(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気反転トポリジーを有する磁場における制御された融合、および融合産物エネルギーの電力への直接変換を容易にするシステムおよび方法を提供する。【解決手段】この方式の磁場によるプラズマ電力発生（ＰＥＧ）システムは、好ましくは、電力コア４３６を有する核融合反応器を備え、この核融合反応器は閉じ込めシステムを有し、この閉じ込めシステムは、イオンおよび電子の異常輸送を実質的に減少または排除する傾向がある。ＰＥＧシステムは、エネルギー変換システムとしての反転サイクロトロン変換器４２０に連結されている。このエネルギー変換システムは、アニュラービーム４３７の形態で開放磁力線４８０に沿って電力コア４３６から発生する融合産物のエネルギーイオンを高効率で電気に直接的に変換する反応器を形成している。【選択図】図１９Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本願明細書に記載されている融合生成物エネルギーを電気エネルギーに変換する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、該して、プラズマ物理学の分野、より詳細には、核融合を可能にするプラズマを閉じ込めるためおよび融合産物からのエネルギーを電気に変換するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
融合は、２つの軽い核が合わさってより重い核を形成するプロセスである。融合プロセスは、高速移動粒子の形態で膨大な量のエネルギーを放出する。原子核は正に荷電しているので（その中に含まれる陽子に起因して）、それらの間に反発する静電気力、すなわちクーロン力が存在する。２つの核が融合するためには、この反発性の障壁に打ち勝たなければならず、この障壁は、短い範囲の核力がクーロン力に打ち勝ちそして核を融合するのに十分に強くなるくらい、２つの核が十分に近接する場合に生じる。核がクーロン障壁に打ち勝つために必要とされるエネルギーは、それらの熱エネルギーにより提供され、これは、非常に高くなければならない。例えば、融合速度は、温度が少なくとも１０４ｅＶのオーダーである場合（およそ華氏１億度に対応する）、認識可能であり得る。融合反応の速度は、温度の関数であり、そしてそれは、反応性と呼ばれる量により特徴付けられる。Ｄ−Ｔ反応の反応性は、例えば、３０ｋｅＶと１００ｋｅＶとの間の広いピークを有する。
【０００３】
代表的な融合反応として、以下が挙げられる：
Ｄ＋Ｄ→Ｈｅ３（０．８ＭｅＶ）＋ｎ（２．５ＭｅＶ）、
Ｄ＋Ｔ→α（３．６ＭｅＶ）＋ｎ（１４．１ＭｅＶ）、
Ｄ＋Ｈｅ３→α（３．７ＭｅＶ）＋ｐ（１４．７ＭｅＶ）、および
ｐ＋Ｂ１１→３α（８．７ＭｅＶ）。
ここで、Ｄは、重水素を示し、Ｔはトリチウムを示し、αはヘリウム核を示し、ｎは中性子を示し、ｐは陽子を示し、Ｈｅはヘリウムを示し、そしてＢ１１はホウ素−１１を示す。各等式における括弧内の数字は、融合産物の運動エネルギーを示す。
【０００４】
上に列挙される最初の２つの反応（Ｄ−Ｄ反応およびＤ−Ｔ反応）は、中性子性である。中性子性とは、それらの融合産物のエネルギーのほとんどが高速中性子により輸送されることを意味する。中性子性反応の欠点は、（１）高速中性子のフラックスが多くの問題（反応器の壁の構造的な損傷およびほとんどの建設材料に対する高レベルの放射活性が挙げられる）を生じること；および（２）高速中性子のエネルギーは、それらの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより回収されるが、これは非常に非効率的（３０％未満）であること。中性子性反応の利点は、（１）それらの反応性が比較的低温でピークに達すること；および（２）重水素およびトリチウムの原子数は１であるので、放射に起因するそれらの損失が比較的少ないこと。
【０００５】
他の２つの等式（Ｄ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１）における反応物は、次世代燃料（ａｄｖａｎｃｅｄ  ｆｕｅｌ）と呼ばれる。中性子性反応におけるように高速中性子を生成する代わりに、それらの融合産物は、荷電した粒子である。次世代燃料の１つの利点は、それらがほとんど中性子を生成せず、それによってそれらに関連する欠点に悩まされないことである。Ｄ−Ｈｅ３の場合、ある程度の高速中性子が二次的な反応により生成されるが、これらの中性子は、融合産物のエネルギーの約１０％を占めるのみである。ｐ−Ｂ１１反応は、高速中性子を含まないが、二次的な反応の結果としてある程度の低速中性子を生
成するが、ほとんど問題を生じない。次世代燃料の別の利点は、それらの融合産物が、荷電粒子を含むことであり、それらの運動エネルギーは、電気に直接的に変換可能であり得る。適切な直接エネルギー変換プロセスにより、次世代燃料融合産物のエネルギーは、おそらく９０％を超える高効率で回収され得る。
【０００６】
次世代燃料は、欠点も有する。例えば、次世代燃料の原子数は高い（Ｈｅ３は２、Ｂ１１は５）。従って、それらの放射損失は、中性子性反応における損失よりも大きい。また、次世代燃料を融合することは、ずっと困難である。それらのピーク反応性は、ずっと高い温度で生じ、そしてＤ−Ｔについての反応性と同じくらい高い反応性に達しない。従って、次世代燃料を用いて融合反応を引き起こすことは、それらがより高いエネルギー状態（それらの反応性が顕著な状態）に置かれることを必要とする。従って、次世代燃料は、より長い期間（それらが適切な融合条件に移行され得る期間）、収容されなければならない。
【０００７】
プラズマの収容時間は、Δｔ＝γ２／Ｄである。ここで、γは最小プラズマ寸法であり、Ｄは拡散係数である。拡散係数の古典的な値は、Ｄｃ＝αｉ２／τｉｅである。ここで、αｉは、イオンジャイロ半径であり、τｉｅは、イオン−電子衝突時間である。古典的な拡散係数に従う拡散は、古典的輸送と呼ばれる。短波長の不安定性に起因するＢｏｈｍ拡散係数は、ＤＢ＝（１／１６）αｉ２Ωｉである。ここで、Ωｉはイオンジャイロ周波数である。この関係に従う拡散は、異常輸送と呼ばれる。融合条件
【０００８】
【数１】
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について、異常輸送は、古典的輸送よりもずっと短い収容時間を生じる。この関係は、所定量のプラズマの収容時間が、プラズマが核融合反応を有する時間よりも長くなければならないという要求により、融合反応器の中でプラズマがどのくらい大きくならなければならないかを決定する。従って、古典的な輸送条件が、融合反応器においてより望ましく、より小さな初期プラズマを可能にする。
【０００９】
プラズマのトロイダル閉じ込め（ｔｒｏｉｄａｌ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を用いた初期の実験において、収容時間
【００１０】
【数２】
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を観察した。最近４０年の進歩により、収容時間は、
【００１１】
【数３】
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まで増大した。１つの既存の融合反応器のコンセプトは、Ｔｏｋａｍａｋである。Ｔｏｋａｍａｋ６８の磁場および代表的な粒子軌道６６を図５に示す。過去３０年間、融合の努力は、Ｄ−Ｔ燃料を用いるＴｏｋａｍａｋ反応器に集中していた。これらの努力は、図７に示されるＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｒｅａｃｔｏｒ（ＩＴＥＲ）において極まっている。Ｔｏｋａｍａｋを用いた近年の実験は、古典的輸送
【００１２】
【数４】
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が、可能であり、その場合、最小プラズマ寸法がメートルからセンチメートルに減少され得ることを示唆する。これらの実験は、１０〜３０ｋｅＶの温度までプラズマを加熱するためのエネルギービーム（５０〜１００ｋｅＶ）の注入に関する。Ｗ．Ｈｅｉｄｂｒｉｎｋ  ＆  Ｇ．Ｊ．Ｓａｄｌｅｒ，３４  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｓｉｏｎ  ５３５（１９９４）を参照のこと。これらの実験におけるエネルギー性ビームイオンは、減速しそして古典的に拡散するが、熱的プラズマは、異常に高速に拡散し続けることを観察した。この理由は、エネルギー性ビームイオンが大きなジャイロ半径を有し、そしてそれ自体、イオンジャイロ半径より短い波長（λ＜αｉ）の波動に非感受性であることである。短波長の波動は、周期にわたって平均化し、したがって打ち消す（ｃａｎｃｅｌ）傾向がある。しかし、電子は、ずっと小さいジャイロ半径を有するので、それらは、この波動に応答し、そして異常に輸送する。
【００１３】
異常輸送が原因で、プラズマの最小寸法は、少なくとも２．８メートルでなければならない。この寸法に起因して、高さ３０メートルおよび直径３０メートルのＩＴＥＲを生成した。これは、実現可能な最も小さいＤ−Ｔ  Ｔｏｋａｍａｋ型反応器である。次世代燃料（例えば、Ｄ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１）について、Ｔｏｋａｍａｋ型反応器は、ずっと大きい必要がある。なぜならば、燃料イオンが核反応を有する時間がずっと長いからである。Ｄ−Ｔ燃料を用いたＴｏｋａｍａｋ反応器は、融合産物エネルギーのほとんどのエネルギーが１４ＭｅＶ中性子により輸送され、これにより放射の損傷が生じ、そして中性子フラックスに起因してほとんど全ての建築材料において反応性が誘導されるというさらなる問題を有する。さらに、それらのエネルギーの電気への変換は、熱的プロセスによらなければならず、これは、３０％より高い効率ではない。
【００１４】
別の提案される反応器の構成は、衝突ビーム反応器である。衝突ビーム反応器において、バックグラウンドのプラズマは、イオンのビームにより衝突される。このビームは、熱的プラズマよりもずっと大きいエネルギーを有するイオンを含む。この型の反応器における有用な融合反応を生成することは、実現不可能であった。なぜならば、バックグラウンドのプラズマは、イオンビームを減速させるからである。この問題を低減し、そして核反応の数を最大にするための種々の提案がなされている。
【００１５】
例えば、Ｊａｓｓｂｙらに対する米国特許第４，０６５，３５１号は、トロイダル閉じ込めシステムにおいて重陽子および三重子の逆流（ｃｏｕｎｔｅｒｓｔｒｅａｍｉｎｇ）衝突ビームを生成する方法を開示している。Ｊａｓｓｂｙらに対する米国特許第４，０５７，４６２号において、電磁気エネルギーは、イオン種の１つに対するバルク平衡プラズマドラッグ（ｂｕｌｋ  ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｐｌａｓｍａ  ｄｒａｇ）の効果を相殺するために注入される。トロイダル閉じ込めシステムは、Ｔｏｋａｍａｋとして認識される。Ｒｏｓｔｏｋｅｒに対する米国特許第４，８９４，１９９号において、重水素およびトリチウムのビームが注入され、そしてＴｏｋａｍａｋ、ミラー、磁場反転配位において同一の平均速度で捕捉される。ビームを捕捉する目的のみのための、低密度低温バックグラウンドプラズマが存在する。このビームは、それらが高い温度を有するので反応し、そして減速は、主に、注入されたイオンに付随する電子により引き起こされる。電子は、イオンにより加熱され、この場合、減速は最小である。
【００１６】
しかしながら、これらのデバイスにおいて、平衡電場は、全く役割を果たさない。さらに、異常輸送を低減するかまたはそれを考慮する試みさえも、なされていない。
【００１７】
他の特許は、イオンの静電気的閉じ込め、およびいくつかの場合において、電子の磁気
的閉じ込めを考慮している。これらとしては、以下が挙げられる：Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈに対する米国特許第３，２５８，４０２号およびＦａｒｎｓｗｏｒｔｈに対する米国特許第３，３８６，８８３号（これらは、イオンの静電気的閉じ込めおよび電子の慣性閉じ込めを開示している）；Ｈｉｒｓｃｈらに対する米国特許第３，５３０，０３６号およびＨｉｒｓｃｈらに対する米国特許第３，５３０，４９７号（Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈと同様である）；Ｌｉｍｐａｅｃｈｅｒに対する米国特許第４，２３３，５３７号（これは、多極カスプ反射壁を用いた、イオンの静電気的閉じ込めおよび電子の磁気的閉じ込めを開示している）；ならびに、Ｂｕｓｓａｒｄに対する米国特許第４，８２６，６４６号（これらは、Ｌｉｍｐａｅｃｈｅｒと同様であり、ポイントカプスを含む）。これらの特許は、電子の静電気的閉じ込めおよびイオンの磁気的閉じ込めを全く考慮しない。イオンの静電気的閉じ込めに対する多くの研究計画が存在しているが、これらは、イオンが核融合反応器に必要とされる密度を有する場合、必要とされる静電場を設定することに成功していない。最後に、上に列挙された特許は、磁場反転配位の磁気的トポロジーを議論していない。
【００１８】
磁気反転配位（ＦＲＣ）は、テータピンチ実験の間にＮａｖａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙにて１９６０年代に偶然発見された。代表的なＦＲＣトポロジー（ここで、この内部磁場は、方向が逆である）は、図８および図１０に示され、そしてＦＲＣにおける粒子軌道は、図１１および図１４に示される。ＦＲＣに関連して、多くの研究計画が、アメリカ合衆国および日本において支援されている。１９６０年〜１９８８年のＦＲＣ研究の理論および実験における包括的な総括書が存在する。Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ，２８  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｓｉｏｎ  ２０３３，（１９８８）を参照のこと。ＦＲＣ開発についての白書は、１９９６年の研究およびさらなる研究に対する推奨を記載している。Ｌ．Ｃ．Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒら、３０  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １１６（１９９６）を参照のこと。今日まで、ＦＲＣ実験において、ＦＲＣは、テータピンチ方法により形成されてきた。この形成方法の結果は、イオンおよび電子の各々が、半分の電流を運び、結果として、プラズマ中に無視できるほどの静電場を生じ、静電的閉じ込めを生じないということである。これらのＦＲＣ中のイオンおよび電子は、磁気によって閉じ込められる。ほとんど全てのＦＲＣ実験において、異常輸送が想定される。例えば、Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ、２０７２頁、１．５．２節の冒頭を参照のこと。
【００１９】
従って、イオンおよび電子の異常輸送を実質的に減少または排除する傾向のある閉じ込めシステム、ならびに融合産物のエネルギーを高効率で電気に変換するエネルギー変換システムを有する、融合システムを提供することが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
（発明の要旨）
本発明は、磁気反転トポリジーを有する磁場における制御された融合、および融合産物エネルギーの電力への直接変換を容易にするシステムに関する。プラズマ電力発生（ＰＥＧ）システムとして本明細書中で参照されるこのシステムは、好ましくは、核融合反応器を備え、この核融合反応器は閉じ込めシステムを有し、この閉じ込めシステムは、イオンおよび電子の異常輸送を実質的に減少または排除する傾向がある。さらに、このＰＥＧシステムは、エネルギー変換システムを備え、このエネルギー変換システムは、融合産物エネルギーを高効率で電気に直接的に変換する反応器に連結されている。
【００２１】
本発明の１つの革新的な局面において、イオンおよび電子の両方の異常輸送は、実質的に減少または排除される傾向がある。イオンの異常輸送は、磁気反転配位（ＦＲＣ）の磁場内にイオンを磁気的に閉じ込めることによって回避される傾向がある。電子について、エネルギーの異常輸送は、外部から適用した磁場を調整して強力な電場を発生させることによって回避され、これは、深いポテンシャル井戸（ｗｅｌｌ）に静電気的に電子を閉じ
込める。結果として、本発明の閉じ込め装置およびプロセスとともに使用され得る核融合燃料プラズマは、中性子燃料に限定されず、次世代燃料または無中性子も有利に含まれる。無中性子燃料について、核融合反応エネルギーは、ほぼ全体的に荷電粒子（すなわち、エネルギーイオン）の形態であり、この粒子は、磁場内で操作され得、そしてその燃料に依存して、放射能をほとんどまたは全く生じない。
【００２２】
本発明の別の革新的な局面において、直接エネルギー変換システムを使用して、電磁場を通る荷電粒子を減速させることによって、融合産物の運動エネルギーを電力に直接変換する。有利には、本発明の直接エネルギー変換システムは、効率、粒子エネルギー許容、ならびに約５ＭＨｚの融合出力の周波数および位相を、外部の６０Ｈｚの電力格子の周波数に適合するように変換する電子的性能を有する。
【００２３】
好ましい実施形態において、核融合反応器のプラズマ閉じ込めシステムは、以下を備える：チャンバ、主軸に実質的に沿った方向に磁場を適用するための磁場発生器、およびイオンの循環ビームを含む環状プラズマ層。この環状プラズマビーム層のイオンは、実質的に、軌道中で磁気によってチャンバ内に閉じ込められ、そして電子は、実質的に、静電気によってエネルギー井戸に閉じ込められる。１つの好ましい実施形態の１つの局面において、磁場発生器は、電流コイルを備える。好ましくは、このシステムは、チャンバの端部近くにミラーコイルをさらに備え、このミラーコイルは、チャンバの端部で適用された磁場の大きさを増加させる。このシステムはまた、中和されたイオンビームを、この適用された磁場に噴射するための、ビーム注入器を備え得、ここで、このビームは、適用された磁場によって生じる力に起因して、軌道に入る。好ましい実施形態の別の局面において、このシステムは、磁場反転配位のトポロジーを有する磁場を形成する。
【００２４】
別の好ましい実施形態において、エネルギー変換システムは、核融合反応器の反対の端部に連結された逆サイクロトロン変換器（ＩＣＣ）を備える。このＩＣＣは、それらの間に延びる小さい直線状のギャップを有する複数（好ましくは、４個以上）の半円筒電極から形成される、中空の半円筒様幾何学を有する。操作時には、振動電位が、代替の様式においてこの電極に適用される。ＩＣＣ内の電場Ｅは、多極構造を有し、対称軸を消滅し、そして半径を直線的に増加させる（ピーク値はギャップにおいてである）。
【００２５】
さらに、ＩＣＣは、核融合反応器の閉じ込めシステムの方向と実質的に反対の方向に、均一な一方向磁場を適用するための磁場発生器を備える。核融合反応器の電源コアから最も離れた端部に、ＩＣＣはイオンコントローラを備える。電源コアとＩＣＣとの間に、対称性磁気カプスがあり、ここで、閉じ込めシステムの磁場は、ＩＣＣの磁場と併せられる。環状電子収集器が、磁気カプス周囲に配置され、そしてイオン収集器に電気的に連結される。
【００２６】
なお別の好ましい実施形態において、生成核および荷電中和電子は、磁気カプスが電子およびイオンのエネルギー差に起因してそれらを分離する密度で、反応器電源の両端部から環状ビームとして現れる。この電子は、電子収集器への磁場線に従い、イオンはカプスを通り、ここで、そのイオン軌道は、ＩＣＣの長さに沿った、実質的にらせん状の経路に従って改変される。エネルギーは、それらが、共振回路に接続されている電極をらせん状に通過する際にイオンから取り除かれる。垂直エネルギーの損失は、電極に密接して初期に回転する、最も高いエネルギーのイオンについて最も大きい傾向がある（ここで、電場は最も強い）。
【００２７】
本発明の他の局面および特徴は、添付の図面とともに与えられる以下の記載を考慮することで、明らかになる。
【００２８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図に示されるように、本発明のプラズマ−電力発生システムは、好ましくは、直接エネルギー変換システムに結合された、衝突ビーム核融合反応器を備える。上で言及したように、理想的な核融合反応器は、イオンと電子との両方についての異常輸送の問題を解決する。本明細書中に見られる、異常輸送の問題の解決法は、磁気反転配位（ＦＲＣ）を有する磁場を有する、閉じ込めシステムを利用する。イオンの異常輸送は、イオンの大部分が、大きな非断熱性の軌道を有し、これらのイオンを、断熱的なイオンの異常輸送を引き起こす短波機能に対して非感受性にするような様式で、ＦＲＣにおける磁気閉じ込めによって回避される。具体的には、ＦＲＣにおける、磁場が消失する領域の存在が、大部分の非断熱的イオンを含むプラズマを有することを可能にする。電子については、エネルギーの異常輸送は、外側から適用される磁場を調整して、強い電場（これは、これらの電子を深いポテンシャル井戸に静電的に閉じ込める）を発生させることによって、回避される。
【００２９】
本発明の閉じ込め装置および方法と共に使用され得る核融合燃料プラズマは、Ｄ−Ｄ（ジュウテリウム−ジュウテリウム）またはＤ−Ｔ（ジュウテリウム−トリチウム）のような中性子燃料に限定されず、好都合には、次世代燃料または無中性子燃料（例えば、Ｄ−Ｈｅ３（ジュウテリウム−ヘリウム−３）またはｐ−Ｂ１１（水素−ホウ素−１１）もまた含む。（次世代燃料の議論については、Ｒ．ＦｅｌｄｂａｃｈｅｒおよびＭ．Ｈｅｉｎｄｌｅｒ，Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ａ２７１（１９８８）ＪＪ−６４（Ｎｏｒｔｈ  Ｈｏｌｌａｎｄ  Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）を参照のこと。）このような無中性子燃料について、核融合反応エネルギーは、ほぼ全体的に荷電粒子（すなわち、エネルギーイオン）の形態であり、これは、磁場において操作され得、そして燃料に依存して、放射能をほとんどまたは全く引き起こさない。Ｄ−Ｈｅ３反応は、１８．２ＭｅＶのエネルギーと共にＨイオンおよびＨｅ４イオンを生成し、一方で、ｐ−Ｂ１１反応は、３つのＨｅ４イオンおよび８．７ＭｅＶのエネルギーを生成する。無中性子燃料を利用する融合デバイスについての理論的モデリングに基づいて、出力エネルギーの変換効率は、例えば、Ｋ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ，Ｔ．ＮｏｍａおよびＹ．Ｙａｍａｍｏｔｏによって、Ｆｕｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９，８７０（１９９１）に記載されるように、約９０％程度に高くあり得る。このような効率は、無中性子融合についての予測を、スケール変更可能な（ｓｃａｌａｂｌｅ）（１〜１０００ＭＷ）、小型の、低費用の構成で、劇的に進める。
【００３０】
本発明の直接エネルギー変換プロセスにおいて、融合生成物の荷電粒子は、速度が落ち得、そしてこれらの運動エネルギーが、直接、電気に変換される。好都合には、本発明の直接エネルギー変換システムは、効率、粒子−エネルギー許容、ならびに約５ＭＨｚの融合出力電力の周波数および位相を、外部の６０ヘルツの電力格子の周波数および位相に適合するように変換する電子的能力を有する。
【００３１】
（融合閉じ込めシステム）
図１は、本発明に従う閉じ込めシステム３００の好ましい実施形態を例示する。閉じ込めシステム３００は、内部に閉じ込めチャンバ３１０を規定するチャンバ壁３０５を備える。好ましくは、チャンバ３１０は、円筒形状であり、主軸３１５は、チャンバ３１０の中心に沿っている。この閉じ込めシステム３００を核融合反応器に適用するためには、チャンバ３１０内部に真空状態または真空に近い状態を作製することが必要である。主軸３１５と同軸に、チャンバ３１０内に配置されたベータトロンフラックスコイル３２０が存在する。ベータトロンフラックスコイル３２０は、示されるように、長いコイルの周りに電流を指向するように適合された、電流輸送媒体を備え、この長いコイルは、好ましくは、平行な巻線の複数の別個のコイル、そして最も好ましくは、平行な巻線の約４個の別個のコイルを備え、長いコイルを形成する。当業者は、ベータトロンコイル３２０を流れる電流が、ベータトロンコイル３２０内に磁場を実質的に主軸３１５の方向に生じることを
理解する。
【００３２】
チャンバ壁３０５の外側の周りに、外側コイル３２５が存在する。外側コイル３２５は、主軸３１５と実質的に平行に磁束を有する、比較的一定の磁場を生じる。この磁場は、方向が対称である。外側コイル３２５に起因する磁場が一定であり、そして軸３１５に対して平行であるという近似は、チャンバ３１０の末端から離れると最も有効である。チャンバ３１０の各末端に、ミラーコイル３３０が存在する。ミラーコイル３３０は、各末端においてチャンバ３１０内に増加した磁場を生じるように適合され、従って、各末端において磁力線を内向きに曲げる（図８および１０を参照のこと）。説明されるように、この磁力線を内向きに曲げることは、閉じ込めシステム３００を脱出し得る末端からプラズマを押し出すことによって、チャンバ３１０内の閉じ込め領域中の、ほぼミラーコイル３３０の間にプラズマ３３５が閉じ込められるのを助ける。ミラーコイル３３０は、当該分野で公知の種々の方法（ミラーコイル３３０内の巻線の数を増加させること、ミラーコイル３３０を流れる電流を増加させること、または外部コイル３２５でミラーコイル３３０を覆うことを含む）によって、この末端に増加した磁場を生じるように適合され得る。
【００３３】
外部コイル３２５およびミラーコイル３３０は、図１に示されように、チャンバ壁３０５の外側で与えられる；しかし、これらは、チャンバ３１０の内側であってもよい。チャンバ壁３０５が金属のような伝導性材料から構成される場合、チャンバ壁３０５の内側にコイル３２５、３３０を配置することが有利であり得る。なぜならば、磁場が壁３０５を通って拡散するのにかかる時間が比較的長くあり得、それによりシステム３００が遅鈍に反応し得るからである。同様に、チャンバ３１０は、チャンバ壁３０５が長い環状リングを形成する、中空の円筒の形状であり得る。このような場合、ベータトロンフラックスコイル３２０は、この環状リングの中心においてチャンバ壁３０５の外側に与えられ得る。好ましくは、環状リングの中心を形成する内部壁は、ガラスのような非導電性の材料を含み得る。明らかであるように、チャンバ３１０は、循環プラズマビームまたは層３３５が、所定の半径で主軸３１５の周りを回転するのを可能にするのに十分なサイズおよび形状でなければならない。
【００３４】
チャンバ壁３０５は、鋼鉄のような高い透磁率を有する材料から形成され得る。このような場合、材料中に誘導される対電流に起因して、チャンバ壁３０５は、磁束がチャンバ３１０を脱出しないようにする（磁束を「圧縮する」）のを助ける。このチャンバ壁がプレキシグラスのような低い透磁率を有する材料から作製され得る場合、この磁束を閉じ込めるための別のデバイスが必要である。このような場合、一連の閉ループである平坦な金属リングが提供され得る。磁束デリミッターとして当該分野で公知のこれらのリングは、外側コイル３２５の内側であるが循環プラズマビーム３３５の外側に提供される。さらに、これらの磁束デリミッターは、受動的または能動的であり得、ここで、この能動的磁束デリミッターは、チャンバ３１０内において磁束の閉じ込めをより促進するために所定の電流で駆動される。あるいは、外側コイル３２５自体は、磁束デリミッターとして役立ち得る。
【００３５】
以下でさらに詳細に説明されるように、荷電粒子を含む循環プラズマビーム３３５は、外側コイル３２５に起因して、磁場によって生じるローレンツ力によってチャンバ３１０内に閉じ込められ得る。このように、プラズマビーム３３５内のイオンは、外側コイル３２５から磁束線の周りの大きなベータトロン軌道内に磁気的に閉じ込められ、この軌道は、主軸３１５に対して平行である。１つ以上のビーム注入ポート３４０はまた、チャンバ３１０中の循環プラズマビーム３３５にプラズマイオンを加えるために提供される。好ましい実施形態において、この注入ポート３４０は、循環プラズマビーム３３５が閉じ込められる主軸３１５から同一の半径位置（すなわち、以下に記載される零曲面の周り）においてイオンビームを注入するように適合される。さらに、この注入ポート３４０は、この
閉じ込められたプラズマビーム３３５の接線方向に、そしてこのビームのベータトロン軌道の方向に、イオンビーム３５０を注入するように適合される（図１６を参照のこと）。
【００３６】
一群の非エネルギー性プラズマをチャンバ３１０に注入するために、１つ以上のバックグラウンドプラズマ供給源３４５もまた提供される。好ましい実施形態において、このバックグラウンドプラズマ供給源３４５は、チャンバ３１０の中心軸に向けてプラズマ３３５を方向付けするために適合される。この方法でプラズマを方向付けすることは、プラズマ３３５をより良好に閉じ込めるのを助け、そしてチャンバ３１０内の閉じ込め領域内でより高密度のプラズマ３３５に導くことが見出された。
【００３７】
（ＦＲＣ中の荷電粒子）
図２は、ＦＲＣ７０の磁場を示す。この系は、その軸７８に対して円柱状の対称性を有する。このＦＲＣにおいて、磁力線の２つの領域：開領域８０および閉領域８２が存在する。これらの２つの領域を分ける表面は、セパラトリクス８４と呼ばれる。このＦＲＣは、磁場が消滅する円柱状の零曲面８６を形成する。ＦＲＣの中央部８８において、磁場は、軸方向にはそれほど変化しない。端部９０において、この磁場は、軸方向にかなり変化する。中心軸７８に沿った磁場は、ＦＲＣ中で方向を反転しており、これは、磁気反転配位（Ｆｉｅｌｄ  Ｒｅｖｅｒｓｅｄ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（ＦＲＣ）中の用語「反転（ｒｅｖｅｒｓｅｄ）」の由来である。
【００３８】
図３Ａにおいて、零曲面９４の外側の磁場は、第１の方向９６である。この零曲面９４の内側の磁場は、第１の方向とは逆の第２の方向９８である。イオンが方向１００で移動する場合、このイオンに作用するローレンツ力３０は、この零曲面９４の方を向いている。このことは、右手の法則を用いることによって、容易に理解される。半磁性方向１０２で移動する粒子について、ローレンツ力は、常に、零曲面９４の方を向いている。この現象は、以下に記載されるベータトロン軌道と呼ばれる粒子軌道を生じる。
【００３９】
図３Ｂは、逆反磁性（ｃｏｕｎｔｅｒｄｉａｍａｇｎｅｔｉｃ）方向１０４に移動するイオンを示す。この場合において、ローレンツ力が、零曲面９４から離れる方を向く。この現象は、以下に記載されるように、ドリフト軌道（ｄｒｉｆｔ  ｏｒｂｉｔ）と呼ばれる１つの型の軌道を生じる。このイオンに関する反磁性方向は、電子に関する逆反磁性方向であり、そして逆もまた然りである。
【００４０】
図４は、イオンの反磁性方向１０２に回転するプラズマの環または環状層１０６を示す。この環１０６は、零曲面８６の回りに配置される。環状プラズマ層１０６によって形成された磁場１０８は、外部から付与された磁場１１０と組み合わされて、ＦＲＣの位相（この位相は、図２に示されている）を有する磁場を形成する。
【００４１】
プラズマ層１０６を形成するイオンビームは、一定の温度を有し；従って、イオンの速度は、イオンビームの平均角速度で回転するフレームにおいてマクスウェル分布を形成する。異なる速度のイオン間の衝突は、核融合反応をもたらす。この理由のために、プラズマビーム層または出力コア１０６は、衝突型ビームシステム（ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ  ｂｅａｍ  ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる。
【００４２】
図５は、衝突型ビームシステム中のイオン軌道（ベータトロン軌道１１２と呼ばれる）の主な型を示す。ベータトロン軌道１１２は、零サークル１１４を中心とする正弦波として表現され得る。上で説明したように、零サークル１１４上の磁場は、ゼロである。この軌道１１２の面は、ＦＲＣの軸７８に対して垂直である。この軌道１１２におけるイオンは、出発点１１６からそれらの反磁性方向１０２に移動する。ベータートロン軌道中のイオンは、２つの動き（放射方向での振動（零サークル１１４に対して垂直な動き）および
零サークル１１４に沿って平行な動き）を有する。
【００４３】
図６Ａは、ＦＲＣにおける磁場１１８のグラフである。グラフの水平軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離（ｃｍ）を示す。この磁場は、キロガウスである。このグラフに示されるように、この磁場１１８は、零サークルの半径１２０で零になる。
【００４４】
図６Ｂに示されるように、零サークル付近を移動する粒子は、零曲面８６から離れた方を向く磁場の勾配１２６に遭遇する。零サークルから外側の磁場は、第１方向１２２に存在する一方で、零サークルから内側の磁場は、第１方向とは逆の第２方向１２４である。勾配ドリフトの方向は、クロス積（ｃｒｏｓｓ  ｐｒｏｄｕｃｔ）：
【００４５】
【数５】
2008008906.tif 000007
によって与えられ、ここで、▽Ｂは、磁場の勾配であり；従って、このイオンが零サークルの外側にあろうと内側にあろうとも、勾配ドリフトの方向が、逆反磁性方向であることが、右手法則を適用することによって理解され得る。
【００４６】
図７Ａは、ＦＲＣ内の電場１３０のグラフである。このグラフの水平軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離（ｃｍ）を示す。この電場は、Ｖ／ｃｍである。このグラフに示されるように、電場１３０は、零サークルの半径１２０の近くで零になる。
【００４７】
図７Ｂに示されるように、イオンに関する電場は、閉じ込め解除され（ｄｅｃｏｎｆｉｎｅ）；これは、零曲面８６から離れる方向１３２、１３４に向く。上のように、磁場は、零表面８６の内側および外側で、反対方向１２２、１２４で存在する。この
【００４８】
【数６】
2008008906.tif 000008
ドリフトの方向は、このイオンが零曲面１３６の外側にあろうと内側にあろうとも、反磁性方向１０２にあることが、右手法則を適用することによって理解され得る。
【００４９】
図８Ａおよび８Ｂは、ドリフト軌道１３８と呼ばれる、ＦＲＣにおける別の型の共通軌道を示す。ドリフト軌道１３８は、図８Ａに示されるように、零曲面１１４の外側に存在し得るか、または図８Ｂに示されるように、この零曲面１１４の内側に存在し得る。ドリフト軌道１３８は、この
【００５０】
【数７】
2008008906.tif 000009
ドリフトが支配する場合、反磁性方向に回転し、この勾配ドリフトが支配する場合、逆反磁性方向に回転する。図８Ａおよび８Ｂに示されるドリフト軌道１３８は、出発点１１６から反磁性方向１０２に回転する。
【００５１】
図８Ｃに示されるように、ドリフト軌道は、相対的に大きなサークルの上を回転している小さなサークルであると考えられ得る。この小さなサークル１４２は、意味上の軸の周りをスピンする１４４。この小さなサークル１４２はまた、この大きなサークル１４６上を方向１０２に向かって回転する。点１４０は、１３８と類似する経路を空間においてトレースする。
【００５２】
図９Ａおよび９Ｂは、ＦＲＣ１５１の末端におけるローレンツ力の方向を示す。図９Ａにおいて、磁場１５０において、反磁性方向１０２に一定速度１４８で移動するイオンを示す。このローレンツ力１５２により、イオンが閉じた磁力線の領域に向かって押し戻される傾向があることが、右手法則を適用することによって理解され得る。従って、この場合において、ローレンツ力１５２により、このイオンを閉じ込める。図９Ｂにおいて、電場１５０において、逆反磁性方向に一定の速度１４８で移動するイオンを示す。ローレンツ力１５２により、イオンが開いた磁力線の領域に向かって押し出される傾向があることが、右手法則を適用することによって理解され得る。従って、この場合において、ローレンツ力１５２が、このイオンを閉じ込め解除する。
【００５３】
（ＦＲＣにおける磁気および静電気による閉じ込め）
プラズマ層１０６（図４を参照のこと）は、零曲面８６の周りに高エネルギーイオンビームをイオンの反磁性方向１０２に注入することによって、ＦＲＣに形成され得る（ＦＲＣおよびプラズマ環を形成する異なる方法の詳細な議論が、以下でなされる）。回転プラズマ（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ  ｐｌａｓｍａ）層１０６において、このイオンのほとんどは、ベータトロン軌道１１２を有し（図５を参照のこと）、高エネルギーであり、そして非断熱性であり、従って、これらのイオンは、異常輸送を生じる短波長の波動に対して非感受性である。
【００５４】
ＦＲＣにおいて形成される平衡条件にあるプラズマ層１０６において、モーメントの保存が、イオンの角速度ωｉと電子の角速度ωｅとの間の関係を与える。この関係は、以下：
【００５５】
【数８】
2008008906.tif 000010
である。式１において、Ｚは、イオンの原子番号であり、ｍｉは、イオンの質量であり、ｅは、電荷であり、Ｂ０は、印加される磁場の大きさであり、そしてｃは、光速である。この関係において、３つの自由パラメーターが存在する：印加される磁場Ｂ０、電子の角速度ωｅ、およびイオンの角速度ωｉ。これらの２つが分かると、その３番目は、式１から決定され得る。
【００５６】
このプラズマ層１０６はイオンビームをＦＲＣに注入することによって形成されるので、イオンの角速度ωｉは、ビームの注入運動エネルギーＷｉによって決定され、このＷｉは、以下：
【００５７】
【数９】
2008008906.tif 000011
によって与えられる。ここで、Ｖｉ＝ωｉｒ０であり、ここで、Ｖｉは、イオンの注入速度であり、ωｉは、イオンのサイクロトロン周波数であり、そしてｒ０は、零曲面８６の半径である。このビーム中の電子の運動エネルギーは、電子の質量ｍｅが、イオンの質量ｍｉよりもかなり小さいので無視される。
【００５８】
ビームの一定の注入速度（一定のωｉ）に関して、印加された磁場Ｂ０は、異なる値ωｅが得られるように調整され得る。示されるように、外部磁場Ｂ０の調整によりまた、プラズマ層の内側の静電場の異なる値を生じる。本発明のこの特徴は、図１０Ａおよび１０
Ｂに例示されている。図１０Ａは、同一の注入速度ωｉ＝１．３５×１０７ｓ−１であるが、３つの異なる印加された磁場Ｂ０の値から得られた電場（Ｖ／ｃｍ）の３つのプロットを示す：
【００５９】
【表１】
2008008906.tif 000012
上記表中のωｅの値は、式１に従って得られた。ωｅ＞０は、式１においてΩ０＞ωｉを意味し、その結果、電子がそれらの逆反磁性方向に回転することが理解され得る。図１０Ｂは、Ｂ０およびωｅの同一の値のセットに対する電圧（Ｖ）を示す。図１０Ａおよび１０Ｂ中の水平軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離を示し、グラフにおいてｃｍで示される。この電場および電圧は、ωｅに非常に依存する。
【００６０】
上記の結果は、単純な物理学の基本から説明され得る。このイオンが、反磁性方向に回転する場合、このイオンは、ローレンツ力によって磁気的に閉じ込められる。このことは、図３Ａに示された。電子がイオンと同一方向に回転するということは、ローレンツ力が逆方向であるということなので、電子は閉じ込められない。この電子がプラズマを離れ、そして結果として過剰の正電荷が生じる。これは、他の電子がこのプラズマを離れることを防止する電場を設定する。この電場の方向および大きさが、平衡において、モーメントの保存によって決定される。
【００６１】
静電場が、電子とイオンの両方の輸送における本質的な役割を果たす。従って、本発明の重要な局面は、強い静電場が、プラズマ層１０６の内側に形成され、この電場の大きさが、容易に調節され得る印加された磁場Ｂ０の値によって制御されることである。
【００６２】
説明されるように、ωｅ＞０である場合、静電場が、電子を閉じ込める。図１０Ｂに示されるように、井戸の深さは、印加された磁場Ｂ０を調整することによって増加され得る。零サークル付近の非常に狭い領域を除いて、電子は、常に、小さな回転半径（ｇｙｒｏｒａｄｉｕｓ）を有する。従って、電子は、異常に速い拡散速度を有する短波長の波動に応答する。実際に、この拡散は、一旦核融合反応が生じた場合、ポテンシャル井戸を維持するのを助ける。この核融合生成物のイオンは、かなり高いエネルギーを有するので、このプラズマを離れる。電荷を準中性に維持するために、核融合生成物は、この核融合生成物を用いて、プラズマから電子を引き出さなければならず、主に、プラズマ層の表面から電子を取り出す。プラズマの表面の電子の密度は、非常に低く、この核融合生成物を用いてプラズマを離れる電子は、置換されなければならず；その代わりに、ポテンシャル井戸が現われなくなる。
【００６３】
図１１は、電子のマクスウェル分布１６２を示す。マクスウェル分布の尾部１６０からの非常に高エネルギーの電子のみが、プラズマの表面に到達し得、そして核融合イオンとともに離れる。従って、この分布１６２の尾部１６０は、零曲面付近の高密度の領域で、電子間の衝突により連続的に形成される。この高エネルギーの電子は、さらに、小さな回転半径を有し、その結果、異常な拡散により、逸脱する核融合生成物のイオンに適応する
のに十分高速にこの電子が表面に達するのを可能にする。この高エネルギーの電子は、ポテンシャル井戸を上昇させるエネルギーを失い、非常に低いエネルギーを残す。この電子は、磁場を迅速に横切り得るが、異常な輸送に起因して、異常なエネルギーの損失が避けられる傾向にある。なぜならば、低いエネルギーが輸送されるからである。
【００６４】
このポテンシャルウェルの別の結果は、エバポレーション冷却と類似する、電子のための強力な冷却機構である。例えば、水が蒸発するためには、蒸発の潜熱を供給しなければならない。この熱は、残った水および周りの媒体によって供給され、次いで、熱輸送プロセスがエネルギーを置換し得ることよりも早く、より低い温度に迅速に熱化する。同様に、電子に関して、ポテンシャル井戸の深さは、水の蒸発潜熱に等しい。この電子は、マクスウェルの尾部のエネルギーを再供給する熱化プロセスによって、ポテンシャル井戸を上るために必要とされるエネルギーを供給し、その結果、この電子は、脱出し得る。従って、この熱化プロセスは、いずれの加熱プロセスよりもかなり速いので、より低い電子温度を生じる。電子とプロトンとの質量差のために、プロトンからのエネルギー移動時間は、電子熱化時間よりも約１８００倍低い。この冷却機構はまた、電子の放射線損失を減少させる。このことは、特に、次世代燃料のために重要であり、放射線損失は、原子番号Ｚが１より大きい（Ｚ＞１）燃料イオンによって増強される。
【００６５】
静電場はまた、イオン輸送に影響を与える。プラズマ層１０６中の粒子軌道の大部分は、ベータトロン軌道１１２である。大きな角度の衝突、すなわち、９０°と１８０°との間の散乱角を有する衝突は、ベータトロン軌道をドリフト軌道に変え得る。上記のように、ドリフト軌道の回転の方向は、
【００６６】
【数１０】
2008008906.tif 000013
ドリフトと勾配ドリフトとの間の競合によって決定される。
【００６７】
【数１１】
2008008906.tif 000014
ドリフトが優勢である場合、このドリフト軌道は、反磁性方向に回転する。勾配ドリフトが優勢である場合、このドリフト軌道は、逆反磁性方向に回転する。これは、図１２Ａおよび１２Ｂに示される。図１２Ａは、１８０°衝突に起因する、ベータトロン軌道からドリフト軌道への移行を示し、これは、点１７２で生じる。
【００６８】
【数１２】
2008008906.tif 000015
ドリフトが優勢であるので、このドリフト軌道は、反磁性方向で回転し続ける。図１２Ｂは、別の１８０°衝突を示すが、この場合、静電場は弱く、そして、勾配ドリフトが優勢である。従って、ドリフト軌道は、逆反磁性方向に回転する。
【００６９】
ドリフト軌道の回転方向は、これが閉じこめられるか否かを決定する。ドリフト軌道内で移動する粒子はまた、ＦＲＣ軸に対して平行な速度を有する。その平行移動の結果として、粒子がＦＲＣの一方の端から他方の端まで移動するのにかかる時間は、遷移時間と呼ばれる；従って、ドリフト軌道は、移行時間のオーダーの時間で、ＦＲＣの端部に到達する。図９Ａと共に示されるように、このＦＲＣの端部におけるローレンツ力は、反磁性方向で回転するドリフト軌道のみを閉じ込めている。従って、遷移時間の後、逆反磁性方向で回転しているドリフト軌道中のイオンは、消失する。
【００７０】
この現象は、全てのＦＲＣ実験において存在していると予想されるイオンの消失機構を説明する。実際に、これらの実験において、イオンは、電流の半分を輸送し、そして電子は、残りの半分を輸送した。この条件において、プラズマの内側の電場は、無視でき、そして勾配ドリフトは、常に、
【００７１】
【数１３】
2008008906.tif 000016
ドリフトを支配した。従って、大きな角度の衝突により生成される全てのドリフト軌道は、遷移時間の後に失われた。これらの実験により、イオン拡散速度が、古典的な拡散推定値により予測される速度よりも速いことが報告された。
【００７２】
強力な静電場が存在する場合、
【００７３】
【数１４】
2008008906.tif 000017
ドリフトは、勾配ドリフトを支配し、そしてドリフト軌道は、反磁性方向に回転する。これは、図１２Ａと共に上で示された。これらの軌道が、ＦＲＣの端部に到達する場合、これらは、ローレンツ力によって、閉じた磁力線の領域に反射して戻される；従って、これらはこの系内に閉じ込められたままである。
【００７４】
衝突ビーム系中の静電場は、
【００７５】
【数１５】
2008008906.tif 000018
ドリフトが勾配ドリフトを支配するのに充分に強くあり得る。従って、この系の静電場は、このイオン消失機構（これはミラーデバイスにおける損失円錐と類似している）を排除することによって、イオン輸送を回避する。
【００７６】
イオン拡散の別の局面は、ベータトロン軌道に対する小さな角度の電子−イオン衝突の影響を考慮することによって、理解され得る。図１３Ａは、ベータトロン軌道１１２を示し；図１３Ｂは、小さな角度の電子−イオン衝突が考えられる場合１７４の同じ軌道１１２を示し；図１３Ｃは、１０の因子だけ長い時間１７６にわたって追跡した図１３Ｂの軌道を示し；そして図１３Ｄは、２０の因子だけ長い時間１７８にわたって追跡した図１３Ｂの軌道を示す。ベータトロン軌道の位相が、小さい角度の電子−イオン衝突に起因して変化しないことが分かり得る；しかし、これらの半径方向の衝突の振幅は、時間と共に増加する。実際に、図１３Ａ〜１３Ｄに示される軌道は、時間と共にふくらみ、このことは、古典的な拡散を示す。
【００７７】
（ＦＲＣの形成）
ＦＲＣを形成するために使用される従来の手順は、θ狭窄領域の反復手順を主に使用する。この従来の方法において、磁気バイアス領域は、中性ガスバック充填チャンバの周りの外部コイルによって適用される。一旦、これが生じると、このガスはイオン化され、そして磁性バイアス領域は、プラズマ中で凍結される。次に、外部コイル中の電流を迅速に逆方向に向け、そして先に凍結されたラインと接続する磁力線を逆方向に向け、閉じたＦＲＣ位相を形成する（図２を参照のこと）。この形成プロセスは、ほぼ経験的であり、そしてＦＲＣの形成を制御する手段はほとんど存在しない。この方法は、乏しい再現性を有
し、そして結果としてチューニング能力を有さない。
【００７８】
対照的に、本発明のＦＲＣ形成方法は、アンプルの制御を可能にし、そしてかなりより認識されないプロセスおよび再現可能なプロセスを提供する。実際に、本発明の方法によって形成されたこのＦＲＣはチューニングされ得、そしてその形状および他の特性は、外側領域のコイル３２５によって適用された磁場の操作によって直接的に影響され得る。本発明の方法によるＦＲＣの形成はまた、上記の方法における電場および電位壁の形成より生じる。さらに、本発明の方法は、リアクターレベルパラメーターおよび高エネルギー燃料電流までＦＲＣを加速し、そして従来のイオンの閉じ込めを有利に可能にすることが容易に達せられる。さらに、この技術は、コンパクトなデバイス中で使用され得、そして反応器系のための全ての非常に所望される特性を与えるのを非常に強力にかつ容易にする。
【００７９】
本発明の方法において、ＦＲＣの形成は、循環プラズマビーム３３５に関連する。この循環プラズマビーム３３５は、これは電流であるので、循環ワイヤ中の電流と同様に、ポロイダル磁場を形成することが理解され得る。この循環プラズマビーム３３５の内側で、誘導する自己電場は、外側コイル３２５に起因して外側に適用された磁場と対立する。プラズマビーム３３５の外側で、自己電場は、適用された磁場と同一方向である。プラズマイオン電流が十分大きい場合、自己電場は、適用された領域を覆い、そしてこの磁場は、循環プラズマビーム３３５の内側へと反転し、これによって、図２および４に示されるようにＦＲＣ位相を形成する。
【００８０】
磁場反転の要求値は、単純なモデルで見積もられ得る。大きな半径ｒ０および小さな半径ａ＜＜ｒ０のリングによって実施される電流Ｉｐを考える。このリングに対して垂直なリングの中心の磁場は、Ｂｐ＝２πＩｐ／（ｃｒ０）である。リングの電流Ｉｐ＝Ｎｐｅ（Ω０／２π）は、角速度Ω０を有するＮｐイオンによって輸送されると仮定する。半径ｒ０＝Ｖ０／Ω０で循環する単一イオンについて、Ω０＝ｅＢ０／ｍｉｃが外部磁場Ｂ０のサイクロトロン振動数である。Ｖ０が、ビームイオンの平均速度であると仮定する。磁場反転は、以下のように規定され：
【００８１】
【数１６】
2008008906.tif 000019
これは、Ｎｐ＞２ｒ０／αｉ、および以下：
【００８２】
【数１７】
2008008906.tif 000020
を意味し、ここで、αｉ＝ｅ２／ｍｉｃ２＝１．５７×１０−１６ｃｍであり、そしてこのイオンビームのエネルギーは、１／２ｍｉＶ０２である。１つの寸法モデルにおいて、プラズマ電流由来の磁場は、Ｂｐ＝（２π／ｃ）ｉｐであり、ここで、ｉｐは、単位長さあたりの電流である。この磁場反転の要求値は、ｉｐ＞ｅＶ０／πｒ０αｉ＝０．２２５ｋＡ／ｃｍであり、ここで、Ｂ０＝６９．３Ｇであり、そして１／２ｍｉＶ０２＝１００ｅＶである。周期リングのモデルについて、Ｂｚは、軸座標＜Ｂｚ＞＝（２π／ｃ）（Ｉｐ／ｓ）（ｓは、リングのスペースである）で平均化され、ｓ＝ｒ０である場合、このモデルは、ｉｐ＝Ｉｐ／ｓを有する１つの寸法モデルと同一の平均磁場を有する。
【００８３】
（組み合わせビーム／ベータトロン形成の技術）
上記の閉じ込めシステム３００内にＦＲＣを形成する好ましい方法は、本明細書におい
て、組み合わせビーム／ベータトロン技術と呼ばれる。このアプローチは、プラズマイオンの低いエネルギービームと、ベータトロン束コイル３２０を使用するベータトロン加速度を組み合わせる。
【００８４】
この方法の第１の工程は、バックグラウンドプラズマ供給源３４５を使用してチャンバ３１０中に、実質的に環状の一群の層のバックグラウンドプラズマを注入することである。外側コイル３２５は、このチャンバ３１０内に磁場を形成し、これにより、バックグラウンドプラズマに磁場を与える。短い期間で、低エネルギーのイオンビームは、チャンバ３１０内の外側に適用された磁場に対して実質的に横軸方向に、注入ポート３４０を介してチャンバ３１０に注入される。上で説明したように、イオンビームは、大きなベータトロン軌道のチャンバ３１０内で、この磁場によって捕捉される。このイオンビームは、イオン加速器（例えば、イオンダイオードおよびＭａｒｘ発生器を備えた加速器）によって発生され得る（Ｒ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ，Ａｎ  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ
Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｎｓｅ  Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｂｅａｍｓ，（１９８２）を参照のこと）。当業者に理解されるように、外部に適用された磁場は、イオンビームがチャンバ３１０に入るとすぐに、この注入されたイオンビームにローレンツ力を及ぼすが、このビームは偏向せず、イオンビームが循環プラズマビーム３３５に到達するまでベータトロン軌道に入らないことが所望される。この問題を解決するために、このチャンバ３１０に入る前に、イオンビームは電子で中性化され、そして実質的に方向付けされていない磁場を介して方向付けされる。図１４に例示されるように、イオンビーム３５０が適切な磁場を介して方向付けされた場合、正に荷電されたイオンおよび負に荷電された電子は、分離する。従って、このイオンビーム３５０は、電場に起因して、電気自己局在化を得る。この磁場は、例えば、永久磁石またはイオンビームの経路に沿った電磁石によって作製され得る。続いて、閉じ込めチャンバ３１０に導入される場合、得られる電場は、ビーム粒子の磁力と釣り合い、イオンビームが偏光しないようにする。図１５は、イオンビーム３５０がプラズマ３３５と接触する場合のイオンビーム３５０の上面図を示す。示されるように、プラズマ３３５からの電子は、ビーム３５０に向かってまたは遠ざかるように電場に沿って移動し、これにより、ビームの電子局在化を弱める。このビームがもはや電気的に局在化しなくなった場合、このビームは、図１に示されるように（図４もまた参照のこと）、主軸３１５の回りのベータトロン軌道にある循環プラズマビーム３３５に加わる。
【００８５】
このプラズマビーム３３５がこのベータトロン軌道中で移動する場合、この移動するイオンは電流を含み、次いで、ポロイダル自己電場を生じる。このチャンバ３１０内でＦＲＣ位相を形成するために、このプラズマビーム３３５の速度を上昇させ、これにより、プラズマビーム３３５が引き起こす自己電場の大きさを上昇させることが必要である。この自己電場が十分大きい場合、プラズマビーム３３５内の軸３１５からの半径距離における電場の距離が反転し、ＦＲＣを生じる（図２および４を参照のこと）。ベータトロン軌道内における循環プラズマビーム３３５の半径距離を維持するために、プラズマビーム３３５の速度が上昇するにつれて、外側コイル３２５から適用される磁場を上昇させることが必要である。従って、コントロールシステムが、外側コイル３２５を通る電流によって決定される、適切に適用された電場を維持するために提供される。あるいは、第２の外側コイルを使用して、加速される場合にこのプラズマビームの軌道の半径を維持するために必要とされる、さらに適用された磁場を提供し得る。
【００８６】
この軌道において循環プラズマビーム３３５の速度を上昇させるために、このベータトロン束コイル３２０が提供される。図１６を参照すると、アンペア則によってベータトロン束コイル３２０を流れる電流を増加させることによって、このチャンバ３１０内の方位電場Ｅを誘導することが理解され得る。プラズマビーム３３５内の正に荷電されたイオンは、この誘導された電場によって加速され、上記のような反転電場に導く。イオンビーム
が上記のように循環プラズマビーム３３５に加えられる場合、このプラズマビーム３３５が、イオンビームを脱分極化する。
【００８７】
場の反転のために、循環プラズマビーム３３５は、好ましくは、回転エネルギー約１００ｅＶに、好ましくは、約７５ｅＶ〜１２５ｅＶの範囲に、加速される。融合関連条件に達するために、循環プラズマビーム３３５は、好ましくは、約２００ｋｅＶに、好ましくは、約１００ｋｅＶ〜３．３ＭｅＶの範囲に、加速される。
【００８８】
ＦＲＣ形成が、組み合わせビーム／ベータトロン形成技術を使用して、首尾良く示された。組み合わせビーム／ベータトロン形成技術は、５００Ｇまでの外部付与磁場、５ｋＧまでのベータトロンフラックスコイル３２０からの磁場、および１．２×１０−５トルの減圧を使用して、直径１ｍおよび長さ１．５ｍのチャンバ中で実験的に実施された。この実験において、バックグラウンドプラズマは、密度１０１３ｃｍ−３を有し、イオンビームは、密度１．２×１０１３ｃｍ−３、速度２×１０７ｃｍ／ｓ、およびパルス長約２０μｓ（半分の高さにて）を有する中和水素ビームであった。場の反転が観察された。
【００８９】
（ベータトロン形成技術）
閉じ込め系３００内にＦＲＣを形成する別の好ましい方法が、本明細書中で、ベータトロン形成技術と呼ばれる。この技術は、ベータトロンフラックスコイル３２０を使用して循環プラズマビーム３３５を加速するために、ベータトロン誘導性電流を直接駆動することに基づく。この技術の好ましい実施形態は、図１に示される閉じ込め系３００を使用するが、但し、低エネルギーイオンビームの注入は、必要ではない。
【００９０】
示されるように、このベータトロン形成技術中の主要構成要素は、チャンバ３１０の中心に軸に沿って取り付けられている、ベータトロンフラックスコイル３２０である。このコイルの別個の並行巻線の構成に起因して、このコイル３２０は、適切な電源と結合された場合に、非常に低いインダクタンスを示し、低いＬＣ時間定数を有し、これにより、このフラックスコイル３２０における電流の迅速な上昇（ｒａｍｐ  ｕｐ）が可能になる。
【００９１】
好ましくは、外部場コイル３２５および３３０にエネルギー付与することにより、ＦＲＣの形成が開始する。このことは、その端部付近に軸方向案内場ならびに半径方向磁場成分を提供して、注入されたプラズマをチャンバ３１０中に軸方向に閉じ込める。一旦十分な磁場が確立されると、バックグラウンドプラズマ供給源３４５が、それ自体の電源からエネルギー付与される。プラズマ銃から発されたプラズマは、この軸方向案内場に沿って流れ、そしてその温度に起因して、わずかに拡散する。そのプラズマがチャンバ３１０の中間面に達したとき、ゆっくり移動する冷たいプラズマの、連続し軸方向に延びる環状層が、確立される。
【００９２】
この時点で、ベータフラックスコイル３２０が、エネルギー付与される。このコイル３２０において迅速に生じる電流は、そのコイルの内側において、迅速に変化する軸方向フラックスを引き起こす。誘導効果によって、軸方向フラックスにおけるこの迅速な増加は、方位角（ａｚｉｍｕｔｈａｌ）電場Ｅの生成を引き起こし（図１７）、この電場Ｅは、フラックスコイル周辺の空間に透過する。マクスウェルの方程式により、この電場Ｅは、そのコイルの内側の磁束強度の変化と正比例する。すなわち、より迅速なベータトロン電流の上昇（ｒａｍｐ−ｕｐ）は、より強い電場をもたらす。
【００９３】
誘導により生じた電場Ｅは、プラズマ中の荷電粒子と結合し、ポンデロモーティブ（ｐｏｎｄｅｒｏｍｏｔｉｖｅ）力を引き起こし、これにより、環状プラズマ層中の粒子を加速する。電子は、その比較的小さい質量が理由で、加速される最初の種である。従って、このプロセスにより形成される最初の電流は、主に電子に起因する。しかし、十分な加速
時間（約数百マイクロ秒）はまた、最終的にイオン電流をもたらす。図１７を参照すると、この電場Ｅは、反対の方向に、この電子およびイオンを加速する。一旦両方の種がその最終速度に達すると、電流は、イオンおよび電子によりほぼ等しく運ばれる。
【００９４】
上記のように、回転するプラズマにより運ばれる電流は、自己磁場を生じる。プラズマ層における電流により生成される自己磁場が、外部場コイル３２５および３３０から付与された磁場と匹敵するようになった場合に、実際のＦＲＣのトポロジーの生成が始まる。この時点で、磁気的な再結合（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が生じ、そして最初に外部により生成された磁場の開いた磁力線（ｏｐｅｎ  ｆｉｅｌｄ  ｌｉｎｅ）は、閉じてＦＲＣフラックス表面を形成し始める（図２および図４を参照のこと）。
【００９５】
この方法により確立される基礎のＦＲＣは、中程度の磁場および粒子エネルギーを示し、これらは、代表的には、反応器に関連する作動パラメータにはない。しかし、誘導性電子加速場は、ベータトロンフラックスコイル３２０中の電流が迅速な速度で増加し続ける限り、存在する。このプロセスの効果は、ＦＲＣのエネルギーおよび全磁場強度が、増加し続けることである。従って、このプロセスの程度は、フラックスコイル電源により主に制限される。なぜなら、電流の継続した送達には、多量エネルギー貯蔵バンクが必要であるかである。しかし、原則的に、反応器に関連する条件にこのシステムを加速することは、簡単である。
【００９６】
場の反転のために、循環プラズマビーム３３５が、好ましくは、回転エネルギー約１００ｅＶに、好ましくは、約７５ｅＶ〜１２５ｅＶの範囲に、加速される。融合関連条件に達するために、循環プラズマビーム３３５は、好ましくは、約２００ｋｅＶに、好ましくは、約１００ｋｅＶ〜３．３ＭｅＶの範囲に、加速される。上記のように、イオンビームが循環プラズマビーム３３５に付加された場合、このプラズマビーム３３５は、このイオンビームを減極する。
【００９７】
ベータトロン形成技術を利用するＦＲＣ形成が、以下のパラメータレベルにて首尾良く示された：
・減圧チャンバ寸法：直径約１ｍおよび長さ１．５ｍ
・ベータトロンコイル半径１０ｃｍ
・プラズマ軌道半径２０ｃｍ
・減圧チャンバ中で生成された平均外部磁場は、１００ガウスまでであり、上昇（ｒａｍｐ−ｕｐ）期間１５０μｓおよびミラー（ｍｉｒｒｏｒ）比２：１（供給源：外部コイルおよびベータトロンコイル）であった。
【００９８】
・バックグラウンドプラズマ（実質的に水素ガス）は、平均密度約１０１３ｃｍ−３、運動温度１０ｅＶ未満によって特徴付けられた。
【００９９】
・この構成の寿命は、この実験において貯蔵された全エネルギーにより制限され、そして一般的には、約３０μｓであった。
【０１００】
この実験は、まず、このチャンバの内側に円形様式で取り付けられた２組の同軸ケーブル銃によって、バックグラウンドプラズマ層を注入することにより、進行した。８個の銃の各コレクションが、この２つのミラーコイルアセンブリーのうちの１つに取り付けられた。これらの銃を、等距離の様式で方位角によって間隔を空け、そしてもう一方の組に対してずらした。この配置により、これらの銃は同時に発射することが可能であり、これによって、環状のプラズマ層を作製した。
【０１０１】
この層の確立の際に、ベータトロンフラックスコイルにエネルギー付与した。このベー
タトロンコイルの巻線における電流を上昇させることにより、このコイルの内側のフラックスが増加し、これによってこのベータトロンコイルの周囲で曲がる、方位角電場が発生した。ベータトロンフラックスコイルにおける、急激に上昇した高い電流は、強い電場を発生させ、この電場が、環状のプラズマ層を加速し、これによって、相当に大きい電流を誘導した。十分に強いプラズマ電流は、自己磁場を発生させ、この磁場は、外部から供給される場を変化させ、そして場が反転した構成の作製を生じた。Ｂドットループを用いた詳細な測定値により、このＦＲＣの範囲、強度および持続時間を同定した。
【０１０２】
代表的なデータの例を、Ｂドットプローブ信号の追跡によって、図１８に示す。このデータ曲線Ａは、実験用チャンバの軸方向の中間平面（いずれかの端部プレートから７５ｃｍ）での、１５ｃｍの半径位置における磁場の軸方向成分の絶対的強度を表す。データ曲線Ｂは、チャンバの軸方向の中間平面の、３０ｃｍの半径位置における磁場の軸方向成分の、絶対的強度を表す。従って、曲線Ａのデータセットは、燃料プラズマ層の内側（ベータトロンコイルとプラズマとの間）の磁場の強度を表し、一方で曲線Ｂのデータセットは、燃料プラズマ層の外側の磁場の強度を示す。これらのデータは、内側の磁場が、約２３μｓと４７μｓとの間で方向を反転させ（負であり）、一方で外側の場は正のままである（すなわち、方向を反転させない）ことを、明確に示す。反転の時間は、ベータトロンコイルにおける電流の上昇によって制限される。一旦、ベータトロンコイルにおいてピーク電流に達すると、燃料プラズマ層において誘導される電流は、低下し始め、そしてＦＲＣは急激に崩壊する。今までは、ＦＲＣの寿命は、実験において貯蔵され得るエネルギーによって制限されている。注入および捕捉の実験の場合と同様に、この系は、より長いＦＲＣ寿命および反応器に関連するパラメータへの加速を提供するように向上され得る。
【０１０３】
全体的に、この技術は、コンパクトなＦＲＣを作製するのみでなく、頑丈かつ実行が簡単でもある。最も重要なことには、この方法によって作製された基礎のＦＲＣは、任意の所望のレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に容易に加速され得る。このことは、融合の適用および古典的な高エネルギー燃料ビームの閉じ込めのために重要である。
【０１０４】
（融合）
重要なことに、上記の閉じ込め系３００などの内側にＦＲＣを形成するためのこれら２つの技術は、内部で核融合を起こすために適切な特性を有するプラズマを生じ得る。より具体的には、これらの方法によって形成されたＦＲＣは、任意の所望のレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速され得る。このことは、融合の適用および古典的な高エネルギー燃料ビームの閉じ込めのために重要である。従って、閉じ込め系３００において、高エネルギーのプラズマビームを、融合反応を起こすために十分な時間にわたって捕捉し、そして閉じ込めることが可能となる。
【０１０５】
融合に適応するために、これらの方法により形成されるＦＲＣは、好ましくは、ベータトロン加速による回転エネルギーおよび磁場強度の適切なレベルに加速される。しかし、融合は、任意の反応が生じるための物理的条件の特定の設定を要する傾向がある。さらに、燃料の効率的燃焼を達成し、正のエネルギー均衡を得るために、燃料は、長期間にわたり実質的に変化しないでこの状態に維持されなければならない。このことは、高い運動学的温度および／または高い運動エネルギーが融合関連状態を特徴付けるので、重要である。従って、この状態の作製は、かなり大きなエネルギー投入（燃料の大部分が融合すると回収され得る）を必要とする。結論として、燃料の閉じ込め時間は、燃料の燃焼時間よりも長くなければならない。このことは、正のエネルギー均衡をもたらし、結果的に正味のエネルギー生産をもたらす。
【０１０６】
本発明の大きな利点は、本明細書中に記載の閉じ込めシステムおよびプラズマが長い閉じ込め時間（すなわち、燃料の燃焼時間を超える閉じ込め時間）を可能にすることである
。従って、融合の代表的な状態は、以下の物理的条件（この条件は、燃料および操作モードに基づいて変化する傾向がある）により特徴付けられる：
平均イオン温度：約３０〜２３０ｋｅＶの範囲、好ましくは約８０〜２３０ｋｅＶの範囲
平均電子温度：約３０〜１００ｋｅＶの範囲、好ましくは約８０〜１００ｋｅＶの範囲
燃料ビーム（注入されるイオンビームおよび循環プラズマビーム）のコヒーレントエネルギー：約１００ｋｅＶ〜３．３ＭｅＶ、好ましくは約３００ｋｅＶ〜３．３ＭｅＶの範囲
総磁場：約４７．５〜１２０ｋＧの範囲、好ましくは約９５〜１２０ｋＧ（約２．５〜１５ｋＧの範囲、好ましくは約５〜１５ｋＧの範囲の磁場を外部から印加する）
古典的閉じ込め時間：燃料燃焼時間より大きく、好ましくは、約１０〜１００秒の範囲
燃料イオン密度：約１０１４〜１０１６ｃｍ−３未満の範囲、好ましくは約１０１４〜１０１５ｃｍ−３の範囲
総融合電力：好ましくは約５０〜４５０ｋＷ／ｃｍ（チャンバ長１ｃｍあたりの電力）。
【０１０７】
上記に例示される融合状態に適応させるために、ＦＲＣを好ましくは、約１００ｋｅＶ〜３．３ＭｅＶの範囲、より好ましくは約３００ｋｅＶ〜３．３ＭｅＶの範囲のコヒーレント回転エネルギーのレベル、ならびに好ましくは約４５〜１２０ｋＧの範囲、より好ましくは約９０〜１１５ｋＧの範囲の磁場強度のレベルに加速させる。これらのレベルにて、高エネルギーイオンビームがＦＲＣに注入され得、プラズマビーム層を形成するようにトラップされ得る。このプラズマビーム層で、このプラズマビームイオンは磁場により閉じ込められ、プラズマビーム電子は静電的に閉じ込められる。
【０１０８】
好ましくは、電子温度は、実際にできるだけ低い温度に維持されて、制動放射（ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）の量が減少される。そうでなければ、制動放射は、放射エネルギー損失をもたらし得る。本発明の静電エネルギーウェルは、このことを達成する効率的手段を提供する。
【０１０９】
イオン温度は、好ましくは、効率的燃焼を提供するレベルに維持される。なぜなら、融合断面積は、イオン温度の関数であるからである。燃料イオンビームの高い直接エネルギーは、この適用において議論されるように、古典的な伝達を提供するために必須である。これはまた、燃料プラズマに対する不安定性の効果を最小にする。磁場は、ビーム回転エネルギーと一致する。磁場は、プラズマビームにより部分的に作製され（自己磁場）、次に、サポートを提供し、所望の軌道にプラズマビームを維持させる。
【０１１０】
（融合生成物）
融合生成物は、零曲面８６近辺で顕著に電力コアにて生成される。この零曲面から、融合生成物は、セパラトリクス８４に向かう拡散により発生する（図２および４を参照のこと）。このことは、電子との衝突に起因する。（イオンとの衝突は、質量中心を変化させず、従って磁力線を変化させないからである）。それらの高い運動エネルギー（生成物イオンは、燃料イオンよりはるかに高いエネルギーを有する）に起因して、融合生成物は、セパラトリクス８４を容易に横断し得る。一旦融合生成物がセパラトリクス８４を超えると、これらは、イオン−イオン衝突からの散乱を経るのであれば、開放磁力線（ｏｐｅｎ
ｆｉｅｌｄ  ｌｉｎｅ）８０に沿って離れ得る。この衝突プロセスは拡散をもたらさないが、イオン速度ベクトルの方向を変更し得る。その結果、このイオン速度ベクトルの方向は、磁場に対して並行に向く。これらの開放磁力線８０は、コアのＦＲＣ位相を、ＦＲＣ位相の外側にもたらされた均一に印加された場で繋ぐ。生成物イオンは、異なる磁力線上で発生し、エネルギーの分布をたどる。有利なことには、生成物イオンおよび電荷中和電子（ｃｈａｒｇｅ−ｎｅｕｔｒａｌｉｚｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）は、燃料プラズ
マの両方の端部から回転アニュラービームの形態にて発生する。例えば、ｐ−Ｂ１１反応の５０ＭＷ設計に関しては、これらのビームは、約５０ｃｍの半径および約１０ｃｍの厚みを有する。セパラトリクス８４の外側に見出される強い磁場（代表的には、約１００ｋＧ）において、生成物イオンは、大部分のエネルギー生成物イオンについて、最小値約１ｃｍから最大値約３ｃｍまで変化する回転半径の関連分布を有する。
【０１１１】
最初に、生成物イオンは、１／２  Ｍ（ｖｐａｒ）２および１／２  Ｍ（ｖｐｅｒｐ）２により特徴付けられる縦エネルギー（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｅｎｅｒｇｙ）ならびに回転エネルギーを有する。ｖｐｅｒｐは、軌道中心としての磁力線の周りの回転と関連する方位速度（ａｚｉｍｕｔｈａｌ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）である。磁力線が、ＦＲＣ位相の付近を離れた後に分散するので、総エネルギーが一定なままであると同時に回転エネルギーは、減少する傾向がある。これは、生成物イオンの磁気モーメントの断熱不変性の結果である。磁場において軌道を描いて周る荷電粒子が、それらの運動と関連する磁気モーメントを有することは、当該分野で周知である。ゆっくりと変化している磁場に沿って粒子が動く場合、１／２  Ｍ（ｖｐｅｒｐ）２／Ｂにより記載される運動の断熱不変性がまた存在する。それらそれぞれの磁力線の周りを、軌道を描いて周る生成物イオンは、磁気モーメントおよびそれらの運動と関連するそのような断熱不変量を有する。Ｂは、約１０分の１減少する（磁力線の広がりによって示される）ので、結果としてｖｐｅｒｐが同様に約３．２分の１減少する。したがって、生成物イオンが均一な場の領域に達するときまで、それらの回転エネルギーは、それらの総エネルギーの５％未満である；言い換えると、そのエネルギーのほとんど全てが、縦成分である。
【０１１２】
（エネルギー変換）
本発明の直接エネルギー変換システムは、プラズマ−電力生成システム４００を形成するために、図１９Ａおよび２０Ａに示される、衝突ビーム融合反応炉（ｒｅａｃｔｏｒ）（ＣＢＦＲ）４１０の（部分的に例示された）電力コア４３６に連結された逆サイクロトロン変換器（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（ＩＣＣ）４２０を備える。第２のＩＣＣ（示されず）は、ＣＢＦＲ４１０の左に対称的に配置され得る。磁力カスプ４８６は、ＣＢＦＲ４１０とＩＣＣ４２０との間に位置し、ＣＢＦＲ４１０およびＩＣＣ４２０の磁場が統合するときに形成される。
【０１１３】
ＩＣＣ４２０およびその操作を詳細に記載する前に、代表的サイクロトロン加速器の総説が提供される。従来のサイクロトロン加速器は、磁場に対して垂直の速度を有するエネルギーイオンが、旋回して回転する。エネルギーイオンの軌道半径は、磁場強度およびそれらの電荷  対  質量比により決定され、エネルギーとともに増す。しかし、そのイオンの回転周波数（ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、それらのエネルギーとは無関係である。この事実は、サイクロトロン加速器の設計において活用されている。
【０１１４】
図２１を参照すると、従来のサイクロトロン加速器７００は、２つの鏡像Ｃ型電極７１０を備え、対称的な電極平面（すなわち、そのページの平面）に対して垂直な磁力線を有する均質の磁場７２０に配置された鏡像Ｄ型空洞（ｃａｖｉｔｙ）を形成する。振動電圧（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）がＣ型電極の間に印加される（図２１Ｂを参照のこと）。イオンＩは、サイクロトロン７００の中心に配置された供給源から発射される。磁場７２０は、そのイオンの回転周波数が、電圧および関連する電場の周波数と適合するように調節される。イオンＩが、電場の方向と同じ方向にてＣ型電極７１０の間の間隙７３０を横断する場合、イオンＩが加速される。イオンＩを加速することにより、そのエネルギーおよび軌道半径は増大する。このイオンが半周円弧を移動したとき（エネルギーの増加はない）、このイオンは間隙７３０を再び横断する。ここでＣ型電極７１０の間の電場が逆方向を有する。このイオンＩは、再び加速され、そのエネルギーはさらに増大される。このプロセスは、イオンの回転周波数が振動電場の周
波数に適合し続けるのであれば、イオンが間隙７３０を横断するたびにごとに繰り返される（図２１Ｃを参照のこと）。他方で、電場が反対の方向にあるときに粒子が間隙７３０を横断する場合、粒子は減速され、中心の供給源に戻る。磁場７２０に対して垂直な初速度を有し、振動電場の適切な相にある間隙７３０を横断する粒子のみが、加速される。従って、適切な相適合は、加速に必須である。
【０１１５】
原則的に、サイクロトロンを使用して、同一のエネルギーイオンのペンシルビームから運動エネルギーを抽出し得る。サイクロトロンを用いたイオンの減速（しかしエネルギー抽出（ｅｎｅｒｇｙ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）はない）が、ＢｌｏｃｈおよびＪｅｆｆｒｉｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．８０，３０５（１９５０）により記載されるように、プロトンについて観察された。イオンは、振動場に対して減速相にもたらされるように、空洞へ注入され得る。次いで、そのイオンの全てが、図２１Ａに示される加速イオンの軌道Ｔが逆になる。電場との相互作用に起因してイオンが減速するので、それらの運動エネルギーは、サイクロトロンが一部である電気回路における振動電気エネルギーに変換される。電気エネルギーへの直接変換が達成され、非常に高い効率で生じる傾向がある。
【０１１６】
実際に、イオンビームのイオンは、全ての可能な相でサイクロトロンに入る。変動する相がサイクロトロンの設計において補償されるのでなければ、そのイオンの半分が加速され、他の半分は減速される。結果として、最大変換効率は、実際上、５０％である。さらに、上記で議論されたアニュラー融合生成物イオンビーム（ａｎｎｕｌａｒ  ｆｕｓｉｏｎ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｉｏｎ  ｂｅａｍｓ）は、従来のサイクロトロンについての適切な外形である。
【０１１７】
以下でより詳細に議論されるように、本発明のＩＣＣは、融合炉電力コアのＦＲＣを出る融合生成物ビームのアニュラー特性（ａｎｎｕｌａｒ  ｃｈａｒａｃｔｅｒ）ならびにビーム内のイオンのランダム相対位相（ｒａｎｄｏｍ  ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｐｈａｓｅ）およびそれらのエネルギーの拡がりに適合する。
【０１１８】
図１９Ａに戻ると、ＣＢＦＲ４１０の電力コア４３６の一部は、左側に例示され、ここでプラズマ燃料コア４３５は、外側磁場コイル４２５により印加される磁場に部分的に起因して、形成されるＦＲＣ４７０中に閉じ込められる。このＦＲＣ４７０は、閉じた磁力線４８２、セパラトリクス４８４および開放磁力線４８０を備え、これは、上記のように、融合生成物のアニュラービーム４３７の特性を決定する。その開放磁力線４８０は、電源コア４３６から磁力カスプ４８６に向かって拡がる。上記のように、融合生成物は、エネルギーイオンおよび電荷中和電子を含むアニュラービーム４３７の形態で開放磁力線４８０に沿って電力コア４３６から発生する。
【０１１９】
ＩＣＣ４２０の外形は、約５ｍの長さを有する中空円筒状である。好ましくは、小さな直線間隙４９７を有する、４以上の、等しく半円筒状の電極４９４が、円筒状表面を構成する。操作時に、振動電圧は、交互になった様式にて、電極４９４に印加される。コンバーター内の電場Ｅは、図１９Ｂに例示される端部図において示されるように、四重極構造を有する。電場Ｅは、対称軸上で消失し、その半径に対して線形的に増大し；ピーク値は、間隙４９７にて存在する。
【０１２０】
さらに、このＩＣＣ４２０は、外部場コイル４８８を備え、一様な場をＩＣＣの中空シリンダー形状中に形成する。電流がＣＢＦＲ場コイル４２５の中を流れる方向と反対の方向に、電流がこのＩＣＣ場コイル４８８中を流れるので、このＩＣＣ４２０内の磁力線（ｆｉｅｌｄ  ｌｉｎｅ）４９６は、ＣＢＦＲ４１０の開磁力線（ｏｐｅｎ  ｆｉｅｌｄ  ｌｉｎｅ）４８０と方向と反対の方向に流れる。ＣＢＦＲ４１０の電力コア（ｐｏｗｅｒ
ｃｏｒｅ）４３６から最も離れた末端において、このＩＣＣ４２０は、イオンコレクタ
ー（ｉｏｎ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）４９２を備える。
【０１２１】
ＣＢＦＲ４１０とＩＣＣ４２０と間に、対称磁気カスプ（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｕｓｐ）４８６が存在し、ここで、ＣＢＦＲ４１０の開磁力線４８０が、ＩＣＣ４２０の磁力線４９６と合流する。輪形状の電子コレクター４９０は、磁気カスプ４８６の反対の位置であり、そして電気的にイオンコレクター４９８に結合する。上で議論したように、磁気カスプ４８６の磁場は、ビーム４３７の軸方向速度（ａｘｉａｌ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を高効率で回転速度に変換する。図１９Ｃは、コンバーター４２０内の代表的なイオン軌道４２２を例示する。
【０１２２】
ＣＢＦＲ４１０は、円筒状の対称性を有している。その中央に存在するのは、融合反応が生じるＦＲＣ４７０磁場トポロジーに中に含まれる融合プラズマコア４３５を伴った融合電力コア４３６である。言及したように、反応核および電荷を中和する電子が、燃料プラズマ４３５の両端からの軸ビーム４３７として現れる。ｐ−Ｂ１１反応の５０ＭＷデザインについての例として、これらのビームは、約５０ｃｍの半径および約１０ｃｍの厚さを有する。この軸ビームは、密度
【０１２３】
【数１８】
2008008906.tif 000021
を有している。このような密度のために、磁気カスプ４８６は電子とイオンを分離する。これらの電子が、電子コレクター４９０への磁力線をたどり、イオンがカスプ４８６を通り、ここで、これらのイオン軌道（イオントラジェクトリ）は、ＩＣＣ４２０の長さに沿った実質的にらせん状に経路をたどるように修正される。イオンが、共振回路（図示せず）に連結した電極４９４をらせん状に通過するときに、これらのイオンからエネルギーが取り出される。垂直（位置）エネルギーの損失は、電極に４９４の近くを初めに循環する最も高いエネルギーのイオンに対して最大であり、ここで、電場は最も強い。
【０１２４】
これらのイオンが磁場カスプ４８６に到達すると、回転エネルギーは、初期の総エネルギー、すなわち
【０１２５】
【数１９】
2008008906.tif 000022
にほぼ等しくなる。イオンが磁気カスプ４８６に達するときの、イオンのエネルギーおよびイオンの初期半径ｒ０の分布が存在する。しかし、これらの初期半径ｒ０は、初期速度ｖ０におおよそ比例する傾向がある。動径方向の磁場および動径方向のビーム速度は、方位角方向にローレンツ力を生じる。このカスプ４８６における磁場は、粒子エネルギーを変化させないが、初期軸方向の速度
【０１２６】
【数２０】
2008008906.tif 000023
を残りの軸方向速度ｖｚおよび方位角方向速度
【０１２７】
【数２１】
2008008906.tif 000024
に変換する。方位角方向速度
【０１２８】
【数２２】
2008008906.tif 000025
の値は、共役運動量
【０１２９】
【数２３】
2008008906.tif 000026
の保存により決定され得る。
【０１３０】
ビームイオンは、カスプ４８６の左側に入り込み、ここで、
【０１３１】
【数２４】
2008008906.tif 000027
である。これは、カスプ４８６の右側に現れ、ここで、
【０１３２】
【数２５】
2008008906.tif 000028
である。これらのイオンの回転振動数は、約１〜１０ＭＨｚ、好ましくは、５〜１０ＭＨｚ（これは、電力生成が生じる振動数である）の範囲にある。
これらのイオンがカスプ４８６を通過するために、有効イオンジャイロ半径は、半径ｒ０でのカスプ４８６の幅よりも長くなければならない。１０分の１に軸方向速度を低減し、その結果、残差軸方向エネルギーが１００分の１に低減することは、実験的に極めて実行可能である。従って、このイオンエネルギーの９９％は、回転エネルギーに変換される。このイオンビームは、ｖ０おおよびｒ０についての値の分布を有している。しかし、ｒ０が、ＦＲＣに基づくリアクターの特性により上に示されるようにｖ０に比例しているので、回転エネルギーへの変換効率は全てのイオンについて９９％の傾向にある。
【０１３３】
図１９Ｂに示されるように、本発明のＩＣＣ４２０の対称電極構造は、好ましくは、４つの電極４９４を備える。タンク回路（示さず）は、瞬時電圧および電場を例示したようにするために、電極構造４９４に連結される。電圧およびタンク回路は、振動数ω＝Ω０で振動する。ギャップ４９７での方位角方向の電場を、図１９Ｂおよび図２２に示す。図２２は、電極４９４の間のギャップ４９７における電場、およびイオンが角速度Ω０で有して回転するときに受ける電場を例示する。完全な回転において、この粒子は、初期位相によって決定されるオーダーで加速度および減速度を交互に受けることは明らかである。方位角方向の電場Ｅθに加えて、動径方向の電場Ｅｒがまた、存在する。方位角方向の電場Ｅθがギャップ４９７において最大となり、そして、半径が減少するに従って減少する。図２２は、粒子が、一定の半径を維持しながら回転することを仮定している。電場の勾配のために、減速度が通常加速度よりも常に優勢になる。加速度の相は、イオン半径を増大させ、その結果、そのイオンが次に減速度する電場を受けたときに、このイオン半径が
より大きくなる。この減速度相は、イオンの初期位相に依存せずに優勢となる。なぜならば、軸方向電場Ｅθの動径方向の勾配は、常に、正であるからである。結果として、エネルギー保存効率は、従来のサイクロトロンと関連する初期位相問題に起因して、５０％までに減少される。電場Ｅｒはまた、重要である。これはまた、振動して、そして図１９Ｃにおけるような軸に垂直な平面にてゼロ（０）速度を有するもともとの半径にビームトラジェクトリを戻す、動径方向の正味の効果を生じる。
【０１３４】
イオンが常に減速されるプロセスは、米国特許第２，７３６，７９９号に記載の現在の加速器の本質的な特徴である強力な焦点化（ｓｔｒｏｎｇ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ）の原理に類似している。正の（焦点化（ｆｏｃｕｓｉｎｇ））レンズおよび負の（脱焦点化（ｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇ））レンズの併用は、磁場が正の勾配を有している場合に、正である。強力な焦点化四極子二重レンズ系を図２３に例示した。第１のレンズは、ｘ軸において焦点化し、そしてｙ軸において脱焦点化する。第２のレンズは、互いに取りかえられたｘ軸特性およびｙ軸特性に類似している。対称軸に磁場は消失し、そして、正の動径方向の勾配を有する。両方のレンズを介して通過するイオンビームについての正味の結果は、経路の順序に依存しない全方向に焦点化する。
【０１３５】
類似の結果が、強力な軸方向磁場を含み、そして、ＴＥ１１１モードで作用する共振性空胴を通過するビームについて報告されている（Ｙｏｓｈｉｋａｗａら、参照のこと）。このデバイスは、ペニオトロン（ｐｅｎｉｏｔｒｏｎ）と呼称される。ＴＥ１１１モードにおいて、共振性空胴は、電場が四極子対称性を有している定在波を有している。これらの結果は、本明細書中に記載の結果のいくつかと定量的に類似している。共振性空胴がサイズにしてはるかに大きく（１０ｍ長）、そしてずっと高振動数（１５５ＭＨｚ）かつ高磁場（１０Ｔ）で作用する点で、定量的な差異が存在する。高振動数波からのエネルギーの抽出は、レクテナを必要とする。このビームのエネルギースペクトルは、変換効率を減少させる。２種類のイオンの存在は、より重大な問題であるが、変換効率は、１５ＭｅＶのプロトンを生成するＤ−Ｈｅ３リアクターにとって十分である。
【０１３６】
ＩＣＣ４２０の中の粒子についての単一粒子の軌道４２２を、図１９Ｃにおいて例示する。この結果を、コンピュータシミュレーションにより得て、そして、類似の結果をペニトロンについて得た。ある半径ｒ０でのイオンの流入は、ＩＣＣの長さに沿って、らせん状に進み、そして、初期の回転エネルギーを消失した後に、同じ半径ｒ０の円上の点に収束する。この初期条件は、非対称性であり；最終状態はその非対称性を反映するが、それは初期位相に依存せず、全ての粒子が減速度される。ＩＣＣのイオンコレクター端部でのビームは繰り返して軸状であり、同様の寸法である。この軸方向速度は、１０分の１に減少され、そして密度はそれに対応して増大した。単一粒子について、抽出効率９９％は、実行可能である。しかし、種々の因子（例えば、軸方向ビームが変換器に入る前の軸方向ビームの垂直方向の回転エネルギー）が約５％分この効率を低減し得る。電力抽出は、約１〜１０ＭＨｚ、そして、好ましくは、５〜１０ＨＭｚであり、その結果、パワーグリッドに連結するパワーコンディショニングに起因して変換効率のさらなる低減を与える。
【０１３７】
図２０Ａおよび２０Ｂにおいて示すように、ＩＣＣ４２０における電極構造４９４の代替的実施形態は、２つの対称的な半円状電極および／またはイオンコレクター４９２に向かってテーパー状となったテーパー状電極４９４を備え得る。
【０１３８】
ＩＣＣ４２０の主要磁場内部のイオン動力学に対する調節は、図２４Ａおよび図２４Ｂに示されるように、２つの補助コイルセット５００および５１０を使用して実装され得る。コイルセット５００および５１０は、ともに反対方向の電流を伴った隣接するコンダクターを備え、よって、磁場は、狭い幅を有する。磁場勾配は、図２４Ａにおいて概略図として例示されるように、イオン回転の振動数および位相を変化させる。図２４Ｂに概略図
として示されるように、多極の磁場は、線形加速器中と同様に集群を生じる。
【０１３９】
（反応器（リアクター））
図２５は、１００ＭＷのリアクターを例示する。外皮切断面としたジェネレーター（発生器）は、一様な磁場を印加するための超伝導コイルおよび磁場逆転（ｆｉｅｌｄ−ｒｅｖｅｒｓｅｄ）トポロジーを有する磁場を形成するためのフラックスコイル（ｆｌｕｘ  ｃｏｉｌ）を備える融合電力コア領域を例示する。融合電力コア領域の隣接する対立端は、融合生成物の運動エネルギーの電力への直接的な変換のためのＩＣＣエネルギーコンバーター（エネルギー変換器）である。このようなリアクターのための支持装置を、図２６において図示する。
【０１４０】
（推進システム）
図２７は、プラズマスラスト推進システム８００を例示する。このシステムは、融合燃料コア８３５が含まれ、融合生成物が軸ビーム８３７の形態でその末端から現れるＦＲＣ電力コア８３６を備える。ＩＣＣエネルギーコンバーター８２０は、電力コアの１つの端に結合される。磁気ノズル８５０はこの電力コアのもう一方の端に隣接して位置付けられる。融合生成物の輪状ビーム８３７は、融合電力コアの一方の端から、磁力線にそって、エネルギー変換のためにＩＣＣへと流れ、そして、電力コアのもう一方の端から。そのスラストＴのためにノズルから出る磁力線に沿って流れる。
【０１４１】
本発明は、種々の改変および代替的な形態を受けやすいが、その具体的な例を図面に示し、そして、本明細書中において詳細に記載する。しかし、本発明は、開示された特定の形態に限定されず、逆に、本発明は、特許請求の範囲の趣旨および範囲内にある、全ての改変物、等価物および代替物に及ぶことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
好ましい実施形態は、添付の図面の図において、例として示されるが、限定としては示されておらず、ここで、同じ参照番号は同じ構成要素を参照する。
【図１】図１は、本発明の例示的な閉じ込めチャンバを示す。
【図２】図２は、ＦＲＣの磁場を示す。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ、ＦＲＣの反磁性方向および逆反磁性（ｃｏｕｎｔｅｒｄｉａｍａｇｎｅｔｉｃ）方向を示す。
【図４】図４は、本発明の衝突ビームシステムを示す。
【図５】図５は、ベータトロン軌道を示す。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、ＦＲＣにおける磁場および勾配ドリフトの方向を示す。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、ＦＲＣにおける電場および
【数２６】
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ドリフトの方向を示す。
【図８】図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、イオンドリフト軌道を示す。
【図９】図９Ａおよび図９Ｂは、ＦＲＣの端部でのローレンツ力を示す。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、衝突ビームシステムにおける電場および電位の調整を示す。
【図１１】図１１は、マクスウェル分布を示す。
【図１２】図１２Ａおよび図１２Ｂは、大きい角度のイオン−イオン衝突に起因する、ベータトロン軌道からドリフト軌道への移動を示す。
【図１３】図１３Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、小さい角度の電子−イオン衝突を考慮した場合の、ベータトロン軌道を示す。
【図１４】図１４は、閉じ込めチャンバに入る前に電気的に分極された場合の、中和されたイオンビームを示す。
【図１５】図１５は、閉じ込めチャンバ内にプラズマを接触させた場合の、中和されたイオンビームの正面図である。
【図１６】図１６は、始動手順の好ましい実施形態による、閉じ込めチャンバの概略側面図である。
【図１７】図１７は、始動手順の別の好ましい実施形態による、閉じ込めチャンバの概略側面図である。
【図１８】図１８は、ＦＲＣの形成を指向するＢ点プローブの追跡を示す。
【図１９Ａ】図１９Ａは、逆サイクロトロン直接型エネルギー変換器に連結された衝突型ビーム核融合反応器を備える、粒子プラズマ電力発生システムを示す。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、図１９Ａの逆サイクロトロン変換器の末端図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、逆サイクロトン変換器のイオンの軌道を示す。
【図２０Ａ】図２０Ａは、逆サイクロトン変換器の代替の実施形態に連結された衝突型ビーム核融合反応器を備える、粒子プラズマ電力発生システムを示す。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、図２０Ａの逆サイクロトロン変換器の末端図である。
【図２１】図２１Ａは、従来のサイクロトン内部での粒子軌道を示す。図２１Ｂは、振動電場を示す。図２１Ｃは、加速粒子の変化エネルギーを示す。
【図２２】図２２は、角速度を有するイオンによって経験されるＩＣＣの電極間のギャップにおける、方位角電場を示す。
【図２３】図２３は、集束四重極双極レンズを示す。
【図２４Ａ】図２４Ａは、補助磁場コイルシステムを示す。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、補助磁場コイルシステムを示す。
【図２５】図２５は、１００ＭＷの反応器を示す。
【図２６】図２６は、反応器支持設備を示す。
【図２７】図２７は、プラズマスラスト推進システムを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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９】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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