説明したように、液体金属の流れによって圧縮チャンバの少なくとも一部を形成する。ブロック１０８において、液体金属チャンバに向けて磁化されたプラズマを加速する。例えば磁化されたプラズマは、コンパクトなトーラス（例えば、スフェロマックまたはＦＲＣ）を含むことができる。一部の実施形態では、プラズマトーラス加速器３４を使用して、磁化されたプラズマを加速できる。かかる一部の実施形態では、磁化されたプラズマを発生し、投射体が圧縮チャンバに向かう加速を開始した後に、プラズマを加速する。その理由は、磁化されたプラズマの速度を投射体の速度よりもかなり速くすることができるからである。ブロック１１２において、（プラズマが圧縮チャンバ内にあるときの）液体金属に対する投射体の衝撃は、圧縮チャンバ内の磁化されたプラズマを圧縮する。圧縮中にこのプラズマを加熱することができる。投射体は、分解し、液体金属内に溶融し得る。オプションのブロック１１６において、１つ以上の新しい投射体を形成するように、液体金属の一部をリサイクルし、使用する。例えば図１を参照して説明した液体金属再循環システムおよび投射体ファクトリー３７をこのリサイクルに使用できる。プラズマ圧縮のためのパルスシステムを提供するために、ブロック１０４において新しい投射体を使用できる。
【００５８】
上記システムおよび方法の実施形態は、例えば天体物理現象または核兵器の試験室での研究に関連する応用例を含む、高エネルギー密度のプラズマの研究における応用例に適している。上記システムおよび方法の所定の実施形態は、核融合反応および有効な中性子の発生が生じ得る核分裂材料を十分に含むプラズマを圧縮するのに使用できる。プラズマを形成するのに使用されるガスは、核分裂可能な材料を含むことができる。核分裂可能な材料は、軽い元素、例えば水素の同位体（例えばジューテリウムおよび／またはトリチウム）、ヘリウムの同位体（例えばヘリウム−３）および／またはリチウムの同位体（例えばリチウム−６および／またはリチウム−７）を含むことができる。他の核分裂可能な材料も使用でき、元素と同位体の組み合わせも使用できる。従って、システム１０の所定の実施形態は、パルス動作の高速中性子発生器または中性子源として働くように構成できる。システム１０の実施形態によって発生される中性子は、研究および工業用分野でも広い範囲の用途を有する。例えばシステム１０の実施形態は、核廃棄物の再処理および医療用核種の発生のために使用できる。更に、中性子源として構成されたシステム１０の実施形態は、高束の中性子の暴露に対する（外部サンプルとしての）材料の応答を検査するか、または材料サンプルを圧縮領域内に挿入し、サンプルに極端に高い圧力を加えることにより、材料研究にも使用でき、この場合、中性子束は高圧のままで材料を変換するための手段として使用したり、または診断手段として使用したりすることができる。中性子源として構成されたシステム１０の実施形態は、中性子ラジオグラフィおよびトモグラフィにより物体の内部構造のリモート撮像にも使用でき、高光度での中性子の高速パルス（例えば数ミリ秒）を必要とする用途にも有利である。
【００５９】
大規模工業用用途では、同じ設備に設けられた数個のプラズマ圧縮システムを作動させることが経済的となり得る。この場合、２つ以上のシステムからの液体金属をリサイクルし、各加速器のブリーチにて装填機構へ仕上がった投射体を分配するような単一の共用された投射体キャスティング設備を設けることによって、ある節約が生じ得る。かかる一部の実施形態は、１つの加速器における発射ミスが設備のサイクル全体を停止させることはないという点で有利となり得る。その理由は、残りの圧縮デバイスが作動し続けることができるからである。
【００６０】
追加的実施形態および例
本願に記載したシステムおよび方法は、広い範囲の態様で実施できる。例えば一実施形態では、プラズマを圧縮するための方法が提供される。この方法は、（ａ）容器を通して液体を循環させ、キャビティを形成するように液体金属をノズルに通過させるように向けるステップと、（ｂ）磁化されたプラズマトーラスを発生させ、そのプラズマトーラスを液体金属キャビティ内に注入するステップと、（ｃ）液体金属と実質的に同じ組成を有する投射体をキャビティに向けて加速し、投射体が磁化されたプラズマトーラスに衝撃を与え、よってプラズマを加熱し、圧縮し、投射体が分解し、液体金属内に溶融するようにさせるステップとを含む。この方法は更に、（ｄ）液体金属の一部を投射体形成装置に向けるステップも含むことができ、ここで新しい投射体はステップ（ｃ）で使用されるように形成される。この方法も１つ以上のステップを繰り返し実行できる。例えば一部の実施形態では、約０.１Ｈｚ〜約１０Ｈｚの範囲のレートでステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返す。
【００６１】
本方法の一部の実施形態では、キャビティの形状をほぼ円錐形にできる。一部の実施形態では、液体金属は鉛−リチウム合金を含む。一部の実施形態では、液体金属は約１７％の原子濃度のリチウムを有する鉛−リチウム合金を含む。一部の実施形態では、液体金属は約５％〜２０％の範囲内の原子濃度のリチウムを有する鉛−リチウム合金を含む。一部の実施形態では、液体金属の温度を低下させるための熱交換器を通して、液体金属を循環させることができる。
【００６２】
本方法の一部の実施形態では、プラズマは核分裂可能な材料を含む。一部の実施形態では、核分裂可能な材料はジューテリウムおよび／またはトリチウムを含む。一部の実施形態では、約５％のデューテリウムと約５０％のトリチウムの混合物としてジューテリウムおよびトリチウムが提供される。この方法の一部の実施形態では、プラズマを圧縮する結果、プラズマが加熱され、および／または中性子および／または他の放射線が発生する。
【００６３】
プラズマ圧縮システムの一実施形態が提供される。このシステムは、閉じ込め容器と、液体金属をノズルに通過させ、容器内にキャビティを形成するための循環ポンプとを含む液体金属再循環サブシステムを備える。このシステムは、磁化されたプラズマトーラスを繰り返し形成し、このプラズマトーラスを金属キャビティ内に注入するためのプラズマ形成およびインジェクションデバイスも含む。このシステムは、液体金属と実質的に同じ組成を有する投射体を繰り返しキャビティに向けるためのリニア加速器も含む。このシステムは、投射体形状のモールドを含む投射体形成サブシステムを含み、このサブシステムでは新しい投射体が形成され、リニア加速器へ向けられる。ここでモールドは、閉じ込め容器から再循環される溶融状態の投射体を含む液体金属を少なくとも周期的に受けるように接続されている。
【００６４】
プラズマ圧縮デバイスの一実施形態が提供される。このデバイスは、マズル内に少なくとも部分的な真空を形成するための真空ポンプに結合されたマズル内に高速で投射体を発射するためのリニア加速器を含む。このシステムは、電流を提供するよう電源回路に結合された同軸状のテーパ付き電極を有する円錐形合焦プラズマインジェクタも含む。これら電極は、合焦領域までテーパの付いた円錐体を形成できる。このシステムは、磁化されたコンパクトなトーラス（例えばスフェロマック）を発生するための材料を注入するための磁化された同軸状プラズマガンも含み、内側電極に導電接触した状態で円錐体内部にガンノズルの開端部を座着できる。このシステムは、加速器のテーパ付き円錐体を受けるようになっている開口部およびベース領域を有すると共に、液体金属を含むようになっている再循環容器と、ベースから円錐形開口部に流体をポンピングするための再循環ポンプを有し、ベースと円錐形開口領域との間に接続された熱交換器も含む。外側電極表面は、加圧された金属流体に対する収束流れ経路をガイドし、テーパ付き流体壁内に合焦領域を形成するよう円錐形開口部内に加速器のテーパ付き電極が座着されており、テーパ付き流体壁は磁化されたスフェロマックのコンパクトなトーラスを閉じ込め、更に合焦し、このコンパクトなトーラスは、容器の内側キャビティ内の最大圧縮ゾーンへ圧縮されるようになっている。再循環容器が液体金属によって満たされ、核分裂可能な材料が注入されると、投射体は、テーパ付き液体壁の近くを進む際に、磁化されたプラズマリングを遮るように、ガンによって投射体が発射され、投射体は流体内のプラズマを高圧力に圧縮し、よってプラズマに運動エネルギーを与え、イオン温度を高める。
【００６５】
プラズマ圧縮システムの一実施形態は、固体金属または液体金属製のキャビティ内の磁化されたプラズマ（例えばプラズマトーラス）に向けて投射体を発射するための加速器を含む。このシステムは、磁化されたプラズマを発生し、磁化されたプラズマをキャビティ内にインジェクトするためのプラズマインジェクタも含むことができる。液体金属製のキャビティを含む実施形態では、このシステムは液体金属を含むように構成され、液体金属の流れによりキャビティを形成するようなテーパの付いたノズルを有する容器を含んでもよい。キャビティ内には磁化されたプラズマがインジェクトされ、加速器によって発射された投射体がプラズマと交差し、キャビティの表面に対してプラズマを圧縮し、磁化されたプラズマを圧縮するような高圧衝撃事象を生じさせる。プラズマ圧縮は、プラズマの加熱を引き起こす。キャビティと投射体との衝突により、投射体は分解され得る。液体金属キャビティを含む実施形態では、投射体は液体金属に溶融し得る。かかる一部の実施形態では、液体金属の一部は、新しい投射体をキャストするように広がり、この新しい投射体を使って液体金属の実質的に閉じた材料管理により繰り返し発射サイクルを維持できる。
【００６６】
本開示の特定の要素、実施形態、応用例について図示し、説明したが、当業者がこれまでの表示内容を検討すれば、本開示の範囲から逸脱することなく、変形を行うことができるので、この開示範囲はこれだけに限定されるものではないことが理解できよう。従って、例えば本願に開示した方法およびプロセスでは、この方法／プロセスを構成する動作または作動を任意のシーケンスで実行することもでき、必ずしもこれまで開示した特定のシーケンスに限定されない。種々の実施形態では、要素およびコンポーネントを異なるように構成または配置したり、組み合わせたり、および／または省略したりすることもできる。これまで説明した種々の特徴事項およびプロセスは、互いに別々に使用してもよいし、または種々の態様で組み合わせてもよい。これら可能なすべての組み合わせおよびサブ組み合わせは、本開示の範囲内に入るものである。本開示全体にわたる「一部の実施形態」、「一実施形態」または同様な記載は、実施形態に関連して説明した特定の特徴事項、構造、ステップ、プロセスまたは特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本開示全体にわたる「一部の実施形態における」、「一実施形態における」または同様のフレーズの記載は、必ずしもすべてが同じ実施形態を示すものではなく、同一または異なる実施形態のうちの１つ以上を意味し得る。本願に記載した新規な方法およびシステムは、他の種々の形態でも実施でき、更に本願に記載した発明の要旨か逸脱することなく、本願に記載した実施形態における種々の省略、追加、置換、均等、再配置および変更を行うことができる。
【００６７】
適当な場合にこれら実施形態の種々の特徴および利点について説明した。特定の実施形態によれば、かかる特徴または利点の必ずしもすべてが達成されるわけではないと理解すべきである。従って、例えば本願に教示または示唆し得るような他の特徴または利点を必ずしも達成することなく、本願に教示した１つの利点または複数の利点のグループを達成または最適にする態様で、種々の実施形態を実施できると認識すべきである。
【００６８】
特に「できる」、「してよい」、「例えば」のような本願で使用する条件用語は、特に反対のことを述べない限り、または使用する文脈の範囲内で反対に理解されない限り、所定の実施形態は他の実施形態が含まない所定の特徴、要素および／またはステップを含むことを伝えるものである。従って、かかる条件用語は、特徴、要素および／またはステップが１つ以上の実施形態に対して必要とされる態様となっていること、または任意の特定の実施形態においてこれら特徴、要素および／またはステップが含まれるかまたは実行すべきかを、オペレータの入力または促しにより、またはこれらを必要とすることなく決定するためのロジックを、１つ以上の実施形態が必ず含むことを一般に意味するものではない。任意の特定の実施形態に対して１つの特徴または複数の特徴のグループが必要とされる訳ではないし、または不可欠であるわけではない。「含む」、「備える」、「有する」および同様な用語は、同義的であり、専らオープンエンドに使用され、別の要素、特徴、行為、動作などを排除しない。更に「または」なる用語は、例えば要素のリストをコネクトするために使用したときに、この「または」なる用語はリスト内の複数の要素のうちの１つ、一部またはすべてを意味するように包括的に（かつ排他的でないように）使用するものである。
【００６９】
本願に記載する実施形態の計算、シミュレーション、結果、グラフ、値およびパラメータの例は、開示した実施形態を説明するものであり、これら実施形態を限定するものではない。本願に記載した説明のための例と異なるように、他の実施形態を構成し、および／または作動させることもできる。
【００７０】
従って、以上で所定の実施形態の例について説明したが、これら実施形態は、単なる例として示したものであり、本願に開示した発明の範囲を限定するものではない。従って、これまでの説明のいずれも、特定の特徴、要素、コンポーネント、特性、ステップ、モジュールまたはブロックが必要または付加的であることを意味しない。本願に記載した新規な方法およびシステムは、他の種々の形態で実施できる。更に、本願に開示した発明の要旨から逸脱することなく、本願に記載した方法およびシステムの形態における種々の省略、置換および変更を行うこともできる。添付した特許請求の範囲およびその均等物は、本願に開示した発明の所定のものの範囲および要旨に入る、かかる形態または変形例をカバーするものである。
【図１】
2013501314.tif 000003
【図２】
2013501314.tif 000004
【図４Ａ】
2013501314.tif 000005
【図４Ｂ】
2013501314.tif 000006
【図４Ｃ】
2013501314.tif 000007
【図４Ｄ】
2013501314.tif 000008
【図４Ｅ】
2013501314.tif 000009
【図４Ｆ】
2013501314.tif 000010
【図５】
2013501314.tif 000011
【図６】
2013501314.tif 000012
【図３】
2013501314.tif 000013
【国際調査報告】
2013501314.tif 000014
2013501314.tif 000015
2013501314.tif 000016