СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ПЛАЗМЫ
SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING MAGNETIC FIELD OF PLASMA

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к системе и способу управления временем ослабления магнитного поля плазмы и, в частности, к системе и способу управления устойчивостью плазмы путем управления магнитным полем плазмы.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Если в настоящем документе не указано иначе, материалы, описанные в настоящем разделе, не являются известным уровнем техники для заявляемых объектов в этой заявке и включением в этот раздел не признаются известным уровнем техники.
Плазма - это состояние вещества, подобное газу, в котором, по меньшей мере, часть частиц ионизирована. Присутствие заряженных частиц (например, положительных ионов и отрицательных электронов) делает плазму электропроводной. Плазма с магнитным полем, достаточно сильным, чтобы влиять на движение заряженных частиц, называется замагниченной плазмой. Тор плазмы - это самоподдерживающаяся замагниченная плазма тороидальной формы со связанными полоидальными и тороидальными (в некоторых случаях) замкнутыми силовыми линиями магнитного поля. Тороидальное магнитное поле содержит силовые линии магнитного поля, проходящие параллельно магнитной оси тора плазмы. Тороидальное поле создается током, протекающим в полоидальном направлении вокруг магнитной оси плазмы. Полоидальное магнитное поле содержит силовые линии магнитного поля, проходящие вокруг магнитной оси тора плазмы, и создается током, протекающим в тороидальном направлении параллельно магнитной оси. Поскольку силовая линия магнитного поля совершает много витков вокруг плазмы в тороидальном и полоидальном направлении, она определяет «поверхность потока» с постоянным радиусом от магнитной оси плазмы. Степень сцепления полоидальных и тороидальных магнитных потоков определяет спиральность тора плазмы. Тор плазмы, содержащийся в односвязном объеме, называется компактным тороидом (КТ). Конфигурация КТ может включать, например: конфигурацию сферомака (сферического токамака), существующую близко к устойчивому магнитогидродинамическому равновесию, с внутренним магнитным полем, характеризующимся наличием как тороидальных, так и полоидальных составляющих, или обращенную конфигурацию поля (ОКП), также характеризующуюся тороидальной магнитной топологией, но могущую быть более удлиненной в аксиальном направлении с наружной поверхностью, подобной вытянутому эллипсоиду, и имеющую, в основном, полоидальное магнитное поле без тороидальных составляющих магнитного поля. Плазмы с конфигурацией КТ могут быть образованы с целым рядом магнитных конфигураций, включая конфигурации, существующие в состояниях между состояниями сферомака и ОКП. Другие конфигурации замагниченной плазмы включают токамаки, пинчи с обращенным полем (ПОП) и стеллараторы, все из которых используют наружные катушки для создания тороидального магнитного поля на стенке камеры удерживания плазмы (камеры сохранения потока). В отличие от них сферомаки и ОКП не имеют наружных катушек для создания тороидального магнитного поля плазмы, а магнитные поля создаются токами, протекающими в плазме.
Управляемая термоядерная реакция основана на реакции синтеза легких ядер, присутствующих в плазме, для образования более тяжелых ядер. Плазма должна удерживать ядра в течение достаточно продолжительного времени, чтобы позволить достаточному количеству этих ядер пройти реакцию синтеза. Следовательно, стабилизация плазмы и поддерживание ее устойчивой конфигурации является очень важным для любой системы реакции синтеза и схемы реакции синтеза. В случае конфигураций замагниченной плазмы ключевым свойством плазмы, относящимся к устойчивости плазмы и характеристикам плазмы, является магнитное поле (полоидальная и/или тороидальная составляющая поля).
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно одному аспекту предлагается система для управления ослаблением магнитного поля плазмы. Система содержит контроллер, содержащий устройство ввода, процессор и устройство вывода. Несколько датчиков, расположенных в разных радиальных, осевых и угловых положениях, предусмотрены для подачи сигналов по меньшей мере одного параметра плазмы в устройство ввода контроллера. Предусмотрен источник питания, связанный с устройством вывода контроллера. Источник питания предназначен для подачи в систему одного или нескольких импульсов дополнительного осевого тока, чтобы увеличить тороидальное поле плазмы. Источник питания содержит средство для регулирования постоянной времени индуктивность/сопротивление (L/R), чтобы регулировать время ослабления тока импульсов тока. Контроллер содержит запоминающее устройство, содержащее программный код, исполняемый процессором для обработки сигналов, полученных от нескольких датчиков, для обнаружения неравномерности в сигналах, полученных от этих датчиков, и при обнаружении неравномерности в сигнале по меньшей мере одного датчика запускает источник питания для подачи импульса осевого тока. Постоянную времени L/R силовой системы (источника питания) настраивают короче наименьшего времени ослабления полоидального поля плазмы.
Согласно еще одному аспекту контроллер дополнительно содержит программный код, исполняемый процессором для расчета отношения тороидального магнитного поля плазмы к полоидальному и сравнения рассчитанного отношения с эмпирически полученным нижним пороговым значением. Контроллер запускает источник питания для подачи импульса дополнительного (осевого) тока, если расчетное отношение ниже нижнего порогового значения. Контроллер дополнительно содержит программный код, исполняемый процессором для поддерживания отношения магнитных полей между нижним пороговым значением и верхним пороговым значением.
Согласно одному аспекту контроллер дополнительно содержит программный код, исполняемый процессором для обнаружения колебаний в сигналах, полученных от нескольких датчиков. При обнаружении неравномерности в сигнале по меньшей мере одного из датчиков подают импульс дополнительного осевого тока.
Контроллер дополнительно содержит программный код, исполняемый процессором для расчета режима неустойчивости плазмы по фазе колебаний в сигналах датчиков, расположенных в разных угловых положениях. Кроме того, программный код исполняется процессором для регулирования времени подачи импульса осевого тока, исходя из рассчитанного режима неустойчивости.
Согласно еще одному аспекту предлагается способ управления временем ослабления магнитного поля плазмы. Способ предусматривает настройку постоянной времени индуктивность/сопротивление (L/R) короче наименьшего времени ослабления полоидального поля замагниченной плазмы; измерение одного или нескольких параметров плазмы несколькими датчиками, расположенными в разных радиальных, осевых и угловых положениях в стенке камеры сохранения потока, для выявления параметров в разных угловых и радиальных положениях от магнитной оси плазмы; обработку сигналов, полученных от нескольких датчиков; выявление неравномерности в полученных сигналах и запуск источника питания для подачи импульса дополнительного осевого тока, исходя из обнаруженной неравномерности в сигнале по меньшей мере одного датчика.
В дополнение к аспектам и вариантам осуществления, описанным выше, дополнительные аспекты и варианты осуществления станут очевидными при изучении последующего подробного описания, выполненного со ссылками на фигуры.
Краткое описание фигур
На всех фигурах для указания соответствия между упоминаемыми элементами позиции могут быть использованы повторно. Фигуры приведены для иллюстрации приведенных в качестве примера вариантов осуществления, описанных в настоящем описании, и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Размеры и относительные положения элементов на фигурах не обязательно выполнены в масштабе. Например, формы различных элементов и углы изображены без соблюдения масштаба, а некоторые из этих элементов произвольно увеличены и расположены для улучшения удобочитаемости фигур.
На фиг. 1 представлен разрез примера системы для генерирования и удерживания плазмы, содержащей плазменный генератор, сохранитель потока и источник питания.
На фиг. 2А представлен график, на котором показаны силовые линии полоидального магнитного поля плазмы, полученные из нескольких датчиков, когда в системе удержания плазмы создается слишком большой осевой ток.
На фиг. 2В представлен график, на котором показаны силовые линии полоидального магнитного поля плазмы, полученные из нескольких датчиков, когда в системе удержания плазмы создается недостаточный осевой ток.
На фиг. 3А и 3В соответственно представлены графики силовых линий полоидального и тороидального магнитных полей плазмы, полученных из нескольких датчиков, когда в системе удержания плазмы осевой ток не создается.
На фиг. 4А и 4В соответственно представлены графики силовых линий полоидального и тороидального магнитных полей плазмы, полученных из нескольких датчиков, когда в системе удержания плазмы создается осевой ток.
На фиг. 5 представлен схематический вид контроллера для управления и регулирования тороидального магнитного поля плазмы.
На фиг. 6А представлен вид сбоку в разрезе примера сохранителя потока, на котором показаны несколько датчиков в разном радиальном положении.
На фиг. 6В представлен вид сверху сохранителя потока, изображенного на фиг. 6А, на котором показаны радиальные и угловые положения нескольких датчиков.
На фиг. 7 представлен график, на котором показан сигнал, полученный из фотоприемника видимого света, и его корреляция с магнитным полем плазмы.
Подробное описание конкретных вариантов осуществления
Как уже отмечалось, большая часть магнитного поля в замагниченной плазме создается токами, протекающими в самой плазме и/или в стенке камеры сохранения потока. Магнитное поле в замагниченной плазме удерживает энергию плазмы путем подавления перехода тепла и частиц из ядра плазмы в ее край. Поскольку путь заряженных частиц в магнитном поле ограничен спиралями, проходящими вдоль силовых линий поля, большое внимание следует уделять обеспечению того, чтобы силовые линии магнитного поля проходили в тороидальном и полоидальном направлениях, но не в радиальном направлении, во избежание прямого маршрута из ядра плазмы в ее край. Отношение тороидального поля к полоидальному полю на поверхности потока можно лучше всего описать путем описывания силовой линии поля и подсчета числа тороидальных витков, которые она совершает до совершения одного полоидального витка, и это число называется коэффициентом запаса устойчивости или коэффициентом q. Термин «профиль q», используемый в тексте настоящего документа, означает значение коэффициента q плазмы вдоль ее радиуса. Коэффициент q в ядре плазмы обычно отличается от коэффициента q на краю плазмы, так что профиль q - это коэффициент q плазмы вдоль ее радиуса. Обычно, коэффициент запаса устойчивости определяют как , где m - колебание в полоидальном направлении, и n - колебание в тороидальном направлении. Если q - рациональное число (число, выраженное как дробь двух целых чисел m и n), а целые числа m и n имеют низкие значения (например, значение тип менее 3), плазма будет резонировать и развивать асимметрию. Часто эта асимметрия вращается вокруг тора и может быть обнаружена фазой сигналов, полученных из датчиков, как колебание во времени. Эта асимметрия может уменьшить удержание тепла конфигурации плазмы.
Сила (сила Лоренца), пропорциональная напряженности магнитного поля и величине тока, протекающего перпендикулярно вектору магнитного поля, будет воздействовать на ток в магнитном поле. Ее можно выразить следующим векторным уравнением:
Только если ток  будет протекать параллельно магнитному полю , тогда на него не будет воздействовать сила Лоренца .
При прикладывании силы Лоренца к плазме (или любому нежесткому телу) она будет ускорять плазму до тех пор, пока не будет отсутствовать чистая сила, приложенная к ней, и в этот момент плазма находится в состоянии равновесия или состоянии отсутствия сил. В случае КТ (который представляет собой самостоятельно замагниченную плазму с внутренними токами и магнитным полем) это равновесие соответствует моменту времени, в который токи протекают параллельно магнитному полю.
mag
Следовательно, есть конкретный относительный профиль тока, при котором ток и магнитное поле везде находятся в равновесии, и ни на какую часть плазмы не действуют силы. В контексте настоящего документа термин «профиль тока» означает величину тока (как функцию радиуса), протекающего в системе в течение определенного периода времени. Как правило, замагниченная плазма характеризуется полоидальным полем и полоидальным током (ток и поле в одном направлении) и тороидальным полем и тороидальным током. Полоидальный ток создает тороидальное поле, а тороидальный ток - полоидальное поле. Если плазма будет везде иметь однородную температуру, время жизни магнитного поля τ плазмы будет соразмерна следующим образом:
е
где Т - температура электронов. Однако плазма не имеет однородной температуры, а это означает, что скорость ослабления тока на краю плазмы (где плазма холоднее) выше, чем в ядре плазмы. Время жизни магнитного поля неоднородной плазмы описывается как:
По мере того как ток ослабевает, равновесие утрачивается, и плазма выталкивается магнитными силами. По мере того как ток на краю плазмы рассеивается, ток из ядра плазмы переносится к краю, что ослабляет ток ядра быстрее, чем прогнозируется, исходя из удельного сопротивления по формуле Спитцера (удельного электрического сопротивления, основанного на столкновениях электронов и ионов).
Следовательно, для того чтобы улучшить удержание плазмы, предполагалось, что в камеру сохранения потока должен проходить дополнительный ток для увеличения тороидального поля плазмы и, таким образом, увеличения профиля q плазмы. Этот импульс или импульсы дополнительного тока создают в сохранителе потока и запускают после ослабления импульса тока образования плазмы. Импульс дополнительного тока создают через стенку сохранителя потока и по центральному стержню (см. центральный стержень 14а на фиг. 1), проходящему через ось тороида. Этот импульс (импульсы) дополнительного тока называют импульсом осевого тока и, в контексте настоящего документа, определяют как ток, который проходит через стенку и центральный стержень камеры сохранения потока и который запускают после ослабления импульса тока образования плазмы.
Удержание тора плазмы становится неустойчивым, когда коэффициент q плазмы достигает рационального числа, такого как 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Опыты с использованием определенных опытных образцов плазменного генератора, изготавливаемых компанией General Fusion, Inc. (г. Бернаби, Канада), показывают, что полоидальное поле ослабевает при ослаблении тока плазмы, в то время конфигурирована тороидальное поле уменьшается с постоянной времени L/R (индуктивность/сопротивление) системы удержания плазмы (например, плазменного генератора). Поскольку полоидальное и тороидальное магнитные поля ослабевают с разными скоростями, коэффициент q увеличивается или уменьшается, пока не достигнет рациональной дроби. В этом момент развивается нестабильность плазмы, вызывающая разрушение удержания плазмы. На фиг. 2А представлен график полоидального поля плазмы во времени, полученного из разных датчиков (по одной кривой на датчик), когда в сохранителе потока создается слишком большой осевой ток. Как можно видеть на графике, изображенном на фиг. 2А, если в сохранителе потока создается слишком большой ток, тороидальное поле увеличивается, и профиль q может подниматься, например, до 1 (в случае, если начальный профиль q плазмы был между  и 1), вызывая вихревое движение (колебания 200) в плазме, приводящее к разрушенным поверхностям потока, быстрой потере энергии и сокращению время жизни плазмы. Так, если полоидальное поле уменьшается быстрее (или тороидальное поле увеличивается быстрее, чем ослабление полоидального поля), профиль q будет увеличиваться, и при достижении q рационального числа (т.е. q=1) плазма становится неустойчивой (например, режим неустойчивости n=1). Это так называемая «чрезмерно поддерживаемая» плазма. На фиг. 2В представлен график полоидального поля плазмы во времени, полученного из разных датчиков (по одной кривой на датчик), когда в сохранителе потока создается недостаточный ток. Если в сохранителе потока создается недостаточный ток, тороидальное поле уменьшается быстрее, чем полоидальное поле, и профиль q будет уменьшаться и может достигнуть  (в случае, если начальный профиль q плазмы был между  и 1), что может привести к неустойчивости плазмы, показанной как колебания 210 (например, режим неустойчивости n=2). Это так называемая «недостаточно поддерживаемая» плазма. Как можно видеть на этом графике, режим нестабильности n=2 может не разрушить плазму (не настолько сильно, как режим n=1), но он сокращает время жизни плазмы, что можно видеть при сравнении графика на фиг. 2В с графиком на фиг. 4А, на котором показано магнитное поле поддерживаемой плазмы (плазмы, существующей, когда в сохранителе потока создают один или несколько импульсов осевого тока). Как можно заметить, время жизни магнитного поля плазмы на фиг. 4А намного продолжительнее (неустойчивости n=2 предотвращены) по сравнению со временем жизни магнитного поля плазмы, показанным на фиг. 2В.
Для того чтобы поддерживать плазму устойчивой, необходимо управлять коэффициентом q плазмы и регулировать его в требуемом диапазоне. Точная настройка и регулировка профиля q плазмы может дать в результате низкие колебания плазмы и улучшенное удержание плазмы. Измерение профиля q плазмы и управление им в реальном времени представляет собой сложную задачу, требующую сложного моделирования. Однако авторы настоящего изобретения нашли, что отношение тороидального поля плазмы к полоидальному полю можно использовать как показатель результатов измерений профиля q. Отношением тороидального поля к полоидальному полю могут активно и в реальном времени управлять и поддерживать его соответствующим эмпирически определенному оптимальному значению, связанному с предопределенным значением q. Согласно одном варианту осуществления этого можно добиться посредством регулирования внешнего источника возбуждения тока. Например, если отношение магнитных полей падает до некоторого эмпирически определенного значения (например, коэффициент q приближается к рациональному числу, например, к ), тороидальное поле можно увеличить, например, путем возбуждения полоидального тока (осевого тока) в камере сохранения потока, что повысит отношение магнитных полей, поддерживая q плазмы между критическим значениями (l/2<q<1).
На фиг. 1 схематически показан пример системы 10 для генерирования и удержания плазмы, содержащей плазменный генератор 12, камеру мишени, такую как сохранитель 14 потока, и источник 22 питания, содержащий подсистему 22а образования источника питания и подсистему 22b поддержания источника питания. Сохранитель 14 потока содержит осевой центральный стержень 14а. Источник 22 питания может представлять собой импульсный источник питания, содержащий одну или несколько батарей конденсаторов для подачи импульса образования, и одну или несколько батарей конденсаторов для подачи дополнительного силового импульса, такого как импульс (импульсы) осевого тока, протекающего через центральный стержень 14а и стенку сохранителя 14 потока. Согласно одному варианту осуществления одна или несколько батарей конденсаторов, которые подают импульс образования, могут подавать также импульс/импульс дополнительного осевого тока. Плазменный генератор 12 предназначен для генерирования замагниченной тороидальной плазмы, такой как, например, сферомак или любая другая подходящая конфигурация замагниченной плазмы. Генератор 12 может содержать наружный электрод 16 и коаксиальный внутренний электрод 15. Внутренний и наружный электроды 15 и 16 образуют между собой кольцевой канал 17 образования плазмы. Плазменный генератор 12 может представлять собой, например, одноступенчатую пушку Маршалла (коаксиальную плазменную пушку) или пушку Маршалла с двумя и более ступенями, которая в дополнение к секции образования содержит секцию (секции) ускорения, предназначенную (предназначенные) для ускорения образованного тора плазмы в сторону сохранителя 14 потока. На фиг. 1 показана одноступенчатая пушка Маршалла без секции ускорения, однако специалисту в данной области техники, понятно, что в пределах объема настоящего изобретения плазменный генератор 12 может представлять собой любой другой известный плазменный генератор, предназначенный для генерирования и/или ускорения тора плазмы в сторону сохранителя 14 потока.
Генератор 12 дополнительно содержит несколько магнитных катушек 18, предназначенных для создания радиального заполняющего магнитного поля для образования полоидального поля плазмы (см. фиг. 2а). Для подачи тока в катушки 18 может быть использован источник питания (отличный от источника 22 питания). Предопределенное количество газа вводят в кольцевой канал 17 через кольцо клапанов 20, расположенных по периферии корпуса генератора (на фиг. 1 показаны лишь два клапана 20, а остальные для наглядности упущены). Каждый из клапанов 20 находится в сообщении по текучей среде с резервуаром газа (не показанным) и предназначен для обеспечения по существу симметричного введения газа в канал 17 образования. Вводимый газ может представлять собой, например, один или несколько изотопов легких элементов, т.е. изотопов водорода (например, дейтерия и/или трития) и/или изотопов гелия (например, гелия-3) или любой другой газ или газовую смесь. Симметричное введение газа вызывает образование кольцевого облака газа в канале 17. Система 10 может быть, по меньшей мере, частично вакуумированной с использованием насосной системы, подсоединенной к отверстию 24 для откачки. В разных осевых положениях вдоль плазменного генератора 12 и/или сохранителя 14 потока могут быть предусмотрены несколько смотровых окон, предназначенных для размещения различных датчиков/детекторов. В разных радиальных или осевых положениях может быть предусмотрена матрица средств диагностики, предназначенных для измерения параметров плазмы (например, магнитного поля, температуры, плотности, примесей), а также параметров системы (например, тока, напряжения и т.д.). Специалисту в данной области техники понятно, что в пределах объема настоящего изобретения может быть использована любая другая конфигурация плазменного генератора, катушек или газовых клапанов.
Перед введением газа в кольцевой канал 17 и перед разрядом тока между электродами 15 и 16 катушки 18 устанавливают заполняющее магнитное поле. Например, это магнитное поле может быть создано за несколько секунд до разряда. После того как газ диффундировал, чтобы заполнить, по меньшей мере, частично канал 17 образования, может быть запущена подсистема 22а образования источника 22 питания (например, батарея конденсаторов образования), вызывая протекание импульса тока образования между электродами 15 и 16. Ток проходит через газ по существу в радиальном направлении, ионизируя газ и образуя плазму. Этот ток может создавать тороидальное магнитное поле в плазме, и градиент магнитного давления может прикладывать силу (силу Лоренца) , которая может вызывать движение плазмы по кольцевому каналу 17 к сохранителю 14 потока. При движении плазмы к сохранителю 14 потока она взаимодействует с заполняющим магнитным полем, создаваемым катушками 18. Сила, смещающая плазму к сохранителю 14 потока, достаточна для преодоления силы натяжения заполняющего магнитного поля, при этом заполняющее поле ослабевает и деформируется продвигающейся плазмой (стадия образования пузырьков). В конечном итоге плазма высвобождается, и при этом магнитное поле может свернуться вокруг плазмы, образуя тор замагниченной плазмы с полоидальным магнитным полем и тороидальным магнитным полем. После того как генератор 12 (например, плазменная пушка) прекращает вводить тороидальный поток, магнитные поля в плазме быстро самоорганизуются для образования тора плазмы, например, сферомака.
После того как импульс образования ослабевает, может быть запущена подсистема 22b поддержания (батарея конденсаторов поддержания) источника 22 для выдачи импульса или импульсов дополнительного тока, так что ток продолжает течь в сохранителе 14 потока (осевом стержне 14а и стенке камеры 14). Этот импульс дополнительного осевого тока находится на более низком уровне по сравнению с начальным импульсом (импульсом формирования). Например, импульс тока формования может составлять примерно 500-900 кА в течение примерно 10-40 мкс. Импульс дополнительного тока может быть примерно 150-250 кА и может рассчитываться для ослабления с постоянной времени L/R (индуктивность/сопротивление) примерно 100 мкс - 5 мс в зависимости от параметров системы. Специалисту в данной области техники понятно, что в пределах объема настоящего изобретения могут быть предусмотрены разные значения для токов или шкал времени L/R. Шкалы времени L/R могут быть изменены путем соответствующего выбора L и/или R, например, путем выбора сопротивления R для данного значения индуктивности L системы 10.
На фиг. 3А представлены примеры полоидального поля плазмы, полученного в экспериментах, проведенных в компании General Fusion Inc., когда в сохранителе 14 потока не возбуждается дополнительный осевой ток, а на фиг. 4А представлено полоидальное поле, когда в сохранителе 14 потока возбуждают дополнительный осевой ток. На фиг. 3В и фиг. 4В представлены тороидальные поля такой неподдерживаемой плазмы и поддерживаемой плазмы соответственно. Как можно заметить, если импульс дополнительного осевого тока не подают, магнитное поле плазмы длится не более примерно 200 мкс (см. фиг. 3А), а при импульсе (импульсах) дополнительного осевого тока (см. фиг. 4А) плазма живет намного дольше (например, примерно 600 мкс). Как показано на фиг. 4А, если в дополнение к импульсу образования запускают импульс дополнительного осевого тока, в начале в течение периода образования тор плазмы претерпевает некоторую турбулентность, но после этой начальной турбулентности становится очень спокойным (устойчивым), пока через 600 мкс не развивается турбулентность, прекращающая существование разряда и плазмы.
В течение периода стабилизации/релаксации плазмы q плазмы будет возрастать или падать в зависимости от того, какое поле - тороидальное или полоидальное - ослабевает быстрее. Нормально, полоидальное поле (от тороидального тока в плазме) ослабевает быстрее, чем тороидальное поле, которое может поддерживаться осевым током. Путем уменьшения индуктивности так, что на протяжении стабилизации q падает, разряд осевого тока можно использовать для поддерживания q далеким от значений рациональных чисел. Для того чтобы активно управлять импульсом дополнительного осевого тока для поддержания плазмы устойчивой в течение более продолжительного времени, предусмотрен контроллер 501 (см. фиг. 5). Поскольку скорость ослабления полоидального поля изменяется от импульса к импульсу (оно ослабевает при ослаблении тока плазмы), тороидальное поле необходимо контролировать и регулировать с учетом скорости ослабления полоидального поля, чтобы профиль q плазмы можно было сохранять приблизительно постоянным при значении, отличном от рациональной дроби, таком как, например, между  и 1 (1/2<q<1). Контроллер 501 содержит устройство ввода, устройство вывода и процессор и может находиться удаленно от системы 10. Контроллер 501 связан с несколькими датчиками 502. Датчики 502 могут выдавать сигналы параметров плазмы во времени. Например, датчики 502 могут представлять собой магнитные датчики (например, датчики B-dot или любые другие подходящие магнитные датчики), которые могут быть установлены в стенке сохранителя 14 потока и/или плазменной пушки 12 и могут быть предназначены для выдачи сигналов полоидального и тороидального полей в плазме. Магнитные датчики могут предоставлять данные магнитного поля плазмы (полоидальной и тороидальной составляющих) в разных осевых/радиальных и/или угловых положениях во времени. На фиг. 6А представлен пример сохранителя 14 потока, показывающий несколько датчиков 502а, расположенных в верхней части сохранителя 14 потока (верхней части стержня 14а), и несколько датчиков 502b, расположенных в нижней части сохранителя 14 потока (нижней части стержня 14а). Датчики 502а и 502b могут представлять собой магнитные датчики, и каждый из этих датчиков может подавать один сигнал для полоидального поля плазмы, а другой сигнал для тороидального поля плазмы. Например, каждый из датчиков 502а, 502b может содержать две отдельные катушки, находящиеся у кончика датчика. Одна из этих катушек может быть ориентирована так, что будет захватывать сигнал полоидального поля плазмы, а другая может быть направлена для измерения тороидального поля плазмы. Каждый из датчиков 502а, 502b имеет разное радиальное, осевое и/или угловое положение, благодаря чему можно измерять магнитное поле в разных осевых, радиальных и/или угловых положениях в плазме во времени. По сигналам из разных датчиков в разных осевых/радиальных положениях можно моделировать силовые линии полоидального и тороидального полей плазмы, и можно экстраполировать профиль q плазмы. На фиг. 6В показаны положения датчики под разными углами. Специалисту в данной области техники понятно, что в пределах объема настоящего изобретения число датчиков и положения могут варьировать. Согласно одному варианту осуществления датчики 502 могут быть датчиками тока или напряжения, которые могут выдавать сигналы полоидального и тороидального токов плазмы. Согласно другому варианту осуществления датчики 502 могут представлять собой интерферометр, рентгеновский светодиод, датчик обнаружения изображения или любые другие датчики, предоставляющие информацию о параметрах плазмы. Например, на фиг. 7 представлен пример сигнала, полученного из датчика видимого света (т.е., оптоволокна), обнаруживающего излучение света из плазмы и его корреляцию с магнитным полем плазмы. Как можно заметить, когда плазма претерпевает некоторую турбулентность/неустойчивости, что показано как колебания 710 сигнала 700 магнитного поля, сигнал 800 видимого света также показывает активность (колебания 810). Следовательно, контроллер 501 может принимать как входные данные сигналы датчиков, других, нежели магнитные датчики, и может обрабатывать эти сигналы для выявления любых неравномерностей (или колебаний) в этих сигналах. Согласно одному варианту осуществления контроллер 501 может получать сигналы всех датчиков, используемых в системе 10.
Сигналы датчиков 502 подают в контроллер 501 как входные данные через устройство ввода. Согласно одному варианту осуществления контроллер 501 может содержать запоминающее устройство с хранящимся в нем программным кодом, который может исполняться процессором для обработки сигналов и определения в реальном времени отношения тороидального поля к полоидальному в каждом месте и/или среднего значения этого отношения. Опытным путем для предварительно определенных параметров системы 10 был найден оптимальный диапазон пороговых значений для этого отношения, для которого экстраполированный профиль q плазмы поддерживается между рациональными значениями (например, между  и 1). Это экспериментально найденное оптимальное значение (оптимальный диапазон) вводится в контроллер 501, при этом контроллер 501 может сравнивать отношение магнитных полей, рассчитанное по сигналам датчиков, и пороговое значение. Если измеренный сигнал отношения магнитных полей близок к нижнему значению оптимального эмпирического порогового значения или ниже его, контроллер 501 посылает выходной сигнал источнику 22 питания на запуск одной или нескольких батарей 22b конденсаторов поддержания для запуска импульса осевого тока с целью увеличения тороидального поля и, таким образом, поддерживания отношения магнитных полей постоянным в пределах эмпирически найденного оптимального диапазона.
Согласно одному варианту осуществления системы 10 подсистема 22b поддержания источника 22 питания содержит катушку индуктивности и/или устройство 26 диода (диодов) на монтажной плате (см. фиг. 1) для регулирования постоянной времени индуктивность/сопротивление (L/R) и создания циркулирующего осевого тока в стенке сохранителя 14 потока и центральном стержне 14а. Ток может регулироваться для ослабления посредством постоянной времени L/R. Это может быть выполнено путем регулирования катушки индуктивности и/или диодов 26. Если постоянная времени L/R настроена слишком длительной, тороидальное поле ослабевает медленнее, чем полоидальное поле, и отношение магнитных полей плазмы будет возрастать, приводя к турбулентности плазмы (режим неустойчивости n=1). Если постоянная времени L/R настроена слишком короткой, тороидальное поле ослабевает быстрее, чем полоидальное поле, и отношение магнитных полей плазмы уменьшается, снова приводя к турбулентности плазмы (режим неустойчивости n=2). Для того чтобы осуществлять сервоуправление импульсом тока, постоянная времени L/R должна настраиваться короче наименьшего времени ослабления полоидального поля, с тем чтобы отношение тороидального магнитного поля к полоидальному могло смещаться вниз. Например, для плазмы со временем жизни магнитного поля 250-300 мкс постоянная времени L/R может быть установлена равной примерно 200 мкс. Вместо использования одновременно всех конденсаторов батареи поддерживания несколько конденсаторов держат в резерве. Когда контроллер 501 указывает, что определенное отношение падает ниже эмпирически полученного порогового значения, он может послать сигнал источнику 22 питания на подключения еще одного конденсатора из батареи 22b поддерживания для увеличения полоидального тока (тороидального поля) и, следовательно, повышения отношения магнитных полей. Например, если отношение тороидального поля к полоидальному падает ниже 0,6, контроллер 501 запускает источник 22 питания для повышения отношения магнитных полей. Однако импульсы дополнительного (осевого) тока, подаваемые для управления отношением магнитных полей, настраивают так, что это отношение никогда не превышает верхний порог, например 0,9. Специалисту в данной области техники понятно, что в пределах объема настоящего изобретения значение постоянной времени L/R и верхнее и нижнее пороговые значения могут быть другими в зависимости от конфигураций плазмы и, таким образом, профиля q плазмы, с которым необходимо поддерживать эту плазму. Таким путем отношение магнитных полей (и косвенно профиль q плазмы) можно поддерживать в пределах оптимального порогового окна, какой бы ни была скорость ослабления полоидального поля.
Когда тор плазмы становится неустойчивым при , неустойчивость проявляется с режимом n=2 и может определяться фазой сигналов, полученных от датчиков 502, расположенных в разных угловых положениях относительно друг друга, которые покажут коррелированную неустойчивость. Когда тор плазмы становится неустойчивым при q=1, неустойчивость демонстрирует режим n=1 и может определяться фазой сигналов, полученных от датчиков 502, расположенных в разных угловых положениях, которые покажут неустойчивость с антикорреляцией.
Согласно одному варианту осуществления процессор может исполнять программный код, обрабатывающий сигналы датчиков 502, таких как магнитные датчики, интерферометры, рентгеновские светодиоды, датчик видимого света или любой другой датчик для обнаружения любых колебаний в сигналах (т.е. колебаний 200, 210 на фиг. 2А, 2В или колебаний 710, 810 на фиг. 7). Эти колебания могут указывать на неустойчивости в плазме, вызванные слишком малым тороидальным магнитным полем. Когда контроллер обнаруживает колебания в сигналах одного или нескольких датчиков, он включает источник 22 питания для подачи импульса дополнительного тока с целью увеличить тороидальное поле плазмы. Согласно одному варианту осуществления контроллер может содержать запоминающее устройство с хранящимся в нем программным кодом, который может исполняться процессором для расчета режима неустойчивости плазмы по фазе колебаний в сигналах, полученных от разных датчиков в разном угловом положении в сохранителе 14 потока. Например, если выявленные колебания указывают на режим неустойчивости 2 (q=1/2), подают импульс дополнительного осевого тока для увеличения тороидального поля плазмы и повышения q плазмы до уровня выше 1/2. В случае если выявленный режим неустойчивости представляет собой режим n=1, контроллер не включает источник питания, но может откорректировать постоянную времени L/R. Согласно еще одному варианту осуществления контроллер 501 может содержать программный код, который может исполняться процессором и который может обрабатывать сигналы, полученные от рентгеновских датчиков, и когда сигнал падает, указывая тем самым на охлаждение плазмы, контроллер 501 может послать сигнал источнику 22 питания на подачу импульса дополнительного осевого тока. Согласно одному варианту осуществления процессор может исполнять программный код, который может обрабатывать любые и все сигналы любых или всех датчиков и может принимать решение относительно включения дополнительного полоидального тока в камере 14, если сигнал по меньшей мере одного из датчиков указывает на развитие неустойчивостей плазмы.
Раскрыты варианты осуществления системы генерирования плазмы с контроллером для управления временем ослабления магнитного поля плазмы. Любой из этих вариантов осуществления может быть использован для генерирования плазмы с высокой плотностью энергии, подходящей для применений в нейтронных генераторах, термоядерном синтезе, при удалении радиоактивных отходов, при производстве нуклеотидов медицинского назначения, для исследований материалов, для дистанционной визуализации внутренней структуры объектов путем нейтронной радиографии и томографии, в рентгеновском генератор и т.д.
Хотя показаны и описаны конкретные элементы, варианты осуществления и применения настоящего изобретения, понятно, что ими объем настоящего изобретения не ограничивается, поскольку в пределах объема настоящего изобретения могут быть внесены изменения и модификации, особенно в свете вышеописанных идей. Так, например, в любом способе или процессе, описанном в настоящем документе, действия или операции, составляющие этот способ/процесс, могут быть выполнены в любой подходящей последовательности и не обязательно ограничиваются любой конкретной раскрытой последовательностью. В различных вариантах осуществления элементы и компоненты могут конструктивно исполняться или располагаться по-иному, комбинироваться и/или исключаться. Различные признаки и процессы, описанные выше, могут быть использованы независимо друг от друга или могут быть объединены различными путями. Предполагается, что все возможные комбинации и подкомбинации входят в объем настоящего изобретения. Ссылки по всему тексту настоящего описания на «некоторые варианты осуществления», «вариант осуществления» и т.п.означают, что конкретные признак, структура, стадия, процесс или характеристика, описанные в связи с этим вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления. Таким образом, появление выражений «согласно некоторым вариантам осуществления», «согласно одному варианту осуществления» и т.п.по всему тексту настоящего описания вовсе не означает, что все они относятся к одному и тому же варианту осуществления - они могут относиться к одному или нескольким одинаковым или разным вариантам осуществления. Действительно, новые способы и системы, описанные в настоящем документе, могут быть воплощены в самых разных иных формах; кроме того, в пределах сущности изобретений, описанных в настоящем документе, возможны различные упущения, добавления, замены, эквиваленты, перестановки и изменения вида вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
В соответствующих случаях описаны различные аспекты и преимущества варианты осуществления. Следует понимать, что не обязательно все эти аспекты или преимущества могут быть достигнуты каким-либо конкретным вариантом осуществления. Так, например, следует признать, что различные варианты осуществления могут быть реализованы таким образом, чтобы добиться одного преимущества или группы преимуществ, описанных в настоящем документе, или оптимизировать его или их без обязательного достижения других аспектов или преимуществ, описанных или предполагаемых в настоящем описании.
Условный язык, используемый в настоящем описании, такой как, среди прочего, «может», «мог», «мог бы», «например» и т.п., если конкретно не оговорено иначе или не понимается иначе в используемом контексте, как правило, предназначен для выражения, что определенные варианты осуществления включают (в то время как другие варианты осуществления не включают) определенные признаки, элементы и/или стадии. Таким образом, этот условный язык обычно не предназначен подразумевать, что признаки, элементы и/или этапы каким-либо образом требуются для одного или нескольких вариантов осуществления, или что один или несколько вариантов осуществления обязательно включают логику для решения - с использованием вводимой оператором информации или подсказки или без них -включены ли эти признаки, элементы и/или стадии или должны ли выполняться в любом конкретном варианте осуществления. Ни один признак или группа признаков не требуется и не является непременным или непременной для любого конкретного варианта. Термины «содержащий», «включающий», «характеризующийся наличием» и т.п.являются синонимичными и используются во включающем смысле, в неограничивающей форме, и не исключают дополнительных элементов, признаков, действий, операций и т.д.. Кроме того, союз «или» используется во включающем смысле (а не в его исключающем смысле), так что если он используется, например, для соединения перечня элементов, союз «или» означает один, несколько или все элементы в перечне.
Союзный язык, такой как фраза «по меньшей мере один из X, Y и Z», если конкретно не указано иначе или не понимается иначе в используемом контексте, как правило, используют для выражения, что предмет, термин и т.д. может быть либо X, либо Y, либо Z. Таким образом, этот союзный язык обычно не предназначен подразумевать, что определенные элементы требуют присутствия каждого по меньшей мере одного из X, по меньшей мере одного из Y и по меньшей мере одного из Z.
Примерные расчеты, моделирования, результаты, графики, значения и параметры вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, предназначены для иллюстрации, а не для ограничения настоящего изобретения раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты осуществления могут исполняться и/или использоваться иначе, чем иллюстративные примеры, описанные в настоящем документе. Новые способы и устройство, описанные в настоящем документе, могут быть воплощены в самых разных других формах; кроме того, возможны различные упущения, замены и изменения вида способов и систем, описанные в настоящем документе, в пределах сущности изобретений, раскрытых в настоящем документе.