プラズマ電子生成システム
【課題】イオンおよび電子の異常輸送を減じる傾向のある閉じ込めシステムを提供すること。
【解決手段】磁場反転配位（Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ：ＦＲＣ）の磁気トポロジーにおける融合制御、および融合生成物エネルギーを直接電力に変換するためのシステムおよび装置である。プラズマイオンをＦＲＣ内に閉じ込め、外部に印加した磁場を調整することによって発生させた深いエネルギー井戸内に、プラズマ電子を静電気的に閉じ込めることが好ましい。本構成では、イオンおよび電子は、それらが衝突時に核力によって互いに融合することによって、環状ビームの形態で現れる融合生成物を形成するように、十分な密度および温度を有することが可能である。エネルギーは、融合生成物が逆サイクロトロン変換器の電極を螺旋状に通過するときに融合生成物から取り出される。
【解決手段】磁場反転配位（Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ：ＦＲＣ）の磁気トポロジーにおける融合制御、および融合生成物エネルギーを直接電力に変換するためのシステムおよび装置である。プラズマイオンをＦＲＣ内に閉じ込め、外部に印加した磁場を調整することによって発生させた深いエネルギー井戸内に、プラズマ電子を静電気的に閉じ込めることが好ましい。本構成では、イオンおよび電子は、それらが衝突時に核力によって互いに融合することによって、環状ビームの形態で現れる融合生成物を形成するように、十分な密度および温度を有することが可能である。エネルギーは、融合生成物が逆サイクロトロン変換器の電極を螺旋状に通過するときに融合生成物から取り出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（本発明の分野）
本発明は、概して、プラズマ物理学の分野に関し、特に、プラズマを閉じ込めて核融合を可能にし、融合生成物から電力にエネルギーを変換するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（本発明の背景）
融合とは、２つの軽い核が組み合わさって、より重い核を形成するプロセスである。融合プロセスは、高速移動する粒子の形態で相当なエネルギー量を放出する。原子核は、それに含まれる陽子によって正電気を帯びているので、それらの間には、反発する静電気的な力、すなわちクーロン力が存在する。２つの核を融合させるためには、この反発バリアに打ち勝たなければならないが、これは、クーロン力に打ち勝って核を融合するのに十分強力な核力になるように、２つの核を十分に近づけたときに生じるものである。核がクーロン力に打ち勝つために必要なエネルギーは、それらの熱エネルギーによって与えられるものであるが、非常に高くなければならない。例えば、温度が少なくとも１０４ｅＶ程度（約１００万Ｋ（ケルビン）相当）であれば、その溶融速度を適用することができる。融合反応の測度は、温度の関数であり、反応度と呼ばれる量によって特徴づけられる。Ｄ（重水素）−Ｔ（トリチウム）反応の反応度は、例えば、３０ｋｅＶ乃至１００ｋｅＶの幅広いピークを有する。
【０００３】
代表的な融合反応には：
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）
が挙げられる。ここで、Ｄは重水素、Ｔはトリチウム、αはヘリウム核、ｎは中性子、ｐは陽子、Ｈｅはヘリウム、Ｂ１１はボロン−１１をそれぞれ示す。
各式のカッコ内の数は、融合生成物の運動エネルギーを示す。
【０００４】
上式の最初の２つ（Ｄ−ＤおよびＤ−Ｔ反応）は、中性子であり、それらの融合生成物のほとんどのエネルギーが高速中性子によって担送されることを意味する。中性子反応の不利な点には、（１）高速中性子の磁束は、反応炉壁の構造的な損傷および大部分の構造材料の放射能レベルが高いことを含む、数多くの問題を生じさせること、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って収集されるが、極めて非効率的（３０％未満）である、ことが挙げられる。中性子反応の利点には、（１）それらの反応度のピークが比較的低温であること、および（２）重水素およびトリチウムの原子数は１個なので、放射によるそれらの損失が比較的低いこと、が挙げられる。
【０００５】
他の２つの式における反応物質（Ｄ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１）は、先進燃料と呼ばれる。高速中性子を作り出すのではなく、中性子反応などのように、それらの融合生成物が荷電粒子である。先進燃料の１つの利点には、それらが発生させる中性子がより少ないので、それらに関連する不利な点の影響を受けにくくなることがある。Ｄ−Ｈｅ３の場合、いくつかの高速中性子は二次反応によって作り出されるが、これらの中性子の占める割合は融合生成物のエネルギーの約１０パーセントしかない。ｐ−Ｂ１１の反応では高速中性子は含まれないが、二次反応によって生じるがほとんど問題を起こさない、いくつかの低速中性子を作り出す。先進燃料の別の利点は、それらの融合生成物が、それらの運動エネルギーを電力に直接変換することが可能な、荷電粒子を含んでいることである。適切な直接エネルギー変換プロセスによって、先進燃料の融合生成物のエネルギーは、高い効率（９０％を超える場合もある）で収集することが可能である。
【０００６】
先進燃料にも不利な点がある。例えば、先進燃料は、原子数が多い（Ｈｅ３は２個、Ｂ１１は５個）ことである。したがって、それらの放射損失は、中性子反応の場合よりも大きい。また、先進燃料の融合は、さらに困難である。それらのピーク反応度はかなり高い温度で生じ、Ｄ−Ｔの反応度と同程度では到達しない。したがって、先進燃料との融合反応を生じさせるには、それらの反応度が有効となるような、より高いエネルギー状態に導く必要がある。故に、先進燃料は、適切な融合条件に導くことができるようになるまで、より長い時間封じ込めておかなければならない。
【０００７】
プラズマの封じ込め時間はΔｔ＝ｒ２／Ｄであり、ここで、ｒは最小プラズマ寸法であり、Ｄは拡散係数である。拡散係数の古典値はＤｃ＝ａｉ２／τｉｅで表され、ここで、ａｉはイオンのジャイロ半径であり、τｉｅはイオン−電子の衝突時間である。古典的拡散係数による拡散は、古典的移送と呼ばれる。ボーム拡散係数（短波長の不安定性によるものと考えられる）は、ＤＢ＝（１／１６）ａｉ２Ωｉで表され、ここで、Ωｉはイオンのジャイロ周波数である。この関係による拡散は、異常輸送と呼ばれる。融合条件の場合は、
【０００８】
【化１】
であり、異常輸送では、古典輸送よりも封じ込め時間がさらに短くなる。この関係では、所与の量のプラズマに対する封じ込め時間を、プラズマが核融合反応を起こすための時間よりも長くなければならない、という要件によって、どのくらいの大きさのプラズマを融合反応炉内に存在させなければならないかを決定する。したがって、古典移送の条件は、融合反応炉におけるものよりも望ましく、初期のプラズマをより小さくできる。
【０００９】
プラズマのトロイダル閉じ込めによる初期の実験では、
【００１０】
【化２】
の封じ込め時間が観察された。この４０年間で、封じ込め時間が
【００１１】
【化３】
に増加した。既存の融合反応炉概念の１つに、トカマクがある。この３０年間、融合に対する取り組みは、Ｄ−Ｔ燃料を使用したトカマク反応炉に重点を置いている。これらの取り組みは、国際熱核融合実験炉（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ：ＩＴＥＲ）において頂点に達した。トカマクによる最近の実験では、古典移送、
【００１２】
【化４】
は、最小のプラズマ寸法をメートルからセンチメートルに減じることができる場合に可能である。これらの実験は、プラズマを１０乃至３０ｋｅＶの温度に加熱するために、エネルギービーム（５０乃至１００ｋｅＶ）の注入を伴う。Ｗ．ＨｅｉｄｂｒｉｎｋおよびＧ．Ｊ．Ｓａｄｌｅｒ、３４ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ ５３５（１９９４）を参照のこと。これらの実験では、エネルギービームのイオンは、減速されて古典的に拡散するが、熱的なプラズマは変則的に速く拡散し続けたことが観察された。これは、エネルギービームイオンが大きな旋回半径を有すること、すなわち、イオンジャイロ半径よりも短い波長（λ＜ａｉ）の変動の影響を受けないことにある。この短い波長の変動は、サイクル全体を平均化して、相殺する傾向がある。しかし、電子は、さらに小さな旋回半径を有するので、変動および移送に変則的に反応する。
【００１３】
異常輸送によって、プラズマの最小寸法を、少なくとも２．８ｍにしなければならない。この寸法によって、ＩＴＥＲは高さ３０ｍ、直径３０ｍとなった。これは、実行可能な最小のＤ−Ｔトカマク型反応炉である。Ｄ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１のような先進燃料の場合、燃料イオンが核反応を生じるための時間がさらに長くなるため、トカマク型反応炉をさらに大きくしなければならない場合がある。Ｄ−Ｔ燃料を使用したトカマク反応炉には、融合生成物のほとんどのエネルギーが１４ＭｅＶの中性子によって担送されるため、中性子束による放射線障害が生じ、ほぼ全ての構造材料に反応度を誘発する、という更なる問題がある。加えて、それらのエネルギーの電力への変換は、熱的なプロセスによるものでなければならず、その効率は多くても３０％である。
【００１４】
提案された別の反応炉構成に、衝突ビーム反応炉がある。衝突ビーム反応炉では、背景プラズマにイオンビームが衝突する。このビームは、熱的なプラズマよりも非常に大きなエネルギーを有するイオンからなる。この種の反応炉で有用な融合反応を作り出すことは、背景プラズマがイオンビームを減速することから実行不可能である。この問題を軽減して核反応の数を最大化するために様々な提案がなされた。
【００１５】
例えば、Ｊａｓｓｂｙらの特許文献１では、トロイダル閉じ込めシステムでの重陽子とトリトンとの衝突ビームのカウンターストリーミングを作り出す方法を開示している。Ｊａｓｓｂｙらの特許文献２では、電磁エネルギーを注入して、イオン種のうちの１つを引き込むバルク平衡プラズマの影響を打ち消している。トロイダル閉じ込めシステムは、１つのトカマクとみなされる。Ｒｏｓｔｏｋｅｒの特許文献３では、重水素およびトリチウムのビームを注入して、トカマク、ミラー、または磁場反転配位におけるものと同じ平均速度で閉じ込めている。ビームを閉じ込める唯一の目的に対しては、低密度のクール背景プラズマがある。ビームが高温を有することによって反応し、主に注入されたイオンを伴う電子によって減速される。減速が最小である場合、電子は、イオンによって加熱される。
【００１６】
しかし、これらのデバイスのいずれにおいても、平衡電場はいかなる役割も果たしていない。さらに、いかなる異常輸送を減じるための試み、あるいは考察さえもなされていない。
【００１７】
他の特許では、イオンの静電気的閉じ込めや、一部の例では電子の磁気閉じ込めを考察している。こうした特許には、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た、Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈの特許文献４、およびＦａｒｎｓｗｏｒｔｈの特許文献５；Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈのものに類似した、Ｈｉｒｓｃｈらの特許文献６およびＨｉｒｓｃｈらの特許文献７；イオンの静電気的閉じ込めおよび多極カスプ反射壁による電子のイオンの磁気閉じ込めを開示した、Ｌｉｍｐａｅｃｈｅｒの特許文献８；およびＬｉｍｐａｅｃｈｅｒに類似し、ポイントカプスを伴う、Ｂｕｓｓａｒｄの特許文献９、が挙げられる。これらの特許のいずれも、電子の静電気的閉じ込めおよびイオンの磁気閉じ込めを考慮していない。イオンの静電気的閉じ込めに関しては数多くの研究プロジェクトが存在しているが、それらのいずれも、イオンが融合反応炉に対する所要の密度であるときの必要な静電場の確立に成功していない。最後に、上述の特許のいずれも、磁場反転配位磁気トポロジーについては述べていない。
【００１８】
磁場反転配位（Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ：ＦＲＣ）は、シータのピンチ実験中にＮａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙにおいて１９６０年頃に偶然発見されたものである。内部の磁場が反転する代表的なＦＲＣトポロジーを図３および図５に示し、ＦＲＣ内の粒子の軌道を図６および図９に示す。ＦＲＣに関しては、米国および日本において多くの研究計画が支援された。１９６０年から１９８８年のＦＲＣの研究のうちの理論および実験上の包括的な総括書が存在する。Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ、２８ Ｎｕｃｋｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ ２０３３（１９８８）を参照のこと。ＦＲＣ開発に関する白書には、１９９６年の研究および今後の研究のための提言が記載されている。Ｌ．Ｃ．Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒら、３０ Ｆｕｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １１６（１９９６）を参照のこと。今日まで、ＦＲＣの実験では、ＦＲＣをシータピンチ法によって形成していた。この形成方法の結果は、イオンはおよび電子がそれぞれ半分の電流を担送することによって、プラズマ内に無視できる静電場がもたらされ、静電気的閉じ込めが生じない、というものである。これらのＦＲＣでは、イオンおよび電子は磁気的に封じ込められていた。ほとんどすべてのＦＲＣ実験では、異常輸送が見込まれている。一例として、Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉの２０７２ページ、１．５．２節の始めの部分を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第４，０６５，３５１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，０５７，４６２号明細書
【特許文献３】米国特許第４，８９４，１９９号明細書
【特許文献４】米国特許第３，２５８，４０２号明細書
【特許文献５】米国特許第３，３８６，８８３号明細書
【特許文献６】米国特許第３，５３０，０３６号明細書
【特許文献７】米国特許第３，５３０，４９７号明細書
【特許文献８】米国特許第４，２３３，５３７号明細書
【特許文献９】米国特許第４，８２６，６４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、実質的にイオンおよび電子の異常輸送を減じる傾向のある閉じ込めシステム、および融合生成物のエネルギーを高効率で電力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。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（概要）
本発明は、磁場反転トポロジーを有する磁場における融合制御、および融合生成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。前記システムは、本願明細書ではプラズマ発電（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＰＥＧ）システムと称するが、実質的にイオンおよび電子の異常輸送を減じるか、または排除する傾向のある閉じ込めシステムを有する融合反応炉を備えることが好ましい。加えて、ＰＥＧシステムは、融合生成物のエネルギーを高効率で直接電力に変換する反応炉に連結されたエネルギー変換システムを含む。
【００２２】
一実施態様では、イオンおよび電子の異常輸送が実質的に減じられるか、または排除される傾向がある。イオンの異常輸送は、イオンを磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場に磁気的に閉じ込めることによって回避さられる傾向がある。電子の場合、エネルギーの異常輸送は、外部印加磁場を調整して、強力な磁場を生じさせることによって回避されるが、これは、深い電位井戸に電子を閉じ込めるものである。その結果、現在の閉じ込め装置およびプロセスで使用することができる融合燃料プラズマは、融合燃料に限られず、好都合に先進燃料または無中性子燃料をも含む。無中性子燃料の場合、融合反応エネルギーは、ほぼ完全に荷電粒子、すなわちエネルギーイオンの形態であり、磁場内で操作することができ、燃料によるが、ほとんどまたは全く放射能を生じない。
【００２３】
好適な一実施態様では、融合反応炉のプラズマ閉じ込めシステムは、チャンバーと、実質的に主軸に沿った方向に磁場を印加するための磁場発生器と、イオンの循環ビームを含む環状プラズマ層とを備える。環状のプラズマビーム層のイオンは、実質的にチャンバー内で磁気的に軌道内に封じ込められ、電子は、実質的に静電気的エネルギー井戸内に封じ込められる。好適な一実施態様では、磁場発生器は、電流コイルを含む。磁場発生器は、チャンバーの端部に印加される磁場の大きさを増加させる、ミラーコイルをチャンバーの端部付近にさらに備えることが好ましい。システムはまた、中和されてイオンビームを磁場に注入するための１つ以上のビーム注入器であって、ビームは磁場によって生じた力で軌道に入るビーム注入器を備える。好適な実施態様では、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】
別の好適な実施態様では、代替炉を備え、チャンバー壁の中央領域内に方位角イメージ電流が形成されないようにして、磁束が速いタイムスケールでチャンバーに浸透できるようにする。主にステンレス鋼からなり、構造強度および良好な真空特性を有するチャンバーは、チャンバーのほぼ全長に沿って延在するチャンバー壁内に、軸方向の絶縁回路を含む。互いに約１２０°離れて、３つの中断部があることが好ましい。この中断部は、壁内に形成されるスロットまたは間隙を含む。断熱材、好ましくはセラミックなどからなるインサートをスロットまたは間隙に挿入する。チャンバーの内側では、金属シュラウドがインサートを覆う。チャンバーの外側では、ガラス繊維などで形成されることが好ましい密封板にインサートが取り付けられ、チャンバー壁のステンレス鋼の表面をＯリングシールによって真空バリアを形成する。
【００２５】
さらに別の好適な実施態様では、チャンバー内には、誘導プラズマ供給源を載置することができ、高電圧（約５乃至１５ｋＶ）の電源（図示せず）が供給されることが好ましい、ショックコイル組立体、好ましくはシングルターンショックコイルを含む。水素（または他の適切な気体の融合燃料）のような中性ガスは、ラバルノズルを経て直接ガス供給を介して供給源に導入される。ガスがノズルから放射されて、ショックコイルのコイルの巻線の表面に分散すると、巻線に電圧が加わる。低インダクタンスショックコイル内の超高速電流および磁束ランプアップは、ガス内で非常に高い電場をもたらし、ショックコイルの表面からチャンバーの中央平面の中央に向かう形成プラズマのブレークダウン、イオン化、およびその後の放出を生じさせる。
【００２６】
別の好適な一実施態様では、ＲＦ駆動装置は、チャンバー内に位置して、それらの間に間隙を有する４つの方位角方向に対称な電極を有する、四重極サイクロトロンを備える。四重極サイクロトロンは、イオンの方位角速度と同じ方向だが、それより速く回転する、電位波を作り出す。適切な速度のイオンを、この電位波に閉じ込めて、定期的に反射させることができる。このプロセスによって燃料イオンの運動量およびエネルギーが増加し、この増加が衝突によって閉じ込められていない燃料イオンに運ばれる。
【００２７】
別の実施態様では、直接エネルギー変換システムを使用して、電磁場を介して荷電粒子を減速することによって、融合生成物の運動エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。好都合に、本発明の直接エネルギー変換システムは、約５ＭＨｚの融合出力の周波数および位相を、外部の６０Ｈｚの電力網の周波数に適合するように変換するための有効性、粒子−エネルギーの許容度、および電子的な能力を有する。
【００２８】
好適な実施態様では、エネルギー変換システムは、融合反応炉の対向端部に連結された逆サイクロトロン変換器（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＩＣＣ）を備える。ＩＣＣは、小さな直線の間隙がそれらの間に延在する複数の、好ましくは４つ以上の均等な半円筒電極で形成された、中空の円筒状のジオメトリを有する。動作中、電極には振動電位が交互に印加される。ＩＣＣ内の電場Ｅは多極構造体であり、回転軸上でゼロになり、半径とともに線形に増加し、ピーク値は間隙において生じる。
【００２９】
加えて、ＩＣＣは、融合反応炉の封じ込めシステムの印加磁場に実質的に対向する方向に、均一の一方向性磁場を印加するための磁場発生器を含む。ＩＣＣは、融合反応炉電力コアから最も離れた端部にイオンコレクターを含む。電力コアとＩＣＣとの間に、対称磁気カスプがあり、ここでは封じ込めシステムの磁場とＩＣＣの磁場とを組み合わせる。環状電子コレクターは、磁気カスプの周辺部に配置され、イオンコレクターに電気的に連結される。
【００３０】
さらに別の好適な実施態様では、生成核および電荷中和電子は、それらのエネルギーの差異によって磁気カスプが電子とイオンを分離する密度を有する反応炉電力コアの両端部から、環状ビームとして現れる。電子は、電子コレクターへの磁力線に従って、イオンは、イオン軌道が、実質的にＩＣＣの長さに沿った螺旋状経路に従うように変更される、カスプを通過する。エネルギーは、イオンが電極を螺旋状に通過するときにイオンから取り除かれ、共振回路に接続される。垂直エネルギーの損失は、電場が最も強い電極の近くを最初に循環させる、最も高いエネルギーのイオンに対して最大となる傾向がある。
【００３１】
本発明の他の側面および特徴は、添付図面とともに用いられる以下の説明を考察することによって明らかとなろう。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
第一および第二端部を有する円筒チャンバー壁と、
該第一および第二端部の間に、それらと間隔を隔てて、該チャンバー壁に沿って軸方向に延在する複数の絶縁回路と
を備える、反応チャンバー。
（項目２）
上記複数の絶縁回路は、上記チャンバー壁内に形成されたスロットを含む、項目１に記載のチャンバー。
（項目３）
上記チャンバー壁は、金属で形成される、項目１に記載のチャンバー。
（項目４）
上記複数の絶縁回路は、上記スロットに挿入された絶縁材を含む、項目２に記載のチャンバー。
（項目５）
上記絶縁材は、セラミック材である、項目４に記載のチャンバー。
（項目６）
上記チャンバー内に、上記絶縁材を覆うように配置された複数のシュラウドをさらに備える、項目４に記載のチャンバー。
（項目７）
上記スロットを覆うように延在する密封板をさらに備える、項目４に記載のチャンバー。
（項目８）
上記絶縁材は、上記密封板に連結される、項目７に記載のチャンバー。
（項目９）
上記密封板と上記チャンバー壁との間にシールを形成するための手段をさらに備える、項目７に記載のチャンバー。
（項目１０）
上記密封板は、ガラス繊維材料で形成される、項目９に記載のチャンバー。
（項目１１）
上記チャンバー内に一方向性の磁場を発生させるための、該チャンバーに連結された磁場発生器をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目１２）
上記磁場発生器は、上記チャンバー壁の周辺部の方位角方向に延在する複数の磁場コイルを含む、項目１１に記載のチャンバー。
（項目１３）
上記複数の磁場コイルは、互いに平行して配向される、項目１２に記載のチャンバー。
（項目１４）
上記複数の磁場コイルは、第一組および第二組のミラーコイルを含む、項目１２に記載のチャンバー。
（項目１５）
上記チャンバー壁と同心円状に延在するベータトロンフラックスコイルをさらに備える、項目１１に記載のチャンバー。
（項目１６）
上記ベータトロンフラックスコイルは、上記チャンバー壁の外側に位置する、項目１５に記載のチャンバー。
（項目１７）
上記ベータトロンフラックスコイルは、複数の平行な巻線コイルを含む、項目１５に記載のチャンバー。
（項目１８）
上記チャンバー壁の縦軸に直交し、かつ半径方向に間隔を置いた１つ以上のイオンビーム注入器をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目１９）
上記イオンビーム注入器は、該イオンビーム注入器によって放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目１８に記載のチャンバー。
（項目２０）
チャンバーの中央平面に向かう背景プラズマの環状の雲を形成するための、プラズマ供給源をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目２１）
上記チャンバー壁の第一および第二端部に連結されたエネルギー変換器をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目２２）
上記エネルギー変換器は、それらの間に縦方向のスペースを備えた、軸方向に延在する複数の電極を含む、項目２１に記載のチャンバー。
（項目２３）
上記複数の電極の周辺部に延在する複数の磁場コイルをさらに備える、項目２２に記載のチャンバー。
（項目２４）
第一および第二イオンコレクターおよび第一および第二電子コレクターをさらに備える、項目２３に記載のチャンバー。
（項目２５）
ショックコイルと、
該ショックコイルに連結されたラバルノズルと
を備える、プラズマ発生システム。
（項目２６）
上記ショックコイルは、環状円盤型の本体と、該本体の表面に取り付けられた平行な巻きワイヤーのコイルとを備える、項目２５に記載のプラズマ発生システム。
（項目２７）
上記コイルは、単巻きコイルである、項目２６に記載のプラズマ発生システム。
（項目２８）
上記コイルは、マルチストランドコイルである、項目２７に記載のプラズマ発生システム。
（項目２９）
上記コイルのワイヤーは、上記本体の外側半径に隣接して角度的に間隔をあけた点から始まり、該本体の表面を一周して該本体の内側半径で終わる、項目２７に記載のプラズマ発生システム。
（項目３０）
上記コイルのワイヤーは、上記本体の周辺部から始まる、項目２９に記載のプラズマ発生システム。
（項目３１）
上記本体は、該本体の内側半径を形成するハブを備える、項目２６に記載のプラズマ発生システム。
（項目３２）
上記ラバルノズルは、上記ハブに連結された環状円盤型のノズルアームを備える、項目３１に記載のプラズマ発生システム。
（項目３３）
上記ハブに面する上記アームの表面は、該ハブの表面とともに環状ガスプレナムおよび伸縮ノズルを形成する、項目３２に記載のプラズマ発生システム。
（項目３４）
上記ハブ内に形成され、上記ガスプレナムと連通する複数のガス流路をさらに備える、項目３３に記載のプラズマ発生システム。
（項目３５）
上記複数のガス流路とともに配列された、複数のバルブシートを有するバルブシートリングをさらに備える、項目３４に記載のプラズマ発生システム。
（項目３６）
上記本体に連結されたシュラウドをさらに備える、項目２６に記載のプラズマ発生システム。
（項目３７）
低インダクタンスショックコイルの平行な巻きワイヤーのコイルに中性ガスを分配するステップと、
該コイルの巻線に電圧を加えるステップと、
該ガスをイオン化してプラズマを生成するステップと
を含む、プラズマの発生方法。
（項目３８）
上記形成したプラズマを上記ショックコイルから放出するステップをさらに含む、項目３７に記載の方法。
（項目３９）
上記コイルに電圧を加えるステップは、該コイルの全てのワイヤーへの電圧の印加を含む、項目３７に記載の方法。
（項目４０）
上記コイルに電圧を加えるステップは、第一組のワイヤーへの電圧の印加と、所定の時間の後の第二組のワイヤーへの電圧の印加とを含む、項目３７に記載の方法。
（項目４１）
上記プラズマを放出するステップは、環状プラズマの放出を含む、項目３８に記載の方法。
（項目４２）
主軸を有するチャンバーと、
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの中央領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
ショックコイルと、該チャンバー内に配置されたラバルノズルとを備えたプラズマ発生器と、
該チャンバー内で方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと
を備える、プラズマ発電システム。
（項目４３）
上記チャンバーは、
第一および第二端部を有する円筒状チャンバー壁と、
該第一および第二端部の間かつそれらと間隔を隔てて、該チャンバー壁に沿って軸方向に延在する複数の絶縁回路と
を備える、項目４２に記載のシステム。
（項目４４）
上記ショックコイルは、環状円盤型の本体と、該本体の表面に取り付けられた平行な巻きワイヤーのコイルとを備える、項目４２に記載のシステム。
（項目４５）
上記コイルは、単巻コイルである、項目４４に記載のシステム。
（項目４６）
上記コイルのワイヤーは、本体の外側半径において角度的に間隔をあけた点から始まり、該本体の表面を一周して該本体の内側半径で終わる、項目４５に記載のシステム。
（項目４７）
上記コイルのワイヤーは、本体の周辺部から始まる、項目４６に記載のシステム。
（項目４８）
上記本体は、該本体の内側半径を形成するハブを備える、項目４４に記載のシステム。
（項目４９）
上記ラバルノズルは、上記ハブに連結された環状円盤型のノズルアームを備える、項目４８に記載のシステム。
（項目５０）
上記ハブに面する上記アームの表面は、該ハブの表面とともに環状ガスプレナムおよび伸縮ノズルを形成する、項目４９に記載のシステム。
（項目５１）
上記ハブ内に形成され、上記ガスプレナムと連通する複数のガス流路をさらに備える、項目５０に記載のシステム。
（項目５２）
上記複数のガス流路とともに配列された、複数のバルブシートを有するバルブシートリングをさらに備える、項目５１に記載のシステム。
（項目５３）
上記本体に連結されたシュラウドをさらに備える、項目４４に記載のシステム。
（項目５４）
上記チャンバー内に電力変換システムをさらに備える、項目４２に記載のシステム。
（項目５５）
上記電力変換システムは、上記チャンバーの第一端部領域内に円筒状表面を形成する、複数の半円筒電極を備える、項目５４に記載のシステム。
（項目５６）
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備える、項目５５に記載のシステム。
（項目５７）
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目５６に記載のシステム。
（項目５８）
上記チャンバーの第二端部領域内に円筒状表面を形成する、第二の複数の半円筒電極であって、
該第二の複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備えた第二の複数の半円筒電極と、
該チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの該第二端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第三磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第三磁場発生器の間に入り、該第二の複数の電極の第一端部に隣接した第二の電子コレクターと、
該第二の複数の電極の第二端部に隣接して配置した第二のイオンコレクターと
をさらに備える、項目５７に記載のシステム。
（項目５９）
容器に連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目５８に記載のシステム。
（項目６０）
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目５９に記載のシステム。
（項目６１）
チャンバー内で磁場反転配位の磁場を形成する方法であって、
チャンバー内に磁気ガイド領域を発生させるステップと、
低インダクタンスショックコイルの平行な巻きワイヤーのコイルに中性ガスを分配するステップと、
該ショックコイルのコイルの巻線に電圧を加えるステップと、
該ガスをイオン化してプラズマを生成するステップと、
該ガイド領域の磁力線に沿って、該ショックコイルから該チャンバーに形成されたプラズマを放出するステップと、
該チャンバー内で方位角電場を発生させ、該プラズマを回転させて、該プラズマを囲むポロイダル自己磁場を形成させるステップと、
該プラズマの回転エネルギーを増加させて、該ガイド領域の大きさに打ち勝つレベルまで、該自己電場の大きさを増加させるステップと、
磁場反転配位（ＦＲＣ）トポロジーを有する磁場において該ガイド領域の磁力線と該自己電場とを結合するステップと
を含む、方法。
（項目６２）
上記コイルに電圧を加えるステップは、該コイルの全てのワイヤーへの電圧の印加を含む、項目６１に記載の方法。
（項目６３）
上記コイルに電圧を加えるステップは、第一組のワイヤーへの電圧の印加と、所定の時間の後の第二組のワイヤーへの電圧の印加とを含む、項目６１に記載の方法。
（項目６４）
上記プラズマを放出するステップは、環状プラズマの放出を含む、項目６２に記載の方法。
（項目６５）
上記ガイド領域を発生させるステップは、上記チャンバーの周辺部に延在する複数の磁場コイルおよびミラーコイルへの電圧の印加を含む、項目６１に記載の方法。
（項目６６）
上記ガイド領域の大きさを増加させて、回転プラズマを所定の半径で保持するステップをさらに含む、項目６１に記載の方法。
（項目６７）
上記方位角電場を発生させるステップは、上記チャンバー内でベータトロンフラックスコイルに電圧を加えて、上記コイルを通り抜ける電流を増加させることを含む、項目６１に記載の方法。
（項目６８）
上記回転プラズマの回転エネルギーを増加させるステップは、上記コイルを通り抜ける電流の変化率を増加させることを含む、項目６７に記載の方法。
（項目６９）
上記フラックスコイルを通り抜ける電流の変化率を増加させて、融合レベルの回転エネルギーまで上記回転プラズマを加速するステップをさらに含む、項目６８に記載の方法。
（項目７０）
上記チャンバー内に静電気的井戸を発生させるステップをさらに含む、項目６１に記載の方法。
（項目７１）
上記静電気的井戸を調整するステップをさらに含む、項目７０に記載の方法。
（項目７２）
上記静電気的井戸を調整するステップは、上記ガイド領域の大きさの操作を含む、項目７１に記載の方法。
（項目７３）
融合レベルのエネルギーのイオンビームを上記ＦＲＣに注入して、該ＦＲＣ内でベータトロン軌道内に該ビームを閉じ込めるステップをさらに含む、項目６９に記載の方法。
（項目７４）
上記イオンビームを注入および閉じ込めるステップは、
該イオンビームを中和するステップと、
該中和されたイオンビームから電気分極を排出するステップと、
該中和されたイオンビームに、上記印加された磁場によるローレンツ力を働かせて、該イオンビームをベータトロン軌道に曲げるステップと
をさらに含む、項目７３に記載の方法。
（項目７５）
上記ＦＲＣ内にイオンを磁気的に閉じ込めて、上記静電気的井戸内に静電気的に電子を閉じ込めるステップをさらに含む、項目７３に記載の方法。
（項目７６）
融合生成物イオンを形成するステップをさらに含む、項目７５に記載の方法。
（項目７７）
環状ビーム内の上記ＦＲＣから上記融合生成物イオンを出射させるステップをさらに含む、項目７６に記載の方法。
（項目７８）
主軸を有するチャンバーと、
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの中央領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
該チャンバーの中央領域に連結されたＲＦ駆動システムと、
該チャンバー内に方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと
を備える、プラズマ発電システム。
（項目７９）
上記ＲＦ駆動システムは、四重極サイクロトロンを備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８０）
上記四重極サイクロトロンは、円筒状表面を形成する４つの半円筒電極を備える、項目７９に記載のシステム。
（項目８１）
上記ＲＦ駆動システムは、双極子サイクロトロンを備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８２）
上記双極子サイクロトロンは、円筒状表面を形成する４つの半円筒電極を備える、項目８１に記載のシステム。
（項目８３）
上記ＲＦ駆動システムは、上記チャンバーおよび上記導電コイルの周辺部に隣接する軸方向に延在する磁場変調コイルを備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８４）
上記チャンバー内に電力変換システムをさらに備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８５）
上記電力変換システムは、上記チャンバーの第一端部領域内に円筒状表面を形成する複数の半円筒電極を備える、項目８４に記載のシステム。
（項目８６）
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備える、項目８５に記載のシステム。
（項目８７）
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目８６に記載のシステム。
（項目８８）
上記チャンバーの第二端部領域内に円筒状表面を形成する、第二の複数の半円筒電極であって、該第二の複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備えている、第二の複数の半円筒電極と、
該チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第三磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第三磁場発生器の間に入り、該第二の複数の電極の第一端部に隣接した第二の電子コレクターと、
該第二の複数の電極の第二端部に隣接して配置した第二のイオンコレクターと
をさらに備える、項目８７に記載のシステム。
（項目８９）
容器に連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目８８に記載のシステム。
（項目９０）
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目８９に記載のシステム。
（項目９１）
回転プラズマの周辺部にＦＲＣを発生させるステップと、
該回転プラズマ内のイオンの方位角速度と同じ方向に回転する電位波を発生させるステップと
を含む、ＦＲＣ内のイオンおよび電子を駆動する方法。
（項目９２）
上記電位波を発生させるステップは、円筒状表面を形成する複数の細長い電極への電圧の印加を含む、項目９１に記載の方法。
（項目９３）
上記複数の細長い電極は、細長いサイクロトロンを形成する、項目９２に記載の方法。
（項目９４）
上記サイクロトロンは、四重極サイクロトロンである、項目９２に記載の方法。
（項目９５）
上記サイクロトロンは、双極子サイクロトロンである、項目９２に記載の方法。
（項目９６）
上記電位波に中性イオンを注入するステップをさらに含む、項目９１に記載の方法。
（項目９７）
注入された中性イオンを上記電位波内に閉じ込めるステップをさらに含む、項目９２に記載の方法。
（項目９８）
上記閉じ込められたイオンの運動量およびエネルギーを増加させるステップをさらに含む、項目９７に記載の方法。
（項目９９）
主軸と、第一および第二端部とを有するチャンバーと
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバー内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
該チャンバー内に方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと、
該チャンバーの第一端部に連結されたエネルギー変換システムと、
該チャンバーの第二端部に連結された磁気ノズルと
を備える、プラズマ発電および推進システム。
（項目１００）
上記エネルギー変換システムは、円筒状表面を形成する複数の半円筒電極を備える、項目９９に記載のシステム。
（項目１０１）
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備える、項目１００に記載のシステム。
（項目１０２）
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、上記エネルギー変換システム内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目１０１に記載のシステム。
（項目１０３）
上記チャンバーに連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目１０２に記載のシステム。
（項目１０４）
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目１０３に記載のシステム。
（項目１０５）
上記チャンバーに連結された熱電変換器をさらに備える、項目１０４に記載のシステム。
（項目１０６）
上記チャンバーに連結されたブレイトン熱エンジンをさらに備える、項目１０５に記載のシステム。
（項目１０７）
上記ブレイトン熱エンジンは、
熱交換器と、
該熱交換器に連結されたターボ発電機と、
該熱交換器およびターボ発電機に連結された圧縮器と、
該圧縮器およびターボ発電機に連結された放熱器と
をさらに備える、項目１０６に記載のシステム。
（項目１０８）
上記ターボ発電機に連結された電力貯蔵装置をさらに備える、項目１０７に記載のシステム。
（項目１０９）
上記電力貯蔵装置は、バッテリーを備える、項目１０８に記載のシステム。
（項目１１０）
上記電力貯蔵装置は、燃料電池を備える、項目１０８に記載のシステム。
（項目１１１）
第一および第二端部を有するチャンバー内に回転プラズマの周辺部にＦＲＣを発生させるステップと、
該チャンバーの該第一および第二端部から融合生成物イオンの環状ビームを放出するステップと、
該第一端部から放出された該融合生成物イオンのエネルギーを電力に変換するステップと、
該第二端部から放出された該融合イオンのエネルギーをスラストに変換するステップと
を含む、方法。
（項目１１２）
上記第一端部から放出された上記融合生成物イオンのエネルギーを電力に変換するステップは、
それらの間に複数の細長い間隙を形成する、互いに間隔を置いた複数の半円筒電極で形成された略円筒状キャビティ内で、螺旋状経路に沿って該イオンを注入することと、
該注入されたイオンの軸方向のエネルギーの実質的に全てを回転エネルギーに変換することと、
該キャビティ内に多極電場を形成し、該電場は３つ以上の極を備えることと、
該イオンエネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換することと
を含む、項目１１１に記載の方法。
（項目１１３）
振動電位を上記複数の電極に印加するステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１４）
上記電場を形成するステップは、上記複数の間隙と交わるように方位角電場を発生させることを含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１５）
上記イオンを減速させるステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１６）
磁気カスプを介して環状ビームを導くステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１７）
上記電子が上記磁気カスプの磁力線に追従するときに、上記環状ビームから電荷中和電子を収集するステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１８）
上記イオンのエネルギーの実質的な部分が電気エネルギーに変換されたときに、該イオンを収集するステップをさらに含む、項目１１７に記載の方法。
（項目１１９）
上記複数の電極は、少なくとも４つの電極を備える、項目１１２に記載の方法。
（項目１２０）
上記磁気カスプを発生させるステップをさらに含む、項目１１６に記載の方法。
（項目１２１）
上記磁気カスプを発生させるステップは、
第一および第二磁場を発生させるステップであって、該第一磁場および該第二磁場の磁力線が対向して延在するステップと、
該第一磁場および該第二磁場を結合するステップと
を含む、項目１２０に記載の方法。
（項目１２２）
上記第二端部から放出された融合イオンのエネルギーをスラストに変換するステップは、有向の粒子の流れとして環状の融合イオンビームの焦点を定めることを含む、項目１１１に記載の方法。
（項目１２３）
上記チャンバーからの電磁放出を電力に変換するステップをさらに含む、項目１２２に記載の方法。
（項目１２４）
上記チャンバーから放射された熱を電力に変換するステップをさらに含む、項目１２２に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
好適な実施態様は一例として示したものであり、制限するためのものではなく、添付図面において、同一の構成要素には同一の参照番号を付与する。
【図１】図１は、例示的な閉じ込めチャンバーの部分図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、別の例示的な閉じ込めチャンバーの部分図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿った部分断面図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂの線２Ｃに沿った詳細図を示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｂの線２Ｄ−２Ｄに沿った部分断面図を示す。
【図３】図３は、ＦＲＣの磁場を示す。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれＦＲＣにおける反磁性方向および逆反磁性方向を示す。
【図５】図５は、衝突ビームシステムを示す。
【図６】図６は、ベータトロン軌道を示す。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれＦＲＣにおける勾配ドリフトの磁場および方向を示す。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれＦＲＣにおける
【化７７】
ドリフトの電場および方向を示す。
【図９】図９Ａ〜図９Ｃは、イオンドリフト軌道を示す。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、ＦＲＣの端部におけるローレンツ力を示す。
【図１１】図１１Ａおよび図１１Ｂ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１２】図１２は、マクスウェル分布を示す。
【図１３】図１３Ａおよび図１３Ｂは、大きな角度でのイオン同士の衝突による、ベータトロン軌道からドリフト軌道への遷移を示す。
【図１４】図１４は、小さな角度での電子とイオンの衝突を考慮した場合の、ベータトロン軌道Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを示す。
【図１５】図１５は、電気的に分極されたときの中和イオンビームを示す。
【図１６】図１６は、閉じ込めチャンバーにおいてプラズマと接触したときの中和イオンビームの正面図である。
【図１７】図１７は、軌道プロシージャの一実施態様による、閉じ込めチャンバーの端面の概略図である。
【図１８】図１８は、軌道プロシージャの別の好適な実施態様による、閉じ込めチャンバーの端面の概略図である。
【図１９】図１９は、ＦＲＣの形成を示すＢドットプローブのトレースを示す。
【図２０Ａ】図２０Ａは、チャンバー内に装着可能な誘導プラズマ供給源の図を示す。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、誘導プラズマ供給源の部分図を示す。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、誘導プラズマ供給源の部分図を示す。
【図２１Ａ】図２１Ａは、ＲＦ駆動システムの部分図を示す。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、ＲＦ駆動システムの部分図を示す。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、双極および四重極構成の概略図を示す。
【図２２Ａ】図２２Ａは、逆サイクロトロン直接エネルギー変換器に連結された衝突ビーム融合反応炉を備えた、プラズマ発電システムの部分図を示す。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図１９Ａの逆サイクロトロン変換器の端面図を示す。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、逆サイクロトロン変換器内のイオン軌道を示す図を示す。
【図２３Ａ】図２３Ａは、逆サイクロトロン変換器の別の実施態様に接続された衝突ビーム融合反応炉を備えた、プラズマ発電システムの部分図を示す。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、図２０Ａの逆サイクロトロン変換器の端面図を示す。
【図２４Ａ】図２４Ａは、従来のサイクロトロン内部の粒子軌道を示す。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、振動電場を示す。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、加速粒子のエネルギーの変化を示す。
【図２５】図２５は、角速度を有するイオンによってもたらされる、ＩＣＣの間隙間における方位角電場を示す。
【図２６】図２６は、集束四重極ダブレットレンズを示す。
【図２７Ａ】図２７Ａは、補助磁場コイルシステムを示す。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、補助磁場コイルシステムを示す。
【図２８】図２８は、１００ＭＷの反応炉を示す。
【図２９】図２９は、反応炉支援装置を示す。
【図３０】図３０は、プラズマスラスター推進システムを示す。
【図３１】図３１は、プラズマスラスター推進システムの主要構成要素を示す。
【図３２】図３２は、プラズマスラスター推進システムのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図示したように、本発明のプラズマ発電システム（ＰＥＧ）システムは、直接エネルギー変換システムに連結された衝突ビーム融合反応炉（Ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒ：ＣＢＦＲ）を含むことが好ましい。上述のように、理想的な融合反応炉では、イオンと電子の両方の異常輸送という問題を解決する。本願明細書に見出される異常輸送の問題に対する解決策では、磁場反転配位（ＦＲＣ）を有する磁場による封じ込めシステムを使用する。イオンの異常輸送は、大部分のイオンが大きな非断熱軌道を有するようにして、それらが断熱イオンの異常輸送を生じさせる短波長の変動の影響を受けないようにして、ＦＲＣ内に磁気的に閉じ込めることによって回避する。特に、ＦＲＣ内に磁場がゼロになる領域の存在によって、非断熱イオンの大部分を含むプラズマを有することが可能になる。電子の場合、エネルギーの異常輸送は、外部印加磁場を調整して、強力な磁場を生じさせて、深い電位井戸内に電子を静電気的に閉じ込めことによって回避される。
【００３４】
現在の閉じ込め装置およびプロセスで使用することができる融合燃料のプラズマは、Ｄ−Ｄ（重水素−重水素）またはＤ−Ｔ（重水素−トリチウム）のような中性子燃料に限られず、好都合に、Ｄ−Ｈｅ３（重水素−ヘリウム−３）またはｐ−Ｂ１１（水素−ボロン−１１）のような先進燃料または中性子燃料も含まれる。（先進燃料の考察については、Ｒ．ＦｅｌｄｂａｃｈｅｒおよびＭ．Ｈｅｉｎｄｌｅｒの、Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ａ２７１（１９８８）ＪＪ−６４（Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌａｎｄ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）を参照のこと。）当該の中性子燃料に関しては、融合反応エネルギーは、ほぼ完全に荷電粒子、すなわちエネルギーイオンの形態であり、磁場内で操作することができ、燃料によるが、ほとんどまたは全く放射能を生じない。Ｄ−Ｈｅ３の反応では、１８．２ＭｅＶのエネルギーを有するＨイオンおよびＨｅ４イオンを作り出し、一方で、ｐ−Ｂ１１反応では、８．７ＭｅＶのエネルギーを有する３つのＨｅ４イオンを作り出す。無中性子燃料を用いた融合装置のための理想的なモデルによれば、出力エネルギーの変換効率は、約９０％となりうる。これは、例えば、Ｋ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、Ｔ．Ｎｏｍａ、およびＹ．ＹａｍａｍｏｔｏのＦｕｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９，８７０（１９９１）に記載されている。当該の効率は、拡張性があり（１乃至１０００ＭＷ）、小型で低コストである構成の、無中性子融合に対する期待を大いに高めるものである。
【００３５】
本発明の直接エネルギー変換プロセスでは、融合生成物の荷電粒子を減速することができ、それらの運動エネルギーを直接電力に変換することができる。好都合に、本発明の直接エネルギー変換システムは、約５ＭＨｚの融合出力の周波数および位相を、外部の６０Ｈｚの電力網の周波数および位相に適合するように変換するための有効性、粒子−エネルギーの許容度、および電子的な能力を有する。
【００３６】
（融合封じ込めシステム）
図１は、本発明による封じ込めシステム３００の好適な一実施態様を示す。封じ込めシステム３００は、チャンバー壁３０５を備え、その中に閉じ込めチャンバー３１０を画定する。チャンバー３１０は、円筒状であり、チャンバー３１０の中心に沿って主軸３１５を備えることが好ましい。本封じ込めシステム３００の融合反応炉への適用に関しては、チャンバー３１０の内部に真空または略真空を生じさせる必要がある。ベータトロンフラックスコイル３２０は、チャンバー３１０内に位置し、主軸３１５と同心である。ベータトロンフラックスコイル３２０は、直流に適応した電流担送媒体を備え、図に示されるように、好ましくは、複数の独立したコイルの平行な巻線を備えて、さらに好ましくは、およそ４つの独立したコイルの平行な巻線を備えて長いコイルを形成する。当業者は、ベータトロンコイル３２０を介した電流が、実質的に主軸３１５の方向に、ベータトロンコイル３２０内部に磁場をもたらすものと理解されよう。
【００３７】
チャンバー壁３０５の外側周辺には外部コイル３２５が存在する。外部コイル３２５は、実質的に主軸３１５と平行な磁束を有する、比較的一定の磁場を作り出す。この磁場は、方位角方向的に対称である。外部コイル３２５による磁場が一定で、軸３１５に平行である近似度は、チャンバー３１０の端部から離れたところで最も有効となる。チャンバー３１０の各端部には、ミラーコイル３３０が存在する。ミラーコイル３３０は、各端部においてチャンバー３１０の内部に増強した磁場を作り出すように構成され、磁力線は、各端部で内側に曲げられる。（図３および５を参照のこと。）上述のように、磁力線が内側に曲げられることで、プラズマ３３５が封じ込めシステム３００から逃れることができる端部から、該プラズマを押しのけることによって、通常ミラーコイル３３０の間にあるチャンバー３１０内での、該プラズマの封じ込め領域への封じ込めが助力される。ミラーコイル３３０の巻き数を増やすこと、ミラーコイル３３０を通る電流を増加させること、またはミラーコイル３３０を外部コイル３２５に重ねることなどを含む、公知の様々な方法によって、端部に増強した磁場を作り出すように構成することができる。
【００３８】
図１に示されるように、外部コイル３２５およびミラーコイル３３０は、チャンバー壁３０５の外側に実装されるが、チャンバー３１０の内側であってもよい。チャンバー壁３０５を、金属のような導電材料で構成した場合は、磁場が壁３０５を介して拡散する時間が比較的長く、システム３００の反応が緩慢になりうるので、コイル３２５および３３０をチャンバー壁３０５の内側に配置することが都合がよい。同様に、チャンバー３１０は、中空の円筒状とすることが可能であり、チャンバー壁３０５は長い環状リングを形成する。そのような場合、ベータトロンフラックスコイル３２０は、チャンバー壁３０５の外側で、その環状リングの中央に実装することが可能である。環状リングの中央部を形成する内壁は、非導電材料で構成できることが好ましい。明らかなように、チャンバー３１０は、循環プラズマビームまたは層３３５が所与の半径で主軸３１５の周辺を回転できるような、十分なサイズおよび形状のものとしなければならない。
【００３９】
チャンバー壁３０５は、鋼のような高透磁率の材料で形成することが可能である。そのような場合、チャンバー壁３０５は、材料に誘導された逆電流により、磁束がチャンバー３１０から逃れないように「圧縮」するように助力する。チャンバー壁を、プレキシがラスのような低透磁率の材料で作成した場合は、磁束を封じ込めるための別の装置が必要になりうる。そのような場合、一連の閉ループで平坦な金属リングを備えることが可能である。磁束デリミタとして公知のこれらのリングは、外部コイル３２５内だが、循環プラズマビーム３３５の外側に備えることになる。さらに、これらの磁束デリミタは、パッシブまたはアクティブとすることが可能であり、アクティブフラックスデリミタは所定の電流で駆動され、チャンバー３１０内での磁束の封じ込めをさらに容易にする。別様には、外部コイル３２５自体を、磁束デリミタとして機能させることが可能である。
【００４０】
以下に詳述するように、荷電粒子を含む循環プラズマビーム３３５は、外部コイル３２５による磁場が生じさせるローレンツ力によって、チャンバー３１０内に封じ込めることが可能である。このように、プラズマビーム３３５内のイオンは、外部コイル３２５からの力線の周辺部の大きなベータトロン軌道内に磁気的に封じ込められ、主軸３１５に平行である。１つ以上のビーム注入ポート３４０も、チャンバー３１０内の循環プラズマビームにプラズマイオンを追加するように備えられる。好適な一実施態様では、注入ポート３４０は、循環プラズマビーム３３５が封じ込められた主軸３１５からほぼ同じ半径方向（すなわち、下述するヌル面の周辺）でイオンビームを注入するように構成される。さらに、注入ポート３４０は、封じ込めたプラズマビーム３３５のベータトロン軌道の接線方向にイオンビーム３５０を注入するように構成される（図１７を参照のこと）。
【００４１】
また、非エネルギープラズマの雲をチャンバー３１０に注入するための、１つ以上の背景プラズマ供給源３４５を備える。好適な一実施態様では、背景プラズマ供給源３４５は、プラズマ３３５をチャンバー３１０の軸中心へ導くように構成される。プラズマをこのように導くことで、プラズマ３３５の封じ込めがさらに助力され、チャンバー３１０内で、封じ込め領域内のプラズマ３３５の密度がより高くなることがわかっている。
【００４２】
（真空チャンバー）
上述のように、ＣＢＦＲの封じ込めシステムの適用には、チャンバー内部に真空または略真空を生じさせる必要がある。中性燃料とプラズマ燃料との間の相互作用（分散、荷電交換）によって、常にエネルギーの損失経路が現れるので、反応チャンバー内の残留密度を制限することが重要である。さらに、十分に真空にされなかったチャンバーから得られる不純物は、動作中の副反応を汚染し、またこれらの不純物を通してシステムを燃焼させなければならないので、起動中に過剰なエネルギーを消耗させることになりうる。
【００４３】
良好な真空状態を得るには、通常、ステンレス構成のチャンバーおよびポートとともに、低ガス放出材料の使用を伴う。金属の場合、良好な真空特性は、さらに良好な構造特性と組み合わせられる。しかし、ステンレス鋼などのような導電材料は、それらの電気的特性に関して様々な問題を示す。これらの悪影響は全て関連するが、それらは異なる形で現れる。最も悪影響のある特性には次のようなものが挙げられる：チャンバー壁を介した磁場の遅延拡散；表面への電荷の蓄積；過渡信号に対するシステムの応答時間の急激な変化；および所望の磁気トポロジーに影響を及ぼす、表面におけるイメージ電流の形成。これらの不適当な特性を持たず、良好な真空特性を呈する材料には、セラミック、ガラス、石英、および炭素繊維の少ない絶縁体がある。これらの材料による主な問題は、構造的完全性、および突発的な損傷に対する潜在性である。セラミックの機械加工性の悪さのような製造上の問題は付加的限定事項である。
【００４４】
一実施態様では、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄに示されるように、これらの問題を最小限に抑える代替炉１３１０を備える。ＣＢＦＲのチャンバー１３１０は、主に金属、好ましくはステンレス鋼などであり、構造強度および良好な真空特性を提供することが好ましい。なお、チャンバー１３１０の円筒壁１３１１は、チャンバー１３１０の中央部またはＣＢＦＲの電力コア領域内の、チャンバー１３１０のほぼ全長に沿って延在する、壁１３１１内の軸方向の絶縁回路１３６０を含む。図２に示されるように、互いに約１２０°離れて、３つの中断部があることが好ましい。中断部１３６０は、図２Ｃに示されるように、チャンバー１３１０の壁１３１１内にスロットまたは間隙１３６０を含み、スロット１３６２の周辺部に形成されたシール溝またはシート１３６９を備える。Ｏリングシール１３６７は、溝１３６９内で受ける。スロット１３６２は、図２Ｄに示されるように、２つの端部付近の壁１３１１の方位角方向に連続する部分を形成する十分なステンレス材料を残して、チャンバー１３１０のほぼ全長にわたって延在し、構造的完全性を提供するとともに端部において良質な真空シールを可能にする。構造的完全性の改善および爆縮の防止に関して、チャンバー１３１０は、図２Ａに示されるように、チャンバー壁１３１１と一体的に形成されるか、または溶接などによってチャンバー壁１３１１の表面に連結された、複数組の部分的な方位角リブを含むことが好ましい。
【００４５】
図２Ｃに示されるように、間隙１３６２は、セラミック材料製のインサート１３６４で塞がれる。インサート１３６４は、チャンバー１３１０の内部にわずかに延在し、金属シュラウド１３６６によって内部が覆われ、副プラズマイオンの放出によって、循環プラズマビームからの主プラズマイオンとセラミック材料が衝突しないようにする。チャンバー１３１０の外部では、インサート１３６４は、チャンバー壁１３１１のステンレス鋼表面を有するＯリングシール１３６７によって真空バリアを形成する、密封板１３６５に取り付けられる。望ましい真空特性を保つために、密封板１３６５は、ガラス繊維などのような基材で形成されることが好ましく、この基材は、特に内側への圧力がチャンバー１３１０をわずかに変形させる場合に、セラミック材料よりも柔軟で、Ｏリング１３６７とのより堅固なシールを形成する。
【００４６】
スロット１３６２内部のインサートまたはセラミック絶縁体１３６４は、電流が、間隙１３６２を横断してアーチすることを防ぎ、これによって、チャンバー壁１３１１内に方位角イメージ電流が形成されないようにすることが好ましい。イメージ電流は、レンツの法則を明示したものであり、磁束のあらゆる変化を打ち消す性質の傾向であり、例えば、下述するように、ＦＲＣの形成中にフラックスコイル１３２０に生じる磁束の変化である。チャンバー１３１０の円筒壁１３１１内にスロット１３６２がなければ、クラックスコイル１３２０内の磁束の変化によって、例えば、チャンバー１３１０内部の磁束の変化を相殺するように、ステンレス鋼壁１３１１内に、均等かつ逆の誘導電流が生じる。誘導されたイメージ電流は（誘導損失により）フラックスコイル１３２０に印加された電流よりも小さいが、このイメージ電流は、チャンバー１３１０内で印加されるか、または閉じ込められた磁場を大幅に減じる傾向があり、対応しない場合は、磁場トポロジーに悪影響を与え、チャンバー１３１０の内部の閉じ込め特性を変えてしまう。スロット１３６２が存在することで、方位角イメージ電流が、壁１３１１の方位角方向に連続した部分で、チャンバー１３１０の端部から離れて、チャンバー１３１０の中央部分に向かって壁１３１１内に形成されないようにする。チャンバー壁１３１１によってチャンバー１３１０の端部から間隔を置いた中央部分に向けて担送されうる唯一のイメージ電流は、スロット１３６２の縦軸に平行して流れる非常に弱い電流である。当該の電流は、チャンバー壁１３１１を長手方向に横切るイメージ電流によって作り出される磁気イメージ領域が、半径方向および方位角成分しか示さないので、ＦＲＣの軸方向の磁気閉じ込め領域には何も影響がない。チャンバー１３１０の端部付近の壁１３１１の方位角方向に連続的な導通部分内に形成された方位角イメージ電流は、この周辺の磁気トポロジーがプラズマの閉じ込めには重要でないので、チャンバー１３１０内部の閉じ込め特性に悪影響を与え、および／またはこれを変えてしまうといったことがない。
【００４７】
チャンバー壁１３１１内の方位角イメージ電流の形成を防ぐことに加えて、スロット１３６２は、磁束が領域およびミラーコイル１３２５および１３３０から、速いタイムスケールでチャンバー１３１０に浸透するための進路を提供する。スロット１３６２によって、サブミリ秒レベルの微調整が可能になり、その結果、印加磁場のフィードバック制御が可能になる。
【００４８】
（ＦＲＣ内の荷電粒子）
図３は、ＦＲＣ７０の磁場を示す図である。システムは、その軸７８に対して円筒対称性を有する。ＦＲＣには、磁力線の２つの領域、開放領域８０および閉鎖領域８２が存在する。この２つの領域を分割する面は、セパラトリックス８４と呼ばれる。ＦＲＣは、磁場が零になる円筒状ヌル面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、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内で方向を反転するが、磁場反転配位（ＦＲＣ）における「反転」という用語の由来である。
【００４９】
図４Ａでは、ヌル面９４の外側の磁場は、第一方向９６にある。ヌル面９４の内側の磁場は、第一方向に対向する第二方向９８にある。イオンが方向１００に移動する場合、そのイオンに作用するローレンツ力３０はヌル面９４の方を指す。これは、右手の法則を適用することによって容易に理解されよう。反磁性方向１０２に移動する粒子に関しては、ローレンツ力は常にヌル面９４の方向を向いている。この現象は、下述するベータトロン軌道と呼ばれる粒子軌道を生じる。
【００５０】
図４Ｂは、逆反磁性方向１０４に移動するイオンを示す図である。この場合のローレンツ力は、ヌル面９４から離れる方向を向いている。この現象は、下述するドリフト軌道と呼ばれる一種の軌道を生じる。イオンに対する反磁性方向は、電子に対して逆反磁性方向であり、逆の場合も同様である。
【００５１】
図５は、イオンの反磁性方向１０２に回転するプラズマ１０６のリングまたは環状の層を示す。リング１０６は、ヌル面８６の周辺部に位置する。環状プラズマ層１０６によって発生する磁場１０８は、外部印加磁場１１０とともに、ＦＲＣのトポロジー（このトポロジーを図３に示す）を有する磁場を形成する。
【００５２】
プラズマ層１０６を形成するイオンビームには熱があるので、イオンの速度は、イオンビームの平均角速度で回転しているフレーム内に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、融合反応をもたらす。このために、プラズマビーム層または電力コア１０６は、衝突ビームシステムと呼ばれる。
【００５３】
図６は、衝突ビームシステム内の主なタイプのイオン軌道（ベータトロン軌道１１２と呼ばれる）示す図である。ベータトロン軌道１１２は、ヌル円１１４を中心とする正弦波として表すことができる。上述のように、ヌル円１１４上の磁場は零になる。軌道１１２の面は、ＦＲＣの軸７８に対して垂直である。この軌道１１２内のイオンは、それらの出発点１１６から反磁性方向１０２に移動する。ベータトロン軌道内のイオンは、半径方向（ヌル円１１４に対して垂直）に振動する、およびヌル円１１４に沿って並進する、の２つの動作を行う。
【００５４】
図７Ａは、ＦＲＣ内の磁場１１８のグラフである。グラフの横軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離をｃｍで表したものである。磁場は、キロガウスで表される。グラフに示されるように、磁場１１８はヌル円半径１２０で零になる。
【００５５】
図７Ｂに示されるように、ヌル円付近を移動する粒子は、ヌル面８６から離れる方向を向いている磁場の勾配１２６であると考えられる。ヌル円の外側の磁場は、第一方向１２２にあり、ヌル円の内側の磁場は、第一方向に対向する第二方向１２４にある。勾配ドリフトの方向はクロス積
【００５６】
【化５】
によって与えられ、ここで、
【００５７】
【化６】
は磁場の勾配であり、したがって、イオンがヌル円１２８の内側にあるか外側にあるかに関わらず、右手の法則を適用することによって、勾配ドリフトの方向が逆反磁性方向にあることが理解される。
【００５８】
図８Ａは、ＦＲＣ内の電場１３０のグラフである。グラフの横軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離をｃｍで表したものである。電場は、Ｖ／ｃｍで示される。グラフに示されるように、電場１３０はヌル円半径１２０の近くで零になる。
【００５９】
図８Ｂに示されるように、イオンに対する電場を解放しているが、ヌル面８６から離れて、方向１３２および１３４を向いている。磁場は、上述と同様に、ヌル面８６の内側および外側の逆の方向１２２および１２４である。これは、右手の法則を適用することによって、イオンがヌル円１３６の内側にあるか外側にあるかに関わらず、
【００６０】
【化７】
ドリフトの方向が反磁性方向１０２にあることが理解できる。
【００６１】
図９Ａおよび９Ｂは、別のタイプのＦＲＣ内の共通軌道示し、ドリフト軌道１３８と呼ばれる。ドリフト軌道１３８は、図９Ａに示されるように、ヌル面１１４の外側に存在しうるか、または図９Ｂに示されるように、ヌル面の内側に存在しうる。ドリフト軌道１３８は、
【００６２】
【化８】
ドリフトが優勢であれば反磁性方向に回転し、勾配ドリフトが優勢であれば逆反磁性方向に回転する。図９Ａおよび９Ｂに示されるように、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。
【００６３】
図９Ｃに示されるように、ドリフト軌道は、相対的に大きな円周を回転する小さな円として考えることができる。小さな円１４２は、意味上の軸の周りを回転する１４４。また、大きな円１４６上を方向１０２に転がる。点１４０は、宇宙空間において１３８に類似した経路をたどる。
【００６４】
図１０Ａおよび１０Ｂは、ＦＲＣ１５１の端部でのローレンツ力の方向を示す。図１０Ａは、磁場１５０内を速度１４８で反磁性方向１０２に移動するイオンを示す。これは、右手の法則を適用することによって、ローレンツ力１５２が閉鎖端磁場領域にイオンを押し戻す傾向があることを理解することができる。したがって、この場合では、ローレンツ力１５２がイオンを閉じ込めている。図１０Ｂは、磁場１５０内を速度１４８で逆反磁性方向１０２に移動するイオンを示す。これは、右手の法則を適用することによって、ローレンツ力１５２が開放端磁場領域にイオンを押し込む傾向があることを理解することができる。したがって、この場合では、ローレンツ力１５２がイオンを解放している。
【００６５】
（ＦＲＣにおける磁気的および静電気的閉じ込め）
プラズマ層１０６（図５を参照のこと）は、イオンの反磁性方向１０２に、ヌル面８６の周辺部にエネルギーイオンビームを注入することによって、ＦＲＣ内に形成することができる。（異なるＦＲＣおよびプラズマリングの形成方法は下記に詳述する。）循環プラズマ層１０６では、ほとんどのイオンは、ベータトロン軌道１１２（図６を参照のこと）を有し、エネルギーがあり、非断熱である。したがって、それらのイオンは、異常輸送を生じさせる、短波長の変動の影響を受けない。
【００６６】
ＦＲＣ内に形成され、平衡状態にあるプラズマ層１０６では、運動量の保存により、イオンの角速度ωｉと電子の角速度ωｅとの間の関係が与えられる。この関係は、次のようになる：
【００６７】
【化９】
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は電子電荷であり、Ｂ０は印加磁場の大きさであり、ｃは光速である。この関係には、印加磁場Ｂ０、電子の角速度ωｅ、およびイオンの角速度ωｉの３つの自由パラメータがある。これらのうちの２つがわかっていれば、３つ目を式１から決定することができる。
【００６８】
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によって決定され、このＷｉは次式で与えられる：
【００６９】
【化１０】
この場合、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、ｒ０はヌル面８６の半径である。このビーム内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。
【００７０】
ビームの一定の注入速度（一定のωｉ）に関して、印加磁場Ｂ０は、異なる値ωｅが得られるように調整することができる。後述するように、外部磁場Ｂ０の調整により、プラズマ層の内側の静電場の異なる値も生じる。本発明のこの特徴を、図１１Ａおよび１１Ｂに示す。図１１Ａは、同じ注入速度ωｉ＝１．３５×１０７ｓ−１であるが、３つの異なる印加磁場Ｂ０から得られた電場（Ｖ／ｃｍ）の３つの線図を示す：
【００７１】
【表１】
上記表におけるωｅの値は、式１に基づいて決定されたものである。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１１Ｂは、Ｂ０およびωｅ同一の値の組に対する電位（Ｖ）を示す。図１１Ａおよび１１Ｂの横軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離を表し、グラフにおいてｃｍで示される。電場および電位は、ωｅに大きく依存する。
【００７２】
上述の結果は、単純な物理的根拠から説明することができる。イオンが、反磁性方向内に回転するとき、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。これを図４Ａに示した。電子がイオンと同じ方向に回転する場合、ローレンツ力は逆方向にあるので、電子は閉じ込められない。電子がプラズマから離れ、その結果、過剰の正電荷が発生する。これは、他の電子がプラズマから離れないように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、運動量の保存によって決定される。
【００７３】
静電場は、電子とイオン両方の輸送に関する重要な役割を果たす。したがって、本発明の重要な側面は、強い静電場が、プラズマ層１０６の内側に発生され、この電場の大きさが、容易に調節できる印加磁場Ｂ０の値によって制御されることである。
【００７４】
説明されるように、ωｅ＞０の場合、静電場が電子を閉じ込める。図１１Ｂに示されるように、井戸の深さは、印加磁場Ｂ０を調整することによって増加させることができる。ヌル円の近くの非常に狭い領域を除いて、電子は、常に小さなジャイロ半径を有する。したがって、電子は、異常に速い拡散速度を有する短波長の変動に応答する。実際に、この拡散は、融合反応が生じると、電位井戸を保持するのを助力する。この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、プラズマから離れる。電荷を準中性に保持するために、融合生成物は、この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、融合生成物によってプラズマから離れる電子は置換されなければならず、さもなければ、電位井戸が消失する。
【００７５】
図１２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することができ、融合イオンとともに離れることができる。したがって、この分布１６２の尾部１６０は、ヌル面の近くの高密度の領域で、電子同士の衝突によって連続的に発生する。この高エネルギーの電子は、さらに小さなジャイロ半径を有するので、異常な拡散により、逸脱する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到達できるようにする。この高エネルギー電子は、電位井戸を上昇させるエネルギーを失い、ごくわずかなエネルギーを残す。この電子は、磁場を迅速に横切ることができるが、ほとんどエネルギーが移送されないので、異常輸送による異常なエネルギーの損失が回避される傾向にある。
【００７６】
この電位井戸の別の結果は、気化冷却と類似する、電子のための強力な冷却機構である。例えば、水を気化させるためには、気化潜熱を供給しなければならない。この熱は、残りの水および周囲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できるよりも早く、より低い温度に迅速に熱化する。同様に、電子に関して、電位井戸の深さは、水の気化潜熱に等しい。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、電子が脱出できるように、電位井戸を上るために必要とされるエネルギーを供給する。したがって、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もたらす。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、電子熱化時間の約１８００倍未満である。この冷却機構はまた、電子の放射損失を減じる。このことは、特に、先進燃料のために重要であり、放射損失は、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。
【００７７】
静電場は、イオン輸送にも影響を及ぼす。プラズマ層１０６内の大部分の粒子軌道は、ベータトロン軌道１１２である。大角度の衝突、すなわち、９０°乃至１８０°の散乱角での衝突は、ベータトロン軌道をドリフト軌道に変える可能性がある。上述のように、ドリフト軌道の回転方向は、
【００７８】
【化１１】
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。
【００７９】
【化１２】
ドリフトが優勢であれば、ドリフト軌道は反磁性方向内に回転する。勾配ドリフトが優勢であれば、ドリフト軌道は逆反磁性方向内に回転する。これを図１３Ａおよび１３Ｂ示す。図１３Ａ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。
【００８０】
【化１３】
ドリフトが優勢であるので、ドリフト軌道は反磁性方向に回転し続ける。図１３Ｂは、別の１８０°衝突を示すが、この場合、静電場は弱く、勾配ドリフトが優勢である。したがって、ドリフト軌道は、逆反磁性方向内に回転する。
【００８１】
ドリフト軌道の回転方向は、それが閉じ込められるかどうかを決定する。ドリフト軌道内を移動する粒子は、ＦＲＣ軸に対して平行な速度も有する。その平行移動の結果として、粒子がＦＲＣの一端から他端まで移動するのにかかる時間は、移動時間と呼ばれ、したがって、ドリフト軌道は、移動時間のオーダーの時間で、ＦＲＣの端部に到達する。図１０Ａに関連して示されるように、ＦＲＣの端部でのローレンツ力は、反磁性方向に回転するドリフト軌道のみを閉じ込めている。したがって、移動時間の後、逆反磁性方向で回転しているドリフト軌道内のイオンが失われる。
【００８２】
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ものである。実際に、これらの実験において、イオンは電流の半分を担送し、電子が残りの半分を担送した。これらの条件では、プラズマの内側の電場は無視してよく、勾配ドリフトは常に
【００８３】
【化１４】
ドリフトよりも優勢であった。したがって、大角度の衝突によって作り出される全てのドリフト軌道は、移動時間の後、失われた。これらの実験により、イオンの拡散速度が、古典的拡散の推定値によって予測される速度よりも速いことが報告された。
【００８４】
強力な静電場が存在する場合、
【００８５】
【化１５】
ドリフトは勾配ドリフトよりも優勢であり、ドリフト軌道は反磁性方向に回転する。これは、図１３Ａに関連して上記したものである。これらの軌道が、ＦＲＣの端部に到達するとき、これらは、ローレンツ力によって、閉鎖端磁場領域に反射して戻される。したがって、それらは、システム内に閉じ込められたままである。
【００８６】
衝突ビーム系中の静電場は、
【００８７】
【化１６】
ドリフトが勾配ドリフトよりも優勢であるように、充分に強力とすることが可能である。したがって、システムの静電場は、このイオン損失機構（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。
【００８８】
イオン拡散の別の側面は、ベータトロン軌道上の小角度の電子−イオン衝突の影響を考慮することによって、理解することができる。図１４Ａは、ベータトロン軌道１１２を示す図である。図１４Ｂは、小角度の電子−イオン衝突が考えられる場合１７４の同じ軌道１１２を示す。図１４Ｃは、１０分の１長い時間１７６にわたって追跡した図１４Ｂの軌道を示す。図１４Ｄは、２０分の１時間１７８にわたって追跡した図１４Ｂの軌道を示す。ベータトロン軌道のトポロジーは、小角度の電子−イオン衝突に起因して変化しないことが分かる。しかし、それらの半径方向の振動の振幅は、経時的に大きくなる。実際に、図１４Ａ乃至１４Ｄに示される軌道は、経時的にふくらみ、これは、古典的拡散を示す。
【００８９】
（ＦＲＣの形成）
ＦＲＣの形成に使用される従来のプロシージャは、主にシータピンチ領域の反転プロシージャを用いる。この従来の方法では、中性ガス裏込めチャンバーを囲む外部コイルによって、バイアス磁場が印加される。これが生じると、ガスがイオン化され、バイアス磁場はプラズマ内で凍結される。次に、外部コイル内の電流を急速に反転させて、対向させて配向した磁力線を以前に凍結した磁力線と接続して、ＦＲＣの閉じたトポロジーを形成する（図３を参照のこと）。この形成プロセスは、ほぼ経験的であり、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、再現性が不十分であり、調整能力がない。
【００９０】
対照的に、本発明のＦＲＣ形成方法は、十分な制御を可能にし、さらに透明で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ＦＲＣは、調整することが可能であり、その形状および他の特性は、外側の磁場コイル３２５によって印加磁場を操作することによって直接的に影響を及ぼすことができる。本発明の方法によるＦＲＣの形成はまた、上述の方法で、電場および電位井戸の形成をもたらす。さらに、本方法を容易に拡張して、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、イオンの古典的閉じ込めを好都合に可能にする。さらにまた、この技術は、小型装置に用いることができ、非常に堅牢であり、かつ実装が容易であるが、これらは全て反応器システムの非常に望ましい特性である。
【００９１】
本方法では、ＦＲＣの形成は、循環プラズマビーム３３５に関連する。循環プラズマビーム３３５は、これが電流であるので、円形ワイヤー内の電流と同様に、ポロイダル磁場を発生させる、と理解することができる。この循環プラズマビーム３３５の内側で、それが誘導する自己磁場は、外側コイル３２５による外部印加磁場に対向する。プラズマビーム３３５の外側で、自己磁場は、印加磁場と同じ方向にある。プラズマイオン電流が十分大きい場合、自己磁場は、印加磁場に打ち勝って、磁場が循環プラズマビーム３３５の内側へ反転し、これによって、図３および５に示されるようにＦＲＣトポロジーを形成する。
【００９２】
磁場反転の要件は、単純なモデルで推定することができる。大きな半径ｒ０および小さな半径ａ＜＜ｒ０のリングによって担送される電流Ｉｐを考える。このリングに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イオンによって担送されるものと仮定する。半径ｒ０＝Ｖ０／Ω０で循環する単一のイオンについて、Ω０＝ｅＢ０／ｍｉｃが外部磁場Ｂ０のサイクロトロン周波数である。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、次式で定義される：
【００９３】
【化１７】
これは、Ｎｐ＞２ｒ０／αｉ、および
【００９４】
【化１８】
を意味し、ここで、αｉ＝ｅ２／ｍｉｃ２＝１．５７×１０−１６ｃｍであり、このイオンビームのエネルギーは
【００９５】
【化１９】
である。一次元モデルにおいて、プラズマ電流による磁場は、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。この磁場反転の要件は、ｉｐ＞ｅＶ０／πｒ０αｉ＝０．２２５ｋＡ／ｃｍであり、ここで、Ｂ０＝６９．３Ｇであり、そして
【００９６】
【化２０】
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、リングの間隔である）で平均化され、ｓ＝ｒ０である場合、このモデルは、ｉｐ＝Ｉｐ／ｓを有する一次元モデルと同じ平均磁場を有する。
【００９７】
（複合ビーム／ベータトロン形成技術）
上述の閉じ込めシステム３００内にＦＲＣを形成する好適な方法は、本願明細書において、複合ビーム／ベータトロン技術と呼ばれる。この手法では、プラズマイオンの低エネルギービームと、ベータトロンフラックスコイル３２０を使用するベータトロン加速とを組み合わせる。
【００９８】
この方法の第１のステップでは、背景プラズマ供給源３４５を使用して、チャンバー３１０内に、実質的に環状の雲の層の背景プラズマを注入する。外側コイル３２５は、チャンバー３１０の内側に磁場を作り出すが、これは、背景プラズマを磁化させるものである。低エネルギーのイオンビームは、短い間隔で、チャンバー３１０内の外部印加磁場に対して実質的に横軸方向に、注入ポート３４０を介してチャンバー３１０に注入される。上述のように、イオンビームは、大きなベータトロン軌道のチャンバー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、イオンダイオードおよびＭａｒｘ発生器を備えた加速器のような、イオン加速器によって発生させることができる（Ｒ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ，Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅＰｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｎｓｅ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ，（１９８２）を参照のこと）。当業者に理解されるように、印加磁場は、イオンビームがチャンバー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望まれる。この問題を解決するために、イオンビームは電子によって中和され、図１５に示されるように、イオンビーム３５０が、チャンバー３１０内の一方向性の印加磁場のような、適切な磁場を介して導かれるときに、正に荷電されたイオンおよび負に荷電された電子を分離する。したがって、このイオンビーム３５０は、磁場によって、電気自己分極を得る。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り出すことができる。続いて、閉じ込めチャンバー３１０に導入されるときに、得られる電場は、ビーム粒子への磁力と釣り合い、イオンビームが偏向せずにドリフトできるようにする。図１６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磁力線に沿って移動し、これによって、ビームの電子分極を弱める。このビームがもはや電気的に分極されなくなった場合、ビームは、図１に示されるように（図５も参照のこと）、主軸３１５の周辺部のベータトロン軌道内の循環プラズマビーム３３５を結合する。
【００９９】
このプラズマビーム３３５が、このベータトロン軌道内を移動する場合、移動するイオンは電流を含み、次いで、ポロイダル自己磁場を生じる。このチャンバー３１０内でＦＲＣ位相を形成するには、プラズマビーム３３５の速度を増加させ、これによって、プラズマビーム３３５が生じさせる自己磁場の大きさを増加させる必要がある。この自己磁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磁場の方向が反転し、ＦＲＣを生じる（図３および５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には、プラズマビーム３３５の速度が増すにつれて、外側コイル３２５から印加される磁場を増加させる必要がある、と理解することができる。したがって、制御システムが、外側コイル３２５を通る電流によって決定される、適切に適用された磁場を維持するために提供される。別様には、第２の外側コイルを使用して、加速されるときにプラズマビームの軌道半径を維持するために必要とされる、更なる印加磁場を提供してもよい。
【０１００】
この軌道内の循環プラズマビーム３３５の速度を増加させるために、ベータトロンフラックスコイル３２０を備える。図１７を参照すると、アンペールの法則によってベータトロンフラックスコイル３２０を流れる電流を増加させることによって、チャンバー３１０内の方位角電場Ｅを誘導する、と理解することができる。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、上述のような反転電場に至る。上述のように中和および分局されたイオンビーム３５０が、循環プラズマビーム３３５に加えられる場合、プラズマビーム３３５は、イオンビームを脱分極する。
【０１０１】
場の反転のために、循環プラズマビーム３３５を、約１００ｅＶの回転エネルギー、好ましくは約７５ｅＶ乃至１２５ｅＶに加速することが好ましい。融合に関連する条件に到達するためには、循環プラズマビーム３３５を、約２００ｋｅＶ、好ましくは約１００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶに加速することが好ましい。
【０１０２】
ＦＲＣ形成は、結合ビーム／ベータトロン形成技術を使用して、成功裏に実証された。結合ビーム／ベータトロン形成技術は、最高５００Ｇの外部印加磁場、ベータトロンフラックスコイル３２０からの最高５ｋＧの磁場、および１．２×１０−５トルの真空度を使用して、直径１ｍおよび長さ１．５ｍのチャンバー内で実験的に実施された。実験では、背景プラズマの密度が１０１３ｃｍ−３であり、イオンビームは、密度が１．２×１０１３ｃｍ−３、速度が２×１０７ｃｍ／ｓ、およびパルス長が約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。
【０１０３】
（ベータトロン形成技術）
閉じ込めシステム３００内でＦＲＣを形成する別の好適な方法を、本願明細書においてベータトロン形成技術と呼ぶ。本技術は、ベータトロン誘導電流の直接駆動に基づいて、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。本技術の好適な実施態様では、図１に示される閉じ込めシステム３００を使用するが、低エネルギーイオンビームの注入は必ずしも必要ではない。
【０１０４】
示されるように、ベータトロン形成技術における主要構成要素は、チャンバー３１０の中心に軸に沿って載置された、ベータトロンフラックスコイル３２０である。コイルの別個の平行の巻線構造により、コイル３２０は、適切な電源に連結された場合に、非常に低いインダクタンスを示し、低いＬＣ時定数を有し、これによって、フラックスコイル３２０における電流の迅速なランプアップが可能になる。
【０１０５】
ＦＲＣの形成は、外部場コイル３２５および３３０に電圧を加えることによって開始することが好ましい。これは、端部付近に軸方向のガイド領域、および半径方向の磁場成分を提供して、チャンバー３１０に注入されたプラズマを軸方向に閉じ込める。十分な磁場が確立されると、背景プラズマ供給源３４５が、それ自体の電源から電圧を加えられる。プラズマ銃から放射されたプラズマは、軸方向のガイド領域に沿って流れ、その温度によって、わずかに拡散する。プラズマがチャンバー３１０の中央平面に到達したとき、ゆっくり移動する冷たいプラズマの、連続した軸方向に延びる環状層が構築される。
【０１０６】
この時点で、ベータトロンフラックスコイル３２０に電圧が加えられる。このコイル３２０内の電流が急激に増加することによって、コイルの内側に、高速に変化する軸方向の磁束が生じる。誘導作用による軸方向の磁束におけるこの急速な増加によって、方位角電場Ｅの生成が生じ（図１８を参照）、この電場Ｅは、フラックスコイル周辺の空間を透過する。マクスウェルの式により、この電場Ｅは、コイルの内側の磁束強度の変化に正比例する。すなわち、ベータトロン電流のランプアップが速くなるほど、より強い電場がもたらされる。
【０１０７】
誘導により生じた電場Ｅは、プラズマ内の荷電粒子と結合し、動重力（ｐｏｎｄｅｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）を生じさせ、環状プラズマ層内の粒子を加速する。電子は、それらの比較的小さい質量により、加速される最初の種である。したがって、このプロセスによって形成される最初の電流は、主に電子によるものである。しかし、十分な加速時間（約数百マイクロ秒）は、最終的にイオン電流ももたらす。図１８を参照する。この電場Ｅは、反対の方向に電子およびイオンを加速する。両方の種がその終端速度に達すると、電流は、イオンおよび電子によってほぼ均等に担送される。
【０１０８】
上述のように、回転プラズマによって担送される電流は、自己磁場を生じる。プラズマ層内の電流により生じた自己磁場が、外部磁場コイル３２５および３３０からの印加磁場に相当するようになったときに、実際のＦＲＣのトポロジーの生成が始まる。この時点で、磁気的な再結合が生じ、最初に外部から作り出された磁場の開放端磁場が閉じて、ＦＲＣフラックス表面を形成し始める（図３および図５を参照のこと）。
【０１０９】
この方法によって確立される基礎の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、一般的に、反応炉に関連する作動パラメータではない。しかし、誘導電子加速領域は、ベータトロンフラックスコイル３２０内の電流が高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。したがって、このプロセスの程度は、電流の継続した供給には、多量エネルギー貯蔵バンクが必要であるので、主にフラックスコイル電源により制限される。しかし、原則的に、このシステムを反応炉に関連する条件まで加速することは簡単である。
【０１１０】
磁場の反転のために、循環プラズマビーム３３５が、約１００ｅＶの回転エネルギー、好ましくは約７５ｅＶ乃至１２５ｅＶに加速されることが好ましい。融合に関連する条件に到達するために、循環プラズマビーム３３５は、約２００ｋｅＶ、好ましくは約１００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶに加速されることが好ましい。上述のように、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、プラズマビーム３３５は、このイオンビームを脱分極する。
【０１１１】
ベータトロン形成技術を用いたＦＲＣ形成は、以下のパラメータレベルにて成功裏に実証された：
・真空チャンバー寸法：直径約１ｍ、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
・真空チャンバー内で作り出された平均外部磁場は、最高１００ガウスであり、ランプアップ期間が１５０μｓ、ミラー比が２：１であった（供給源：外部コイルおよびベータトロンコイル）
・背景プラズマ（実質的に水素ガス）は、平均密度約１０１３ｃｍ−３、運動温度１０ｅＶ未満で特徴付けられた
・この構成の寿命は、実験において貯蔵された総エネルギーによって制限され、概ね約３０μｓであった。
【０１１２】
この実験は、まず、チャンバーの内側に円形に載置された２組の同軸ケーブル銃によって、背景プラズマ層を注入することから進められた。それぞれ一群８個の銃を、２つのミラーコイル組立体のうちの１つに載置した。これらの銃を、他の組に対して等距離の様式で方位角によって間隔を空けてずらした。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となり、これによって、環状のプラズマ層を発生させた。
【０１１３】
この層を構築したときに、ベータトロンフラックスコイルに電圧を加えた。このベータトロンコイルの巻線内の電流を増加させることにより、コイルの内側の磁束が増加し、これによって、ベータトロンコイルの周囲でカールする方位角電場が生じた。ベータトロンフラックスコイルにおける、急激にランプアップした高い電流は、強い電場を発生させ、この電場が環状プラズマ層を加速し、これによって、かなり大きな電流が誘導された。十分に強いプラズマ電流は、自己磁場を作り出し、この磁場は、外部から供給された磁場を変化させて、磁場反転配位を生じさせた。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。
【０１１４】
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１９に示す。データ曲線Ａは、実験用チャンバーの軸方向の中央平面（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、チャンバーの軸方向の中央平面の、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。したがって、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、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、内側の磁場は、約２３μｓ乃至４７μｓの間で方向が反転し（負であり）、一方で、外側の磁場は正のままである（すなわち、方向が反転しない）ことを明確に示している。反転の時間は、ベータトロンコイルにおける電流のランプアップによって制限される。ベータトロンコイルにおいてピーク電流に達すると、燃料プラズマ層に誘導される電流が低下し始め、ＦＲＣは急激に崩壊する。これまで、ＦＲＣの寿命は、実験において貯蔵でき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と同様に、このシステムは、ＦＲＣの寿命をより長くし、反応炉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せることができる。
【０１１５】
全体的に、本技術は、小型のＦＲＣを作り出すだけでなく、堅牢かつ実行が簡単でもある。最も重要なことに、本方法によって発生される基礎の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せることができる。これは、融合アプリケーションおよび古典的な高エネルギー燃料ビームの閉じ込めに重要である。
【０１１６】
（誘導プラズマ供給源）
上述のベータトロンおよびビーム／ベータトロンＦＲＣ形成技術は、どちらもフラックスコイル３２０を介した、エネルギーの背景プラズマへの供与に依存する。変圧器と同様に、フラックスコイルは、変圧器の一次巻線の機能を果たし、プラズマは、二次巻線の機能を果たす。本誘導システムが効率的に機能するためには、プラズマが良好な導電体であることが不可欠である。
【０１１７】
金属のような一般的な導電体に対して、プラズマは電気抵抗が少ないので、温度の上昇に伴って導電性が高くなる。プラズマ電子の温度は、電子−イオン衝突の関数である散逸性の決定に特に重要な役割を大きな割合で果たす。本質的には、散逸は、電子−イオン衝突によって生じる抵抗によるものであり、衝突頻度が高くなるほど抵抗率が高くなる。これは、プラズマの総体的な現象によるものであり、クーロン衝突の断面積を調べる。衝突頻度（連続した衝突が生じる割合）は、基本的に、密度、調べたクーロン散乱断面積、および衝突／散乱電荷の温度（または平均）速度の関数で、すなわち、νｃ＝ｎσｖである。ｖのスケールをＴ１／２に定義することによって、σは、ｖ−４、すなわちＴ−２に比例する。したがって、衝突頻度νｃは、ｎＴ−３／２に比例する。抵抗率は、η＝νｃｍ／ｎｅ２によって衝突頻度に関連する。したがって、抵抗率はＴ−３／２に比例し、特に密度に依存しない。これは、電荷担体の数が密度によって増加しても、散乱中心の数も同様に増加する、という事実の直接的な結果によるものである。故に、温度が高くなれば、プラズマの導電率が高くなり、散逸による損失が少なくなる。
【０１１８】
したがって、ＦＲＣにおける閉じ込めに関してより良好な作用を発揮するために、高温プラズマが強く望まれる。ＰＥＧシステムの場合、温度の上昇によって、ＦＲＣの開始が改善され（プラズマが良好な導電体になるほど、プラズマとフラックスコイルとの間の誘電結合が良好になる）、電流維持が良好になり（プラズマの抵抗率が低くなることで、摩擦性および散逸性の損失が少なくなり、それによって電流損失が少なくなる）、また、磁場強度が高くなる（電流が強くなれば、自己磁場が大きくなる）。初期のプラズマ形成中かつフラックスコイルの係合前の十分な電子温度によって、プラズマにフラックスコイルがより良好に組み合わされる（好都合に、チャンバー壁内の方位角イメージ電流の形成を減じる傾向がある）。これは、ベータトロン加速（抵抗率が低いことで、フラックスコイルからプラズマでのエネルギーの誘導的な移動がより良好になる）、およびプラズマの加熱が高められ（回転電流で表される、与えられた方向性エネルギーの一部が熱化して、ランダムエネルギーに変化し、最終的に、フラックスコイルによるプラズマの加熱をもたらす）、結果的に、（より高い温度により）イオン−電子衝突回数が増加し、散逸が減少（抵抗率が減少）し、最終的には、より高いＦＲＣ領域（電圧の上昇によって磁場が強くなる）が達成される。
【０１１９】
より良好な初期のプラズマ温度を達成するために、誘導プラズマ供給源が提供される。図２０Ａ、２０Ｂ、および２０Ｃに示されるように、誘導プラズマ供給源１０１０は、チャンバー３１０内でフラックスコイル３２０の端部周辺に載置することが可能であり、高電圧（約５乃至１５ｋＶ）の電源（図示せず）が供給されることが好ましい、シングルターンショックコイル組立体１０３０を含む。水素（または他の適切な気体の融合燃料）のような中性ガスは、ラバルノズルを１０２０経て直接的なガス供給を介して供給源１０１０に導入される。ガス流は、複数組の超高速パフバルブによって制御され、きれいな衝撃波面を作り出すことが好ましい。ガスがノズル１０２０から放射されて、ショックコイル１０３０のコイルの巻線１０４０の表面に分散すると、巻線１０４０に電圧が加わる。低インダクタンスショックコイル１０３０内の超高速電流および磁束ランプアップは、ガス内で非常に高い電場をもたらし、ショックコイル１０３０の表面からチャンバー３１０の中央に向かう形成プラズマのブレークダウン、イオン化、およびその後の放出を生じさせる。
【０１２０】
好適な一実施態様では、ショックコイル１０３０は、その外面の周辺部に形成され、外部リング１０３４に囲まれた環状円盤型本体１０３２と、その内面の周辺部に形成された環状ハブ１０３６とを備える。リング１０３４およびハブ１０３６は、頂部が開口した環状流路１０３５の周縁部を形成する本体１０３２の表面を越えて軸方向に延在する。本体１０３２、リング１０３４、およびハブ１０３６は、ガラス、プレキシガラス、パイレックス（登録商標）（ｐｉｒｅｘ）、石英、セラミックのような、良好な真空特性および低ガス放出特性を有する適切な非導電材料を一体成型構造によって形成したものが好ましい。
【０１２１】
マルチセクションシュラウド１０１２は、ショックコイル１０３０のリング１０３４に連結され、作り出されたプラズマが半径方向にドリフトしないようにすることが好ましい。シュラウド１０１２の各区間１０１４は、複数の軸方向に延在するフィンガー１０１６を含む。各区間１０１４の端部は、取り付けブラケット１０１５を含む。
【０１２２】
コイルの巻線１０４０は、エポキシまたは他の何らかの適切な接着剤を使用して、経路１０３５内のコイル本体１０３２の表面に取り付けられることが好ましい。ショックコイル１０３０の高速な電磁特性を得るには、そのインダクタンスをできる限り低く保持するが重要である。これは、コイル１０４０の巻き数をできる限り少なくして、平行に巻回した複数のストランドのワイヤー１０４２をコイル１０４０に構築することによって達成される。例示的な一実施態様では、コイル１０４０は、それぞれが１つのループを実行する、ワイヤー１０４２の２４の平行のストランドを備える。それぞれのワイヤー１０４２は、本体１０３２の外周上に約１５°で配置されることが好ましい入口点１０４４で始まり、本体１０３２の内側半径上の出口点１０４６で１つの軸だけを一周して終わる。したがって、コイルの巻線１０４０は、経路１０３５の内側端部と外側端部との間の領域全体を覆う。ストランド１０４２の群は、同じ容量性貯蔵バンクに接続されることが好ましい。一般に、電力は、同じ容量性貯蔵バンクから全てのストランド１０４２に供給するか、または、例示的な一実施態様にあるように、３つのストランド１０４２のうちの８つの群が、互いに接続され、一般に、２つの別個の容量性貯蔵バンクのうちの１つから供給される。
【０１２３】
環状円盤型ノズル本体１０２２は、その内側の周辺でハブ１０３６に連結され、ラバルノズル１０２０を形成する。ハブ１０３６に面するノズル本体１０２２の表面１０２４は、表面１０２４とハブ１０３６の面１０３７との間に環状のガスプレナム１０２５を画定する、拡張中央部形状を有する。ノズル本体１０２２の外周部に隣接して、表面１０２４は、表面１０２４と面１０３７との間に方位角方向に延在するラバル型ノズル出口１０２３を画定する、伸縮形状を有する。
【０１２４】
ハブ１０３６の反対側には、バルブシートリング１０５０が取り付けられ、リング１０５０の外面には複数のバルブシート１０５４が形成される。バルブシート１０５４は、ハブ１０３６を介して形成されたガス供給流路１０５２が配列される。
【０１２５】
動作中、中性ガスは、バルブシート１０５４内の超高速パフバルブを介して、ハブ１０３６を通って延在するガス流路１０５２に供給される。ノズル出口１０２３の収縮部分により、ガスがノズル１０２０．から放射される前に、環状プレナム１０２５に供給されてこれを満たす。ガスがノズル１０２０から放射され、ショックコイル１０３０のコイルの巻線１０４０の表面に分散すると、巻線１０４０に電圧が加わる。低インダクタンスショックコイル１０３０内の超高速電流および磁束ランプアップは、ガス内で非常に高い電場をもたらし、ショックコイル１０３０の表面からチャンバー３１０の中央に向かう形成プラズマのブレークダウン、イオン化、およびその後の放出を生じさせる。
【０１２６】
電流ランプアップは、全てのストランド１０４２または一斉に発射することを目的とした複数群のストランドに適切に同期化されることが好ましい。異なる群のストランドを異なる時間に発射するといった、可能かつ潜在的に好都合な別のオプションがある。異なる群のストランド１０４２を係合する合間に、遅延を故意に制定して、異なる群のストランドを異なる時間に発射することができる。異なる群のストランドを異なる時間に発射する場合には、その配列が方位角方向に対称となり、あらゆる所与の電力パルスにおいて、導電ワイヤー１０４２によってコイル１０４０の表面が十分に覆われるように、ストランドをグループ化することが重要である。この形態では、少なくとも２つの、連続するが相異なるプラズマを発生されることが可能である。パルス間の遅延は、どのくらいの中性ガスが利用可能であるかによって制限される。実際には、約５乃至６００マイクロ秒間隔で、当該のパルスを発射することが可能である。実用上、入力作動パラメータは、以下のようにあることが好ましい：
荷電電圧：約１０乃至２５ｋＶ、分割供給する
電流：組み合わせた全ての巻線を介して最高約５０ｋＡの総電流
パルス／上昇時間：最高約２マイクロ秒
ガス圧力：約−２０乃至５０ｐｓｉ
プレナムサイズ：バルブにつき約０．５乃至１ｃｍ３、すなわち：１ショットにつき約４乃至８ｃｍ３の総ガス量
例示的な一実施態様では、入力作動パラメータは、以下の通りであった：
荷電電圧：１２乃至１７ｋＶ 分割供給、すなわち：−１２ｋＶ乃至＋１２ｋＶ
電流：３ストランドの一群につき２乃至４．５ｋＡ、すなわち：組み合わせた全ての巻線を介して１６乃至３６ｋＡの総電流
パルス／上昇時間：１乃至１．５マイクロ秒
ガス圧力：−１５乃至３０ｐｓｉ
プレナムサイズ：バルブにつき０．５乃至１ｃｍ３、すなわち：１ショットにつき４乃至８ｃｍ３の総ガス量
上述のパラメータを使用した誘導プラズマ供給源１０１０の動作方法によって発生されるプラズマは、以下の好都合な特性を有する：
密度：〜４×１０１３ｃｍ−３
温度：〜１０乃至２０ｅＶ
環状スケール：直径〜４０乃至５０ｃｍ
軸方向のドリフト速度：〜５乃至１０ｅＶ
供給源１０１０の形状および配向により、現れるプラズマの形状が環状になり、ＦＲＣに形成されるべき回転プラズマの環状部に等しくなる傾向のある直径を有する。本ＰＥＧシステムでは、２つの当該の誘導プラズマ供給源１０１０を、チャンバー３１０のどちらかの軸方向端部に配置して、同時に発射させることが好ましい。２つの形成プラズマの分布は、チャンバー３１０の中央の方に軸方向にドリフトし、そこには、次いで上述のようにフラックスコイル３２０によって加速されるプラズマの環状の層が形成される。
【０１２７】
（ＦＲＣにおけるイオンおよび電子のためのＲＦ駆動装置）
ロトマク（ｒｏｔｏｍａｋ）と呼ばれるＲＦ電流駆動は、電流が主に電子によって担送されるＦＲＣに用いられている。それは、２つのフェーズドアンテナによって作り出される、回転する半径方向の磁場を伴う。電子は、回転磁力線に対して磁化および凍結される。これにより、イオンの電子とのクーロン衝突によって、そのイオンが加速されて電流が減じられるまで、その電流が保持される。しかし、ロトマクは、無期限に電流を保持するのには適さないが、数ミリ秒であれば良好である。
【０１２８】
本システムのＦＲＣでは、電流は、主に凍結されないベータトロン軌道内にあるイオンによって、回転磁力線に担送される。大きな軌道イオンは、安定性および古典的拡散に重要である。サイクロトロンなどの場合で、イオンが静電波によって駆動される場合には、アンテナの代わりに、電極が用いられる。問題となるのは、波長（３０ｍ）があらゆる寸法のプラズマよりも長くなるように、ＲＦの周波数が１０メガサイクル未満であるので、完全に静電気的なことである。静電場は、電磁波よりも容易にＦＲＣプラズマを浸透させることができる。
【０１２９】
電極によって作り出される静電波は、イオンまたは電子の平均方位角速度に近い速度で移動するようにデザインされている。静電波がイオンの平均速度よりも速く移動する場合は、イオンを加速するので、イオン−電子衝突によるドラッグを補うことになる。しかし、電子は、イオンとのクーロン衝突によって加速される。この場合、静電波は、電子の平均速度よりも遅くなければならず、電子が静電波を加速することになる。電子の平均速度は、イオンの平均速度未満であるので、電子は、２つの異なる周波数で駆動されなければならない。イオンに対する周波数が高くなり、エネルギーは、外部回路によって供給されることが好ましい。電子の場合、エネルギーを、より低い周波数で取り出すことができる。
【０１３０】
（電極システム）
四重極ＲＦ駆動システムを図２１Ａおよび２１Ｂに示す。ＲＦ駆動装置は、チャンバー３１０内に位置して、それらの間に間隙１１１４を有する４つの方位角方向に対称な電極１１１２を有する、四重極サイクロトロン１１１０を備える。四重極サイクロトロン１１１０は、イオンの方位角速度と同じ方向だが、それより速く回転する電位波を作り出すことが好ましい。適切な速度のイオンを、この電位波に閉じ込めて、定期的に反射させることができる。このプロセスによって燃料イオンの運動量およびエネルギーが増加し、この増加が衝突によって閉じ込められていない燃料イオンに運ばれる。燃料プラズマ３３５からの燃料イオンは、あらゆる好都合な速度で中性燃料を注入することによって置き換えることができる。
【０１３１】
電流を駆動するための代替的かつ補足的方法には、サイクロトロン電極１１１２の半分の周波数で駆動される、フラックスコイル３２５および四重極サイクロトロン１１１０の周辺部に位置する更なる磁場コイル１１１６によって電極システムを増強することがある。しかし、本願明細書に示される以下の説明では、専ら電極だけを用いたバージョン（磁場コイル１１１６を用いない）に焦点を当てる。
【０１３２】
図２１Ｃに、２つおよび４つの電極で構成したものを示す。
【０１３３】
示された印加電圧で電極によって発生させた電位は、空間ｒ＜ｒｂにおける真空度に対して、図２１Ｃに記載されている。式は、最も低い調波のためのものである。それらの式は、適切な境界条件によってラプラス式を解くことによって得られる：
【０１３４】
【化２１】
例えば、双極子サイクロトロンの場合：
【０１３５】
【化２２】
Φ（ｒ，θ，ｔ）は、有限である。
Φ（ｒ，θ，ｔ）は、周期２πのθにおいて周期的であるので、フーリエ級数において展開することができる：
【０１３６】
【化２３】
【０１３７】
【化２４】
ｕｎは、次式を満たす：
【０１３８】
【化２５】
【０１３９】
【化２６】
最も低い調波は、次のようになる；
【０１４０】
【化２７】
より高い調波は、
【０１４１】
【化２８】
になる。
【０１４２】
より高い調波がより小さな位相速度および振幅を有するように、方位方向における波速度は
【０１４３】
【化２９】
である。これらのコメントは、図２１Ｃのどちらの場合にも適用する。周波数ωは、ＦＲＣに対する剛体ローター平衡において、イオンの回転周波数ωｉに近くなる。したがって、
ｌ＝１に対しては、
【０１４４】
【化３０】
である。ｌ＝２に対しては、
【０１４５】
【化３１】
であり、および波の振幅は、実質的により低いので、最も低い調波だけの考慮に対する良好な近似度である。
【０１４６】
（プラズマ効果）
プラズマの応答は、誘電テンソルによって説明することができる。電場は、電荷保存式による電荷分離を作り出す、プラズマ電流を作り出す。
【０１４７】
【化３２】
ここで、
【０１４８】
【化３３】
は電流密度であり、ρは電荷密度である。適切な式は、次のようになる：
【０１４９】
【化３４】
または
【０１５０】
【化３５】
ここで、
【０１５１】
【化３６】
は誘電テンソルであり、χは分極性である。電子のコントリビューションが含まれれば、テンソル
【０１５２】
【化３７】
は１つの成分と対角をなす：
【０１５３】
【化３８】
ここで、ｎは密度であり、ＢはＦＲＣの磁場である、ｎおよびＢは、プラズマ内でｒ＝ｒ０において、表面上のｒおよびＢ＝０によって急速に変化する。
【０１５４】
【化３９】
の式は、電子が小さなジャイロ半径を有し、電場がΩｅ＝ｅＢ／ｍｃ（ジャイロ周波数）に比較して、ゆっくりと変化するものと仮定して導出される。この近似度は、ヌル面の近くで分解される。特性軌道は、ドリフト軌道から、電場、すなわちｒ＝ｒ０のヌル面の近くで
【０１５５】
【化４０】
に対する応答がより少ないベータトロン軌道に変化する。イオンは、主にベータトロン軌道を有し、ドリフト軌道に関しては、電場が割合
【０１５６】
【化４１】
で変化するので、電場に対する応答が小さい。
【０１５７】
最終結果は、次式によってラプラス式が置き換えられる：
【０１５８】
【化４２】
これは、数値的に解かなければならない。更なる項は、ｒ＝ｒ０の近くで零になる。四重極の場合の最も低い調波に対する電位は、次の形態となる：
【０１５９】
【化４３】
また、双極子の場合に対して類似した形態となる。イオン（または電子）に対して反対方向に移動する波は無視される。
【０１６０】
（静電波内に閉じ込められたイオンによる加速）
波
【０１６１】
【化４４】
がイオンより少し高速であるように、ω＝２ωｉ＋Δωと仮定する。イオンに対して、標準的な剛体回転分布関数を仮定する：
【０１６２】
【化４５】
対象となる減じられた分布関数は、次のようになる：
【０１６３】
【化４６】
四重極サイクロトロンによって作り出される静電波の波速度は、νｗ＝ｒωｉ＋Δνｗである。以下の場合、波より高速に移動しているイオンが反射する：
【０１６４】
【化４７】
これは、波エネルギーを増加させる、すなわち次のようになる：
【０１６５】
【化４８】
以下の場合、波より低速に移動しているイオンが反射する：
【０１６６】
【化４９】
波は、次のような割合でエネルギーを失う：
【０１６７】
【化５０】
最終結果は、変数ν’θ＝νθ−νｗの変更によって簡素化され、次のようになる：
【０１６８】
【化５１】
次の近似度は：
【０１６９】
【化５２】
であり、その結果、以下のようになる：
【０１７０】
【化５３】
これは、ランダウ（Ｌａｎｄａｕ）減衰に類似した形態を有するが、ランダウ減衰（成長）は線形の現象であって、明らかに非線形ではないので、物理的には同一ではない。
【０１７１】
【化５４】
νｗ＝ｒωｉであれば、波エネルギーは変化しない。νｗ＞ｒωｉまたはΔνｗ＞０であれば、波エネルギーは減少する；Δνｗ＜０であれば、波エネルギーは増加する。これは、ランダウ減衰の解釈に類似している。最初のΔνｗ＞０の場合、波よりも遅く進むイオンの方が、速く進むイオンよりも多い。したがって、波エネルギーが減少する。逆に、Δνｗ＜０場合、波エネルギーは増加する。前者の場合は、四重極サイクロトロンによるイオンのエネルギーおよび運動量の保存に適用する。これが、電流駆動である。後者の場合は、変換器の基準を提供する。式（２２）および（２４）を使用して、融合反応器の条件に対する適用性を評価することができる。
【０１７２】
イオンの熱速度が
【０１７３】
【化５５】
の場合、イオンに運搬される電力は次のようになる：
【０１７４】
【化５６】
ここで、ｄＷ／ｄｔは、式（２４）および（２５）によって決定される。
【０１７５】
積分を簡素化するには、Φ０（ｒ）を波振幅の下限であるピーク密度の値Φ０（ｒ０）に置き換える。
【０１７６】
【化５７】
ここで、Ｎｉはイオンの線密度であり、ｉ＝１，２は通常は反応炉内の場合である２種類のイオンに適応する。
【０１７７】
Ｆ（ｒ）の詳細な計算では、波振幅Φ０（ｒ０）が、２Ｖ０である最大間隙電圧未満のおよそ１０倍である。これは、ＲＦ駆動装置の本方法の限度を決定する。Ｖ０は、維持することができる最大間隙電圧によって制限されることになり、おそらくは１ｃｍの間隙に対して約１０ｋＶである。
【０１７８】
（反応炉の要件）
電流駆動に関して、電力Ｐｉは、周波数ωｉでイオンに運搬されることが好ましく、電力Ｐｅは、周波数ωｅで電子に運搬されることが好ましい。これは、電子とイオンとの間のクーロン相互作用を補い、イオンの速度を減じて、電子の速度を増加させる（電力運搬の非存在かでは、クーロン衝突によって、電子とイオンに同じ速度がもたらされ、電流はもたらされない）電子およびイオンの平衡を保持する平均電場は、次式で与えられる：
【０１７９】
【化５８】
ここで、
【０１８０】
【化５９】
は電流／ユニット長さであり、
【０１８１】
【化６０】
は抵抗／ユニット長さである。Ｎｅ、Ｎ１、Ｎ２は電子およびイオンの線密度：
Ｎｅ＝Ｎ１Ｚ１＋Ｎ２Ｚ２であり、Ｚ１、Ｚ２はイオンの原子番号である；ｔ１ｅおよびｔ２ｅは、イオンから電子への運動量移動時間である。平均電場は、準中性および電荷に対する
【０１８２】
【化６１】
が逆であるので、イオンまたは電子に対して同一である。イオンに運搬されるべき電力は、次のようになる：
【０１８３】
【化６２】
電子から取り出すことができる電力は、次のようになる：
【０１８４】
【化６３】
ここでＩｉθ＝Ｎｅｅωｉ／２π、Ｉｅθ＝Ｎｅｅωｅ／２πである。
【０１８５】
ＲＦ駆動装置による燃料補給に関して、燃料は、融合時間ｔＦ１＝１／ｎ１〔σν〕１およびｔＦ２＝１／ｎ２〔σν〕２によって与えられる割合で、あらゆる燃料を補給することが可能である。ここで、ｎ１およびｎ２はプラズマイオン密度であり、〔σν〕は反応度である。大きさは、秒となる。注入された中性燃料（燃焼して消失する燃料イオンを補給する）は、クーロン衝突により、ミリ秒のオーダーの時間における平均イオン速度（反応炉の密度に対しては、１０１５ｃｍ−３のオーダー）まで、急速にイオン化し、加速する。しかし、これには、〔Ｅθ〕を追加し、定常状態を保持するように電力の運搬を追加する必要がある。加算は、次のようになる：
【０１８６】
【化６４】
これは、約２分の１、所要の電力運搬を増加させる。
【０１８７】
電力は、１０ｋＶ／ｃｍの最大間隙電圧振幅を超えずに、電流駆動および燃料補給に供給することができる。周波数が１乃至１０ＭＨｚとなり、磁場が１００ＫＧ（キロガウス）のオーダーとなることを考慮すれば、ブレークダウンは予想されない。電流駆動および燃料補給のために運搬しなければならない電力は、他のあらゆる電流駆動のためのものと類似している。しかし、１乃至１０ＭＨｚにおけるＲＦ技術は、何年にもわたって、既存の高性能技術であった。アンテナの代わりに電極を使用する方法は、磁場浸透の条件が、電磁波に対するものよりもさらに緩和されることから、かなりの利点がある。したがって、本方法は、循環電力および有効性に関して利点がある。
【０１８８】
（融合）
重要なことに、上述の閉じ込めシステム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好適な特性を有するプラズマを生じさせることができる。より詳しくは、これらの方法によって形成されたＦＲＣは、あらゆる所望のレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速することができる。これは、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に重要である。したがって、閉じ込めシステム３００では、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て閉じ込めることが可能となる。
【０１８９】
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、ベータトロン加速によって、適切なレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速されることが好ましい。しかし、融合は、あらゆる反応が生じるための特定の一連の物理的条件を必要とする傾向がある。加えて、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、燃料を、長期間にわたって実質的に変化させずにこの状態に維持しなければならない。これは、高い運動温度および／または高い運動エネルギーが融合に関連する状態を特徴付けることから、重要である。したがって、この状態を作り出すには、かなり大きなエネルギーの投入（燃料の大部分が融合した場合に回収することができる）を必要とする。結論的には、燃料の閉じ込め時間は、その燃焼時間よりも長くなければならない。これは、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出力をもたらす。
【０１９０】
本発明の大きな利点は、本願明細書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。したがって、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乃至２３０ｋｅＶ、好ましくは約８０乃至２３０ｋｅＶ
平均電子温度：約３０乃至１００ｋｅＶ、好ましくは約８０乃至１００ｋｅＶ
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乃至３．３ＭｅＶ、好ましくは約３００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶ
総磁場：約４７．５乃至１２０ｋＧ、好ましくは約９５乃至１２０ｋＧ（約２．５乃至１５ｋＧ、好ましくは約５乃至１５ｋＧの磁場を外部から印加する）
古典的閉じ込め時間：燃料の燃焼時間より長く、好ましくは約１０乃至１００秒
燃料イオン密度：約１０１４乃至１０１６ｃｍ−３未満、好ましくは約１０１４乃至１０１５ｃｍ−３
総融合電力：好ましくは約５０乃至４５０ｋＷ／ｃｍ（チャンバー長１ｃｍあたりの電力）。
【０１９１】
上述の融合状態に適応させるために、ＦＲＣを、好ましくは約１００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶ、より好ましくは約３００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶのコヒーレント回転エネルギーのレベルに、また、好ましくは約４５乃至１２０ｋＧ、より好ましくは約９０乃至１１５ｋＧの磁場強度のレベルに加速させる。これらのレベルにおいて、上述のように中和および分極された高エネルギーイオンビームをＦＲＣに注入して閉じ込めて、プラズマビーム層を形成するが、この層には、プラズマビームイオンが磁気的に閉じ込められ、プラズマビーム電子は静電的に閉じ込められる。
【０１９２】
電子温度を、実際にはできるだけ低い温度に維持して、制動放射の量を減じることが好ましいが、そうでなければ、制動放射が、放射エネルギー損失をもたらし得る。本発明の静電気的エネルギー井戸は、これを達成する有効な手段を提供する。
【０１９３】
イオン温度は、融合断面積がイオン温度の関数であるので、効率的な燃焼を提供するレベルに維持されることが好ましい。燃料イオンビームの高い直接エネルギーは、本出願において述べられているように、古典的な輸送の提供に不可欠である。また、燃料プラズマに対する不安定性の影響を最小限に抑える。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発生し（自己磁場）、次いで、サポートを提供して、所望の軌道にプラズマビームを保持する。
【０１９４】
（融合生成物）
融合生成物は、主にヌル面８６付近の電力コアにおいて発生するが、このヌル面から、融合生成物が、セパラトリックス８４に向かう拡散によって発生する（図３および５を参照のこと）。これは、電子との衝突によるものである（イオンとの衝突は、質量中心を変化させないので、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（融合生成物イオンは、燃料イオンよりはるかに高いエネルギーを有する）により、融合生成物は、セパラトリクッス８４を容易に横断することができる。融合生成物がセパラトリクッス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という条件で、開放端磁場８０に沿って離れることができる。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できるので、このイオン速度ベクトルの方向は、磁場に平行である。これらの開放端磁場８０は、コアのＦＲＣトポロジーを、ＦＲＣトポロジーの外側に供給される均一な印加磁場と接続する。生成物イオンは、異なる磁力線上に発生し、エネルギーの分布をたどる。好都合に、生成物イオンおよび電荷中和電子は、燃料プラズマの両方の端部から回転環状ビーム状で発生する。例えば、５０ＭＷデザインのｐ−Ｂ１１反応に関しては、これらのビームは、半径が約５０ｃｍで、厚さが約１０ｃｍである。セパラトリックス８４の外側に見出される強力な磁場（一般的に、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、ジャイロ半径の関連分布を有する。
【０１９５】
最初に、生成物イオンは、１／２Ｍ（ｖｐａｒ）２および１／２Ｍ（ｖｐｅｒｐ）２によって特徴付けられる、縦エネルギー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角速度である。磁力線は、ＦＲＣトポロジーの付近を離れた後に拡散するので、回転エネルギーは減少するが、総エネルギーは一定のままである傾向がある。これは、生成物イオンの磁気モーメントの断熱不変性がもたらした結果である。磁場内で旋回している荷電粒子が、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、公知である。ゆっくりと変化している磁場に沿って粒子が動く場合には、１／２Ｍ（ｖｐｅｒｐ）２／Ｂで記述される運動の断熱不変性も存在する。それらのそれぞれの磁力線の周りを旋回する生成物イオンは、磁気モーメントおよびそれらの運動と関連する当該の断熱不変量を有する。Ｂは、約１０分の１減少する（磁力線の拡散によって示される）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磁場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。すなわち、ほとんど全てのエネルギーが、縦方向成分である。
【０１９６】
（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、図２２Ａおよび２３Ａに示される、衝突ビーム融合反応炉（ＣＢＦＲ）４１０の（部分的に示された）電力コア４３６に連結された逆サイクロトロン変換器（ＩＣＣ）４２０を備え、プラズマ発電システム４００を形成する。第二ＩＣＣ（図示せず）は、ＣＢＦＲ４１０の左に対称的に配置することが可能である。磁力カスプ４８６は、ＣＢＦＲ４１０とＩＣＣ４２０との間に位置し、ＣＢＦＲ４１０およびＩＣＣ４２０の磁場が合流するときに形成される。
【０１９７】
ＩＣＣ４２０およびその動作を詳述する前に、代表的なサイクロトロン加速器の総説を行う。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、円形に回転する。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って決定され、エネルギーとともに増加する。しかし、イオンの回転周波数は、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デザインに利用されている。
【０１９８】
図２４Ａを参照する。従来のサイクロトロン加速器７００は、対称的な電極平面（すなわち、そのページの面）に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型キャビティを形成する、２つの鏡像Ｃ型電極７１０を備える。振動電位は、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、イオンの回転周波数が、電位および関連する電場の周波数に適合するように調節される。イオンＩは、電場の方向と同じ方向にＣ型電極７１０の間の間隙７３０を横断する場合に加速される。イオンＩを加速することによって、そのエネルギーおよび軌道半径が増加する。このイオンは、半周円弧を移動したときに（エネルギーの増加はない）、再び間隙７３０を横断する。現在、Ｃ型電極７１０の間の電場は、逆方向にある。イオンＩは、再び加速され、そのエネルギーはさらに増加する。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という条件で、イオンが間隙７３０を横断するたびに繰り返される（図２４Ｃを参照のこと）。一方では、電場が反対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、中央の供給源に戻る。磁場７２０に対して垂直な初速度を有し、振動電場の適切な位相にある間隙７３０を横断する粒子のみが、加速される。したがって、適切な位相整合は、加速に不可欠である。
【０１９９】
原則的には、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取り出すことが可能である。ＢｌｏｃｈおよびＪｅｆｆｒｉｅｓ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．８０，３０５（１９５０）によって記載されているように、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はない）が、陽子について観察された。イオンは、振動磁場と関連して減速期にもたらされるように、キャビティに注入することが可能である。次いで、イオンの全てが、図２４Ａに示される加速イオンの軌道Ｔを逆にする。電場との相互作用によっ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。
【０２００】
実用上、イオンビームのイオンは、全ての可能な位相でサイクロトロンに入る。サイクロトロンのデザインにおいて、様々な位相が補償される場合を除いて、イオンの半分が加速され、他の半分は減速される。その結果、最大変換効率は、実際上、５０％である。さらに、上述の環状融合生成物イオンビームは、従来のサイクロトロンには不適当なジオメトリである。
【０２０１】
以下に詳述するように、本発明のＩＣＣは、融合反応炉電力コアのＦＲＣを出る融合生成物ビームの環状特性、およびにビーム内のイオンのランダムな相対位相およびそれらのエネルギーの拡散に適応する。
【０２０２】
図２２Ａに戻る。ＣＢＦＲ４１０の電力コア４３６の一部を左側に示すが、プラズマ燃料コア４３５は、外側磁場コイル４２５によって印加される磁場に部分的に起因して形成される、ＦＲＣ４７０内に閉じ込められる。ＦＲＣ４７０は、閉じた磁力線４８２と、セパラトリクッス４８４と、開放磁力線４８０とを含み、上述のように、融合生成物の環状ビーム４３７の特性を決定する。開放磁力線４８０は、電源コア４３６から離れて磁力カスプ４８６の方へ延在する。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環状ビーム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。
【０２０３】
ＩＣＣ４２０のジオメトリは、長さ約５ｍの中空円筒状である。小さな直線間隙４９７を有する、４つ以上の均等な半円筒電極４９４が、円筒表面を構成する。動作中、振動電位は、交互の形態で、電極４９４に印加される。変換器内の電場Ｅは、図２２Ｂの端面図に示されるように、四重極構造である。電場Ｅは、回転軸上で零になり、その半径に対して線形的に増加し、ピーク値は、間隙４９７に生じる。
【０２０４】
加えて、ＩＣＣ４２０は、外部場コイル４８８を備え、均一な磁場をＩＣＣの中空円筒ジオメトリ内に形成する。電流は、ＣＢＦＲ磁場コイル４２５内を流れる方向と反対の方向に、ＩＣＣ磁場コイル４８８内を流れるので、ＩＣＣ４２０内の磁力線４９６は、ＣＢＦＲ４１０の開放端磁場４８０と方向と反対の方向に流れる。ＣＢＦＲ４１０の電力コア４３６から最も離れた端部において、ＩＣＣ４２０は、イオンコレクター４９２を含む。
【０２０５】
ＣＢＦＲ４１０とＩＣＣ４２０と間には、対称磁気カスプ４８６が存在し、ＣＢＦＲ４１０の開放端磁場４８０が、ＩＣＣ４２０の磁力線４９６と合流する。環状電子コレクター４９０は、磁気カスプ４８６の周辺部に位置し、イオンコレクター４９８に電気的に連結する。後述するように、磁気カスプ４８６の磁場は、ビーム４３７の軸方向速度を高効率で回転速度に変換する。図２２Ｃは、変換器４２０内の代表的なイオン軌道４２２を示す図である。
【０２０６】
ＣＢＦＲ４１０は、円筒対称性を有する。その中央には、融合反応が生じるＦＲＣ４７０の磁場トポロジー内に含まれる融合プラズマコア４３５を有する融合電力コア４３６がある。上述のように、生成核および電荷中和電子が、燃料プラズマ４３５の両端からの環状ビーム４３７として現れる。例えば、５０ＭＷデザインのｐ−Ｂ１１反応に関しては、これらのビームは、半径が約５０ｃｍで、厚さが約１０ｃｍである。環状ビームの密度は、
【０２０７】
【化６５】
ｃｍ３である。当該の密度に対して、磁気カスプ４８６は電子とイオンを分離する。電子は、電子コレクター４９０への磁力線をたどり、イオンは、カスプ４８６を通過するが、イオン軌道は、ＩＣＣ４２０の長さに沿った実質的に螺旋状の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）に接続された電極４９４を螺旋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。垂直エネルギーの損失は、電極に４９４の近くを最初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、電場は最も強い。
【０２０８】
これらのイオンは、初期の総エネルギー、すなわち
【０２０９】
【化６６】
にほぼ等しい回転エネルギーで、磁場カスプ４８６に到達する。イオンが磁気カスプ４８６に到達するときの、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、初期半径ｒ０は、初期速度ｖ０にほぼ比例する傾向がある。半径方向の磁場および半径方向のビーム速度は、方位角方向にローレンツ力を作り出す。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、初期の軸方向の速度
【０２１０】
【化６７】
を残りの軸方向速度ｖｚおよび方位角方向速度
【０２１１】
【化６８】
に変換する。ここで、
【０２１２】
【化６９】
である。方位角速度
【０２１３】
【化７０】
の値は、次式のカノニカル運動量の保存により決定することができる。
【０２１４】
【化７１】
ビームイオンは、Ｂｚ＝Ｂ０、ｖｚ＝ｖ０、
【０２１５】
【化７２】
、およびｒ＝ｒ０で、カスプ４８６の左側に入る。これは、ｒ＝ｒ０、Ｂｚ＝−Ｂ０、
【０２１６】
【化７３】
、および
【０２１７】
【化７４】
で、カスプ４８６の右側に現れる。
【０２１８】
【化７５】
ここで、
【０２１９】
【化７６】
は、サイクロトロン周波数である。これらのイオンの回転周波数は、約１乃至１０ＭＨｚ、好ましくは、５乃至１０ＭＨｚであり、これは、発電が行われる周波数である。
【０２２０】
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。残りの軸方向のエネルギーが１００分の１に低減するように、軸方向の速度を１０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。したがって、イオンエネルギーの９９％が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に対する値の分布を有する。しかし、ｒ０は、ＦＲＣに基づくリアクターの特性により、上述のように、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。
【０２２１】
図２２Ｂに示されるように、本発明のＩＣＣ４２０の対称電極構造体は、４つの電極４９４を備えることが好ましい。タンク回路（図示せず）は、瞬時電圧および電場が、示されたようになるように、電極構造体４９４に連結される。電圧およびタンク回路は、周波数ω＝Ω０で振動する。間隙４９７での方位角方向の電場Ｅを、図２２Ｂおよび図２５に示す。図２５は、電極４９４の間の間隙４９７における電場、およびイオンが角速度Ω０で回転するときに受ける電場を示す図である。完全な回転において、粒子が、初期の位相によって決定されるオーダーで加速および減速を交互に受けることは明らかである。方位角電場Ｅθに加えて、方位角電場Ｅｒも存在する。方位角電場Ｅθは、間隙４９７において最大となり、半径が減少するに従って減少する。図２２では、粒子が一定の半径を維持しながら回転するものと仮定している。電場の勾配のために、減速は、通常加速よりも常に優勢になる。加速の位相は、そのイオンが次に減速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ように、イオンの半径を増加させる。減速の位相は、軸方向電場Ｅθの半径方向の勾配は、常に正であるので、イオンの初期の位相に依存せずに優勢となる。その結果、エネルギーの変換効率は、従来のサイクロトロンに関連する初期の位相問題によって、５０％までに制限される。電場Ｅｒも重要である。これも、振動して、図２２Ｃにおけるような軸に垂直な平面においてゼロの速度を有する元の半径にビーム軌線を戻す、半径方向の正味の効果を生じる。
【０２２２】
イオンが常に減速されるプロセスは、米国特許第２，７３６，７９９号に記載の最新の加速器の本質的な特徴である強集束の原理に類似している。正の（集束）レンズと負の（脱集束）レンズとの組み合わせでは、磁場が正の勾配を有する場合に、正である。図２６に、強集束の四重極ダブレットレンズを示す。第一レンズは、ｘ軸において集束し、ｙ軸において脱集束する。第二レンズは、ｘ軸およびｙ軸の特性を置き換えたものに類似している。磁場は、対称軸上で零になり、正の半径方向の勾配を有する。両方のレンズを通過するイオンビームについての最終結果は、経路の順序に関係なく全方向に集束する。
【０２２３】
強力な軸方向磁場を含み、ＴＥ１１１モードで作用する共振キャビティを通過するビームについて、同様の結果が報告されている（Ｙｏｓｈｉｋａｗａらの報告を参照のこと）。この装置は、ペニオトロン（ｐｅｎｉｏｔｒｏｎ）と呼ばれる。ＴＥ１１１モードでは、共振キャビティは、電場が四重極対称性を有する定常波を有する。これらの結果は、本願明細書に記載された結果の一部に性質的に類似している。共振空胴がサイズにしてはるかに大きく（長さ１０ｍ）、より高い振動数（１５５ＭＨｚ）および磁場（１０Ｔ）で作用する点で、定量的な差異が存在する。高周波数波からのエネルギーの抽出に、レクテナ（ｒｅｃｔｅｎｎａ）が必要である。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の陽子を作り出すＤ−Ｈｅ３反応炉には十分である。
【０２２４】
図２２Ｃに、ＩＣＣ４２０内の粒子についての単一粒子の軌道４２２を示す。この結果は、コンピュータシミュレーションにより得られ、類似した結果をペニトロンについて得た。ある半径ｒ０で流入したイオンは、ＩＣＣの長さに沿って螺旋状に進み、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。初期条件は、非対称性であり、最終的な状態は、この非対称性を反映するが、全ての粒子が減速されるように、初期の位相に依存しない。ＩＣＣのイオンコレクター端部でのビームも環状であり、同様の寸法である。軸方向の速度は、１０分の１に減じられ、密度はそれに対応して増加した。単一粒子の場合、９９％の抽出効率が可能である。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垂直方向の回転エネルギー）が、この効率を５％減じる場合がある。電力の抽出は、約１乃至１０ＭＨｚ、好ましくは５乃至１０ＨＭｚであり、電力網に連結するための電力調整よる更なる変換効率の減少を伴う。
【０２２５】
図２３Ａおよび２３Ｂに示されるように、ＩＣＣ４２０における電極構造体４９４の別の実施態様は、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に向かって先細となる先細電極４９４を備えることが可能である。
【０２２６】
ＩＣＣ４２０の主要磁場内部のイオン動力への調節は、図２７Ａおよび図２４Ｂに示されるように、２つの補助コイル組５００および５１０を使用して実施することが可能である。コイル組５００および５１０は、反対方向の電流を伴った隣接する導電体を備え、よって、磁場は、短距離となる。磁場勾配は、図２７Ａに概略的に示されるように、イオンの回転周波数および位相を変化させる。図２７Ｂに概略的に示されるように、多極の磁場は、線形加速器内と同様に集群を作り出す。
【０２２７】
（反応炉）
図２８は、１００ＭＷの反応炉を示す図である。一部切り取った発生器の図は、均一な磁場を印加するための超伝導コイルおよび磁場反転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を備えた、融合電力コア領域を示す。融合電力コア領域の隣接する対向端部は、融合生成物の運動エネルギーの電力への直接変換のためのＩＣＣエネルギー変換器である。図２９に、当該のリアクターのための支援装置を示す。
【０２２８】
（推進システム）
太陽系の（およびそれを超えた）探査には、最良の利用可能な化学的または電気的推進システムをはるかに凌ぐ推進能力が必要である。高度な推進アプリケーションのために、本発明は、デザインの簡潔さ、高いスラスト、高い特定のインパルス、高い特定の出力密度、低いシステム質量、およびほとんどまたは全く放射能を作り出さない燃料などに最も期待が持てるものである。
【０２２９】
本発明によるプラズマスラスト推進システムでは、融合生成物が融合プラズマコアから排出されるときの、それらに含まれる高い運動エネルギーを用いている。図３０および３１に、システム８００を概略的に示す。本システムは、融合燃料コア８３５が上述のように封じ込められた、ＦＲＣ電力コア８３６の衝突ビーム融合反応炉を含む。反応炉は、磁場発生器８２５、電流コイル（図示せず）、およびイオンビーム注入器８４０をさらに備える。上述のＩＣＣ直接エネルギー変換器８２０は、電力コア８３６の一端に連結され、環状ビーム８３７の形態で電力コア８３６の両端から現れる融合生成物粒子の半分をインターセプトする。上述のように、ＩＣＣ８２０は、逆サイクロトロンプロセスによってそれらの粒子を減速させて、それらの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。磁気ノズル８５０は、電力コア８３６の他端に隣接して配置され、残りの融合生成物粒子をスラストＴとして宇宙空間に導く。融合生成物の環状ビーム８３７は、エネルギー交換のために、融合電力コア８３６の一端から磁力線８３７に沿ってＩＣＣ８２０に流れ、またスラストＴのために、融合電力コア８３６の他端から磁力線８３７に沿ってノズル８５０から外に出る。
【０２３０】
制動放射線は、熱電エネルギー変換器（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｅｎｅｒｇｙ
Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＴＥＣ）８７０によって、電気エネルギーに変換される。ＴＥＣ８７０によって変換されない制動放射エネルギーは、ブレイトンサイクル熱エンジン８８０に渡される。廃熱は、宇宙空間に捨てられる。出力制御サブシステム（８１０、図３２を参照のこと）は、電気および熱エネルギーの全ての供給源および受け手を監視して、システムの動作を安定して状態に保ち、また、独立したエネルギー源（燃料電池、バッテリーなど）を提供して、宇宙船および推進システムを非動作状態から起動させる。融合生成物は、荷電のα粒子であるので、システムは、多量の放射線および中性子シールドの使用を必要とせず、したがって、他の原子力宇宙推進システムに比較して、システムの質量を著しく低減することで特徴付けられる。
【０２３１】
プラズマスラスト推進システム８００の性能は、図３１に示されるようなデザインを有する１００ＭＷのｐ−Ｂ１１融合コアの一例に対する以下の運動パラメータによって特徴付けられる：
特定のインパルス、Ｉｓｐ １．４ｘ１０６ｓ
スラスト電力、ＰＴ ５０．８ＭＷ
スラスト電力／合計出力電力、ＰＴ／Ｐ０ ０．５１
スラスト、Ｔ ２８．１Ｎ
スラスト／合計出力電力、Ｔ／Ｐ０ ２８１ｍＮ／ＭＷ。
【０２３２】
システム８００は非常に高い特定のインパルスを示すが、プラズマスラスト推進システムを用いた宇宙船の高い終端速度を可能にする。
【０２３３】
全て宇宙船の鍵となるミッション性能／メトリック限度は、システム質量である。プラズマスラスト推進システム８００における主要な質量成分を、図３１および３２に示す。融合コア８３５は、定常状態の動作に対しておよそ５０ＭＷの電力の注入を必要とする。システムは、およそ７７ＭＷの核（粒子）エネルギーを発生し、その半分は、最高９０％の効率で直接エネルギー変換器８２０において回収される。したがって、反応炉の維持にはさらに１１．５ＭＷが必要であり、それは、ＴＥＣ８７０およびブレイトン熱エンジン８８０によって供給される。
【０２３４】
プラズマスラスター推進システム８８０における主要な熱源は、制動放射線によるものである。ＴＥＣ８７０は、放射のおよそ２０％、すなわち４．６ＭＷを回収し、およそ１８．２ＭＷを密閉サイクルのブレイトン熱エンジン８８０に移動される。ブレイトン熱エンジン８８０は、図３１に示されるように、熱交換器８６０と、ターボ発電機８８４と、圧縮器８８２と、放熱器８８６とを備える。ブレイトンエンジン８８０は、反応炉の維持に必要な電力の残りの７ＭＷを供給し、他の１１ＭＷは、放熱器によって直接宇宙空間に廃棄される。
【０２３５】
密閉サイクルのブレイトン熱エンジンは、完成された効率的なオプションであり、ＴＥＣ８７０によって捨てられる過剰な熱を変換する。ブレイトンエンジンでは、最大サイクル温度は、材料検討によって限定されるが、これは最大熱力学的サイクルの効率を制限する。ブレイトンエンジンの標準的な性能マップに基づいて、複数のデザイン要点を取り出すことができる。一般的な効率は、最高６０％に到達しうる。現状では、７ＭＷを回収する必要があり、したがって、廃熱変換における効率の４０％だけが許容され、従来のブレイトンエンジンが現在達成可能な限度内で十分である。
【０２３６】
ブレイトンエンジン全体の（放熱器を差し引いた）構成要素の質量は、高度な工業技術に特有の特定の質量パラメータに基づいて、すなわち３ｋｇ／ｋＷｅの範囲で計算される。圧縮器、動力タービン、および熱交換器を含むターボ機関は、１８ＭＴの合計サブシステム質量を占める。
【０２３７】
放熱器質量は、６ＭＴになるものと推定され、最高水準の高熱伝導率の熱パイプパネルを使用することが好ましい。
【０２３８】
有意なシステム重量はまた、プラズマコア８３５を閉じ込めている磁石８２５に由来する。超伝導磁気コイル８２５は、Ｎｂ３Ｓｎ製であることが好ましく、４．５Ｋおよび１２．５乃至１３．５Ｔの磁場で安定して動作する。Ｎｂ３Ｓｎの低温要件は、他の材料で考慮すべきものほど厳しくない。７テスラの磁場要件と、およそ７．５ｍの装置長さでは、コイルは、ワイヤーを１５００回巻いて５６ｋＡの電流を担送する必要がある。半径０．５ｃｍのワイヤーを使用すると、このコイルの合計質量は、約３０９７ｋｇである。液体ヘリウム冷却システムは、２つのポンプを備え、１つは主コイルの各端部にある。これらのポンプの合計質量は、およそ６０ｋｇである。外部構造用シェルを使用して、磁石および全て内部コンポーネントを支持する。これは、厚さ０．０１ｍのケブラー／炭素−炭素複合物製であり、合計質量は７７２ｋｇである。最外層は絶縁ジャケットであり、宇宙空間における大きな温度変化から内部を保護し、推定で６４３ｋｇである。磁石サブシステム８２５の合計質量は、したがって、約４．８ＭＴである。
【０２３９】
現時点で、宇宙空間のアプリケーションに最も適切なイオン注入システム８４０は、誘導線形加速器、すなわちＲＦＱとなる。およそ１５年前に、ＲＦＱは、科学ロケットで打ち上げられ、高電圧電力の使用およびイオンビームの宇宙空間への注入を成功裏に実証した。好適な実施態様では、６つの注入器８４０がＣＢＦＲの長さに沿って配置され、その３つはイオンの各種のためのものである。各注入器８４０は、長さ０．３ｍ、半径０．０２０ｍの全体的な寸法を有する３０ビームレットのＲＦＱであることが好ましい。各注入器は、好ましくは長さ０．０２ｍ、半径０．０２０ｍの、イオン化した水素またはホウ素を供給するイオン供給源を必要とする。１つの供給源が、各加速器に必要である。宇宙空間に対するデザインの精緻化によって、現在、それらの合計質量は、供給源および加速器を含めて、約６０ｋｇにしなければならない、という制限を十分にクリアできる範囲にある。
【０２４０】
円錐型のＩＣＣ直接エネルギー変換器８２０は、反応炉８３６の一端に位置し、ステンレス鋼製であることが好ましい。ＩＣＣの質量は、基円半径０．５ｍ、長さ２ｍで、およそ１６９０ｋｇである。ＲＦ電源８２０（インバータ／変換器）は、有向イオン流を回収し、それを電力に変換する。電源の質量は、約３０ｋｇである。蓄電池８１２を使用して、ＣＢＦＲを起動／再起動する。貯蔵容量は、約３０ＭＪである。その質量は、約５００ｋｇである。交互に、燃料電池も使用されることが可能である。更なる制御ユニットは、全ての構成要素の動作を調和させる。制御サブシステムの質量は、３０ｋｇになると推定される。エネルギー変換器／起動装置サブシステムの合計質量は、したがって、約２．２５ＭＴと推定される。
【０２４１】
磁気ノズル８５０は、融合コア８３５の他端に位置する。ノズル８５０は、誘導粒子流として融合生成物ストリームを集束させる。磁気ノズルおよびＩＣＣの質量は、どちらも超伝導電磁石を備えており、比較的低質量の構造用構成要素なので、ほぼ等しいと推定される。
【０２４２】
ＴＥＣ８７０は、融合コアの電磁放射線からエネルギーを回収する。それは、約５ｇ／ｃｍ３の質量密度を有する、厚さ０．０２ｃｍの炭化ホウ素／シリコン−ゲルマニウム製の薄膜構造体であることが好ましく、ＴＥＣ８７０は、第一壁に位置し、完全に炉心の内表面に沿って並ぶことが好ましい。ＴＥＣ８７０の質量は、約４００ｋｇと推定される。ＴＥＣ８７０への放射磁束は１．２ＭＷ／ｍ２であり、そのピーク動作温度は１８００°Ｋ未満であると想定される。
【０２４３】
プラズマスラスター推進システムの合計質量は、したがって約３３ＭＴと推定される。これは、現在述べている１００ＭＷのユニットに対する、以下の残りのミッションクリティカルパラメータを定義する：
合計質量／合計電力、ＭＴ／Ｐ０ ０．３３ｘ１０−３ｋｇ／Ｗ
スラスト／質量、Ｔ／ＭＴ ０．８５×１０−３Ｎ／ｋｇ。
【０２４４】
本発明は、様々な改良および代替形態の影響を受けやすいが、その具体的な例を図面に示し、本願明細書において詳細に記述する。しかし、本発明は、開示された特定の形態に限定されるものではなく、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ものであると理解されたい。
【技術分野】
【０００１】
（本発明の分野）
本発明は、概して、プラズマ物理学の分野に関し、特に、プラズマを閉じ込めて核融合を可能にし、融合生成物から電力にエネルギーを変換するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（本発明の背景）
融合とは、２つの軽い核が組み合わさって、より重い核を形成するプロセスである。融合プロセスは、高速移動する粒子の形態で相当なエネルギー量を放出する。原子核は、それに含まれる陽子によって正電気を帯びているので、それらの間には、反発する静電気的な力、すなわちクーロン力が存在する。２つの核を融合させるためには、この反発バリアに打ち勝たなければならないが、これは、クーロン力に打ち勝って核を融合するのに十分強力な核力になるように、２つの核を十分に近づけたときに生じるものである。核がクーロン力に打ち勝つために必要なエネルギーは、それらの熱エネルギーによって与えられるものであるが、非常に高くなければならない。例えば、温度が少なくとも１０４ｅＶ程度（約１００万Ｋ（ケルビン）相当）であれば、その溶融速度を適用することができる。融合反応の測度は、温度の関数であり、反応度と呼ばれる量によって特徴づけられる。Ｄ（重水素）−Ｔ（トリチウム）反応の反応度は、例えば、３０ｋｅＶ乃至１００ｋｅＶの幅広いピークを有する。
【０００３】
代表的な融合反応には：
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）
が挙げられる。ここで、Ｄは重水素、Ｔはトリチウム、αはヘリウム核、ｎは中性子、ｐは陽子、Ｈｅはヘリウム、Ｂ１１はボロン−１１をそれぞれ示す。
各式のカッコ内の数は、融合生成物の運動エネルギーを示す。
【０００４】
上式の最初の２つ（Ｄ−ＤおよびＤ−Ｔ反応）は、中性子であり、それらの融合生成物のほとんどのエネルギーが高速中性子によって担送されることを意味する。中性子反応の不利な点には、（１）高速中性子の磁束は、反応炉壁の構造的な損傷および大部分の構造材料の放射能レベルが高いことを含む、数多くの問題を生じさせること、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って収集されるが、極めて非効率的（３０％未満）である、ことが挙げられる。中性子反応の利点には、（１）それらの反応度のピークが比較的低温であること、および（２）重水素およびトリチウムの原子数は１個なので、放射によるそれらの損失が比較的低いこと、が挙げられる。
【０００５】
他の２つの式における反応物質（Ｄ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１）は、先進燃料と呼ばれる。高速中性子を作り出すのではなく、中性子反応などのように、それらの融合生成物が荷電粒子である。先進燃料の１つの利点には、それらが発生させる中性子がより少ないので、それらに関連する不利な点の影響を受けにくくなることがある。Ｄ−Ｈｅ３の場合、いくつかの高速中性子は二次反応によって作り出されるが、これらの中性子の占める割合は融合生成物のエネルギーの約１０パーセントしかない。ｐ−Ｂ１１の反応では高速中性子は含まれないが、二次反応によって生じるがほとんど問題を起こさない、いくつかの低速中性子を作り出す。先進燃料の別の利点は、それらの融合生成物が、それらの運動エネルギーを電力に直接変換することが可能な、荷電粒子を含んでいることである。適切な直接エネルギー変換プロセスによって、先進燃料の融合生成物のエネルギーは、高い効率（９０％を超える場合もある）で収集することが可能である。
【０００６】
先進燃料にも不利な点がある。例えば、先進燃料は、原子数が多い（Ｈｅ３は２個、Ｂ１１は５個）ことである。したがって、それらの放射損失は、中性子反応の場合よりも大きい。また、先進燃料の融合は、さらに困難である。それらのピーク反応度はかなり高い温度で生じ、Ｄ−Ｔの反応度と同程度では到達しない。したがって、先進燃料との融合反応を生じさせるには、それらの反応度が有効となるような、より高いエネルギー状態に導く必要がある。故に、先進燃料は、適切な融合条件に導くことができるようになるまで、より長い時間封じ込めておかなければならない。
【０００７】
プラズマの封じ込め時間はΔｔ＝ｒ２／Ｄであり、ここで、ｒは最小プラズマ寸法であり、Ｄは拡散係数である。拡散係数の古典値はＤｃ＝ａｉ２／τｉｅで表され、ここで、ａｉはイオンのジャイロ半径であり、τｉｅはイオン−電子の衝突時間である。古典的拡散係数による拡散は、古典的移送と呼ばれる。ボーム拡散係数（短波長の不安定性によるものと考えられる）は、ＤＢ＝（１／１６）ａｉ２Ωｉで表され、ここで、Ωｉはイオンのジャイロ周波数である。この関係による拡散は、異常輸送と呼ばれる。融合条件の場合は、
【０００８】
【化１】
であり、異常輸送では、古典輸送よりも封じ込め時間がさらに短くなる。この関係では、所与の量のプラズマに対する封じ込め時間を、プラズマが核融合反応を起こすための時間よりも長くなければならない、という要件によって、どのくらいの大きさのプラズマを融合反応炉内に存在させなければならないかを決定する。したがって、古典移送の条件は、融合反応炉におけるものよりも望ましく、初期のプラズマをより小さくできる。
【０００９】
プラズマのトロイダル閉じ込めによる初期の実験では、
【００１０】
【化２】
の封じ込め時間が観察された。この４０年間で、封じ込め時間が
【００１１】
【化３】
に増加した。既存の融合反応炉概念の１つに、トカマクがある。この３０年間、融合に対する取り組みは、Ｄ−Ｔ燃料を使用したトカマク反応炉に重点を置いている。これらの取り組みは、国際熱核融合実験炉（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ：ＩＴＥＲ）において頂点に達した。トカマクによる最近の実験では、古典移送、
【００１２】
【化４】
は、最小のプラズマ寸法をメートルからセンチメートルに減じることができる場合に可能である。これらの実験は、プラズマを１０乃至３０ｋｅＶの温度に加熱するために、エネルギービーム（５０乃至１００ｋｅＶ）の注入を伴う。Ｗ．ＨｅｉｄｂｒｉｎｋおよびＧ．Ｊ．Ｓａｄｌｅｒ、３４ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ ５３５（１９９４）を参照のこと。これらの実験では、エネルギービームのイオンは、減速されて古典的に拡散するが、熱的なプラズマは変則的に速く拡散し続けたことが観察された。これは、エネルギービームイオンが大きな旋回半径を有すること、すなわち、イオンジャイロ半径よりも短い波長（λ＜ａｉ）の変動の影響を受けないことにある。この短い波長の変動は、サイクル全体を平均化して、相殺する傾向がある。しかし、電子は、さらに小さな旋回半径を有するので、変動および移送に変則的に反応する。
【００１３】
異常輸送によって、プラズマの最小寸法を、少なくとも２．８ｍにしなければならない。この寸法によって、ＩＴＥＲは高さ３０ｍ、直径３０ｍとなった。これは、実行可能な最小のＤ−Ｔトカマク型反応炉である。Ｄ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１のような先進燃料の場合、燃料イオンが核反応を生じるための時間がさらに長くなるため、トカマク型反応炉をさらに大きくしなければならない場合がある。Ｄ−Ｔ燃料を使用したトカマク反応炉には、融合生成物のほとんどのエネルギーが１４ＭｅＶの中性子によって担送されるため、中性子束による放射線障害が生じ、ほぼ全ての構造材料に反応度を誘発する、という更なる問題がある。加えて、それらのエネルギーの電力への変換は、熱的なプロセスによるものでなければならず、その効率は多くても３０％である。
【００１４】
提案された別の反応炉構成に、衝突ビーム反応炉がある。衝突ビーム反応炉では、背景プラズマにイオンビームが衝突する。このビームは、熱的なプラズマよりも非常に大きなエネルギーを有するイオンからなる。この種の反応炉で有用な融合反応を作り出すことは、背景プラズマがイオンビームを減速することから実行不可能である。この問題を軽減して核反応の数を最大化するために様々な提案がなされた。
【００１５】
例えば、Ｊａｓｓｂｙらの特許文献１では、トロイダル閉じ込めシステムでの重陽子とトリトンとの衝突ビームのカウンターストリーミングを作り出す方法を開示している。Ｊａｓｓｂｙらの特許文献２では、電磁エネルギーを注入して、イオン種のうちの１つを引き込むバルク平衡プラズマの影響を打ち消している。トロイダル閉じ込めシステムは、１つのトカマクとみなされる。Ｒｏｓｔｏｋｅｒの特許文献３では、重水素およびトリチウムのビームを注入して、トカマク、ミラー、または磁場反転配位におけるものと同じ平均速度で閉じ込めている。ビームを閉じ込める唯一の目的に対しては、低密度のクール背景プラズマがある。ビームが高温を有することによって反応し、主に注入されたイオンを伴う電子によって減速される。減速が最小である場合、電子は、イオンによって加熱される。
【００１６】
しかし、これらのデバイスのいずれにおいても、平衡電場はいかなる役割も果たしていない。さらに、いかなる異常輸送を減じるための試み、あるいは考察さえもなされていない。
【００１７】
他の特許では、イオンの静電気的閉じ込めや、一部の例では電子の磁気閉じ込めを考察している。こうした特許には、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た、Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈの特許文献４、およびＦａｒｎｓｗｏｒｔｈの特許文献５；Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈのものに類似した、Ｈｉｒｓｃｈらの特許文献６およびＨｉｒｓｃｈらの特許文献７；イオンの静電気的閉じ込めおよび多極カスプ反射壁による電子のイオンの磁気閉じ込めを開示した、Ｌｉｍｐａｅｃｈｅｒの特許文献８；およびＬｉｍｐａｅｃｈｅｒに類似し、ポイントカプスを伴う、Ｂｕｓｓａｒｄの特許文献９、が挙げられる。これらの特許のいずれも、電子の静電気的閉じ込めおよびイオンの磁気閉じ込めを考慮していない。イオンの静電気的閉じ込めに関しては数多くの研究プロジェクトが存在しているが、それらのいずれも、イオンが融合反応炉に対する所要の密度であるときの必要な静電場の確立に成功していない。最後に、上述の特許のいずれも、磁場反転配位磁気トポロジーについては述べていない。
【００１８】
磁場反転配位（Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ：ＦＲＣ）は、シータのピンチ実験中にＮａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙにおいて１９６０年頃に偶然発見されたものである。内部の磁場が反転する代表的なＦＲＣトポロジーを図３および図５に示し、ＦＲＣ内の粒子の軌道を図６および図９に示す。ＦＲＣに関しては、米国および日本において多くの研究計画が支援された。１９６０年から１９８８年のＦＲＣの研究のうちの理論および実験上の包括的な総括書が存在する。Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ、２８ Ｎｕｃｋｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ ２０３３（１９８８）を参照のこと。ＦＲＣ開発に関する白書には、１９９６年の研究および今後の研究のための提言が記載されている。Ｌ．Ｃ．Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒら、３０ Ｆｕｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １１６（１９９６）を参照のこと。今日まで、ＦＲＣの実験では、ＦＲＣをシータピンチ法によって形成していた。この形成方法の結果は、イオンはおよび電子がそれぞれ半分の電流を担送することによって、プラズマ内に無視できる静電場がもたらされ、静電気的閉じ込めが生じない、というものである。これらのＦＲＣでは、イオンおよび電子は磁気的に封じ込められていた。ほとんどすべてのＦＲＣ実験では、異常輸送が見込まれている。一例として、Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉの２０７２ページ、１．５．２節の始めの部分を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第４，０６５，３５１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，０５７，４６２号明細書
【特許文献３】米国特許第４，８９４，１９９号明細書
【特許文献４】米国特許第３，２５８，４０２号明細書
【特許文献５】米国特許第３，３８６，８８３号明細書
【特許文献６】米国特許第３，５３０，０３６号明細書
【特許文献７】米国特許第３，５３０，４９７号明細書
【特許文献８】米国特許第４，２３３，５３７号明細書
【特許文献９】米国特許第４，８２６，６４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、実質的にイオンおよび電子の異常輸送を減じる傾向のある閉じ込めシステム、および融合生成物のエネルギーを高効率で電力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。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（概要）
本発明は、磁場反転トポロジーを有する磁場における融合制御、および融合生成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。前記システムは、本願明細書ではプラズマ発電（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＰＥＧ）システムと称するが、実質的にイオンおよび電子の異常輸送を減じるか、または排除する傾向のある閉じ込めシステムを有する融合反応炉を備えることが好ましい。加えて、ＰＥＧシステムは、融合生成物のエネルギーを高効率で直接電力に変換する反応炉に連結されたエネルギー変換システムを含む。
【００２２】
一実施態様では、イオンおよび電子の異常輸送が実質的に減じられるか、または排除される傾向がある。イオンの異常輸送は、イオンを磁場反転配位（ＦＲＣ）の磁場に磁気的に閉じ込めることによって回避さられる傾向がある。電子の場合、エネルギーの異常輸送は、外部印加磁場を調整して、強力な磁場を生じさせることによって回避されるが、これは、深い電位井戸に電子を閉じ込めるものである。その結果、現在の閉じ込め装置およびプロセスで使用することができる融合燃料プラズマは、融合燃料に限られず、好都合に先進燃料または無中性子燃料をも含む。無中性子燃料の場合、融合反応エネルギーは、ほぼ完全に荷電粒子、すなわちエネルギーイオンの形態であり、磁場内で操作することができ、燃料によるが、ほとんどまたは全く放射能を生じない。
【００２３】
好適な一実施態様では、融合反応炉のプラズマ閉じ込めシステムは、チャンバーと、実質的に主軸に沿った方向に磁場を印加するための磁場発生器と、イオンの循環ビームを含む環状プラズマ層とを備える。環状のプラズマビーム層のイオンは、実質的にチャンバー内で磁気的に軌道内に封じ込められ、電子は、実質的に静電気的エネルギー井戸内に封じ込められる。好適な一実施態様では、磁場発生器は、電流コイルを含む。磁場発生器は、チャンバーの端部に印加される磁場の大きさを増加させる、ミラーコイルをチャンバーの端部付近にさらに備えることが好ましい。システムはまた、中和されてイオンビームを磁場に注入するための１つ以上のビーム注入器であって、ビームは磁場によって生じた力で軌道に入るビーム注入器を備える。好適な実施態様では、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】
別の好適な実施態様では、代替炉を備え、チャンバー壁の中央領域内に方位角イメージ電流が形成されないようにして、磁束が速いタイムスケールでチャンバーに浸透できるようにする。主にステンレス鋼からなり、構造強度および良好な真空特性を有するチャンバーは、チャンバーのほぼ全長に沿って延在するチャンバー壁内に、軸方向の絶縁回路を含む。互いに約１２０°離れて、３つの中断部があることが好ましい。この中断部は、壁内に形成されるスロットまたは間隙を含む。断熱材、好ましくはセラミックなどからなるインサートをスロットまたは間隙に挿入する。チャンバーの内側では、金属シュラウドがインサートを覆う。チャンバーの外側では、ガラス繊維などで形成されることが好ましい密封板にインサートが取り付けられ、チャンバー壁のステンレス鋼の表面をＯリングシールによって真空バリアを形成する。
【００２５】
さらに別の好適な実施態様では、チャンバー内には、誘導プラズマ供給源を載置することができ、高電圧（約５乃至１５ｋＶ）の電源（図示せず）が供給されることが好ましい、ショックコイル組立体、好ましくはシングルターンショックコイルを含む。水素（または他の適切な気体の融合燃料）のような中性ガスは、ラバルノズルを経て直接ガス供給を介して供給源に導入される。ガスがノズルから放射されて、ショックコイルのコイルの巻線の表面に分散すると、巻線に電圧が加わる。低インダクタンスショックコイル内の超高速電流および磁束ランプアップは、ガス内で非常に高い電場をもたらし、ショックコイルの表面からチャンバーの中央平面の中央に向かう形成プラズマのブレークダウン、イオン化、およびその後の放出を生じさせる。
【００２６】
別の好適な一実施態様では、ＲＦ駆動装置は、チャンバー内に位置して、それらの間に間隙を有する４つの方位角方向に対称な電極を有する、四重極サイクロトロンを備える。四重極サイクロトロンは、イオンの方位角速度と同じ方向だが、それより速く回転する、電位波を作り出す。適切な速度のイオンを、この電位波に閉じ込めて、定期的に反射させることができる。このプロセスによって燃料イオンの運動量およびエネルギーが増加し、この増加が衝突によって閉じ込められていない燃料イオンに運ばれる。
【００２７】
別の実施態様では、直接エネルギー変換システムを使用して、電磁場を介して荷電粒子を減速することによって、融合生成物の運動エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。好都合に、本発明の直接エネルギー変換システムは、約５ＭＨｚの融合出力の周波数および位相を、外部の６０Ｈｚの電力網の周波数に適合するように変換するための有効性、粒子−エネルギーの許容度、および電子的な能力を有する。
【００２８】
好適な実施態様では、エネルギー変換システムは、融合反応炉の対向端部に連結された逆サイクロトロン変換器（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＩＣＣ）を備える。ＩＣＣは、小さな直線の間隙がそれらの間に延在する複数の、好ましくは４つ以上の均等な半円筒電極で形成された、中空の円筒状のジオメトリを有する。動作中、電極には振動電位が交互に印加される。ＩＣＣ内の電場Ｅは多極構造体であり、回転軸上でゼロになり、半径とともに線形に増加し、ピーク値は間隙において生じる。
【００２９】
加えて、ＩＣＣは、融合反応炉の封じ込めシステムの印加磁場に実質的に対向する方向に、均一の一方向性磁場を印加するための磁場発生器を含む。ＩＣＣは、融合反応炉電力コアから最も離れた端部にイオンコレクターを含む。電力コアとＩＣＣとの間に、対称磁気カスプがあり、ここでは封じ込めシステムの磁場とＩＣＣの磁場とを組み合わせる。環状電子コレクターは、磁気カスプの周辺部に配置され、イオンコレクターに電気的に連結される。
【００３０】
さらに別の好適な実施態様では、生成核および電荷中和電子は、それらのエネルギーの差異によって磁気カスプが電子とイオンを分離する密度を有する反応炉電力コアの両端部から、環状ビームとして現れる。電子は、電子コレクターへの磁力線に従って、イオンは、イオン軌道が、実質的にＩＣＣの長さに沿った螺旋状経路に従うように変更される、カスプを通過する。エネルギーは、イオンが電極を螺旋状に通過するときにイオンから取り除かれ、共振回路に接続される。垂直エネルギーの損失は、電場が最も強い電極の近くを最初に循環させる、最も高いエネルギーのイオンに対して最大となる傾向がある。
【００３１】
本発明の他の側面および特徴は、添付図面とともに用いられる以下の説明を考察することによって明らかとなろう。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
第一および第二端部を有する円筒チャンバー壁と、
該第一および第二端部の間に、それらと間隔を隔てて、該チャンバー壁に沿って軸方向に延在する複数の絶縁回路と
を備える、反応チャンバー。
（項目２）
上記複数の絶縁回路は、上記チャンバー壁内に形成されたスロットを含む、項目１に記載のチャンバー。
（項目３）
上記チャンバー壁は、金属で形成される、項目１に記載のチャンバー。
（項目４）
上記複数の絶縁回路は、上記スロットに挿入された絶縁材を含む、項目２に記載のチャンバー。
（項目５）
上記絶縁材は、セラミック材である、項目４に記載のチャンバー。
（項目６）
上記チャンバー内に、上記絶縁材を覆うように配置された複数のシュラウドをさらに備える、項目４に記載のチャンバー。
（項目７）
上記スロットを覆うように延在する密封板をさらに備える、項目４に記載のチャンバー。
（項目８）
上記絶縁材は、上記密封板に連結される、項目７に記載のチャンバー。
（項目９）
上記密封板と上記チャンバー壁との間にシールを形成するための手段をさらに備える、項目７に記載のチャンバー。
（項目１０）
上記密封板は、ガラス繊維材料で形成される、項目９に記載のチャンバー。
（項目１１）
上記チャンバー内に一方向性の磁場を発生させるための、該チャンバーに連結された磁場発生器をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目１２）
上記磁場発生器は、上記チャンバー壁の周辺部の方位角方向に延在する複数の磁場コイルを含む、項目１１に記載のチャンバー。
（項目１３）
上記複数の磁場コイルは、互いに平行して配向される、項目１２に記載のチャンバー。
（項目１４）
上記複数の磁場コイルは、第一組および第二組のミラーコイルを含む、項目１２に記載のチャンバー。
（項目１５）
上記チャンバー壁と同心円状に延在するベータトロンフラックスコイルをさらに備える、項目１１に記載のチャンバー。
（項目１６）
上記ベータトロンフラックスコイルは、上記チャンバー壁の外側に位置する、項目１５に記載のチャンバー。
（項目１７）
上記ベータトロンフラックスコイルは、複数の平行な巻線コイルを含む、項目１５に記載のチャンバー。
（項目１８）
上記チャンバー壁の縦軸に直交し、かつ半径方向に間隔を置いた１つ以上のイオンビーム注入器をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目１９）
上記イオンビーム注入器は、該イオンビーム注入器によって放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目１８に記載のチャンバー。
（項目２０）
チャンバーの中央平面に向かう背景プラズマの環状の雲を形成するための、プラズマ供給源をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目２１）
上記チャンバー壁の第一および第二端部に連結されたエネルギー変換器をさらに備える、項目１に記載のチャンバー。
（項目２２）
上記エネルギー変換器は、それらの間に縦方向のスペースを備えた、軸方向に延在する複数の電極を含む、項目２１に記載のチャンバー。
（項目２３）
上記複数の電極の周辺部に延在する複数の磁場コイルをさらに備える、項目２２に記載のチャンバー。
（項目２４）
第一および第二イオンコレクターおよび第一および第二電子コレクターをさらに備える、項目２３に記載のチャンバー。
（項目２５）
ショックコイルと、
該ショックコイルに連結されたラバルノズルと
を備える、プラズマ発生システム。
（項目２６）
上記ショックコイルは、環状円盤型の本体と、該本体の表面に取り付けられた平行な巻きワイヤーのコイルとを備える、項目２５に記載のプラズマ発生システム。
（項目２７）
上記コイルは、単巻きコイルである、項目２６に記載のプラズマ発生システム。
（項目２８）
上記コイルは、マルチストランドコイルである、項目２７に記載のプラズマ発生システム。
（項目２９）
上記コイルのワイヤーは、上記本体の外側半径に隣接して角度的に間隔をあけた点から始まり、該本体の表面を一周して該本体の内側半径で終わる、項目２７に記載のプラズマ発生システム。
（項目３０）
上記コイルのワイヤーは、上記本体の周辺部から始まる、項目２９に記載のプラズマ発生システム。
（項目３１）
上記本体は、該本体の内側半径を形成するハブを備える、項目２６に記載のプラズマ発生システム。
（項目３２）
上記ラバルノズルは、上記ハブに連結された環状円盤型のノズルアームを備える、項目３１に記載のプラズマ発生システム。
（項目３３）
上記ハブに面する上記アームの表面は、該ハブの表面とともに環状ガスプレナムおよび伸縮ノズルを形成する、項目３２に記載のプラズマ発生システム。
（項目３４）
上記ハブ内に形成され、上記ガスプレナムと連通する複数のガス流路をさらに備える、項目３３に記載のプラズマ発生システム。
（項目３５）
上記複数のガス流路とともに配列された、複数のバルブシートを有するバルブシートリングをさらに備える、項目３４に記載のプラズマ発生システム。
（項目３６）
上記本体に連結されたシュラウドをさらに備える、項目２６に記載のプラズマ発生システム。
（項目３７）
低インダクタンスショックコイルの平行な巻きワイヤーのコイルに中性ガスを分配するステップと、
該コイルの巻線に電圧を加えるステップと、
該ガスをイオン化してプラズマを生成するステップと
を含む、プラズマの発生方法。
（項目３８）
上記形成したプラズマを上記ショックコイルから放出するステップをさらに含む、項目３７に記載の方法。
（項目３９）
上記コイルに電圧を加えるステップは、該コイルの全てのワイヤーへの電圧の印加を含む、項目３７に記載の方法。
（項目４０）
上記コイルに電圧を加えるステップは、第一組のワイヤーへの電圧の印加と、所定の時間の後の第二組のワイヤーへの電圧の印加とを含む、項目３７に記載の方法。
（項目４１）
上記プラズマを放出するステップは、環状プラズマの放出を含む、項目３８に記載の方法。
（項目４２）
主軸を有するチャンバーと、
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの中央領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
ショックコイルと、該チャンバー内に配置されたラバルノズルとを備えたプラズマ発生器と、
該チャンバー内で方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと
を備える、プラズマ発電システム。
（項目４３）
上記チャンバーは、
第一および第二端部を有する円筒状チャンバー壁と、
該第一および第二端部の間かつそれらと間隔を隔てて、該チャンバー壁に沿って軸方向に延在する複数の絶縁回路と
を備える、項目４２に記載のシステム。
（項目４４）
上記ショックコイルは、環状円盤型の本体と、該本体の表面に取り付けられた平行な巻きワイヤーのコイルとを備える、項目４２に記載のシステム。
（項目４５）
上記コイルは、単巻コイルである、項目４４に記載のシステム。
（項目４６）
上記コイルのワイヤーは、本体の外側半径において角度的に間隔をあけた点から始まり、該本体の表面を一周して該本体の内側半径で終わる、項目４５に記載のシステム。
（項目４７）
上記コイルのワイヤーは、本体の周辺部から始まる、項目４６に記載のシステム。
（項目４８）
上記本体は、該本体の内側半径を形成するハブを備える、項目４４に記載のシステム。
（項目４９）
上記ラバルノズルは、上記ハブに連結された環状円盤型のノズルアームを備える、項目４８に記載のシステム。
（項目５０）
上記ハブに面する上記アームの表面は、該ハブの表面とともに環状ガスプレナムおよび伸縮ノズルを形成する、項目４９に記載のシステム。
（項目５１）
上記ハブ内に形成され、上記ガスプレナムと連通する複数のガス流路をさらに備える、項目５０に記載のシステム。
（項目５２）
上記複数のガス流路とともに配列された、複数のバルブシートを有するバルブシートリングをさらに備える、項目５１に記載のシステム。
（項目５３）
上記本体に連結されたシュラウドをさらに備える、項目４４に記載のシステム。
（項目５４）
上記チャンバー内に電力変換システムをさらに備える、項目４２に記載のシステム。
（項目５５）
上記電力変換システムは、上記チャンバーの第一端部領域内に円筒状表面を形成する、複数の半円筒電極を備える、項目５４に記載のシステム。
（項目５６）
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備える、項目５５に記載のシステム。
（項目５７）
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目５６に記載のシステム。
（項目５８）
上記チャンバーの第二端部領域内に円筒状表面を形成する、第二の複数の半円筒電極であって、
該第二の複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備えた第二の複数の半円筒電極と、
該チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの該第二端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第三磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第三磁場発生器の間に入り、該第二の複数の電極の第一端部に隣接した第二の電子コレクターと、
該第二の複数の電極の第二端部に隣接して配置した第二のイオンコレクターと
をさらに備える、項目５７に記載のシステム。
（項目５９）
容器に連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目５８に記載のシステム。
（項目６０）
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目５９に記載のシステム。
（項目６１）
チャンバー内で磁場反転配位の磁場を形成する方法であって、
チャンバー内に磁気ガイド領域を発生させるステップと、
低インダクタンスショックコイルの平行な巻きワイヤーのコイルに中性ガスを分配するステップと、
該ショックコイルのコイルの巻線に電圧を加えるステップと、
該ガスをイオン化してプラズマを生成するステップと、
該ガイド領域の磁力線に沿って、該ショックコイルから該チャンバーに形成されたプラズマを放出するステップと、
該チャンバー内で方位角電場を発生させ、該プラズマを回転させて、該プラズマを囲むポロイダル自己磁場を形成させるステップと、
該プラズマの回転エネルギーを増加させて、該ガイド領域の大きさに打ち勝つレベルまで、該自己電場の大きさを増加させるステップと、
磁場反転配位（ＦＲＣ）トポロジーを有する磁場において該ガイド領域の磁力線と該自己電場とを結合するステップと
を含む、方法。
（項目６２）
上記コイルに電圧を加えるステップは、該コイルの全てのワイヤーへの電圧の印加を含む、項目６１に記載の方法。
（項目６３）
上記コイルに電圧を加えるステップは、第一組のワイヤーへの電圧の印加と、所定の時間の後の第二組のワイヤーへの電圧の印加とを含む、項目６１に記載の方法。
（項目６４）
上記プラズマを放出するステップは、環状プラズマの放出を含む、項目６２に記載の方法。
（項目６５）
上記ガイド領域を発生させるステップは、上記チャンバーの周辺部に延在する複数の磁場コイルおよびミラーコイルへの電圧の印加を含む、項目６１に記載の方法。
（項目６６）
上記ガイド領域の大きさを増加させて、回転プラズマを所定の半径で保持するステップをさらに含む、項目６１に記載の方法。
（項目６７）
上記方位角電場を発生させるステップは、上記チャンバー内でベータトロンフラックスコイルに電圧を加えて、上記コイルを通り抜ける電流を増加させることを含む、項目６１に記載の方法。
（項目６８）
上記回転プラズマの回転エネルギーを増加させるステップは、上記コイルを通り抜ける電流の変化率を増加させることを含む、項目６７に記載の方法。
（項目６９）
上記フラックスコイルを通り抜ける電流の変化率を増加させて、融合レベルの回転エネルギーまで上記回転プラズマを加速するステップをさらに含む、項目６８に記載の方法。
（項目７０）
上記チャンバー内に静電気的井戸を発生させるステップをさらに含む、項目６１に記載の方法。
（項目７１）
上記静電気的井戸を調整するステップをさらに含む、項目７０に記載の方法。
（項目７２）
上記静電気的井戸を調整するステップは、上記ガイド領域の大きさの操作を含む、項目７１に記載の方法。
（項目７３）
融合レベルのエネルギーのイオンビームを上記ＦＲＣに注入して、該ＦＲＣ内でベータトロン軌道内に該ビームを閉じ込めるステップをさらに含む、項目６９に記載の方法。
（項目７４）
上記イオンビームを注入および閉じ込めるステップは、
該イオンビームを中和するステップと、
該中和されたイオンビームから電気分極を排出するステップと、
該中和されたイオンビームに、上記印加された磁場によるローレンツ力を働かせて、該イオンビームをベータトロン軌道に曲げるステップと
をさらに含む、項目７３に記載の方法。
（項目７５）
上記ＦＲＣ内にイオンを磁気的に閉じ込めて、上記静電気的井戸内に静電気的に電子を閉じ込めるステップをさらに含む、項目７３に記載の方法。
（項目７６）
融合生成物イオンを形成するステップをさらに含む、項目７５に記載の方法。
（項目７７）
環状ビーム内の上記ＦＲＣから上記融合生成物イオンを出射させるステップをさらに含む、項目７６に記載の方法。
（項目７８）
主軸を有するチャンバーと、
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの中央領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
該チャンバーの中央領域に連結されたＲＦ駆動システムと、
該チャンバー内に方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと
を備える、プラズマ発電システム。
（項目７９）
上記ＲＦ駆動システムは、四重極サイクロトロンを備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８０）
上記四重極サイクロトロンは、円筒状表面を形成する４つの半円筒電極を備える、項目７９に記載のシステム。
（項目８１）
上記ＲＦ駆動システムは、双極子サイクロトロンを備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８２）
上記双極子サイクロトロンは、円筒状表面を形成する４つの半円筒電極を備える、項目８１に記載のシステム。
（項目８３）
上記ＲＦ駆動システムは、上記チャンバーおよび上記導電コイルの周辺部に隣接する軸方向に延在する磁場変調コイルを備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８４）
上記チャンバー内に電力変換システムをさらに備える、項目７８に記載のシステム。
（項目８５）
上記電力変換システムは、上記チャンバーの第一端部領域内に円筒状表面を形成する複数の半円筒電極を備える、項目８４に記載のシステム。
（項目８６）
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備える、項目８５に記載のシステム。
（項目８７）
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目８６に記載のシステム。
（項目８８）
上記チャンバーの第二端部領域内に円筒状表面を形成する、第二の複数の半円筒電極であって、該第二の複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備えている、第二の複数の半円筒電極と、
該チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバーの上記第一端部領域内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第三磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第三磁場発生器の間に入り、該第二の複数の電極の第一端部に隣接した第二の電子コレクターと、
該第二の複数の電極の第二端部に隣接して配置した第二のイオンコレクターと
をさらに備える、項目８７に記載のシステム。
（項目８９）
容器に連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目８８に記載のシステム。
（項目９０）
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目８９に記載のシステム。
（項目９１）
回転プラズマの周辺部にＦＲＣを発生させるステップと、
該回転プラズマ内のイオンの方位角速度と同じ方向に回転する電位波を発生させるステップと
を含む、ＦＲＣ内のイオンおよび電子を駆動する方法。
（項目９２）
上記電位波を発生させるステップは、円筒状表面を形成する複数の細長い電極への電圧の印加を含む、項目９１に記載の方法。
（項目９３）
上記複数の細長い電極は、細長いサイクロトロンを形成する、項目９２に記載の方法。
（項目９４）
上記サイクロトロンは、四重極サイクロトロンである、項目９２に記載の方法。
（項目９５）
上記サイクロトロンは、双極子サイクロトロンである、項目９２に記載の方法。
（項目９６）
上記電位波に中性イオンを注入するステップをさらに含む、項目９１に記載の方法。
（項目９７）
注入された中性イオンを上記電位波内に閉じ込めるステップをさらに含む、項目９２に記載の方法。
（項目９８）
上記閉じ込められたイオンの運動量およびエネルギーを増加させるステップをさらに含む、項目９７に記載の方法。
（項目９９）
主軸と、第一および第二端部とを有するチャンバーと
該チャンバーの該主軸に実質的に平行なフラックスによって、該チャンバー内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第一磁場発生器と、
該チャンバー内に方位角電場を発生させるための、該チャンバーの主軸と同心の導電コイルと、
該チャンバーの第一端部に連結されたエネルギー変換システムと、
該チャンバーの第二端部に連結された磁気ノズルと
を備える、プラズマ発電および推進システム。
（項目１００）
上記エネルギー変換システムは、円筒状表面を形成する複数の半円筒電極を備える、項目９９に記載のシステム。
（項目１０１）
上記複数の電極は、隣接する電極間に間隙を形成するように間隔を置いた２つより多い電極を備える、項目１００に記載のシステム。
（項目１０２）
上記チャンバーの上記主軸に実質的に平行なフラックスによって、上記エネルギー変換システム内で方位角方向に対称な磁場を発生させるための第二磁場発生器と、
上記第一磁場発生器および該第二磁場発生器の間に入り、上記複数の電極の第一端部に隣接した電子コレクターと、
該複数の電極の第二端部に隣接して配置したイオンコレクターと
をさらに備える、項目１０１に記載のシステム。
（項目１０３）
上記チャンバーに連結されたイオンビーム注入器をさらに備える、項目１０２に記載のシステム。
（項目１０４）
上記イオンビーム注入器は、該注入器から放射されるイオンビームの電荷を中和するための手段を含む、項目１０３に記載のシステム。
（項目１０５）
上記チャンバーに連結された熱電変換器をさらに備える、項目１０４に記載のシステム。
（項目１０６）
上記チャンバーに連結されたブレイトン熱エンジンをさらに備える、項目１０５に記載のシステム。
（項目１０７）
上記ブレイトン熱エンジンは、
熱交換器と、
該熱交換器に連結されたターボ発電機と、
該熱交換器およびターボ発電機に連結された圧縮器と、
該圧縮器およびターボ発電機に連結された放熱器と
をさらに備える、項目１０６に記載のシステム。
（項目１０８）
上記ターボ発電機に連結された電力貯蔵装置をさらに備える、項目１０７に記載のシステム。
（項目１０９）
上記電力貯蔵装置は、バッテリーを備える、項目１０８に記載のシステム。
（項目１１０）
上記電力貯蔵装置は、燃料電池を備える、項目１０８に記載のシステム。
（項目１１１）
第一および第二端部を有するチャンバー内に回転プラズマの周辺部にＦＲＣを発生させるステップと、
該チャンバーの該第一および第二端部から融合生成物イオンの環状ビームを放出するステップと、
該第一端部から放出された該融合生成物イオンのエネルギーを電力に変換するステップと、
該第二端部から放出された該融合イオンのエネルギーをスラストに変換するステップと
を含む、方法。
（項目１１２）
上記第一端部から放出された上記融合生成物イオンのエネルギーを電力に変換するステップは、
それらの間に複数の細長い間隙を形成する、互いに間隔を置いた複数の半円筒電極で形成された略円筒状キャビティ内で、螺旋状経路に沿って該イオンを注入することと、
該注入されたイオンの軸方向のエネルギーの実質的に全てを回転エネルギーに変換することと、
該キャビティ内に多極電場を形成し、該電場は３つ以上の極を備えることと、
該イオンエネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換することと
を含む、項目１１１に記載の方法。
（項目１１３）
振動電位を上記複数の電極に印加するステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１４）
上記電場を形成するステップは、上記複数の間隙と交わるように方位角電場を発生させることを含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１５）
上記イオンを減速させるステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１６）
磁気カスプを介して環状ビームを導くステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１７）
上記電子が上記磁気カスプの磁力線に追従するときに、上記環状ビームから電荷中和電子を収集するステップをさらに含む、項目１１２に記載の方法。
（項目１１８）
上記イオンのエネルギーの実質的な部分が電気エネルギーに変換されたときに、該イオンを収集するステップをさらに含む、項目１１７に記載の方法。
（項目１１９）
上記複数の電極は、少なくとも４つの電極を備える、項目１１２に記載の方法。
（項目１２０）
上記磁気カスプを発生させるステップをさらに含む、項目１１６に記載の方法。
（項目１２１）
上記磁気カスプを発生させるステップは、
第一および第二磁場を発生させるステップであって、該第一磁場および該第二磁場の磁力線が対向して延在するステップと、
該第一磁場および該第二磁場を結合するステップと
を含む、項目１２０に記載の方法。
（項目１２２）
上記第二端部から放出された融合イオンのエネルギーをスラストに変換するステップは、有向の粒子の流れとして環状の融合イオンビームの焦点を定めることを含む、項目１１１に記載の方法。
（項目１２３）
上記チャンバーからの電磁放出を電力に変換するステップをさらに含む、項目１２２に記載の方法。
（項目１２４）
上記チャンバーから放射された熱を電力に変換するステップをさらに含む、項目１２２に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
好適な実施態様は一例として示したものであり、制限するためのものではなく、添付図面において、同一の構成要素には同一の参照番号を付与する。
【図１】図１は、例示的な閉じ込めチャンバーの部分図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、別の例示的な閉じ込めチャンバーの部分図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿った部分断面図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂの線２Ｃに沿った詳細図を示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｂの線２Ｄ−２Ｄに沿った部分断面図を示す。
【図３】図３は、ＦＲＣの磁場を示す。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれＦＲＣにおける反磁性方向および逆反磁性方向を示す。
【図５】図５は、衝突ビームシステムを示す。
【図６】図６は、ベータトロン軌道を示す。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれＦＲＣにおける勾配ドリフトの磁場および方向を示す。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれＦＲＣにおける
【化７７】
ドリフトの電場および方向を示す。
【図９】図９Ａ〜図９Ｃは、イオンドリフト軌道を示す。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、ＦＲＣの端部におけるローレンツ力を示す。
【図１１】図１１Ａおよび図１１Ｂ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１２】図１２は、マクスウェル分布を示す。
【図１３】図１３Ａおよび図１３Ｂは、大きな角度でのイオン同士の衝突による、ベータトロン軌道からドリフト軌道への遷移を示す。
【図１４】図１４は、小さな角度での電子とイオンの衝突を考慮した場合の、ベータトロン軌道Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを示す。
【図１５】図１５は、電気的に分極されたときの中和イオンビームを示す。
【図１６】図１６は、閉じ込めチャンバーにおいてプラズマと接触したときの中和イオンビームの正面図である。
【図１７】図１７は、軌道プロシージャの一実施態様による、閉じ込めチャンバーの端面の概略図である。
【図１８】図１８は、軌道プロシージャの別の好適な実施態様による、閉じ込めチャンバーの端面の概略図である。
【図１９】図１９は、ＦＲＣの形成を示すＢドットプローブのトレースを示す。
【図２０Ａ】図２０Ａは、チャンバー内に装着可能な誘導プラズマ供給源の図を示す。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、誘導プラズマ供給源の部分図を示す。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、誘導プラズマ供給源の部分図を示す。
【図２１Ａ】図２１Ａは、ＲＦ駆動システムの部分図を示す。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、ＲＦ駆動システムの部分図を示す。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、双極および四重極構成の概略図を示す。
【図２２Ａ】図２２Ａは、逆サイクロトロン直接エネルギー変換器に連結された衝突ビーム融合反応炉を備えた、プラズマ発電システムの部分図を示す。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図１９Ａの逆サイクロトロン変換器の端面図を示す。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、逆サイクロトロン変換器内のイオン軌道を示す図を示す。
【図２３Ａ】図２３Ａは、逆サイクロトロン変換器の別の実施態様に接続された衝突ビーム融合反応炉を備えた、プラズマ発電システムの部分図を示す。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、図２０Ａの逆サイクロトロン変換器の端面図を示す。
【図２４Ａ】図２４Ａは、従来のサイクロトロン内部の粒子軌道を示す。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、振動電場を示す。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、加速粒子のエネルギーの変化を示す。
【図２５】図２５は、角速度を有するイオンによってもたらされる、ＩＣＣの間隙間における方位角電場を示す。
【図２６】図２６は、集束四重極ダブレットレンズを示す。
【図２７Ａ】図２７Ａは、補助磁場コイルシステムを示す。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、補助磁場コイルシステムを示す。
【図２８】図２８は、１００ＭＷの反応炉を示す。
【図２９】図２９は、反応炉支援装置を示す。
【図３０】図３０は、プラズマスラスター推進システムを示す。
【図３１】図３１は、プラズマスラスター推進システムの主要構成要素を示す。
【図３２】図３２は、プラズマスラスター推進システムのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図示したように、本発明のプラズマ発電システム（ＰＥＧ）システムは、直接エネルギー変換システムに連結された衝突ビーム融合反応炉（Ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒ：ＣＢＦＲ）を含むことが好ましい。上述のように、理想的な融合反応炉では、イオンと電子の両方の異常輸送という問題を解決する。本願明細書に見出される異常輸送の問題に対する解決策では、磁場反転配位（ＦＲＣ）を有する磁場による封じ込めシステムを使用する。イオンの異常輸送は、大部分のイオンが大きな非断熱軌道を有するようにして、それらが断熱イオンの異常輸送を生じさせる短波長の変動の影響を受けないようにして、ＦＲＣ内に磁気的に閉じ込めることによって回避する。特に、ＦＲＣ内に磁場がゼロになる領域の存在によって、非断熱イオンの大部分を含むプラズマを有することが可能になる。電子の場合、エネルギーの異常輸送は、外部印加磁場を調整して、強力な磁場を生じさせて、深い電位井戸内に電子を静電気的に閉じ込めことによって回避される。
【００３４】
現在の閉じ込め装置およびプロセスで使用することができる融合燃料のプラズマは、Ｄ−Ｄ（重水素−重水素）またはＤ−Ｔ（重水素−トリチウム）のような中性子燃料に限られず、好都合に、Ｄ−Ｈｅ３（重水素−ヘリウム−３）またはｐ−Ｂ１１（水素−ボロン−１１）のような先進燃料または中性子燃料も含まれる。（先進燃料の考察については、Ｒ．ＦｅｌｄｂａｃｈｅｒおよびＭ．Ｈｅｉｎｄｌｅｒの、Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ａ２７１（１９８８）ＪＪ−６４（Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌａｎｄ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）を参照のこと。）当該の中性子燃料に関しては、融合反応エネルギーは、ほぼ完全に荷電粒子、すなわちエネルギーイオンの形態であり、磁場内で操作することができ、燃料によるが、ほとんどまたは全く放射能を生じない。Ｄ−Ｈｅ３の反応では、１８．２ＭｅＶのエネルギーを有するＨイオンおよびＨｅ４イオンを作り出し、一方で、ｐ−Ｂ１１反応では、８．７ＭｅＶのエネルギーを有する３つのＨｅ４イオンを作り出す。無中性子燃料を用いた融合装置のための理想的なモデルによれば、出力エネルギーの変換効率は、約９０％となりうる。これは、例えば、Ｋ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、Ｔ．Ｎｏｍａ、およびＹ．ＹａｍａｍｏｔｏのＦｕｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９，８７０（１９９１）に記載されている。当該の効率は、拡張性があり（１乃至１０００ＭＷ）、小型で低コストである構成の、無中性子融合に対する期待を大いに高めるものである。
【００３５】
本発明の直接エネルギー変換プロセスでは、融合生成物の荷電粒子を減速することができ、それらの運動エネルギーを直接電力に変換することができる。好都合に、本発明の直接エネルギー変換システムは、約５ＭＨｚの融合出力の周波数および位相を、外部の６０Ｈｚの電力網の周波数および位相に適合するように変換するための有効性、粒子−エネルギーの許容度、および電子的な能力を有する。
【００３６】
（融合封じ込めシステム）
図１は、本発明による封じ込めシステム３００の好適な一実施態様を示す。封じ込めシステム３００は、チャンバー壁３０５を備え、その中に閉じ込めチャンバー３１０を画定する。チャンバー３１０は、円筒状であり、チャンバー３１０の中心に沿って主軸３１５を備えることが好ましい。本封じ込めシステム３００の融合反応炉への適用に関しては、チャンバー３１０の内部に真空または略真空を生じさせる必要がある。ベータトロンフラックスコイル３２０は、チャンバー３１０内に位置し、主軸３１５と同心である。ベータトロンフラックスコイル３２０は、直流に適応した電流担送媒体を備え、図に示されるように、好ましくは、複数の独立したコイルの平行な巻線を備えて、さらに好ましくは、およそ４つの独立したコイルの平行な巻線を備えて長いコイルを形成する。当業者は、ベータトロンコイル３２０を介した電流が、実質的に主軸３１５の方向に、ベータトロンコイル３２０内部に磁場をもたらすものと理解されよう。
【００３７】
チャンバー壁３０５の外側周辺には外部コイル３２５が存在する。外部コイル３２５は、実質的に主軸３１５と平行な磁束を有する、比較的一定の磁場を作り出す。この磁場は、方位角方向的に対称である。外部コイル３２５による磁場が一定で、軸３１５に平行である近似度は、チャンバー３１０の端部から離れたところで最も有効となる。チャンバー３１０の各端部には、ミラーコイル３３０が存在する。ミラーコイル３３０は、各端部においてチャンバー３１０の内部に増強した磁場を作り出すように構成され、磁力線は、各端部で内側に曲げられる。（図３および５を参照のこと。）上述のように、磁力線が内側に曲げられることで、プラズマ３３５が封じ込めシステム３００から逃れることができる端部から、該プラズマを押しのけることによって、通常ミラーコイル３３０の間にあるチャンバー３１０内での、該プラズマの封じ込め領域への封じ込めが助力される。ミラーコイル３３０の巻き数を増やすこと、ミラーコイル３３０を通る電流を増加させること、またはミラーコイル３３０を外部コイル３２５に重ねることなどを含む、公知の様々な方法によって、端部に増強した磁場を作り出すように構成することができる。
【００３８】
図１に示されるように、外部コイル３２５およびミラーコイル３３０は、チャンバー壁３０５の外側に実装されるが、チャンバー３１０の内側であってもよい。チャンバー壁３０５を、金属のような導電材料で構成した場合は、磁場が壁３０５を介して拡散する時間が比較的長く、システム３００の反応が緩慢になりうるので、コイル３２５および３３０をチャンバー壁３０５の内側に配置することが都合がよい。同様に、チャンバー３１０は、中空の円筒状とすることが可能であり、チャンバー壁３０５は長い環状リングを形成する。そのような場合、ベータトロンフラックスコイル３２０は、チャンバー壁３０５の外側で、その環状リングの中央に実装することが可能である。環状リングの中央部を形成する内壁は、非導電材料で構成できることが好ましい。明らかなように、チャンバー３１０は、循環プラズマビームまたは層３３５が所与の半径で主軸３１５の周辺を回転できるような、十分なサイズおよび形状のものとしなければならない。
【００３９】
チャンバー壁３０５は、鋼のような高透磁率の材料で形成することが可能である。そのような場合、チャンバー壁３０５は、材料に誘導された逆電流により、磁束がチャンバー３１０から逃れないように「圧縮」するように助力する。チャンバー壁を、プレキシがラスのような低透磁率の材料で作成した場合は、磁束を封じ込めるための別の装置が必要になりうる。そのような場合、一連の閉ループで平坦な金属リングを備えることが可能である。磁束デリミタとして公知のこれらのリングは、外部コイル３２５内だが、循環プラズマビーム３３５の外側に備えることになる。さらに、これらの磁束デリミタは、パッシブまたはアクティブとすることが可能であり、アクティブフラックスデリミタは所定の電流で駆動され、チャンバー３１０内での磁束の封じ込めをさらに容易にする。別様には、外部コイル３２５自体を、磁束デリミタとして機能させることが可能である。
【００４０】
以下に詳述するように、荷電粒子を含む循環プラズマビーム３３５は、外部コイル３２５による磁場が生じさせるローレンツ力によって、チャンバー３１０内に封じ込めることが可能である。このように、プラズマビーム３３５内のイオンは、外部コイル３２５からの力線の周辺部の大きなベータトロン軌道内に磁気的に封じ込められ、主軸３１５に平行である。１つ以上のビーム注入ポート３４０も、チャンバー３１０内の循環プラズマビームにプラズマイオンを追加するように備えられる。好適な一実施態様では、注入ポート３４０は、循環プラズマビーム３３５が封じ込められた主軸３１５からほぼ同じ半径方向（すなわち、下述するヌル面の周辺）でイオンビームを注入するように構成される。さらに、注入ポート３４０は、封じ込めたプラズマビーム３３５のベータトロン軌道の接線方向にイオンビーム３５０を注入するように構成される（図１７を参照のこと）。
【００４１】
また、非エネルギープラズマの雲をチャンバー３１０に注入するための、１つ以上の背景プラズマ供給源３４５を備える。好適な一実施態様では、背景プラズマ供給源３４５は、プラズマ３３５をチャンバー３１０の軸中心へ導くように構成される。プラズマをこのように導くことで、プラズマ３３５の封じ込めがさらに助力され、チャンバー３１０内で、封じ込め領域内のプラズマ３３５の密度がより高くなることがわかっている。
【００４２】
（真空チャンバー）
上述のように、ＣＢＦＲの封じ込めシステムの適用には、チャンバー内部に真空または略真空を生じさせる必要がある。中性燃料とプラズマ燃料との間の相互作用（分散、荷電交換）によって、常にエネルギーの損失経路が現れるので、反応チャンバー内の残留密度を制限することが重要である。さらに、十分に真空にされなかったチャンバーから得られる不純物は、動作中の副反応を汚染し、またこれらの不純物を通してシステムを燃焼させなければならないので、起動中に過剰なエネルギーを消耗させることになりうる。
【００４３】
良好な真空状態を得るには、通常、ステンレス構成のチャンバーおよびポートとともに、低ガス放出材料の使用を伴う。金属の場合、良好な真空特性は、さらに良好な構造特性と組み合わせられる。しかし、ステンレス鋼などのような導電材料は、それらの電気的特性に関して様々な問題を示す。これらの悪影響は全て関連するが、それらは異なる形で現れる。最も悪影響のある特性には次のようなものが挙げられる：チャンバー壁を介した磁場の遅延拡散；表面への電荷の蓄積；過渡信号に対するシステムの応答時間の急激な変化；および所望の磁気トポロジーに影響を及ぼす、表面におけるイメージ電流の形成。これらの不適当な特性を持たず、良好な真空特性を呈する材料には、セラミック、ガラス、石英、および炭素繊維の少ない絶縁体がある。これらの材料による主な問題は、構造的完全性、および突発的な損傷に対する潜在性である。セラミックの機械加工性の悪さのような製造上の問題は付加的限定事項である。
【００４４】
一実施態様では、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄに示されるように、これらの問題を最小限に抑える代替炉１３１０を備える。ＣＢＦＲのチャンバー１３１０は、主に金属、好ましくはステンレス鋼などであり、構造強度および良好な真空特性を提供することが好ましい。なお、チャンバー１３１０の円筒壁１３１１は、チャンバー１３１０の中央部またはＣＢＦＲの電力コア領域内の、チャンバー１３１０のほぼ全長に沿って延在する、壁１３１１内の軸方向の絶縁回路１３６０を含む。図２に示されるように、互いに約１２０°離れて、３つの中断部があることが好ましい。中断部１３６０は、図２Ｃに示されるように、チャンバー１３１０の壁１３１１内にスロットまたは間隙１３６０を含み、スロット１３６２の周辺部に形成されたシール溝またはシート１３６９を備える。Ｏリングシール１３６７は、溝１３６９内で受ける。スロット１３６２は、図２Ｄに示されるように、２つの端部付近の壁１３１１の方位角方向に連続する部分を形成する十分なステンレス材料を残して、チャンバー１３１０のほぼ全長にわたって延在し、構造的完全性を提供するとともに端部において良質な真空シールを可能にする。構造的完全性の改善および爆縮の防止に関して、チャンバー１３１０は、図２Ａに示されるように、チャンバー壁１３１１と一体的に形成されるか、または溶接などによってチャンバー壁１３１１の表面に連結された、複数組の部分的な方位角リブを含むことが好ましい。
【００４５】
図２Ｃに示されるように、間隙１３６２は、セラミック材料製のインサート１３６４で塞がれる。インサート１３６４は、チャンバー１３１０の内部にわずかに延在し、金属シュラウド１３６６によって内部が覆われ、副プラズマイオンの放出によって、循環プラズマビームからの主プラズマイオンとセラミック材料が衝突しないようにする。チャンバー１３１０の外部では、インサート１３６４は、チャンバー壁１３１１のステンレス鋼表面を有するＯリングシール１３６７によって真空バリアを形成する、密封板１３６５に取り付けられる。望ましい真空特性を保つために、密封板１３６５は、ガラス繊維などのような基材で形成されることが好ましく、この基材は、特に内側への圧力がチャンバー１３１０をわずかに変形させる場合に、セラミック材料よりも柔軟で、Ｏリング１３６７とのより堅固なシールを形成する。
【００４６】
スロット１３６２内部のインサートまたはセラミック絶縁体１３６４は、電流が、間隙１３６２を横断してアーチすることを防ぎ、これによって、チャンバー壁１３１１内に方位角イメージ電流が形成されないようにすることが好ましい。イメージ電流は、レンツの法則を明示したものであり、磁束のあらゆる変化を打ち消す性質の傾向であり、例えば、下述するように、ＦＲＣの形成中にフラックスコイル１３２０に生じる磁束の変化である。チャンバー１３１０の円筒壁１３１１内にスロット１３６２がなければ、クラックスコイル１３２０内の磁束の変化によって、例えば、チャンバー１３１０内部の磁束の変化を相殺するように、ステンレス鋼壁１３１１内に、均等かつ逆の誘導電流が生じる。誘導されたイメージ電流は（誘導損失により）フラックスコイル１３２０に印加された電流よりも小さいが、このイメージ電流は、チャンバー１３１０内で印加されるか、または閉じ込められた磁場を大幅に減じる傾向があり、対応しない場合は、磁場トポロジーに悪影響を与え、チャンバー１３１０の内部の閉じ込め特性を変えてしまう。スロット１３６２が存在することで、方位角イメージ電流が、壁１３１１の方位角方向に連続した部分で、チャンバー１３１０の端部から離れて、チャンバー１３１０の中央部分に向かって壁１３１１内に形成されないようにする。チャンバー壁１３１１によってチャンバー１３１０の端部から間隔を置いた中央部分に向けて担送されうる唯一のイメージ電流は、スロット１３６２の縦軸に平行して流れる非常に弱い電流である。当該の電流は、チャンバー壁１３１１を長手方向に横切るイメージ電流によって作り出される磁気イメージ領域が、半径方向および方位角成分しか示さないので、ＦＲＣの軸方向の磁気閉じ込め領域には何も影響がない。チャンバー１３１０の端部付近の壁１３１１の方位角方向に連続的な導通部分内に形成された方位角イメージ電流は、この周辺の磁気トポロジーがプラズマの閉じ込めには重要でないので、チャンバー１３１０内部の閉じ込め特性に悪影響を与え、および／またはこれを変えてしまうといったことがない。
【００４７】
チャンバー壁１３１１内の方位角イメージ電流の形成を防ぐことに加えて、スロット１３６２は、磁束が領域およびミラーコイル１３２５および１３３０から、速いタイムスケールでチャンバー１３１０に浸透するための進路を提供する。スロット１３６２によって、サブミリ秒レベルの微調整が可能になり、その結果、印加磁場のフィードバック制御が可能になる。
【００４８】
（ＦＲＣ内の荷電粒子）
図３は、ＦＲＣ７０の磁場を示す図である。システムは、その軸７８に対して円筒対称性を有する。ＦＲＣには、磁力線の２つの領域、開放領域８０および閉鎖領域８２が存在する。この２つの領域を分割する面は、セパラトリックス８４と呼ばれる。ＦＲＣは、磁場が零になる円筒状ヌル面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、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内で方向を反転するが、磁場反転配位（ＦＲＣ）における「反転」という用語の由来である。
【００４９】
図４Ａでは、ヌル面９４の外側の磁場は、第一方向９６にある。ヌル面９４の内側の磁場は、第一方向に対向する第二方向９８にある。イオンが方向１００に移動する場合、そのイオンに作用するローレンツ力３０はヌル面９４の方を指す。これは、右手の法則を適用することによって容易に理解されよう。反磁性方向１０２に移動する粒子に関しては、ローレンツ力は常にヌル面９４の方向を向いている。この現象は、下述するベータトロン軌道と呼ばれる粒子軌道を生じる。
【００５０】
図４Ｂは、逆反磁性方向１０４に移動するイオンを示す図である。この場合のローレンツ力は、ヌル面９４から離れる方向を向いている。この現象は、下述するドリフト軌道と呼ばれる一種の軌道を生じる。イオンに対する反磁性方向は、電子に対して逆反磁性方向であり、逆の場合も同様である。
【００５１】
図５は、イオンの反磁性方向１０２に回転するプラズマ１０６のリングまたは環状の層を示す。リング１０６は、ヌル面８６の周辺部に位置する。環状プラズマ層１０６によって発生する磁場１０８は、外部印加磁場１１０とともに、ＦＲＣのトポロジー（このトポロジーを図３に示す）を有する磁場を形成する。
【００５２】
プラズマ層１０６を形成するイオンビームには熱があるので、イオンの速度は、イオンビームの平均角速度で回転しているフレーム内に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、融合反応をもたらす。このために、プラズマビーム層または電力コア１０６は、衝突ビームシステムと呼ばれる。
【００５３】
図６は、衝突ビームシステム内の主なタイプのイオン軌道（ベータトロン軌道１１２と呼ばれる）示す図である。ベータトロン軌道１１２は、ヌル円１１４を中心とする正弦波として表すことができる。上述のように、ヌル円１１４上の磁場は零になる。軌道１１２の面は、ＦＲＣの軸７８に対して垂直である。この軌道１１２内のイオンは、それらの出発点１１６から反磁性方向１０２に移動する。ベータトロン軌道内のイオンは、半径方向（ヌル円１１４に対して垂直）に振動する、およびヌル円１１４に沿って並進する、の２つの動作を行う。
【００５４】
図７Ａは、ＦＲＣ内の磁場１１８のグラフである。グラフの横軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離をｃｍで表したものである。磁場は、キロガウスで表される。グラフに示されるように、磁場１１８はヌル円半径１２０で零になる。
【００５５】
図７Ｂに示されるように、ヌル円付近を移動する粒子は、ヌル面８６から離れる方向を向いている磁場の勾配１２６であると考えられる。ヌル円の外側の磁場は、第一方向１２２にあり、ヌル円の内側の磁場は、第一方向に対向する第二方向１２４にある。勾配ドリフトの方向はクロス積
【００５６】
【化５】
によって与えられ、ここで、
【００５７】
【化６】
は磁場の勾配であり、したがって、イオンがヌル円１２８の内側にあるか外側にあるかに関わらず、右手の法則を適用することによって、勾配ドリフトの方向が逆反磁性方向にあることが理解される。
【００５８】
図８Ａは、ＦＲＣ内の電場１３０のグラフである。グラフの横軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離をｃｍで表したものである。電場は、Ｖ／ｃｍで示される。グラフに示されるように、電場１３０はヌル円半径１２０の近くで零になる。
【００５９】
図８Ｂに示されるように、イオンに対する電場を解放しているが、ヌル面８６から離れて、方向１３２および１３４を向いている。磁場は、上述と同様に、ヌル面８６の内側および外側の逆の方向１２２および１２４である。これは、右手の法則を適用することによって、イオンがヌル円１３６の内側にあるか外側にあるかに関わらず、
【００６０】
【化７】
ドリフトの方向が反磁性方向１０２にあることが理解できる。
【００６１】
図９Ａおよび９Ｂは、別のタイプのＦＲＣ内の共通軌道示し、ドリフト軌道１３８と呼ばれる。ドリフト軌道１３８は、図９Ａに示されるように、ヌル面１１４の外側に存在しうるか、または図９Ｂに示されるように、ヌル面の内側に存在しうる。ドリフト軌道１３８は、
【００６２】
【化８】
ドリフトが優勢であれば反磁性方向に回転し、勾配ドリフトが優勢であれば逆反磁性方向に回転する。図９Ａおよび９Ｂに示されるように、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。
【００６３】
図９Ｃに示されるように、ドリフト軌道は、相対的に大きな円周を回転する小さな円として考えることができる。小さな円１４２は、意味上の軸の周りを回転する１４４。また、大きな円１４６上を方向１０２に転がる。点１４０は、宇宙空間において１３８に類似した経路をたどる。
【００６４】
図１０Ａおよび１０Ｂは、ＦＲＣ１５１の端部でのローレンツ力の方向を示す。図１０Ａは、磁場１５０内を速度１４８で反磁性方向１０２に移動するイオンを示す。これは、右手の法則を適用することによって、ローレンツ力１５２が閉鎖端磁場領域にイオンを押し戻す傾向があることを理解することができる。したがって、この場合では、ローレンツ力１５２がイオンを閉じ込めている。図１０Ｂは、磁場１５０内を速度１４８で逆反磁性方向１０２に移動するイオンを示す。これは、右手の法則を適用することによって、ローレンツ力１５２が開放端磁場領域にイオンを押し込む傾向があることを理解することができる。したがって、この場合では、ローレンツ力１５２がイオンを解放している。
【００６５】
（ＦＲＣにおける磁気的および静電気的閉じ込め）
プラズマ層１０６（図５を参照のこと）は、イオンの反磁性方向１０２に、ヌル面８６の周辺部にエネルギーイオンビームを注入することによって、ＦＲＣ内に形成することができる。（異なるＦＲＣおよびプラズマリングの形成方法は下記に詳述する。）循環プラズマ層１０６では、ほとんどのイオンは、ベータトロン軌道１１２（図６を参照のこと）を有し、エネルギーがあり、非断熱である。したがって、それらのイオンは、異常輸送を生じさせる、短波長の変動の影響を受けない。
【００６６】
ＦＲＣ内に形成され、平衡状態にあるプラズマ層１０６では、運動量の保存により、イオンの角速度ωｉと電子の角速度ωｅとの間の関係が与えられる。この関係は、次のようになる：
【００６７】
【化９】
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は電子電荷であり、Ｂ０は印加磁場の大きさであり、ｃは光速である。この関係には、印加磁場Ｂ０、電子の角速度ωｅ、およびイオンの角速度ωｉの３つの自由パラメータがある。これらのうちの２つがわかっていれば、３つ目を式１から決定することができる。
【００６８】
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によって決定され、このＷｉは次式で与えられる：
【００６９】
【化１０】
この場合、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、ｒ０はヌル面８６の半径である。このビーム内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。
【００７０】
ビームの一定の注入速度（一定のωｉ）に関して、印加磁場Ｂ０は、異なる値ωｅが得られるように調整することができる。後述するように、外部磁場Ｂ０の調整により、プラズマ層の内側の静電場の異なる値も生じる。本発明のこの特徴を、図１１Ａおよび１１Ｂに示す。図１１Ａは、同じ注入速度ωｉ＝１．３５×１０７ｓ−１であるが、３つの異なる印加磁場Ｂ０から得られた電場（Ｖ／ｃｍ）の３つの線図を示す：
【００７１】
【表１】
上記表におけるωｅの値は、式１に基づいて決定されたものである。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１１Ｂは、Ｂ０およびωｅ同一の値の組に対する電位（Ｖ）を示す。図１１Ａおよび１１Ｂの横軸は、ＦＲＣ軸７８からの距離を表し、グラフにおいてｃｍで示される。電場および電位は、ωｅに大きく依存する。
【００７２】
上述の結果は、単純な物理的根拠から説明することができる。イオンが、反磁性方向内に回転するとき、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。これを図４Ａに示した。電子がイオンと同じ方向に回転する場合、ローレンツ力は逆方向にあるので、電子は閉じ込められない。電子がプラズマから離れ、その結果、過剰の正電荷が発生する。これは、他の電子がプラズマから離れないように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、運動量の保存によって決定される。
【００７３】
静電場は、電子とイオン両方の輸送に関する重要な役割を果たす。したがって、本発明の重要な側面は、強い静電場が、プラズマ層１０６の内側に発生され、この電場の大きさが、容易に調節できる印加磁場Ｂ０の値によって制御されることである。
【００７４】
説明されるように、ωｅ＞０の場合、静電場が電子を閉じ込める。図１１Ｂに示されるように、井戸の深さは、印加磁場Ｂ０を調整することによって増加させることができる。ヌル円の近くの非常に狭い領域を除いて、電子は、常に小さなジャイロ半径を有する。したがって、電子は、異常に速い拡散速度を有する短波長の変動に応答する。実際に、この拡散は、融合反応が生じると、電位井戸を保持するのを助力する。この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、プラズマから離れる。電荷を準中性に保持するために、融合生成物は、この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、融合生成物によってプラズマから離れる電子は置換されなければならず、さもなければ、電位井戸が消失する。
【００７５】
図１２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することができ、融合イオンとともに離れることができる。したがって、この分布１６２の尾部１６０は、ヌル面の近くの高密度の領域で、電子同士の衝突によって連続的に発生する。この高エネルギーの電子は、さらに小さなジャイロ半径を有するので、異常な拡散により、逸脱する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到達できるようにする。この高エネルギー電子は、電位井戸を上昇させるエネルギーを失い、ごくわずかなエネルギーを残す。この電子は、磁場を迅速に横切ることができるが、ほとんどエネルギーが移送されないので、異常輸送による異常なエネルギーの損失が回避される傾向にある。
【００７６】
この電位井戸の別の結果は、気化冷却と類似する、電子のための強力な冷却機構である。例えば、水を気化させるためには、気化潜熱を供給しなければならない。この熱は、残りの水および周囲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できるよりも早く、より低い温度に迅速に熱化する。同様に、電子に関して、電位井戸の深さは、水の気化潜熱に等しい。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、電子が脱出できるように、電位井戸を上るために必要とされるエネルギーを供給する。したがって、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もたらす。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、電子熱化時間の約１８００倍未満である。この冷却機構はまた、電子の放射損失を減じる。このことは、特に、先進燃料のために重要であり、放射損失は、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。
【００７７】
静電場は、イオン輸送にも影響を及ぼす。プラズマ層１０６内の大部分の粒子軌道は、ベータトロン軌道１１２である。大角度の衝突、すなわち、９０°乃至１８０°の散乱角での衝突は、ベータトロン軌道をドリフト軌道に変える可能性がある。上述のように、ドリフト軌道の回転方向は、
【００７８】
【化１１】
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。
【００７９】
【化１２】
ドリフトが優勢であれば、ドリフト軌道は反磁性方向内に回転する。勾配ドリフトが優勢であれば、ドリフト軌道は逆反磁性方向内に回転する。これを図１３Ａおよび１３Ｂ示す。図１３Ａ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。
【００８０】
【化１３】
ドリフトが優勢であるので、ドリフト軌道は反磁性方向に回転し続ける。図１３Ｂは、別の１８０°衝突を示すが、この場合、静電場は弱く、勾配ドリフトが優勢である。したがって、ドリフト軌道は、逆反磁性方向内に回転する。
【００８１】
ドリフト軌道の回転方向は、それが閉じ込められるかどうかを決定する。ドリフト軌道内を移動する粒子は、ＦＲＣ軸に対して平行な速度も有する。その平行移動の結果として、粒子がＦＲＣの一端から他端まで移動するのにかかる時間は、移動時間と呼ばれ、したがって、ドリフト軌道は、移動時間のオーダーの時間で、ＦＲＣの端部に到達する。図１０Ａに関連して示されるように、ＦＲＣの端部でのローレンツ力は、反磁性方向に回転するドリフト軌道のみを閉じ込めている。したがって、移動時間の後、逆反磁性方向で回転しているドリフト軌道内のイオンが失われる。
【００８２】
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ものである。実際に、これらの実験において、イオンは電流の半分を担送し、電子が残りの半分を担送した。これらの条件では、プラズマの内側の電場は無視してよく、勾配ドリフトは常に
【００８３】
【化１４】
ドリフトよりも優勢であった。したがって、大角度の衝突によって作り出される全てのドリフト軌道は、移動時間の後、失われた。これらの実験により、イオンの拡散速度が、古典的拡散の推定値によって予測される速度よりも速いことが報告された。
【００８４】
強力な静電場が存在する場合、
【００８５】
【化１５】
ドリフトは勾配ドリフトよりも優勢であり、ドリフト軌道は反磁性方向に回転する。これは、図１３Ａに関連して上記したものである。これらの軌道が、ＦＲＣの端部に到達するとき、これらは、ローレンツ力によって、閉鎖端磁場領域に反射して戻される。したがって、それらは、システム内に閉じ込められたままである。
【００８６】
衝突ビーム系中の静電場は、
【００８７】
【化１６】
ドリフトが勾配ドリフトよりも優勢であるように、充分に強力とすることが可能である。したがって、システムの静電場は、このイオン損失機構（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。
【００８８】
イオン拡散の別の側面は、ベータトロン軌道上の小角度の電子−イオン衝突の影響を考慮することによって、理解することができる。図１４Ａは、ベータトロン軌道１１２を示す図である。図１４Ｂは、小角度の電子−イオン衝突が考えられる場合１７４の同じ軌道１１２を示す。図１４Ｃは、１０分の１長い時間１７６にわたって追跡した図１４Ｂの軌道を示す。図１４Ｄは、２０分の１時間１７８にわたって追跡した図１４Ｂの軌道を示す。ベータトロン軌道のトポロジーは、小角度の電子−イオン衝突に起因して変化しないことが分かる。しかし、それらの半径方向の振動の振幅は、経時的に大きくなる。実際に、図１４Ａ乃至１４Ｄに示される軌道は、経時的にふくらみ、これは、古典的拡散を示す。
【００８９】
（ＦＲＣの形成）
ＦＲＣの形成に使用される従来のプロシージャは、主にシータピンチ領域の反転プロシージャを用いる。この従来の方法では、中性ガス裏込めチャンバーを囲む外部コイルによって、バイアス磁場が印加される。これが生じると、ガスがイオン化され、バイアス磁場はプラズマ内で凍結される。次に、外部コイル内の電流を急速に反転させて、対向させて配向した磁力線を以前に凍結した磁力線と接続して、ＦＲＣの閉じたトポロジーを形成する（図３を参照のこと）。この形成プロセスは、ほぼ経験的であり、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、再現性が不十分であり、調整能力がない。
【００９０】
対照的に、本発明のＦＲＣ形成方法は、十分な制御を可能にし、さらに透明で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ＦＲＣは、調整することが可能であり、その形状および他の特性は、外側の磁場コイル３２５によって印加磁場を操作することによって直接的に影響を及ぼすことができる。本発明の方法によるＦＲＣの形成はまた、上述の方法で、電場および電位井戸の形成をもたらす。さらに、本方法を容易に拡張して、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、イオンの古典的閉じ込めを好都合に可能にする。さらにまた、この技術は、小型装置に用いることができ、非常に堅牢であり、かつ実装が容易であるが、これらは全て反応器システムの非常に望ましい特性である。
【００９１】
本方法では、ＦＲＣの形成は、循環プラズマビーム３３５に関連する。循環プラズマビーム３３５は、これが電流であるので、円形ワイヤー内の電流と同様に、ポロイダル磁場を発生させる、と理解することができる。この循環プラズマビーム３３５の内側で、それが誘導する自己磁場は、外側コイル３２５による外部印加磁場に対向する。プラズマビーム３３５の外側で、自己磁場は、印加磁場と同じ方向にある。プラズマイオン電流が十分大きい場合、自己磁場は、印加磁場に打ち勝って、磁場が循環プラズマビーム３３５の内側へ反転し、これによって、図３および５に示されるようにＦＲＣトポロジーを形成する。
【００９２】
磁場反転の要件は、単純なモデルで推定することができる。大きな半径ｒ０および小さな半径ａ＜＜ｒ０のリングによって担送される電流Ｉｐを考える。このリングに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イオンによって担送されるものと仮定する。半径ｒ０＝Ｖ０／Ω０で循環する単一のイオンについて、Ω０＝ｅＢ０／ｍｉｃが外部磁場Ｂ０のサイクロトロン周波数である。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、次式で定義される：
【００９３】
【化１７】
これは、Ｎｐ＞２ｒ０／αｉ、および
【００９４】
【化１８】
を意味し、ここで、αｉ＝ｅ２／ｍｉｃ２＝１．５７×１０−１６ｃｍであり、このイオンビームのエネルギーは
【００９５】
【化１９】
である。一次元モデルにおいて、プラズマ電流による磁場は、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。この磁場反転の要件は、ｉｐ＞ｅＶ０／πｒ０αｉ＝０．２２５ｋＡ／ｃｍであり、ここで、Ｂ０＝６９．３Ｇであり、そして
【００９６】
【化２０】
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、リングの間隔である）で平均化され、ｓ＝ｒ０である場合、このモデルは、ｉｐ＝Ｉｐ／ｓを有する一次元モデルと同じ平均磁場を有する。
【００９７】
（複合ビーム／ベータトロン形成技術）
上述の閉じ込めシステム３００内にＦＲＣを形成する好適な方法は、本願明細書において、複合ビーム／ベータトロン技術と呼ばれる。この手法では、プラズマイオンの低エネルギービームと、ベータトロンフラックスコイル３２０を使用するベータトロン加速とを組み合わせる。
【００９８】
この方法の第１のステップでは、背景プラズマ供給源３４５を使用して、チャンバー３１０内に、実質的に環状の雲の層の背景プラズマを注入する。外側コイル３２５は、チャンバー３１０の内側に磁場を作り出すが、これは、背景プラズマを磁化させるものである。低エネルギーのイオンビームは、短い間隔で、チャンバー３１０内の外部印加磁場に対して実質的に横軸方向に、注入ポート３４０を介してチャンバー３１０に注入される。上述のように、イオンビームは、大きなベータトロン軌道のチャンバー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、イオンダイオードおよびＭａｒｘ発生器を備えた加速器のような、イオン加速器によって発生させることができる（Ｒ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ，Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅＰｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｎｓｅ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ，（１９８２）を参照のこと）。当業者に理解されるように、印加磁場は、イオンビームがチャンバー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望まれる。この問題を解決するために、イオンビームは電子によって中和され、図１５に示されるように、イオンビーム３５０が、チャンバー３１０内の一方向性の印加磁場のような、適切な磁場を介して導かれるときに、正に荷電されたイオンおよび負に荷電された電子を分離する。したがって、このイオンビーム３５０は、磁場によって、電気自己分極を得る。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り出すことができる。続いて、閉じ込めチャンバー３１０に導入されるときに、得られる電場は、ビーム粒子への磁力と釣り合い、イオンビームが偏向せずにドリフトできるようにする。図１６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磁力線に沿って移動し、これによって、ビームの電子分極を弱める。このビームがもはや電気的に分極されなくなった場合、ビームは、図１に示されるように（図５も参照のこと）、主軸３１５の周辺部のベータトロン軌道内の循環プラズマビーム３３５を結合する。
【００９９】
このプラズマビーム３３５が、このベータトロン軌道内を移動する場合、移動するイオンは電流を含み、次いで、ポロイダル自己磁場を生じる。このチャンバー３１０内でＦＲＣ位相を形成するには、プラズマビーム３３５の速度を増加させ、これによって、プラズマビーム３３５が生じさせる自己磁場の大きさを増加させる必要がある。この自己磁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磁場の方向が反転し、ＦＲＣを生じる（図３および５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には、プラズマビーム３３５の速度が増すにつれて、外側コイル３２５から印加される磁場を増加させる必要がある、と理解することができる。したがって、制御システムが、外側コイル３２５を通る電流によって決定される、適切に適用された磁場を維持するために提供される。別様には、第２の外側コイルを使用して、加速されるときにプラズマビームの軌道半径を維持するために必要とされる、更なる印加磁場を提供してもよい。
【０１００】
この軌道内の循環プラズマビーム３３５の速度を増加させるために、ベータトロンフラックスコイル３２０を備える。図１７を参照すると、アンペールの法則によってベータトロンフラックスコイル３２０を流れる電流を増加させることによって、チャンバー３１０内の方位角電場Ｅを誘導する、と理解することができる。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、上述のような反転電場に至る。上述のように中和および分局されたイオンビーム３５０が、循環プラズマビーム３３５に加えられる場合、プラズマビーム３３５は、イオンビームを脱分極する。
【０１０１】
場の反転のために、循環プラズマビーム３３５を、約１００ｅＶの回転エネルギー、好ましくは約７５ｅＶ乃至１２５ｅＶに加速することが好ましい。融合に関連する条件に到達するためには、循環プラズマビーム３３５を、約２００ｋｅＶ、好ましくは約１００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶに加速することが好ましい。
【０１０２】
ＦＲＣ形成は、結合ビーム／ベータトロン形成技術を使用して、成功裏に実証された。結合ビーム／ベータトロン形成技術は、最高５００Ｇの外部印加磁場、ベータトロンフラックスコイル３２０からの最高５ｋＧの磁場、および１．２×１０−５トルの真空度を使用して、直径１ｍおよび長さ１．５ｍのチャンバー内で実験的に実施された。実験では、背景プラズマの密度が１０１３ｃｍ−３であり、イオンビームは、密度が１．２×１０１３ｃｍ−３、速度が２×１０７ｃｍ／ｓ、およびパルス長が約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。
【０１０３】
（ベータトロン形成技術）
閉じ込めシステム３００内でＦＲＣを形成する別の好適な方法を、本願明細書においてベータトロン形成技術と呼ぶ。本技術は、ベータトロン誘導電流の直接駆動に基づいて、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。本技術の好適な実施態様では、図１に示される閉じ込めシステム３００を使用するが、低エネルギーイオンビームの注入は必ずしも必要ではない。
【０１０４】
示されるように、ベータトロン形成技術における主要構成要素は、チャンバー３１０の中心に軸に沿って載置された、ベータトロンフラックスコイル３２０である。コイルの別個の平行の巻線構造により、コイル３２０は、適切な電源に連結された場合に、非常に低いインダクタンスを示し、低いＬＣ時定数を有し、これによって、フラックスコイル３２０における電流の迅速なランプアップが可能になる。
【０１０５】
ＦＲＣの形成は、外部場コイル３２５および３３０に電圧を加えることによって開始することが好ましい。これは、端部付近に軸方向のガイド領域、および半径方向の磁場成分を提供して、チャンバー３１０に注入されたプラズマを軸方向に閉じ込める。十分な磁場が確立されると、背景プラズマ供給源３４５が、それ自体の電源から電圧を加えられる。プラズマ銃から放射されたプラズマは、軸方向のガイド領域に沿って流れ、その温度によって、わずかに拡散する。プラズマがチャンバー３１０の中央平面に到達したとき、ゆっくり移動する冷たいプラズマの、連続した軸方向に延びる環状層が構築される。
【０１０６】
この時点で、ベータトロンフラックスコイル３２０に電圧が加えられる。このコイル３２０内の電流が急激に増加することによって、コイルの内側に、高速に変化する軸方向の磁束が生じる。誘導作用による軸方向の磁束におけるこの急速な増加によって、方位角電場Ｅの生成が生じ（図１８を参照）、この電場Ｅは、フラックスコイル周辺の空間を透過する。マクスウェルの式により、この電場Ｅは、コイルの内側の磁束強度の変化に正比例する。すなわち、ベータトロン電流のランプアップが速くなるほど、より強い電場がもたらされる。
【０１０７】
誘導により生じた電場Ｅは、プラズマ内の荷電粒子と結合し、動重力（ｐｏｎｄｅｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）を生じさせ、環状プラズマ層内の粒子を加速する。電子は、それらの比較的小さい質量により、加速される最初の種である。したがって、このプロセスによって形成される最初の電流は、主に電子によるものである。しかし、十分な加速時間（約数百マイクロ秒）は、最終的にイオン電流ももたらす。図１８を参照する。この電場Ｅは、反対の方向に電子およびイオンを加速する。両方の種がその終端速度に達すると、電流は、イオンおよび電子によってほぼ均等に担送される。
【０１０８】
上述のように、回転プラズマによって担送される電流は、自己磁場を生じる。プラズマ層内の電流により生じた自己磁場が、外部磁場コイル３２５および３３０からの印加磁場に相当するようになったときに、実際のＦＲＣのトポロジーの生成が始まる。この時点で、磁気的な再結合が生じ、最初に外部から作り出された磁場の開放端磁場が閉じて、ＦＲＣフラックス表面を形成し始める（図３および図５を参照のこと）。
【０１０９】
この方法によって確立される基礎の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、一般的に、反応炉に関連する作動パラメータではない。しかし、誘導電子加速領域は、ベータトロンフラックスコイル３２０内の電流が高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。したがって、このプロセスの程度は、電流の継続した供給には、多量エネルギー貯蔵バンクが必要であるので、主にフラックスコイル電源により制限される。しかし、原則的に、このシステムを反応炉に関連する条件まで加速することは簡単である。
【０１１０】
磁場の反転のために、循環プラズマビーム３３５が、約１００ｅＶの回転エネルギー、好ましくは約７５ｅＶ乃至１２５ｅＶに加速されることが好ましい。融合に関連する条件に到達するために、循環プラズマビーム３３５は、約２００ｋｅＶ、好ましくは約１００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶに加速されることが好ましい。上述のように、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、プラズマビーム３３５は、このイオンビームを脱分極する。
【０１１１】
ベータトロン形成技術を用いたＦＲＣ形成は、以下のパラメータレベルにて成功裏に実証された：
・真空チャンバー寸法：直径約１ｍ、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
・真空チャンバー内で作り出された平均外部磁場は、最高１００ガウスであり、ランプアップ期間が１５０μｓ、ミラー比が２：１であった（供給源：外部コイルおよびベータトロンコイル）
・背景プラズマ（実質的に水素ガス）は、平均密度約１０１３ｃｍ−３、運動温度１０ｅＶ未満で特徴付けられた
・この構成の寿命は、実験において貯蔵された総エネルギーによって制限され、概ね約３０μｓであった。
【０１１２】
この実験は、まず、チャンバーの内側に円形に載置された２組の同軸ケーブル銃によって、背景プラズマ層を注入することから進められた。それぞれ一群８個の銃を、２つのミラーコイル組立体のうちの１つに載置した。これらの銃を、他の組に対して等距離の様式で方位角によって間隔を空けてずらした。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となり、これによって、環状のプラズマ層を発生させた。
【０１１３】
この層を構築したときに、ベータトロンフラックスコイルに電圧を加えた。このベータトロンコイルの巻線内の電流を増加させることにより、コイルの内側の磁束が増加し、これによって、ベータトロンコイルの周囲でカールする方位角電場が生じた。ベータトロンフラックスコイルにおける、急激にランプアップした高い電流は、強い電場を発生させ、この電場が環状プラズマ層を加速し、これによって、かなり大きな電流が誘導された。十分に強いプラズマ電流は、自己磁場を作り出し、この磁場は、外部から供給された磁場を変化させて、磁場反転配位を生じさせた。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。
【０１１４】
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１９に示す。データ曲線Ａは、実験用チャンバーの軸方向の中央平面（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、チャンバーの軸方向の中央平面の、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。したがって、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、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、内側の磁場は、約２３μｓ乃至４７μｓの間で方向が反転し（負であり）、一方で、外側の磁場は正のままである（すなわち、方向が反転しない）ことを明確に示している。反転の時間は、ベータトロンコイルにおける電流のランプアップによって制限される。ベータトロンコイルにおいてピーク電流に達すると、燃料プラズマ層に誘導される電流が低下し始め、ＦＲＣは急激に崩壊する。これまで、ＦＲＣの寿命は、実験において貯蔵でき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と同様に、このシステムは、ＦＲＣの寿命をより長くし、反応炉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せることができる。
【０１１５】
全体的に、本技術は、小型のＦＲＣを作り出すだけでなく、堅牢かつ実行が簡単でもある。最も重要なことに、本方法によって発生される基礎の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せることができる。これは、融合アプリケーションおよび古典的な高エネルギー燃料ビームの閉じ込めに重要である。
【０１１６】
（誘導プラズマ供給源）
上述のベータトロンおよびビーム／ベータトロンＦＲＣ形成技術は、どちらもフラックスコイル３２０を介した、エネルギーの背景プラズマへの供与に依存する。変圧器と同様に、フラックスコイルは、変圧器の一次巻線の機能を果たし、プラズマは、二次巻線の機能を果たす。本誘導システムが効率的に機能するためには、プラズマが良好な導電体であることが不可欠である。
【０１１７】
金属のような一般的な導電体に対して、プラズマは電気抵抗が少ないので、温度の上昇に伴って導電性が高くなる。プラズマ電子の温度は、電子−イオン衝突の関数である散逸性の決定に特に重要な役割を大きな割合で果たす。本質的には、散逸は、電子−イオン衝突によって生じる抵抗によるものであり、衝突頻度が高くなるほど抵抗率が高くなる。これは、プラズマの総体的な現象によるものであり、クーロン衝突の断面積を調べる。衝突頻度（連続した衝突が生じる割合）は、基本的に、密度、調べたクーロン散乱断面積、および衝突／散乱電荷の温度（または平均）速度の関数で、すなわち、νｃ＝ｎσｖである。ｖのスケールをＴ１／２に定義することによって、σは、ｖ−４、すなわちＴ−２に比例する。したがって、衝突頻度νｃは、ｎＴ−３／２に比例する。抵抗率は、η＝νｃｍ／ｎｅ２によって衝突頻度に関連する。したがって、抵抗率はＴ−３／２に比例し、特に密度に依存しない。これは、電荷担体の数が密度によって増加しても、散乱中心の数も同様に増加する、という事実の直接的な結果によるものである。故に、温度が高くなれば、プラズマの導電率が高くなり、散逸による損失が少なくなる。
【０１１８】
したがって、ＦＲＣにおける閉じ込めに関してより良好な作用を発揮するために、高温プラズマが強く望まれる。ＰＥＧシステムの場合、温度の上昇によって、ＦＲＣの開始が改善され（プラズマが良好な導電体になるほど、プラズマとフラックスコイルとの間の誘電結合が良好になる）、電流維持が良好になり（プラズマの抵抗率が低くなることで、摩擦性および散逸性の損失が少なくなり、それによって電流損失が少なくなる）、また、磁場強度が高くなる（電流が強くなれば、自己磁場が大きくなる）。初期のプラズマ形成中かつフラックスコイルの係合前の十分な電子温度によって、プラズマにフラックスコイルがより良好に組み合わされる（好都合に、チャンバー壁内の方位角イメージ電流の形成を減じる傾向がある）。これは、ベータトロン加速（抵抗率が低いことで、フラックスコイルからプラズマでのエネルギーの誘導的な移動がより良好になる）、およびプラズマの加熱が高められ（回転電流で表される、与えられた方向性エネルギーの一部が熱化して、ランダムエネルギーに変化し、最終的に、フラックスコイルによるプラズマの加熱をもたらす）、結果的に、（より高い温度により）イオン−電子衝突回数が増加し、散逸が減少（抵抗率が減少）し、最終的には、より高いＦＲＣ領域（電圧の上昇によって磁場が強くなる）が達成される。
【０１１９】
より良好な初期のプラズマ温度を達成するために、誘導プラズマ供給源が提供される。図２０Ａ、２０Ｂ、および２０Ｃに示されるように、誘導プラズマ供給源１０１０は、チャンバー３１０内でフラックスコイル３２０の端部周辺に載置することが可能であり、高電圧（約５乃至１５ｋＶ）の電源（図示せず）が供給されることが好ましい、シングルターンショックコイル組立体１０３０を含む。水素（または他の適切な気体の融合燃料）のような中性ガスは、ラバルノズルを１０２０経て直接的なガス供給を介して供給源１０１０に導入される。ガス流は、複数組の超高速パフバルブによって制御され、きれいな衝撃波面を作り出すことが好ましい。ガスがノズル１０２０から放射されて、ショックコイル１０３０のコイルの巻線１０４０の表面に分散すると、巻線１０４０に電圧が加わる。低インダクタンスショックコイル１０３０内の超高速電流および磁束ランプアップは、ガス内で非常に高い電場をもたらし、ショックコイル１０３０の表面からチャンバー３１０の中央に向かう形成プラズマのブレークダウン、イオン化、およびその後の放出を生じさせる。
【０１２０】
好適な一実施態様では、ショックコイル１０３０は、その外面の周辺部に形成され、外部リング１０３４に囲まれた環状円盤型本体１０３２と、その内面の周辺部に形成された環状ハブ１０３６とを備える。リング１０３４およびハブ１０３６は、頂部が開口した環状流路１０３５の周縁部を形成する本体１０３２の表面を越えて軸方向に延在する。本体１０３２、リング１０３４、およびハブ１０３６は、ガラス、プレキシガラス、パイレックス（登録商標）（ｐｉｒｅｘ）、石英、セラミックのような、良好な真空特性および低ガス放出特性を有する適切な非導電材料を一体成型構造によって形成したものが好ましい。
【０１２１】
マルチセクションシュラウド１０１２は、ショックコイル１０３０のリング１０３４に連結され、作り出されたプラズマが半径方向にドリフトしないようにすることが好ましい。シュラウド１０１２の各区間１０１４は、複数の軸方向に延在するフィンガー１０１６を含む。各区間１０１４の端部は、取り付けブラケット１０１５を含む。
【０１２２】
コイルの巻線１０４０は、エポキシまたは他の何らかの適切な接着剤を使用して、経路１０３５内のコイル本体１０３２の表面に取り付けられることが好ましい。ショックコイル１０３０の高速な電磁特性を得るには、そのインダクタンスをできる限り低く保持するが重要である。これは、コイル１０４０の巻き数をできる限り少なくして、平行に巻回した複数のストランドのワイヤー１０４２をコイル１０４０に構築することによって達成される。例示的な一実施態様では、コイル１０４０は、それぞれが１つのループを実行する、ワイヤー１０４２の２４の平行のストランドを備える。それぞれのワイヤー１０４２は、本体１０３２の外周上に約１５°で配置されることが好ましい入口点１０４４で始まり、本体１０３２の内側半径上の出口点１０４６で１つの軸だけを一周して終わる。したがって、コイルの巻線１０４０は、経路１０３５の内側端部と外側端部との間の領域全体を覆う。ストランド１０４２の群は、同じ容量性貯蔵バンクに接続されることが好ましい。一般に、電力は、同じ容量性貯蔵バンクから全てのストランド１０４２に供給するか、または、例示的な一実施態様にあるように、３つのストランド１０４２のうちの８つの群が、互いに接続され、一般に、２つの別個の容量性貯蔵バンクのうちの１つから供給される。
【０１２３】
環状円盤型ノズル本体１０２２は、その内側の周辺でハブ１０３６に連結され、ラバルノズル１０２０を形成する。ハブ１０３６に面するノズル本体１０２２の表面１０２４は、表面１０２４とハブ１０３６の面１０３７との間に環状のガスプレナム１０２５を画定する、拡張中央部形状を有する。ノズル本体１０２２の外周部に隣接して、表面１０２４は、表面１０２４と面１０３７との間に方位角方向に延在するラバル型ノズル出口１０２３を画定する、伸縮形状を有する。
【０１２４】
ハブ１０３６の反対側には、バルブシートリング１０５０が取り付けられ、リング１０５０の外面には複数のバルブシート１０５４が形成される。バルブシート１０５４は、ハブ１０３６を介して形成されたガス供給流路１０５２が配列される。
【０１２５】
動作中、中性ガスは、バルブシート１０５４内の超高速パフバルブを介して、ハブ１０３６を通って延在するガス流路１０５２に供給される。ノズル出口１０２３の収縮部分により、ガスがノズル１０２０．から放射される前に、環状プレナム１０２５に供給されてこれを満たす。ガスがノズル１０２０から放射され、ショックコイル１０３０のコイルの巻線１０４０の表面に分散すると、巻線１０４０に電圧が加わる。低インダクタンスショックコイル１０３０内の超高速電流および磁束ランプアップは、ガス内で非常に高い電場をもたらし、ショックコイル１０３０の表面からチャンバー３１０の中央に向かう形成プラズマのブレークダウン、イオン化、およびその後の放出を生じさせる。
【０１２６】
電流ランプアップは、全てのストランド１０４２または一斉に発射することを目的とした複数群のストランドに適切に同期化されることが好ましい。異なる群のストランドを異なる時間に発射するといった、可能かつ潜在的に好都合な別のオプションがある。異なる群のストランド１０４２を係合する合間に、遅延を故意に制定して、異なる群のストランドを異なる時間に発射することができる。異なる群のストランドを異なる時間に発射する場合には、その配列が方位角方向に対称となり、あらゆる所与の電力パルスにおいて、導電ワイヤー１０４２によってコイル１０４０の表面が十分に覆われるように、ストランドをグループ化することが重要である。この形態では、少なくとも２つの、連続するが相異なるプラズマを発生されることが可能である。パルス間の遅延は、どのくらいの中性ガスが利用可能であるかによって制限される。実際には、約５乃至６００マイクロ秒間隔で、当該のパルスを発射することが可能である。実用上、入力作動パラメータは、以下のようにあることが好ましい：
荷電電圧：約１０乃至２５ｋＶ、分割供給する
電流：組み合わせた全ての巻線を介して最高約５０ｋＡの総電流
パルス／上昇時間：最高約２マイクロ秒
ガス圧力：約−２０乃至５０ｐｓｉ
プレナムサイズ：バルブにつき約０．５乃至１ｃｍ３、すなわち：１ショットにつき約４乃至８ｃｍ３の総ガス量
例示的な一実施態様では、入力作動パラメータは、以下の通りであった：
荷電電圧：１２乃至１７ｋＶ 分割供給、すなわち：−１２ｋＶ乃至＋１２ｋＶ
電流：３ストランドの一群につき２乃至４．５ｋＡ、すなわち：組み合わせた全ての巻線を介して１６乃至３６ｋＡの総電流
パルス／上昇時間：１乃至１．５マイクロ秒
ガス圧力：−１５乃至３０ｐｓｉ
プレナムサイズ：バルブにつき０．５乃至１ｃｍ３、すなわち：１ショットにつき４乃至８ｃｍ３の総ガス量
上述のパラメータを使用した誘導プラズマ供給源１０１０の動作方法によって発生されるプラズマは、以下の好都合な特性を有する：
密度：〜４×１０１３ｃｍ−３
温度：〜１０乃至２０ｅＶ
環状スケール：直径〜４０乃至５０ｃｍ
軸方向のドリフト速度：〜５乃至１０ｅＶ
供給源１０１０の形状および配向により、現れるプラズマの形状が環状になり、ＦＲＣに形成されるべき回転プラズマの環状部に等しくなる傾向のある直径を有する。本ＰＥＧシステムでは、２つの当該の誘導プラズマ供給源１０１０を、チャンバー３１０のどちらかの軸方向端部に配置して、同時に発射させることが好ましい。２つの形成プラズマの分布は、チャンバー３１０の中央の方に軸方向にドリフトし、そこには、次いで上述のようにフラックスコイル３２０によって加速されるプラズマの環状の層が形成される。
【０１２７】
（ＦＲＣにおけるイオンおよび電子のためのＲＦ駆動装置）
ロトマク（ｒｏｔｏｍａｋ）と呼ばれるＲＦ電流駆動は、電流が主に電子によって担送されるＦＲＣに用いられている。それは、２つのフェーズドアンテナによって作り出される、回転する半径方向の磁場を伴う。電子は、回転磁力線に対して磁化および凍結される。これにより、イオンの電子とのクーロン衝突によって、そのイオンが加速されて電流が減じられるまで、その電流が保持される。しかし、ロトマクは、無期限に電流を保持するのには適さないが、数ミリ秒であれば良好である。
【０１２８】
本システムのＦＲＣでは、電流は、主に凍結されないベータトロン軌道内にあるイオンによって、回転磁力線に担送される。大きな軌道イオンは、安定性および古典的拡散に重要である。サイクロトロンなどの場合で、イオンが静電波によって駆動される場合には、アンテナの代わりに、電極が用いられる。問題となるのは、波長（３０ｍ）があらゆる寸法のプラズマよりも長くなるように、ＲＦの周波数が１０メガサイクル未満であるので、完全に静電気的なことである。静電場は、電磁波よりも容易にＦＲＣプラズマを浸透させることができる。
【０１２９】
電極によって作り出される静電波は、イオンまたは電子の平均方位角速度に近い速度で移動するようにデザインされている。静電波がイオンの平均速度よりも速く移動する場合は、イオンを加速するので、イオン−電子衝突によるドラッグを補うことになる。しかし、電子は、イオンとのクーロン衝突によって加速される。この場合、静電波は、電子の平均速度よりも遅くなければならず、電子が静電波を加速することになる。電子の平均速度は、イオンの平均速度未満であるので、電子は、２つの異なる周波数で駆動されなければならない。イオンに対する周波数が高くなり、エネルギーは、外部回路によって供給されることが好ましい。電子の場合、エネルギーを、より低い周波数で取り出すことができる。
【０１３０】
（電極システム）
四重極ＲＦ駆動システムを図２１Ａおよび２１Ｂに示す。ＲＦ駆動装置は、チャンバー３１０内に位置して、それらの間に間隙１１１４を有する４つの方位角方向に対称な電極１１１２を有する、四重極サイクロトロン１１１０を備える。四重極サイクロトロン１１１０は、イオンの方位角速度と同じ方向だが、それより速く回転する電位波を作り出すことが好ましい。適切な速度のイオンを、この電位波に閉じ込めて、定期的に反射させることができる。このプロセスによって燃料イオンの運動量およびエネルギーが増加し、この増加が衝突によって閉じ込められていない燃料イオンに運ばれる。燃料プラズマ３３５からの燃料イオンは、あらゆる好都合な速度で中性燃料を注入することによって置き換えることができる。
【０１３１】
電流を駆動するための代替的かつ補足的方法には、サイクロトロン電極１１１２の半分の周波数で駆動される、フラックスコイル３２５および四重極サイクロトロン１１１０の周辺部に位置する更なる磁場コイル１１１６によって電極システムを増強することがある。しかし、本願明細書に示される以下の説明では、専ら電極だけを用いたバージョン（磁場コイル１１１６を用いない）に焦点を当てる。
【０１３２】
図２１Ｃに、２つおよび４つの電極で構成したものを示す。
【０１３３】
示された印加電圧で電極によって発生させた電位は、空間ｒ＜ｒｂにおける真空度に対して、図２１Ｃに記載されている。式は、最も低い調波のためのものである。それらの式は、適切な境界条件によってラプラス式を解くことによって得られる：
【０１３４】
【化２１】
例えば、双極子サイクロトロンの場合：
【０１３５】
【化２２】
Φ（ｒ，θ，ｔ）は、有限である。
Φ（ｒ，θ，ｔ）は、周期２πのθにおいて周期的であるので、フーリエ級数において展開することができる：
【０１３６】
【化２３】
【０１３７】
【化２４】
ｕｎは、次式を満たす：
【０１３８】
【化２５】
【０１３９】
【化２６】
最も低い調波は、次のようになる；
【０１４０】
【化２７】
より高い調波は、
【０１４１】
【化２８】
になる。
【０１４２】
より高い調波がより小さな位相速度および振幅を有するように、方位方向における波速度は
【０１４３】
【化２９】
である。これらのコメントは、図２１Ｃのどちらの場合にも適用する。周波数ωは、ＦＲＣに対する剛体ローター平衡において、イオンの回転周波数ωｉに近くなる。したがって、
ｌ＝１に対しては、
【０１４４】
【化３０】
である。ｌ＝２に対しては、
【０１４５】
【化３１】
であり、および波の振幅は、実質的により低いので、最も低い調波だけの考慮に対する良好な近似度である。
【０１４６】
（プラズマ効果）
プラズマの応答は、誘電テンソルによって説明することができる。電場は、電荷保存式による電荷分離を作り出す、プラズマ電流を作り出す。
【０１４７】
【化３２】
ここで、
【０１４８】
【化３３】
は電流密度であり、ρは電荷密度である。適切な式は、次のようになる：
【０１４９】
【化３４】
または
【０１５０】
【化３５】
ここで、
【０１５１】
【化３６】
は誘電テンソルであり、χは分極性である。電子のコントリビューションが含まれれば、テンソル
【０１５２】
【化３７】
は１つの成分と対角をなす：
【０１５３】
【化３８】
ここで、ｎは密度であり、ＢはＦＲＣの磁場である、ｎおよびＢは、プラズマ内でｒ＝ｒ０において、表面上のｒおよびＢ＝０によって急速に変化する。
【０１５４】
【化３９】
の式は、電子が小さなジャイロ半径を有し、電場がΩｅ＝ｅＢ／ｍｃ（ジャイロ周波数）に比較して、ゆっくりと変化するものと仮定して導出される。この近似度は、ヌル面の近くで分解される。特性軌道は、ドリフト軌道から、電場、すなわちｒ＝ｒ０のヌル面の近くで
【０１５５】
【化４０】
に対する応答がより少ないベータトロン軌道に変化する。イオンは、主にベータトロン軌道を有し、ドリフト軌道に関しては、電場が割合
【０１５６】
【化４１】
で変化するので、電場に対する応答が小さい。
【０１５７】
最終結果は、次式によってラプラス式が置き換えられる：
【０１５８】
【化４２】
これは、数値的に解かなければならない。更なる項は、ｒ＝ｒ０の近くで零になる。四重極の場合の最も低い調波に対する電位は、次の形態となる：
【０１５９】
【化４３】
また、双極子の場合に対して類似した形態となる。イオン（または電子）に対して反対方向に移動する波は無視される。
【０１６０】
（静電波内に閉じ込められたイオンによる加速）
波
【０１６１】
【化４４】
がイオンより少し高速であるように、ω＝２ωｉ＋Δωと仮定する。イオンに対して、標準的な剛体回転分布関数を仮定する：
【０１６２】
【化４５】
対象となる減じられた分布関数は、次のようになる：
【０１６３】
【化４６】
四重極サイクロトロンによって作り出される静電波の波速度は、νｗ＝ｒωｉ＋Δνｗである。以下の場合、波より高速に移動しているイオンが反射する：
【０１６４】
【化４７】
これは、波エネルギーを増加させる、すなわち次のようになる：
【０１６５】
【化４８】
以下の場合、波より低速に移動しているイオンが反射する：
【０１６６】
【化４９】
波は、次のような割合でエネルギーを失う：
【０１６７】
【化５０】
最終結果は、変数ν’θ＝νθ−νｗの変更によって簡素化され、次のようになる：
【０１６８】
【化５１】
次の近似度は：
【０１６９】
【化５２】
であり、その結果、以下のようになる：
【０１７０】
【化５３】
これは、ランダウ（Ｌａｎｄａｕ）減衰に類似した形態を有するが、ランダウ減衰（成長）は線形の現象であって、明らかに非線形ではないので、物理的には同一ではない。
【０１７１】
【化５４】
νｗ＝ｒωｉであれば、波エネルギーは変化しない。νｗ＞ｒωｉまたはΔνｗ＞０であれば、波エネルギーは減少する；Δνｗ＜０であれば、波エネルギーは増加する。これは、ランダウ減衰の解釈に類似している。最初のΔνｗ＞０の場合、波よりも遅く進むイオンの方が、速く進むイオンよりも多い。したがって、波エネルギーが減少する。逆に、Δνｗ＜０場合、波エネルギーは増加する。前者の場合は、四重極サイクロトロンによるイオンのエネルギーおよび運動量の保存に適用する。これが、電流駆動である。後者の場合は、変換器の基準を提供する。式（２２）および（２４）を使用して、融合反応器の条件に対する適用性を評価することができる。
【０１７２】
イオンの熱速度が
【０１７３】
【化５５】
の場合、イオンに運搬される電力は次のようになる：
【０１７４】
【化５６】
ここで、ｄＷ／ｄｔは、式（２４）および（２５）によって決定される。
【０１７５】
積分を簡素化するには、Φ０（ｒ）を波振幅の下限であるピーク密度の値Φ０（ｒ０）に置き換える。
【０１７６】
【化５７】
ここで、Ｎｉはイオンの線密度であり、ｉ＝１，２は通常は反応炉内の場合である２種類のイオンに適応する。
【０１７７】
Ｆ（ｒ）の詳細な計算では、波振幅Φ０（ｒ０）が、２Ｖ０である最大間隙電圧未満のおよそ１０倍である。これは、ＲＦ駆動装置の本方法の限度を決定する。Ｖ０は、維持することができる最大間隙電圧によって制限されることになり、おそらくは１ｃｍの間隙に対して約１０ｋＶである。
【０１７８】
（反応炉の要件）
電流駆動に関して、電力Ｐｉは、周波数ωｉでイオンに運搬されることが好ましく、電力Ｐｅは、周波数ωｅで電子に運搬されることが好ましい。これは、電子とイオンとの間のクーロン相互作用を補い、イオンの速度を減じて、電子の速度を増加させる（電力運搬の非存在かでは、クーロン衝突によって、電子とイオンに同じ速度がもたらされ、電流はもたらされない）電子およびイオンの平衡を保持する平均電場は、次式で与えられる：
【０１７９】
【化５８】
ここで、
【０１８０】
【化５９】
は電流／ユニット長さであり、
【０１８１】
【化６０】
は抵抗／ユニット長さである。Ｎｅ、Ｎ１、Ｎ２は電子およびイオンの線密度：
Ｎｅ＝Ｎ１Ｚ１＋Ｎ２Ｚ２であり、Ｚ１、Ｚ２はイオンの原子番号である；ｔ１ｅおよびｔ２ｅは、イオンから電子への運動量移動時間である。平均電場は、準中性および電荷に対する
【０１８２】
【化６１】
が逆であるので、イオンまたは電子に対して同一である。イオンに運搬されるべき電力は、次のようになる：
【０１８３】
【化６２】
電子から取り出すことができる電力は、次のようになる：
【０１８４】
【化６３】
ここでＩｉθ＝Ｎｅｅωｉ／２π、Ｉｅθ＝Ｎｅｅωｅ／２πである。
【０１８５】
ＲＦ駆動装置による燃料補給に関して、燃料は、融合時間ｔＦ１＝１／ｎ１〔σν〕１およびｔＦ２＝１／ｎ２〔σν〕２によって与えられる割合で、あらゆる燃料を補給することが可能である。ここで、ｎ１およびｎ２はプラズマイオン密度であり、〔σν〕は反応度である。大きさは、秒となる。注入された中性燃料（燃焼して消失する燃料イオンを補給する）は、クーロン衝突により、ミリ秒のオーダーの時間における平均イオン速度（反応炉の密度に対しては、１０１５ｃｍ−３のオーダー）まで、急速にイオン化し、加速する。しかし、これには、〔Ｅθ〕を追加し、定常状態を保持するように電力の運搬を追加する必要がある。加算は、次のようになる：
【０１８６】
【化６４】
これは、約２分の１、所要の電力運搬を増加させる。
【０１８７】
電力は、１０ｋＶ／ｃｍの最大間隙電圧振幅を超えずに、電流駆動および燃料補給に供給することができる。周波数が１乃至１０ＭＨｚとなり、磁場が１００ＫＧ（キロガウス）のオーダーとなることを考慮すれば、ブレークダウンは予想されない。電流駆動および燃料補給のために運搬しなければならない電力は、他のあらゆる電流駆動のためのものと類似している。しかし、１乃至１０ＭＨｚにおけるＲＦ技術は、何年にもわたって、既存の高性能技術であった。アンテナの代わりに電極を使用する方法は、磁場浸透の条件が、電磁波に対するものよりもさらに緩和されることから、かなりの利点がある。したがって、本方法は、循環電力および有効性に関して利点がある。
【０１８８】
（融合）
重要なことに、上述の閉じ込めシステム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好適な特性を有するプラズマを生じさせることができる。より詳しくは、これらの方法によって形成されたＦＲＣは、あらゆる所望のレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速することができる。これは、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に重要である。したがって、閉じ込めシステム３００では、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て閉じ込めることが可能となる。
【０１８９】
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、ベータトロン加速によって、適切なレベルの回転エネルギーおよび磁場強度に加速されることが好ましい。しかし、融合は、あらゆる反応が生じるための特定の一連の物理的条件を必要とする傾向がある。加えて、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、燃料を、長期間にわたって実質的に変化させずにこの状態に維持しなければならない。これは、高い運動温度および／または高い運動エネルギーが融合に関連する状態を特徴付けることから、重要である。したがって、この状態を作り出すには、かなり大きなエネルギーの投入（燃料の大部分が融合した場合に回収することができる）を必要とする。結論的には、燃料の閉じ込め時間は、その燃焼時間よりも長くなければならない。これは、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出力をもたらす。
【０１９０】
本発明の大きな利点は、本願明細書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。したがって、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乃至２３０ｋｅＶ、好ましくは約８０乃至２３０ｋｅＶ
平均電子温度：約３０乃至１００ｋｅＶ、好ましくは約８０乃至１００ｋｅＶ
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乃至３．３ＭｅＶ、好ましくは約３００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶ
総磁場：約４７．５乃至１２０ｋＧ、好ましくは約９５乃至１２０ｋＧ（約２．５乃至１５ｋＧ、好ましくは約５乃至１５ｋＧの磁場を外部から印加する）
古典的閉じ込め時間：燃料の燃焼時間より長く、好ましくは約１０乃至１００秒
燃料イオン密度：約１０１４乃至１０１６ｃｍ−３未満、好ましくは約１０１４乃至１０１５ｃｍ−３
総融合電力：好ましくは約５０乃至４５０ｋＷ／ｃｍ（チャンバー長１ｃｍあたりの電力）。
【０１９１】
上述の融合状態に適応させるために、ＦＲＣを、好ましくは約１００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶ、より好ましくは約３００ｋｅＶ乃至３．３ＭｅＶのコヒーレント回転エネルギーのレベルに、また、好ましくは約４５乃至１２０ｋＧ、より好ましくは約９０乃至１１５ｋＧの磁場強度のレベルに加速させる。これらのレベルにおいて、上述のように中和および分極された高エネルギーイオンビームをＦＲＣに注入して閉じ込めて、プラズマビーム層を形成するが、この層には、プラズマビームイオンが磁気的に閉じ込められ、プラズマビーム電子は静電的に閉じ込められる。
【０１９２】
電子温度を、実際にはできるだけ低い温度に維持して、制動放射の量を減じることが好ましいが、そうでなければ、制動放射が、放射エネルギー損失をもたらし得る。本発明の静電気的エネルギー井戸は、これを達成する有効な手段を提供する。
【０１９３】
イオン温度は、融合断面積がイオン温度の関数であるので、効率的な燃焼を提供するレベルに維持されることが好ましい。燃料イオンビームの高い直接エネルギーは、本出願において述べられているように、古典的な輸送の提供に不可欠である。また、燃料プラズマに対する不安定性の影響を最小限に抑える。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発生し（自己磁場）、次いで、サポートを提供して、所望の軌道にプラズマビームを保持する。
【０１９４】
（融合生成物）
融合生成物は、主にヌル面８６付近の電力コアにおいて発生するが、このヌル面から、融合生成物が、セパラトリックス８４に向かう拡散によって発生する（図３および５を参照のこと）。これは、電子との衝突によるものである（イオンとの衝突は、質量中心を変化させないので、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（融合生成物イオンは、燃料イオンよりはるかに高いエネルギーを有する）により、融合生成物は、セパラトリクッス８４を容易に横断することができる。融合生成物がセパラトリクッス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という条件で、開放端磁場８０に沿って離れることができる。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できるので、このイオン速度ベクトルの方向は、磁場に平行である。これらの開放端磁場８０は、コアのＦＲＣトポロジーを、ＦＲＣトポロジーの外側に供給される均一な印加磁場と接続する。生成物イオンは、異なる磁力線上に発生し、エネルギーの分布をたどる。好都合に、生成物イオンおよび電荷中和電子は、燃料プラズマの両方の端部から回転環状ビーム状で発生する。例えば、５０ＭＷデザインのｐ−Ｂ１１反応に関しては、これらのビームは、半径が約５０ｃｍで、厚さが約１０ｃｍである。セパラトリックス８４の外側に見出される強力な磁場（一般的に、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、ジャイロ半径の関連分布を有する。
【０１９５】
最初に、生成物イオンは、１／２Ｍ（ｖｐａｒ）２および１／２Ｍ（ｖｐｅｒｐ）２によって特徴付けられる、縦エネルギー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角速度である。磁力線は、ＦＲＣトポロジーの付近を離れた後に拡散するので、回転エネルギーは減少するが、総エネルギーは一定のままである傾向がある。これは、生成物イオンの磁気モーメントの断熱不変性がもたらした結果である。磁場内で旋回している荷電粒子が、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、公知である。ゆっくりと変化している磁場に沿って粒子が動く場合には、１／２Ｍ（ｖｐｅｒｐ）２／Ｂで記述される運動の断熱不変性も存在する。それらのそれぞれの磁力線の周りを旋回する生成物イオンは、磁気モーメントおよびそれらの運動と関連する当該の断熱不変量を有する。Ｂは、約１０分の１減少する（磁力線の拡散によって示される）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磁場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。すなわち、ほとんど全てのエネルギーが、縦方向成分である。
【０１９６】
（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、図２２Ａおよび２３Ａに示される、衝突ビーム融合反応炉（ＣＢＦＲ）４１０の（部分的に示された）電力コア４３６に連結された逆サイクロトロン変換器（ＩＣＣ）４２０を備え、プラズマ発電システム４００を形成する。第二ＩＣＣ（図示せず）は、ＣＢＦＲ４１０の左に対称的に配置することが可能である。磁力カスプ４８６は、ＣＢＦＲ４１０とＩＣＣ４２０との間に位置し、ＣＢＦＲ４１０およびＩＣＣ４２０の磁場が合流するときに形成される。
【０１９７】
ＩＣＣ４２０およびその動作を詳述する前に、代表的なサイクロトロン加速器の総説を行う。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、円形に回転する。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って決定され、エネルギーとともに増加する。しかし、イオンの回転周波数は、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デザインに利用されている。
【０１９８】
図２４Ａを参照する。従来のサイクロトロン加速器７００は、対称的な電極平面（すなわち、そのページの面）に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型キャビティを形成する、２つの鏡像Ｃ型電極７１０を備える。振動電位は、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、イオンの回転周波数が、電位および関連する電場の周波数に適合するように調節される。イオンＩは、電場の方向と同じ方向にＣ型電極７１０の間の間隙７３０を横断する場合に加速される。イオンＩを加速することによって、そのエネルギーおよび軌道半径が増加する。このイオンは、半周円弧を移動したときに（エネルギーの増加はない）、再び間隙７３０を横断する。現在、Ｃ型電極７１０の間の電場は、逆方向にある。イオンＩは、再び加速され、そのエネルギーはさらに増加する。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という条件で、イオンが間隙７３０を横断するたびに繰り返される（図２４Ｃを参照のこと）。一方では、電場が反対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、中央の供給源に戻る。磁場７２０に対して垂直な初速度を有し、振動電場の適切な位相にある間隙７３０を横断する粒子のみが、加速される。したがって、適切な位相整合は、加速に不可欠である。
【０１９９】
原則的には、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取り出すことが可能である。ＢｌｏｃｈおよびＪｅｆｆｒｉｅｓ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．８０，３０５（１９５０）によって記載されているように、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はない）が、陽子について観察された。イオンは、振動磁場と関連して減速期にもたらされるように、キャビティに注入することが可能である。次いで、イオンの全てが、図２４Ａに示される加速イオンの軌道Ｔを逆にする。電場との相互作用によっ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。
【０２００】
実用上、イオンビームのイオンは、全ての可能な位相でサイクロトロンに入る。サイクロトロンのデザインにおいて、様々な位相が補償される場合を除いて、イオンの半分が加速され、他の半分は減速される。その結果、最大変換効率は、実際上、５０％である。さらに、上述の環状融合生成物イオンビームは、従来のサイクロトロンには不適当なジオメトリである。
【０２０１】
以下に詳述するように、本発明のＩＣＣは、融合反応炉電力コアのＦＲＣを出る融合生成物ビームの環状特性、およびにビーム内のイオンのランダムな相対位相およびそれらのエネルギーの拡散に適応する。
【０２０２】
図２２Ａに戻る。ＣＢＦＲ４１０の電力コア４３６の一部を左側に示すが、プラズマ燃料コア４３５は、外側磁場コイル４２５によって印加される磁場に部分的に起因して形成される、ＦＲＣ４７０内に閉じ込められる。ＦＲＣ４７０は、閉じた磁力線４８２と、セパラトリクッス４８４と、開放磁力線４８０とを含み、上述のように、融合生成物の環状ビーム４３７の特性を決定する。開放磁力線４８０は、電源コア４３６から離れて磁力カスプ４８６の方へ延在する。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環状ビーム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。
【０２０３】
ＩＣＣ４２０のジオメトリは、長さ約５ｍの中空円筒状である。小さな直線間隙４９７を有する、４つ以上の均等な半円筒電極４９４が、円筒表面を構成する。動作中、振動電位は、交互の形態で、電極４９４に印加される。変換器内の電場Ｅは、図２２Ｂの端面図に示されるように、四重極構造である。電場Ｅは、回転軸上で零になり、その半径に対して線形的に増加し、ピーク値は、間隙４９７に生じる。
【０２０４】
加えて、ＩＣＣ４２０は、外部場コイル４８８を備え、均一な磁場をＩＣＣの中空円筒ジオメトリ内に形成する。電流は、ＣＢＦＲ磁場コイル４２５内を流れる方向と反対の方向に、ＩＣＣ磁場コイル４８８内を流れるので、ＩＣＣ４２０内の磁力線４９６は、ＣＢＦＲ４１０の開放端磁場４８０と方向と反対の方向に流れる。ＣＢＦＲ４１０の電力コア４３６から最も離れた端部において、ＩＣＣ４２０は、イオンコレクター４９２を含む。
【０２０５】
ＣＢＦＲ４１０とＩＣＣ４２０と間には、対称磁気カスプ４８６が存在し、ＣＢＦＲ４１０の開放端磁場４８０が、ＩＣＣ４２０の磁力線４９６と合流する。環状電子コレクター４９０は、磁気カスプ４８６の周辺部に位置し、イオンコレクター４９８に電気的に連結する。後述するように、磁気カスプ４８６の磁場は、ビーム４３７の軸方向速度を高効率で回転速度に変換する。図２２Ｃは、変換器４２０内の代表的なイオン軌道４２２を示す図である。
【０２０６】
ＣＢＦＲ４１０は、円筒対称性を有する。その中央には、融合反応が生じるＦＲＣ４７０の磁場トポロジー内に含まれる融合プラズマコア４３５を有する融合電力コア４３６がある。上述のように、生成核および電荷中和電子が、燃料プラズマ４３５の両端からの環状ビーム４３７として現れる。例えば、５０ＭＷデザインのｐ−Ｂ１１反応に関しては、これらのビームは、半径が約５０ｃｍで、厚さが約１０ｃｍである。環状ビームの密度は、
【０２０７】
【化６５】
ｃｍ３である。当該の密度に対して、磁気カスプ４８６は電子とイオンを分離する。電子は、電子コレクター４９０への磁力線をたどり、イオンは、カスプ４８６を通過するが、イオン軌道は、ＩＣＣ４２０の長さに沿った実質的に螺旋状の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）に接続された電極４９４を螺旋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。垂直エネルギーの損失は、電極に４９４の近くを最初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、電場は最も強い。
【０２０８】
これらのイオンは、初期の総エネルギー、すなわち
【０２０９】
【化６６】
にほぼ等しい回転エネルギーで、磁場カスプ４８６に到達する。イオンが磁気カスプ４８６に到達するときの、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、初期半径ｒ０は、初期速度ｖ０にほぼ比例する傾向がある。半径方向の磁場および半径方向のビーム速度は、方位角方向にローレンツ力を作り出す。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、初期の軸方向の速度
【０２１０】
【化６７】
を残りの軸方向速度ｖｚおよび方位角方向速度
【０２１１】
【化６８】
に変換する。ここで、
【０２１２】
【化６９】
である。方位角速度
【０２１３】
【化７０】
の値は、次式のカノニカル運動量の保存により決定することができる。
【０２１４】
【化７１】
ビームイオンは、Ｂｚ＝Ｂ０、ｖｚ＝ｖ０、
【０２１５】
【化７２】
、およびｒ＝ｒ０で、カスプ４８６の左側に入る。これは、ｒ＝ｒ０、Ｂｚ＝−Ｂ０、
【０２１６】
【化７３】
、および
【０２１７】
【化７４】
で、カスプ４８６の右側に現れる。
【０２１８】
【化７５】
ここで、
【０２１９】
【化７６】
は、サイクロトロン周波数である。これらのイオンの回転周波数は、約１乃至１０ＭＨｚ、好ましくは、５乃至１０ＭＨｚであり、これは、発電が行われる周波数である。
【０２２０】
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。残りの軸方向のエネルギーが１００分の１に低減するように、軸方向の速度を１０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。したがって、イオンエネルギーの９９％が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に対する値の分布を有する。しかし、ｒ０は、ＦＲＣに基づくリアクターの特性により、上述のように、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。
【０２２１】
図２２Ｂに示されるように、本発明のＩＣＣ４２０の対称電極構造体は、４つの電極４９４を備えることが好ましい。タンク回路（図示せず）は、瞬時電圧および電場が、示されたようになるように、電極構造体４９４に連結される。電圧およびタンク回路は、周波数ω＝Ω０で振動する。間隙４９７での方位角方向の電場Ｅを、図２２Ｂおよび図２５に示す。図２５は、電極４９４の間の間隙４９７における電場、およびイオンが角速度Ω０で回転するときに受ける電場を示す図である。完全な回転において、粒子が、初期の位相によって決定されるオーダーで加速および減速を交互に受けることは明らかである。方位角電場Ｅθに加えて、方位角電場Ｅｒも存在する。方位角電場Ｅθは、間隙４９７において最大となり、半径が減少するに従って減少する。図２２では、粒子が一定の半径を維持しながら回転するものと仮定している。電場の勾配のために、減速は、通常加速よりも常に優勢になる。加速の位相は、そのイオンが次に減速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ように、イオンの半径を増加させる。減速の位相は、軸方向電場Ｅθの半径方向の勾配は、常に正であるので、イオンの初期の位相に依存せずに優勢となる。その結果、エネルギーの変換効率は、従来のサイクロトロンに関連する初期の位相問題によって、５０％までに制限される。電場Ｅｒも重要である。これも、振動して、図２２Ｃにおけるような軸に垂直な平面においてゼロの速度を有する元の半径にビーム軌線を戻す、半径方向の正味の効果を生じる。
【０２２２】
イオンが常に減速されるプロセスは、米国特許第２，７３６，７９９号に記載の最新の加速器の本質的な特徴である強集束の原理に類似している。正の（集束）レンズと負の（脱集束）レンズとの組み合わせでは、磁場が正の勾配を有する場合に、正である。図２６に、強集束の四重極ダブレットレンズを示す。第一レンズは、ｘ軸において集束し、ｙ軸において脱集束する。第二レンズは、ｘ軸およびｙ軸の特性を置き換えたものに類似している。磁場は、対称軸上で零になり、正の半径方向の勾配を有する。両方のレンズを通過するイオンビームについての最終結果は、経路の順序に関係なく全方向に集束する。
【０２２３】
強力な軸方向磁場を含み、ＴＥ１１１モードで作用する共振キャビティを通過するビームについて、同様の結果が報告されている（Ｙｏｓｈｉｋａｗａらの報告を参照のこと）。この装置は、ペニオトロン（ｐｅｎｉｏｔｒｏｎ）と呼ばれる。ＴＥ１１１モードでは、共振キャビティは、電場が四重極対称性を有する定常波を有する。これらの結果は、本願明細書に記載された結果の一部に性質的に類似している。共振空胴がサイズにしてはるかに大きく（長さ１０ｍ）、より高い振動数（１５５ＭＨｚ）および磁場（１０Ｔ）で作用する点で、定量的な差異が存在する。高周波数波からのエネルギーの抽出に、レクテナ（ｒｅｃｔｅｎｎａ）が必要である。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の陽子を作り出すＤ−Ｈｅ３反応炉には十分である。
【０２２４】
図２２Ｃに、ＩＣＣ４２０内の粒子についての単一粒子の軌道４２２を示す。この結果は、コンピュータシミュレーションにより得られ、類似した結果をペニトロンについて得た。ある半径ｒ０で流入したイオンは、ＩＣＣの長さに沿って螺旋状に進み、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。初期条件は、非対称性であり、最終的な状態は、この非対称性を反映するが、全ての粒子が減速されるように、初期の位相に依存しない。ＩＣＣのイオンコレクター端部でのビームも環状であり、同様の寸法である。軸方向の速度は、１０分の１に減じられ、密度はそれに対応して増加した。単一粒子の場合、９９％の抽出効率が可能である。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垂直方向の回転エネルギー）が、この効率を５％減じる場合がある。電力の抽出は、約１乃至１０ＭＨｚ、好ましくは５乃至１０ＨＭｚであり、電力網に連結するための電力調整よる更なる変換効率の減少を伴う。
【０２２５】
図２３Ａおよび２３Ｂに示されるように、ＩＣＣ４２０における電極構造体４９４の別の実施態様は、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に向かって先細となる先細電極４９４を備えることが可能である。
【０２２６】
ＩＣＣ４２０の主要磁場内部のイオン動力への調節は、図２７Ａおよび図２４Ｂに示されるように、２つの補助コイル組５００および５１０を使用して実施することが可能である。コイル組５００および５１０は、反対方向の電流を伴った隣接する導電体を備え、よって、磁場は、短距離となる。磁場勾配は、図２７Ａに概略的に示されるように、イオンの回転周波数および位相を変化させる。図２７Ｂに概略的に示されるように、多極の磁場は、線形加速器内と同様に集群を作り出す。
【０２２７】
（反応炉）
図２８は、１００ＭＷの反応炉を示す図である。一部切り取った発生器の図は、均一な磁場を印加するための超伝導コイルおよび磁場反転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を備えた、融合電力コア領域を示す。融合電力コア領域の隣接する対向端部は、融合生成物の運動エネルギーの電力への直接変換のためのＩＣＣエネルギー変換器である。図２９に、当該のリアクターのための支援装置を示す。
【０２２８】
（推進システム）
太陽系の（およびそれを超えた）探査には、最良の利用可能な化学的または電気的推進システムをはるかに凌ぐ推進能力が必要である。高度な推進アプリケーションのために、本発明は、デザインの簡潔さ、高いスラスト、高い特定のインパルス、高い特定の出力密度、低いシステム質量、およびほとんどまたは全く放射能を作り出さない燃料などに最も期待が持てるものである。
【０２２９】
本発明によるプラズマスラスト推進システムでは、融合生成物が融合プラズマコアから排出されるときの、それらに含まれる高い運動エネルギーを用いている。図３０および３１に、システム８００を概略的に示す。本システムは、融合燃料コア８３５が上述のように封じ込められた、ＦＲＣ電力コア８３６の衝突ビーム融合反応炉を含む。反応炉は、磁場発生器８２５、電流コイル（図示せず）、およびイオンビーム注入器８４０をさらに備える。上述のＩＣＣ直接エネルギー変換器８２０は、電力コア８３６の一端に連結され、環状ビーム８３７の形態で電力コア８３６の両端から現れる融合生成物粒子の半分をインターセプトする。上述のように、ＩＣＣ８２０は、逆サイクロトロンプロセスによってそれらの粒子を減速させて、それらの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。磁気ノズル８５０は、電力コア８３６の他端に隣接して配置され、残りの融合生成物粒子をスラストＴとして宇宙空間に導く。融合生成物の環状ビーム８３７は、エネルギー交換のために、融合電力コア８３６の一端から磁力線８３７に沿ってＩＣＣ８２０に流れ、またスラストＴのために、融合電力コア８３６の他端から磁力線８３７に沿ってノズル８５０から外に出る。
【０２３０】
制動放射線は、熱電エネルギー変換器（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｅｎｅｒｇｙ
Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＴＥＣ）８７０によって、電気エネルギーに変換される。ＴＥＣ８７０によって変換されない制動放射エネルギーは、ブレイトンサイクル熱エンジン８８０に渡される。廃熱は、宇宙空間に捨てられる。出力制御サブシステム（８１０、図３２を参照のこと）は、電気および熱エネルギーの全ての供給源および受け手を監視して、システムの動作を安定して状態に保ち、また、独立したエネルギー源（燃料電池、バッテリーなど）を提供して、宇宙船および推進システムを非動作状態から起動させる。融合生成物は、荷電のα粒子であるので、システムは、多量の放射線および中性子シールドの使用を必要とせず、したがって、他の原子力宇宙推進システムに比較して、システムの質量を著しく低減することで特徴付けられる。
【０２３１】
プラズマスラスト推進システム８００の性能は、図３１に示されるようなデザインを有する１００ＭＷのｐ−Ｂ１１融合コアの一例に対する以下の運動パラメータによって特徴付けられる：
特定のインパルス、Ｉｓｐ １．４ｘ１０６ｓ
スラスト電力、ＰＴ ５０．８ＭＷ
スラスト電力／合計出力電力、ＰＴ／Ｐ０ ０．５１
スラスト、Ｔ ２８．１Ｎ
スラスト／合計出力電力、Ｔ／Ｐ０ ２８１ｍＮ／ＭＷ。
【０２３２】
システム８００は非常に高い特定のインパルスを示すが、プラズマスラスト推進システムを用いた宇宙船の高い終端速度を可能にする。
【０２３３】
全て宇宙船の鍵となるミッション性能／メトリック限度は、システム質量である。プラズマスラスト推進システム８００における主要な質量成分を、図３１および３２に示す。融合コア８３５は、定常状態の動作に対しておよそ５０ＭＷの電力の注入を必要とする。システムは、およそ７７ＭＷの核（粒子）エネルギーを発生し、その半分は、最高９０％の効率で直接エネルギー変換器８２０において回収される。したがって、反応炉の維持にはさらに１１．５ＭＷが必要であり、それは、ＴＥＣ８７０およびブレイトン熱エンジン８８０によって供給される。
【０２３４】
プラズマスラスター推進システム８８０における主要な熱源は、制動放射線によるものである。ＴＥＣ８７０は、放射のおよそ２０％、すなわち４．６ＭＷを回収し、およそ１８．２ＭＷを密閉サイクルのブレイトン熱エンジン８８０に移動される。ブレイトン熱エンジン８８０は、図３１に示されるように、熱交換器８６０と、ターボ発電機８８４と、圧縮器８８２と、放熱器８８６とを備える。ブレイトンエンジン８８０は、反応炉の維持に必要な電力の残りの７ＭＷを供給し、他の１１ＭＷは、放熱器によって直接宇宙空間に廃棄される。
【０２３５】
密閉サイクルのブレイトン熱エンジンは、完成された効率的なオプションであり、ＴＥＣ８７０によって捨てられる過剰な熱を変換する。ブレイトンエンジンでは、最大サイクル温度は、材料検討によって限定されるが、これは最大熱力学的サイクルの効率を制限する。ブレイトンエンジンの標準的な性能マップに基づいて、複数のデザイン要点を取り出すことができる。一般的な効率は、最高６０％に到達しうる。現状では、７ＭＷを回収する必要があり、したがって、廃熱変換における効率の４０％だけが許容され、従来のブレイトンエンジンが現在達成可能な限度内で十分である。
【０２３６】
ブレイトンエンジン全体の（放熱器を差し引いた）構成要素の質量は、高度な工業技術に特有の特定の質量パラメータに基づいて、すなわち３ｋｇ／ｋＷｅの範囲で計算される。圧縮器、動力タービン、および熱交換器を含むターボ機関は、１８ＭＴの合計サブシステム質量を占める。
【０２３７】
放熱器質量は、６ＭＴになるものと推定され、最高水準の高熱伝導率の熱パイプパネルを使用することが好ましい。
【０２３８】
有意なシステム重量はまた、プラズマコア８３５を閉じ込めている磁石８２５に由来する。超伝導磁気コイル８２５は、Ｎｂ３Ｓｎ製であることが好ましく、４．５Ｋおよび１２．５乃至１３．５Ｔの磁場で安定して動作する。Ｎｂ３Ｓｎの低温要件は、他の材料で考慮すべきものほど厳しくない。７テスラの磁場要件と、およそ７．５ｍの装置長さでは、コイルは、ワイヤーを１５００回巻いて５６ｋＡの電流を担送する必要がある。半径０．５ｃｍのワイヤーを使用すると、このコイルの合計質量は、約３０９７ｋｇである。液体ヘリウム冷却システムは、２つのポンプを備え、１つは主コイルの各端部にある。これらのポンプの合計質量は、およそ６０ｋｇである。外部構造用シェルを使用して、磁石および全て内部コンポーネントを支持する。これは、厚さ０．０１ｍのケブラー／炭素−炭素複合物製であり、合計質量は７７２ｋｇである。最外層は絶縁ジャケットであり、宇宙空間における大きな温度変化から内部を保護し、推定で６４３ｋｇである。磁石サブシステム８２５の合計質量は、したがって、約４．８ＭＴである。
【０２３９】
現時点で、宇宙空間のアプリケーションに最も適切なイオン注入システム８４０は、誘導線形加速器、すなわちＲＦＱとなる。およそ１５年前に、ＲＦＱは、科学ロケットで打ち上げられ、高電圧電力の使用およびイオンビームの宇宙空間への注入を成功裏に実証した。好適な実施態様では、６つの注入器８４０がＣＢＦＲの長さに沿って配置され、その３つはイオンの各種のためのものである。各注入器８４０は、長さ０．３ｍ、半径０．０２０ｍの全体的な寸法を有する３０ビームレットのＲＦＱであることが好ましい。各注入器は、好ましくは長さ０．０２ｍ、半径０．０２０ｍの、イオン化した水素またはホウ素を供給するイオン供給源を必要とする。１つの供給源が、各加速器に必要である。宇宙空間に対するデザインの精緻化によって、現在、それらの合計質量は、供給源および加速器を含めて、約６０ｋｇにしなければならない、という制限を十分にクリアできる範囲にある。
【０２４０】
円錐型のＩＣＣ直接エネルギー変換器８２０は、反応炉８３６の一端に位置し、ステンレス鋼製であることが好ましい。ＩＣＣの質量は、基円半径０．５ｍ、長さ２ｍで、およそ１６９０ｋｇである。ＲＦ電源８２０（インバータ／変換器）は、有向イオン流を回収し、それを電力に変換する。電源の質量は、約３０ｋｇである。蓄電池８１２を使用して、ＣＢＦＲを起動／再起動する。貯蔵容量は、約３０ＭＪである。その質量は、約５００ｋｇである。交互に、燃料電池も使用されることが可能である。更なる制御ユニットは、全ての構成要素の動作を調和させる。制御サブシステムの質量は、３０ｋｇになると推定される。エネルギー変換器／起動装置サブシステムの合計質量は、したがって、約２．２５ＭＴと推定される。
【０２４１】
磁気ノズル８５０は、融合コア８３５の他端に位置する。ノズル８５０は、誘導粒子流として融合生成物ストリームを集束させる。磁気ノズルおよびＩＣＣの質量は、どちらも超伝導電磁石を備えており、比較的低質量の構造用構成要素なので、ほぼ等しいと推定される。
【０２４２】
ＴＥＣ８７０は、融合コアの電磁放射線からエネルギーを回収する。それは、約５ｇ／ｃｍ３の質量密度を有する、厚さ０．０２ｃｍの炭化ホウ素／シリコン−ゲルマニウム製の薄膜構造体であることが好ましく、ＴＥＣ８７０は、第一壁に位置し、完全に炉心の内表面に沿って並ぶことが好ましい。ＴＥＣ８７０の質量は、約４００ｋｇと推定される。ＴＥＣ８７０への放射磁束は１．２ＭＷ／ｍ２であり、そのピーク動作温度は１８００°Ｋ未満であると想定される。
【０２４３】
プラズマスラスター推進システムの合計質量は、したがって約３３ＭＴと推定される。これは、現在述べている１００ＭＷのユニットに対する、以下の残りのミッションクリティカルパラメータを定義する：
合計質量／合計電力、ＭＴ／Ｐ０ ０．３３ｘ１０−３ｋｇ／Ｗ
スラスト／質量、Ｔ／ＭＴ ０．８５×１０−３Ｎ／ｋｇ。
【０２４４】
本発明は、様々な改良および代替形態の影響を受けやすいが、その具体的な例を図面に示し、本願明細書において詳細に記述する。しかし、本発明は、開示された特定の形態に限定されるものではなく、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ものであると理解されたい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本願明細書に記載された発明。
【請求項１】
本願明細書に記載された発明。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２１Ｃ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２２Ｃ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２４Ｃ】
【図２５】
【図２６】
【図２７Ａ】
【図２７Ｂ】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２１Ｃ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２２Ｃ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２４Ｃ】
【図２５】
【図２６】
【図２７Ａ】
【図２７Ｂ】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【公開番号】特開２０１３−１０１１３４（Ｐ２０１３−１０１１３４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１３−９２３（Ｐ２０１３−９２３）
【出願日】平成２５年１月８日（２０１３．１．８）
【分割の表示】特願２００８−５００８７４（Ｐ２００８−５００８７４）の分割
【原出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（５０６１１５５１４）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (87)
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−９２３（Ｐ２０１３−９２３）
【出願日】平成２５年１月８日（２０１３．１．８）
【分割の表示】特願２００８−５００８７４（Ｐ２００８−５００８７４）の分割
【原出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（５０６１１５５１４）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (87)
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