UFOeUAPARQUIVO EM PORTUGUÊS

Data: 10/03/2010Local: Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

DIA, 2010: relatório do AAWSA descreve a fusão por confinamento eletrostático inercial e propõe um reator pequeno

O DIRD de março de 2010 revisa o confinamento eletrostático inercial (IEC) como via para a fusão nuclear, com ênfase no trabalho da Universidade de Illinois, e discute aplicações de curto prazo e de longo prazo, como propulsão espacial. O próprio autor admite que os dispositivos atuais estão muito abaixo do equilíbrio energético.

Dossiê completoHistória da investigação
Data do evento
10/03/2010
Local
Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
Tema
História da investigação
Órgãos das fontes
DOW
Documentos
1 documento · 72 páginas
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182 min
Capa com o selo da Agência de Inteligência de Defesa, o título Defense Intelligence Reference Document e o título do relatório sobre fusão por confinamento eletrostático inercial.Capa de relatório oficialPágina física 1
Capa de relatório oficial · Defense Intelligence Agency (DIA) · Página física 1 do arquivo divulgado. Capa do DIRD "Inertial Electrostatic Confinement Fusion", de 10 de março de 2010, com o selo da DIA, o rótulo "Acquisition Threat Support", a data-limite das informações (1º de dezembro de 2009) e o número DIA-08-1003-006. Página física 1. A marcação "FOR OFFICIAL USE ONLY" aparece riscada no original. Fonte documental ↗ · Ampliar imagem ↗

FONTES DOCUMENTAIS · DOW

O que os registros contam

Este é um relatório técnico de revisão sobre fusão nuclear, não um relato de avistamento. O Documento de Referência de Inteligência de Defesa (DIRD) "Inertial Electrostatic Confinement Fusion" (Fusão por Confinamento Eletrostático Inercial) tem a data de capa de 10 de março de 2010, data-limite das informações (ICOD) de 1º de dezembro de 2009 e número DIA-08-1003-006. O expediente informa que foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) do Escritório de Alerta de Defesa, da Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa (DIA). O autor aparece como "AAP Person 70", mas o corpo do texto o identifica como George Miley, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC).

A capa traz o rótulo "Acquisition Threat Support" (apoio à avaliação de ameaças em aquisição), e o expediente diz que o documento faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada do programa AAWSA (Advanced Aerospace Weapon System Applications) do Escritório de Alerta de Defesa. Esses são os únicos motivos que o próprio texto dá para a encomenda. O prefácio apresenta o objetivo: oferecer uma visão geral dos fundamentos, do estado experimental, da teoria e das aplicações potenciais da fusão por confinamento eletrostático inercial (IEC), com ênfase no trabalho da UIUC. O autor diz ter evitado equações, para valorizar os conceitos.

A ideia central é um dispositivo pequeno em que uma grade esférica de alta tensão acelera íons para o centro de uma câmara de vácuo. Os íons recirculam por um "poço" de potencial e, em princípio, se fundem. O relatório revisa a origem do conceito com Philo Farnsworth, a retomada por Robert Bussard (o Polywell), a armadilha de Penning, o dispositivo POPS e os injetores de íons de radiofrequência da UIUC. Parte das aplicações já é demonstrada: pequenas fontes de nêutrons para análise por ativação, usadas por exemplo para inspeção de minério e para detecção de minas terrestres em Kyoto.

O horizonte tecnológico é duplo. A curto prazo, o texto trata fontes de nêutrons, prótons e raios X, uma estação de inspeção de bagagens e contêineres e um propulsor a jato de plasma para satélites, com o desempenho de um propulsor de xenônio apresentado como estimativa, e não como medição. A longo prazo, discute geradores de fusão com combustíveis aneutrônicos (p-11B e D-3He) e a nave conceitual "Fusion Ship II", de 750 MWe, para missões tripuladas no espaço profundo. O prefácio admite que os dispositivos atuais estão de quatro a cinco ordens de grandeza abaixo do equilíbrio energético com p-11B, e a Seção VI propõe um experimento de equilíbrio com um plasma de hidrogênio como simulação.

Entre as aplicações descritas está uma de interesse militar: ao discutir o jato de plasma para manobra de satélites e sondas, o texto observa que um jato pulsado intenso poderia neutralizar um "alvo defensivo" antes que ele manobrasse. O autor, porém, afirma que a formação do jato só foi estudada em regime estacionário. O documento não menciona UFOs, UAPs, objetos de origem desconhecida nem engenharia reversa. Sua ligação com o conjunto do AAWSAP é a de um estudo de tecnologia de propulsão e energia avançadas, apresentado como projeção, com a ressalva do próprio autor de que a opinião sobre o potencial do IEC "deve continuar sendo pessoal do leitor".

LEITURA DIRETA DO ARQUIVO

O documento, em português

As páginas físicas 1 a 72 do relatório são traduzidas na íntegra, uma por uma, em blocos separados: capa, expediente, sumário e índices de figuras e tabelas (páginas 1 a 6), prefácio e seções I a VI. Equações e valores numéricos foram mantidos como no original. Nas listas de referências bibliográficas foram traduzidos apenas os elementos descritivos, e os títulos de obras em inglês aparecem como "[referências bibliográficas no original]". Rótulos de figuras e de esquemas, quando legíveis, foram traduzidos entre colchetes. A marcação "FOR OFFICIAL USE ONLY" aparece riscada no original.

TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1

página inteira

UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Documento de Referência de Inteligência de Defesa Apoio à Avaliação de Ameaças em Aquisição 10 de março de 2010 Data-limite das informações (ICOD): 1º de dezembro de 2009 DIA-08-1003-006 Fusão por Confinamento Eletrostático Inercial UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original]

Nota editorial: Capa do relatório da Agência de Inteligência de Defesa (DIA), de 10 de março de 2010.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPl@IAL ~SE 8Ptl¥ Defense Intelligence Reference Document Acquisition Threat Support 10 March 2010 ICOD: 1 December 2009 DIA-08- 1003-006 Inertial Electrostatic Confinement Fusion UNCLASSIFIED/ /FOA OFFIGial.k Wli& OP•k¥

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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] íons, que são semelhantes a feixes. Como os processos de perda de energia dos elétrons, como a emissão de radiação, são sérios, o critério de temperatura de Lawson precisa ser modificado para o IEC. Uma primeira estimativa aproximada é Te/Ti < 1/3 para D-T. (Aqui Ti e Te são as "temperaturas" dos íons e dos elétrons, respectivamente.) O controle dessa razão é uma questão complexa de física, que envolve as taxas relativas e as energias das fontes de íons e de elétrons e a estrutura do poço de potencial. Em seções posteriores considera-se o uso do combustível p-11B (hidrogênio-boro 11) no IEC. Ele é muito atraente porque todos os produtos da reação são partículas carregadas, o que faz dele um sistema "aneutrônico" único. Um reator assim representaria um sistema verdadeiramente ideal do ponto de vista ambiental e da sustentabilidade energética. Contudo, para tais combustíveis, o critério de Lawson se torna muito mais exigente: aumenta nτ em duas ordens de grandeza e T para 150 kV. Além disso, para o IEC, passa a ser essencial Te/Ti < 1/9. (O uso da razão de temperaturas é uma representação muito simplificada. As perdas por radiação são muito sensíveis a desvios na distribuição de energia real dos íons e dos elétrons. Por exemplo, a emissão de bremsstrahlung dos elétrons vem principalmente da "cauda" de alta energia da distribuição eletrônica, enquanto a transferência de energia com os íons é dominada pelo "pé" da distribuição eletrônica. Em altas potências, as interações nessas regiões podem se tornar bastante não lineares, esgotando ou "queimando" as populações locais nessas regiões. Esse efeito faz as perdas de energia saturarem e, portanto, pode ser bastante benéfico em algumas circunstâncias. Contudo, o fenômeno é complexo de avaliar numericamente, e até hoje pouco se relatou a respeito dele para IECs.) A exigência muito agressiva de Lawson para o p-11B é empregada no projeto do experimento de equilíbrio energético da Seção VI. Embora esta discussão da física do IEC tenha sido bastante simplificada, espera-se que ela dê mais compreensão dos conceitos básicos e das questões antes de entrar em maiores detalhes. ANTECEDENTES DO IEC O confinamento eletrostático inercial (IEC) foi concebido por Philo Farnsworth, o inventor da televisão eletrônica, como uma abordagem da energia de fusão que usa campos eletrostáticos para o confinamento (Referência 1.2). Quando ele fez isso, em 1955, as principais abordagens perseguidas no mundo eram o confinamento magnético e o confinamento inercial (compressão de alvos por laser). Na verdade, o confinamento eletrostático havia sido descartado pela maioria dos cientistas por causa do teorema de Earnshaw (Referência 1.4), segundo o qual o plasma não poderia ser confinado só por campos eletrostáticos. Isso era simplesmente a expressão do fato de que usar uma placa polarizada para confinar uma espécie, digamos os íons, atrairia automaticamente a espécie oposta, os elétrons, de modo que todo o plasma seria transportado para a placa. Farnsworth pareceu entender intuitivamente que esse teorema supunha regime estacionário; assim, se, como no IEC, os íons estivessem em movimento dinâmico e confinados, eles confinariam eletrostaticamente os elétrons. Farnsworth foi além e percebeu que, num sistema esférico, eletrodos virtuais formariam uma região de plasma de alta densidade se os íons confinados fossem focalizados no centro da esfera (Referência 1.2). Enquanto Hirsch trabalhou com Farnsworth para demonstrar os primeiros êxitos experimentais com experimentos IEC (Referência 1.2), o conceito saiu de vista à medida que a pesquisa em confinamento magnético e inercial crescia exponencialmente. Então, no fim da década de 1990, R. W. Bussard reviveu o conceito com a abordagem híbrida IEC-magnética (Referências 1.6-1.7). Nessa abordagem, os elétrons eram confinados no campo magnético, formando uma armadilha de potencial para os íons. [Note-se a semelhança com o poço de potencial conceitual original discutido por Elmore et al. (Referência 1.1).] A convite de R. W. Bussard para participar desse esforço, o autor, George Miley, realizou experimentos de apoio que eram uma variação da abordagem original de UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 3

Nota editorial: Aponta as exigências mais severas do combustível p-11B e relata a origem do IEC com Farnsworth e a retomada por Bussard.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ orr1e1At li!II!! OHL¥ beam-like ions. Since electron energy loss processes such as radiation emission are serious, the Lawson temperature criterion must be modified for the IEC. A first rough estimate is the Te/T1< 1/3 for DT. (Here T1 and Te are the ion and electron "temperatures", respectively). Control of this ratio is a complex physics issue, involving the relative ion and electron source rates and energies and the potential well structure. In later sections use of p- 11B (hydrogen-boron-11) fuel in the IEC is considered. This is very attractive since it provides all charged part icle reaction products, making this an unique "aneutronic" system. Such a reactor represents a truly ideal system from an environmental and energy sustainability perspective. However, for such fuels, t he Larson criterion becomes much more demanding, increasing nT by two orders of magnitude and T to 150 kV. Also, for the IEC, a Te/T1< 1/9 becomes essential. (Using temperature ration is a very simplified representation. The radiation losses are quite sensit ive to deviation in the actual energy distribution of the ions and electrons . For example, electron Bremsstrahlung emission primarily comes from the high energy "tail" of the electron distribution while energy transfer with ions is dominated by the "foot" of the electron distribution. At high powers, interactions in these regions can become quite non-linear, depleting or "burning out 0 the local populations in these regions. This effect causes energy losses to saturate, hence can be quite beneficial under some circumstance . However, the phenomenon is complex to evaluate numerically, so little has been reported on it for IECs to date). The very aggressive p-11B Lawson requirement is employed in the design of the breakeven experiment of Section VI. While this discussion of IEC physics has been greatly simplified, it hopefully provides more insight into the basic concepts and issue before delving into more detail. IEC BACKGROUND Inertial Electrostatic Confinement (IEC) was conceived of by Philo Farnsworth, the inventor of electronic television, as an approach to fusion power using electrostatic fields for confinement (Reference 1.2). When he did this in 1955, the prime approaches being pursued worldwide were magnetic confinement or inertial (laser compression of targets) confinement. In fact, electrostatic confinement had been written off by most scientists due to Earnshaw's theorem (Reference 1.4) which stated that plasma could not be confined by electrostatic fields alone. That was simply an expression of the fact that use of a biased plate to confine one species, say ions, would automatically attract the opposite species, electrons, such that the whole plasma would transport to the plate. Farnsworth seemed to intuitively understand that this theorem assumed steady ­ state, so that if, as in IEC, the ions were dynamically moving and confined, they would electrostatically confine the electrons. Farnsworth went further and realized that in a spherical system virtual electrodes would form a high density plasma region if the confined ions were focused at the center of the sphere (Reference 1.2). While Hirsh worked with Farnsworth to demonstrate early experimental success with IEC experiments (Reference 1.2), the concept passed from view as magnetic and inertial confinement resea1rch exponentiated. Then in the late 1990s R. W. Bussard revived the concept with the hybrid IEC magnetic approach (Reference 1.6-1.7). In this approach the electrons were confined in the magnetic field, forming a potentials trap for ions. [Note the similarity to the original conceptual potential well discussed by Elmore, et al. (Reference 1.1)]. Upon invitation by R.W. Bussard to join this effort, the author, George Miley, undertook supporting experiments that were a variation of the original UNCLASSIFIED/ /EAR OFFICIO! !!SF ON! X 3

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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Hirsch, usando grades eletrostáticas para formar uma armadilha com íons, que então atraía elétrons. Ele percebeu que essa abordagem poderia resultar numa fonte de nêutrons de baixo nível muito atraente para aplicações de ativação neutrônica, e começou esse desenvolvimento. Esse trabalho logo foi retomado em vários outros laboratórios, entre eles o Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL), a Universidade de Wisconsin e a Universidade de Kyoto. Enquanto isso, o trabalho de Bussard continuou com forte financiamento militar. Contudo, pouco foi publicado ou conhecido a respeito até 2008, quando ele fez apelos públicos no "YouTube" para recuperar o financiamento, interrompido justamente quando o experimento alcançava um grande sucesso. Posteriormente o financiamento foi retomado, mas R. W. Bussard morreu pouco depois. Sua empresa e seu trabalho foram então assumidos por R. Nebel, que se afastou do LANL para empreender esse novo trabalho. Esse esforço está em andamento e representa o maior projeto de IEC voltado a energia nos EUA ou fora deles (mas ainda modesto, com meia dúzia de cientistas seniores envolvidos). Enquanto isso, os laboratórios de outros lugares que trabalham em fontes de nêutrons IEC seguiram em frente, e a Universidade de Wisconsin acrescentou uma fonte de prótons IEC como opção, com tecnologia semelhante. Os laboratórios, inclusive a UIUC, têm a energia de fusão como objetivo final, mas precisam concentrar-se em seus projetos "derivados" de curto prazo, que têm financiamento. Neste momento o IEC ainda não recebe nenhum financiamento do DOE (Departamento de Energia), que continua focado no caminho do Tokamak para a energia de fusão. Assim, com pouco financiamento, o progresso foi lento em responder à questão-chave de se o IEC pode ou não ser desenvolvido para energia de fusão. Se puder, o dispositivo seria mais simples e menor que um Tokamak, o que o tornaria uma opção extremamente atraente. Além disso, suas reações semelhantes a feixes (muito distantes da distribuição maxwelliana) tornam o IEC muito apropriado para queimar combustíveis alternativos ("avançados"), como D-3He e p-11B, que são muito mais favoráveis ao meio ambiente que a fusão D-T convencional. Infelizmente, os Tokamaks não estão bem equipados para avançar até esses combustíveis. Por outro lado, o uso de IECs que não produzem energia em outras aplicações, como pequenas fontes de nêutrons, prótons e raios X, foi amplamente demonstrado. Agora, a questão é quão bem e em quais aplicações as fontes IEC competem comercialmente com outras opções, como as fontes de alvo com acelerador. Este relatório pretende dar ao leitor uma visão importante da física e da tecnologia dos IECs, tanto para energia quanto para fontes de nêutrons/prótons/raios X. Com esse pano de fundo, espera-se que o leitor possa formar uma opinião sobre o potencial das aplicações do IEC. Devido ao financiamento limitado da pesquisa em IEC até hoje, muito mais precisa ser feito para demonstrar de fato sua aplicação, sobretudo na produção de energia. Assim, essa opinião deve continuar sendo pessoal do leitor. Outra limitação deste relatório é que ele fornece detalhes baseados em grande parte no trabalho do autor com IECs na última década. Assim, não fará justiça ao trabalho em andamento de outros, em especial na EMC2, sobre o dispositivo Polywell de Bussard, ou ao desenvolvimento avançado da fonte de nêutrons/prótons IEC com grade na Universidade de Wisconsin, na Universidade de Kyoto e no Instituto de Tecnologia de Tóquio. Algumas informações sobre esses esforços são dadas em comentários e nas referências fornecidas, mas o leitor é incentivado a discutir esse trabalho diretamente com essas pessoas. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 4

Nota editorial: O autor distingue as fontes compactas de nêutrons já demonstradas da geração de energia por IEC, ainda não demonstrada, e declara a ênfase em seu próprio trabalho.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk W&E 8Ptklf Hirsch approach, using electrostatic grids to form a t rap with ions that then brought electrons in. He realized that this approach could result in a very attractive low level neutron source for neutron activation applications, and began that development. Such work was soon taken up in several other laboratories, including Los Alamos Nationa l Laboratory (LANL), University of Wisconsin and Kyoto University. Meanwhile Bussard's work continued with strong funding from the military. However, little was published or known about this until 2008 when he made public appeals on "YouTube" to regain funding stopped just when the experiment achieved a major success. Subsequ,ently, funding resumed but R. W. Bussard passed away shortly thereafter due to a long battle with cancer. His company and work were then taken over by R. Nebel who took leave from LANL to undertake this new work. That effort is now in progress and represents the largest IEC power oriented project in the US or elsewhere (but still modest with a half dozen senior scientists involved). Meanwhile, laboratories elsewhere working on IEC neutron sources have continued while the U of Wisconsin has added an IEC proton source as an option using similar technology. The labs, including the UIUC, have fusion power as an ultimate goal, but must focus on their funded near-term "spin-off" projects. At this point the IEC still receives no funding from DOE which remains focused on the Tokomak route to fusion power. Thus, with little funding, slow progress has been made in answering the key question of whether or not the IEC can be developed for fusion power. If it can, the device would be simpler and smaller than a Tokamak, malking it an extremely attractive option. In addition, its beam-like reactions (highly non-Maxwellian) make the IEC very well suited for burning alternate ("advanced") fuels like D-3He and p-11B which are much more environmentally favorable than conventional DT fusion . Unfortunately Tokomaks are not well equipped to go forward to such fuels. On the other hand, the use of non-power-producing IECs for other applications, such as small neutron, proton, and x-ray sources, has been .amply demonstrated. Now, the issue is how well and in what applications the IEC sources compete commercia lly with other options such as accelerator target sources. This report is intended to provide the reader with important insight into the physics and technology of IECs relative to both power and neutron/proton/x-ray sources. With this background, hopefu lly the reader can formulate an opinion about the potential for IEC applications. Due to the limited funding for IEC research to date, much more has to be done to actually demonstrate its application, especially for power production. Thus that opinion must remain a personal one for the reader. One other limitation of this report is that it largely provides details based on the author's work on IECs over the last decade. Thus it will not do justice to the ongoing work by others, notably at EMC2 on the Bussard Polywell device or the advanced gridded IEC neuron/proton source development work at the U of Wisconsin, Kyoto University, and Tokyo Institute of Technology. Some insight into these efforts is given in comments and in references supplied, but the reader is encouraged to discuss that work with those individuals directly. UNCLASSIFIED/ /POI\ 0rr1e1At l?ISE 8Ptklf 4

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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] FUNDAMENTOS DO IEC Começamos apresentando o estudo teórico inicial, muito básico, de Elmore, Tuck e Watson (Referência 1.1). Ele aborda a questão-chave da densidade de potência de fusão obtenível com o confinamento por poço de potencial. Uma de suas hipóteses básicas é que o poço de potencial é "cavado" por elétrons que aprisionam íons. Certas hipóteses adicionais levam à profundidade do poço etc., e eles concluem, por fim, que o sistema é instável para densidades de íons suficientemente altas para que se espere um rendimento termonuclear apreciável. Eles qualificam essa conclusão dizendo que "reconhecidamente, é necessária uma investigação mais minuciosa para se obter uma compreensão completa da estabilidade desse dispositivo eletrostático". Esse resultado foi bastante negativo para a formação de poços de potencial por elétrons, mas deixou o caminho possivelmente aberto, já que o assunto "precisava de uma investigação mais minuciosa". Mais tarde, por várias razões, R. W. Bussard ainda perseguiu esse conceito ao introduzir o dispositivo Polywell, a Fonte de Energia de Alta Energia (HEPS), que usa um campo magnético esférico simulado para estabilizar o poço de potencial formado pelos elétrons. Isso representa um sistema de confinamento "híbrido" magnético-IEC, em que os elétrons são confinados pelos campos magnéticos, formando o poço de potencial que "aprisiona" os íons. Aparentemente, a visão de Bussard era que essa estabilização magnética adicional superaria a crítica anterior de Elmore e Tuck. Posteriormente, alguns de seus relatórios usaram simulações de partículas na célula (particle-in-cell) para sustentar a visão de que um poço de potencial de elétrons estabilizado desse modo permitiria densidades adequadas para densidades de fusão atraentes. No entanto, os experimentos de IEC seguintes à análise de Elmore et al. (anteriores aos de Bussard) foram os experimentos de Hirsch e Farnsworth (Referência 1.2), que usaram armadilhas com injeção de íons (e não de elétrons), como faz o trabalho do autor atual. Essa escolha foi motivada em grande parte pelo desejo de obter estabilidade adicional graças ao grande momento dos íons que recirculam e formam o poço de potencial. Mais sobre as vias de injeção de íons e de elétrons será tratado em seções posteriores. A seguir, é importante rever a solução de poços múltiplos ("poissors") que Farnsworth e Hirsch encontraram para a formação de poços de potencial por injeção de íons em geometria esférica. Ela é descrita no artigo de Hirsch (Referência 1.2). Como se vê na Figura 1.2, íons monoenergéticos com momento angular "arrastam" elétrons e criam poços de potencial aninhados, como "camadas de cebola", em torno do centro da esfera, de modo que a densidade de íons tende ao infinito em volume zero na origem. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 5

Nota editorial: Revisa a análise teórica de Elmore, Tuck e Watson sobre poços eletrostáticos de elétrons e a proposta magnética híbrida de Bussard.

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UNCLASSIFIED/ /fOft Offl@IAL l!ISE 8P•tlf IEC BASICS We begin by presenting the early very basic theoretical study by Elmore, Tuck, and Watson (Reference 1.1). That addresses the key question of the fusion power density obtainable with potential well confinement. One of their basic assumptions is that the potential well is "dug" by electrons which trap ions. Certain added assumptions lead to well depth, etc, and finally they conclude that the system is unstable for ion densities sufficiently high that appreciable thermonuclear yield is expected. They qualify this conclusion saying "admittedly, a more thorough investigation is required to obtain a complete understanding of stability of this electrostatic device". This result was quite negative for electron formation of potential wells, but left the route possibly open since the subject "needed a more thorough investigation." Later, for various reasons, R. W. Bussard still pursued this concept by introducing the High­ Energy Power Source (HEPS) Polywell device which uses a spherical simulated magnetic field to stabili ze the potential well formed by electrons. This represents a "hybrid" magnetic-lEC confinement system where electrons are confined by the magnetic fields, forming the potential well which "traps " ions. Apparently, Bussard's view was that this added magnetic stabilization would overcome the earlier Elmore and Tuck criticism. Subsequently, some of his reports used particle-in-cell simulations to support the view that such a stabilized electron potential well would allow adequate density for attractive fusion densities. However, the next IEC experiments following the Elmore et al. analysis (prior to Bussard's) were the Hirsch-Farnsworth experiments (Reference 1.2) which used ion (vs. electron) injected traps (as does the present author's work). This selection was largely driven by the desire to gain added stabil ity by the large momentum of recirculating ions that form the potential well. More about ion vs. electron injection routes will be covered in later sections. Next, it is important to review the multiple well ("poissors" solution) Farnsworth -Hirsch found for ion injected formation of potential wells in spherical geometry. This is described in the paper by Hirsch (Reference 1.2) . As seen from Figure 1.2, monoenergetic ions with angular momentum "drag in" electrons to create "onion skin" like nested potential wells around the center of the sphere such that the ion density goes to infinity in zero volume at the origin. UNCLASSIFIED/ }FOA: OFFICIAL !!ii onn X 5

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TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] [Gráfico: perfil radial idealizado do potencial.] Figura 1.2. Estrutura de potencial idealizada, calculada por Hirsch, para íons monoenergéticos sem momento angular. Os ânodos e cátodos virtuais aninhados observados foram chamados originalmente de "poissors" pelo inventor, Philo Farnsworth. Este é um resultado muito impressionante, que entusiasmou esses pesquisadores a seguir adiante com a pesquisa. Ele contorna, na prática, a restrição de Elmore et al., ao mudar fundamentalmente a física do poço de potencial. Naturalmente, na prática haverá uma dispersão de energia e de momento angular, de modo que não se esperaria que se formasse mais que um único poço de potencial (e não os infinitos poissors de Farnsworth). As questões que restavam então eram (e ainda são): "Quão profundo pode ser esse poço na prática e que densidade de íons pode ser aprisionada nele?" Vários estudos se seguiram para examinar essas questões mais a fundo com códigos de simulação. Por exemplo, Klevens e Black constataram na Referência 1.3 que: "Foi desenvolvido um modelo de um dispositivo de confinamento eletrostático com injeção de íons que fornece forte correlação entre teoria e experimento. O perfil de densidade de íons foi determinado em posição e velocidade ao longo das duas grades concêntricas, considerando os processos de transferência de carga e de captura pela grade. Uma aproximação de poço raso foi incorporada ao modelo supondo que os íons que sofrem transferência de carga na região da grade interna eram acelerados até no máximo 5 por cento da tensão aplicada à grade e que a velocidade dos íons do feixe era constante nessa região. Foram desenvolvidas funções de distribuição em energia total e em energia angular, tanto para íons quanto para elétrons. A função de distribuição dos íons consistia em três partes: um feixe criado no ânodo e acelerado pela tensão aplicada ao cátodo; um grupo de baixa energia produzido por transferência de carga perto do cátodo ou no centro; e um grupo de energia intermediária resultante da reação de transferência de carga entre o ânodo e o cátodo. Para cada grupo, supôs-se que a energia angular era uniforme até um valor máximo, diferente para cada grupo de energia. Supôs-se que os elétrons eram isotrópicos no espaço de velocidades e uniformemente distribuídos em energia total no poço de potencial em que estão aprisionados. As funções de distribuição foram substituídas na equação de Poisson e foram obtidos perfis de potencial e de densidade para vários UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 6

Nota editorial: Figura 1.2: estrutura de potencial idealizada de Hirsch; o texto ressalta que, na prática, a dispersão de energia limitaria o número de poços, e cita o modelo de Klevens e Black.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFIOIAL ~81!! 9HLY .....- 1'10 .... -------''---..- --------.---------r-----------...,, 10 ~ ~- - --- -------------------- -+--- ----,t iR .._o •u:s Figure 1.2. Idealized Potential Structure Calculated by Hirsch for Monoenergetic Ions With No Angular Momentum. The nested virtual anodes and cathodes observed were originally termed "poissors" by the inventor, Philo Farnsworth . This is a very striking result that enthused these researchers to push on with this research. It, in effect, circumvents the Elmore et al. restriction by changing the potential well physics fundamentally. Of course in practice, there will be a spread in energy and angular momentum, so one would not expect more than a single potential well (vs. the infinite poissors of Farnsworth) to form in practice. The questions remaining then were (and still are): "How deep can such a well be in practice and how high an ion density can be trapped in it?" Various studies followed to study these issues more thoroughly using simulation codes. For examp le, Klevens and Black found in Reference 1.3 that: "A model of an electrostatic confinement device with ion injection has been developed which provides strong correlation between theory and experiment. The ion density profile was determined in position velocity throughout the two concentric grids by considering the processes of charge transfer and grid capture. A shallow -well approximation was incorporated in the model by assuming that ions encountering charge transfer in the inner grid region were accelerated up to a maximum of 5 percent of the applied grid voltage, and that the velocity of beam ions was constant in this region. Distribution functions in total energy and angular energy were developed for both ions and electrons. The ion distribution function consisted of three parts: a beam created at the anode and accelerated by the applied cathode voltage; a low-energy group produced by charge transfer near the cathode or in the center; and a intermediate-energy group resu lting from charge-transfer reaction between anode and cathode. For each group the angular energy was assumed uniform up to a maximum value, which was different for each energy group. The electrons were assumed to be isotropic in velocity space, and to be uniformly distributed in total energy in the potential well in which they are trapped . The distribution functions were substituted into Poisson's equation and potential and density profiles for various UNCLASSIFIED/ I f8R 8FFIEilAk lel&& 0PU,¥ 6

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] parâmetros experimentais. Os parâmetros variados incluem a pressão de fundo, a razão entre as correntes circulantes de elétrons e de íons, a diferença de potencial aplicada entre as grades e as variáveis da grade interna, como a corrente medida, a transparência e o erro de construção. Quando as estimativas de cada um desses parâmetros que simulam o experimento no modo de injeção de íons foram inseridas no modelo, o perfil de potencial resultante exibiu no máximo um poço de potencial raso. Esse resultado é coerente com o das medições de deflexão do feixe nos experimentos no modo de injeção de íons. Apesar dessas hipóteses, o modelo é extremamente valioso para determinar a sensibilidade relativa do perfil e da profundidade do poço de potencial aos efeitos de muitos dos parâmetros do sistema. Constatou-se que, para o nível "médio" de correntes de íons em discussão, os fatores mais críticos que inibem a formação de um poço profundo são a focalização esférica inadequada e a neutralização de carga. A focalização é determinada em grande medida pelo grau em que as grades são superfícies de potencial esféricas. A grade precisa se aproximar de uma forma esférica com precisão de alguns por cento antes que outros fatores, como a transparência da grade e a pressão de fundo, passem a ter um papel importante. No entanto, à medida que a corrente aumenta, as exigências de esfericidade ficam um pouco relaxadas. Para um erro de construção da grade inferior a 5 por cento, aumentar a transparência da grade e reduzir a pressão também levará a uma melhora significativa na profundidade do poço." Esses resultados foram um tanto animadores. Contudo, mostraram que a deformação da grade poderia ser muito prejudicial. Isso merece alguns comentários. Primeiro, o autor atual (G. Miley) mostrou mais tarde que o projeto de grades com aberturas maiores produzia o modo ESTRELA, em que os feixes de íons passam pelo centro das aberturas, evitando colisões com a grade e tornando menos importante a esfericidade da própria grade. Isso é importante para dispositivos do tipo pequena fonte de nêutrons/prótons. Contudo, a hipótese de grades não responde à questão de como uma grade poderia sobreviver num reator de potência, nem se elas poderiam ser eliminadas para usar um poço de potencial com formação de eletrodo virtual. O uso de grades não pode ser totalmente descartado em reatores de potência. Técnicas de proteção por campo magnético, resfriamento ativo etc. são concebíveis. Outra questão diz respeito ao papel do gás de fundo no IEC. O ponto é este: quando Miley passou a simplificar o dispositivo para pequenas fontes de nêutrons, ele usou a descarga entre a grade e o vaso para formar os íons necessários à aceleração e à fusão. Isso força, inerentemente, o uso de uma pressão modesta de gás neutro de fundo do combustível (tipicamente deutério) dentro do vaso de reação. Isso, por sua vez, faz com que as reações dos íons com o gás de fundo se tornem um processo dominante nesses IECs. Tais interações incluem a própria fusão, o espalhamento, a troca de carga etc. Isso muda muito a física de plasma do IEC, em comparação com o ideal de um poço de potencial com pressão de fundo "zero". Algumas diferenças-chave na física desses IECs foram apontadas por Tim Thomson em seu estudo experimental descrito na Referência 1.4. Ele observou que: "Nos sistemas com grade atuais, a convergência não é importante, pois as reações de fusão feixe-alvo dominam a reatividade desses dispositivos, como evidencia a escala linear da reatividade com a corrente do cátodo. De fato, a convergência pode reduzir a reatividade ao formar um ânodo virtual que limita a densidade central de íons. Contudo, esse efeito de carga espacial pode ser superado pela introdução adequada de elétrons. É necessária boa convergência para alcançar a escala ótima de reatividade feixe-feixe nas aplicações que exigem taxas de reação de fusão mais altas, e a importância da simetria na determinação da convergência impõe uma UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 7

Nota editorial: Fim da citação de Klevens e Black (poço de potencial raso) e discussão do autor sobre a forma da grade, a pressão de fundo e a observação de Thomson.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFIEJIAL ~SE er•tv experimental parameters were obtained. The parameters which were varied include the background pressure, the ratio of electron to ion circulating currents, the applied potential difference between the grids, and the inner grid variables such as measured current, transparency, and construction error. When estimates of each of these parameters which simulate the ion injection mode experiment were inserted into the model, the resulting potential profile exhibited no more than a shallow potential well. This result is consistent with that of beam defection measurements in the ion injection mode experiments. In spite of these assumptions, the model is extremely valuable in determining the relative (sensitivity of the potential well profile and depth to effects of many of the system parameters. It has been found that for the "medium" level of ion currents under discussion, the most critical factors which inhibit deep well formation are inadequate spherical focusing and charge neutral ization. The focusing is determined to a great extent by the degree to which the grids are spherical potential surfaces. The grid must approach a spherical shape within a few percent before other factors such as grid transparency and background pressure play an important role. However, as the current is increased, the requirements for sphericity are somewhat relaxed. For a grid construction error of less than 5 percent, increasing the grid transparency and decreasing the pressure will also lead to significant improvement in well depth." These results were somewhat encouraging. However, they showed that grid deformation could be very harmful. This deserves several comments. First, the present author (G. Miley) later showed that design of grids with larger openings provided the STAR mode where ion beams passed through the center of the openings, avoid ing grid collisions and making spher icity of the grid itself less important. This is important for small neutron/proton source type devices. However, the assumption of grids fails to address the question of how a grid could survive in a power reactor or if they could be eliminated to use a potent ial well with virtual electrode formation. The use of grids cannot be completely ruled out for power reactors. Magnetic field protection techniques, active cooling, etc. are conceivable. Another question relates to the role of background gas in the IEC. The point is this: When Miley moved to simplify the device for small neutron sources, he used the discharge between the grid and vessel to form the ions needed for acceleration and fusion. This inherently forces use of a modest background neutral gas pressure of the fuel (typically deuterium) inside the reaction vessel. That in turn results in ion reactions with the background gas becoming a dominant process in these IECs. Such interaction includes fusion itself, scattering, charge exchange, etc. This greatly changes the plasma physics of the IEC as opposed to the ideal of a potential well with "zero" background pressure. Some key differences in the physics of such IECs were brought out by Tim Thomson in his experimental study described in Reference 1.4. He noted that: "In present gridded systems, convergence is not important since beam-target fusion reaction dominate the reactivity of these devices, as evidenced by the linear scaling of reactivity of these devices, as evidenced by the linear scaling of reactivity with the cathode current. In fact, convergence may reduce the reactivity by forming a virtual anode that limits the central ion density. However, this space charge effect can be overcome by proper introduction of electrons. Good convergence is required to achieve optimal beam-beam reactivity scaling for the application that require higher fusion reaction rates, and the importance of symmetry in determining convergence places a UNCLASSIFIED/ /P"Olt 8FFIEJIAk Wliii QrslL¥ 7

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] restrição a qualquer dispositivo IEC esférico planejado para essas aplicações. A perda observada de convergência com a diminuição da pressão e o aumento da corrente torna muito menos favorável alcançar uma escala feixe-feixe significativa." Além da questão do predomínio da fusão feixe-fundo nos sistemas com grade em pressões mais altas, Thomson apontou a importância dos íons energéticos que sofrem troca de carga e são perdidos do sistema. Esse trabalho e outros sobre os pequenos sistemas com grade da época mostraram vários problemas importantes, que se entendem melhor considerando a escala da fusão feixe-fundo em comparação com a feixe-feixe. A primeira escala com a densidade e a pressão como n_b · n_bk ⟨σv⟩ ∼ n_b · p ⟨σv⟩, enquanto a fusão feixe-feixe vai como n_b² ⟨σv⟩. Aqui: n_b = íons do feixe por cm³; n_bk = átomos de fundo por cm³; p = pressão de fundo; ⟨σv⟩ é a reatividade de fusão média sobre as funções de distribuição feixe-fundo (ou feixe-feixe) apropriadas. Se os íons são produzidos, como na maioria dos pequenos experimentos com grade, por colisões de ionização por elétrons com o gás neutro durante uma descarga de plasma entre a grade e a parede do vaso de vácuo, reduzir a pressão do gás de fundo também reduzirá a fonte de íons e, portanto, a taxa de reação. Assim, fica evidente que, para obter a escala feixe-feixe favorável necessária para entrar no regime de reator de potência, os íons precisam ser produzidos externamente, enquanto a câmara principal de reação é mantida em pressão de fundo muito baixa, para evitar perdas por troca de carga. De fato, sem explicar que essa era a razão, Hirsch usou "canhões" externos de íons em seu experimento inicial nos laboratórios de Farnsworth. O autor atual (G. Miley), porém, voltou à técnica da fonte de íons por descarga interna para simplificar o dispositivo em aplicações de fonte portátil de nêutrons. Os dispositivos de potência precisarão, contudo, voltar a algum tipo de produção externa. Essa questão será tratada de novo mais adiante. Enquanto os pesquisadores anteriores buscavam pequenas aberturas na grade, projetadas para fornecer fluxos uniformes de íons e boa convergência do plasma central (enfatizada nos artigos anteriores já citados), Miley divulgou num artigo da Referência 1.5 que o modo ESTRELA podia ser produzido com aberturas de grade maiores. Na verdade, Miley observou que três modos principais podem se formar em IECs com grade, dependendo da pressão e das aberturas da grade. São descritos assim: "A operação em descarga luminescente do IECGD é categorizada em três "modos" de descarga distintos: Estrela, Ponto Central e Halo (ilustrados na Figura 1.3). Esses nomes são bastante descritivos das aparências visuais da luz visível emitida pelas descargas. Os três modos são reprodutíveis e estáveis; cada um está associado a uma estrutura de poço de potencial diferente e, portanto, a uma taxa de produção de nêutrons diferente. O modo estrela foi usado extensivamente em experimentos recentes. Distingue-se por microcanais ou "raios" que irradiam para fora de um ponto central brilhante (Figura 1.4). Como verificado por experimentos de deflexão magnética, os raios são compostos principalmente de feixes de íons alinhados de modo a passar pelo centro das aberturas delimitadas pelos fios da grade. Esse modo é muito eficiente para a produção de nêutrons, pois a grande transparência efetiva da grade permite numerosas passagens dos íons pelo ponto central antes de serem interceptados pela grade ou de serem [palavra omitida no original] por troca de carga. O modo Estrela é tipicamente obtido em pressões de operação mais baixas (< 10 mTorr) e tensões mais altas (> 30 kV), usando uma grade cuidadosamente formada, com boa esfericidade e alta transparência (> 95 por cento). O modo halo (ou "jato") ocorre quando uma das aberturas da grade é ligeiramente ampliada em relação às outras." UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 8

Nota editorial: Distingue fusão feixe-fundo de feixe-feixe e define os modos estrela, ponto central e halo; conclui que um reator de potência exigiria fonte externa de íons e câmara em pressão muito baixa.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPl@IAL ~SE &PU:¥ constraint on any Spherical !EC device planned for these applications. The observed loss of convergence with decreasing pressure and increasing current makes achieving significant beam-beam scaling far less favorable ." In addition to the issue of beam-background fusion dominating in the gridded systems at higher pressures, Thomson pointed out the importance of energetic ions undergoing charge exchange and being lost from the system. This work and others on the small gridded systems at that time showed several important problems which are best understood by considering beam-background vs. beam-beam fusion scaling. The former scales with density and pressure as nb • nok<av> ~lilb • p <av> while beam-beam fusion goes as nb2<av > . Here: nb = beam ions per cm3; nbk= background atoms per cm3; p = background pressure; <av> is the fusion reactivity averaged over the appropriate beam ­ background (or beam-beam) distribution functions. If ions are produced as done in most small gridded experiments by electron ionization collisions with neutral gas during a plasma discharge between the grid and vacuum vessel wall, reduction of background gas pressure will also reduce the ion source, reducing the reaction rate. Thus, it becomes apparent that to get the favorable beam­ beam scaling needed to go into the power reactor regime, ions must be produced externally while the main reaction chamber is keep at very low background pressure to avoid charge exchange losses. Indeed, without explaining that this was the reason, Hirsch used external ion '\guns" in his early experiment at Farnsworth labs. The present author (G. Miley), however, went back to the internal discharge ion source technique to simplify the device for portable neutron source appli,cations. Power devices will need to go back to external production of some type however. Again, this issue will be addressed further later . While earlier workers sought small grid openings designed to provide uniform ion flows for good core plasma convergence (stressed in the earlier papers already noted), Miley disclosed in a paper in Reference 1.5 that the STAR mode could be produced with wider grid openings. In fact, Miley noted that three key modes can be formed in gridded IECs depending on the pressure and grid openings. These are described as: "Glow discharge operation of the IECGD is categor ized by three distinct discharge "modes": Star, Central Spot, and Halo (illustrated in Figure 1.3). These names are quite descriptive of the visual appearances of the visible light emitted from the discharges. All three modes are reproducible and stable; each is associated with a different potential well structure, hence neutron production rate. The star mode was used extensively in recent experiments. It is distinguished by microchannels or "spokes" radiating outward from a bright center spot (Figure 1.4). As verified by magnetic deflection experiments, the spokes are primarily composed of ion beams aligned so that they pass through the center of the openings delineated by the grid-wires. This mode is very efficient for neutron production, since the large effective grid transparency allows numerous passes of ions through the center spot before being intercepted by the grid or being ion by charge exchange. The Star mode is typically obtained at lower operating pressures (<10 mTorr) and higher voltages (>30 kV), using a carefully formed grid with good sphericity and high transparency (>95 percent). The halo (or "jet") mode occurs when one of the grid openings is slightly enlarged compared to the others." UNCLASSIFIED/ )FOA OFFIQIAk Wliii 01\lk¥ 8

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] [Figura 1.3: desenhos esquemáticos dos modos de descarga.] [Figura 1.4: fotografia.] Figura 1.4. Foto do modo estrela vista por uma janela de porta do vaso de reação Figura 1.3. Modos de descarga em dispositivos com grade identificados por Miley Em resumo, a abordagem básica do IEC é criar um poço de potencial por meio do confinamento eletrostático de uma das espécies do plasma numa configuração dinâmica (inercial). Os efeitos "inerciais" associados ao movimento dinâmico da espécie confinada são essenciais para evitar as perdas de plasma previstas para sistemas por Earnshaw (como já mencionado). As duas abordagens principais podem ser chamadas de "injeção de íons" ou "injeção de elétrons", sendo a espécie "injetada" aquela que forma o poço de potencial. Para manter o poço, a segunda espécie trazida junto com a injetada não pode neutralizar por completo o plasma; ou seja, o plasma do IEC é, por natureza, "quase neutro". Esse poço proporciona então o aprisionamento e a convergência do "fluxo" de íons em direção ao centro da região da armadilha, formando ali um plasma denso em fusão. Num reator de potência, o objetivo é obter colisões feixe-feixe de íons nesse núcleo central. Para a produção de nêutrons/prótons, taxas de reação satisfatórias podem vir de colisões feixe-fundo. Contudo, essa escala com a corrente injetada exigiria potência de entrada excessiva para uma unidade prática produtora de energia. Assim, a escala feixe-feixe da taxa de reação com o quadrado da corrente (ou potências maiores, como observado antes, que podem ser possíveis por efeitos não lineares) é essencial. A visão de um reator de potência busca uma pressão de fundo "zero" e, portanto, envolve em geral uma fonte externa de íons, com aceleração para dentro da armadilha em pressão ultrabaixa, para obter colisões feixe-feixe. Como descrito antes, isso muda os detalhes da física recém-discutida para um dispositivo ideal de pressão de fundo "zero". A questão de se a armadilha deve ser formada por injeção de íons ou "cavando um poço" com elétrons continua em aberto, mas envolve questões de estabilidade e de otimização do volume de reação (focalização). Como a discussão até aqui foi em grande parte sobre dispositivos com grade, a seguir revisamos brevemente algumas outras abordagens: o conceito HEPS de Bussard, a armadilha de Penning de Barnes e Nebel, o dispositivo POPS de Nebel e o dispositivo de injeção de íons de Miley. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 9

Nota editorial: Figuras 1.3 (modos de descarga) e 1.4 (foto do modo estrela) e resumo da abordagem IEC por injeção de íons ou de elétrons.

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UNCLASSIFIED! /POI\ OPPlelAL ~SE &PU:¥ ',I I I , I • I \ I I I I I I, ... ___ ,.,. ; Figure 1.4. Photo of Star Mode Seen Through a Reaction Vessel Port Window Figure 1.3. Discharge Modes in Gridded Devices Identified by Miley In summary, the basic IEC approach is to create a potential well through electrostatic confinement of one of the plasma species in a dynamic (inertial) configuration. "Inertial" effects associated with dynamic motion of the confined species are essential to avoid plasma losses predicted for systems by Earnshaw (as noted earlier). The two primary approaches can be termed, "ion injected" or "electron injected", the "injected" species being the one form ing the potential well. In order to mainta in the well, the second species brought in with the injected one must not completely neutralize the plasma, i.e., the IEC plasma is inherent ly "quasi-neutral". This well then provides trapp ing and convergence of the ion "streaming" towards the center of the trap region, forming a dense fusing plasma there. For a power reactor the objective is to obtain ion beam-beam collisions in this central core. For neutron/proton production satisfactory reaction rates can come from beam background collisions. However, this sca ling with injected current would require excessive input power for a practical power -producing unit. Thus beam-beam scaling of the reaction rate as the current squared (or higher powers as noted earlier may be possible due to nonlinear effects) is essential. The vision of a power reactor seeks a "zero" background pressure, thus generally involves an external ion source with acceleration into the trap at ultra low pressure to obtain beam-beam collisions. As described earlier, this changes the details of the physics just discussed for an ideal "zero" background pressure device. The issue of whether the trap should be formed by ion injection or by "digging a well" with electrons remains open, but involves stability and reaction volume (focusing) optimization issues. Since the discussion to here has been largely on gridded devices, we next briefly review some other approaches: the Bussard HEPS concept, the Barnes Nebel Penning trap, the Nebel POPS device, and the Miley ion injected device. UNCLASSIFIED/ /F8R 8ffl@IAL l:t!!! or•t I 9

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Conceito Bussard HEPS (ou Polywell) No IEC Polywell de Bussard, um campo magnético esférico chamado "Polywell" é obtido de forma aproximada com um campo magnético de cúspide multipolar (Referência 1.6). Mais sobre a teoria dos fluxos nessa configuração é dado no artigo de N. Krall (Referência 1.7), e algumas questões de estabilidade são tratadas no artigo de Wong e Krall da Referência 1.8. Um dos pontos centrais da física gira em torno das perdas de elétrons pelos polos no campo de cúspide. Krall e Bussard argumentam que um efeito de "bola de waffle" do plasma faz o ângulo do cone de perda diminuir, devido à alta pressão desenvolvida no plasma do IEC. A questão ainda precisa de mais verificação experimental. A abordagem Polywell é muito importante e é atualmente perseguida pela empresa EMC2, de R. Nebel, em Santa Fe, com financiamento significativo do Departamento de Defesa (DOD). Mais informações serão dadas ao longo deste relatório, mas o leitor é incentivado a estudar os relatórios e artigos, como já explicado antes, pois o presente relatório se dirige mais aos estudos de dispositivos do tipo "com injeção de íons" na UIUC. Armadilha de Penning de Barnes e Nebel O conceito da armadilha de Penning descrito na Referência 1.9 é explicado por Barnes et al. assim: "O dispositivo de Fusão de Penning (PF) usa um princípio singular de confinamento de plasma. Na PF, um plasma de elétrons não neutro é confinado numa armadilha de Penning modificada por uma combinação de campos magnetostático e eletrostático aplicados. A carga espacial dos elétrons, por sua vez, confina eletrostaticamente uma espécie de íons minoritária, não magnetizada. Para aplicar tal sistema à produção de energia de fusão, é necessário elevar as tensões aplicadas (que produzem o campo eletrostático de confinamento) à ordem de 100 kV ou mais. Mesmo com um potencial tão alto, num sistema de tamanho prático, a densidade de elétrons (e, em grau maior, a densidade de íons) fica aquém da necessária para dar uma reatividade de fusão razoável. Assim, intrínseca ao interesse da PF como conceito é a ideia de focalização dos íons, no espaço ou no tempo, ou de algum outro meio de aumentar a reatividade dos íons. Dessa forma, a reatividade pode ser muito ampliada em relação à disponível com a densidade de fundo. A Fusão de Penning está fortemente relacionada ao IEC, mas procura tratar duas limitações do IEC. Primeiro, seguindo a teoria Polywell de Bussard e Krall (Referências 1.6, 1.7), a grade é substituída por uma nuvem de elétrons, que forma um cátodo virtual. Assim, evitam-se as colisões íon-grade e as limitações associadas (como a emissão de elétrons secundários pela grade e o aquecimento da grade). Segundo, as altas taxas de colisões íon-íon, que limitam o ganho de fusão Q teoricamente alcançável (potência de fusão/potência de entrada) a cerca de uma unidade, são evitadas até certo ponto com esse tipo de poço. Contudo, permanecem como questões a perda de elétrons e as perdas pelo cone, o dano de radiação aos ímãs e seu resfriamento, e a capacidade de contornar o limite de densidade de Elmore et al." Dispositivo POPS de Nebel Estudos teóricos de Barnes e Nebel (Referência 1.10) mostram que uma pequena nuvem de íons oscilante interna pode sofrer um colapso autossimilar num potencial de oscilador harmônico formado por um fundo uniforme de elétrons. Isso forma então um dispositivo IEC dinâmico, mas com um fator de distribuição de íons bem diferente do "convencional", semelhante a feixe. Uma questão-chave desse conceito é quanta compressão do plasma pode ser alcançada pelas oscilações do POPS (Esfera de Plasma com Oscilação Periódica). Trabalhos recentes mostraram que, programando adequadamente a função de distribuição dos elétrons injetados, é possível melhorar significativamente a neutralização dinâmica da carga espacial e a compressão do plasma. A Referência 1.10 estende esse trabalho anterior de modo sistemático, desenvolvendo um formalismo que determina a distribuição de velocidades necessária de UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 10

Nota editorial: Descreve o Polywell de Bussard, a armadilha de Penning de Barnes e Nebel e o dispositivo POPS, apontando perda de elétrons, focalização de íons e estabilidade como questões abertas.

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UNCLASSIFIED/ / FOA OFFl&il Ak lalli& O,.klf Bussard HEPS (or Polywell) Concept In Bussard's Polywell IEC, a spherical magnetic field termed a "Polywell" is approximately obtained with a multi-pole cusp magnetic field (Reference 1.6). More about the theory of flows in this configuration is given In the paper by N. Krall (Reference 1.7), and some stability issues are addressed in the Wang and Kral I paper of Reference 1.8. One of the key physics revolves around electron losses from the poles in the cusp field. Krall and Bussard argue that a plasma "waffle-ball" effect causes the loss cone angle to be reduced due to the high pressure developed in the IEC plasma. The issue still needs further experimenta l verification. The Polywell approach is very important and it is currently pursued by R. Nebel's EMC2 company in Santa Fe with significant DOD funding. More insights will be provided throughout this report, but the reader is encouraged to study the reports/articles, as already explained earlier, since the present report is directed more at "ion injected" type devices studies at UIUC. Barnes Nebel Penning Trap The Penning trap concept described in Reference 1.9 is explained by Barnes et al. as: "The Penning Fusion (PF) device uses a unique plasma confinement principle. In PF, a nonneutral electron plasma is confined in a modified Penning trap by a combination of applied magnetostatic and electrostatic fields. The e!lectron space charge, in turn, electrostatically confines a minority, unmagnetized ion species. To apply such a system to fusion energy production, it is necessary to raise the applied voltages (producing the confining electrostatic field) to the order of 100 kV or greater. Even with such a high potential, in a practically sized system, the electron density (and to a greater degree the ion density) falls short of that required to give reasonab le fusion reactivity . Thus, intrinsic to PF being an interesting concept is the idea of ion focusing, either in space or time, or some other means of enhancing ion reactivity. In this way the reactivity may be greatly enhanced over that available with the background density. Penning Fusion is strongly related to the IEC, but it attempts to address two limitations of the IEC. First, following the Bussard-Krall Polywell theory (Reference 1.6, 1.7) the grid is replaced by an electron cloud, which forms a virtual cathode. In this way, ion-grid collisions and associated limitations (such as secondary electron emission from the grid and grid heating) are avoided. Second, high rates of ion-ion collisions, which limit the theoretically achievable fusion gain Q (fusion power/input power) to around unity are avoided to some extent with this type of well. However, issues of electron loss and cone losses, radiation damage of the magnets and cooling, and the abilit y to circumvent the Elmore et al. density limit remain as questions. Nebel POPS Device Theoretical studies by Barnes and Nebel (Reference 1.10) show that a small interna l oscillating ion cloud may undergo a self-simi lar collapse in a harmonic oscillator potential formed by a uniform electron background. This then forms a dynamic IEC device, but with a quite different ion distribution factor vs. the "conventiona l" beam -li ke one. A key issue for this concept is how much plasma compression can be achieved by the POPS (Periodically Oscillating Plasma Sphere) oscillations. Recent work has shown that by properly programming the distribution function of the injected electrons it is possible to significantly improve the space dynamic charge neutralization and the plasma compression. Reference 1.10 extends that previous work in a systematic fashion by developing a formalism that determines the required velocity distribution of UNCLASSIFIED//5 09 OFFICI 0l 11ili Alll¥ 10

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] elétrons injetados para que se consiga a neutralização da carga espacial. Esse formalismo é então incluído como condição de contorno num código de partículas sem grade. Os resultados indicam que, embora o formalismo funcione bem nas fases iniciais da compressão, quando a compressão fica grande a solução se bifurca e deixa de ter sentido físico. Experimentos posteriores com o POPS no Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) foram animadores, mas não foram continuados com alto nível de esforço porque funcionários-chave saíram para a EMC2. Assim, a praticidade desse conceito continua sendo uma questão em aberto, que merece mais pesquisa. Dispositivo de "injeção de íons" de Miley A chave para desenvolver um dispositivo de potência IEC é usar "canhões" externos de íons para formar e injetar íons na câmara esférica do IEC. Isso elimina a necessidade de uma grade, e o bombeamento diferencial entre o canhão e a câmara permite o alto vácuo necessário na câmara. (A injeção de íons por canhões externos foi usada originalmente por Hirsch, como já observado. Além disso, mais recentemente, outros laboratórios, como a Universidade de Wisconsin e a Universidade de Kyoto/Instituto de Tecnologia de Tóquio, iniciaram trabalhos de injeção por canhão. Parte disso é descrita adiante neste relatório.) A formação dos íons é feita na região de descarga do canhão, em alta pressão, fora da câmara. Miley, na UIUC (ver Seções IV e VI), vem estudando um sistema assim, tanto teórica quanto experimentalmente. Os estudos teóricos confirmam que um plasma IEC desse tipo pode existir de forma estável e tem tempo de confinamento suficiente para a fusão aneutrônica. Isso supõe, porém, que se mantenha um controle muito preciso da energia e do momento angular dos íons injetados e que se forneça um suprimento equilibrado de elétrons. Um injetor (ou "canhão") de radiofrequência (RF) capaz de tal operação já foi desenvolvido. Um esboço desse projeto aparece na Figura 1.5. [Figura 1.5, rótulos do esquema: lente magnética de focalização; flange de aço inoxidável; cerâmica (isolante); potencial negativo; feixe; parede positiva, parte da câmara de vácuo; ressonador coaxial de cobre: cilindro oco; fluxo de plasma superior: flutuante; alimentação de gás D2; bobinas magnéticas diferenciais; antena helicoidal; tubo de vidro; gerador de RF; fluxo de plasma inferior: flutuante.] Figura 1.5. Esquema do injetor de canhão de RF da UIUC para experimentos com IEC UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 11

Nota editorial: Fecha a descrição do POPS e apresenta o injetor de íons de radiofrequência da UIUC (Figura 1.5), base do reator de potência proposto pelo autor.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL ~81!! 9HLY the injected electrons so space charge neutralizatio111 can be achieved. This formalism is then included as a boundary condition in a gridless particle code. Results indicate that although the formalism works well during the early phases of compression, when the compression gets large the solution bifurcates and becomes unphys ical. Subsequent experiments on POPS at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) were encouraging, but have not been continued at a high level of effort due to key staff leaving for EMC2 . Thus, the practicality of this concept remains an open question which deserves more research. Miley's "Ion Injected" Device The key to developing a IEC power device is to use external ion "guns" to form and inj ect Ions into the spherical IEC chamber. This eliminates the need for a grid and differential pumping between the gun and chamber allows the high vacuum needed in the chamber. (Ion injection by external guns was originally used by Hirsch as already noted. Also, more recently other labs, e.g. the University of Wisconsin and University of Kyoto/Tokyo Institute of Technology, have started gun injection work. Some of that is described later in this report) . The ion formation is done in the high pressure gun discharge region outside of the chamber. Miley at UIUC (see Sections IV and VI) has been studying such a system, both theoretically and experimentally. The theoretical studies confirm that such an IEC plasma can exist stably and has sufficient confinement time for aneutronic fusion. This assumes, however, very precise control is maintained over the energy and angular momentum of injected ions and a balanced supply of electrons is provided. A radio-frequency (RF) ion injector (or "gun") capable of such operation has already been developed . A sketch of this design is shown in Figure 1.5. magnetic focusing lens stainless steel flange ceramic (insulator) negative potential Q~ nbeam~t,,J;,l;~==;:;= ==l: positive wall, part of vacuum chamber ~ t:t,:==;=f=i=r"iF=;;:=l coaxial copper resonator: hollow cylindrical l upper plasma stream: floating D2 gas feed ~l=t'A'Ft,VtJil/1t:tl't~l=l:~l4..,._ lj magnetic differential coils helical antenna ! glass tube RF generator lower plasma stream: floating Figure 1.5. Schematic of the UIUC RF Gun Injector for IEC Experiments UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI51Ak Wlili 0Plk¥ 11

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Nesse canhão de RF, um campo magnético de índice graduado é usado para aumentar a eficiência de ionização. Um componente-chave é a lente magnética de focalização na porta de extração. Ela permite um bombeamento diferencial muito eficiente entre a câmara do canhão, de alta pressão, e a câmara do IEC, de baixa pressão. Também dá algum controle sobre a velocidade angular dos íons que entram. O injetor de íons de RF da UIUC aparece acoplado a uma câmara IEC na Figura 1.6, e uma fotografia do ponto focal obtido com a injeção desse injetor único aparece na Figura 1.7. Note-se que o espalhamento de íons no "núcleo" denso central do plasma causa feixes de íons recirculantes visíveis (mas "tênues") na fotografia da descarga. Com injetores adicionais, o padrão de recirculação deveria se tornar bastante simétrico em torno do centro. Esses estudos incluíram bombeamento diferencial, de modo que o número de passagens recirculantes, N, de um íon foi muito baixo, cerca de 2. A corrente de íons injetada, I, foi de cerca de 50 mA. Ainda assim, com base nas medições de nêutrons emitidos usando combustível deutério, o Q (ganho de energia de fusão/energia fornecida) foi notável para um dispositivo tão pequeno, da ordem de 10^-6. Com base nesses resultados, um experimento agressivo de equilíbrio energético com p-11B usando esse tipo de IEC é discutido na Seção VI. Figura 1.6. Canhão de RF acoplado a uma câmara IEC no laboratório da UIUC Figura 1.7. Foto da formação do ponto central. O feixe principal observado é um caminho direto ao longo do ângulo do injetor. Outros canais de luz tênues indicam feixes de espalhamento da região do núcleo central. OBSERVAÇÕES FINAIS Como se vê, uma grande quantidade de informação foi desenvolvida em estudos de dispositivos IEC com grade. Contudo, a fusão feixe-fundo usada nesses dispositivos envolve diferenças importantes de física em comparação com o que é necessário para futuros reatores IEC feixe-feixe. O mais notável é a necessidade de manter uma pressão de fundo extremamente baixa, para impedir interações com neutros de fundo. Além disso, as grades físicas estão sujeitas a dano em altos níveis de potência. Como apontado, alguns estudos mostram que as grades podem sobreviver em potências modestas. Mas, para unidades de potência agressivas, como a usina de p-11B da Seção VI, elas precisam ser substituídas por superfícies de eletrodo virtuais que criem um poço de potencial profundo para o confinamento dos íons. O espalhamento para fora do poço, com ganho de energia, precisa ser minimizado, enquanto as temperaturas dos elétrons UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 12

Nota editorial: Fotografias do injetor de RF e do ponto focal, com a estimativa de ganho de fusão da ordem de 10^-6 no pequeno dispositivo, e observações finais da Seção I.

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UNCLASSIFIED/ /FOA QFFI&IAL ~!ii: f>HLY In this RF gun, a graded index magnetic field is used to increase the ionization efficiency. A key component is the magnetic focusing lens at the extraction port. This allows very efficient differential pumping between the high pressure gun chamber and the low pressure IEC chamber. It also provides some control of the angular vellocity of entering ions. The UIUC RF ion-injector is shown attached to an IEC chamber in Figure 1.6, and a photograph of the focal spot achieved with injection from this single injector is shown in Figure 1.7. Note that ion scattering off of the center dense plasma "core" causes noticeable (but "faint") recirculating ion beams observed in the photograph of the discharge. With additional injectors, the recirculation pattern should become quite symmetrical about the center. These studies did include differential pumping so that number of recircu lating passes, ~. by an ion was very low, roughly 2. The injected ion current, I, was about 50 mA. Still, based on measurements of neutrons emitted using deuterium fuel, the Q (fusion energy gain/energy in) was remarkable for such a small device, order of 10·6. Based on these results, an aggressive p- 11B breakeven experiment using this type of IEC is discussed in Section VI. Figure 1.6. RF Gun Attached to an IEC Chamber in Figure 1.7. Photo of Center Spot Formation. The the UIUC Laboratory main beam observed is a direct path along the injector angle. Other faint light channels indicate beams for scattering of the central core region. CLOSING REMARKS As seen, a wealth of information has been developed in studies of gridded IEC devices. However, the beam-background fusion used in these devices involves important differences in physics compared to what is needed for future beam-beam IEC reactors. Most notable is the need to maintain an extremely low background pressure to prevent interactions with background neutrals. Further, physica l grids are subject to damage at high power levels. As pointed out, some studies show grids can survive at modest powers. But, for aggressive power units such as the p-11B plant of Section VI, they must be replaced with virtual electrode surfaces creating a deep potential well for ion confinement. Upscattering out of the well must be minimized while electron UNCLASSIFIED/ /liOA: OlililCI0L: !Pi'li ODIL:¥ 12

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Fusão por Confinamento Eletrostático Inercial Preparado por: Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) Escritório de Alerta de Defesa Diretoria de Análise Agência de Inteligência de Defesa Autor: AAP Person 70 Nota administrativa AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a divulgação adicional das fotografias desta publicação. Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a [AAP Person 1], Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] ii

Nota editorial: Expediente: indica a divisão da DIA que preparou o relatório, a série a que pertence e o aviso sobre as fotografias.

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UNCLASSIFIED/ }F8R 8FFl&IAL W&& 8flki\f Inertial Electrostatic Confinement Fusion Prepared by: Acquisition Support Division (DW0-3) Defense Warning Office Directorate for Analysis Defense Intelligence Agency Author: AAP Person 70 Administrative Note COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized. This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009 under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace Weapon System Applications (AAWSA) Program. Comments or questions pertaining to this document should be address ed to !AAP Person 1 IAAWSA Program Manager, Defense Inte lligence Agency, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000 , Washington, DC 20340 - 5100 . UNCLASSIFIED//liQA QFfilGIAk W&E 8HL?f ii

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] forem suprimidas. Essas questões serão discutidas adiante na Seção IV, sobre teoria, e na Seção VI, sobre um experimento de equilíbrio energético proposto. REFERÊNCIAS 1.1 W. Elmore, J. Tuck e K. Watson, [referências bibliográficas no original], Phys. Fluids, vol. 2, n. 3 (1959), pp. 239-246. 1.2 R.L. Hirsch, [referências bibliográficas no original], J. of Appl. Phys., vol. 38 (1967), pp. 4522-4534. 1.3 W. M. Black e E. H. Klevans, [referências bibliográficas no original], J. of Appl. Phys., vol. 45, n. 6 (1974), pp. 2502-2511. 1.4 T. A. Thorson, R. D. Durst, R. J. Fonck e L. P. Wainwright, [referências bibliográficas no original], Phys. Plasmas, vol. 4, n. 1 (1997), pp. 4-5. 1.5 G.H. Miley et al., [referências bibliográficas no original], Third International Conference on Dense Z-pinches, AIP Conference Proceedings 299 (1993), pp. 675-689. 1.6 R.W. Bussard, [referências bibliográficas no original], Fusion Technology, vol. 19, n. 2 (1991), pp. 273-293. 1.7 N. A. Krall, [referências bibliográficas no original], Fusion Technology, vol. 22, n. 1 (1992), pp. 42-49. 1.8 S. K. Wong e N. A. Krall, [referências bibliográficas no original], Phys. Fluids B, vol. 5, n. 6 (1993), pp. 1706-1714. 1.9 D. C. Barnes, M. M. Schauer, K. R. Umstadter, L. Chacon e G. H. Miley, [referências bibliográficas no original], Phys. Plasmas, vol. 7, n. 5, maio (2000). 1.10 R. A. Nebel, D. C. Barnes, Fusion Technology 38, 28 (1998). 1.11 D. C. Barnes, R. A. Nebel, [referências bibliográficas no original], Physics of Plasmas 5, 2498 (1998). 1.12 J. Park, R. A. Nebel, S. Stange, S. K. Murali, [referências bibliográficas no original], Physics of Plasmas 12 (2005) 056315. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 13

Nota editorial: Fim da Seção I e lista de referências bibliográficas dessa seção.

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UNCLASSIFIED/ /fOft Offl@IAL l!ISE 8P•tlf temperatures are suppressed. These issues will be discussed further in Section IV on theory and Section VI on a proposed breakeven exper iment. REFERENCES 1.1 W. Elmore, J. Tuck, and K. Watson, "On the Inertial-Electrostatic Confinement of a Plasma", Phys. Fluids, vol. 2, No. 3, ( 1959) pp. 239-246 . 1.2 R.L. Hirsch, "Inertial-electrostatic confinement of ionized fusion gases," J. of Appl. Phys., vol. 38, (1967) pp. 4522-4534. 1.3 W. M. Black and E. H. Klevans, "Theory of Potential -Well Formation in an Electrostatic Confinement Device", J. of Appl. Phys., Vol. 45, No. 6 (1974) pp. 2502- 2511. 1.4 T. A. Thorson, R. D. Durst, R. J. Fonck, and L. P. Wainwright, "Convergence Electrostatic Potential, and Density Measurements in a Spherical Convergent Ion Focus", Phys. Plasmas, vol. 4, no. 1, (1997) pp. 4-5. 1.5 G.H. Miley, et al., "Inertial -electrostatic confinement neutron proto n source," Third International Conference on Dense 2-pinches, AIP Conference Proceedings 299, (1993) pp. 675-689. 1.6 R.W. Bussard, "Some Physics Considerations of Magnetic Inertial -Electrostatic Confinement : A New Concept for Spherical Converging -Flow Fusion", Fusion Technology, vol. 19, no. 2, (1991) pp. 273-293. 1.7 N. A. Krall, "The Polywell™: A Spherically Convergent Ion Focus Concept", Fusion Technology, vol. 22, nol, (1992) pp. 42-49. 1.8 S. K. Wong and N. A. Krall, "A Nonlocal Theory of Counterstreaming Ion Instability", Phys. Fluids B, vol. 5, no.6, (1993) pp. 1706- 1714. 1.9 D. C. Barnes, M. M. Schauer, K. R. Umstadter, L. Chacon, and G. H. Miley, "Electron equilibrium and confinement in a modified Penning trap and its application to Penning fusion", Phys. Plasmas, vol. 7, no. 5, May (2000). 1.10 R. A. Nebel, D. C. Barnes, Fusion Technology 38, 28 (1998). 1.11 D. C. Barnes, R. A. Nebel, "Stable, thermal equilibrium, large -amplitude, spherical plasma oscillations in electrostatic confinement devices", Physics of Plasmas 5, 2498 (1998). 1.12 J. Park, R. A. Nebel, S. Stange, S. K. Murali, "Periodically oscillating plasma sphere", Physics of Plasmas 12, (2005) 056315. UNCLASSIFIED/ /FOA OFFIQIAk Wliii 01\lk¥ 13

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Seção II. Experimentos selecionados Nesta seção, alguns experimentos selecionados são revistos brevemente, com foco principal nos IECs com injeção de íons. Começa-se pelos primeiros experimentos de IEC com injeção por canhão de Hirsch, importantes tanto do ponto de vista histórico quanto da física. Em seguida, são tratados outros experimentos voltados a aplicações "derivadas" e, depois, uma discussão de vários estudos recentes do tipo injeção por canhão. Leitores interessados em mais detalhes devem consultar as referências. Na Referência 2.1, Robert Hirsch divulgou resultados experimentais com taxas muito altas de nêutrons D-T de um IEC com injeção de íons, mostrado na Figura 2.1. Note-se que foram usados seis "canhões" de íons para criar um feixe de íons de baixa energia, que entrava na câmara e era aprisionado por estruturas eletrostáticas para formar a estrutura de poço de potencial desejada para a operação do IEC. Contudo, não se usou bombeamento diferencial, de modo que colisões feixe-fundo e de troca de carga devem ter continuado a ter um papel significativo nesse experimento. Mesmo assim, Hirsch obteve taxas "recorde" de nêutrons para a fusão D-T, mostradas na Figura 2.2. [Figura 2.1: desenho do aparelho, com rótulos "ROBERT L. HIRSCH", cúpula de alta tensão, confinamento, fontes de alimentação auxiliares e isolador de alta tensão. Figura 2.2: gráfico de taxa de nêutrons (de 10^6 a 10^10) em função do potencial aplicado, V.] Figura 2.1. O "histórico" experimento inicial de injeção de íons no IEC, de R. Hirsch, trabalhando com Philo Farnsworth Figura 2.2. As taxas de nêutrons medidas com o IEC da Figura 2.1 superaram 10^9 n/s de D-T a 150 kV. Para dar perspectiva, note-se que, como discutido adiante, os dispositivos IEC com grade da UIUC produzem rotineiramente 10^8 n/s de D-D a cerca de 80 kV. Isso fica um pouco acima do resultado de Hirsch, mas usa correntes de íons maiores. O ponto-chave desse resultado notável é que as taxas de produção de nêutrons estão bem acima das previstas por simples reações de fusão feixe-fundo, o que implica que o benefício UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 14

Nota editorial: Abertura da Seção II: o experimento histórico de injeção de íons de Hirsch com Farnsworth (Figura 2.1) e suas taxas de nêutrons (Figura 2.2).

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UNCLASSIFIED/ / FOR OFFIElIAk WSE OPtklf Section II . Select Experiments In this section some select experiments are briefly reviewed with the main focus on ion­ injected IECs. Beginning with the early Hirsch gun injected IEC experiments that are important both historically and from a physics perspective. Other experiments aimed at "spin -off" applications are then covered, followed by a discussion of several recent gun injection type studies. Readers interested in more detail should consult references. In Reference 2.1, Robert Hirsh disclosed experimen t al results with very high D-T neutron rates from an ion-injected IEC shown if Figure 2.1. Note that six ion "guns" were used to create a low energy ion beam that entered the chamber and was trapped via electrostatic structures to form the potential well structure desired for IEC operation. However, differential pumping was not used so beam-background and charge -exchange collision must have still played a significant role in this experiment. Still Hirsch obtained "record" neutron rates for DT fusion shown in Figure 2.2. ROBERT L , HIRSCH ,010 0 u 109 w ll) .... ~ 0Q:: t- ~ co.I 108 . I- :, 0. 6 107 I- :J .z 106 .. e- ·--,r, / ' : ~ HIGH VOL.TAG[ DOME CONU,INING [g AUXIL A,tY POWER SUPPI.IES tHGH VOLTAGE INSUL. ATOA AP PUEO POT Tl~L - V Figure 2.1. The "Historic" Early IEC Ion Injection Figure 2.2. Neutron Rates Measured With the IEC of Experiment of R. Hirsch Working With Philo Figure 2,1 Exceeded 109 OT n/s at 150 kV. For Farnsworth perspective, note that, as discussed later, UIUC IEC gridded devices routin ely produce 108 DD n/s at "' 80 kV. This is sl ightly above Hirsch's result but uses higher ion currents. The key point about this remarkable result is that the neutron production rates are well about that predicted by simple beam-background fusion reactions, implying that benefit UNCLASSIFIED/ / &OA: O&&ICI AL !!ii ODt11 X 14

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] foi obtido de reações feixe-feixe por recirculação num poço de potencial como o da Figura 2.1 (mas sem estruturas múltiplas). De fato, para confirmar ainda mais a existência de um poço de potencial, Hirsch fez medições colimadas tanto de nêutrons quanto de raios gama. Como mostrado no artigo, ele encontrou estrutura em ambas, coerente com a formação de um poço. Uma explicação possível é que as densidades de íons e elétrons obtidas foram altas o bastante para "queimar" (ionizar por completo) os neutros de fundo dentro do poço de potencial. Não há, porém, evidência direta que sustente essa visão. Esses resultados importantes nunca foram plenamente explicados. Tentativas de reproduzir seus experimentos foram feitas por Gardner e colaboradores na Universidade Brigham Young (Referência 2.1), que tomaram emprestado o dispositivo original usado por Hirsch. Contudo, apesar de muitos meses de esforço, a produção de nêutrons que obtiveram foi significativamente menor que a relatada por Hirsch. Eles atribuíram o problema à falha em recuperar o alinhamento dos canhões necessário para ter um "núcleo" de plasma altamente convergido no centro do dispositivo. Um grande obstáculo parece ter sido que não se previu nenhum meio de permitir o alinhamento de precisão dos íons dos canhões que entravam no dispositivo (embora os pesquisadores não o tenham mencionado de forma explícita). Mais tarde, quando Miley retomou os experimentos com canhões, seu primeiro projeto de canhão seguiu muitos dos elementos de projeto usados por Hirsch, mas incorporou direcionamento eletrostático do feixe. Isso funcionou bem, mas o projeto foi por fim descartado para passar a canhões de RF com correntes de feixe muito maiores. Além disso, o projeto de canhão da Figura 1.5 usa um bocal magnético para reduzir o diâmetro do feixe que sai e para permitir um forte bombeamento diferencial (não usado nos experimentos anteriores de Hirsch). Deve-se enfatizar de novo aqui que os termos "injetor" e "canhão" enganam. O objetivo é simplesmente fazer "fluir" íons de baixa energia para dentro do dispositivo, de modo que sejam então acelerados até as energias de fusão pela grade ou pela estrutura de eletrodo virtual. Assim, é preciso que haja perda da energia "em excesso" após a injeção para aprisionar o íon, isto é, para impedir que ele simplesmente atravesse o poço de potencial e atinja a parede oposta. Pode-se introduzir um refletor polarizado na parede oposta para ajudar a evitar isso, mas isso só funciona bem se os íons que entram tiverem pouca energia em excesso. Para entender melhor esse problema, aconselha-se o leitor a estudar o projeto da câmara de Hirsch da Referência 2.2, que usa uma grade auxiliar polarizada ("refletor") perto da parede. De fato, a questão de como introduzir os íons no poço de potencial de modo que sua energia fique abaixo da necessária para escapar do poço é fundamental para o projeto correto do IEC. Além dos projetos que causam uma perda inicial de energia dos íons para "deixá-los cair" no poço de potencial, projetos com fontes de íons "embutidas" no poço, de modo que os íons nasçam aprisionados, são discutidos adiante. Os dispositivos com grade para aplicações de curto prazo, como a análise por ativação neutrônica (NAA), não dependem de armadilhas de potencial virtuais. Em vez disso, a polarização negativa da grade forma uma armadilha de potencial, e os íons nascem dentro dela por colisões de ionização na descarga de plasma interna. Note-se que o caso com injeção de elétrons enfrenta o mesmo problema de pôr íons na armadilha de potencial. A abordagem usada com o Polywell emprega uma fonte de íons embutida e conta com densidades de "queima" para eliminar os neutros. O sucesso com essa técnica, após muitos problemas, foi a chave que levou ao "avanço" relatado por R. W. Bussard (como observado antes) pouco antes de sua morte. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 15

Nota editorial: O autor informa que os resultados de Hirsch nunca foram plenamente explicados nem reproduzidos por uma equipe posterior, e discute como fazer os íons injetados ficarem presos no poço.

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UNCLASSIFIED/ /fOR Offl@IAL ~SE 8,.Llf was obtained from recirculation beam-beam reacti ons in a potential well such as in Figure 2.1 (but without multiple structures). Indeed, to further confirm the existence of a potential well, Hirsch did both collimated neutron and gamma measures. As shown in the paper, he found structure for both consistent with well formation. One possible explanation is that the ion-electro n densities obtained were high enough to "burn out" (completely ionize) the background neutrals in the potential well. There is no direct evidence to support this view however. These important results have never been fully explained. Attempts to reproduce his experiments were done by Gardner and co-workers at Brigham Young University (Reference 2.1) who borrowed the original device used by Hirsch. However, despite many months of effort, the neutron production they obtained was significantly lower than that reported by Hirsch. They attributed this problem to a failure to regain the gun alignment necessary to have a highly converged plasma "core" in the center of the device. A major hurdle to this appears to have been that no provision was made to allow precision alignment of the gun ions entering the device (although the investigators did not mention this explicitly). Later when Miley reinitiated gun experiments, his first gun design followed many of the design elements used by Hirsch, but incorporated electrostatic beam steering. This worked well, but the design was eventually discarded to move to RF guns with much higher beam currents. In addition, the gun design of Figure 1.5 uses a magnetic nozzle for reducing the exiting beam diameter and to allow strong differential pumping (not used in the prior Hirsch experiments). It should be stressed again here that the terms "injector" and "gun" are misleading. The objective is to simply "flow" low energy ions into the device such that they are then accelerated to fusion energies by either the grid or the virtual electrode structure. Thus, a loss of "excess" energy after inject ion is needed trap the ion, i.e. prevent it from simply passing through the potential well and hitting the opposite wall. A biased reflector on the opposite wall can be introduced to help prevent this, but this only works well if the entering ions have little excess energy. To further understand this problem, the reader is advised to study the design of the Hirsch chamber of Reference 2.2 which uses an auxiliary biased grid ("reflector") near the wall. Indeed the issue of how to best introduce ions into the potential well so that their energy falls below that required to escape the well is a key for proper design of the IEC. In addition to designs to cause an initial ion energy loss to "drop" them into the potential well, designs with ion sourced "imbedded" in the well such that ions are born trapped are discussed later. Gridded devices for near-term applications such as neutron activation analysis (NAA) do not rely on virtual well potential traps. Rather, the negative bias of the grid forms a potential trap, and ions are born within the potential trap by ionization collisions in the internal plasma discharge. Note that the electron injected case faces the same problem of getting ions into the potential trap. The approach used with the Polywell employs an embedded ion source plus relies on "burn out" densities to eliminate neutrals. Success with this technique, after many problems, was the key that lead to the "breakthrough" reported by R. W. Bussard (as noted earlier) just before he passed away. UNCLASSIFIED/ I f8R 8FFI&Ial.k Wlii Qr.IL¥ 15

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Em 1997, Miley e seu grupo publicaram um artigo no IEEE que resumia seus experimentos com grade de injeção interna de íons (Referência 2.3). (Como observado antes, "injetado de íons" tem sido usado para definir a espécie que forma o poço de potencial. Não deve ser confundido com a injeção externa por "canhão", em que os íons formam o poço mas são introduzidos de uma fonte externa.) O artigo discute a física da descarga e as características do plasma em vários modos de operação. Explica como o modo ESTRELA é criado pelas propriedades desfocalizadoras da concavidade voltada para dentro (em direção ao núcleo central) em estruturas de grade abertas. De fato, o conceito é um tanto contraintuitivo, pois se poderia esperar uma "óptica" focalizadora, mas isso não é possível nessas configurações. (Na verdade, várias abordagens com múltiplas grades foram estudadas com o objetivo de melhorar a óptica do feixe para a reflexão dos íons e, portanto, a recirculação. Ver, por exemplo, a Referência 2.4.) Quando os íons passam pelo potencial côncavo, todos, exceto os que estão no centro exato da superfície curva, são desviados e perdidos. Os íons centrados passam para o lado oposto e atravessam a abertura da grade, são então refletidos e repetem essa trajetória. Em seguida, eventos de ionização ao longo desse caminho causam um aumento rápido da corrente recirculante pelo centro das aberturas da grade. Isso produz então a bela descarga em modo ESTRELA mostrada na Figura 2.3. Figura 2.3. Fotografia de uma descarga em modo ESTRELA. A grade do tipo "palheta" mostrada é apenas uma de várias grades de grandes aberturas projetadas e usadas para a operação em modo ESTRELA do IEC do tipo fonte de nêutrons. Esse projeto em particular (com variações) foi usado pela UIUC, pela Daimler-Chrysler e pela Universidade de Kyoto. É robusto, mostra pouca erosão por pulverização e provou ser muito eficiente para a produção de nêutrons. Os materiais usados variam do aço inoxidável ao Mo (molibdênio). O uso de uma fonte de alimentação pulsada representa um modo muito importante de estudar a física de IECs de alta corrente sem empregar fontes de alimentação caras e muito grandes e também evitando a necessidade de forte resfriamento para remover o calor residual. O ponto central da física é que a taxa de fusão feixe-feixe escala com o quadrado da corrente de íons. A maioria dos experimentos em regime estacionário emprega centenas de mA, enquanto, em pulsos, são possíveis valores de pico de muitos ampères. Escolhendo-se a largura do pulso de modo a igualar ou superar o tempo de confinamento dos íons, tipicamente da ordem de ms nos dispositivos atuais, estabelece-se um quase equilíbrio durante o pulso. Isso permite estudar a física estacionária "equivalente" durante o pulso. O dispositivo de Miley na Referência 2.6 usou a tecnologia de banco de Marx para fornecer correntes de pico de dezenas de ampères com largura de cerca de 0,1 s e baixa taxa de repetição (escolhida para minimizar as exigências de resfriamento e também reduzir as exigências de recarga do banco). Outra tecnologia importante, relativa ao bombeamento do vaso do IEC, foi desenvolvida em meados da década de 1990 por integrantes do grupo de Miley que trabalhavam no Laboratório Nacional de Engenharia e Meio Ambiente de Idaho (INEEL), em Idaho, com Robert A. Anderl (Referência 2.5). Esse trabalho substituiu o bombeamento externo da câmara do IEC por um getter metálico híbrido. Com esse arranjo, o deutério é absorvido no material do getter, enquanto a pressão de vapor, e portanto a pressão de fundo da câmara, é controlada pela regulagem da temperatura do getter UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 16

Nota editorial: Fotografia de descarga em modo estrela (Figura 2.3) e texto sobre a trajetória dos íons entre as aberturas da grade, a operação pulsada e o uso de getter.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICIO Ir !Pili 0111.¥ In 1997 Miley and his group published an IEEE paper that summarized their internal ion injected grid experiments (Reference 2.3). (As noted earlier "ion injected" has been used to define the species forming a potential well. It is not to be confused with external "gun" injection where ions form the well, but are introduced from an external source). It discusses the discharge physics and plasma characteristics for various modes of operation. It explains how the STAR mode is created by the defocusing properties concave inward (towards the center core) in open grid structures. Indeed the concept is somewhat anti­ intuitive since one might hope for focusing "optics", but this is not possible in these configurations. (Indeed various multi-grid approaches have been studied with the objective of improving beam optics for reflection of ions, hence recirculation. See for example, Reference 2.4. When ions pass through the concave potential, all but those in the Figure 2.3. Photograph of a STAR mode discharge. The "vane'' type grid shown Is only one of a numb er of large opening grids designed and used for STAR mode operation of the neutron source type IEC. This parti cular design (but with variations) has been used by the UIUC, Daimler-Chrysler and Kyoto University. It Is rugged, shows littl e sputtering and has proven very effic ient for neutron production . Materials used vary from stainless steel to Mo. exact center of the curved surface are deflected and lost. The centered ions pass through to the opposite side and go through the grid opening, then are reflected and repeat this trajectory. Subsequently ionization events along this path cause a rapid increase in the recirculating current through the center of the grid openings. This then produces the beautiful STAR mode discharge shown in Figure 2.3. The use of a pulsed power supply represents a very important way to study the physics of high current IECs without employing expensive, very large power supplies and also avoiding the need for strong cooling to remove the waste heat. The key physics point is that the beam-beam fusion rate scales as the ion current squared. Most steady state experiments employ 100s of mA, while pulsing peak values of many amps are possible. By selecting the pulse width to match or exceed the ion confinement time, typically order of ms in present devices, a quasi equilibrium is established during the pulse. This allows study of "equivalent" steady-state physics du ring the pulse. Miley's device in Reference 2.6 used a Marx bank technology to provide peak currents of l0's of amps with a ~0.1 sec width and a low repetition rate (selected to minimize cooling requirements and also reduce bank recharging requirements). Another important technology regarding the IEC vessel pumping was developed in the mid- 1990s by staff from Miley's group working at the Idaho National Environmental and Engineering Laboratory (!NEEL), Idaho with Robert A. Anderl (Reference 2.5). This work substituted a metallic hybrid getter for the external pumping on the IEC chamber. With this arrangement, the deuterium is absorbed in the getter material while the vapor pressure, hence chamber background pressure, is controlled by regulation of the getter UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICIAi. Wili 01\lk¥ 16

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] . Com a escolha adequada do tamanho e do tipo de material do getter, mais um bom controle de temperatura por realimentação, constatou-se que esse arranjo funciona extremamente bem. Ele permite uma unidade IEC "selada" e dispensa as bombas volumosas. Tal arranjo é essencial para pequenas fontes móveis de nêutrons. A Daimler-Chrysler licenciou o uso dessa tecnologia de nêutrons IEC por meio da UIUC e usou essa abordagem em suas unidades de controle de qualidade por NAA. A estratégia geral empregada pela Daimler-Chrysler e por outros é enviar unidades seladas ao campo para aplicação de NAA. O acúmulo de impurezas no gás da câmara acaba por deteriorar o desempenho. Nesse ponto, a unidade é devolvida à "fábrica" de origem ou ao laboratório de origem para reabastecimento, por bombeamento e, se necessário, substituição do getter. Como aconteceu, a Daimler-Chrysler usa tais unidades na Alemanha em algumas de suas esteiras de transporte de minério, para inspeção por NAA da composição do minério. Nessa função, elas substituíram diretamente as fontes de nêutrons de Cf-252, permitindo operação liga-desliga, licenciamento mais simples e custos menores. Seu plano de distribuir unidades comerciais externamente, para venda, não se concretizou, porém, devido a problemas financeiros da empresa. Outro exemplo importante do uso de uma fonte compacta de nêutrons IEC é o trabalho na Universidade de Kyoto, Japão (Referência 2.7). Esses pesquisadores usaram um dispositivo do tipo guindaste, projetado para ser montado em um guindaste, como mostrado na Figura 2.4, para a detecção de minas terrestres. [Figura 2.4: painel de projeto com os rótulos "Projeto de detecção de minas terrestres"; "P&D da detecção de minas: diagnósticos: Kyoto-U., TIT, Kyushu-U.; tomografia: Kyoto-U., JAERI, Wakasa-bay Energy Res. Center; sistema total: Kyoto-U., Nikki Co."; "P&D do IEC compacto: IEC CW/pulsado: Kyoto-U., Kansai-U.; fonte de alimentação CW/pulsada: TIT"; "O projeto é apoiado pela Agência de Ciência e Tecnologia do Japão"; imagem de um veículo com fonte IEC, câmera, detectores e sistema de controle.] Figura 2.4. Projeto de detecção de minas terrestres com IEC na Universidade de Kyoto UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 17

Nota editorial: Uso do getter em fontes compactas de nêutrons IEC, unidades industriais da Daimler-Chrysler para análise de minério e projeto de detecção de minas da Universidade de Kyoto (Figura 2.4).

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UNCLASSIFIED/ /POI\ orrlEIAL t,!I! o .. t I temperature. With proper selection of the size and type of getter material, plus a good temperature feedback control, this arrangement was found to work exceedingly well. This allows a "sealed" IEC unit and removes the bulky pumps. Such an arrangement is essential for small mobile neutron sources. Daimler-Chrysler licensed use of this IEC neutron technology through the UIUC and used this approach for their NAA quality control units. The general strategy employed by Daimler-Chrysler and others is to send sealed units into the field for NAA application. The impurity buildup in the chamber gas eventually causes the performance to deteriorate. At that point, the unit is returned to the originating "factory" or originating laboratory for refueling by pump ing down and, if necessary, replacing the getter. As it occurred, Daimler-Chrysler uses such units in Germany on some of their ore delivery belts for NAA inspection of ore composition. In this role they directly replaced Cf-252 neutron sources, allowing on-off operation, simpler licensing, and lower costs. Their plan to distribute commercial units externally for sale did not materialize, however, due to company financial problem. Another important example of the use of a compact IEC neutron source is the work at Kyoto University, Japan (Reference 2. 7). These investigators used a crane-type device which was design for mounting on a crane as shown in Figure 2.4 for land mine detection. Project of Landmine Detection R of LM OetectJOn • Diagnostics~ Kyo o-U . TT, 'f\J uu-U. • Tomography; I -bay E rgy • R O of compact IEC • C /pulse IEC; Kyo'o-U, K • CW/Pu se power supp!y ; Tl.,. The prQJect is suppooed by Japan Science and echnology gency Figure 2.4. IEC Landmine Detection Project at Kyoto University UNCLASSIFIED/ I FOR OFFI&Isl.k Wlili Ql'II.¥ 17

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] O princípio básico desse método de detecção, mostrado na Figura 2.5, é comum à maioria das NAA, mas aqui está especializado na detecção dos elementos básicos das minas terrestres. As considerações-chave de projeto são a intensidade de fonte necessária, a energia desejada dos nêutrons (isto é, fusão D-D ou D-T) e o tipo e a posição dos detectores de nêutrons e de raios X (da Referência 2.7). [Figura 2.5, rótulos: "Como detectar uma mina terrestre"; "É necessário um rendimento de nêutrons de ~10^8"; fonte de nêutrons; detector de raios gama; detector de nêutrons; raio gama capturado; nêutron retroespalhado; nêutron térmico; "Razão atômica do explosivo TNT": H 3, C 7, N 3, O 6; "Razão atômica dos explosivos fixa"; captura de nêutron, emissão de raio gama (tipo de mina terrestre): H(n,γ), emissão de raio γ de 2,22 MeV; N(n,γ), emissão de raio γ de 10,83 MeV.] Figura 2.5. Esquema para detecção de minas terrestres com uma fonte de nêutrons IEC híbrida do tipo magnétron (da Referência 2.7) O IEC desenvolvido para esse trabalho usou uma técnica de geração de íons por magnétron para melhorar a eficiência de produção de nêutrons (Referência 2.6). Foi instalada no IEC uma fonte de íons de descarga de magnétron embutida. Com a descarga de magnétron, os íons são produzidos nas proximidades da câmara de vácuo (ânodo), em potencial elétrico negativo. Portanto, espera-se que os íons produzidos tenham quase toda a energia correspondente à tensão aplicada ao cátodo do IEC, mas ligeiramente menor que o potencial do ânodo. Isso impede que atinjam o ânodo do lado oposto, melhorando tanto a taxa de reação de fusão quanto a vida de recirculação dos íons. (Note-se que essa abordagem é mais uma maneira de tratar o problema de impedir que íons criados externamente escapem depois de entrar no poço de potencial. A técnica aqui é usar a fonte interna para criar os íons num nível de potencial menor que a altura do poço de potencial.) Além de ser uma fonte interna, o magnétron pode produzir ampla corrente de íons para manter a descarga em condições de baixa pressão. Os íons gerados na fonte de íons são atraídos pelo cátodo central do IEC devido ao seu alto potencial elétrico negativo. Portanto, os pesquisadores de Kyoto esperavam que uma tensão aplicada maior aumentasse a corrente de extração, dando uma corrente de cátodo do IEC maior. No entanto, constatou-se UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 18

Nota editorial: Princípio da detecção de minas por ativação neutrônica (Figura 2.5) e a fonte de nêutrons IEC híbrida do tipo magnétron usada pelos pesquisadores de Kyoto.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ orr1e1At t.9!11!! f>HLY The basic principle of this detection method, shown in Figure 2.5, is common to most NAA but is now specialized for detecting the basic elements in the land mines. Key design considerations are the source strength required, the neutron energy desired (i.e. D-D vs D-T fusion) and the type and location of neutron and x-ray detectors (from Reference 2. 7). How to Detect Landmine I Neutron yield of -1 08 is required -~- - ~~ ,..., ·i-~~ ~ neutron ta111• - - -~ ... y~ay detector source • ., \ - I ~- ~ Alo • • T explosive I3 , 3 I~ I Ato, 1 r io of iv fix d y ray en i ion N(n, y) • • • 10.83 MeV y ray n i ion Figure 2.5. Scheme for Landmine Detection Using a Hybrid Magnetron Type IEC Neutron Source (From Reference 2.7) The IEC developed for this work used a magnetron ion generation technique to improve the neutron production efficiency (Reference 2.6). A built -in magnetron discharge ion source was installed in the IEC. With the magnetron discharge, ions are produced in the vicinity of the vacuum chamber (anode) at negative electric potential. Therefore, the ions produced are expected to have nearly full energy corresponding to the applied voltage to the IEC cathode but slightly smaller energy than the anode potential. This prevents them from hitting the anode of the opposite side improving both fusion reaction rate and ion recirculation life. (Note that thiis approach is yet another way to address the problem of preventing ions created externally from escaping after entering the potential well. The technique here is to use the internal source to create the ions at a potential level less than the height of the potential ! well). In addition to an internal source, the magnetron can produce ample ion current to maintain the discharge under low-pressure conditions . Ions generated in the ion source are attracted by the IEC central cathode because of its high negative electric potential. Therefore, the Kyoto investigators expected that a higher applied voltage would increase the extraction current, giving a higher IEC cathode current. However, it was UNCLASSIFIED/ /FOA OFFIQIAk Wliii 01\lk¥ 18

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] que existe uma tensão ótima em termos de corrente máxima do cátodo do IEC. Os íons fornecidos pela fonte de íons de magnétron são essenciais para manter a descarga híbrida (luminescente e de magnétron) em condições de baixa pressão de gás. A razão desse limite de tensão não é clara. Infelizmente, esse efeito limita a tensão do cátodo, apesar da necessidade de alta tensão para a produção de nêutrons perto da energia de pico da seção de choque de fusão. Assim, essa questão merece mais estudo para otimizar o uso da operação de IEC com fonte híbrida de magnétron. Ainda assim, o projeto funcionou razoavelmente bem nos experimentos iniciais de detecção de minas. Infelizmente, o projeto foi encerrado prematuramente por restrições financeiras, de modo que a informação sobre possibilidades de otimização continua incompleta. O projeto da fonte de íons também depende da espécie de íon que está sendo injetada. As fontes descritas até aqui concentraram-se em deutério ou, em alguns casos, em trítio. No entanto, os pesquisadores da Universidade de Wisconsin (U. Wisc.) têm grande interesse nas reações do 3He (tanto D-3He quanto 3He-3He) e por isso desenvolveram um canhão especializado na produção de íons de 3He (Referência 2.8). Para maximizar a corrente de íons, escolheu-se uma fonte Helicon, pois as Helicon são bem conhecidas por produzir plasmas de densidade muito alta, dos quais se podem extrair altas correntes de íons. Essa fonte é ilustrada na Figura 2.6 e discutida na Referência 2.8. Eles afirmam que essa fonte produziu correntes de íons em regime estacionário de 10 mA em sistemas IEC com pressões de gás de fundo de até 200 µtorr. [Figura 2.6: esquema da fonte de íons.] Figura 2.6. Fonte de íons de 3He para uso em estudos da taxa de fusão 3He-3He na Universidade de Wisconsin Esses desenvolvimentos visam à observação da reação 3He-3He num dispositivo IEC. Cálculos preliminares das taxas de fusão feixe-fundo preveem que um espectro de produtos da reação 3He-3He deveria ser claramente observável num IEC operando abaixo de 200 kV. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 19

Nota editorial: O projeto japonês de detecção de minas foi interrompido por falta de recursos; descreve-se a fonte de íons de hélio-3 da Universidade de Wisconsin (Figura 2.6).

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UNCLASSIFIED//&Olil O&FICIA.k Wlili QNkY found that there is an optimum voltage in terms of a maximum IEC cathode current. Ions supplied by the magnetron ion source are essential to maintain the hybrid (glow and magnetron) discharge under low gas pressure conditions. The reason for this voltage lim it is not clear. Unfortunately this effect limits the cathode voltage despite the need for high voltage for neutron production near the peak energy of the fusiorn cross section. Thus this issue deserves more study to optimize use of a hybrid magnetron source IEC operation. Still the design worked reasonably well for the initial mine detection experiments. Unfortunately, the project was terminated prematurely due to financial constraints, so informat ion on optimization possibility remains incomplete. The design of the ion source also depends on the ion species being injected. Sources described thus far have focused on deuterium or, in some cases on trit ium. However, workers at the University of Wisconsin (U. Wisc.) have had a great interest in 3He reactions (both D-3He and 3He-3 He), so have developed a gun specialized to 3He ion production (Reference 2.8). To maximize the ion current, a Helicon source was selected since Helicons are well known for production of very high density plasmas from which high ion currents can be extracted. This source is illustrated in Figure 2.6 and discussed in Reference 2.8. They state that this source has produced steady-state ion currents of 10 mA into IEC systems with background gas pressures as low as 200 µtorr. Figure 2.6. 3 He Ion Source for Use in 3 He- 3He Fusion Rate Studies at the U of Wisconsin These developments are aimed at observation of the 3He-3He reaction in an IEC device. Scoping calculations of beam-background fusion rates predict that a 3He-3He reaction product spectrum should be distinctly observable in an IEC operating below 200 kV. UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&Isl.k Wlili Ql'II.¥ 19

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Essa capacidade pode fornecer dados valiosos sobre as seções de choque de fusão do 3He em energias "baixas", com melhor estatística de contagem que as medições em aceleradores. Parece que se fez bom progresso nessa direção. COMENTÁRIOS FINAIS Os experimentos escolhidos para esta seção estão longe de ser exaustivos. A concentração principal aqui é nos IECs com injeção de íons, como os estudados na UIUC, embora se mencionem também vários dispositivos com injeção de elétrons, como o "Polywell". Os experimentos foram então selecionados para explicar algumas questões e o estado de coisas relativos aos dispositivos com grade para aplicações de curto prazo, como fontes de nêutrons, e também para tratar de algumas questões, como a injeção de íons, relacionadas às futuras unidades de potência de fusão. Estas últimas giram em torno de como criar poços de potencial profundos no IEC e aprisionar os íons reagentes no poço, excluindo os átomos de gás neutro. O uso de fontes externas de íons com bombeamento diferencial torna-se então uma abordagem-chave para produzir íons mantendo pressão de fundo ultrabaixa na câmara de reação. Essa é a abordagem usada na UIUC. No entanto, introduzir a fonte na configuração de modo que os íons nasçam em potenciais abaixo da profundidade do poço é outra possibilidade, como mostra o trabalho com a fonte híbrida de magnétron no Japão. Outro ponto observado é a vantagem de usar a operação pulsada para obter altas correntes de pico de íons e aproveitar a escala com o quadrado da densidade de íons nas reações feixe-feixe. REFERÊNCIAS 2.1 R. L. Hirsch, [referências bibliográficas no original], J. Appl. Physics 38, n. 11 (1967), pp. 4522-4534. 2.2 A. L. Gardner, [referências bibliográficas no original], Comissão de Energia Atômica dos EUA, Relatório Final n. COO-2180-7, Washington, D.C. (1974). 2.3 G. H. Miley, Y. Gu, J. M. DeMorea, R. A. Stubbers, T. A. Hochberg, J. H. Nadler e R. A. Anderl, [referências bibliográficas no original], IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 24, n. 4 (1997), pp. 733-739. 2.4 T. J. McGuire e R. J. Sedwick, [referências bibliográficas no original], 7º Workshop EUA-Japão sobre IEC, Laboratório Nacional de Los Alamos, NM, 14-16 de março de 2005. 2.5 R. A. Anderl, J. K. Hartwell, J. H. Nadler, J. M. DeMora, R. A. Stubbers e G. H. Miley, [referências bibliográficas no original], 16º Simpósio sobre Engenharia de Fusão, eds. G. H. Miley e C. M. Elliott, IEEE Conf. Proc. 95CH35852, IEEE, Piscataway, NJ (1996), pp. 1482-1485. 2.6 Y. Gu, M. Williams, R. Stubbers e G. Miley, [referências bibliográficas no original], Fusion Technology, vol. 30, n. 3 (1996), pp. 1342-1346. 20 UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original]

Nota editorial: Comentários finais da Seção II (poço profundo, gás residual baixo, fontes externas, operação pulsada) e primeira parte das referências.

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UNCLASSIFIED/ /fOR. Offl@IAL WSE 8,.kY This capability can provide valuable data regarding 3 He fusion cross sections at "low" energies with better counting statistics than accelerator measurements. It appears that good progress has been made in this direction. CLOSING COMMENTS The experiments selected for this section are far from exhaustive. The main concentration here is on ion-injected IECs such as studied at the UIUC, although various electron injected devices such as the "Polywell" are mentioned. The experiments were selected then to explain some issues and status relative to gridded devices for near-ter m applications such as neutron sources and also to address some issues such as ion injection related to future fusion power units. The latter issues revolve around how to create deep potential wells in the IEC and trap the reacting ions in the well while excluding neutral gas atoms. The use of external ion sources with differential pumping then becomes a key approach for production of ions while keeping ultra low background pressure in the reacting chamber. This is the approach used at the UIUC. However, introduction of the source into the configuration such that the ions are born at potentials below the well depth is another possibility as shown by the hybrid magnetron source work in Japan. Another point noted is the advantage of using pulsed operation to obtain high peak ion currents to take advantage of the ion density squared scaling for beam-beam reactions. REFERENCES 2.1 R. L. Hirsch, "Inertial -Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases," J. Appl. Physics 38, no.11, (1967) pp. 4522-4534. 2.2 A. L. Gardner, "Studies of Charged-Particle Distributions in an Electrostatic Confinement System, "U. S. Atomic Energy Commission Final Report N. C00-2180-7, Washington, D. C. (1974 ). 2.3 G. H. Miley, Y. Gu, J. M. DeMorea, R. A. Stubbers, T. A. Hochberg, J. H. Nadler, and R. A. Anderl, "Discharge Characteristics of the Spherical Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Device," IEEE Transactions Plasma Science, Vol. 24, No. 4, (1997) pp, 733-739. 2.4 T.J. McGuire and R.J. Sedwick, "Improving IEC Particle Confinement Times Using Multiple Grids" 7th US-Japan IEC Workshop, Los Alamos National Laboratory, NM, March 14-16 (2005). 2.5 R.A. Anderl, J.K. Hartwell, J.H. Nadler, J.M. DeMora, R.A. Stubbers, and G.H . Miley, "Development of an IEC Neutron Source for NDE," 16th Symposium on Fusion Engineering, eds. G.H. Miley and C.M. Elliott, IEEE Conf. Proc. 95CH35852, IEEE, Piscataway, NJ, (1996) pp. 1482-1485. 2.6 Y. Gu, M. Williams, R. Stubbers, and G. Miley, "Pulsed Operation of Spherical Inertial-Electrostatic Confinement Device", Fusion Technology, Vol. 30, no. 3, (1996) pp, 1342-1346. 20 UNCLASSIFIED/ /POK Offl@IAL WSE 8Nk\f

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TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 28

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 2.7 T. Takamatsu, T. Kyunai, S. Ogawa, K. Masuda, H. Toku e K. Yoshikawa, [referências bibliográficas no original], 7º Workshop EUA-Japão sobre IEC, Laboratório Nacional de Los Alamos, NM, 14-16 de março de 2005. 2.8 G. R. Piefer, J. F. Santarius, R. P. Ashley, G. L. Kulcinski, [referências bibliográficas no original], 7º Workshop EUA-Japão sobre IEC, Laboratório Nacional de Los Alamos, NM, 14-16 de março de 2005. Seção III. Outras geometrias Uma característica singular do IEC é a capacidade de variar sua geometria para se adaptar a várias aplicações importantes, de curto prazo e futuras. Aqui consideramos geometrias IEC cilíndricas, a geometria de extração de jato do IEC, a assistida por dipolo e a unidade IEC acoplada magneticamente, que acrescentam flexibilidade para uso em algumas aplicações de potência. Outras configurações importantes, quase esféricas, incluem a configuração HEPS (Polywell) com assistência magnética, o IEC de armadilha de Penning e o IEC oscilante POPS. Esses conceitos são discutidos brevemente em outras partes deste relatório e por isso não serão incluídos aqui. IECs CILÍNDRICOS A principal geometria alternativa estudada para os IECs é a cilíndrica. Embora desenvolvida originalmente na UIUC, a configuração se espalhou para outros laboratórios, entre eles a Universidade de Wisconsin, a Universidade de Kyoto e o Instituto de Tecnologia de Tóquio. O objetivo é obter uma região de núcleo denso que se estenda ao longo do eixo do cilindro. Isso é especialmente importante para fontes de nêutrons, pois oferece uma fonte muito longa, que pode ser usada para cobertura de ampla área de objetos grandes, como caixas de contêineres. Outras fontes convencionais exigiriam várias fontes "acopladas" para fazer o mesmo. Uma desvantagem, porém, é a alta potência de entrada exigida por essas configurações. Assim, a vantagem do comprimento da fonte deve ser ponderada contra a alternativa de mover uma fonte pontual menor sobre a superfície de interesse. Não está claro que o cilindro seja útil para a ampliação de escala até um reator de potência. Ele pode ser visto como uma versão 2-D da unidade esférica. Assim, a convergência (compressão) do feixe fica limitada a valores menores e, portanto, a densidades de núcleo menores (um efeito importante para a fusão feixe-feixe desejada em reatores de potência, mas menos importante para as reações feixe-fundo usadas na maioria das fontes de nêutrons atuais). Dois tipos de fontes cilíndricas (Referências 3.1-3.5), mostrados esquematicamente na Figura 3.1, foram estudados: um tipo com grade, que é essencialmente a unidade esférica convertida em cilindro, e um projeto bem diferente, de cátodo oco. O projeto com grade foi uma variação natural do dispositivo original de Farnsworth e foi estudado experimentalmente pela primeira vez na década de 1970 por T. Dolan na UIUC, que usou diagnósticos a laser com uma descarga de gás nobre para estudar perfis de densidade, temperatura e espécies. O projeto de cátodo oco foi proposto mais tarde por G. Miley como tentativa de manter a longa região de reação axial dispensando as grades. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 21

Nota editorial: Fim das referências da Seção II e abertura da Seção III, sobre IECs de geometria cilíndrica, úteis como fonte longa de nêutrons, mas com maior potência de entrada e menor convergência.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&ilAL W&& 8PtLY 2.7 T. Takamatsu, T. Kyunai, S. Ogawa, K. Masuda, H. Toku, and K. Yoshikawa, "A Magnetron Discharge Ion Source for an Inertial Electrostatic Confinement Fusion Device" 7th U.S.-Japan IEC Workshop , Los Alamos National Laboratory, NM, March 14-16, (2005). 2.8 G. R. Piefer, J. F. Santarius, R. P. Ashley, G.L. Kulcinski "Progress in the Development of a 3He Ion Source for IEC Fusion", 7th U.S.-Japan IEC Workshop, Los Alamos National Laboratory,, NM, March 14-16, (2005). Section III. Other Geometries A unique feature of the IEC is the ability to vary its geometry to adapt to a number of important near term and future applications. Here we consider cylindrical IEC geometries, the IEC Jet extraction geometry, dipole assisted, and magnetically-coupled IEC unit which add flexibility for use in some power applications. Other important configurations, which are quasi-spherical, include the magnetic assisted HEPS (Polywell) configuration, the Penning trap IEC, and the POPS oscillating IEC. These concepts are discussed briefly elsewhere in this report so will not be included here. CYLINDRICAL IECS The prime alternate geometry studied for IECs is cylindrical. While originally developed at the UIUC, the configuration has spread to other labs including the University of Wisconsin, Kyoto University, and the Tokyo Institute of Technology. The objective is to obtain a dense core region extending along the axis of the cylinder. This is especially important for neutron sources since it offers a very long source that can be used for broad area coverage of large objects such as container boxes. Other conventional sources would require multiple "ganged" sources to do the same. A downside however, is the high power input required for such configurations. Thus the advantage of source length must be weighed against the alternative of moving a smaller point source over the surface of interest. It is not clear that the cylinder is useful for scaling to a power reactor. It can be viewed as a 2-D version of the spherical unit. As such, the beam convergence (compression) is limited to lower values, hence lower core denslt ies (an important effect for beam -beam fusion desired for power reactors, but less so for beam-background reactions used in most current neutron sources). Two types of cylindrical sources (References 3.1-3.5), shown schematically in Figure 3.1, have been studied - a gridded type which is essentially the spherical unit converted into a cylinder, and a quite different hollow cathode design. The gridded design was a natural variation of the original Farnsworth device and was first studied experimentally in the 1970s by T. Dolan at the UIUC who used laser diagnostics with a noble gas discharge to study density -temperature and species profiles. The hollow cathode design was later proposed by G. Miley as an attempt to retain the long axial reaction region but do away with grids. UNCLASSIFIED/ /FOA 8FFl&i1Ak W&& 8Ptllf 21

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TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 29

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] [Figura 3.1, painéis a) e b); rótulo legível: refletor.] Figura 3.1. Dois tipos de IECs cilíndricos. O cátodo oco, à esquerda (frequentemente chamado de Dispositivo C), e a versão 2-D com grade, à direita, muitas vezes chamada simplesmente de IEC cilíndrico. O "Dispositivo C" de cátodo oco da Figura 3.1 tem uma câmara de vácuo isolada com uma série alternada de cátodos e ânodos cilíndricos ocos espaçados ao longo de um eixo longitudinal comum. Placas de extremidade polarizadas servem de "refletores" de partículas carregadas. Os ânodos, os cátodos e as placas de extremidade são polarizados com tensões em regime estacionário e/ou pulsadas, conforme o modo de operação. Essa configuração é usada para iniciar uma descarga de plasma, resultando no confinamento eletrostático dos íons do combustível de fusão tanto na direção axial quanto na radial (Referência 3.4). A operação atual produz cerca de 10^7 n/s (D-D) em regime estacionário, enquanto, na saída pulsada, obtêm-se 10^9 n/s (D-D). Na versão cilíndrica "propriamente dita", o IEC 2-D (Figura 3.1), uma grade catódica cilíndrica é colocada com seu eixo concêntrico ao do vaso de vácuo que a cerca. Trata-se, na prática, de uma versão 2-D do IEC esférico. Ele opera pela convergência dos íons criados entre a grade e a parede para um pequeno volume ao longo do eixo, e por isso já foi chamado às vezes de "IEC de Convergência Radial (RC-IEC)". Como já observado, a física básica dessa versão foi estudada originalmente em trabalho pioneiro de T. Dolan em 1970. Contudo, o conceito ficou adormecido até ser revisto e aprimorado várias décadas depois, com projetos de grade melhorados para a produção de nêutrons, por pesquisadores da UIUC. PROPULSOR A JATO IEC DE ACIONAMENTO ELÉTRICO O uso de um projeto de IEC para propulsão espacial foi proposto originalmente por R. W. Bussard (Referência 3.6). (Seu conceito era de um dispositivo tipo scramjet de alto empuxo. Embora muito atraente, esse conceito, assim como os conceitos "Espaçonave I e II" de Miley et al. discutidos adiante, é de uso em prazo distante.) Aqui discutimos um IEC de acionamento eletrônico de curto prazo, projetado para aplicações espaciais. Nesse caso, a energia elétrica viria de um painel solar. O propulsor a jato IEC destina-se a ser um propulsor espacial ultramanobrável para operações de empuxo de satélites e de pequenas sondas. O projeto do jato IEC oferece o potencial de uma capacidade singular de cobrir uma ampla faixa de potências (de poucos watts a quilowatts) com boa eficiência, ao mesmo tempo que fornece um jato de plasma que pode começar com grande diâmetro, mas ser estreitado direcionalmente para focalizar alvos. O propulsor IEC usa uma configuração esférica, na qual os íons são gerados e acelerados em direção ao centro de uma câmara de vácuo esférica. Forma-se um cátodo virtual na região de núcleo central de alta densidade e, combinado com um campo de potencial da grade catódica localmente distorcido, extrai íons acelerados para dentro de um UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 22

Nota editorial: Figura 3.1 distingue o cátodo oco e a grade cilíndrica; o texto relata taxas de nêutrons e apresenta o propulsor a jato IEC de acionamento elétrico para satélites.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL ~81: 8HLY a) b) ~ I Reflector / Figure 3.1. Two Types of Cylindrical IECs. The hollow cathode on the left (often termed the C-Device) and the 2-D gridded version on the right, often just called "the" cylindr ical IEC. The hollow cathode "C-Device" of Figure 3.1 has an insulated vacuum chamber with an alternating series of hollow cylindrical cathodes and anodes spaced along a common longitudinal axis. Biased end plates serve as charged particles "reflectors" . The anodes, cathodes and end plates are biased to steady state and/or pulsed voltages, depending on the operational mode. This configuration is used to initiate a plasma discharge, resulting in electrostatic confinement of fusion fuel ions in both the axial and radial directions (Reference 3.4). Present operation produces about 107 n/s (D-D) steady state while for pulsed output 109 n/s (D-D) is obtained. In "the" cylindrical version 2-D IEC (Figure 3.1), a cylindrical cathode grid is placed with its axis concentric with the axis of the surrounding vacuum vessel. This is then, in effect, a 2-D version of the spherical IEC. It operates by convergence of ions created between the grid and wall onto a small volume along the axis, hence has sometimes been called the "Radia l Converging IEC (RC-IEC)". As already noted, the basic physics of this version was originally studied in pioneering work by T. Dolan in 1970. However, the concept lay dormant until revised and upgraded several decades later with improved grid designs for neutron production by UIUC workers . ELECTRICALLY - DRIVEN IEC JET THRUSTER The use of an !EC design for space propulsion was originally proposed by R.W. Bussard (Reference 3.6) . (His concept was for a high thrust scram jet device. While very attractive, this concept (and Miley et al.'s "Spaceship I & II concepts discussed later) are for far-term use. Here we discuss near-t erm electronically driven IEC designed for space applications. In this case, electrical power would come from a solar panel. The IEC jet thruster is intended as an ultra-maneuverable space thruster for satellite and small probe thrust operations . The IEC Jet design potential offers a unique capability to cover a wide range of powers (few Watts to Kilowatts) with good efficiency while providing a plasma jet that can start with a large diameter but be narrowed directionally to focus on targets. The IEC thruster uses a spherica l configuration, wherein ions are generated and accelerated towards the center of a spherical vacuum chamber. A virtual cathode forms in the high-density central core region, and combined with a locally distorted cathode grid potential field, extracts accelerated ions into an UNCLASSIFIED/ /5i0A OFFIQlal.k W&E or•tY 22

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TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3

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Sumário Prefácio ... vii Seção I. Antecedentes e fundamentos do IEC ... 1 Antecedentes do IEC ... 3 Fundamentos do IEC ... 5 Conceito Bussard HEPS (ou Polywell) ... 10 Armadilha de Penning de Barnes e Nebel ... 10 Dispositivo POPS de Nebel ... 10 Dispositivo de "injeção de íons" de Miley ... 11 Observações finais ... 12 Referências ... 13 Seção II. Experimentos selecionados ... 14 Comentários finais ... 20 Referências ... 20 Seção III. Outras geometrias ... 21 IECs cilíndricos ... 21 Propulsor a jato IEC de acionamento elétrico ... 22 Relação com outros propulsores anteriores ... 23 Extração de jato de um IEC esférico ... 24 Descrição do propulsor a jato IEC ... 24 Comparação com um propulsor "de plasma" convencional ... 24 Extração do jato ... 26 Projeto experimental do jato e desempenho ... 26 Ampliação de escala para uma unidade de potência espacial/propulsor IEC de p-11B ... 28 O IEC assistido por dipolo (DaIEC) ... 29 Experimentos com o DAIEC ... 30 Estudos de Khachan na Universidade de Sydney ... 31 Observações finais ... 32 Referências ... 32 iii

Nota editorial: Sumário da primeira metade do relatório, com os fundamentos do IEC, experimentos selecionados e outras geometrias.

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UNCLASSIFIED/ ,'FOR OFFIElIAk WSE OPtklf Contents Preface .............................................................................................. ................... vii Section I. IEC Background and Basics ........................................................ ............ 1 IEC Background ....................................................................................... ,.,1••········· 3 IEC Basics ............. .......... ........................................ ............ .................... ............ 5 Bussard HEPS (or Polywell) Concept .................................................. .......... 10 Barnes Nebel Penning Trap .......................................................................... 10 Nebel POPS Device .............................................................................. ,......... 10 Miley's "Ion Injected" Device ............................................................. .......... 11 Closing Remarks ......... .......... ................................... ................................ 11 ,,, •••••• 12 References ...................................................................................................... 13 Section II. Select Experiments ................................................................... .......... 14 Closing Comments ............................................................................................ 20 References ......................................................................................... ............. 20 Section III. Other Geometries .................................................................... .......... 21 Cylindrical IECs .............. ................................................................................. 21 Electrically-Driven IEC Jet Thruster ......................................................... .......... 22 Relation to Other Prior Thrusters ................................... .................... .......... 23 JET Extraction From a Spherical IEC ............................................................. 24 Description of the IEC Jet Thruster ............................................................. 24 Comparison to a Conventional "Plasma" Thruster .............................. .......... 24 Jet Extraction .............. ......... .............................................................. ......... . 26 Experimental Jet Design and Performance ......................................... .......... 26 Scale-up to p-11 B IEC Space Power Unit/Thruster .............................. .......... 28 The Dipole Assisted IEC (DaIEC) ........................................................ .......... 29 DAIEC Experiments ................................................................................ .......... 30 Khachan's Studies at U of Sydney .......................................................... .......... 31 Concluding Remarks ............................................................................... .......... 32 References ........................ .. ..................................................................... 11 ••••••••• 32 iii UNCLASSIFIED/ ,CFOA OFFIQIAk Wliii 01\lk¥

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TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] jato de íons quase neutro e intenso. A configuração, o baixo vazamento de gás e a boa remoção de calor tornam possível ampliar ou reduzir o projeto, para baixas ou altas potências, cobrindo uma faixa de interesse que vai dos pequenos satélites atuais até futuros satélites médios e grandes. Além do empuxo para manobra, a técnica de extração por canal de jato permite direcionar e focalizar o fluxo de plasma sobre um asteroide ou outro objeto para interrogá-lo. A análise dos espectros de emissão do plasma permitiria identificar os materiais e as feições da superfície do objeto. Com mais desenvolvimento, o sistema IEC oferece potencialmente uma fonte de energia de fusão atraente. Outra vantagem do propulsor a jato IEC é que ele representa um passo rumo a uma futura fonte de energia e/ou propulsor IEC de p-11B para operações de satélites. Essa possibilidade também é discutida brevemente aqui. Relação com outros propulsores anteriores A NASA e outros laboratórios trabalharam para desenvolver propulsores Hall avançados para futuras aplicações em satélites. Esses propulsores, porém, não se ajustam bem a potências menores para pequenos satélites, e também não são possíveis modificações do plasma de exaustão que deem manobrabilidade rápida. O propulsor a jato IEC parece singularmente capaz de tratar as duas questões. Os propulsores de plasma convencionais, como o propulsor Hall, foram objeto de muito mais estudo experimental que o propulsor a jato IEC. No entanto, a simplicidade do projeto do propulsor a jato IEC e sua escalabilidade térmica tornam viável desenvolvê-lo e testá-lo rapidamente, o que faz da falta de base de dados uma desvantagem menor. No conceito do propulsor a jato, o alvo de plasma no centro da câmara, criado pela interseção dos múltiplos feixes de íons, serve para desviar íons para o plasma do jato que escapa. O ânodo virtual resultante, em combinação com as linhas de potencial curvas criadas pela grade catódica, desvia íons e forma um forte jato de plasma. Este é canalizado para fora por um orifício ampliado e uma estrutura-guia na grade (Figura 3.2). Esse projeto promete boa eficiência e empuxo com baixo peso e, devido à estrutura muito aberta da grade aceleradora, vida útil muito longa. Assim, ele fornece um bom propulsor para operações básicas de satélites e, com o controle/focalização adicional do jato, também dá manobrabilidade. Além disso, o jato IEC oferece dois recursos adicionais que aumentam sua eficácia potencial para sondar vários objetos espaciais. O fato de o jato IEC poder ser controlado para se formar em várias áreas ao redor da esfera permitiria à plataforma manobrar-se para perto de um alvo e então simplesmente abrir um segundo jato, deslocado 180 graus do propulsivo. O segundo jato serviria à finalidade de integração da plataforma sem que ela tivesse de gastar tempo ou recursos adicionais, como combustível, para se reorientar e dirigir a pluma ao alvo. Outros sistemas atuais, como os propulsores Hall, teriam primeiro de se posicionar perto do alvo e depois se reorientar de modo que a pluma de exaustão ficasse corretamente orientada. Assim, o propulsor a jato IEC não estaria sujeito a gastar os recursos de tempo e combustível que outras plataformas exigem. Outra opção para o propulsor a jato IEC é operar como dispositivo pulsado. Isso se torna especialmente importante ao considerar quanto tempo pode levar para neutralizar um alvo defensivo (o tempo de impulso da plataforma para neutralizá-lo). O uso de um jato pulsado intenso poderia neutralizar o alvo antes que ele tenha tempo de manobrar ou de aplicar camadas defensivas. Como discutido adiante, o IEC básico foi operado experimentalmente em modo pulsado com uma unidade de potência capacitiva. Contudo, até hoje, a formação do jato só foi estudada em regime estacionário. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 23

Nota editorial: O autor propõe o jato IEC para manobra de satélites e inspeção de asteroides ou outros objetos, inclusive uso pulsado contra alvo defensivo, admitindo que o jato pulsado ainda não foi estudado.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&IAk WSE 8Ptklf intense quasi-neutral ion jet. The configuration, low gas leakage, and good heat removal make it possible to scale the design to either low powers or high powers, covering a range of interest for present small satellites on to future medium and large satellites. In addition to maneuverable thrusting, the jet channel extract ion technique enables directing and focusing the plasma stream down on an asteroid or other object for interrogation of it. Analysis of the plasma emission spectra would provide an identification of the materials and surface features of the object. With further development the IEC system potentially offers an att ractive fusion power source. Another advantage of the IEC jet thruster is that it provides a step towards a future p- 11B IEC power source and/or thruster for satellite operations. This possibility is also briefly discussed here. Relation to Other Prior Thrusters NASA and other laboratories have worked toward developing advanced Hall Thrusters for future satellite applications. Such thrusters, however, do not scale well to lower powers for small satell ites, nor are exhaust plasma modifications possible to provide fast maneuverability. The IEC-jet thruster appears uniquely able to address both issues. Conventional plasma thrusters such as the Hall thruster have undergone much more experimental study than the IEC-jet thruster. However, the simplicity of the IEC-Jet thruster design and its thermal scalability makes it feasible to quickly develop and test, making the lack of data base less of a liability. In the jet thruster concept the plasma target at the center of the chamber, created by the intersection of the multiple ion beams, serves to deflect ions into the escaping jet plasma. The resulting virtual anode, in combination with curved potential lines created by the cathode grid diverts ions, forming a strong plasma jet. This is channeled out through an enlarged hole and guide structure in the grid (Figure 3.2). This design promises a good efficiency and thrust while providing a low weight, and due to the very open accelerator grid structure, a very long lifetime. Thus it provides a good thruster for basic satellite operations and with the added jet contro l/focus ing also provides maneuverability. In addition the IEC jet offers two added features that increase its potential effectiveness for probing various space objects. The fact that the IEC jet can be controlled to form over multiple areas around the sphere would allow tlhe platform to maneuver itself close to a target and then simply open a second jet offset 180 degrees from the propulsive one. The second jet would serve the integration purpose of the platfo rm without having to expend time or additional resources such as fuel to reorient itself to direct the plume at the target. Other current systems, such as Hall thrusters, would first have to position itself close to the target, and then reorient such that the exhaust plume is properly oriented. Thus, the IEC jet thruster would not be subject to expending the resources of time and fuel that other platforms require. Another option for the IEC jet thruster is to operate as a pulsed device. This becomes especially important when considering how long it may take to disable a defensive target (the platform's impulse time to disable). The use of an inte nse pulsed jet could disable the target before it has time to maneuver or apply defensive layers. As discussed later, the basic IEC has been operated experimentally in a pulsed mode using a capacitive power unit. However, to date, formation of the jet has only been studied under steady -state operation. UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&IAk WSE 8PtLY 23

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TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 31

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Uma vantagem potencial adicional, de longo prazo, de desenvolver o propulsor a jato IEC é que o conceito pode, no futuro, ser estendido a uma unidade de energia/propulsão de fusão de impulso ultra-alto. De fato, o conceito de propulsor surgiu de trabalho sobre um IEC baseado em fusão (Referência 3.5). Para passar à energia de fusão, porém, seriam necessários avanços como os discutidos para usinas terrestres de energia IEC na Seção VI. Extração de jato de um IEC esférico Um jato de plasma pode ser extraído do IEC esférico com grade ampliando-se uma abertura da grade. Isso forma a base de várias aplicações empolgantes, entre elas um propulsor a jato e vários usos de processamento por plasma, como a gaseificação de resíduos urbanos e a futura reciclagem de materiais. Aqui, para ilustrar essa geometria assimétrica, consideramos brevemente o propulsor a jato IEC para uso em operações e manobras de satélites (Referência 3.6). Descrição do propulsor a jato IEC Na operação convencional em modo estrela, como a discutida antes, a grade do IEC é projetada para ser altamente simétrica, de modo que os feixes dos microcanais também sejam simétricos, dando boa convergência. No entanto, experimentos demonstraram que ampliar uma das aberturas da grade distorce as superfícies de potencial. Isso resulta na criação de um jato de íons muito intenso, firmemente acoplado e com carga espacial neutralizada, dirigido para fora a partir da região de plasma do núcleo central (ver Figura 3.2) (Referência 3.7), e é esse modo de operação (estrela com jato) que seria empregado no propulsor proposto. [Figura 3.2, rótulos: emissores; xenônio; guia de elétrons; +100 V; painéis (a) e (b).] Figura 3.2. (a) Modo operacional de jato em dispositivo IEC experimental e (b) montagem do jato A formação do jato foi explicada teoricamente (Referência 3.5) em termos da grande distorção da superfície de potencial na abertura ampliada da grade. O gradiente local inicia um fluxo de elétrons que, por sua vez, arrasta íons para fora através da superfície. O resultado é a formação do feixe de íons intenso, com carga espacial neutralizada (ou "jato de plasma"), nesse local. Essa operação tem sido obtida rotineiramente em dispositivos IEC de laboratório em regime estacionário, com o jato de plasma mantido por horas. A potência transportada pelo jato foi demonstrada aquecendo uma placa-alvo colocada em seu caminho. Mais da metade da energia transmitida aos íons pela grade aceleradora é efetivamente canalizada para o jato, e não se observam perdas importantes de íons para a parede da câmara de vácuo ou para a grade UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 24

Nota editorial: Explica que uma abertura maior na grade produz um jato de plasma mantido por horas em laboratório (Figura 3.2) e propõe estender o conceito a um propulsor de satélite.

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UNCLASSIFIED/ /fOR. Offl@IAL WS& 8PU:¥ An added long-term potential advantage of developing the !EC-jet thruster is that the concept can eventually be extended to an ultra high impulse fusion power/propulsion unit. Indeed, the thruster concept arose from work on a fusion based IEC (Reference 3.5). To move to fusion power, however, would require advances such as discussed for terrestrial IEC power plants as Section VI. JET Extraction From a Spherical IEC A plasma jet can be extracted from the gridded spherical IEC by enlarging a grid opening. This forms the basis for various exciting applications including a jet thruster and various plasma processing uses such as gasification of municipal wastes and future materials recycle. Here, to illustrate this asymmetrical geometry, we briefly consider the IEC jet thruster for use in satellite operations and maneuvering (Reference· 3.6). Description of the IEC let Thruster For convent ional star mode operation, such as discussed earlier, the IEC grid is designed to be highly symmetric so that the microchlannel beams are also symmetric, providing good convergence. However, experiments have demonstrated that enlarging one of the grid openings distorts the potential surfaces. This results in the creation of a very intense, tightly coupled space-charge-neutralized ion jet directed outward from the central core plasma region (see Figure 3.2) (Reference 3. 7), and it is this mode of operation (star with jet) that would be employed for the proposed thruster. Enmtters Xenon Electron Guide + IOOV ~ (a) (b) Figure 3.2. (a) Jet Operational Mode in Experimental IEC Device and (b) Jet Set-up The jet formation has been explained theoretically (Reference 3.5) in terms of the large distortion of the potential surface at the enlarged grid opening. The local gradient initiates electron flow that in turn drags ions out across the surface. The result is the formation of the intense space charge neutralized ion beam (or "plasma jet") at that location. Such operation has been routinely obtained in laboratory IEC devices under steady-state operation, with the plasma jet being maintained for hours. The power carried by the jet has been demonstrated by heating a target plate placed in its path. Over half of the energy imparted to the ions by the accelerating grid is effectively funneled into the jet, and no major losses of ions to the vacuum chamber wall or grid UNCLASSIFIED/ /FOA 9FFIEIAL: P Pili OIILY 24

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] . Por exemplo, com o dispositivo da Figura 3.2b, a potência de entrada é de cerca de 2 kW, dos quais mais de 1,5 kW são levados pelo fluxo do jato. Consequentemente, essa configuração oferece um modo de converter com eficiência a energia armazenada pelos íons acelerados nos microcanais simétricos em um feixe ou jato dirigido. Comparação com um propulsor "de plasma" convencional O propulsor IEC pode ser visto como a transformação de um propulsor iônico convencional em forma esférica. No propulsor IEC da Figura 3.2b, os íons são produzidos na região de descarga de gás pela injeção e oscilação de elétrons em torno de uma grade-guia mantida num potencial ligeiramente positivo. Uma segunda grade extrai os íons da região de descarga e os acelera em direção ao centro do dispositivo. Esse tipo de formação de íons no IEC foi estudado extensamente por pesquisadores da Nambe Tech, empresa "derivada" de pesquisadores do LANL (Referência 3.8). No caso de um propulsor planar, os íons também são formados numa região de descarga. Contudo, em vez de uma grade-guia, usa-se um campo magnético para conter os elétrons, dando-lhes um longo percurso para maximizar as colisões de ionização. As regiões de fonte de íons são, portanto, basicamente as mesmas nos propulsores iônicos IEC e planar, e a extração/aceleração fornecida pelas grades e pelos campos magnéticos desempenha papéis equivalentes nos respectivos dispositivos. No entanto, o conceito de propulsor a jato IEC precisa extrair um empuxo líquido da configuração esférica. É aí que os dois conceitos (planar e IEC) divergem, e o modo operacional estrela-jato torna-se essencial. A formação de microcanais no modo ESTRELA serve para manter e armazenar os íons acelerados até que sejam desviados direcionalmente e escapem pela abertura do jato de plasma. A abertura é polarizada, o que permite controlar o gradiente de potencial entre a grade e a abertura e, assim, controlar melhor a intensidade do jato de plasma. A manutenção do modo ESTRELA é, portanto, fundamental para o sucesso da operação do jato IEC. Tanto os dados experimentais quanto as simulações com código de partículas na célula (PIC) mostram que os íons energéticos podem ser mantidos em microcanais por centenas de passagens. A abertura do jato permite o escape por ela em menos de dez passagens. Consequentemente, a maioria dos íons, > 95 por cento, escapa com a energia plena. Assim, o estrela-jato fornece um método surpreendentemente bom tanto de armazenar quanto de dirigir os íons energéticos. No conjunto, a configuração IEC oferece vantagens distintas. Primeiro, as estruturas de grade usadas no propulsor IEC são muito mais abertas que as usadas nos projetos convencionais de propulsores planares. Combinado com a focalização dos íons em microcanais, isso impede colisões íon-grade, reduzindo muito a erosão da grade e aumentando significativamente a vida útil do propulsor. Segundo, transformar o dispositivo em esfera torna a unidade como um todo mais compacta por unidade de volume de fonte de íons, o que implica vantagem de redução de peso. Terceiro, o vazamento indesejado do gás propelente neutro seria reduzido, devido à menor abertura líquida exigida pelo jato de alta densidade, em comparação com um propulsor planar convencional com várias aberturas de grade. Essa vantagem se torna especialmente importante em aplicações de propulsores. Supondo que a eficiência do propulsor IEC seja comparável à do projeto de propulsor iônico planar, com base nessas melhorias operacionais, o propulsor IEC oferece então vantagens significativas. [Note-se que um conceito alternativo de propulsor IEC é descrito adiante, na seção sobre o trabalho de J. Khachan. Ele também parece muito promissor.] UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 25

Nota editorial: Compara o propulsor a jato IEC com o propulsor iônico planar convencional e lista as vantagens esperadas; a eficiência final ainda depende de uma hipótese.

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UNCLASSIFIED/ ,'FOR 8ffl@IAL t.1!11!! 8HLY are observed. For example, with the device of Figure 3.2b, the input power is about 2 kW with over 1.5 kW being carried out by the jet flow. Consequently, this configuration provides a way to efficiently convert the energy stored by accelerated ions in the symmetric microchannels into a directed beam or jet. Comparison to a Conventional "Plasma " Thruster The IEC thruster can be viewed as transforming a conventional ion thruster into a spherical form. In the IEC thruster of Figure 3.2b, ions are produced in the gas discharge region through the injection and oscillation of electrons about a guide grid that is held to a slightly positive potential. A second grid extracts ions from the discharge region and accelerates them towards the center of the device. This type of ion formation in the IEC has been studied extensively by workers at Nambe Tech, a "spin-off" company by LANL workers (Reference 3.8). In the case of a planar thruster, ions are also formed in a discharge region. However, instead of a guide grid, a magnetic field is used to contain electrons, providing a long path to maximize ionization collisions. The ion source regions are basically the same, then, for both IEC and planar ion thrusters, and the extraction/acceleration provided by the grids and the magnetic fields play equivalent roles in the respective devices. However, the IEC jet thrnster concept must extract a net thrust from the spherical! configuration. That is where the two concepts (planar vs. IEC) diverge, and the star-jet operational mode becomes essential. The micro-channel formation in the STAR mode acts to maintain and store the accelerated ions until they are diverted directionally and escape out through the plasma jet opening . The opening is biased, enabling the control of the potential gradient between the grid and the opening, hence allowing for increased control of the intensity of the plasma jet. The maintenance of STAR mode is then fundamenta I to the success of !EC jet operation. Both experimental data and particle-in-cell (PIC) code simulations show that the energetic ions can be maintained in microchannels for hundreds of passes. The jet opening allows escape into it in less than ten passes. Consequently, a majority of the ions, >95 percent, escape at full energy. Thus, the star -jet provides an amazingly good method to both store and direct the energetic ions. Overall, the IEC configuration offers distinct advantages. First, the grid structures used in the IEC thruster are much more open than those used in the conventional planar thruster designs. When combined with microchanne l ion focusing, this prevents ion-grid collisions, greatly reducing grid erosion and significantly increasing the thruste r lifetime. Second, transforming the device into a sphere makes the overall unit more compact per unit -ion-source volume, implying a weight reduction advantage. Third, unwanted neutral propellant gas leakage would be reduced, due to the smaller net opening required by the high-density jet, vs. a conventional planar thruster having multiple grid openings. This advantage becomes especially important for thruster applications. Assuming that the IEC thruster efficiency would be comparable to that of the planar Ion thruster design, based on these operational improvements, the !EC thruster then offers significant advantages. [Note that an alternate !EC thruster concept is described later in the section on J. Khachan's work. It too looks very promising.] UNCLASSIFIED/ /5i0A 05i5ilCIAk Wii Ql\lk¥ 25

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Extração do jato Para obter empuxo de um dispositivo IEC, é preciso criar um vale ou depressão no potencial eletrostático e abrir fisicamente um furo na esfera aterrada. Isso permite que íons de alta velocidade escapem na forma de um jato de plasma, como descrito na seção anterior. Os íons são gerados perto do potencial de terra com a ajuda de emissores de elétrons e de grades adicionais. Uma grade elétrica esférica central acelera os íons até a região do núcleo. Uma grade "canal" cilíndrica, com o mesmo potencial eletrostático da grade esférica central, cria uma passagem pela qual os íons podem escapar para o exterior. Assim, essa depressão no perfil de potencial eletrostático ao longo da linha central (eixo de empuxo) do propulsor IEC é uma característica singular, em comparação com o perfil linear de um dispositivo planar. Os feixes de íons saem finalmente por uma abertura na esfera aterrada do dispositivo IEC. A grade-canal precisa ser bem isolada do potencial de terra para evitar curto-circuito ou arco elétrico; por isso, um cabo de passagem isolado separado mantém o potencial negativo nas grades esférica interna e de canal. O gás propelente de reposição é alimentado na região de ionização por tubulação controlada por válvula de agulha, localizada em torno da parede da câmara. A ionização do propelente usa o projeto de emissor de elétrons e grade-guia descrito antes. A grade interna serve tanto para extrair quanto para acelerar íons, formando os microcanais. Para controlar a neutralização do jato de plasma, emissores de elétrons adicionais são fixados perto do orifício de descarga do jato. Uma combinação das taxas de emissão de elétrons e da polarização da grade do jato pode ser usada para controlar a carga espacial do feixe e, portanto, o crescimento da focalização do feixe durante a propagação. Nos experimentos atuais, porém, a taxa de elétrons é fixada num valor adequado, enquanto se varia a polarização da grade do jato. O controle do diâmetro e do foco do jato é obtido de duas maneiras: primeiro, a grade-canal terá uma articulação separada com um pequeno servomotor, de modo que seu eixo possa ser movido num volume definido por um ângulo de cone de 10 por cento; segundo, a polarização da grade pode ser variada numa faixa até o potencial da câmara, para dar controle de foco sobre o fluxo do jato. Uma grande polarização negativa da grade causará um foco estreito, enquanto valores pequenos de potencial permitirão que o plasma se expanda, dando um feixe de seção transversal ampla. Projeto experimental do jato e desempenho A Figura 3.3 mostra os componentes do experimento do propulsor. Também é de interesse considerar as dimensões típicas envolvidas, para ilustrar a compacidade da unidade. Os estudos experimentais usam uma câmara IEC esférica existente de cerca de 30 cm, com uma porta de 1 cm de diâmetro num dos lados para a extração do feixe. (Isso é um pouco maior do que o previsto para aplicação em microssatélites.) Uma grade elétrica esférica de fios de tungstênio ou tântalo, de 8 cm de diâmetro e com transparência geométrica de cerca de 90 por cento, será montada dentro da câmara. Um furo de cerca de 1 cm de diâmetro será aberto na lateral da grade de fios, e esse furo será alinhado com o furo na parede da câmara e conectado a ele por uma grade-guia cilíndrica de 2 cm de diâmetro. O isolante que cobre a parede aterrada precisa ter tamanho suficiente para evitar arco elétrico da terra para a grade cilíndrica. As grades elétricas internas são ligadas a uma fonte de alimentação de 500 kV em corrente contínua pelo cabo de passagem isolado. Uma grade externa carregada positivamente, com tensão variável de cerca de 10-100 V, é montada num conector giratório do lado de fora da porta de extração do feixe da câmara e, em combinação com quatro emissores de elétrons, gera íons. A escolha das tensões nas grades externas é flexível, desde que se alcance uma taxa suficiente de geração de íons UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 26

Nota editorial: Descreve a extração do jato, a grade-canal, a neutralização e o controle de foco do jato e as dimensões planejadas do experimento de propulsor IEC.

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UNCLASSIFIED//&OA. O&&ICI0I. !li'li 01"11.¥ let Extraction To obtain thrust from an IEC device, a valley or trough must be created in the electrostatic potential, and a hole must be physically cut into the ground sphere. This allows high-speed ions to escape in the form of a plasma jet as described in the preceding section. Ions are generated near the ground potential with the aid of electron emitters and additional grids. A central spherical electrical grid accelerates ions to the core region. A cylindrical "channel" grid with the same electrostatic potential as the central spherical grid creates a passage through which ions can escape to the outside. Thus this trough in the electros tat ic potential profile across the centerline (thrust axis) of the IEC thruster is a unique feature compared to the linear profile for a planar device. The ion beams finally exit through an opening in the ground sphere of the IEC device. The channel grid must be well insulated from the ground potential to prevent short­ circuiting or arc-over; thus a separate insulated feed-through cable maintains the negative potential on the inner spherical and channel grids. Makeup propellant gas is fed into the ionization regiion throug h needle-valve-controlled tubing located around the chamber wall. Ionization of the propellant uses the electron emitter -guide grid design described earlier. The inner grid serves to both extract and accelerate ions, forming the microchannels. To control neutralization of the plasma jet, additional electron emitters are attached close to the jet discharge hole. A combination of electron emission rates and jet grid bias can be used to control the beam space charge, hence the growth of focusing of the beam during propagation. In present experiments, however, the electron rate is fixed at a suitable value while the jet grid bias is varied. Control of the jet diameter and focus is obtained in two ways: first, the channel grid will be separately hinged with a small servo motor such that its axis can be moved over a volume defined by a 10 percent cone angle; second, the grid bias can be varied over a range up to the chamber potential to provide focus control over the jet flow. A large negative grid bias will cause a narrow focus while small potential values will allow the plasma to expand giving a broad cross section beam. Experimental let Design and Performance Figure 3.3 shows the thruster experiment components. It is also of interest to •consider the typical dimensions involved to illustrate the compactness of the unit. The experimental studies use an existing spherical IEC chamber of ~30-cm with a 1-cm diameter port on one side of it for beam extraction. (This is somewhat larger than envisioned for application to micro-satellites). An 8-cm diameter spherical electrical tungsten or tantalum wire grid, having a geometric transparency of ~90 percent, will mount inside the chamber. A ~1-cm diameter hole will be cut into the side of the wire grid, and this hole will be aligned with the hole in the chamber wall and connected to it by a 2-cm diameter cylindrical guide grid. The insulator covering the grounded wall must be of sufficient size to prevent arc-over from the ground to the cylindrical grid. The inner electrical grids are connected to a 500-kV de power supply through the insulated feed-through cable. A positively-charged outer grid with a variable voltage of ~10-100 Vis mounted on a swivel connector at the outside of the beam extraction port of the chamber, in combination with four electron emitters, generates ions. The choice for the voltages on the outer grids is flexible, so long as a sufficient ion UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIQIAk Wi'li 01"11.¥ 26

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] . A tensão líquida de aceleração deve ser mantida na ordem de 1 kV para garantir que a velocidade de exaustão resultante fique na faixa de 30.000 m/s (Isp < 3000 segundos). A missão de um satélite de comunicações é otimizada com um impulso específico nessa faixa. Um impulso específico maior reduziria as necessidades de propelente, mas as necessidades de potência e a massa associada aos componentes da fonte de energia aumentariam de forma correspondente. O xenônio é injetado na câmara por furos em posições apropriadas ao redor da parede do vaso. Figura 3.3. Ilustração do experimento do propulsor a jato IEC mostrando a grade central e duas grades de jato, opostas entre si, com ação liga-desliga A Tabela 3.1 lista os parâmetros de desempenho estimados para um propulsor iônico eletrostático IEC, com base nos dados experimentais disponíveis até hoje, mais a extrapolação de dados de outros propulsores iônicos. O dispositivo IEC terá densidades e temperaturas maiores no plasma do núcleo central do que um propulsor convencional, mas o aumento das perdas por radiação de frenagem (bremsstrahlung) ainda é desprezível quando comparado às outras perdas de potência. As perdas por radiação térmica devem ser comparáveis às dos propulsores convencionais. O gasto de energia por íon nos propulsores iônicos convencionais é de cerca de 300 eV por íon. O gasto de energia por íon do dispositivo IEC não foi estabelecido experimentalmente, mas foi estimado na Tabela 3.1 a partir de estudos de simulação. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 27

Nota editorial: Figura 3.3 (esquema com duas grades de jato opostas) e texto sobre a escolha de xenônio e o impulso específico visado; os parâmetros da tabela seguinte são declarados estimativas.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL ~SI: 8HLY generation rate is achieved. The net accelerating voltage must be kept within the order of 1 kV to ensure that the resultant exhaust velocity is in the range of 30,000 m/s (lsp < 3000 seconds). The mission for a communications satellite is optimi zed with a specific impulse in th is range. A higher specific impulse would reduce propellant requirements, but the power requirements and the mass associated with power source components would increase correspondingly. Xenon is bled into the chamber through holes at appropriate locations around the wall of the vessel. Figure 3.3. Illustration of the IEC Jet Thruster Experiment Showing Central Grid and Two Jet Grids, Opposite to Each Other With On- Off Action Table 3.1 lists the estimated performance parameters for an IEC electrostatic i-on thruster based on experimental data available to date plus extrapolation of other ion thruster data. The IEC device will have higher densit ies and temperatures in the central core plasma than a conventiona l thruster, but the increased losses due to Bremsstrahlung radiation are still negligible when compared to the other power losses. Thermal radiation losses should be comparable to that in conventional thrusters. The energy expenditure per ion for conventional ion thrusters and is ~300 eV per ion. The energy expenditure per ion for the IEC device has not been established experimentally, but was estimated in Table 3.1 from simulation studies. UNCLASSIFIED/ /P"9K 8ffl@IAL ~SE ONLY 27

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Tabela 3.1. Parâmetros de desempenho estimados do propulsor iônico IEC Parâmetro: Propulsor iônico IEC Propelente: xenônio Peso molecular (amu): 131,3 Impulso específico (s): 3000 Empuxo (mN): 34 Potência do jato (W): 500 Potencial líquido de aceleração (V): 600 Corrente do feixe (mA): 832 Perda de potência na grade (W): ≤ 50 Perda de potência por radiação de frenagem (bremsstrahlung) (W): < 1 Perda de potência na ionização do propelente (W): 200-250 Potência de entrada (W): 750-800 Eficiência do propulsor (%): 62-68 Em resumo, a eficiência de potência do propulsor IEC parece ser competitiva com a dos propulsores iônicos existentes. Quais são então as vantagens? Elas foram descritas antes e incluem um projeto mais compacto, grande área de rejeição de calor, um jato de exaustão mais próximo da quase neutralidade, menor vazamento de propelente neutro e menor erosão da grade. Assim, a massa do sistema de propulsor a jato IEC pode ser potencialmente reduzida em comparação com um propulsor do tipo Hall de alta potência, e sua vida útil também pode ser aumentada de forma significativa. Nesse contexto geral, o propulsor IEC oferece potencialmente uma melhora importante de desempenho para aplicações de propulsores de alta potência. Ampliação de escala para uma unidade de potência espacial/propulsor IEC de p-11B O propulsor a jato IEC de acionamento elétrico fornece uma base de dados importante para um próximo passo, um propulsor a jato IEC de p-11B. Saltar para o p-11B nessa aplicação pode parecer ambicioso demais. No entanto, a fusão sem nêutrons parece essencial num pequeno propulsor espacial, para evitar peso excessivo com blindagem da eletrônica. Considerável experiência com plasmas em fusão em IECs foi obtida pelo desenvolvimento de fontes de nêutrons D-D baseadas em IEC. Esses dispositivos operam com feixes de íons D de cerca de 80 keV, usando o caráter não maxwelliano do IEC. Essa característica importante faz do uso do p-11B um objetivo realista. De fato, a operação com energias de íons circulantes na energia desejada de 150 keV para o p-11B já foi alcançada na UIUC e em vários outros laboratórios que trabalham com IECs. A questão é então como alcançar tempos de confinamento adequados. A abordagem seguida na UIUC é a formação de poços de potencial profundos com injeção angular de íons, usando um canhão de íons de RF com bombeamento diferencial, como discutido em seções posteriores. Um experimento proposto para demonstrar a física do p-11B é discutido na Seção VI. Em resumo, a extração de um jato de plasma de um IEC com grade abre caminho para uma série de aplicações adicionais de plasma para o IEC. Esta discussão pretende identificar um progresso ordenado das aplicações do IEC em energia espacial comercial, começando por um propulsor IEC de acionamento elétrico e chegando a uma unidade IEC de p-11B autoalimentada. As características atraentes do dispositivo de acionamento elétrico, a saber, peso reduzido, baixa manutenção, UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 28

Nota editorial: Tabela 3.1 com o desempenho estimado de um propulsor IEC a xenônio, comparação com propulsores iônicos existentes e proposta de uma futura unidade autoalimentada de p-11B.

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UNCLASSIFIED/ /fOR Offl@IAL W&& 8Nk¥ Table 3.1. Estimated Performance Parameters or the IEC Ion Thruster Parameter IEC Ion Thruster Propellant Xenon Molecular Weight ( arnu) 131.3 Specific Impul se (s) 3000 Thrust (m.N) 34 Jet Power (W) 500 Net accelerating Potential (V) 600 Beam Current (mA) 832 Power Loss to Grid (W) :S50 Power Loss to Bresstrahlung Radiation (W) < 1 Power lo s to Ionization of Propellan t (W) 200-250 Input Power (W) Thruster Efficiency(%) 750-800 62-68 In summary, the power efficiency of the IEC thruster appears to be competitive to existing ion thrusters. What are the advantages then? These were outlined earlier and include a more compact design, large heat rejection area, an exhaust jet closer to quasi-neutrality, reduced neutral propellant leakage, and reduced grid erosion. Thus, the mass of the IEC jet thruster system can potentially be reduced compared to a high­ power Hall-type thruster and also its lifetime can be increased significantly. In this overall context, then, the IEC thruster potentially offers an important improvement in performance for high power thruster applications. Scale -up to p- 11 B IEC Space Power Unit/Thruster The electrically driven IEC jet thruster provides an important data base for a next step p-11 B IEC jet thruster. Jumping to p-11 B for this application may appear overly ambitious. However, neutronless fusion seems essent ial in a small space thruster to avoid excessive weight from shielding of electronics . Considerable experience with fusing plasmas in IECs has been gained through development of IEC DD neutron sources. These devices operate with ~80- keV D-ion beams using the non-Maxwellian character of the IEC. This important characteristic makes use of p-11 B a realist ic goal. In fact, operation with circulating ion energies at the desired 150 keV energy for p-11B has already been achieved at the UIUC and several other laboratories working on IECs. The issue then is how to achieve adequate confinement times . The approach being pursued at UIUC is the formation of deep potential wells with angular ion injection using a differentially-pumped RF ion gun, as discussed in later sections. A proposed experiment to demonstrate p-11B physics is discussed in Section VI. In summary, the extraction of a jet plasma from a gridded IEC opens the way to a number of added plasma applications for the IEC. This present discussion is intended to identify an orderly progress of IEC applications in commercial space power, starting with an electrically driven IEC thruster to a self-powered IEC p-11B unit. The attractive characteristics of the electrically driven device, namely light weight, low mainten ance, UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIQIAk Wii QrelL¥ 28

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] baixo vazamento de combustível e manobrabilidade extrema, fazem dele um competidor de curto prazo de outros dispositivos, como os propulsores Hall, para futuras aplicações comerciais de propulsores na faixa de vários kW. A extensão a uma unidade autoalimentada de p-11B resolveria muitos problemas previstos à medida que se desenvolvam maiores exigências de potência. Ela poderia ser estendida às grandes unidades de potência necessárias para uma eventual propulsão rápida no espaço profundo. Muito mais pesquisa e desenvolvimento são necessários, porém, para garantir esse passo em tempo hábil. O IEC assistido por dipolo (DaIEC) O IEC assistido por dipolo, DaIEC, é semelhante ao conceito de IEC discutido acima, exceto que um ímã dipolar fica localizado no centro de duas grades hemisféricas (Referência 3.9). O DaIEC foi proposto pela primeira vez por G. Miley na UIUC e vem sendo investigado lá. Esse conceito está intimamente relacionado ao reator de dipolo levitado (Referência 3.10), mas é muito mais simples, por ser menor e não exigir levitação. Também difere consideravelmente na física do confinamento do plasma associado. Duas fontes de íons injetam feixes de íons de deutério e de hélio-3 de 40 keV em direção ao centro do ímã dipolar. O campo magnético comprimirá os feixes de íons, aprisionando os íons ao longo das linhas do campo magnético; assim, eles se fundem dentro do ímã dipolar. Os produtos da reação de fusão D-3He são prótons de 14,7 MeV e partículas alfa de 4 MeV. Eles podem ser usados para propulsão direta por partículas carregadas ou para conversão direta em eletricidade (ou ambas: propulsão e manutenção de posição). Um esquema da montagem é mostrado na Figura 3.4. [Figura 3.4, rótulo legível: bobina estabilizadora.] Figura 3.4. Esquema de propulsão por reator de dipolo Os íons que saem para a direita na Figura 3.4 são aprisionados pelo campo magnético produzido pela bobina estabilizadora e são expelidos para produzir empuxo. Como o campo magnético não se fecha no bocal, mas é aberto, não é preciso neutralizar os prótons e as partículas. Essa configuração do campo magnético no sistema DaIEC reduz os componentes mecânicos. Será necessário um neutralizador (injeção de elétrons na exaustão) nesse sistema, para evitar possível acúmulo de carga no bocal. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 29

Nota editorial: Conclusão da seção do propulsor (extensão a p-11B ainda depende de pesquisa) e início da seção sobre o IEC assistido por dipolo (DaIEC), com feixes de deutério e hélio-3 para energia e empuxo (Figura 3.4).

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&IAk WSE 8Ptklf low fuel leakage and extreme maneuverability make it a near-term competitor with other devices such as Hall thrusters for future commercial thruster applications in the multi -kW range . The extension to a p-11B self-powered unit would resolve many problems anticipated as larger power requirements develop . It would be extendable to large power units needed for eventual fast deep space propulsion. Much more research and development is required to ensure that step in a timely fashion, however. The Dipole Assisted IEC (DaIEC) The dipole assisted IEC DaIEC is similar to the IEC concept discussed above except a dipole magnet is located in the center of two hemispherical grids (Reference 3. 9). The DaIEC was first proposed by G. Miley at the UIUC and has been under investigation there. This concept is closely related to the levitated dipole reactor (Reference 3.10) but is much simpler, being smaller and not requiring levitation. It also differs considerably in the physics of the associate plasma confinement. Two ion sources inject 40-keV deuterium and helium-3 ion beams toward the center of the dipole magnet. The magnetic field will compress the ion beams by trapping ions along the magnetic field lines; therefore, they fuse within the dipole magnet. The products of the D-3He fusion reaction are 14. 7-MeV protons and 4-MeV alpha particles. These can be used for direct charged particle propulsion or direct conversion to electricity (or both - propulsion and station keeping). A schematic of the setup is shown in Figure 3.4. G:EJ [:E] [8J Stabilizing coil Figure 3.4. Dipole Reactor Propulsion Scheme Those ions that exit toward the right in Figure 3.4 are trapped by the magnetic field produced by the stabilizing coil and are exhausted to produce thrust. Since the magnetic field does not close at the nozzle but is open, protons and particles are not required to be neutralized. This configuration of the magnetic field in the DaIEC system reduces the mechanical components. A neutralizer (electron injection into the exhaust) will be required in this system so as to avoid possible charging up at nozzle. UNCLASSIFIED/ /5i0A 05i5ilCIAk Wli& 0,.k?f 29

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TRECHO 31 · PÁGINA FÍSICA 4

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Seção IV. Teoria do IEC ... 34 Estrutura do poço de potencial ... 38 Tzonev et al. - estudo de poço profundo ... 39 Momota et al. - estudo da estrutura de eletrodo virtual ... 41 Kim - análise de estabilidade ... 41 Rider - estudo de balanço energético ... 43 Simulações de fonte de nêutrons ... 44 Referências ... 46 Seção V. Aplicações potenciais ... 46 Fontes de nêutrons/prótons/raios X ... 46 Fontes integradas de raios X/nêutrons ... 47 Técnicas de detecção de explosivos nucleares e químicos ... 47 Visão geral dos artigos de simulação de armas/material nuclear ... 48 Potência pulsada para a estação de inspeção ... 49 Projeto do sistema integrado de interrogação ... 50 Conjunto de detectores e sistema de análise ... 52 Propulsão espacial ... 54 Conceito de arranjo esférico de IECs canalizado magneticamente (MCSA) ... 56 Recirculação das perdas do cone da correia radial ... 57 Novo aprisionamento de partículas perdidas no eixo ... 58 Observações finais ... 59 Referências ... 59 Seção VI. Possível próximo passo: experimento de equilíbrio energético ... 60 Demonstração de ganho líquido de energia com fusão aneutrônica por IEC ... 60 Visão de uma futura usina de fusão p-11B ... 61 Experimento de equilíbrio energético proposto ... 62 Observações finais ... 64 UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] iv

Nota editorial: Continuação do sumário: teoria do IEC, aplicações potenciais (inclusive propulsão espacial) e experimento proposto de equilíbrio energético.

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UNCLASSIFIED/ }FOA OFFICl.'1.k W&li Ol\lk¥ Section IV. IEC Theory ......................................................................................... 34 Potential Well Structure ......................................................................... .......... 38 Tzonev et al. - Deep Well Study ............................................................. .......... 39 Momota et al. - Study of Virtual Electrode Strudure ........................................ 41 Kim - Stability Analysis .................................................................................... 41 Rider - Energy Balance Study .......................................................................... 43 Neutron Source Simulations .................................................................... ........... 44 References ....................................................................................................... 46 Section V. Potential Applications .......................................................................... 46 Neutron/proton/Xray Sources ............................................................... ......... 46 Integrated X-Ray /Neutron Sources ................................................................ 47 Nuclear and Chemical Explosive Detection Techniques ................................ 47 Overview for Weapons/Nuclear Material Simulation Articles ............. .......... 48 Pulsed Power for the Inspection Station ............................................ .......... 49 Design of the Total Integrated Interrogation System ......................... .......... 50 Detector Array and Analysis System .................................................. .......... 52 Space Propulsion .............................................................................................. 54 Magnetically-Channeled Spherical IEC Array (MCSA) Concept ......................... 56 Recirculation of Radial Belt Cone Losses ..................................................... 57 Retrapping of Axial-Loss Particles ...................................................... .......... 58 Concluding Remarks ........................................................................................... 59 References ............................................................................................. ........... 59 Section VI. Possible Next Step Breakeven Experiment ......................................... 60 Demonstration of Net Energy Gain using IEC Aneutronic Fusion ...................... 60 Vision of a Future p- 11 8 Fusion Plant ...................................................... .,......... 61 Proposed Breakeven Experiment ...................................................................... 62 Concluding Remarks ......................................................................................... 64 UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICIAk Wlili 0PU:?f iv

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Figuras Figura 1.1. Um IEC esférico da UIUC ... 1 Figura 1.2. Estrutura de potencial idealizada, calculada por Hirsch, para íons monoenergéticos sem momento angular ... 6 Figura 1.3. Modos de descarga em dispositivos com grade identificados por Miley ... 9 Figura 1.4. Foto do modo estrela vista por uma janela de porta do vaso de reação ... 9 Figura 1.5. Esquema do injetor de canhão de RF da UIUC para experimentos com IEC ... 11 Figura 1.6. Canhão de RF acoplado a uma câmara IEC no laboratório da UIUC ... 12 Figura 1.7. Foto da formação do ponto central ... 12 Figura 2.1. O "histórico" experimento inicial de injeção de íons no IEC ... 14 Figura 2.2. Taxas de nêutrons medidas com o IEC: as taxas de nêutrons medidas com o IEC da Figura 2.1 superaram 10^9 n/s de D-T a 150 kV ... 14 Figura 2.3. Fotografia de uma descarga em modo ESTRELA ... 16 Figura 2.4. Projeto de detecção de minas terrestres com IEC na Universidade de Kyoto ... 17 Figura 2.5. Esquema para detecção de minas terrestres com um IEC híbrido do tipo magnétron como fonte de nêutrons ... 18 Figura 2.6. Fonte de íons de 3He para uso em estudos de taxa de fusão 3He-3He na Universidade de Wisconsin ... 19 Figura 3.1. Dois tipos de IECs cilíndricos ... 22 Figura 3.2. Modo operacional de jato em dispositivo IEC experimental e montagem do jato ... 24 Figura 3.3. Ilustração do experimento do propulsor a jato IEC mostrando a grade central e duas grades de jato ... 27 Figura 3.4. Esquema de propulsão por reator de dipolo ... 29 Figura 3.5. Campo magnético de dipolo e disposição dos dispositivos ... 30 Figura 3.6. Densidade de elétrons em função da intensidade do campo do dipolo a 25 mtorr, 20 mA ... 31 Figura 4.1. Corte transversal da disposição experimental do experimento PFX-I ... 34 Figura 4.2. Detalhe do ânodo e da porta de injeção de íons no PFX-I ... 35 Figura 4.3. Gráfico do valor Q ... 37 Figura 4.4. Esboço de dois limites opostos do equilíbrio feixe-maxwelliano ... 38 Figura 4.5. A definição da profundidade do poço duplo ... 39 Figura 4.6. A definição das velocidades paralela e perpendicular na grade catódica do IEC ... 39 Figura 4.7. O poço de potencial duplo calculado com o código IXL ... 40 Figura 4.8. Perfil de densidade de íons para o poço de potencial ... 40 Figura 4.9. A taxa de reação de fusão D-D em função da corrente do cátodo ... 40 Figura 4.10. Gráfico da taxa de crescimento da instabilidade de feixe de íons convergente/divergente esfericamente ... 42 Figura 4.11. Diagrama mostrando as superfícies equipotenciais da grade catódica do IEC ... 45 Figura 4.12. Resultados dos cálculos de distribuições de energia dos íons na 1ª passagem ... 45 Figura 5.1. Diagrama de blocos do sistema de potência pulsada do IEC ... 49 Figura 5.2. Esquema (vista de cima) de um sistema de inspeção IEC de ampla cobertura para inspeção de bagagem ... 51 Figura 5.3. Ilustração adicional do sistema integrado para inspeção de bagagem em aeroportos ... 53 Figura 5.4. Ilustração adicional do sistema integrado para inspeção de contêineres de navio ... 53 Figura 5.5. Imagem de uma nave Fusion II, espaçonave tripulada de 750 MWe movida a fusão IEC, com propulsão por propulsor iônico ... 54 Figura 5.6. Esquema em escala da Fusion Ship II, espaçonave de fusão IEC de 750 MWe ... 55 Figura 5.7. Ilustração de um dispositivo MCSA de três unidades ... 57 Figura 5.8. Diagrama dos campos de correia-cúspide e da recirculação de partículas ... 57 UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] v

Nota editorial: Índice de figuras (parte 1): fotografias de dispositivos, esquemas, gráficos teóricos e ilustrações de espaçonave.

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UNCLASSIFIED/ ,SFOA OFFI&IAk WSE 8Ptklf Figures Figure 1.1. An UIUC Spherical IEC .............................................................................. 1 Figure 1.2. Idealized Potential Structure Calculated by Hirsch for Monoenergetic Figure 2.2. Neutron Rates Measured With the IEC: Neutron Rates Measured With Figure 2.5. Scheme for Landmine Detection Using a Hybrid Magnetron Type Figure 2.6. 3He Ion Source for Use in 3 He -3He Fusion Rate Studies at the U Of Figure 3.3. Illustration of the IEC Jet Thruster Experiment Showing Central Figure 4.6. The Definition of the Parallel and Perpendicular Velocities at the IEC Figure 4.10. Plot of Growth Rate of Spherically Converging/Diverging Ion-Beam Ions With No Angular Momentum ......................................................... 6 Figure 1.3. Discharge Modes in Gridded Devices Identified by Miley ...................... 9 Figure 1.4. Photo of Star Mode Seen Through a Reaction Vessel Port Window ....... 9 Figure 1.5. Schematic of the UIUC RF Gun Injector for IEC Experiments .... .......... 11 Figure 1.6. RF Gun Attached to an IEC Chamber in the UIUC Laboratory .............. 12 Figure 1.7. Photo of Center Spot Formation ......................................................... 12 Figure 2.1. The "Historic" Early IEC Ion Injection Experiment ............................. 14 the IEC of Figure 2.1 Exceeded 109 DT n/s at 150 kV ......................... 14 Figure 2.3. Photograph of a STAR Mode Discharge ............................................... 16 Figure 2.4. IEC Landmine Detection Project at Kyoto University .......................... 17 IEC Neutron Source .................................................................. .......... 18 Wisconsin ................................................................................. ........... 19 Figure 3.1. Two Types of Cylindrical IECs ............................................................. 22 Figure 3.2. Jet Operational Mode in Experimental IEC Device and Jet Set-Up ...... 24 Grid and Two Jet Grids ....................................................................... 27 Figure 3.4. Dipole Reactor Propulsion Scheme ..................................................... 29 Figure 3.5. Dipole Magnetic Field and Layout of Devices ...................................... 30 Figure 3.6. Electron Density Vs. Dipole Magnet Field Strength at 25mtorr, 20mA 31 Figure 4.1. Cross Section of the Experimental Layout of the PFX-I Experiment .... 34 Figure 4.2. Detail of the Anode and the Ion Injection Port in PFX-I ..................... 35 Figure 4.3. Plot of the Q-Value ............................................................................. 37 Figure 4.4. Sketch of Two Opposite Limits of the Beam-Maxwellian Equilibrium .. 38 Figure 4.5. The Definition of the Double Well Depth ................................... .......... 39 Cathode Grid ...................................................................................... 39 Figure 4.7. The Double Well Potential Calculated With IXL Code ......................... 40 Figure 4.8. Ion Density Profile for Potential Well ................................................. 40 Figure 4.9. The D-D Fusion Reaction Rate Versus Cathode Current ..................... 40 Instability ............................................................................... .......... 42 Figure 4.11. Diagram Showing Equipotential Surfaces of the IEC Cathode Grid .. 45 Figure 4.12. Results for Calculations for Ion Energy Distributions 1st Pass ......... 45 Figure 5.1. Block Diagram of the IEC Pulsed Power System ................................. 49 Figure 5.2. Schematic (View From Top) of a Broad Coverage IEC Inspection System for Luggage Inspection ··············································••11• •······· 51 Figure 5.3. Further Illustration of the Integrated System for Airport Luggage Inspection ................................................................................ ........... 53 Figure 5.4. Further Illustration of the Integrated .System for Ship Container Inspection .......................................................................................... 53 Figure S.S. Image of a Fusion II Spaceship, a 750-MWe IEC Fusion-Powered Manned Spacecraft With Ion Thruster Propulsion ............................. 54 Figure 5.6. Scale Schematic of Fusion Ship II, a 750-MWe IEC Fusion Spacecraft ................................................................................ .......... 55 Figure 5.7. Illustration of a Three-Unit MCSA Device ............................................ 57 Figure 5.8. Diagram of Belt-Cusp Fields and Particle Recirculation ............ ........... 57 UNCLASSIFIED/ ,CFOA OFFI&IAk WSE 8PtLY V

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TRECHO 33 · PÁGINA FÍSICA 6

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Figura 5.9. Intensidade do campo magnético axial ao longo da linha central de um MCSA de duas unidades ... 58 Figura 5.10. Diagrama da randomização de direção (efeito KAM) devida à região de campo magnético nulo no IEC ... 59 Figura 6.1. Exigências de energia da seção de choque de fusão p-11B ... 62 Figura 6.2. Sistema IEC com canhão de íons de radiofrequência ... 63 Figura 6.3. Conceito de múltiplos canhões de íons ... 63 Figura 6.4. Canhão de íons acionado por RF com bombeamento diferencial ... 63 Tabelas Tabela 3.1. Parâmetros de desempenho estimados do propulsor iônico IEC ... 28 Tabela 4.1. Comparação de estimativas analíticas e numéricas de valores Q em solução dominada por feixe, para um poço quadrado de 50 kV ... 32 Tabela 5.1. Três tipos de técnicas usadas anteriormente em sistemas de detecção de explosivos ... 48 Tabela 5.2. Comparação entre o projeto IEC e o projeto de fusão magnética ... 56 UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] vi

Nota editorial: Índice de figuras (parte 2) e índice de tabelas: injetores de íons, desempenho estimado e comparação de projetos.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8ffl@IAL t.1!11!! eHLY Figure 5.9. Axial Magnetic Field Strength Along Two-Unit MCSA Centerline ......... 58 Figure 5.10. Diagram of Direction Randomization (KAM Effect) Due to the Magnetic Field Null Region in the IEC ............................................... 59 Figure 6.1. p- 11 B Fusion Cross Section Energy Requirements ............................... 62 Figure 6.2. IEC System With Radio Frequency Ion Gun ....................................... 63 Figure 6.3. Multiple Ion Gun Concept ......................................................... .......... 63 Figure 6.4. Differentially Pumped RF-Driven Ion Gun ........................................... 63 Tables Table 3.1. Estimated Performance Parameters or the IEC Ion Thruster ..... .......... 28 Table 4.1. Comparison of Analytical and Numerical Estimates of Q-Values in a Beam-Dominated Solution -- for a SO-kV Square Well ......................... 32 Table 5.1. Three Kinds of Techniques Previously Used in Explosives Detection System ................................................................................................. 48 Table 5.2. Comparison of IEC Design and Magnetic Fusion Design ....................... 56 UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL l?ISE O,.L\f vi

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Fusão por Confinamento Eletrostático Inercial Prefácio Este relatório pretende dar ao leitor uma visão geral dos fundamentos, do estado experimental atual, da teoria de apoio e das aplicações potenciais da fusão por confinamento eletrostático inercial (IEC). A ênfase recai sobre o trabalho feito nessas áreas na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, embora se incluam também algumas outras pesquisas. O relatório mostra que o IEC é uma abordagem singular da fusão, porque oferece uma série de aplicações derivadas ("spin-off"), como uma pequena fonte de nêutrons para análise por ativação neutrônica, no caminho rumo à energia de fusão. O relatório mostra ainda que o IEC é uma das poucas abordagens de fusão que podem, potencialmente, queimar combustíveis aneutrônicos como o p-11B (hidrogênio-boro 11). Na fusão aneutrônica, os nêutrons carregam no máximo 1% da energia total liberada, o que reduz muito os problemas associados à radiação de nêutrons. Essa capacidade, somada à estrutura mecânica simples e ao tamanho reduzido, faria do reator IEC, se for alcançado, uma unidade de potência de fusão ideal. Os dispositivos experimentais atuais estão quatro a cinco ordens de grandeza abaixo do equilíbrio energético (energia produzida/energia fornecida = 1) para o p-11B. No entanto, argumenta-se que a possibilidade de estudar a física em plasmas de volume muito pequeno permite investigar rapidamente a ampliação de escala até um dispositivo gerador de energia. Como exemplo, o relatório termina com um experimento conceitual proposto para demonstrar condições de equilíbrio energético para o p-11B usando uma simulação com plasma de hidrogênio. O autor procurou deliberadamente evitar o uso de equações neste relatório, para facilitar a leitura e dar destaque aos conceitos, e não à análise. Contudo, há análise considerável em várias das referências citadas como fonte. UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] vii

Nota editorial: Prefácio: o autor resume o objetivo do relatório, as aplicações do IEC e a distância que os dispositivos atuais ainda têm do equilíbrio energético.

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UNCLASSIFIED/ fFOA QFFIEIAL ~81: 8HLY Inertial Electrostatic Confinement Fusion Preface This report is intended to provide the reader with an overview of the basics, current experimental status, supporting theory, and potential applications of inertial electrostatic confinement (IEC} fusion. Emphasis is placed on work in these areas at the University of Illinois Urbana-Champaign, although some other research is brought in. The report shows that IEC is a unique approach to fusion in that it offers a number of "spin-off" applications, such as a small neutron source for neutron activation analysis on the route to fusion power. The report further shows that IEC is one of the few potential fusion approaches that can potentially burn aneutronic fuels like p- 11 B (hydrogen - Boron 11). In aneutronic fusion, neutrons carry no more than 1% of the total released energy, greatly reducing problems associated with neutron radiation. That ability, combined with its simple mechanical structure and small size, make the IEC reactor, if achieved, an ideal fusion power unit. Present experimental devices are four to five orders of magnitude below breakeven (energy out/in = 1) energy gain for p- 11B. However, it is argued that the ability to study the physics in very-small­ volume plasmas makes it possible to rapidly investigate scale-up to a power­ producing device. As an example, the report concludes with a conceptual experiment proposed for demonstration of breakeven conditions for p- 11 B using a hydrogen plasma simulation. The author has purposely tried to avoid use of ,equations in this report to enhance readability and to stress concepts rather than analysis. However, considerable analysis is provided in a number of the source references cited. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFICI.IJ.k Wii Ol\lk¥ vii

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] Seção I. Antecedentes e fundamentos do IEC Antes de considerar os detalhes, convém ter uma ideia aproximada de como funciona a fusão por confinamento eletrostático inercial (IEC). [Figura: esquema com linha de alimentação de gás e fonte de alimentação de alta tensão.] Figura 1.1. Um IEC esférico da UIUC. A descarga de plasma entre a grade e a parede de vácuo cria uma fonte de íons, que é extraída e dirigida para o centro pela grade negativa fortemente carregada. No centro aparece a fotografia de uma câmara IEC típica. Uma fotografia da descarga pela janela de observação mostra a descarga em "modo estrela" (Star Mode), em que se formam feixes de íons que passam pelas aberturas da grade. Isso é importante para longos tempos de operação, pois o bombardeio dos fios da grade pelos íons, e portanto sua erosão por pulverização (sputtering), fica minimizado. Para esse fim, considera-se o dispositivo IEC experimental da Figura 1.1. Como mostrado, esse IEC do tipo "com grade" tem uma malha esférica suspensa por uma passagem de alta tensão no centro de um vaso metálico de vácuo. O "combustível" da fusão, por exemplo gás deutério, é primeiro introduzido na câmara, preparada originalmente em alto vácuo, por exemplo 10^-7 Torr. O gás combustível eleva a pressão à faixa de dezenas de Torr. Em seguida, a tensão na grade é elevada à faixa de muitos kV (negativos), criando uma descarga de plasma entre a grade de alta tensão e a parede da câmara (eletricamente aterrada). A alta tensão negativa na grade serve para extrair os íons do plasma, acelerando-os em direção ao centro da grade, onde, em princípio, eles interagem e se fundem. Na prática, porém, a seção de choque de espalhamento é maior que a seção de choque de fusão. Assim, muitos íons se espalham sem reagir (sem se fundir). Muitos "quase acertos" simplesmente atravessam o centro do núcleo de plasma e saem. Esse predomínio do espalhamento sobre as reações de fusão é a questão central de todas as abordagens de confinamento da fusão, e obriga a usar um confinamento forte, de modo que os íons façam muitas passagens e, assim, tenham boa probabilidade de se fundir antes de serem perdidos da câmara de reação. No IEC, as múltiplas passagens ocorrem porque os íons ficam presos num "poço" de potencial criado pelo acúmulo de carga positiva, devido ao grande fluxo de íons acelerados para uma pequena região "núcleo" no centro da grade negativa. Visto de outro modo, os íons extraídos da região entre a grade e a parede podem se espalhar e voltar a passar pela grade, mas só conseguem retornar à mesma superfície de potencial em que nasceram. Assim, não alcançam a parede do vaso: perdem a energia cinética, param e são acelerados de volta ao centro da grade pelo potencial da grade. Isso produz muitas "recirculações" pelo centro do volume da grade, onde há uma probabilidade finita de fusão. Não fosse a existência UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 1

Nota editorial: Primeira página da Seção I: descreve como funciona um IEC de grade esférica e por que os íons recirculam pelo centro.

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UNCLASSIFIED/ ;CfOA OFFI&IAk WSE 8Ptklf Section I . IEC Background and Basics Before considering detail, it is helpful to obtain a rough idea of how inertial electrostatic confinement (IEC) fusion works. Gas Feed Line High-Volu gc -l- Power Supply Figure 1.1. An UIUC Spherical IEC. The plasma discharge betwee·n the grid and vacuum wall creates an Ion source that is extracted and directed towards the center by the highly charged negative grid. A photograph of a typ ical IEC chamber is shown in the center. A photograph of the discharg e through the view port shows the "Star Mode" discharge where ion beams are created that pass through the grid openings. This is Important for long run times since ion bombardment of the grids, hence grid wire sputtering , is minimiz ed. For this purpose the experimental IEC device of Figure 1.1 is considered. As shown, this "gridded" type IEC has a spherical mesh grid suspended on a high voltage feed-through in the center of a metal vacuum vessel. The fusion "fuel", e.g. deuterium gas, is first fed into the chamber originally prepared at high vacuum, e.g. 10-7 Torr. The fuel gas brings the pressure up into the 10's of Torr region. Then the voltage on the grid is raised into the many (-) kV range, creating a plasma discharge between the high voltage grid and chamber wall (electrical ly grounded). The high negative voltage on the grid serves to extract the ion from the plasma, accelerating them towards the center of the grid where in principle they interact and fuse. In practice however, the scattering cross section is larger than the fusion cross section. Thus many ions scatter without reacting (fusing). Many "near misses" essentially pass straight through the center of the plasma core and exit. This dominance of scattering over fusion reactions is the central issue of all fusion confinement approaches, forcing use of strong confinement so the ions have many passes and hence a good probabi lity of fusing before being lost from the fusion reaction chamber. In the IEC multiple passes occur because the ions are trapped in a potential "well" created by the buildup of positive charge due to the large flow of the accelerated ions into a small "core" region in the center of the negative grid. Viewed in another way, the ions extracted from the region between the grid and the wall can scatter and pass back through the grid, but can only return to the same potential surface they were born on. Thus they cannot reach the vessel wall, but instead lose their kinetic energy, stop, and are accelerated by the grid potentia l back into the center of the grid. This then provides many "recirculations" through the center of the grid volume where they have a finite probability of fusing. If not for the existence UNCLASSIFIED/ / EAR OFFI CI O Li !li F QNL¥ 1

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UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] de vários canais de perda, como a colisão com a grade, a troca de carga ou o ganho de energia por espalhamento, os íons ficariam presos prematuramente no poço de potencial até se fundirem. A exigência convencional para o confinamento da fusão é dada em termos do parâmetro de confinamento, nτ, em que n = densidade de íons e τ é o tempo de confinamento. Além disso, a energia dos íons (ou temperatura T) precisa estar na faixa de 20 keV ou mais, supondo combustível D-T. Para o equilíbrio energético, J. Lawson desenvolveu seu famoso "critério": nτ = 10^14 cm^-3·s com T > 15 keV para a fusão D-T. Aqui, τ = tempo de confinamento de energia, em s; n = densidade de íons, em cm^-3; e T = "temperatura" dos íons, ou energia média. O critério de Lawson independe do método de confinamento, mas depende do combustível, pela escolha das seções de choque na dedução. O confinamento magnético fica em geral limitado a n ≈ 10^14 cm^-3 pelo equilíbrio de pressão. Nesse caso, é necessário um tempo de confinamento τ de cerca de 1 s. Na fusão por confinamento inercial (ICF), ou "fusão a laser", a compressão de alvos pode atingir n ≈ 10^24, de modo que basta um tempo de confinamento de apenas 10^-10 s (correspondente ao tempo de desmontagem do alvo comprimido). (Para uma revisão geral dos requisitos de equilíbrio energético da fusão D-T e de outros combustíveis, como D-3He e p-11B, o leitor é remetido a: G. Miley, Fusion Energy Conversion, American Nuclear Society, La Grange, IL, 1973.) Considere-se agora o IEC. Em princípio, os íons focalizados no centro do IEC podem atingir uma densidade n ≈ 10^16, o que dá um tempo de confinamento necessário de 10^-2 s para o equilíbrio na fusão D-T. Esse tempo pode ser reescrito em termos do número de recirculações dos íons no poço de potencial do IEC, dividindo-se o diâmetro do poço pela velocidade média do íon que recircula. Nos casos discutidos adiante neste relatório, esse número costuma ser bastante grande, geralmente cerca de 1000 recirculações. Alcançar esse grande número de recirculações exige uma forte redução de todos os canais de perda mencionados antes. As perdas na grade podem ser reduzidas pela operação em modo ESTRELA, discutida adiante, em que os íons que recirculam têm trajetórias semelhantes a feixes, passando pelo centro da abertura da grade. O ideal, porém, é eliminar a grade por completo, o que pode ser feito pela formação de estruturas de potencial virtuais, propostas originalmente por Farnsworth e discutidas nas seções seguintes. A exigência de temperatura também leva a uma diferença fundamental entre a física do IEC e a das outras abordagens de confinamento. (Note-se que "temperatura" não é um termo adequado aqui, pois sugere uma distribuição de equilíbrio, enquanto o IEC está muito longe disso, com seus íons semelhantes a feixes. Assim, o leitor deve entender "temperatura" como a energia média dos íons. Ao fazê-lo, supõe-se, porém, que a distribuição de energia dos íons seja conhecida, de modo que a média seja possível.) A maioria dos íons no IEC nasce perto da parede da câmara e por isso é acelerada, no processo de extração, até uma energia próxima da tensão aplicada à grade. Uma estimativa razoável é que os íons que chegam à região de fusão no centro tenham, em média, energia próxima de 80% da tensão da grade. Assim, torna-se relativamente fácil atingir a exigência de Lawson para D-T aplicando uma tensão de cerca de 25 kV. De fato, a maioria das fontes de nêutrons IEC discutidas adiante opera com tensões > 80 kV, para entrar numa faixa de energia que dê maior seção de choque de fusão. Em nítido contraste, os dispositivos de fusão magnética lutam para obter uma temperatura na faixa de 10 keV, pois toda a população do plasma precisa ser aquecida (e não acelerada diretamente, como os íons no IEC), devido à distribuição de equilíbrio mantida nesses plasmas. Outro ponto muito importante é que Lawson supôs que íons e elétrons estavam em equilíbrio térmico, à mesma temperatura T. Essa é uma aproximação razoável para o confinamento magnético, mas não para o IEC. Neste último, os elétrons formam uma distribuição maxwelliana "distorcida" a uma temperatura efetiva bem abaixo da dos UNCLASSIFIED//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, riscado no original] 2

Nota editorial: Explica o critério de Lawson, as exigências de densidade e tempo de confinamento e por que o IEC difere das abordagens magnéticas.

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UNCLASSIFIED/ /P"Olt OP"P"lelAL tt!I!! er•tY of various loss channels such as hitting the grid, charge exchange, or up-scattering in energy, the ions would be prematurely trapped in the potential well until they fused. The conventional requirement for fusion confinement is given in terms of the confinement parameter, nt, where n = the ion density and t is the confinement time. Also the ion energy (or temperature T) must be in the 20 or more keV range assuming D-T fuel. For breakeven, J. Lawson developed his famous "criterion" nt = 1014 cm·3-sec at T > 15 keV for DT fusion. Here t = energy confinement time, sec; n = ion density, cm·3 and T = ion "temperature" or average energy. The Lawson criter ion is independent of the confinement method, but does depend on the fuel via the selection of cross sections in the derivation. Magnetic confinement is generally limited to n ~ 1014 cm·3 by pressure balance. Then a confinement time • of~ 1 sec is required. For Inertia Confinement Fusion (ICF) or "laser fusion", compression of targets can achieve n N 1024 , so a confinement time of only 10-10 sec is need (corresponding to the disassembly time of the compressed target). (For a general review of energy breakeven requirement for D-T fusion and other fuels like D-3He and p-118, the reader referred to: G. Miley, Fusion Energy Conversion, American Nuclear Society, La Grange, IL 1973). Now consider the IEC. In principle, the ions focused on the center of the IEC can achieve a density of n ~1016 , giving a required confinement time of 10-2 sec for DT fusion breakeven. This time can be restated in terms of the number of ion recirculations in the IEC potential well by dividing the well diameter by the average velocity of the recirculating ion. In later cases discussed in this report, this number is typically quite large, usually N1000 recirculations. Achievement of this large number of recirculations requires strong reduction of all of the loss channels noted earlier. Grid losses can be reduced by STAR mode operation discussed later where the recirculating ions possess beam-like trajectories passing through the center of the grid opening. The ideal, however, is the elimination of the grid altogether which can be done via formation of virtual potential structures, originally proposed by Farnsworth and discussed in following sections. The temperature requirement also leads to a fundamental difference in the IEC physics vs. other confinement approaches. (Note that "temperature" is not a proper term here since it implies an equilibrium distr ibution while the IEC is far from that with its beam-like ions. Thus, the reader should view "temperature" as meaning average energy of the ions. In doing that, however, it is assumed that the ion energy distribution is known so that averaging is possible). Most ions in the IEC are born near the chamber wall so are accelerated to an energy close to the applied voltage on the grid during the extraction process. A reasonable estimate is that the ions reaching the fusion region in the center have an energy near 80 percent of the grid voltage on average. Thus it becomes relatively easy to achieve the Lawson D-T requirement by applying a voltage of~ 25 kV. In fact most IEC neutron sources discussed later operate at voltages > 80 kV to get into an energy range giving a higher fusion cross section. In sharp contrast, magnetic fusion devices struggle to obtain a temperature in the 10 keV range since the entire plasma population must be heated (vs. direct ion acceleration in the IEC) due to the equilibrium distribution maintained in these plasmas. Another very important point is that Lawson assumed that the ions and electrons were in thermal equilibrium, at the same temperature, T. This is a reasonable approximation for magnetic confinement, but not so for the IEC. In the latter, the electrons form a "distorted" Maxwellian distribution at an effective temperature well below that of the UNCLASSIFIED/ /FOR &FFICI0~ 1155 AN! X 2

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Há várias vantagens no IEC assistido por dipolo. Ao aplicar a tensão desejada à grade catódica, obtêm-se facilmente íons de alta energia e, portanto, o aquecimento do plasma é direto. De fato, neste caso a fusão é dominada por reações feixe contra feixe (não maxwellianas). Além disso, o ímã dipolar no centro do dispositivo produz linhas de campo que aprisionam os íons e os comprimem dentro do raio interno do dipolo. Assim, pode-se alcançar uma densidade iônica muito alta, o que leva a altas taxas de reação por fusão feixe contra feixe. Polarizar o ímã dipolar no mesmo potencial da grade catódica resolve o problema do acúmulo de carga espacial devido à alta densidade iônica no centro do DaIEC. EXPERIMENTOS COM O DaIEC O objetivo dos experimentos atuais é investigar o efeito de focalização de um campo magnético dipolar em um IEC esférico. Em particular, a meta principal é medir o aumento das densidades de plasma obtido por um IEC assistido por dipolo. Em teoria, a introdução de um anel de corrente ou de uma bobina dipolar na configuração-base focalizaria as partículas no centro do dipolo, aumentando a densidade do plasma no núcleo do dispositivo. Um esquema da montagem experimental atual é mostrado na Figura 3.5. Figura 3.5. (a) Campo magnético dipolar e (b) Disposição dos dispositivos Este experimento emprega duas grades esféricas divididas, como mostra a Figura 3.5. Os íons são criados na descarga entre essas grades e a parede do vaso. São extraídos e acelerados pelo potencial da grade, de modo que atravessam o campo dipolar da Figura 3.5a. Os experimentos confirmaram que se pode alcançar, na região central, um aumento de densidade de uma ordem de grandeza (em comparação com a ausência do dipolo). Uma sonda de Langmuir dupla é inserida em várias posições ao longo da região central. O uso de uma polarização na estrutura do ímã dipolar para controlar o acúmulo de carga espacial também foi estudado. Em um IEC com injeção de íons, a neutralização parcial da carga espacial no núcleo [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 30 do documento.]

Nota editorial: Página do estudo sobre fusão por confinamento eletrostático inercial (IEC) com ímã dipolar: vantagens do dispositivo e primeiros experimentos na Universidade de Illinois.

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UNCLASSIFIED/ /fOft Offl@IAL li!I!! OHL¥ There are several advantages of the dipole-assisted IEC. By applying the desired voltage to the cathode grid, high-energy ions are easily obtained, hence plasma heating is straightforward. Indeed in this case fusion is dominated by beam-beam (non­ Maxwellian reactions). Also, the dipole magnet at the center of the device produces field lines that trap ions and compresses them within the inner radius of the dipole. Thus, a very high ion density can be achieved leading to high reaction rates via beam­ beam fusion. Biasing the dipole magnet to the same potential as the cathode grid solves the problem of space charge build-up due to the high ion density at the center of DaIEC. DAI EC EXPERIMENTS The purpose of current experiments is to investigate the focusing effect of a dipole magnetic field in a spherical IEC. In particular, the primary goal is to measure the increase in plasma densities achieved by a dipole-assisted IEC. In theory, the introduction of a current ring or dipole coil into the base configuration would focus particles into the center of the dipole, increasing the plasma density at the core of the device. A schematic of the current experimental setup is shown in Figure 3.5. Figure 3.5. (a) Dipole Magnetic Field and (b) Layout of Devices This experiment employs two split spherical grids as shown in Figure 3.5. Ions are created in the discharge between these grids and the vessel wall. They are extracted and accelerated by the grid potential so they pass through the dipole field of Figure 3.5a . Experiments have confirmed that an order of magnitude density increase (vs. no dipole present) can be achieved in the center region. A double Langmuir probe is inserted at various positions throughout the center region. The use of a bias on the dipole magnet structure to control space charge bui ld-up was also studied. In an ion-injected IEC partial space-charge neutralization at the core UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI51Ak Wlili 0Plk¥ 30

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região é essencial para diminuir o potencial central e, consequentemente, permitir que os íons do feixe incidente penetrem na região do núcleo. No DaIEC, é possível auxiliar esse efeito por meio de um controle externo do potencial da linha central, aplicando uma tensão de polarização à bobina dipolar. No experimento da UIUC isso foi feito aplicando-se uma tensão a um pequeno anel de cobre inserido no núcleo do ímã dipolar. O aumento da densidade eletrônica com uma pequena polarização na linha central foi de cerca de 30 por cento, enquanto a tensão aplicada à estrutura dipolar era de ~3 por cento da tensão de descarga. A montagem atual impediu o uso de tensões aplicadas maiores, que poderiam melhorar ainda mais a neutralização, mas esses resultados ainda demonstram o conceito básico de focalização por dipolo com controle de polarização da bobina. A Figura 3.6 mostra como a densidade eletrônica varia com o aumento do campo magnético, medida em várias polarizações da bobina no experimento atual. Verifica-se que a densidade eletrônica aumenta cerca de 17 vezes em relação à medição sem campo magnético. Até agora, esse aumento está muito próximo das nossas estimativas teóricas. [Gráfico: Densidade eletrônica versus campo B, a 25 mTorr. Eixo horizontal: intensidade do campo B (Gauss), de 0 a 800. Legenda: Aterrado; tensão da bobina = -100 V; tensão da bobina = +100 V. Eixo vertical: densidade eletrônica, de 1,00E+08 a 1,00E+10.] Figura 3.6. Densidade eletrônica versus intensidade do campo do ímã dipolar, a 25 mTorr, 20 mA A próxima seção trata de alguns estudos de diagnóstico muito interessantes de dispositivos IEC, inclusive uma configuração de propulsor a jato, realizados pelo grupo de Joe Khachan na Universidade de Sydney, Austrália. ESTUDOS DE KHACHAN NA UNIVERSIDADE DE SYDNEY A pesquisa de Joe Khachan sobre IEC na Universidade de Sydney enfatizou estudos de espectroscopia de emissão óptica de dispositivos IEC com grades (Referências 3.11, 3.12). Usando espectroscopia Doppler da linha H-alfa do hidrogênio, eles mostraram que os microcanais em uma descarga IEC operando na faixa de pressão de dezenas de mTorr (para tensões inferiores a 30 kV) são compostos principalmente por íons moleculares, com cerca de 20 por cento de hidrogênio atômico. Eles também desenvolveram um modelo espectroscópico baseado em modelagem colisional-radiativa para medir espectroscopicamente densidades iônicas, energias eletrônicas e [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 31 do documento.]

Nota editorial: Resultados dos experimentos com o DaIEC (aumento da densidade eletrônica com polarização e campo magnético) e início da seção sobre os estudos de Khachan na Universidade de Sydney.

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UNCLASSIFIED/ /fOR Offl@IAL W&& 8Nk¥ region is essential to decrease the center potential and consequently allow incoming beam Ions to penetrate into the core region . In the DaIEC, it is possible to assist this effect by an external control of the centerline potential by applying a bias voltage to the dipole coil. In the UIUC experiment this was done by applying a voltage to a small copper ring inserted in the core of the dipole magnet . The increase in the electron density with a small center line bias applied was about 30 percent while the applied voltage to the dipole structure was ~3 percent of the discharge voltage. The present setup prevented the use of larger applied voltages which could further improve neutralization, but these results still demonstrate the basic concept of dipole focusing with coil bias control. Figure 3.6 shows how the electron density changes with increasing magnetic field measured at various coil biases in the current experiment. It is found that electron density increases about 17 times more than that of non-magnetic field measurement. So far, this increase is very close to our theoretical estimations. Electron den sity vs B-field 25mTon- 0 100 200 300 400 500 600 700 800 B-field strength (Gauss) I - G-ound ---+- ~ =-JOOV --- Vc=+l OOV I ---. ('f") I ~ a ·-ell d (1) "O d g ~ ~ l.OOE+lO l.OOE+09 l.OOE+08 Figure 3.6. Electron Density vs. Dipole Magnet Field Strength at 25mTorr, 20mA The next section turns to some very interesting diagnostic studies of IEC devices, including a jet thruster configuration, done by Joe Khachan's group at the University of Sydney, Australia. KHACHAN 'S STUDIES AT U OF SYDNEY Joe Khachan's IEC research at the University of Sydney has stressed studies of optical emission spectroscopy of gridded IEC devices (Reference 3.11, 3.12). Using Doppler spectroscopy of the Hydrogen Ha line they have shown that the micro -channels in an IEC discharge operating in the units at tens of mTorr pressure range (for voltages less than 30 kV) are mostly composed of molecular ions with approximately 20 percent atom ic hydrogen. They have also developed a spectr oscopic model based on collisional radioactive modeling to spectroscopically measure ion densities, electron energies and UNCLASSIFIED/ }FOA: OFFICI0L: !Pi'li ODIL:¥ 31

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preveem taxas de fusão. Este último feito simplifica as medições espectroscópicas, já que o hidrogênio pode ser usado para prever essas taxas de fusão, o que exclui o risco de radiação em uma situação de laboratório em que não é possível blindagem. Em trabalho posterior, eles simplificaram a modelagem da troca de carga com uma abordagem analítica baseada na teoria das cadeias de Markov. Tabela 4.1. Comparação de estimativas analíticas e numéricas de valores de Q em uma solução dominada por feixe, para um poço quadrado de 50 kV. | | Analítico | BAFP (Chacon) | | Com íons em co-movimento | Q~0,21 (Ref. 4.1, Nevins) | — | | Sem íons em co-movimento | Q~1,3 (Ref. 4.2, Chacon) | Q~1 | O movimento de neutros afastando-se do catodo, visto nas medições espectroscópicas, também foi confirmado por uma medição com plasma empoeirado, que mostrou que esferas isolantes carregadas de tamanho micrométrico (poeira) sofrem uma força que as afasta do centro do catodo (Referência 3.13). A explicação para isso foi atribuída a um máximo local de potencial estabelecido no centro do catodo, que acelera os íons nesse ponto para longe do centro. Devido à troca de carga, os íons se tornam neutros e conseguem sair pelos microcanais até o anodo. A força de arrasto iônico sobre a poeira moveu as partículas de poeira para longe do centro. Com base nessa observação, Khachan projetou o feixe colimado de neutros que saem do catodo para fazer um propulsor elétrico simples, no qual um microcanal unidirecional emerge de um catodo cônico (Referência 3.14). Ele afirma que o impulso específico do propulsor e sua eficiência superam em muito os dos propulsores elétricos existentes. Note-se que esse conceito, embora tenha algumas semelhanças, difere em alguns detalhes dos propulsores a jato de Miley descritos anteriormente. OBSERVAÇÕES FINAIS O foco principal desta seção foram duas geometrias alternativas fundamentais: os IEC cilíndricos e os IEC a jato. Ambas oferecem capacidades singulares para aplicações com fontes IEC e propulsores espaciais IEC, respectivamente. Esses usos, porém, exigem competir nos mercados comerciais com outras opções. Esta tecnologia IEC está apenas começando a surgir, de modo que seu sucesso na comercialização ainda não foi estabelecido. Mais sobre essas aplicações é discutido na Seção V. Em conclusão, o DaIEC é uma configuração IEC alternativa muito interessante. No entanto, recebeu pouco estudo experimental até hoje, de modo que ainda é preciso fazer muito mais para avaliar plenamente seu potencial. REFERÊNCIAS 3.1 B. Bromley, L. Chacon e G. Miley, [referências bibliográficas no original], Proc. 16th International [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 32 do documento.]

Nota editorial: Modelo espectroscópico de Khachan, medições com poeira, proposta de propulsor elétrico de nêutrons colimados (alegação atribuída ao proponente), observações finais da Seção III e início das referências.

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UNCLASSIFIED/ /POlt 8ffl@IAk W&& Ql\1111¥ predict fusion rates. This latter achievement makes spectroscopic measurements simpler to carry out since hydrogen can be used to predict these fusion rates, which excludes the radiation hazard in a laboratory situation where shielding is not possible. In follow-on work, they simplified the modeling of charge exchange with an analytical approach to charge exchange modeling based on Markov chain theory. Table 4.1. Comparison of Analytical and Numerical Estimates of Q-values in a beam-Dominated Solution -- for a SO-kV Square Well. Analytical BAFP (Chacon} With co-moving ions Q~0.21 - Ref. 4.1, Nevins - Without co-moving ions Q~1.3 - Ref. 4.2 , Chacon Q~l The movement of neutrals moving away from the cathode seen from the spectroscopic measurements was also confirmed by carrying out a dusty plasma measurement to show charged micron sized insulating spheres (dust) experience a force away from the cathode centre (Reference 3.13). The explanation of this was attributed to a local potential maximum established at the center of the cathode, which accelerates ions at that point away from the center. Due to charge exchange, ions become neutrals and are able to leave along the microchannels out to the anode. The ion drag force on the dust moved the dust particles away from the center. Based on this observation, Khachan has engineered the collimated beam of exiting neutrals from the cathode to make a simple electric propulsion thruster where a unidirectional micro -channel emerges from a conical cathode (Reference 3.14 ). He claims that the specific impulse of the thruster and its efficiency greatly exceed existing electric propulsion thrusters. Note that this concept, while having some similarities, differs in some details from Miley's jet thrusts describe earlier. CONCLUDING REMARKS The primary focus of this section has been on two key alternate geometries: The cylindrical and jet IECs. Both provide unique capabilities for applications using IEC sources and IEC space thruster, respective ly. These uses, however, require competition in commercial markets with other options. This IEC technology is just now emerging, so its success in commercialization has yet to be established. More about such applications is discussed in Section V. In conclusion, the DaIEC is a very interest ing alternate IEC configuration. However, it has received little experimental study to date, so much more needs to be done to fully evaluate its potential. REFERENCES 3.1 B. Bromley, L. Chacon, and G. Miley, "Approximate Modeling of Cylindrical Inertial Electrostatic Confinement, (IEC) Fusion Neutron Generator," Proc. 16th International 32 UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICI.IJ.L: Wi'li ONL:¥

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Conference on Numerical Simulation of Plasmas, UCLA Dept. Physics, Los Angeles, CA, Santa Barbara, CA, 10-12 de fevereiro (1998), pp. 191-192. 3.2 G. Miley, T. Bauer, J. Nadler, H. Hora, [referências bibliográficas no original], Proceedings, ICONE 8, CD/Track 8, 8500, 2-6 de abril, Baltimore, MD (2000), pp. 1-8. 3.3 R. A. Stubbers, H. J. Kim e G. H. Miley, [referências bibliográficas no original], 5th US/Japan Workshop, IEC Fusion, Madison, WI, 9-10 de outubro (2002). 3.4 G. H. Miley, R. A. Stubbers e H. Momota, [referências bibliográficas no original], a ser publicado nos anais da ICONE 11: 11th International Conference on Nuclear Engineering, Tóquio, Japão, 20-23 de abril (2003). 3.5 G. H. Miley, J. Javedani, R. Nebel, J. Nadler, Y. Gu, A. Satsangi e P. Heck, [referências bibliográficas no original], Third International Conference on Dense Z pinches, editores Haines, Malcolm, Knight e Andrew, AIP Conference Proceedings 299, AIP Press, (1994), pp. 675-689. 3.6 R. W. Bussard, [referências bibliográficas no original], J. of Propulsion, vol. 6, n. 5, (1990), pp. 567-574. 3.7 Y. Gu, B., Nadler, J.H., Satsangi, A.J., Javedani, J.B., Miley, G.H., Nebel, R.A. e Barnes, D.C., [referências bibliográficas no original], 21st EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, editores Joffrin, E., Platz, P. e Stott, P.E., Montpellier, França, vol. 436, (1994). 3.8 D. C. Barnes, R. A. Nebel, F. L. Ribe, G. H. Miley, J. Javedani, Y. Gu e A. Satsangi, [referências bibliográficas no original], preparado sob contrato DAAK70-93-0038 do Exército dos EUA pela Nambe Tech Corp., NTTR-101, Santa Fe, NM (1994). 3.9 G. H. Miley, H. Momota, P.J. Shrestha, R. Thomas e Y. Takeyama, [referências bibliográficas no original], AIP Conference Proceedings, Albuquerque, Novo México, STAIF, vol. 813, (2006), pp. 1240-1248. 3.10 A. Hasegawa, L. Chen e M.E. Mauel, [referências bibliográficas no original], Nuclear Fusion, vol. 30, setembro (1990), pp. 2405. 3.11 J. Khachan, S. Collis, [referências bibliográficas no original], Phys. of Plasmas, vol. 8, n. 4 (2001), pp. 1299-1304. 3.12 O. Shrier, J. Khachan, S. Bosi, M. Fitzgerald, N. Evans, [referências bibliográficas no original], Phys. of Plasmas, vol. 13, n. 1, (2006), Art. n. 012703. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 33 do documento.]

Nota editorial: Lista de referências bibliográficas da Seção III (geometrias alternativas de IEC); títulos de obras mantidos como "[referências bibliográficas no original]".

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UNCLASSIFIED/ / POI\ OPPICI J!tt tt!I!! 9 HLY Conference on Numerical Simulation of Plasmas, UCLA Dept. Physics, Los Angeles, CA, Santa Barbara, CA, Febl0 -12 (1998) pp. 191-192. 3.2 G. Miley, T. Bauer, J. Nadler, H. Hora, "Converging Beam Neutron Source for Driving a Sub-critical Fission Reactor", Proceedings, !CONE 8, CD/Track 8, 8500 Apr 2-6 Baltimore, MD, (2000)pp. 1-8. 3.3 R. A. Stubbers, H. J. Kim, and G. H. Miley, "Two-Dimensional Modeling of a Radically -Convergent Cylindrical Inertial Electrostatic Confinement, (IEC) Fusion Device," 5th US/Japan Workshop, IEC Fusion, Madison WI, Oct 9-10 (2002). 3.4 G. H. Miley, R. A. Stubbers, and H. Momota, "Advances in Cylindrical IEC Neutron Source Design for Driven Sub-Critical Operation," to be published in the proceedings of ICONE 11 : 11th International Conference on Nuclear Engineering, Nuclear Energy­ Dawn of a New Era, !CONE 11, Tokyo, Japan, Apr 20-23 (2003). 3.5 G. H. Miley, J. Javedani. R. Nebel, J. Nadler, Y. Gu, A. Satsangi and P. Heck, "An Inertial Electrostatic Confinement Neutron/Proton Source," Third Internationa l Conference on Dense .Z pinches, editors. Haines, Malcolm, Knight, and Andrew, AIP Conference Proceedings 299, AIP Press, (1994), pp. 675 -689. 3.6 R. W. Bussard, "Fusion as Electric Propulsion," J. of Propulsion, Vol. 6, No. 5, (1990), pp . 567-574. 3.7 Y. Gu, .B., Nadler, J.H., Satsangi, A.J., Javedani, J.B., Miley, G.H., Nebel. R.A. and Barnes, D.C., "Physics and Effects of Grid-Electric Field Perturbation on Spherica l Electrostatic-Inertial Confinement Fusion". 21st EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, editors Joffr in, E., Platz, P. and Stott, P.E., Montpellier, France, Vol. 436, (1994) . 3.8 D. C. Barnes, R. A. Nebel, F. L. Ribe, G. H. Miley, J. Javedani, Y. Gu. and A. Satsangi, "Inertia l Electrostatic Confinement Experiments at Low Working Pressure," Prepared under U.S. Army contract DAAK70-93-003 8 by the Nambe Tech Corp., NTTR-101, Santa Fe, NM (1994). 3.9 G. H. Miley, H. Momota, P.J. Shrestha, R. Thomas, and Y. Takeyama, " Space Propu lsion Based on Dipole Assisted IEC System", AIP Conference Proceedings, Albuquerque, New Mexico STAIF, vol. 813, (2006)pp. 1240-1248. 3.10 A. Hasegawa, L. Chen, and M.E. Mauel, "A D-3He Fusion Reactor Based on a Dipole Magnetic Field," Nuclear Fusion, Vol. 30, Sept. (1990), pp. 2405. 3.11 J. Khachan, S. Collis," Measurements of ion energy distributions by Doppler shift spectroscopy in an inertial electrostatic confinement device", Phys. of Plasmas, vol. 8, no. 4 (2001) pp. 1299 -1304. 3.12 0. Shrier, J. Khachan, S. Bosi, M. Fitzgera ld, N. Evans, "Diverging ion mot ion in an inertial electrostatic confinement discharge", Phys. of Plasmas, vol. 13, no. 1, (2006). Art. No. 012703 . 33 UNCLASSIFIED/ / FOR 8ffI OI Ak WSE 8N k\f

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3.13 J. Khachan, A. Samarian, [referências bibliográficas no original], Phys. Letters A, vol. 363, n. 4 (2007), pp. 297-301. 3.14 L. Blackhall, J. Khachan, [referências bibliográficas no original], vol. 40, n. 8, (2007), pp. 2491-2494. Seção IV. Teoria do IEC A teoria básica inicial do IEC foi descrita brevemente na Seção I. A Seção IV passa agora a alguns estudos mais recentes, começando por um estudo antigo de Bill Nevins (Referência 4.1) que causou preocupação na comunidade quanto à adequação do IEC para um reator de potência de fusão. Nevins fez uma análise semianalítica na qual os sistemas IEC são previstos incluindo uma função de distribuição iônica fora do equilíbrio. As colisões de Coulomb entre íons fazem essa distribuição relaxar para uma maxwelliana na escala de tempo colisional íon-íon. Sua análise sugere que a potência de entrada necessária para impedir esse relaxamento, mantendo assim a configuração IEC por tempos além da escala de tempo colisional íon-íon, é maior que a potência de fusão produzida. Assim, ele concluiu que os sistemas IEC mostram pouca promessa para o desenvolvimento de usinas elétricas comerciais. A análise de Nevins parece ser muito minuciosa; no entanto, como discutido a seguir, ela sofre de várias suposições importantes, porém sutis, que podem forçar os resultados pessimistas. Mais tarde, para explorar melhor as questões levantadas por Nevins, Luis Chacon, fazendo sua tese com G. Miley, decidiu usar um modelo de Fokker-Planck para a análise do IEC, de modo que algumas das suposições questionáveis usadas por Nevins pudessem ser relaxadas. Este estudo, apresentado na Referência 4.2, tratou especificamente de um IEC do tipo Penning, devido ao interesse no experimento de armadilha de Penning no LANL. O dispositivo experimental, o PFX-I, é ilustrado na Figura 4.2, enquanto a configuração semelhante a um reator modelada por Chacon é mostrada na Figura 4.2. Deve-se enfatizar, porém, que as conclusões ainda se aplicam em princípio ao IEC com injeção de íons, uma vez que as questões envolvem o aprisionamento em poço de potencial, comum a ambos. A armadilha de Penning e os dispositivos com injeção de íons diferem na forma como o poço é formado e estabilizado, mas a física do confinamento de plasma aprisionado é a mesma. A saber, a escala de tempo da degradação colisional da função de distribuição iônica semelhante a um feixe é crucial, pois tempos curtos (como o tempo de fusão) impediriam um reator de potência. Nevins tratou essa questão calculando as taxas de relaxamento colisional de uma população iônica monoenergética, semelhante a um feixe, absolutamente confinada em um poço de potencial quadrado. A partir de sua análise, Nevins concluiu que o IEC termalizará e perderá a focalização iônica antes que ocorram eventos de fusão suficientes [Figura 4.1. Corte transversal da disposição experimental do PFX-1. O emissor (fonte de elétrons), o ânodo em forma de cebola e o refletor formam um poço eletrostático axial para o confinamento axial dos elétrons. O confinamento radial é dado pelo campo magnético axial. O refletor é polarizado ligeiramente mais negativo que o emissor, para evitar perdas de elétrons para o refletor. Rótulos na figura: emissor, -W0 kV; condutor em forma de cebola, 0 V; refletor, -W0 kV a poucos V; ímã supercondutor; eixos z e rho; campo B.] [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 34 do documento.]

Nota editorial: Fim das referências da Seção III e abertura da Seção IV, sobre a teoria do IEC, com a crítica de Nevins à viabilidade de um reator de fusão IEC e a resposta do grupo de Miley.

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UNCLASSIFIED/ ,CFOA OFFl&il.\k W&& 8PtLY 3.13 J. Khachan, A. Samarian, "Dust diagnostics on an inertial electrostatic confinement discharge", Phys. Letters A, vol. 363, no. 4 (2007) pp. 297-301. 3.14 L. Blackhall, J. Khachan, "A simple electric thruster based on ion charge exchange", vol. 40, No. 8, (2007) pp. 2491-2494. Section IV. IEC Theory Early basic IEC theory was briefly e emitterOnion-shaped B -W0 kVdescribed in Section I. Section IV will conductornow turn to some more recent studies starting with an early study by Bill ov Nevins (Reference 4.1) that has caused concern in the community about the suitability of the IEC for a fusion power reactor . Nevins did a semi analytic analysis where IEC systems are predicated including a non-equilibrium ion distribution function. Coulomb collisions between ions cause this distribution to relax to a Maxwellian on the ion-ion collisional time scale. His analysis suggests that the input power required to prevent th is relaxation, thus Reflector maintaining the IEC configuration for times beyond the ion-ion collisional time -Wo kV· few V scale, is greater than the fusion power Figure 4.1 . Cross Section of the Experimental Layout of the PFX-1 Experiment. The emitte r - electron source,produced. Thus, he concluded that IEC onion-shaped anode and reflector form an axialsystems show little promise for the electrostat ic well for electron axial confinement. Rad ial development of commerc ial electric confinement is provided by the axial magnetic field. The reflector is biased slightly more negative than the emitterpower plants. Nevin's analysis appears to avoid electron losses to the reflector. to be very thorough, however, as discussed next, it suffers from several key, but subtle assumptions that may force the pessimistic results. Later, to further explore issues raised by Nevins, Lu is Chacon, doing his thesis with G. Miley, decided to use a Fokker Plank model for analysis of the IEC so that some of the questionable assumptions used by Nevins could be relaxed. This study, presented in Reference 4.2, specifically dealt with a Penning-type IEC due to interest in the Penning trap experiment at LANL. The experimental device, PFX-I is illustrated in Figure 4.2 while the reactor-like configuration modeled by Chacon is shown in Figure 4.2. It should be stressed however, that the conclusions still apply in principle to the ion injected IEC since the issues involve the potential well trapping common to both. The Penning trap and the ion injected devices differ in how the well is formed and stabilized, but the physics of trapped plasma confinement is the same. Namely, the time scale for collisional degradation of the beam-like ion distribution function is crucial since short times (as the fusion time) would prevent a power reactor. Nevins addressed this issue by calculating collisional relaxation rates from a beam-like, monoenergetic ion population, absolutely confined in a square potential well. From his analysis, Nevins concluded that the IEC will thermalize and lose ion focusing before enough fusion UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl&ilAk Wii OrelL¥ Superconducting magnet 34

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eventos de fusão. Consequentemente, ele previu que o valor de Q (definido como a razão entre a potência de fusão produzida e a potência de entrada dos íons) de um dispositivo IEC operando com uma mistura 50/50 por cento de deutério-trítio (D-T) seria ~0,21 para um poço quadrado de 50 kV. Essa conclusão descartaria a possibilidade de um reator de fusão, mas deixaria em aberto o desenvolvimento de fontes de nêutrons acionadas. No entanto, essa análise contém várias suposições questionáveis. Por exemplo, um feixe iônico monoenergético fortemente focalizado é de fato um cenário pessimista, porque diferentes espécies iônicas em co-movimento (como D e T com a mesma energia) resultam em uma diferença finita de velocidade, favorecendo assim as colisões íon-íon e a degradação da função de distribuição iônica. Seria mais realista considerar que, em um poço quadrado, o atrito entre as espécies homogeneizaria a velocidade dentro do feixe iônico após algum tempo, tornando a diferença de velocidade infinitesimal. Essa linha de argumento foi seguida antes por Barnes et al. (Referência 4.3), que encontraram Q~1,3 para o mesmo sistema. [Figura 4.2. Detalhe do ânodo e da porta de injeção de íons no PFX-I (fora de escala). São indicados os divertores de íons e de elétrons, bem como as linhas equipotenciais E0 e Emax que definem a região de confinamento iônico. O contorno E0 determina a região de confinamento iônico absoluto. Rótulos na figura: porta de injeção de íons; grade de extração de íons; divertor de íons; divertor de elétrons; poço pseudoesférico para confinamento de íons; parede do ânodo (terra).] No trabalho de Chacon, empregou-se um modelo de Fokker-Planck com média de ressalto (BAFP) para obter soluções estacionárias da função de distribuição iônica e calcular os ganhos de energia de fusão associados (valores de Q) em diversas condições de operação. Isso é feito em termos das intensidades de fonte e de sumidouro, das energias de injeção de íons, das profundidades do poço e dos formatos do potencial eletrostático. Assim, as suposições limitantes de Nevins, a saber, que os íons estão confinados em um poço de potencial quadrado e que sua distribuição é fortemente focalizada e monoenergética, são relaxadas. Quando essas suposições restritivas são removidas, verifica-se que ganhos de energia elevados (Q de centenas) para soluções semelhantes a feixes em poços quadrados [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 35 do documento.]

Nota editorial: Comparação entre o valor de Q calculado por Nevins (0,21) e os resultados do modelo de Fokker-Planck de Chacon, que usa menos suposições restritivas.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&ilAk W&& 8rtk\f events take place. Accordingly, he predicted that the Q-value (defined the ratio of fusion power out to ion input power) of an IEC device operating with a 50/50 percent deuterium - tritium (D-T) mixture would be "'0.21 for a 50-kV square well. This conclusion would rule out the possibility of a fusion reactor, but would leave open the development of driven neutron sources. However, this analysis contains several questionable assumptions. For example, a tightly focused monoenergetic ion beam is in fact a pessimistic scenario, because different co-moving ion species (such as D and T with the same energy) result in a finite speed difference, thus foster ing ion-ion collisions and the degradation of the ion distribution function. It would be more realistic to consider that, in a square well, friction between species would homogenize the speed within the ion beam after some time, making the speed difference infin itesimal. This line of argument was pursued earlier by Barnes et al., (Reference 4.3) who found Q"' 1. 3 for the same system. ION INJECTION PORT Ion extraction grid Ion divertor Electron divcrtor I Pseudo-spherical well for ion confinement Anode wall (ground) Figure 4.2. Detail of the Anode and the Ion Injection Port in PFX-I (not to scale). Ion and electron divertors are indicated, as well as the Eo and Emax equipot ential lines that define the ion confinement region. The Eo contour line determines the region of absolute ion confinement. In Chacon's work, a bounce-averaged Fokker-Planck (BAFP) model was employed to obtain steady-state solutions for the ion distribution function and to calculate associated fusion energy gains (Q-values) in a variety of operating conditions. These is done in terms of source and sink strengths, ion injecti on energies, well depths, and electrostatic potential shapes. Thus, the limiting assumptions by Nevins- namely that ions are confined in a square potential well, and that their distribution is tightly focused and monoenergetic, are relaxed. When these restrictive assumptions are removed, it is found that large energy gains (Qs of hundreds) for beam-like solut ions in square wells UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&iIAk Wliii 01\lk¥ 35

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são possíveis em dispositivos IEC do tipo Penning, desde que: 1) o poço eletrostático seja suficientemente profundo (E0 > 100 kV); 2) o tempo de confinamento dos íons seja suficientemente longo (θ > 0,01); e 3) a intensidade da fonte de íons seja moderada (Smax < 300). Outro efeito importante que entra nesses cálculos refere-se ao movimento dos íons no poço. Para enfatizar a diferença entre os valores de Q, os estudos de Nevins e de Chacon são resumidos na Tabela 4.1. (Aqui, o cálculo BAFP foi feito para condições fora do ótimo, em vez do BAFP obtido para os casos semelhantes a feixes, a fim de comparar com os cálculos de Nevins.) Além disso, os valores de Q calculados pela simulação BAFP de Chacon para os casos semelhantes a feixes são cerca de cinco a dez vezes maiores que os obtidos por Nevins na Referência 4.1. Essa inconsistência adicional pode ser atribuída ao tratamento diferente das espécies iônicas D e T nos dois cálculos. Assim, enquanto o BAFP trata as duas espécies como uma só, com massa média, Nevins trata as duas espécies separadamente, mas supõe que seguem a mesma função de distribuição monoenergética. Isso resulta em uma diferença finita de velocidade entre as espécies, que aumenta a colisionalidade e produz valores de Q menores. A inconsistência no valor de Q desaparece quando o BAFP é comparado com estimativas teóricas que usam um tratamento multiespécies semelhante na Tabela 4.1. Os cálculos BAFP da Referência 4.2 eliminaram a maior parte das suposições que limitavam os valores de Q em estudos anteriores e, além disso, concentraram-se em condições do espaço de parâmetros nas quais valores de Q promissores podiam ser esperados. Essas condições incluem que o poço eletrostático seja suficientemente profundo (E0 ≥ 100 kV); que o tempo de confinamento dos íons seja suficientemente longo (θ ≥ 0,01); que a intensidade da fonte de íons seja moderada (Smax < 300), com a energia de injeção dos íons ligeiramente abaixo do máximo do poço de potencial. (Aqui θ e Smax são grandezas normalizadas definidas na Referência 4.2.) Esses resultados confirmam mais uma vez que a formação adequada do poço eletrostático é essencial para alcançar grandes ganhos de fusão e demonstram que a distribuição iônica maxwelliana distorcida, negligenciada em análises anteriores, pode ter um papel positivo no ganho do IEC. Os resultados também mostram que a suposição de poço quadrado, usada em estimativas analíticas anteriores de Nevins, é de fato pessimista. Assim, poços parabólicos resultam em picos de densidade maiores no centro, produzindo valores de Q de 3 a 5 vezes maiores (para E0 ≥ 150 kV) do que os obtidos com poços quadrados. Poços parabólicos também são mais tolerantes quanto à exigência da razão entre fonte e sumidouro. Como observado antes, Chacon encontrou distribuições estacionárias nas quais o componente termalizado da população iônica distorcida é significativo e pode produzir ganhos altos. Foram identificados regimes de operação com valor de Q > 100, como mostra a Figura 4.3. Esses resultados ignoram, porém, a perda de elétrons por radiação de frenagem (Bremsstrahlung). Esse efeito sobre o valor de Q foi tratado de modo heurístico por Chacon por meio de um modelo semianalítico, indicando que valores de Q bastante grandes ainda são possíveis, desde que as perdas de partículas eletrônicas sejam mantidas pequenas e as profundidades de poço sejam grandes. Esses resultados mostram que, além do formato do poço de potencial, a intensidade da fonte em relação às perdas por espalhamento ascendente tem papel crucial no ganho de energia do IEC. Pode-se obter mais compreensão disso a partir das funções de distribuição dos íons aprisionados, esboçadas na Figura 4.3. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 36 do documento.]

Nota editorial: Condições em que o modelo de Chacon prevê ganhos altos (poço profundo, confinamento longo, fonte moderada) e ressalva de que as perdas por radiação de frenagem dos elétrons foram tratadas só de modo heurístico.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL ~81: 8HLY are possible in Penning IEC devices provided that: 1) The electrostatic well is deep enough (Eo > 100 kV); 2) Ion confinement time is long enough ( 8 > 0.01); and 3) Ion source strength is moderate (Sm ax < 300). Another important effect which enters these calculation concerns is relative to ion motion in the well. To emphasize the difference between Q values studies from Nevins and Chacon are summarized in Table 4.1. (Here, the BAFP calculation was done for off-opt imal conditions (vs. the BAFP obtained for beam-like cases) to compare with the Nevins' calculations) . Further, calculated Q-val ues from the BAFP simulation by Chacon for the beam-like cases are about five to ten times larger than those obtained in by Nevins in Reference 4.1. This added inconsistency can be traced back to the different treatment of the D and T ion species in the two ca lculations. Thus, while BAFP treats both species as one with average mass, Nevins treats both species separate ly but assumes they follow the same monoenergetic distribution function. This results in a finite velocity difference between species that boosts collisionality, rendering smaller Q-values. The inconsistency in the Q-value disappears when BAFP is compared against theoretical estimates with a similar multispecies treatment in Table 4.1. The BAFP calculations in Reference 4.2 eliminated most of the assumptions that limited Q values in prior studies, plus they concentrated on conditi ons in parameter space where prom ising Q values could be expected. These conditions include that the electrostatic well is deep enough (Eo ~100 kV); Ion confinement time is long enough (8 ~0.01); the ion source strength is moderate (Sm ax < 300), while the ion inject ion energy is slightly below the potential-well maximum. (Here 8 and S max are normalized quantities defined in Reference 4.2) . These results again confirm that proper formation of the electrostatic well is essential to achieve large fusion gains, and demonstrate that the distorted Maxwellian ion distribution-neglected in previous analyses-can play a positive role in the IEC gain . Results also show that the square well assumption, used in previous analytical estimates by Nevins is in fact a pessimistic one. Thus, parabolic wells result in larger density peaks at the center, yielding Q-values 3 to 5 times larger (for Eo ~150 kV) than those obtained with square wells. Parabolic wells are also more forgiving with respect to the source to ratio requirement. As previously noted Chacon found steady-state distributions in which the therma lized component of the distorted ion population is significant and can produce high gains. Such operating regimes with Q-value > 100 have been identified, as plotted in Figure 4.3. These results ignore electron Bremsstrahlung loss however. That effect on the Q-value was addressed heuristically by Chacon using a semi-analytic model, indicating that quite large Q-values are still possible, provided that electron particle losses are kept small and well depths are large. These results show that in addition to potential well shape, the source strength vs. up­ scattering losses plays a crucial role in the IEC energy gain. More insight into this can be obtained from the distribution functions for trapp-ed ions, sketched in Figure 4.3. UNCLASSIFIED/ ;<FOA OFFICI.IJ.k Wii Ql\lk¥ 36

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[Quatro gráficos de superfície tridimensionais, com o eixo vertical Q e eixos de parâmetros, mostrando a variação do valor de Q calculado.] Figura 4.3. Gráfico do valor de Q (incluindo perdas de elétrons) em função de (a) Smax e γ com f0 = 10^-3, (b) Smax e f0 com γ = 5, (c) Smax e f0 com γ = 100, e (d) Smax e E0 com γ = 5 e f0 = 10^-3. Esses gráficos foram obtidos para E0 = 100 keV [exceto (d)], θb = 0,01 e ε = 1,04. (A nomenclatura é definida na Referência 4.2.) A questão fonte-sumidouro, mencionada várias vezes aqui, pode ser explicada da seguinte forma. Dois limites opostos desse tipo de solução são mostrados na Figura 4.4. A realização de um ou outro desses limites depende do equilíbrio entre dois efeitos concorrentes, a saber, o espalhamento ascendente do componente maxwelliano de íons confinado no poço (que aumenta com a temperatura maxwelliana e tende a esvaziar o poço) e o espalhamento descendente do feixe (que tende a enchê-lo). A importância relativa desses efeitos está diretamente ligada à intensidade relativa da fonte e do sumidouro. Eles são caracterizados aqui por Smax = valor máximo da fonte de íons e τ = tempo de reposição dos íons, respectivamente. Assim, sumidouros fracos e fontes fortes resultarão em uma grande população de feixe, aumentando a taxa de espalhamento descendente do feixe e, portanto, aumentando a temperatura maxwelliana "efetiva", dada pelo perfil de linha pontilhada na Figura 4.4. Inversamente, fontes fracas e sumidouros fortes resultarão em uma pequena população de feixe, diminuindo assim a taxa de espalhamento descendente do feixe e resultando em temperaturas maxwellianas mais baixas, levando ao perfil de linha cheia na Figura 4.4. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 37 do documento.]

Nota editorial: Figura 4.3 (valor de Q calculado em função de parâmetros da fonte e do sumidouro de íons) e explicação do equilíbrio entre feixe e componente maxwelliana no IEC.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPICllct tt!I!! 9HLY Q Q 8 6 2 Q Q rel fdl Figure 4.3. Plot of the Q-value (including electron losses) as a Function of (a) Smax and y with f.= 10·3, (b) Sm ax and f a with y = 5, (c) Smu and f o with y = 100, and (d) Smax and Eo with y= 5 and f o =10 "3 , These plots have been obtained for Eo = 100 keV [except (d) ], 9b = 0.01, and E, = 1.04. (Nomenclature is defined in Reference 4.2). The source to sink issue noted several times here can be explained as follows. Two opposite limits of this kind of solution are depicted in Figure 4.4. The realization of either of these limits depends on the equilibrium between two competing effects, namely up-scattering of the Maxwellian ion component confined in the well (which increases as the Maxwellian temperature increases and tends to empty the well), and down-scattering of the beam (which tends to fill it). The relative importance of these effects is directly related to the strength relatives of the source and the sink. They are characterized here by S max = maximum value of the ion source, and t = ion replacement time, respectively . Thus, weak sinks and strong sources will result in a large beam population, increasing the beam down-scattering rate and hence increasing "effective" Maxwellian temperature, given in the dotted line profile in Figure 4.4. Conversely, weak sources and strong sinks will result in a small beam population, thus decreasing the beam down-scatter ing rate and resu lting in lower Maxwellian temperatures, leading to the solid line profile in Figure 4.4 . UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&iIAk Wli& &ill'U,¥ 37

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[Esquema com curvas de distribuição em função da energia E, com o valor Emax marcado no eixo.] Figura 4.4. Esboço de dois limites opostos do equilíbrio feixe-maxwelliana. A linha cheia corresponde a um caso em que a população maxwelliana é dominante; a linha tracejada corresponde a um caso em que a contribuição do feixe é dominante. Em resumo, diferentemente dos "cálculos" originais de Nevins, os resultados posteriores de Chacon et al. são bastante encorajadores, mas deixam em aberto a questão de saber se poços de potencial profundos satisfatórios podem ser criados. Para aprofundar essa questão, Ivan Tzonev et al. consideraram a formação do poço com ênfase nos efeitos do momento angular (Referência 4.4). Estudos anteriores haviam suposto que um momento angular muito baixo (zero no caso ideal) é necessário para obter uma estrutura de poço de potencial capaz de aprisionar íons energéticos. Em contraste, Tzonev et al. consideraram feixes iônicos de alta corrente como tendo uma dispersão de momento angular significativa. Os resultados encontrados foram positivos, e isso é importante pela necessidade de criar poços largos para fornecer um grande volume de reação e, portanto, IEC de maior potência. Antes de discutir esse trabalho, serão revistas algumas definições da estrutura do poço de potencial. ESTRUTURA DO POÇO DE POTENCIAL As estruturas de potencial são chamadas de potenciais duplos porque dois extremos (poços "externo" e "interno") são observados nos gráficos do potencial eletrostático em função do raio do IEC, excluindo o mínimo real da grade catódica. Uma representação esquemática de um potencial calculado típico do trabalho de Tzonev é mostrada na Figura 4.5. Esses casos são diferentes do caso ideal de Hirsch descrito na Seção I, em que múltiplos poços de potencial [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 38 do documento.]

Nota editorial: Figura 4.4 (dois limites do equilíbrio feixe-maxwelliana) e início da discussão sobre estrutura de poços de potencial e momento angular, com o trabalho de Tzonev.

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I UNCLASSIFIED/ f FOR OFFl@IAL ~81: 8HLY I I f"'I \ I I \ I I \ I I \ I I \ II \f I \ ' I I '\ - - .. - ' \ \ ' ... E Emax Figure 4.4. Sketch of Two Opposite Limits of the Beam-Maxwellian Equilibrium. The solid line corresponds to a case In which the Maxwellian population Is dominant; the dashed line corresponds to a case in which the beam contr ibution is dominant . In summary, unlike the original Nevins "calculations", the subsequent Chacon, et al. results are quite encouraging but leave open the issue of whether or not satisfactory deep potential wells can be created. To pursue this issue further, Ivan Tzonev ,et al. considered well formation with emphasis on angular momentum effects (Reference 4.4) . Earlier studies had assumed that very low angular momentum (zero in the ideal case) is necessary to achieve a potential well structure capable of trapping energetic ions. In contrast, Tzonev et al. considered high-current ion beams as having a significant angular-momentum spread. The results found were positive, and this is important due to the need to create wide wells to prov ide a large reaction volume, hence larger power IECs. Before discussing this work, some definitions for the potential well structure will be reviewed. POTENTIAL WELL STRUCTURE The potential structures are called double potentials because two extremisms ("outer" and "inner" wells) are observed in the plots of electrostatic potential versus IEC radius, excluding the real cathode grid minimum. A schematic representation of a typical calculated potential from Tzonev's work is shown in Figure 4.5. These cases are different from Hirsch's ideal case described in Section I, where multiple potential wells UNCLASSIFIED/ }FOA: OFFICI0L: !Pili ON! X 38

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com picos acentuados. No estudo de Tzonev, observam-se extremos de potencial espalhados, devido à grande dispersão de momento angular. O ânodo virtual é definido como a posição em que o potencial aumenta de seu valor mínimo, no catodo real, até cerca de 95 por cento de seu valor máximo. O catodo virtual é definido como a posição em que o potencial é 95 por cento tão profundo quanto seu valor mínimo no centro do dispositivo IEC. A profundidade do mínimo de potencial "interno", mais frequentemente chamado de poço duplo, é definida como uma porcentagem da altura do máximo de potencial "externo". No caso mostrado, o poço duplo tem profundidade de cerca de 60 por cento. [Figura 4.5, gráfico do potencial em função do raio (m), com a grade catódica do IEC e os pontos "catodo virtual" e "ânodo virtual" indicados.] Figura 4.5. Definição da profundidade do poço duplo: profundidade do poço duplo [%] = -dV/Vtot x 100. O caso mostrado supõe injeção de 30 keV. Figura 4.6. Definição das velocidades paralela e perpendicular na grade catódica do IEC A definição de momento angular também é ilustrada na Figura 4.6. Em geometria esférica, a componente da velocidade perpendicular ao eixo radial representa o momento angular. TZONEV E COLABORADORES: ESTUDO DE POÇOS PROFUNDOS Tzonev et al. (Referência 4.4) usaram o IXL (código de íons acelerados), um solucionador unidimensional das equações eletrostáticas de Poisson-Vlasov para uso em geometria esférica. O IXL foi originalmente desenvolvido pela Mission Research Corporation para R. W. Bussard. O objetivo principal do código é determinar um potencial eletrostático consistente com a dinâmica das partículas carregadas nesse mesmo potencial e determinar a distribuição da densidade de partículas carregadas dentro do catodo esférico. Embora o IXL despreze os efeitos colisionais, ele ainda fornece um caso-limite importante em que os efeitos de carga espacial dominam. As condições de contorno de cada população de partículas são caracterizadas por cinco parâmetros: corrente do feixe injetado, energia média de injeção, dispersão de energia associada à componente da velocidade nas direções paralela e perpendicular, e número de recirculações pelo núcleo. Tzonev et al. verificaram que poços de potencial eletrostático duplos e profundos podem ocorrer com altas correntes de íons e de elétrons (30 A a 60 A); alta dispersão de energia iônica perpendicular (3 keV a 14 keV); baixa dispersão de energia eletrônica perpendicular (3 eV); e baixa dispersão de energia iônica radial (0,1 eV a 0,5 eV). Um exemplo é dado na Figura 4.7. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 39 do documento.]

Nota editorial: Definição de poço duplo e da profundidade do poço, e início do resumo do estudo de poços profundos de Tzonev e colaboradores com o código IXL.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPl@IAL li!E 8,.Llf with sharp peaks were observed. In Tzonev's study, spread-out potential extremisms are observed due to the high angular momentum spread. The virtual anode is defined as that position where the potential increases from its minimum value at the real cathode up to about 95 percent of its maximum value. The virt ual cathode is defined as the position where the potential is 95 percent as deep as its minimum value in the center of the IEC device. The depth of the "inner" potential minimum, more frequently called the double well. Depth is defined as a percentage of the height of the "outer" potential maximum. For the case shown, the double well has a depth of about 60 percent. 1BC cathode I rid ·-:: - I!. 0 Virtual ·albo<l Radiu [m] Vinual anode Figure 4.5. The Definition of the Double Well Figure 4.6. The Definition of the Parallel and Depth: Double Well Depth [%] = -dV /V10t x 100. Perpendicular Velocities at the IEC Cathode Grid The case shown assumes 30-keV inject ion. The definition of angular momentum is also illustrated in Figure 4.6. In spherical geometry, the velocity component perpendicular to the radius axis represents the angular momentum. TZONEV ET AL. - DEEP WELL STUDY Tzonev et al. (Reference 4.4) used the IXL (ion accelerated code), a 1-D electrostatic Poisson-Vlasov equation solver for use in spherical geometry. IXL was originally developed by Mission Research Corporation for R.W. Bussard. The primary purpose of the code is to determine an electrostatic potential consistent with the dynamics of the charged particles with in that same potential, and to determine the charged particle density distribution inside of the spherical cathode. While IXL neglects collisional effects, it still provides an important limiting case where space charge effects dominate. The boundary conditions for each part icle population are characterized by five parameters: injected beam current, average injection energy, energy spread associated with the velocity component in both parallel and perpendicular directions, and the number of recirculations through the core. Tzonev et al. found that deep double electrostatic potential wells can occur at high ion and electron currents (30 A-60 A); high perpendicular ion energy spread (3 keV-14 keV); low perpendicular electron energy spread (3 eV), and low radial ion energy spread (0.1 eV-0.5 eV). An example is given in Figure 4.7. UNCLASSIFIED/ /FOA &FFI&IAL WSE 8,.LY 39

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O perfil de densidade iônica correspondente, mostrado na Figura 4.8, tem um valor alto dentro do catodo virtual (plasma do núcleo central) e também um pico à frente da grade (catodo real). [Gráficos lado a lado; eixos horizontais: raio (m).] Figura 4.7. Poço duplo de potencial calculado com o código IXL para dEperp,i = 14 keV, Ii = 55 A, Ie = 59 A Figura 4.8. Perfil de densidade iônica para o poço de potencial mostrado na Figura 4.7 Uma nova percepção importante obtida no estudo revelou que esses perfis de potencial criam funções de distribuição de densidade iônica completamente diferentes das observadas quando existe um potencial eletrostático de poço simples. Dois picos de densidade iônica foram comumente observados, um na região central do núcleo do IEC e outro perto da grade de fio do catodo, como se vê na Figura 4.8. Dessa maneira, o pico iônico único criado pelo potencial de poço simples se divide em dois picos. O pico iônico central tem raio muito menor que o pico original. Isso faz com que ocorram densidades iônicas mais altas no poço de potencial central, o que é essencial para alcançar altas taxas de fusão. No entanto, como o raio do núcleo de fusão nesses cálculos é muito pequeno, da ordem de 0,4 cm a 0,9 cm, o número total de nêutrons emitidos por segundo é baixo demais para criar potência de fusão útil (ver Figura 4.9). Ainda assim, os princípios físicos ilustrados fornecem uma percepção importante sobre as questões de injeção. [Figura 4.9, gráfico da taxa de reação de fusão D-D em função da corrente do catodo (A), de 20 a 70, com ajuste de curva (coeficiente de correlação R = 0,99906).] Figura 4.9. Taxa de reação de fusão D-D em função da corrente do catodo, para dEperp,i = 8 keV Seriam necessárias uma dispersão de momento angular reduzida e energias de injeção mais altas para corrigir o problema do volume do poço. Ainda assim, o escalonamento da taxa de fusão D-D com expoente 5 (I^5) é encorajador, e é de fato surpreendente que essa grande dispersão de momento angular alcance estruturas de poço duplo tão nítidas. Como afirmado na Seção I, o escalonamento da corrente para reações feixe contra feixe é estritamente I^2. No entanto, como mostram Tzonev et al., mudanças não lineares no formato do poço de potencial e no perfil de densidade iônica se combinam para causar a lei de escalonamento de potência mais alta. Seria de esperar, contudo, que esse efeito saturasse em alguma corrente, voltando à relação fundamental I^2. Nesse sentido, deve-se notar que investigadores anteriores também previram leis de escalonamento com [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 40 do documento.]

Nota editorial: Figuras 4.7 a 4.9 (poço duplo calculado com o IXL, perfil de densidade iônica e taxa de fusão D-D em função da corrente) e discussão do escalonamento da taxa de fusão com a corrente.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk WS& ONkY The corresponding ion density profile, shown in Figure 4.8, has a high value inside the virtual cathode (center core plasma) and also a peak in front of the grid (real cathode). Radius [m) Radius [ml Figure 4.7. The Double Well Potential Calculated With Figure 4.8. Ion Density Profile for Potential IXL Code for d1Jperp, i=14keV, I 1=SSA, I e=S9A Well Shown in Figure 4.7 An important new insight obtained in the study revea led that these potential profiles create ion density distribution functions completely different from the ones observed when a single well electrostatic potential exists. Two ion density peaks were commonly observed - one in the central IEC core region, and one near the cathode wire grid as seen in Figure 4.8. In this manner, the single ion peak created by the single well potential is split into two peaks. The central ion peak has a much sma ller radius than the original peak. This causes higher ion densities to occur in 20 30 40 so Cllhodc CWTCDI [Al 60 70 Figure 4.9 . The D-D Fusion Reaction Rate Versus the central potential well, which is Cathode Current for dEperp, 1 =8 keV essential for the achievement of high fusion rates. However, since the fusion core radius iin these calculations is very small - on the order of 0.4 cm - 0.9 cm, the total number of neutrons emitted per second is too low to create useful fusion power (see Figure 4.9). Still, the physics principles Illustrated provide important insight into injection issues. A reduced angular momentum spread and higher injection energies would be required to correct the well volume problem. Still, the 0 - 0 fusion rate scaling of 15 is encouraging, and it is indeed surprising that this large angular momentum spread achieves such distinct double well structures. As stated in Section I, the current scaling for beam -beam reactions is strictly 12. However, as shown by Tzonev et al., nonlinear changes in the potential well shape and ion density profile combine to cause the higher power current scaling law. It would be anticipated, however, that this effect would saturate at some current, tending back to the fundamental I2 relation. Along these lines, it should be noted that prior investigators also predicted scaling laws with y - ml•mOAS Error 80 ml 9.5163c-08 1.51 SSe-09 Ot q 9. 1482 NA 70 R 0.99906 60 j 50+-- --+-----+--+--• /'f ' -- 40 _ ________ , ~ 30 0 o wr--;r---,- -zr--;t:====t===:::1...,. o.i...-,.:j~.:+-t-1-+-+++-+-+-+-t~~ ......+-1 UNCLASSIFIED/ /FOA &FFI&IAk WSE O,.LY 40

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TRECHO 48 · PÁGINA FÍSICA 48

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expoentes maiores que 2. A primeira sugestão disso foi de R. W. Bussard, com base em argumentos teóricos (ver Seção 1). Mais tarde, estudos de PIC de M. Ohnishi na Universidade de Kyoto (hoje na Universidade de Kansai) também mostraram um escalonamento tão forte (não tratado aqui, mas ver M. Ohnishi em Proceedings of 16th IEEE/NPSS, vol. 2, pp. 1468-1471). A pergunta sem resposta é em que nível de corrente isso ocorre. Simulações futuras devem tratar dessa questão e examinar também baixa dispersão de momento angular e energias de injeção de íons mais altas. Em resumo, este estudo de Tzonev et al. é muito encorajador quanto à formação de poços profundos em dispositivos IEC projetados para reatores que usam fusão dominada por feixe contra feixe. No entanto, ainda é preciso muito mais trabalho nessa linha para identificar plenamente a estratégia ótima de injeção de íons para poços profundos com potência de entrada mínima. Como enfatizado antes, os parâmetros do poço de potencial também devem ser combinados com um cálculo consistente do ganho de energia (Q), segundo os métodos de L. Chacon et al., para estabelecer um quadro completo do ganho de energia possível em um IEC do tipo de potência. MOMOTA E COLABORADORES: ESTUDO DA ESTRUTURA DE ELETRODO VIRTUAL Em outro estudo relacionado, Momota e Miley (Referência 4.5) usaram uma solução analítica para examinar os efeitos do momento angular. A estrutura de potencial de "poço duplo" (formação de catodo virtual) foi estudada em um IEC esférico estacionário usando as equações não lineares de Poisson e densidades de partículas derivadas da teoria cinética. Introduz-se um método novo para obter uma função de distribuição estacionária com simetria esférica, e uma equação integro-diferencial é simplificada pela aplicação de uma fórmula aproximada adequada para uma integral. Os feixes de elétrons e de íons são livres de colisões e suas velocidades estão aproximadamente alinhadas em direção ao centro esférico, mas com ligeira divergência. As análises mostram que o momento angular dos íons e o menor dos elétrons criam um catodo virtual, isto é, uma estrutura de poço duplo do potencial eletrostático sobre uma colina de potencial perto do centro. Foi encontrado o limite de densidade de um poço de IEC e foram apresentadas as condições relevantes para formar um poço de potencial profundo. Esses resultados mostram tendências aproximadamente semelhantes às dos estudos numéricos de Tzonev et al. e podem ser úteis para quem quiser estudar os efeitos de forma analítica. KIM: ANÁLISE DE ESTABILIDADE Além de obter um aprisionamento adequado em poço de potencial para a produção líquida de energia, é preciso considerar a questão da estabilidade do plasma não maxwelliano no poço. (Note-se que a "estabilidade" é uma questão separada da termalização da distribuição semelhante a um feixe no IEC discutida antes. No entanto, são problemas não lineares acoplados, pelo fato de que a função de distribuição usada nos dois cálculos deve ser consistente.) N. Krall fez alguns estudos anteriores para mostrar que a distribuição no Polywell IEC do tipo de R. W. Bussard é estável contra instabilidades-chave, como a de dois feixes. Esses estudos, porém, eram relatórios internos de empresa e não foram publicados abertamente. Alguma informação é dada, no entanto, na Referência 1.7. Mais recentemente, H. J. Kim, em sua tese feita com G. Miley, realizou um estudo aprofundado de instabilidades do tipo dois feixes no IEC do tipo com injeção de íons (ver Referência 4.6). Seu trabalho é muito encorajador, pois identifica uma possível "janela de estabilidade" que depende da distribuição de energia injetada e da dispersão de velocidade angular. Esse resultado está resumido na Figura 4.10. A análise é descrita brevemente a seguir. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 41 do documento.]

Nota editorial: Fecha o estudo de Tzonev, resume o estudo analítico de Momota e Miley sobre eletrodo virtual e começa a análise de estabilidade de Kim.

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UNCLASSIFIED/ f FOR 8FFl@IAL ~!II! 8HLY exponents greater than 2. The first suggestion of th ils was By R. W. Bussard based on theoret ical arguments (see Section 1). Later, PIC studies by M. Ohnishi at Kyoto University (now at Kansai University) also showed such strong scaling (not covered here- but see M. Ohnishi in Proceedings of 16th IEEE/NPSS, vol. 2, pp. 1468-1471). The unanswered question is at what current level this occurs. Future simulations should address that issue and also examine low angular momentum spread and higher ion inject ion energies. In summary, this study by Tzonev et al. is very encouraging for format ion of deep wells in IEC devices designed for reactors using beam-beam dominated fusion. However, much more work needs to be done along these lines to fully identify the optima l ion injection strategy for deep wells with minimum power input. As stressed earlier, the potential well parameters must also be combined with a consistent calculation of the energy gain (Q) following the methods of L. Chacon et al. to establish a complete picture of energy gain possible in a power type IEC. MOMOTA ET AL. - STUDY OF VIRTUAL ELECTRODE STRUCTURE In another related study, Momota and Miley (Reference 4.5) used an analytic solution to examine the angular momentum effects. "Double-we ll" potential structure (virtual cathode formation) was studied in a stationary spherical IEC using the nonlinear Poison's equations and particle densities derived from kinetic theory. A novel method to obtain a spherica lly symmetric stationary distribution function is introduced and an integral-differential equation is simplified by apply ing a relevant approximated formu la for an integral. Electron and ion beams are collision-free, and their velocities are roughly aligned toward the spherical center, but with a slight divergence. Analyses show that the angular momentum of ions and the smaller one of the electrons create a virtual cathode, i.e., a double -well structure, of the electrostatic potential on a potentia l hill near the center. The density limit of an !EC well was found and the conditions relevant to form a deep potential well was presented. These results show trends roughly similar to the numerical studies of Tzonev, et al., and may be useful to persons wanting to study the effects analytically. KIM - STABILITY ANALYSIS In addition to achieving adequate potential well trapping for net energy production, the question of stability of the non-Maxwellian plasma in the well must be considered. (Note that "stabi lity " is a separate question from the therma lization of the beam-like distribution in the IEC discussed earlier. However, they are coupled nonlinear problems due to the fact that the distribution function used for both calculations should be consistent). N. Krall did some earlier studies to show that the distribution in the R.W. Bussard type Polywell IEC are stable against key instabi lit ies such as two -stream. These studies however, were internal company reports and not openly published . Some informat ion is given, however, in Reference 1.7. More recently, H.J. Kim, in his thesis done with G. Miley, did an in-depth study of two stream -li ke instabilities in the ion­ injected type IEC (see Reference 4.6). His work is very encouraging in that he identifies a possible "window of stability" which depends on the injected energy distribution and angular velocity spread. This result is summarized in Figure 4.10. The analysis is briefly described as follows. UNCLASSIFIED/ /&OA: O&&ICIAL !!ii ODt11 X 41

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TRECHO 49 · PÁGINA FÍSICA 49

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Um método de partículas em célula (PIC) com integração temporal explícita dominou em geral as simulações de plasma anteriores. No entanto, esse método é inadequado em problemas de múltiplas escalas de tempo, principalmente porque os algoritmos explícitos de passo de tempo se tornam numericamente instáveis quando não conseguem resolver a escala de tempo mais rápida admitida pelo modelo. De fato, a escala de tempo mais rápida pode ser ordens de grandeza mais rápida que a escala de tempo dinâmica de interesse. A simulação também precisa resolver a menor escala de comprimento do sistema, para evitar instabilidades de grade finita que exigem resolução de escalas espaciais comparáveis ao comprimento de Debye. Para melhorar a propriedade de conservação do algoritmo de partículas em célula de momentos implícitos, H. J. Kim desenvolveu um esquema de partículas em célula totalmente implícito e o implementou usando um algoritmo de Newton-Krylov sem Jacobiano, que não exige a formação e o armazenamento reais da matriz Jacobiana, para minimizar os custos computacionais. O esquema tem as seguintes propriedades: 1) método totalmente implícito, no qual todas as grandezas das equações de partículas e de campo são consistentes em cada passo de tempo; e 2) boa propriedade de conservação de energia. [Figura 4.10, gráfico da taxa de crescimento da instabilidade para parâmetros α = 10^-2, ξ = 10^-1, κ = 0,0, com eixo vertical de -0,1 a 0,4 e eixo horizontal em escala logarítmica.] Figura 4.10. Gráfico da taxa de crescimento da instabilidade de feixe iônico esfericamente convergente/divergente para a variação da dispersão de velocidade angular, isto é, para β = [ilegível]. (Nomenclatura definida na Referência 6.1) O estudo de H. J. Kim verificou que o algoritmo trata corretamente os modos eletrostáticos típicos. Por exemplo, os resultados concordam com as relações de dispersão lineares para limites simples de instabilidades de dois feixes frios de elétrons em contracorrente, amortecimento de Landau de elétrons e ondas acústicas iônicas. A experiência de simulação aqui apresentada demonstra a propriedade de conservação de energia dos sistemas e a eficácia do solucionador não linear combinado com um pré-condicionamento eficiente, derivado da equação de Poisson não linear e das relações de descrição de partículas. Para ondas acústicas iônicas, a variação máxima da energia total é muito menor que 0,1 por cento, indicando que uma técnica totalmente implícita tem bom desempenho nessa simulação em particular. O número de iterações lineares e não lineares é significativamente reduzido quando o pré-condicionador é aplicado. De fato, no caso das iterações lineares, o número de iterações de um sistema linear pré-condicionado é 10 vezes menor que o de um solucionador linear sem pré-condicionador. Além disso, o teste de convergência de grade mostra que o escalonamento do tempo de CPU é praticamente linear com o número de grades. O teste de convergência temporal sugere que empregar o maior passo de tempo compatível com a exatidão em um dado cálculo é o caminho mais eficiente para obter a solução, porque o tempo de CPU diminui à medida que o passo de tempo aumenta. H. J. Kim realizou uma análise de modos normais da instabilidade de contracorrente íon-íon em um confinamento eletrostático inercial esférico, a fim de obter percepções sobre a configuração de equilíbrio do confinamento eletrostático inercial com injeção de íons. Para isso, supõe-se que os feixes iônicos de equilíbrio do confinamento eletrostático sejam proporcionais a 1/r^2, neutralizando efetivamente a densidade eletrônica de fundo. Fica evidente, pela análise de feixes iônicos frios, que a instabilidade de dois feixes em sistemas esféricos finitos pode ser excitada para pequenas velocidades de feixe, em comparação com as de plasmas homogêneos e infinitos [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 42 do documento.]

Nota editorial: Método de simulação implícita de partículas em célula (PIC) desenvolvido por Kim, com testes de conservação de energia, e a Figura 4.10 sobre a taxa de crescimento da instabilidade do feixe iônico.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPICIAL l1!E or•t I A particle-in-cell method with explicit time integration has generally 0.4 ~------------, dominated earlier plasma simulat ions. However, this method is inappropriate 0.3in multiple time scale problems primarily because the explicit time-step algorithms become numerically unstable when they cannot resolve the fastest time scale supported by the model. Indeed, the fastest time scale may be orders of magn itude faster than the 0.0 dynamical time scale of interest . The a= 10·2 I;= 10·1 lC= 0.0 0 I I I I I I I - - 0 o- - simulation also has to resolve the -0.1 ..............................__.__.......,....._2.........,.......,........1..................,.,o smallest length scale of system to avoid 10-·· 10" 10" 10 finite-grid instabilities that require ~ resolution of spatial scales comparable Figure 4.10. Plot of Growth Rate of Spherically Converging/Diverging Ion-Beam Instability for theto the Debye length. In order to Variation of the Angular Velocity Spread, i.e., for 13 = improve the conservations property of T/ lecticl (Nomenclature defined in Reference 6.1} implicit moment particle-in -cell algorithm, H.J. Kim developed a fully implicit particle -in-cell scheme and implemented it using a Jacobian-free Newton-Krylov algorithm that does not require actual formation and storage of the Jacobian matrix to minimize the computational costs. The scheme features the following properties: 1) fully implicit method where all quantities of both the particle and the field equations are consistent at each time step, and 2) a good property for energy conservations. H. J. Kim's study verified that the algorithm correctly handles the typical electrostatic modes. For example, the results agree with the linear dispersion relations for simple limits of two cold electron counter-streaming instabilities, electron Landau damp ing, and ion acoustic waves. The simulation experience presented here demonstrates the energy conservation property of the systems and the efficacy of nonlinear solver combined with an efficien t pre-condition ing which is derived from the nonlinear Poisson equation and particle description relations. For ion acoustic waves, the maximum variation in the total energy is much less than 0.1 percent, indicating that a fully implicit technique performs well in that particular simulation. The number of linear and nonlinear iterations is significantly reduced when the preconditioner is applied. In fact, for the case of linear iterations, the iterat ion number of a preconditioned linear system is 10 times smaller than that of a linear solver without preconditioner. In addition, grid convergence test shows that the scaling of CPU time is virtually linear according to the grid number. The time convergence test suggests that employing the largest time step compatible with accuracy in a given calculation is the most efficient route for obtaining the solution because the CPU time decreases as the time step increases. H. J. Kim performed a normal mode analysis of the ion-ion counter -streaming instability in a spherical inertial electrostatic confinement in order to gain insights into the ion­ injected inertial electrostatic confinement equilib rium configuration. To do this, it is assumed that the electrostatic confinement equilibrium ion beams are proportional to 1/r2, effectively neutralizing the background electron density. It is evident from the analysis of cold ion beams that two -stream instability in finite spherical systems may be excited for small beam velocities compared to those of homogeneous and infinite UNCLASSIFIED/ /5i0A 05i5ilCIAk Wli& &Nllf 42

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plasma. Quando o feixe iônico é quente, as ondas excitadas pela instabilidade são do tipo ondas acústicas iônicas. Observa-se então que é necessária uma certa razão de temperaturas para que a onda se torne instável. Ele também desenvolveu um algoritmo bidimensional de partículas em célula perturbativo (delta-f) para simular a interação eletrostática de elétrons e íons em confinamento eletrostático inercial esférico. Esse esquema é aplicado porque o nível de ruído do algoritmo é significativamente reduzido em comparação com a simulação convencional de partículas em célula. Como uma simulação de partículas em célula em duas ou três dimensões exige muito da computação e da memória, é necessário buscar métodos e opções computacionais que levem a soluções em tempo razoável. Uma abordagem de computação distribuída é implementada com o uso de bibliotecas paralelas. A aplicação de um espaçamento de grade uniforme em coordenadas esféricas pode levar a um problema de estabilidade devido à singularidade no centro esférico. Para evitar a singularidade, aplicam-se um domínio retangular bidimensional e um método de fronteira imersa, de modo que um domínio esférico dentro da grade catódica do confinamento eletrostático esférico seja simulado em coordenadas r-z. Fica evidente pelo resultado que a taxa de crescimento da instabilidade, uma função decrescente da dispersão de energia longitudinal da função de distribuição iônica, se reduz porque a grande dispersão de energia induz um forte amortecimento de Landau por efeitos cinéticos paralelos. Além dos efeitos do amortecimento de Landau longitudinal pelos íons do feixe, um feixe mais monoenergético consegue estabilizar a instabilidade, porque a taxa de crescimento da instabilidade pode ser reduzida para uma densidade de feixe maior quando a velocidade do feixe é fixa e situada na colina esquerda do diagrama da taxa de crescimento em função da velocidade do feixe. A taxa de crescimento não muda drasticamente à medida que aumenta o modo de perturbação angular. Os resultados resumidos na Figura 4.10 indicaram que a instabilidade de dois feixes é estabilizada se a dispersão de momento angular dos íons do feixe for pequena o bastante, devido à densificação iônica aumentada no centro do dispositivo. Isso é muito encorajador para o desenvolvimento futuro do IEC. No entanto, deve-se realizar um estudo experimental para verificar esse resultado. RIDER: ESTUDO DO BALANÇO DE ENERGIA Todd Rider, na Referência 4.7, relata um tipo bem diferente de análise de balanço de energia. Enquanto os artigos anteriores usaram vários métodos para se concentrar no espalhamento ascendente e descendente em diversas configurações de poço de potencial, Rider considerou um balanço de fluxo de energia do tipo "diagrama de blocos" para determinar o ganho líquido de uma unidade de potência. Em uma análise desse tipo, as taxas de reação e de espalhamento, além das taxas de equilibração elétron-íon, entram como (<σv>) média sobre as funções de distribuição de íons e de elétrons. Assim, as funções de distribuição não foram calculadas explicitamente na análise de Rider. Além da função de base, qualquer variação espacial na distribuição, como as apontadas por Tzonev et al., deve ser imaginada por meio da função de distribuição suposta. Em análises tradicionais de confinamento magnético, em geral se supôs uma função de distribuição maxwelliana. Em estudos anteriores de Tokamak, essa técnica foi amplamente usada com precisão razoável, já que esses sistemas de fato estão próximos do equilíbrio térmico. Em nítido contraste, como enfatizado repetidamente aqui, o IEC não está. Essa incerteza em <σv> torna muito desafiadora uma análise do tipo tentado por Rider e a deixa aberta a possíveis críticas. De fato, parece que Rider usou médias maxwellianas-chave, e os críticos em geral citam isso como a causa de seu resultado pessimista [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 43 do documento.]

Nota editorial: Conclusão do estudo de estabilidade de Kim (a instabilidade de dois feixes é estabilizada em simulação quando a dispersão angular é pequena, mas é preciso verificar por experimento) e início da crítica ao balanço energético de Rider.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPl@IAL li!I: 8,.Llf plasma. When an ion beam is hot, the waves excited by the instability are ion acoustic type waves. Then one observes that a certain temperature ratio is required before the wave will go unstable. He also developed a two-dimensional perturbative (~f) particle-in-cell algorithm to simulate the electrostatic interaction of electrons and ions in spherical inertial electrostatic confinement. of scheme is applied, because the noise level in of algorithm is significantly reduced, compared with conventional particle-in-cell simulation. Since a particle-in-cell simulation in two or three-dimensions is very computationally and memory intensive, it is necessary to seek computational methods and options which lead to solutions in a reasonable amount of time. A distributed computing approach is implemented by using parallel librar ies. Applying a uniform grid spacing in spherical coordinates may lead to a stability problem due to singularity at the spherical center. In order to avoid the singularity issue, a two -dimensional rectangular domain and an immersed boundary method are applied so that a spherical domain inside the cathode gird of spherical electrostatic confinement is simulated by r-z coordinates. It is evident from the result that the growth rate of instability, a ,decreasing function of the longitudinal energy spread of ion distribution function, becomes reduced because the large energy spread induces strong Landau damping by parallel kinetic effects. Besides the effects of longitudinal Landau damping by the barn ions, a more monoenergetic beam is able to stabilize the instability because a growth rate of instability can be reduced for a higher beam density when the beam speed is fixed and located on the left hill in the diagram of growth rate versus beam speed. The growth rate does not change dramatically as a mode of angular perturbation increases. The results summarized in Figure 4.10 indicated that the two-stream instability is stabilized if the angular momentum spread of the beam ions is small enough, due to enhanced ion densification at the center of the device . This is very encouraging for future IEC development . However, an experimental study should be performed to verify this result. RIDER - ENERGY BALANCE STUDY Todd Rider in Reference 4. 7 reports a quite different type of energy balance analysis. While the prior papers used various methods to concentrate on up-down scattering in various potential well configurations, Rider considered a "block diagram" type energy flow balance to determine the net gain from a power unit. In such an analysis t he reaction and scattering rates, plus the electron-ion equilibration rates, enter as (<av>) averaged over the distribution functions for ions and electrons. Thus, the distribution functions were not calculated explicitly in Rider's analysis. In addition to the base function, any spatial variations in the distribution, such as pointed out by Tzonev et al., must be envisioned via the assumed distribution function. In traditional magnetic confinement analyses a Maxwellian distribution function has generally been assumed. In prior Tokamak studies, this technique has been widely used with reasonable accuracy since such systems are indeed near thermal equilibrium. In sharp contrast, as stressed repeatedly here, the IEC is not. This uncertainly in <av> makes an analysis of the type attempted by Rider very challenging, and leaves it open for possible criticism. In fact, it appears that Rider used Maxwellian key averages and critics generally cite this as the cause for his pessimistic UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICI.IJ.L: Wii ONL:¥ 43

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resultados. Rider interessou-se particularmente pela alegação de que, devido a seu plasma semelhante a um feixe e não maxwelliano, o IEC pode queimar "combustíveis avançados de fusão", como D-3He e p-11B, com mais facilidade do que os dispositivos tradicionais de plasma maxwelliano (Tokamaks etc.). Assim, ele considerou o uso dos combustíveis D-T, D-D, D-3He, 3He-3He, p-11B e p-6Li. Devido aos seus componentes de Z alto, todos esses combustíveis têm de enfrentar grandes perdas de energia por radiação de frenagem (Bremsstrahlung). Essas perdas foram avaliadas com a fórmula tradicional, mas sua avaliação tem um viés embutido, já que as perdas dependem fortemente da razão entre as temperaturas de elétrons e de íons, que por sua vez depende fortemente dos valores de <σv> supostos, como já discutido. O desvio em relação a uma distribuição de energia eletrônica de equilíbrio também afeta fortemente a emissão de radiação. Usando os valores médios maxwellianos, ele constatou que as perdas por radiação de frenagem seriam proibitivamente grandes para reatores de 3He-3He, p-11B e p-6Li e seriam uma fração considerável da potência de fusão em reatores de D-3He e D-D, limitando o uso ao D-T. Como corolário, ele conclui, em contradição com alegações anteriores, que não parece possível que a região central densa de um dispositivo IEC de nível de reator mantenha uma distribuição iônica significativamente não maxwelliana ou mantenha uma baixa razão entre as temperaturas de elétrons e de íons. O problema, porém, é que as constantes de taxa supostas forçariam naturalmente essa conclusão. Além disso, essas constantes de taxa levam ao resultado embutido de Rider, que força os íons a formar uma distribuição maxwelliana com energia média próxima da energia do potencial. Consequentemente, em sua análise, íons na cauda energética da distribuição são perdidos a taxas maiores que a taxa de fusão, o que resulta em valores baixos de Q. Rider considerou o IEC do tipo Polywell e, mesmo com suposições extremamente otimistas sobre o poço de potencial, constatou que as perdas de elétrons são intoleráveis para todos os combustíveis "exceto talvez o D-T". Com base nesses resultados, Rider conclui que, para que o sistema IEC seja usado como reator de fusão, será necessário encontrar métodos para "contornar esses problemas, especialmente as perdas excessivas por radiação de frenagem". Certamente a redução das perdas por radiação deve ser objeto de estudo contínuo, mas seu pessimismo parece exagerado. O problema da análise de Rider é que ele não usou taxas de reação e de espalhamento médias sobre a distribuição não maxwelliana característica de um reator IEC. Isso inclui tanto a distribuição iônica semelhante a um feixe quanto a grande razão de temperaturas íon-elétron. Essa análise energética muito básica deveria ser refeita com dados de taxa de reação revistos, mas até hoje isso não foi relatado. Apesar das dúvidas sobre a análise de Rider e sua conclusão pessimista, suas recomendações de questões a estudar e superar continuam bastante válidas. SIMULAÇÕES DE FONTES DE NÊUTRONS Vários estudos de simulação concentraram-se em IEC do tipo fonte de nêutrons. Nesse caso, ao contrário de futuros reatores de potência, o gás de fundo tem pressão suficiente, o que resulta em um escalonamento feixe-fundo da taxa de fusão (isto é, teoricamente isso dá um escalonamento de corrente x pressão). A troca de carga também se torna um fator significativo no desempenho do dispositivo. Na Referência 4.8, Miley et al. usaram um modelo analítico de colisões de troca de carga no plasma do IEC para incluir o tempo de voo dos íons e as taxas de geração de nêutrons de fusão. Os resultados do modelo, simulando 10 mA de corrente de íons D+ em um dispositivo IEC de 30 cm de diâmetro a 50 kV, coincidiram com os resultados experimentais de 10^6 nêutrons de fusão por segundo. O modelo também foi usado para encontrar os efeitos do diâmetro da grade sobre a produção de nêutrons e mostrar que a produção escala com o diâmetro da grade elevado à potência -0,41. Esse fator é muito próximo do escalonamento experimental observado nas fontes de nêutrons IEC com grades da UIUC [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 44 do documento.]

Nota editorial: Crítica do estudo à análise pessimista de Rider sobre perdas por radiação de frenagem em IEC e início da seção sobre simulações de fontes de nêutrons.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFl@IAL ~!II! 8HLY results. Rider was particularly interested in the claim that due to its beam-like non­ Maxwellian plasma, the IEC can burn "advanced fusion fuels" such as D-3He and p-11B easier than traditiona l Maxwellian type plasma devices {Tokomaks, etc.). Thus, he considered use of D-T, D-D, D-3He, 3He-3He, p-11B and p-6Li fuels. Due to their high Z components, all of these fuels must battle large energy losses via Bremsstrahlung. These losses were evaluated using the traditional form ula, but his evaluation has a built in bias since the loses depend heavily on the electron ion temperature ratio which in turn depends strongly on the <av> values assumed as already discussed. Deviation from an equilibrium electron energy distribution also strongly affects radiation emission. Using the Maxwellian average values, he found that Bremsstrahlung losses would be prohibitively large for 3He-3He, p-11B, and p-6Li reactors and will be a considerable fraction of the fusion power for D-3He and D-D reactors limiting use to D-T. As a corollary, he concludes in contradiction with earlier claims that it does not appear possible for the dense central region of a reactor-grade IEC device to maintain a significantly non-Maxwellian ion distribution or keep a low electron to ion temperature ratio. The problem, however, is that the assumed rate constants would naturally force this conclusion. Further, these rate constants lead to Rider's build-in result forcing the ions to form a Maxwellian distribution with a mean energy close to the energy of the potential. Consequently, in his analysis, ions in the energetic tail of the distribution are lost at rates faster the fusion rate, giving low Q values. Rider considered the Polywell type IEC and even with exceedingly optimistic assumptions about the potential well, he found the electron losses are intolerable for all fuels "except perhaps DT". Based on these results, Rider concludes that for the IEC system to be used as a fusion reactor it will be necessary to find methods to "circumvent these problems, especially the excessive Bremsstrahlung losses". Certainly reducing radiation losses should be an ongoing study, but his pessimism appears to be overdone. The problem with Rider's analysis is his not using reaction and scattering rates averaged over the non-Maxwellian distribution characteristic of an IEC reactor. This includes both the beam-like ion distribution and the large ion-elect ron temperature ratio. This very basic energy analysis should be redone with revised reaction rate data, but to date have not been reported. Despite questions about Rider's analysis and pessimistic conclusion, his recommendations of issues to study and overcome remain quite valid. NEUTRON SOURCE SIMULATIONS Several simulation studies have focused on neutron source type IECs. In this case, as opposed to future power reactors, the background gas is of sufficient pressure, result ing in beam-background scaling of the fusion rate (i.e., theoretically this gives a current x pressure scaling). Charge exchange also becomes a significant factor in device performance. In Reference 4.8, Miley et al. used an analytical model of charge-­ exchange collisions in the IEC plasma to include ion time-of-flight and fusion neutron generation rates. Results from the model simulating 10 mA of D+ ion current in a 30-cm diameter IEC device at SO kV matched the experimental results of 106 fusion neutrons per second. The model was also used to find the effects of grid diameter on neutron yield and show that the yield scales as grid diameter is raised to the power -0.41. This factor is very close to the experimental scaling observed from the UIUC neutron source UNCLASSIFIED/ /FOA 9FFIQI.t.L: P Pili 01'll Y 44

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Além disso, o modelo fornece mais percepção sobre a operação no modo STAR. Esse efeito, descrito antes na Seção 1, está resumido na Figura 4.11. Em operação a pressões mais altas, a troca de carga limita severamente o número de passagens possíveis pela grade, apesar da transparência efetiva muito alta alcançada pelo modo STAR. Isso é enfatizado pelos resultados dos cálculos da Referência 4.7 mostrados na Figura 4.12. (Note-se que cálculos relacionados de J. Khachan, discutidos antes na Seção II, mostram resultados semelhantes, mas enfatizam o papel dos íons moleculares em tensões de operação mais baixas.) [Figura 4.11, diagrama de superfícies equipotenciais da grade catódica do IEC. Figura 4.12, gráfico das distribuições de energia dos íons (energia dos íons em eV, de 0 a 60.000) por passagem, para grade de raio de 2 cm, 50 kV, 4,6 mTorr.] Figura 4.11. Diagrama mostrando as superfícies equipotenciais da grade catódica do IEC e seu efeito de focalização sobre um feixe de íons em descarga de modo STAR em altas tensões (> 50 keV) Figura 4.12. Resultados de cálculos de distribuições de energia dos íons por passagem Esses resultados computacionais são para o "dispositivo A" do IEC da UIUC, usando uma grade de diâmetro de 4 cm, com condições de 50 kV, 10 mA e pressão do gás de fundo de 4,6 mTorr. A essa pressão, as colisões de troca de carga (CX) ocorrem com muita frequência para íons D+. Em sua primeira passagem pelo IEC, cerca de metade desses íons sofre CX dentro da região do catodo e é perdida. Após apenas quatro passagens, a maioria dos íons restantes perdeu grande parte de sua energia potencial original e a taxa de fusão das passagens seguintes se torna desprezível. Os íons D2+ têm uma seção de choque de CX menor, e são necessárias cerca de 20 passagens para que a maioria dos íons D2+ perca sua energia e seja perdida para a grade. (Íons D2+ e também íons D3+ são produzidos naturalmente, em quantidades decrescentes, em reações de ionização junto com D+. Como apontado por Khachan, seu trabalho observou que o D2+ se torna mais significativo em tensões mais baixas.) Em resumo, o projeto de uma fonte de nêutrons IEC ótima mostra-se bastante diferente do de um IEC produtor de energia. No projeto da fonte, os parâmetros da grade, a razão entre os diâmetros da grade e do vaso, o diâmetro da câmara, as condições da superfície, a pressão de fundo, a corrente e a tensão tornam-se todos parâmetros importantes. Em dispositivos produtores de energia, os parâmetros de injeção de íons, incluindo a corrente iônica, a energia dos íons em relação à altura do potencial do poço, o momento angular dos íons e a razão de temperaturas entre íons e elétrons, junto com o diâmetro da câmara, determinam o desempenho. Os cálculos e simulações aqui citados fornecem muita percepção sobre essas questões e também sobre as ferramentas teóricas e computacionais para o estudo do IEC. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 45 do documento.]

Nota editorial: Figuras 4.11 e 4.12 (superfícies equipotenciais no modo STAR e distribuições de energia dos íons por passagem) e resumo das diferenças entre uma fonte de nêutrons e um IEC de potência.

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UNCLASSIFIED/ /fOR Offl@IAL WSE 8,.Llf gridded IECs. Further, the model provides more insight into operation in the STAR mode. This effect, described earlier in Section 1, is summarized in Figure 4.11. For higher pressure operation, charge exchange severally limits the number of passes possible through the grid despite the very high effective transparency achieved by the STAR mode. This is emphasized by results for the calculations in Reference 4. 7 shown in Figure 4.12. (Note that related calculations by J. Khachan discussed earlier in Section II show similar results, but emphasize the role of molecular ions at lower operating voltages). Equ1pobtnbaI Surf~ •lllffl!IJl I n,i Ion En•'VY Ol,tnbutton11at pH 2: cm grid radlua, 50 kV, 4. mTorr 2.0E+07 .---------,, 11 UiE+o7 : 5.0800 o.c,e..oo 0 20000 4'0000 80000 ton Energy (eV) I 1.oe+o1 t--­ Figure 4.11. Diagram Showing Equipotential Figure 4.12. Results for Calculations for Ion Energy Surfaces of the IEC Cathode Grid and Their Distributions pt Pass Focusing Effect on a Beam of Ions in the Star Mode Discharge at High Voltages ( > 50 keV) These computational resu Its are for the UIUC IEC "A-device" using a diameter grid with condit ions of 50 kV, 10 mA, and 4-cm, and background gas pressure of 4.6 mTorr. At this pressure, charge-exchange (CX) collisions occur quite frequently for D+ ions. In their first pass through the IEC, about half of these ions CX within the cathode regio n and are lost. After only four passes, most of the remaining ions have lost a large amount of their original potential energy and the fusion rate from subsequent passes becomes negligible. D2+ ions have a smaller CX cross section and it takes about 20 passes for most of the D2+ ions to lose their energy and be lost to the grid . (D 2+ ions and also D3+ ions are natu rally produced at diminishing quantities in ionization reactions along with o +. As pointed out by Khachan his work noted D2+ becomes more significant in lower voltages) . In summary, the design of an optimal IEC neutron source is seen to be quite different from a power- producing IEC. In the source design, the grid paramet ers, grid/vessel diameter ratio, chamber diameter, surface conditions, background pressure, current, and voltage all become important parameters. In power -producing devices the ion injection parameters -- including ion current, ion energy relative to height of the well potential, the ion angular momentum, and the ion to electron temperature rat io, along with the chamber diameter ---determine performance. The calculations and simulations cited here provide much insight into these issues and also provide insight into theoretical and computational tools for IEC study. UNCLASSIFIED/ /FOR 8fflOIAL WSE 8NLY 45

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REFERÊNCIAS 4.1 W. M. Nevins, [referências bibliográficas no original], Phys. Plasmas, vol. 2, n. 10, outubro (1995), pp. 3804-3819. 4.2 L. Chacon, G. H. Miley, D. C. Barnes e D. A. Knoll, [referências bibliográficas no original], Phys. of Plasmas, vol. 7, n. 11, (2000), p. 4547. 4.3 T. N. Tiouririne e D. C. Barnes, [referências bibliográficas no original], Bull. Am. Phys. Soc., vol. 40 (1995), pp. 1665. 4.4 I. V. Tzonev, J. M. DeMora, G. H. Miley, [referências bibliográficas no original], Proc. 16th IEEE/NPSS Symp. on Fusion Engr. (Miley e Elliott, eds.), IEEE paper 95CH35852, 1476-1481 (1996). 4.5 G. H. Miley e H. Momota, [referências bibliográficas no original], Fusion Science and Technology, vol. 40, julho (2001). 4.6 H. J. Kim, [referências bibliográficas no original], tese apresentada em cumprimento parcial dos requisitos para o grau de Doutor em Filosofia, Departamento de NPRE, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Illinois (2006). 4.7 T. H. Rider, [referências bibliográficas no original], Phys. Plasmas, vol. 2, n. 6, junho (1995), p. 1853. 4.8 G. H. Miley, John M. DeMora, Brian E. Jurczyk, Martin Nieto, [referências bibliográficas no original], 18th Symposium on Fusion Engineering, (1999), p. 23. Seção V. Aplicações potenciais A aplicação final dos IEC é a produção de energia elétrica. Isso é discutido adiante na Seção VI. A Seção V concentra-se em várias aplicações derivadas ("spin-off") de curto prazo, de fontes de nêutrons/prótons/raios X, e também em aplicações de potência não elétrica, como a propulsão espacial. FONTES DE NÊUTRONS / PRÓTONS / RAIOS X Como visto na discussão até aqui, a principal aplicação do IEC até hoje tem sido como uma pequena fonte portátil de nêutrons para análise por ativação de nêutrons (NAA). Além disso, como tanto as reações D-D quanto D-3He podem ser usadas para a produção de prótons, os IEC também têm sido buscados para a produção de isótopos médicos e de isótopos para exames de PET. No entanto, devido à necessidade de altas intensidades de fonte para competir plenamente nessa área, esse uso ainda está em pesquisa. Outra aplicação nova, observada antes, é o uso do IEC para simular a implantação de D+ e He+ em materiais candidatos à primeira parede de reatores de fusão. Outro uso novo envolve operar o IEC com polaridade invertida, de modo que os elétrons aprisionados produzam raios X moles, [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 46 do documento.]

Nota editorial: Referências da Seção IV e abertura da Seção V (aplicações potenciais): fontes de nêutrons, prótons e raios X, isótopos médicos e implantação em materiais de parede de reator.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPlelA:L liSI: 8,.LY REFERENCES 4.1 W.M. Nevins, Can inertial electrostatic confinement work beyond the ion-ion collisional time scale?" Phys. Plasmas, Vol. 2, No. IO, October (1995) pp. 3804-3819. 4.2 L. Chacon, G. H. Miley, D. C. Barnes, and D. A. Knoll, "Energy gain calculations in Penning fusion systems using a bounce-averaged Fokker- Planck modelz" Phys. of Plasmas, vol. 7, no. 11, (2000) p. 4547. 4.3 T .N. Tiouririne and D. C. Barnes, Optimization of SCIF Fusion Systems", Bull. Am. Phys. Soc., vol. 40 (1995) pp. 1665. 4.4 I.V. Tzonev, J. M. DeMora, G.H. Miley, "Effect of Large Ion Angular Momentum Spread and High Current on Inertial Electrostatic Confinement Potential Structures", Proc. 16th IEEENPSS Symp. On Fusion Engr. (Miley ,and Elliott, eds.) IEEE paper 95CH35852, 1476-1481 (1996). 4.5 G.H. Miley and H. Momota, "Virtual Cathode in a Stationary Spherical Inertia l Electrostatic Confinement", Fusion Science and Technology, Vol. 40, July (2001) . 4.6 H.J. Kim, "Instability Studies on a Spherical Inert ial Electrostatic Confinement", Dissertation, Submitted in partial fulfil lment for the requirements of degree of Doctor of Philosophy, NPRE Department, University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois (2006). 4.7 T.H. Rider, "A general critique of inertial-electrostatic confinement fusion systems", Phys. Plasmas, Vol. 2, No. 6, June (1995) p. 1853. 4.8 G.H. Miley, John M. DeMora, Brian E. Jurczyk, Martin Nieto, "Computational Studies of Collisional Processes in Inertial Electrostatic Glow Discharge Fusion Devices," 18th Symposium on Fusion Engineering, ( 1999) p 23. Section V. Potential Applications The ultimate application for IECs is for electrica l power production . This is discussed further in Section VI. Section V concentrates on various near-term "spin off" applications of neutron/proton/x-ray sources and also non-electrical power applications such as space propulsion . NEUTRON / PROTON/XRAY SOURCES As seen from the discussion to this point, the main application of the IEC to date has been as a small portable neutron source for NAA. In addition, since both D-D and D-3He reactions can be used for proton production, IECs have also been pursed for medial isotope and PET scan isotope production. However, due to the need for high source strengths to fully compete in this arena, that use is still undergoing research. Another novel application noted earlier is the use of the IEC to simulate implantation of D+ and He+in candidate fusion re.actor first wall materials. Yet another novel use involves running the IEC with reverse polarity such that the trapped electrons produce soft x- 46 UNCLASSIFIED/ /5i0A 05i5ilQIAk Wli& 0NLY

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que podem ser extraídos por uma porta especial (exige uma janela fina de Z baixo para a transmissão). Isso pode ser visto como uma fonte de raios X moles em pequena escala para estudos individuais de laboratório, como os feitos em vários grandes laboratórios nacionais, como ANL, BNL e LBL (fontes de luz síncrotron). No entanto, esse uso não avançou muito além dos estudos iniciais de laboratório. A geometria cilíndrica oferece uma configuração singular para aplicações de inspeção de segurança. Para ilustrar isso, consideramos a seguir um projeto proposto para um sistema desse tipo. FONTES INTEGRADAS DE RAIOS X E NÊUTRONS Este sistema integrado de inspeção foi proposto por G. Miley et al. na Referência 5.1. Ele incorpora fontes IEC de nêutrons de 2,5 MeV e de 14 MeV combinadas e uma fonte IEC de raios X. Essas fontes de nêutrons já foram descritas, mas alguns comentários sobre a versão de raios X são oportunos. O IEC cilíndrico, como o esférico, pode ser convertido em uma atraente fonte de raios X ajustável com alteração mínima do aparelho. A operação de raios X envolve inverter as polaridades dos eletrodos e acrescentar emissores de elétrons ao longo da parede do vaso. O gás hidrogênio é usado no lugar do deutério, já que nessa configuração a função principal dos íons do gás é produzir emissão de radiação de frenagem dos elétrons. A emissão intensa se concentra em um pequeno volume em torno do eixo central, devido à alta densidade eletrônica formada ali. O espectro de energia dos raios X resultante tem pico em uma energia equivalente a cerca de dois terços da tensão aplicada. Na estação de inspeção, emprega-se uma tensão em torno de 120 kV para obter raios X de ~80 kV, com alguma distribuição de energias acima e abaixo desse valor médio. A produção de raios X se espalha ao longo do eixo, em uma longa região em forma de linha no IEC, o que dá cobertura de área ampla para a obtenção de imagens, de acordo com a ampla cobertura das fontes IEC de nêutrons acompanhantes. Consequentemente, o conceito básico da unidade integrada de inspeção é combinar fontes IEC de nêutrons e de raios X mais detectores apropriados em um único "pacote". Essa combinação amplia a faixa de elementos que podem ser detectados em uma única varredura e incorpora a imagem por raios X ao arranjo de detectores 3-D para NAA, a fim de obter melhor identificação da forma e da localização de objetos suspeitos em um contêiner. Nos casos em que o objeto é grande demais para permitir boa penetração de raios X, ainda se obtém informação do arranjo de detectores 3-D de NAA. Técnicas de detecção de explosivos nucleares e químicos A maioria dos sistemas de inspeção atuais se concentra na obtenção de imagens por raios X. Essa interrogação se baseia no efeito fotoelétrico ou na imagem por espalhamento Compton (CSI). Ela fornece boa localização e alguma informação geométrica para materiais de Z mais alto. A técnica NAA, incluindo tanto a análise por nêutrons térmicos (TNA) quanto a análise por nêutrons rápidos (FNA), são métodos poderosos para detectar certos tipos de explosivos. Elementos básicos como oxigênio, carbono e cloro presentes nos explosivos podem ser identificados por meio da reação (n, n'γ) iniciada por nêutrons rápidos. Os raios gama produzidos na reação são característicos dos elementos interrogados. Outro elemento básico em muitos explosivos, o nitrogênio, é em geral medido por meio de reações (n, γ) iniciadas por nêutrons térmicos. Podem-se empregar fontes de regime permanente ou pulsadas para a TNA. No entanto, pode-se obter maior sensibilidade com a FNA pulsada (PFNA). Esse método usa uma fonte pulsada de nêutrons de alta energia e diagnósticos de tempo de voo (TOF) para reduzir o efeito de "ruído" resultante de nêutrons e raios X espalhados. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 47 do documento.]

Nota editorial: Fonte integrada de raios X e nêutrons com geometria cilíndrica para inspeção de segurança: princípio, técnicas de detecção por ativação de nêutrons (TNA, FNA, PFNA) e uso para identificar explosivos.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIElIAk WSE OPtklf rays which can be extracted through a special port (requires a thin low-Z window for transmission). This can be viewed as a small scale soft source for individual laboratory studi es such as done at various large scale national laboratories like ANL, BNL, and LBL (synchrotron "light sources"). However, this use has not progressed much past the initial laboratory studies. The cylindrical geometry offers a unique configuration for security inspection applicat ions. To illustrate this we next consider a design proposed for such a system. INTEGRATED X-RAY /NEUTRON SOURCES This integrated inspection system was proposed by G. Miley, et al., in Reference 5.1. It incorporates combined 2.5 - and 14-MeV IEC neutron sources and an IEC x-ray source. Such neutron sources have already been described, but some comments about the x­ ray version are worthwhile . The cylindrical IEC, like t he spherical one, can be converted to an attract ive tunable x- ray source with minimum alteration of the apparatus. X-ray operation involves reversing electrode polarities and adding electron emitters along the vessel wall. Hydrogen gas is substituted for deuterium since in this configuration the main function of gas ions is to provide electron Bremsstrahlung emission. Intense emission is concentrated in a small volume surrounding the central axis due to the high electron density formed there. The resulting x-ray energy spectrum is peaked at an energy equivalent to about two -thirds of the applied voltage. In the inspection station, a voltage around 120 kV is employed to obtain ~80 -kV x-rays with some distribution of energies above and below this mean value. X-ray production is spread along the axis over a long line-like region i n the IEC provid ing broad area coverage for imaging, consistent with the broad coverage of the companion IEC neutron sources. Consequently, the basic concept of the integrated inspection unit is to combine IEC neutron and x-ray sources plus approp riate detectors into a single "package ". This combination expands the range of elements that can be detected during a single scan and incorporates x-ray imaging with the 3-D detector array for NAA to obtain improved identification of the shape and location of suspected objects in a container. In cases where the object is too large to allow good x-ray penetration, information is still obtained from the 3-D NAA detector array. Nuclear and Chemical Explosive Detection Techniques Most current inspection systems concentrate on x-ray imaging. This interrogation relies on the photoelectric effect or Compton Scatter ing Imaging (CSI). It provides good localization and some geometric information for higher Z materials. The NAA technique, including both thermal neutron analysis (TNA) and fast neutron analysis (FNA), are powerful methods for detecting certain types of explosives. Basic elements such as oxygen, carbon, and chlorine present in the explosives can be identified through the (n, n'y) reaction init iated by fast neutrons. The gamma rays produced in the reaction are characterist ic of elements being interrogated. Another basic element in many explosives, nitrogen, is usually measured through (n, y) reactions init iated by thermal neutrons. Either steady -state or pulsed sources can be employed for TNA. However, increased sensitivity can be obtained with pulsed FNA (PFNA). This method uses a pulsed high-energy neutron source and the time-of-flight (TOF) diagnostics to reduce the "noise" effect resulting from scattered neutrons and x-rays. UNCLASSIFIED/ /EAR OFFJCJALt 11ii QrslL¥ 47

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As três técnicas de detecção mostradas na Tabela 5.1 já foram usadas independentemente em unidades de inspeção. A unidade integrada atual faz uso das três simultaneamente. Assim, os pontos fortes de cada dispositivo se combinam para dar uma cobertura geral consistente de elementos/objetos. Tabela 5.1. Três tipos de técnicas usadas anteriormente em sistemas de detecção de explosivos Aqui, TNA e FNA representam ativação por nêutrons térmicos e rápidos, respectivamente. | | TNA | FNA | Raios X | | Identificação de elementos | | | Densidade de elementos | | Nitrogênio | Alta | Média | - | | Carbono | Muito baixa | Muito alta | - | | Oxigênio | NA | Alta | - | | Hidrogênio | Muito alta | Alta | - | | Cloro | Muito alta | Alta | - | | Razão C/O | NA | Alta | - | | Ruído de fundo | Alto | Baixo | NA | | Imagem: geometria e informação de localização | Limitada | A FNA pulsada fornece informação de profundidade | Alta resolução | | Aplicação | Mala pequena | Da mala à carga | Da mala à carga; não serve para objetos de plástico | | Configuração | Complicada | Complicada | Simples | | Custo de operação e manutenção | Alto | Alto | Baixo | O sistema IEC integrado emprega uma combinação de métodos PFNA/TNA e técnicas convencionais de raios X para coletar informação elementar, bem como uma imagem 3-D de quaisquer objetos suspeitos. Os nêutrons de 14,1 MeV da reação D-T serão a fonte primária para a FNA por TOF, enquanto os nêutrons termalizados de um bloco de plástico termalizador de nêutrons à frente do IEC D-D de 2,45 MeV serão usados para a TNA. Essa combinação aumentará a resolução espacial e reduzirá significativamente a taxa de alarmes falsos a um nível baixo, em comparação com os métodos convencionais, que empregam fontes únicas e são limitados em produção por falta de fontes de área ampla. Visão geral dos artigos de simulação de armas/material nuclear As três categorias de itens a seguir fornecem uma visão geral de artigos de interesse para detecção em estações de inspeção. A. Explosivos com altas densidades elementares de O e N e baixas de C e H são listados a seguir, com tamanhos de 8 x 8 x 8 cm³ a 20 x 20 x 20 cm³. - RDX (ciclonita, C3H6N6O6), com ρ = 1,83 g/cm³. - TNT (trinitrotolueno, C7H5N3O6), com ρ = 1,654 g/cm³. - PETN (pentrita, C5H8N4O12), com ρ = 1,773 g/cm³. - TATB (triaminotrinitrobenzeno, C6H6N6O6), com ρ = 1,93 g/cm³. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 48 do documento.]

Nota editorial: Tabela 5.1 comparando as técnicas TNA, FNA e raios X na detecção de explosivos, o sistema integrado e a lista de explosivos usados como objetos de simulação.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPICllct tt!I!! 9HLY The three detection techn iques shown in Table 5.1 have previously been used independently in inspection units. The present integrated unit makes use of all three simultaneous ly. Thus, the strengths of each device combine to provide consistent overall coverage of elements/objects. Table 5.1. Three Kinds of Techniques Previously Used in Explosives Detection System Here,, TNA and FNA represent thermal and fast neutron activation respectiv,elv X-ray Element I dentification TNA FNA Eleme nt Den sity Nitrogen High Mediu m - Very High Very Low Carbon - Oxygen 1-ligh NA - Hydrogen Very High High - Very High High Chlorine - C/0 Ratio High NA - Backgro und Noise Hi gh Low NA Pul sed FNA Imaging: geometry & localization Limited provides depth High resolutioninti rmali n information Su itca I carg ,uitca etApplication Small suitcase not good for cargo plastics objects Confi guratio n SimpleComplicated Complicat ed Operation & Maintenance Cost Hi gh High Low The integrated IEC system employs a combination of PFNA/TNA methods and conventional x-ray techniques to collect elemental information as wel l as a 3-D imaging of any suspected objects. The 14.1-MeV neutrons from the D-T reaction will be the primary source for TOF FNA wh ile thermalized neutrons from a block of neutron thermalizing plastic in front of the 2.45-MeV DD IEC will be used for TNA. This combination will increase spatial resolution and significantly reduce the false allarm rate to a low level compared to conventional methods which employ single sources and are limited to yield due to lack of broad area sources. Overview for Weapons/Nuclear Material Simulation Articles The following three categories of items provide a overview of articles of interest for detection in inspection stations. A. Explosives which are of high O and N, low C and H elementa l densities are listed below with sizes ranging from 8 x 8 x 8 cm3 to 20 x 20 x 20 cm3 . • RDX (Cyclonite , C3HGNGO6) with p = 1.83 g/cm 3. • TNT(Trinitrotoluene, C7HsNJO6) with p = 1.654 g/cm 3 . • PETN(Penthrite, CsHsN4O1 2) with p = 1.773 g/cm 3. • TATB(Triaminotrinitrobenzene, CGHGNGOG) with p = 1.93 g/cm 3• UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFl€i1Ak W&lii 0NkY 48

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TRECHO 56 · PÁGINA FÍSICA 56

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- Tetril (nitramina, C7H5N5O8), com ρ = 1,93 g/cm³. - Mina terrestre: inclui explosivos plásticos, como o Semtex, feito de RDX e PETN, e o C-4, feito de RDX. B. Materiais nucleares, como urânio natural (U-238) e urânio de grau militar enriquecido (U-235). Os testes podem ser feitos com este urânio natural, que pode ser obtido sem restrições especiais. C. Drogas como a cocaína (C17H21NO4) e a heroína (C21H23NO5) têm altas densidades de C e H, baixa de O e baixa a média de Cl. D. Artigos comuns, como álcool etílico/vinho (C2H6O), com ρ = 0,789 g/cm³, roupas como seda (C3H11N3O6), com ρ = 0,789 g/cm³, e náilon (C6H11NO), com ρ = 1,1 g/cm³, e utensílios de metal, inclusive facas. A lista fornece um guia para o uso de artigos em testes de simulação na estação de inspeção IEC. Felizmente, a combinação de fontes na estação integrada dá boa cobertura dessa ampla variedade de itens. As unidades convencionais de fonte única sofrem "lacunas" de cobertura. Energia pulsada para a estação de inspeção Materiais e métodos avançados são usados em seu projeto para minimizar peso e tamanho. Isso estende o uso de unidades estacionárias (por exemplo, em aeroportos) a plataformas móveis, como vans, veículos de forças de segurança ou caminhões militares leves. A Figura 5.1 mostra um diagrama de blocos dos circuitos de controle de energia. Figura 5.1. Diagrama de blocos do sistema de energia pulsada do IEC A energia é tomada do sistema elétrico da plataforma e pode ser de 12 a 48 VCC ou de 120 VCA monofásica. A fonte de alta tensão é um inversor de modo chaveado de estado sólido seguido de um circuito multiplicador de tensão, que eleva a tensão em etapas por uma série de capacitores alimentados por diodos de alta tensão. A unidade de armazenamento de energia é composta de segmentos de capacitores de alta tensão com baixa indutância e resistência em série. O banco de capacitores é carregado e descarregado na taxa de repetição de pulsos. As seções de capacitores sob medida são projetadas para suportar o esforço mecânico causado pelos ciclos rápidos de carga/descarga. A tensão nominal do banco de capacitores é de 120 kV na saída plena de potência de pulso. Um centelhador disparado é usado para comutar rapidamente um pulso de corrente de alta energia do banco de capacitores, para modular por pulsos o magnetron. O centelhador disparado é um projeto composto de centelhador de três elementos. O arco é mantido até que o banco de capacitores [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 49 do documento.]

Nota editorial: Continuação da lista de materiais de teste (explosivos, materiais nucleares, drogas e objetos comuns) e início da descrição da alimentação elétrica pulsada da estação de inspeção.

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UNCLASSIFIED/ /fOR Offl@IAL ~SE 8,.Llf • Tetryl (Nitramine, C7HsNsOs) with p = 1.93 g/cm 3. • Landmine - includes plastic explosives, such as Semtex, which is made of ROX and PETN, and C-4, which is made of ROX. B. Nuclear Materials such as natural uranium (U-238) and weapon grade with enriched (U-235). Testing can be done with this natural uranium which can be obtained without special restrictions. C. Drugs like Cocaine (C17H21 NO4) and Heroin ( C21H23NOs ) are of high in C and H, low in O and low-medium Cl densities . O. Common articles such as ethanol alcohol/wine (C2H5Q) with p = 0.789 g/cm3, clothes like silk (C3H11N3Q5) w ith p = 0.789 g/cm3, and nylon (C5H11 NO) with p = 1.1 g/cm3, and metal utensils, including knives. The list provides a guide for use of articles for simulation testing in the IEC inspection station. Fortunately, the combination of sources in the integrated station provides good coverage of this wide variety of items. Conventional single source units suffer " gaps" in coverage. Pulsed Power for the Inspection Station Advanced materials and methods are used in its design to minimize weight and size. This extends use of stat ionary units (e.g. at airports) to mobile platforms such as vans, law enforcement vehicles or light military trucks . Figure 5.1 shows a block diagram of the power control circuits . Figure 5.1. Block Diagram of the IEC Pulsed Power System The power is taken from the platform power system and can be either 12-48 VOC or single phase 120 VAC. The high voltage power supply is a solid-state switch-mode inverter followed by a voltage multiplier circuit that incrementally steps the voltage up a series of capacitors fed by high voltage diodes. The energy storage unit is composed of high voltage capacitor segments with a low series inductance and resistance. The capacitor bank is charged and discharged at the pulse repetition rate. The custom capacitor sections are engineered to withstand the mechanical stress caused by rapid charge/discharge cycling. The nominal capacitor bank voltage is 120 kV at full pulse power output. A triggered spark gap is used to switch rapidly a high-energy pulse of current from the capacitor bank to pulse modulate the magnetron. The triggered gap is a compound three -element spark gap design. The arc is sustained until the capacitor UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk W&E 8PtkY 49

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TRECHO 57 · PÁGINA FÍSICA 57

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se descarregue. O formador de pulsos é uma linha indutiva com derivações, cada uma terminada por uma rede formadora de pulsos (PFN). Cada derivação realiza uma função de filtragem para uma função de Fourier discreta ou faixa de frequências, o que resulta em subida e descida de pulso mais suaves e uniformes e também fornece um casamento de impedância de carga mais constante, já que o tubo IEC tem alta impedância de entrada. Isso ajuda o acoplamento direto de energia ao IEC, minimizando as ondas estacionárias inversas ou refletidas geradas pela descontinuidade dinâmica de impedância apresentada pelo centelhador e pelo caminho do circuito do catodo ao anodo. A PFN serve, na prática, como um transformador acoplado por pulsos, com baixa impedância de entrada e alta impedância de saída para acionar o tubo IEC. Os componentes da PFN são comuns e comercialmente disponíveis. O disparo do centelhador é ativado por um IGBT (transistor bipolar de porta isolada) acionado pelos circuitos de controle de energia. Um circuito temporizador multivibrador estável é reiniciado cada vez que o centelhador dispara, por um circuito de fototransistor rápido que detecta os fótons gerados pela centelha. Isso é acoplado por um guia de ondas de luz ou fibra óptica, para dar isolamento de alta tensão entre os circuitos de controle de estado sólido e as seções de alta tensão. Esse sinal opticamente isolado é entrada para o processamento de sinais, a fim de dar medições de tempo de voo. Um seletor de faixa por potenciômetro digital ou manual controla o atraso, aumentando ou diminuindo a resistência em uma rede RC. Quando o capacitor dessa rede se carrega até um limiar nominal de tensão, o circuito temporizador muda seu estado lógico e liga a porta do IGBT de disparo do centelhador, o que inicia o arco do centelhador. Essa rampa do período RC é um análogo da rampa de carga do capacitor de armazenamento de energia, que também começa depois que ocorre o arco principal e drena o reservatório de energia. Quanto maior o tempo de carga, maior a carga no banco de capacitores de armazenamento de energia e maior a tensão quando o pulso seguinte é iniciado. A tensão aplicada ao tubo IEC é assim variada em uma faixa nominal de 40 por cento. A tensão de pico de saída pode, portanto, ser variada em uma faixa de 50 kV a 120 kV. Há uma relação recíproca entre a frequência de repetição dos pulsos e a potência de pico do pulso de saída. Projeto do sistema integrado completo de interrogação O sistema integrado é ilustrado conceitualmente na Figura 5.2. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 50 do documento.]

Nota editorial: Descrição do formador de pulsos, do disparo isolado por fibra óptica e do ajuste da tensão aplicada ao tubo IEC; introdução ao desenho do sistema integrado de interrogação.

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UNCLASSIFIED/ )FOR OFFI&IAk W&E 8Ptklf bank discharges. The pulse shaper is a tapped inductive line with each tap terminated by a pulse-forming network (PFN). Each tap performs a filtering function for a discrete Fourier function or band of frequencies, which results in a smoother, and more uniform pulse rise and fall, and also provides more constant load impedance matching, as the IEC tube has high input impedance. This aids in the forward coupling of energy into the IEC by minimizing backward or reflected standing waves generated by the dynamic impedance discontinuity presented by the spark gap and the cathode to anode circuit path. The PFN, in effect, serves as a pulsed coupled transformer with a low input impedance and a high output impedance to drive the IEC tube. Components for the PFN are off-the-shelf and commercially available. The spark gap trigger is activated by an IGBT (isolated fate bipolar transistor) driven by the power control circuits. A stable multivibrator timer circuit is reset each time the spark gap is fired by a fast phototransistor circuit that detects spark-generated photons. This is coupled by a light wave-guide or optical fiber to provide high voltage isolation between the solid-state control circuits and the high voltage sections. This optically isolated signal is input to signal processing to give time of flight measurements. A digital or manual potentiometer range selector controls the time delay by increasing or decreasing the resistance in an RC network. When the capacitor in this network charges to a nominal voltage threshold, the timer circuit changes its logic state and drives the gate of the spark gap trigger IGBT on, and this initiates the spark gap arc. This RC time period ramp is an analog of the energy storage capacitor charging ramp, which also begins after the main arc occurs and drains the energy store. The longer the charge time, the higher the charge in the energy storage capacitor bank and the higher the voltage is when the next pulse is initiated. The voltage applied to the IEC tube is thus varied over a nominal 40 percent range. The peak output voltage can therefore be varied over a range of 50 kV to 120kV. There is a reciprocal relationship between the pulse repetition frequency and the output pulse peak power. Design of the Total Integrated Inte rrogation System The integrated system is illustrated conceptually in Figure 5.2. UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk Wli& ,nu,¥ 50

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TRECHO 58 · PÁGINA FÍSICA 58

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[Figura 5.2, esquema visto de cima: IEC D-D para TNA; IEC D-T para PFNA/FNA; IEC para raios X; matriz de detectores; bagagem sobre esteira.] Figura 5.2. Esquema (vista de cima) de um sistema IEC de inspeção de ampla cobertura para inspeção de bagagens Esta unidade emprega duas fontes de nêutrons de área ampla para fornecer cobertura de nêutrons tanto de 14,1 MeV quanto de 2,45 MeV. A fonte de radiação de frenagem do IEC fornece raios X de 80 kV de área ampla. Uma matriz de detectores de raios gama e X é fornecida para a análise simultânea de raios X, usando um sistema de inteligência artificial de lógica fuzzy para interpretar os sinais combinados. Na estação de inspeção, mostrada na Figura 5.2, típica de estações de inspeção de bagagens de aeroportos, os objetos interrogados passam entre as fontes e a matriz de detectores em uma esteira. Para máxima eficiência, uma esteira duplicada e uma matriz de detectores (não mostradas na Figura 5.2) seriam colocadas no lado esquerdo das fontes IEC. Em outros casos, como a descarga de contêineres de um navio, o sistema de detectores poderia ser suspenso ao longo do lado da embarcação, com os contêineres sendo baixados dos conveses superiores para os vagões de trem ou caminhões de carga que aguardam (ver Figuras 5.3 e 5.4 e a discussão relacionada). O desafio desses sistemas é que o tempo de descarga é curto e o contêiner é grande e espesso. O presente sistema, com sua ampla cobertura de múltiplos IEC e sua tecnologia de análise fuzzy rápida, foi projetado para superar essas questões. Além disso, os sistemas convencionais do tipo acelerador, que são candidatos a esse uso, são prejudicados por tamanho e custo. Assim, não receberam uso amplo em portos marítimos. A maior precisão e o menor custo do presente sistema devem permitir o uso amplo. Isso fecharia uma lacuna vital na segurança de cargas em portos marítimos e aeroportos, que tem sido amplamente citada por críticos do tratamento atual da segurança portuária. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 51 do documento.]

Nota editorial: Figura 5.2 e texto sobre a estação de inspeção de bagagens e contêineres com fontes de nêutrons e raios X combinadas, esteira e matriz de detectores; as vantagens de custo e precisão são afirmações do projeto.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPICllct tt!I!! 9HLY D-0 IEC for T A 0-T IEC for PFNA/FNA I C for x- y - -c:CJ D ctor Arr y Luggag Top View Figure 5.2. Schematic (view from top) of a broad coverage IEC inspection System for luggage inspection This unit employs two broad area neutron sources to provide both 14.1-MeV and 2.45- MeV neutron coverage . The IEC Bremsstrahlung source provides broad area 80 kV x­ rays. An array of gamma and x-ray detectors is provided for simultaneous x-ray analysis using a fuzzy logic artificial intelligence system to interpret the combined signals. In the inspection station, shown in Figure 5.2, typical of airport luggage inspection stations, objects being interrogated pass between sources and detection array on a conveyor belt. For maximum efficiency a duplicate conveyor belt and detection array (not shown in Figure 5.2) would be placed on the left hand side of the IEC sources. For other cases, such as unloading container from a ship the detectors system might be suspended along t he side of the vessel with containe rs as they are lowered from the upper decks to the waiting cargo train cars or trucks (see Figures 5.3 and 5.4 and related discussion). The challenge in these systems is that the unload ing time is short and the container is large and thick. The present system with its mult i-lEC broad coverage and fast fuzzy analysis technology is designed to overcome these issues. Further, conventional accelerator type systems that are candidates for such use are hampered by size and cost . Thus, they have not received wide use in sea ports. The increased accuracy and reduced cost of the present system should enable wide use. This would close a vital gap in our seaport/airport cargo security that has been widely cited by critics of the present handling of port security . UNCLASSIFIED/ ,CFOA OFFIQIAk Wliii 01\lk¥ 51

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TRECHO 59 · PÁGINA FÍSICA 59

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Matriz de detectores e sistema de análise A qualidade final da imagem é determinada pela produção de nêutrons da fonte integrada sobre a área de cobertura, pelo número de detectores, pela configuração dos detectores, pelo tamanho do feixe colimado, pelo tempo de aquisição e por outros parâmetros relacionados à varredura. Cintiladores como NaI, CsI e BGO, bem como NaI(Tl) plástico, são candidatos a detectores de raios gama e X. Devido ao seu pequeno tamanho, eles podem ser usados em uma grande matriz junto com espectrometria TOF para fornecer informação espacial detalhada. Recentemente, a equipe da UIUC estudou o uso de um detector espesso avançado de HgI2, que parece particularmente vantajoso para essa aplicação. O HgI2 é um material semicondutor de temperatura ambiente, com excelente poder de freamento e uma fração fotoelétrica relativamente grande para detectar raios gama de alta energia. Supondo um desenvolvimento bem-sucedido, os detectores de HgI2 dariam desempenho superior à matriz. Com as fontes combinadas, a matriz de detectores recebe uma vasta quantidade de informação em um curto tempo de varredura. Para tratar esse fluxo de dados da forma mais eficiente, emprega-se um sistema de lógica fuzzy. O desenvolvimento desse sistema avançado de lógica fuzzy segue o modelo de uma metodologia desenvolvida para o diagnóstico de situações anormais na análise de segurança de reatores nucleares. A caixa de conhecimento emprega uma árvore de objetivos (e/ou árvore de decisão) para a representação. Esse sistema usará regras baseadas em aprendizado, que evoluem de extensos testes de simulação, para fornecer treinamento sobre a ocorrência simultânea de elementos específicos e de formas de objetos embutidos. Ele também aprenderá a diferenciar dados positivos e negativos criando regras a partir dessas execuções de teste. Seriam empregados os materiais listados antes na discussão do estudo de simulação. A vantagem desse sistema é dupla. A análise de varredura de área ampla é otimizada para o rápido fluxo de objetos, enquanto a identificação múltipla por nêutrons/raios X reduz a probabilidade de identificação falsa. O sistema de lógica fuzzy liberará o item integrado ou soará um alerta (objeto suspeito no contêiner) automaticamente, sem envolvimento humano. Os humanos só serão envolvidos quando um alerta soar. Um alerta ocorre para uma faixa que vai da identificação positiva de materiais até a identificação suspeita. O conceito de matriz de detectores de múltiplas fontes foi projetado para minimizar os itens que caem na categoria "intermediária" entre a identificação positiva e a liberação. O conceito geral descrito aqui é ilustrado para uma varredura de bagagem de avião na Figura 5.3. Os dados do sistema de detecção (TNA, PFNA e raios X) são processados pelo sistema de lógica fuzzy. Se o item inspecionado passar nesse teste, ele segue seu caminho até a esteira de restituição de bagagens. Se um alerta soar, o item pode passar pela máquina para uma segunda varredura ou ser inspecionado manualmente, conforme o nível de confiança do alerta. Como o sistema integrado é modular, os componentes básicos podem ser facilmente montados em várias configurações para uso em instalações diferentes. Um exemplo é a extensão à inspeção de navios de contêineres sendo descarregados no porto, como ilustrado na Figura 5.4. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 52 do documento.]

Nota editorial: Matriz de detectores e sistema de análise por lógica fuzzy treinado por simulações; fluxo de decisão (passagem, nova varredura ou inspeção manual) e modularidade do sistema.

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UNCLASSIFIED/ /fiOR OfiFl£1.t.k Wli& 8PtLY Detector Array and Analysis System The final imaging quality is determined by neutron source yield integrated over the area of coverage by the number of detectors, the detector configuration, the collimated beam size, the acquisition time, and other scan-related parameters . Scintillators such as Nal, Csl, and BGO as well as Plastic Nal (Tl) are candidates for gamma and x-ray detectors. Due to their small size, they can be used in a large array along with TOF spectrometry to provide detailed special information. Recently, UIUC staff has studied use of an advanced thick Hgb detector which appears to be particularly advantageous for this application. Hgb is a room temperature semiconductor material with an excellent stopping power and a relatively large photo-fraction for detecting high energy gamma rays. Assuming successful development, Hgb detectors would provide superior array performance. With the combined sources, the detector array receives a vast amount of information in a short scan time. To handle this flow of data most efficiently, a fuzzy logic system is employed. The development of this advanced fuzzy !logic system is patterned after a methodology developed for the diagnosis of abnormal situations in nuclear reactor safety analysis. The knowledge box employs a goal tree (and/or decision tree) for representation. This system will use learning -based rules that evolve from extensive simulation tests to provide training about the simultaneous occurrence of specific elements and embedded object shapes. It will also learn to differentiate between positive and negative data by creating rules from these test runs. Materials listed early in the simulation study discussion would be employed. The advantage of this system is twofold . The broad area scan analysis is optimized for fast through-put of objects while the multiple neutron/x-ray identification reduces the probability of false identification. The fuzzy logic system will pass the integrated item or sound an alert (suspicious object in the container) automatically without human involvement. Humans will only be involved when an alert is sounded. An alert occurs for a range of positive identification of materials on to suspected identification . The multiple source detector array concept is designed to minimize items that fall into the category of "in-between" positive identification and clearance. The overall concept described here is illustrated for an airplane luggage scan in Figure 5.3. Data from the detection system (TNA, PFNA and x-ray) is processed through fuzzy logic system. If the item undergoing inspection passes this test, it continues on its way to baggage claim . If an alert is sounded, the item can either be passed through the machine for a second scan or be manually inspected, depending on the confidence level of the alert. Since the integrated system is modular, the basic components can easily be assembled in a variety of configurations for use at different facilities. An example is the extension to inspection of container ships being unloaded in port as illustrated in Figure 5.4. UNCLASSIFIED/ /fiOA QFFI&IAL WBE 8HLY 52

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TRECHO 60 · PÁGINA FÍSICA 60

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[Figura 5.3, vistas lateral e superior: geradores de nêutrons/raios X em série (RC-IEC), matriz de detectores, unidade de controle de lógica fuzzy, imagem 3D e alarme.] Figura 5.3. Outra ilustração do sistema integrado para inspeção de bagagens de aeroporto. Se desejado, uma segunda esteira e matriz de detectores poderiam ser colocadas acima das unidades IEC para aumentar a capacidade. [Figura 5.4, ilustração com matriz de detectores junto a um navio de contêineres.] Figura 5.4. Outra ilustração do sistema integrado para inspeção de contêineres de navio Este exemplo de estação de inspeção IEC dá alguma percepção da flexibilidade oferecida pelos dispositivos IEC para a adaptação a uma variedade de aplicações do tipo NAA. A seguir passamos [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 53 do documento.]

Nota editorial: Figuras 5.3 e 5.4: ilustrações do sistema integrado de inspeção IEC para bagagens de aeroporto e para contêineres de navio.

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UNCLASSIFIED/ /POK Offl@IAL WS& 8PU:¥ RC-IEC S rles ( eutron/Jc-ray Generators) .· Side View ------ • D Detector Array Signal 30 lmaglngFuzzy logic Control Unit &Alanning Top View Figure 5.3. Further Illustration of the Integrated System for Airport Luggage Inspection. If desired, a second belt and detector array co1Uld be located above the IEC units to provide Increased capacity . Detector Array Figure 5.4. Further Illustration of the Integrated System for Ship Container Inspection This example of a IEC inspection station provides some insight into the flexibility offere d by IEC devices for adaptation to a var iety of NAA-type applicat ions. We next UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI'»IAk Wlili Ql'lk¥ 53

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TRECHO 61 · PÁGINA FÍSICA 61

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para operações IEC de alta potência que não são elétricas. A propulsão no espaço profundo é usada como exemplo. PROPULSÃO ESPACIAL O IEC pode ser usado tanto em propulsores acionados eletricamente de curto prazo, para operações de satélites (usando o modo a jato discutido antes), quanto para propulsão de espaço profundo movida a fusão. Esta última é ilustrada na Referência 5.3, na qual se utilizou um reator de D-3He. Esse conceito de projeto é resumido brevemente aqui. [Imagem: representação gráfica da nave sobre fundo estrelado.] Figura 5.5. Imagem de uma nave espacial Fusion II, uma espaçonave tripulada de 750 MWe movida a fusão IEC, com propulsão por propulsores de íons A espaçonave IEC "Fusion Ship II" é mostrada nas Figuras 5.5 e 5.6. (Nota: a Fusion Ship II representa uma atualização para alta potência de um projeto anterior chamado "Fusion Ship I".) O comprimento total da espaçonave é de 300 metros e a massa inicial no começo da missão é de 500 toneladas métricas. A tripulação e a aviônica/computadores ficam no compartimento central, na extremidade dianteira do veículo. O compartimento da tripulação usa uma câmara de 12 m de diâmetro e poderia conter uma centrífuga rotativa para sono e exercício. Uma antena orientável localizada no lado desse módulo fornece comunicação. Dois conjuntos gêmeos de 175 metros de comprimento, cada um composto de 5 reatores IEC esféricos de D-3He e conversores de energia direta de onda viajante (TWDEC), geram 1394 MW de fluxo de prótons de 14,7 MeV e 469 MW de calor térmico, que é convertido em 1197 MWe de energia elétrica de RF. Então 242 MW da energia elétrica são recirculados para operar os reatores, enquanto 750 MWe são usados para acionar propulsores de íons e o restante da energia é rejeitado como calor residual. Um sistema de recirculação e separação de combustível de fusão opera continuamente para remover o produto de fusão 4He dos reagentes D-3He. Qualquer combustível não queimado é coletado pelos conversores de energia TWDEC e recirculado de volta aos reatores IEC. Isso conserva o [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 54 do documento.]

Nota editorial: Início da seção sobre propulsão espacial: o conceito de espaçonave "Fusion Ship II", com reatores IEC de D-3He e conversão direta de energia, apresentado como projeto conceitual.

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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPICIAL t,!I! or•t I move to high power IEC operations which are non-electrical. Deep space propulsion is used as an example. SPACE PROPULSION The IEC can be used for both near-term electrically driven thrusters for satellite operations (using the jet mode discussed earlier) and for fusion-powered deep space propulsion. The latter is illustrated in Reference 5.3 where a D-3He reactor was utilized . This design concept is briefly summar ized here. Figure S.S. Image of a Fusion II Spaceship, a 7S0-MWe IEC Fusion-Powered Manned Spacecraft With Ion Thruster Propulsion The IEC Spaceship "Fusion Ship II" is shown in Figures 5.5 and 5.6. (Note: Fusion Ship II represents an upgrade to high power of an earlier design termed "Fusion Ship I"). The overall spaceship length is 300 meters and the initial mass at mission start is 500 metr ic tons. Crew and avionics/computers are located in the central compartment at the forward end of the veh icle. The crew compartment uses 12-m diameter chamber and could contain a rotating centrifuge for sleep and exercise. A steerable antenna located on the side of this module provides communication. Twin 175-meter long assemblies, comprised of 5 D-3He spherical IEC reactors and Traveling Wave Direct Energy Converters (TWDECs) each, generate 1394 MW of 14.7- MeV proton flux and 469-MW of thermal heat which is converted to 1197 MWe of RF electric power. 242 MW of the electrical power, then, re-circulates to run the reactors while 750 MWe is used to drive ion thrusters while the remainder of the energy is rejected as waste heat. A fusion fuel re-circulat ion and separation system is operated continuously to remove the fusion product 4 He from the D-3He reactants. Any unburned fuel is collected via the TWDEC energy convertors and recirculated back to the IEC reactors. This conserves the UNCLASSIFIED/ /FOR 8ffIOIAk WSE 8Nk\f 54

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TRECHO 62 · PÁGINA FÍSICA 62

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[Figura 5.6. Esquema em escala da Fusion Ship II, uma espaçonave de fusão IEC de 750 MWe] combustíveis valiosos, especialmente o 3He. Os propulsores de íons funcionam com propelente de argônio, com impulso específico de 35.000 s e eficiência de 90 por cento. O empuxo produzido é de 4370 Newtons, provavelmente uma aceleração inicial de 0,0087 m/s². Um tempo típico de viagem para uma missão de ida e volta a Júpiter é de 210 dias na ida e 153 dias na volta. Isso é comparável ou mais rápido do que o previsto em estudos anteriores de fusão. Visão geral da massa A massa inicial da espaçonave no começo da missão é de 500 toneladas métricas; 222 toneladas métricas são o propelente de argônio necessário para uma viagem de ida e volta a Júpiter com ΔV de 220 km/s. O reator IEC, os conversores de energia direta e os propulsores de íons contribuem com 178 toneladas métricas. As 100 toneladas métricas restantes incluem 20 toneladas métricas para as áreas da tripulação, 15 toneladas métricas para a eletrônica/computadores, 20 toneladas métricas para alimentos e suporte de vida, 15 toneladas para a blindagem da tripulação e 1,2 tonelada métrica para a antena. A inclusão de uma contingência de 30 por cento da massa seca acrescenta 60 toneladas métricas e dá um "fator de segurança" de 30 dias ao tempo de voo da viagem de ida e volta. Os fatores humanos não foram plenamente avaliados neste projeto, mas considera-se que são aceitáveis com o curto tempo de missão obtido. A Fusion Ship II seria um dos maiores veículos propulsados já construídos, embora sua massa fosse 1/4 da do Ônibus Espacial na decolagem. A Tabela 5.2 compara os projetos IEC Fusion Ship I e II com um conceito baseado em um reator Tokamak esférico "avançado", "ampliado" a partir do experimento de Tokamak esférico do Laboratório de Física de Plasmas de Princeton, conforme relatado em um estudo do Laboratório NASA-GLENN em 2001. O Tokamak tem um tempo de viagem mais curto por empregar um nível de potência seis vezes maior que o das unidades IEC. Além disso, ele é projetado para uso de D-T (o D-3He é difícil de queimar em tais Tokamaks), mas as questões de manuseio de trítio, dano por radiação e radioatividade não são tratadas. Assim, se o IEC e o Tokamak fossem comparados na mesma base operacional (isto é, mesmos combustíveis e níveis de potência), o IEC mostraria claramente uma vantagem distinta. Note-se que isso vale mesmo com o Tokamak usando um projeto conceitual muito "avançado", bem além do alcance da tecnologia do ITER (originalmente Reator Experimental Termonuclear Internacional). [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 55 do documento.]

Nota editorial: Fim da descrição do conceito Fusion Ship II (propulsor, massas, tempo de viagem a Júpiter) e comparação com um projeto baseado em Tokamak esférico, tudo como projeto conceitual.

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Figure 5.6. Scale Schematic of Fusion Ship II, a 750-MWe IEC Fusion Spacecraft UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&iIAk Wli& ONkY valuable fuels, especially t he 3 He. The ion thrusters run on Argon propellant at a specific impulse of 35,000 sec and an efficiency of 90 percent. The thrust is produced 4370 Newtons, probably an initia l acceleration of .0087 m/s 2. A typical trip time for an out-and-back mission to Jupiter is 210 days out and 153 days to return. This is comparable to or faster than that predicted in prior fusion studies. B • vi w The initial spaceship mass at mission is 500 metric tons start; 222 metric tons are the Argon propellant needed for a Jupiter round trip with /:::,,.V of 220 km/s. The IEC reactor, direct energy converters and ion thrusters contribute 178 metric tons. The remaining 100 metric tons includes 20 metric tons for the crew areas, 15 metric tons for the electronics/computers, 20 metric tons for food and life support, 15 tons for crew shielding and 1.2 metric tons for the antenna. Inclusion of a contingency of 30 percent of the dry mass adds 60 metric tons and provides a 30-day "safety factor" to the round trip flight time. Human factors have not been fully evaluated in this design, but are thought to be acceptable with the short mission time achieved. Fusion Ship II would be one of the largest propelled vehicles ever built, although its mass would be ¼ that of the Space Shuttle at liftoff. Table 5.2 compares IEC Fusion Ship I and II designs with a concept based on an "advanced" spherical Tokamak reactor "scaled up" from the spherical Tokamak experiment at Princeton's Plasma Physics Laboratory as reported in an NASA-GLENN Laboratory study in 2001. The Tokama k has a shorter trip time by employing a power level that is six times the IEC units. Further, it is designed for D-T use (D- 3He is difficult to burn in such Tokomaks), but tritium handling, radiation damage, and radioactivity Issues are not addressed. Thus, if the IEC and Tokamak were compared on the same operational basis (i.e., same fuels and power levels), the IEC would clearly show a distinct advantage. Note that this is even true with the Tokamak using a very "advanced" conceptual design well beyond reach of ITER (originally International Thermonuclear Experimental Reactor) technology. UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIEiIAk lel&& 0Nk¥ 55

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TRECHO 63 · PÁGINA FÍSICA 63

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Tabela 5.2. Comparação entre o projeto IEC e o projeto de fusão magnética | | Fusion Ship I | Fusion Ship II | Tokamak esférico | | Massa total (toneladas métricas) | 500 | 500 | 1690 | | Comprimento total (m) | 174 | 300 | 240 | | Número de tripulantes | 10 | 10 | 6-12 | | Potência de empuxo (MW) | 86 | 750 | 4830 | | Ganho do reator | 4 | 9 | 73 | | Potência do reator (MW) | 296 | 2178 | 7895 | | Sistema de empuxo | Íons de criptônio | Íons de argônio | H2, bocal magnético | | Impulso específico (s) | 16.000 | 35.000 | 35.435 | | Tempo de viagem a Júpiter, só ida (dias) | 400 | 210 | 118 | O projeto da Space Ship II usa reatores IEC "acoplados", que usam canais magnéticos de guia. Esse conceito, chamado de arranjo IEC esférico canalizado magneticamente (MCSA), é discutido brevemente a seguir (Referência 5.3). CONCEITO DE ARRANJO IEC ESFÉRICO CANALIZADO MAGNETICAMENTE (MCSA) O conceito de arranjo IEC esférico canalizado magneticamente (MCSA), para uma configuração híbrida de IEC esférico com assistência magnética, mantém a configuração básica de reator IEC com injeção de íons, mas acrescenta canais magnéticos para o acoplamento do plasma de exaustão e dos produtos de reação. O MCSA é ilustrado conceitualmente na Figura 5.7. O SIEC é confinado em uma configuração de campo hexapolar, bastante diferente do campo hexapolar usado no Polywell de R. W. Bussard. Ele fica, por sua vez, em um canal de campo (campo Bz) criado por uma coluna de bobinas de Helmholtz. As intensidades de campo desses conjuntos de bobinas são ajustadas de modo que os campos se anulem no centro do IEC, dando uma região de campo nulo maior que a de um campo confinado por cúspide. A configuração MCSA mantém a vantagem da estabilidade devido à boa curvatura de campo obtida em uma cúspide. Além disso, ela também fecha efetivamente o cone de perdas "do cinturão". Como mostrado adiante, o vazamento nessa direção é conduzido em torno das bobinas hexapolares e de volta à região de confinamento, aqui chamado de "recirculação". As perdas incluem o espalhamento para o cone de perdas do fuso ao longo do eixo z e o espalhamento estocástico devido à violação da invariância adiabática na região de campo nulo. No entanto, com a presente configuração de canais, as perdas axiais de uma configuração IEC entram em uma unidade vizinha. Assim, ao passarem pela região de campo nulo nessa unidade, o espalhamento estocástico leva ao "reaprisionamento" de grande parte desse fluxo. A verificação experimental desse "reaprisionamento" é então um segundo objetivo de prova de princípio (POP) da física. Dessa forma, um arranjo de vários IEC aumenta o tempo de confinamento global aproximadamente em proporção ao número de unidades. Em operação, os elétrons seriam confinados magneticamente, como descrito, dando o confinamento eletrostático dos íons injetados na região do IEC esférico. Um benefício adicional dessa configuração é que, em uma realização de reator, tanto o plasma de combustível que vaza quanto os produtos de fusão carregados energéticos (por exemplo, o próton de 14 MeV do D-3He) podem ser colimados e apontados para um conversor de energia direta como o TWDEC (Referência 5.4). Isso resulta em alta eficiência global de conversão de energia. Alternativamente, para a propulsão espacial, o feixe de prótons, aumentado pela injeção de átomos pesados para aumentar a massa do fluxo, pode ser diretamente expelido para gerar empuxo. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 56 do documento.]

Nota editorial: Tabela 5.2 (comparação entre os projetos IEC Fusion Ship I e II e um Tokamak esférico) e descrição do conceito de arranjo IEC esférico canalizado magneticamente (MCSA).

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFl@IAL ~!II! 8HLY Table 5.2. Comparison of IEC Design and Magnetic Fusion Design Pu ionShip I r'U ion hi pII pherical Tokamak 0 emll Mass Metric T 500 500 1690 0 emJI Length (m 174 00 240 umber ofcrew JO 10 6- 12 Thro I P wer (MW) 750 48 0 Rea torgain 4 9 7 Rea torpower (MW) 21 217 7895 Thrust y t m Krypt nion Arg n ion H1- magnetic nozzle pecific impul I 000 ,000 5,435 Jupiter ne way trip time (day' 400 210 118 The design of Space Ship II uses "coupled" IEC reactors that use magnetic guide channels. This concept, termed the Magnetically -Channeled Spherical IEC Array (MCSA) concept is briefly discussed next (Reference 5.3). MAGNETICALLY -CHANNELED SPHERICAL IEC ARRAY {MCSA) CONCEPT The Magnetically -Channeled Spherical IEC Array (MCSA) concept for a hybrid magnetic assisted spherical IEC configuration maintains the basic ion-injected IEC reactor configuration but adds magnetic channels for coupling exhaust plasma and react ion products . The MCSA is illustrated conceptually in Figure 5.7. The SIEC is confined in a hexapole field configuration is quite different from the hexapole field used in R.W. Bussard's Polywell. It is in turn located in a field channel (Bz field) created by a column of Helmholtz coils. The field strengths of these coil sets is adjusted such that the fields cancel in the center of the IEC, giving a larger field null region compared to that in a cusp confined field . The MCSA configuration retains the advantage of stability due to good field curvature obtai ned in a cusp. In addition, it also effectively closes the "belt" loss cone. As shown later, leakage in that direction is led around the hexapole coils and back into the confinement region, termed here as "recirculation." Losses include scattering into the spindal loss cone along the z-axis and stochastic scattering due to the violat ion of adiabatic invariance in the field null region. However, with the present channel configurat ion, the axial losses from one IEC configuration enter a neighboring unit. Thus, as they pass through the field null reg ion in that unit, stochast ic scattering leads to "retrapping" of much of this flow. Experimental verification of this "retrapping" is then a second physics Proof-of-Principle (POP) objective. In this fashion, an array of multiple IECs increase the overall confinement time roughly in proportion to the number of units. In operation, electrons would be magnet ically confined as described, providing electrostatic confinement of ions injected into the Spherical IEC region. An additional benefit of this configuration is that in a reactor embodiment, both leaking fuel plasma and energetic charged fusion products (e.g. the 14-MeV proton from D-3He), can be collimated and aimed into a direct energy converter such as a TWDEC (Reference 5.4) . This results in a high overall energy conversion effic iency. Alternately, for space propulsion, the proton beam, augmented by injection of heavy atoms to increase the flow mass, can be directly exhausted for thrust. UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI&IAk Wliii Qr.IL¥ 56

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TRECHO 64 · PÁGINA FÍSICA 64

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[Figura 5.7, esquema com rótulos: plasma confinado, bobina solenoide, bobinas de campo de Helmholtz, flutuante.] Figura 5.7. Ilustração de um dispositivo MCSA de três unidades A seguir consideramos com mais detalhe os novos conceitos de física, recirculação e reaprisionamento, que dão a base para o acoplamento por canal magnético. Recirculação das perdas radiais do cone do cinturão A configuração de campo e uma trajetória hipotética de partícula por uma cúspide de cinturão são mostradas na Figura 5.8. Como as linhas de campo magnético que saem do campo semelhante a uma cúspide se reconectam à região de confinamento dentro das bobinas, as partículas de plasma que saem pelo cone de perdas da cúspide de cinturão recircularão de volta para a região de confinamento. Essa recirculação aumenta significativamente o tempo de confinamento em comparação com o de um simples dispositivo de cúspide, levando a um conceito favorável. O escalonamento linear de um dispositivo de fusão MCSA com o raio do plasma, bem como a operação bem-sucedida de várias unidades no arranjo, é em grande parte controlado por esse efeito de recirculação. [Figura 5.8, diagrama com linhas de campo e a trajetória de uma partícula em recirculação.] Figura 5.8. Diagrama dos campos de cúspide de cinturão e da recirculação de partículas [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 57 do documento.]

Nota editorial: Figura 5.7 (dispositivo MCSA de três unidades) e Figura 5.8 (campos de cúspide de cinturão e recirculação de partículas), com a explicação da recirculação das perdas radiais.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&I.\k Wfili Ql"lk¥ Confined ¥' Plasma Sol nod Cotl -·•· emholtz Field Cotl.s Floatm Figure 5.7. Illustration of a Three-Unit MCSA Device Next we consider in more detail the new physics concepts, recirculation and retrapping, that provide the basis for magnet channel coupling. Recirculation of Radial Belt Cone Losses The field configuration and a hypothetical particle trajectory through a belt cusp are shown in Figure 5.8. Because the magnetic field lines that exit the cusp-like field reconnect to the confinement region within the coils, plasma particles that exit through the belt cusp loss cone will recirculate back into the confinement region. This recirculation significantly increases the confinement time verses that of a simple cusp devise, leading to a favorable concept. The linear scaling of an MCSA fusion device with plasma radius, as well as successful operations of multip le units in the array, is in large part controlled by this recirculation effect. ..._ l I II \, /: : I~- .._Ir . I ~ \ /..r'" . • ,· _,,,.-"" Recirculation .icle Figure 5.8. Diagram of Belt-Cu ,sp Fields and Particle Recirculation UNCLASSIFIED/ /FOR OFFiiiIAk W&lii OPtkY 57

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TRECHO 65 · PÁGINA FÍSICA 65

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Reaprisionamento de partículas de perda axial A perda axial de partículas de plasma, escapando pelo cone da extremidade (cone do fuso) da primeira unidade MCSA, deve ser reaprisionada na segunda unidade por causa do "espalhamento efetivo KAM". Esse espalhamento KAM ocorre quando as partículas se movem para a região de campo nulo dentro de cada unidade SIEC. A Figura 5.9 ilustra a componente axial do campo magnético ao longo da linha central de um MCSA de duas unidades. As partículas que escapam da região de campo baixo de uma unidade passam para a unidade vizinha pela região de campo magnético alto entre as duas unidades. Ao entrar na região do IEC, a direção da partícula é efetivamente aleatorizada (isto é, espalhamento KAM) quando ela perde a invariância adiabática na região de campo nulo. Embora as partículas com altas velocidades paralelas ao campo magnético não experimentem tanto espalhamento efetivo, a maioria das partículas que entram na região de campo nulo deve sofrer espalhamento e reaprisionamento. [Figura 5.9, gráfico do campo magnético axial (eixo vertical de -20 a 120) em função da posição axial (m); regiões rotuladas "campo baixo" e "campo alto"; canal magnético.] Figura 5.9. Intensidade do campo magnético axial ao longo da linha central de um MCSA de duas unidades Esse processo de espalhamento KAM é ilustrado conceitualmente na Figura 5.10. Antes de entrar na região de campo nulo, as partículas têm um giroraio que depende de sua velocidade perpendicular. Se v⊥ é grande comparado a v∥, o ângulo de espalhamento efetivo será grande, resultando em reaprisionamento no caso do MCSA. Na região de campo alto, o giroraio da partícula é pequeno. Quando a região de campo baixo é alcançada, a partícula se move em trajetória retilínea ao longo da direção vetorial na borda da região nula. Como a fase do movimento de giro das partículas é aleatória nesse ponto, a direção vetorial que elas assumem ao cruzar a região nula é aleatória. O resultado pode então ser visto como um processo de espalhamento aleatório e sem colisões. As partículas que fluem ao longo do eixo e entram em um IEC vizinho se espalham dessa maneira e passam a ficar confinadas no IEC vizinho (chamado de "reaprisionamento" da perda axial). Esse reaprisionamento aumenta muito o tempo de confinamento de um dispositivo de fusão MCSA. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 58 do documento.]

Nota editorial: Reaprisionamento das partículas de perda axial por espalhamento KAM e Figura 5.9 (campo magnético axial em um MCSA de duas unidades).

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UNCLASSIFIED/ / FOA OFFI&I Ak WSE 8Ptklf Retrapping of Axial - Loss Particles Axial plasma particle loss escaping out through the end cone (spindle cone) of the first MCSA unit should be retrapped in the second unit because of "KAM effective scattering". This KAM scattering occurs as particles move into the null-field region within each SIEC unit. Figure 5.9 illustrates the axial magnetic field component along the centerline of a two -unit MCSA. Particles escaping from the low field region of one unit pass into the neighboring unit through the high magnetic field region between the two -units. Upon entering the IEC region, the direction of the particle is effectively randomized (i.e. Kam Scatter) when it loses adiabatic invariance in the field null region . Although particles with high velocities parallel to the magnetic field will not experience as much effective scattering, a majority of the particles entering the null field region should experience scattering and retrapping. Lmi,r-Fi ld High-Field £ O> Q) C C O Q) ·-:c, .= ~~en c a,-o ~~~ 120 100 80 60 40 20 0 -20 Magnetic hannd -.------....- ...,....,-~--.----r---r- -r¼'..Ggt.00,..........-------, Axial Position (m) Figure 5.9. Axial Magnetic Field Strength Along Two-Unit MCSA Centerline This KAM scattering process is illustrated conceptually in Figure 5.10. Before enter ing the null-field region, part icles have a gyroradlus that depends on their perpendicular velocity. If v is large compared to vu, the effective scattering angle wi ll be large, resulting in retrapping in the case of the MCSA. In the high-field region, the gyro-radius of the part icle is small. When the low-fiel d region is reached, the particle moves in a straight-line path along the vector direction at the edge of the null region. Since the phase of the gyro motion of the particles is random at this point, the vector direction they assume in crossing the null is random. The result then can be viewed, as a random, collisionless, scattering process. Particles that stream along the axis and enter a neighboring IEC scatter in this way and become confined in the neighboring IEC (termed axial -loss "re-trapping"). This re-trapping greatly increases the confinement time of a MCSA fusion device. UNCLASSIFIED/ I FOR 8ffIOIAk WSE 8Ptk\f 58

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TRECHO 66 · PÁGINA FÍSICA 66

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Em resumo, se os princípios físicos forem demonstrados com sucesso, a usina de fusão MCSA oferecerá numerosas vantagens para a propulsão espacial, bem como para fontes de energia terrestres. O plasma não maxwelliano envolvido é bem adequado à operação com combustível D-3He, que fornece grande parte da produção de energia na forma de prótons muito energéticos de 14 MeV. A energia dos prótons pode ser empregada tanto para conversão direta em eletricidade quanto para empuxo dirigido. Como demonstrado no estudo de projeto da Fusion Ship II, a usina MCSA é especialmente adequada para missões tripuladas ao espaço profundo, nas quais a alta razão potência/peso do MCSA permite tempos de viagem rápidos. O conceito introduz vários novos princípios físicos importantes. O conceito básico do sistema MCSA é o uso da recirculação das partículas que escapam de uma unidade para a vizinha, onde ocorre o reaprisionamento. Esses princípios físicos ainda não foram demonstrados experimentalmente, mas testes iniciais formulados poderiam ser feitos com um experimento de porte modesto e ampliados em tamanho até, eventualmente, demonstrar um protótipo de unidade de potência em escala real. [Figura 5.10. Diagrama da aleatorização de direção (efeito KAM) devido à região de campo magnético nulo no IEC] OBSERVAÇÕES FINAIS Esta seção concentrou-se em várias aplicações derivadas ("spin-off") de curto prazo de fontes de nêutrons/prótons/raios X e também em aplicações de potência não elétrica, como a propulsão espacial. A estação de inspeção de segurança interna aqui descrita mostra como o conceito IEC é versátil, permitindo a inspeção de área ampla com vários dispositivos. A propulsão espacial e a energia espacial relacionada parecem bastante distantes no tempo, devido às grandes potências exigidas para tais aplicações. No entanto, a possibilidade de usar o acoplamento magnético de unidades menores fornece uma abordagem modular com muitas vantagens, além de acelerar o desenvolvimento ao permitir a concentração nos módulos menores. Além disso, o uso de dispositivos IEC de jato de plasma acionados eletricamente, de curto prazo, permite um "produto" ao longo do caminho para o eventual desenvolvimento dos dispositivos de fusão de alta potência. REFERÊNCIAS 5.1 G. H. Miley, L. Wu, H. J. Kim, [referências bibliográficas no original], Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, vol. 263, n. 1 (2005), pp. 159-164. 5.2 R. Burton, H. Momota, N. Richardson, Y. Shaban e G. H. Miley, [referências bibliográficas no original], Space Technology and Applications International Forum, STAIF-2003, Albuquerque, NM, 654, 2-5 de fevereiro (2003) (M. S. El-Genk, ed.), American Institute of Physics Conf. Proceedings, pp. 553-562. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 59 do documento.]

Nota editorial: Conclusão da Seção V: o MCSA ainda é um conceito cujos princípios físicos não foram demonstrados experimentalmente; observações finais e início da lista de referências.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk Y&& 9Nk¥ In summary, if the physics principles are demonstrated successfully, the MCSA fusion power plant will offer numerous advantages for space propulsion as well as for terrestrial power sources. The non-Maxwellian plasma involved is well suited for operation with D-3He fuel that provides much of the energy output in the form of very energetic 14-MeV protons. Proton energy can be employed for either direct conversion to electricity or directed thrust . As demonstrated in the Fusion Ship II design study, the MCSA power plant is especially well suited for manned deep space missions where the high power-to -weight of the MCSA enables fast trip times. The concept introduces several important new physics. The basic concept of the MCSA system is use of recirculation from escaping particles from one unit into the neighboring one where retrapping occurs. These physical principles have not yet been demonstrated experimentally, but formulated initial tests could be done with a modest size experiment and stepped up in size to eventually demonstrate a fu ll -scale prototype power unit. CONCLUDING REMARKS This section has concentrated on various near-term "spin off" applications of neutron/proton/x -ray sources and also non-electrical power applications such as space propulsion. The homeland security inspection station described here show how versatile the IEC concept is, allowing multi-device broad area inspection. Space propuls ion and related space power seems quite far term due to the large size powers demanded for such applications. However, the possibility of using magnetic coupling of smaller unit provides a modular approach that has many advantages, plus expediting development by allowing concentration on the smaller modules. Iin addition, use of near-tern electrically driven IEC jet plasma devices allows a "product" along the way to the eventual development of the high power fusion devices. REFERENCES 5.1 G. H. Miley, L. Wu, H. J. Kim, Nuclear Techniques in National Security Studies on Contraband Detections !EC-based neutron generator for security inspection system", Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 263, No. 1 (2005) pp.159- 164. 5.2 R. Burton, H. Momota, N. Richardson, Y. Shaban, and G. H. Miley, "Fusion Ship II- A Fast Manned Interplanetary Space Vehicle Using Inertial Electrostatic Fusion", Space Technology and Applications International Forum - STAIF-2003, Albuquerque, NM, 654, Feb 2-5 (2003) (M.S. EI-Genk, ed.), American Institute of Physics Conf. Proceedings, pp. 553-562. 59 UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICIAL: Wili ONL:¥ Figure 5.10. Diagram of Direction Randomization (KAM effect) Due to the Magnetic Field Null Region in the IEC

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TRECHO 67 · PÁGINA FÍSICA 67

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5.3 G. H. Miley, R. Stubbers, J. Webber, H. Momota, [referências bibliográficas no original], Space Technology and Applications International Forum, STAIF 2004 (M. S. El Genk, ed.), American Institute of Physics Conf. Proceedings (2004). 5.4 H. Momota, G. H. Miley e J. Nadler, [referências bibliográficas no original], relatório ao National Institute for Fusion Science do Japão, relatório NISF-641, ISSN 0915-633X, agosto (2000). 5.5 Y. Gu, M. Williams, R. Stubbers, G. Miley, [referências bibliográficas no original], Proceeding of 12th Topical Meeting on the Technology of Fusion Energy, ANS, Reno, NV, 16-20 de junho (1996), pp. 1342-1346. Seção VI. Possível próximo passo: experimento de ponto de equilíbrio As seções anteriores apresentaram muita informação sobre o banco de dados existente e a teoria da operação do IEC. O potencial de uso em aplicações como fonte de nêutrons e fontes de radiação relacionadas (prótons e raios X) está bem estabelecido. No entanto, a meta final é desenvolver um IEC produtor de energia. Melhor ainda, fazer isso aproveitando a capacidade singular do IEC de usar plasma não maxwelliano para queimar combustíveis avançados e minimizar o envolvimento de emissão radioativa e de radiação. Porém, os melhores resultados atuais de dispositivos estão de 5 a 6 ordens de grandeza abaixo do ponto de equilíbrio no ganho de energia Q (energia que sai/energia que entra). Assim, pode parecer que tal esperança está a muitos anos de distância. Felizmente, o IEC pode ter seu ganho de energia ampliado mantendo um tamanho pequeno, já que as perdas ocorrem no espaço de velocidades (isto é, por espalhamento ascendente dos íons para fora da armadilha do poço de potencial). Isso contrasta nitidamente com os Tokamaks, em que as perdas ocorrem por difusão através da superfície externa, de modo que os tempos de confinamento aumentados foram obtidos indo para dispositivos maciçamente grandes do tipo ITER. Os problemas e custos de construção do ITER lançaram seu desenvolvimento para um futuro distante, tornando essa abordagem ineficaz para tratar da atual crise de energia (ou, como lamentou recentemente um diretor associado do LLNL, "a fusão é irrelevante: nenhum político sequer a menciona no cenário energético"). Para dar ao leitor alguma noção da "visão" do IEC para a energia, apresentamos a seguir uma proposta conceitual de um experimento de ponto de equilíbrio de curto prazo do IEC, para provar a física de operação com combustível aneutrônico p-11B. Se tal programa puder ser iniciado com vigor, o IEC poderia ter um grande impacto sobre a crise de energia. DEMONSTRAÇÃO DE GANHO LÍQUIDO DE ENERGIA USANDO FUSÃO ANEUTRÔNICA EM IEC O IEC é uma das poucas abordagens de fusão com potencial de queimar combustíveis aneutrônicos, como D-3He e p-11B, em um dispositivo de escala razoável. Esse combustível resulta em produtos de reação com partículas carregadas, que permitem o uso eficiente da tecnologia de conversão direta de energia, sem emissões diretas de gases de efeito estufa e com radioatividade e resíduos radioativos mínimos. Uma fonte de energia assim tem todas as características buscadas para as futuras usinas necessárias em todo o mundo para virar a maré da crescente crise de energia. O experimento aqui proposto daria prova verificável e reprodutível das condições de ponto de equilíbrio necessárias para queimar o p-11B como combustível aneutrônico prático em um dispositivo de geração de energia por fusão IEC. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 60 do documento.]

Nota editorial: Fim das referências da Seção V e abertura da Seção VI: proposta de experimento de ponto de equilíbrio energético com combustível aneutrônico p-11B; reconhece que os melhores resultados atuais estão de 5 a 6 ordens de grandeza abaixo do equilíbrio.

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UNCLASSIFIED/ /fOft Offl@IAL li!I!! OHL¥ 5.3 G. H. Miley, R. Stubbers, J. Webber, H. Momota, "Magnetically-Channeled SIEC Array (MCSA) Fusion Device for Interplanetary Missions", Space Technology and Applications Internat ional Forum-STAIF 2004 (M .S. El Genk, Ed.) American Institute of Physics Conf. Proceedings (2004). 5.4 H. Momota, G. H. Miley, and J. Nadler, "Direct Energy Conversion for IEC Propulsions", Report to National Inst itute for Fusion Science of Japan, Report NISF- 641, ISSN 0915-633 X, August (2000). 5.5 Y. Gu, M. Williams, R. Stubbers, G. Miley, "Pulsed Operation of Spherical Inertial­ Electrostatic Confinement Device," Proceeding of 12th Topical Meeting on the Technology of Fusion Energy, ANS, Reno, NV, 16-20 June (1996), pp. 1342-1346. Section VI. Possible Next Step Breakeven Experiment The prior sections have presented much information about the existing data base and theory for IEC operation. The potential for use in applications such as a neutro n source and related radiation sources (proton and x-ray) are well established. However the ultimate goal is to develop a power-producing IEC. Better yet to do this taking advantage of the unique ability of the IEC to use non-Maxwellian plasma to burn advanced fuels to minimize radioactive and radiation emission involvement. However the best current device resu lts are 5 or 6 orders of magnitude down in energy gain Q (energy out/ in) from breakeven. Thus it may appear that such a hope is many years off. Fortunately, the IEC can be scaled up in energy gain while keeping a small size since the losses are in velocity space (i.e. via ion upscattering out of the potential well trap). This is in sharp contrast to Tokomaks where loses occur via diffusion across the outer surface, so Increased confinement times have been achieved by going to the massively large ITER type devices. The problems and costs for construction of ITER have thrown its development in to the distant future, making this approach ineffective for addressing the present energy crisis (or as a LLNL associate director recently bemoaned, "Fusion is irre levant - no politicians even mention it In the energy scenario"). To provide the reader with some insight into the IEC "vision" for power, we next present a conceptual proposal for a near term IEC breakeven experiment to prove the physics of operation with aneutronic p-11 B fuel. If such a program can be initiated aggressively, the IEC could have a major impact on the energy crises. DEMONSTRATION OF NET ENERGY GAIN USING IEC ANEUTRONIC FUSION The IEC is one of the few approaches to fusion that has the potential of burning aneutronic fuels such as D-3He and p-11B in a reasonable scale device. This fue l results in charged-particle reaction products which allow efficient use of direct energy conversion technology with no direct greenhouse emissions and minimal radioactivity or radioactive wastes. Such a power source has all of t he features sought for future power plants needed worldwide to turn the tide of the growing energy crisis. The experiment proposed here would provide verifiable and reproducible proof of break-even conditions necessary to burn p-11 B as a practical aneutronic fuel in an IEC fusion power-generating device. UNCLASSIFIED/ ,SfQR 8FFl€i1Ak W&lii 0NkY 60

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A proposta é desenvolver uma pequena unidade revolucionária de energia de fusão IEC que poderia ser comercializada a tempo de influir na crise de energia que enfrentamos agora. Esse dispositivo teria a meta agressiva de queimar o combustível aneutrônico p-11B, relativamente barato, evitando as questões de produção de trítio e de radioatividade que os dispositivos do tipo ITER, que queimam D-T, enfrentam. Essa tecnologia inovadora resulta de uma nova compreensão de formas de criar um "poço" eletrostático de potencial profundo para melhor confinamento em um IEC com injeção de íons. Isso será feito com canhões de íons especialmente projetados para injetar íons no IEC com forte focalização e momento angular controlado. Esse conceito se apoia em uma combinação de experimentos anteriores em pequena escala com IEC com injeção por canhão e de simulação de sua ampliação para a produção de energia, usando códigos de partículas em célula (PIC) e análise de rastreamento de partículas descritos nas seções anteriores. O pequeno tamanho do IEC é uma característica-chave. Se se quer alcançar um desenvolvimento rápido, a capacidade de empregar experimentos de pequeno porte é essencial. Felizmente, o escalonamento do confinamento no IEC se dá no espaço de velocidades (e não no espaço físico, que traz a redução da razão entre superfície e volume), o que permite o ponto de equilíbrio e a produção de energia em plasmas de pequeno volume. Assim, em princípio, o ponto de equilíbrio de energia poderia ser demonstrado no IEC em um "núcleo" de plasma muito denso, ocupando um volume de apenas alguns cm³, com apenas algumas centenas de watts de entrada e saída. Esse extremo não é possível atualmente, mas o uso da nova tecnologia de injeção por canhão para obter o ponto de equilíbrio em um núcleo de plasma denso no IEC, com centenas de cm³ de volume e 20-25 kW de potência de entrada, parece prático. Esse dispositivo de prova de princípio demonstraria a física da produção de energia e daria a base para passar rapidamente a usinas de energia IEC práticas. Esse caminho poderia levar a reatores de potência para aplicações de energia distribuída na faixa de um MW, que são apenas uma fração do tamanho de uma usina do tipo Tokamak ITER ou mesmo das atuais usinas nucleares de fissão. Pequenas unidades desse tipo poderiam ser rapidamente implantadas para permitir que a energia de fusão tenha um impacto real na necessidade crescente de energia. A energia de fusão tornar-se-ia então um elemento vital em nossa meta de independência energética. VISÃO DE UMA FUTURA USINA DE FUSÃO P-11B Na usina de energia final, a reação de fusão preferida empregaria o combustível aneutrônico p-11B, que se funde para produzir partículas alfa energéticas, sem nêutrons e com radioatividade mínima. Isso elimina a produção de trítio radioativo e o correspondente inventário de trítio, a ativação e o dano aos materiais estruturais do reator e a blindagem e proteção contra radiação maciças dos reatores tradicionais de fissão e de fusão D-T. Nesse caso, as reações p-11B no núcleo central do IEC resultam em partículas alfa de energia da ordem de MeV, segundo a reação: p + 11B → 3α. Devido ao seu plasma inerentemente não maxwelliano (semelhante a um feixe), o IEC é especialmente adequado para queimar um combustível como o p-11B, que exige altas energias (~150 keV). [Ver Figura 6.1.] Em operação, a maior parte da energia de acionamento do IEC é dada aos íons, de modo que uma tensão aplicada de ~180 kV fornece energias iônicas perto do pico da seção de choque do p-11B. Em contraste, em plasmas do tipo maxwelliano, típicos dos dispositivos de confinamento magnético, a energia é gasta para criar íons em uma ampla distribuição de energias. Assim, os Tokamaks são projetados para operar com energias iônicas muito mais baixas (~20-30 keV), adequadas à fusão D-T. O desafio central de física para o IEC é então obter bom confinamento de íons por forte aprisionamento iônico (isto é, grande número de recirculações) no poço de potencial. Esse plasma aprisionado deve cumprir o critério de Lawson para o ponto de equilíbrio de energia com p-11B, nτ ~ 10^16 cm⁻³·s (duas ordens de grandeza acima da exigência para a fusão D-T). Aqui n é a densidade iônica e τ é o tempo de confinamento dos íons. Supondo que a densidade convergida do núcleo no poço de potencial de [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 61 do documento.]

Nota editorial: Proposta de uma pequena unidade de energia por fusão IEC com combustível aneutrônico p-11B: objetivos, injeção focalizada de íons e critério de Lawson, apresentados como visão e meta do grupo proponente.

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UNCLASSIFIED/ }FOA &FFI@IAL ~!II! er•t I The proposal is to develop a revolutionary small IEC fusion power unit that could be commercialized in time to impact the energy crisis we now face. This device would have the aggressive goal of burning relatively inexpensive aneutronic p-11B fuel, avoiding issues of tritium breeding and radioactivity that the D-T burning ITER type devices face. This breakthrough technology is the resu lt of new understanding of ways to create a deep potential electrostatic 'well' for improved confinement in an ion injected IEC. This will be done with specially designed ion guns to inject ions into the IEC with strong focus and controlled angular momentum. This concept builds on a combination of prior sma ll scale experiments with gun injected IECs and simulation of their scale-up to power production using particle-in-cell (PIC) codes and particle tracking analysis described in earlier sections. The small size of the IEC is a key characteristic. If rapid development is to be achieved, the ability to employ small size experiments is essential. Fortunately, confinement scaling in the IEC is in velocity space (vs. physical space which brings in reducing the surface-to-volume ratio), allowing breakeven and power production in small-volume plasmas. Thus in principle, energy breakeven could be demonstrated in the IEC in a very dense plasma "core" occupying only a few cc volume with only a few l00's of watts in and out. This extreme is not currently possible, but use of the new gun injected technology to obtain breakeven in a dense plasma core in the IEC of l00 's of cc volume and with 20-25 kW input power seems practical. This proof-of-principle device would demonstrate the physics of energy production and prnvide the basis for going rapidly going to practical IEC power plants. This route could lead to power reactors for distributed power applications in the range of a MW that are only a fraction of the size of an ITER Tokamak type plant or even current fission nuclear plants. Small units of this type could be rapid ly deployed to allow fusion power to have a real impact on t he growing need for energy. Fusion power would then become a vital element in our goal of energy independence. VISION OF A FUTURE P-11 8 FUSION PLANT In the ultimate power plant, the preferred fusion reaction would employ aneutronic p- 11B fuel, which fuses to produce energetic alpha particles with no neutrons and minimal radioactivity. This eliminates radioactive tritium breeding and corresponding tritium inventory, activation and damage to reactor structural materials and the massive shielding and radiation protection in traditional fission and D-T fusion reactor systems. In this case, p-11B reactors in the central IEC core result in MeV energy alpha particles according to the reaction: p+ 11B 3a. Due to its inherent non-Maxwellian (beam -like) plasma, the IEC is especially well suited for burning a fuel such as p-11B which requires high energies (~150 keV) . [See Figure 6.1]. In operation, a bulk of the IEC driving energy is given to ions so an applied voltage of~ 180 kV provides ion energ ies nea r the peak of the p-11B cross section. In contrast, in Maxwellian-type plasmas typical of magnetic confinement devices, energy is expended t o create ions over a wide distribution of energies. Thus, Tokomaks are designed to operate at much lower ion energies (~20-30 keV) suitable for D-T fusion. The key physics challenge then for the IEC is to achieve good ion confinement via strong ion trapping (i.e. large numbe r of recirculations) in the potential well. This trapped plasma must meet the Lawson criterion for energy to break -even with p-11B, n, ~ 1016 cm·3- sec (two orders of magnitude above the requirement for D-T fusion). Here n is the ion density and -r is the ion confinement time. Assuming the converged core density in the potential well of UNCLASSIFIED/ }FOA: OFFICI0L: !!ii ODIL:¥ 61

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~10^16 cm⁻³, são necessários tempos de aprisionamento de íons de ~1 s. Embora muito exigente, as simulações de plasma mostram que uma injeção cuidadosamente controlada pode fornecer a formação do poço de potencial (armadilha) necessária para alcançar essa meta. EXPERIMENTO DE PONTO DE EQUILÍBRIO PROPOSTO Os estudos das configurações com grades discutidas antes alcançaram taxas de reação de até 10^12 reações por segundo (~1 watt de potência de fusão). Embora esses níveis de potência fiquem bem abaixo da condição de "ponto de equilíbrio" necessária para a produção de energia, a correspondente produção de nêutrons faz do IEC uma excelente fonte compacta para NAA prática. Consequentemente, essa aplicação e depois os projetos derivados ("spin-off") a ela relacionados continuaram a fazer avançar a compreensão da física básica do IEC, a ponto de agora se poder imaginar um caminho para um reator de potência. Os experimentos atuais de IEC na UIUC são projetados para estabelecer a linha de base do impacto, sobre o Q, das condições de injeção de íons combinadas com fontes suplementares de elétrons para manter a quase neutralidade desejada. Um dos experimentos atuais, mostrado na Figura 6.2, consiste em um sistema de vácuo esférico de 16 polegadas de diâmetro, com uma grade esférica mantida em alto potencial. Esse sistema produz cerca de 10^8 reações/s, com base em experimentos de contagem de nêutrons. Um canhão de íons de radiofrequência (RF), especialmente projetado, é instalado na lateral da câmara para estudar a injeção controlada de íons e a correspondente formação do poço de potencial para o aprisionamento de íons. [Gráfico "f(v) esférica": taxa de reação (m³ s⁻¹), de 10^-27 a 10^-21, em função da profundidade do poço IEC (kV), de 1 a 300, com curvas rotuladas D-T, D-D, D-3He, p-11B e 3He-3He.] Figura 6.1. Requisitos de energia da seção de choque de fusão do p-11B. A taxa de reação do p-11B se aproxima da do D-T em energias muito altas, isto é, em poços de potencial profundos. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 62 do documento.]

Nota editorial: Figura 6.1 (taxa de reação de D-T, D-D, D-3He, p-11B e 3He-3He em função da profundidade do poço IEC) e descrição do experimento de ponto de equilíbrio proposto e dos experimentos atuais da Universidade de Illinois.

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UNCLASSIFIED/ / FOA OFFIQI,t.k Wli& 0Nk¥ ~10 16 cm-3 , ion trap times of~ 1 sec are required. While very demanding, plasma simulations show that carefully controlled injection can provide the potential well formation (trap) required to achieve this goal. PROPOSED BREAKEVEN EXPERIMENT Studies of gridded configurations discussed earlier have achieved reaction rates of up to 1012 reactions per second(~ 1 Watt of fusion power) . Although these power levels fall well below the requisite "break even" condition for power production, corresponding neutrons production makes the IEC an excellent compact source for practical NAA. Consequent ly this application and then related "spin -off" type projects have continued to advance IEC basic physics understanding to the point where a pathway to a power reactor can now be envisioned. Present IEC experiments at UIUC are designed to baseline Q impact of ion injection conditions combined with supplemental electron sources to maintain the desired quasi-neutrality. One of the current experiments, shown in Figure 6.2, consists of a 16-inch diam . spherical vacuum system wit h a spherical grid held at a high potential. This system produces about 108 reactions/sec based on neutron counting experiments. A specially designed radio frequency (RF) ion gun is installed on the side of the chamber to study controlled ion injection and corresponding potential well formation for ion trapping. Spherical f(v) 10-21 , - T77"l.i:~ =t=1~~;:----:---:-: -:;;-~----~ I""7 IEC well depth ( kV ) Figure 6.1. p-11 B Fusion Cross Section Energy Requirements. The p- ll B react ion rate approaches that of D-T at very high energies, I.e. deep potential wells. 10-22 l i 10-23 Ill 'E '-' G> ii 10-24 a.. C 0 :.:. u «I 10-25G> ~ 10-26 10-27~-~---~ - --~-~-~-~--~~ 1. 2. 3. 5. 10. 20. 30. 50. 100. 200300 UNCLASSIFIED/ ,'FOR OFFiiiIAk W&lii 8 Pt k¥ 62

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Esses estudos ainda não incluíam bombeamento diferencial, de modo que o número de passagens de recirculação de um íon, β, era baixo, cerca de 2, devido a grandes perdas por troca de carga. A corrente de íons injetada, I, com um canhão era de apenas ~50 mA. Ainda assim, com base em medições de nêutrons emitidos com combustível de deutério, o Q (ganho de energia de fusão/energia de entrada) foi da ordem de 10^-6, o que é notável para um dispositivo tão pequeno. Esses resultados, mais os estudos de simulação computacional de apoio, mostram que a ampliação desse dispositivo para 12 canhões injetores, mais a adição de um forte bombeamento diferencial, poderia potencialmente alcançar o ponto de equilíbrio. O dispositivo IEC com injeção de íons proposto, com 12 canhões, é mostrado esquematicamente na Figura 6.3. A chave para alcançar as condições de ponto de equilíbrio nesse dispositivo é injetar íons com boa focalização e o momento angular desejado. O canhão de íons de RF tem um bocal magnético singular para conseguir isso. Os elétrons são introduzidos simultaneamente de maneira medida. Isso elimina a necessidade de uma grade, pela formação de um poço de potencial profundo (armadilha de íons). Além disso, o bombeamento diferencial entre os canhões e a câmara principal fornece o alto vácuo necessário para evitar a troca de carga. Essa configuração é altamente não maxwelliana, devido à natureza dominada por feixe dos íons aprisionados. (Embora, como apontado na discussão do trabalho de L. Chacon, íons termalizados se acumulem e formem uma distribuição adicional quase maxwelliana na armadilha.) Ainda assim, análises detalhadas, como as de Momota e Kim (discutidas antes), mostram que o momento dos íons do feixe deu "rigidez" suficiente ao sistema para manter a estabilidade. Isso supõe, porém, que se mantenha um controle muito preciso da energia e do momento angular dos íons injetados e que se forneça um suprimento equilibrado de elétrons. Um injetor de íons de RF capaz dessa operação foi demonstrado na UIUC, como discutido antes. [Figura 6.2. Sistema IEC com canhão de íons de radiofrequência] [Figura 6.3. Conceito de múltiplos canhões de íons] [Figura 6.4. Canhão de íons acionado por RF com bombeamento diferencial. São mostrados seis canhões, por simplicidade, mas doze são propostos para o estudo de ponto de equilíbrio. Rótulos do desenho (parcialmente ilegíveis): bocal magnético; bobinas de focalização; [ilegível].] [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 63 do documento.]

Nota editorial: Resultados do experimento atual (Q da ordem de 10^-6 com um canhão), proposta de 12 canhões de íons com bombeamento diferencial e Figuras 6.2 a 6.4.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&il.t.k Wili Ql"lk¥ These studies did not yet include different ial pumping so that number of recirculation passes by an ion , ~, was low, roughly 2, due to major charge exchange losses. The injected ion current, I, with one gun was only~ 50 mA. Sti ll, based on measurements of neutrons emitted using deuterium fuel, the Q (fusion energy gain/energy in) was order of 10-6 which is remarkable for such a small device. These results, plus supporting computer simulation studies, show that the scale-up of this device to 12 injector guns plus adding strong differential pumping, could potent ially achieve breakeven. The proposed ion injected IEC device with 12 guns is shown schematically in Figure 6.3. The key to achieving breakeven conditions in this device is to inject ions with good focus and the desired angular momentum. The RF ion gun has a unique magneti,c nozzle to achieve that . Electrons are simulateously introduced in a measured fashion. This eliminates the need for a grid by formation of a deep potential well (ion trap) . Also, differential pumping between the guns and the main chamber provides the high vacuum needed to avoid charge exchange. This configurat'ion is highly Figure 6.2. IEC system With Radio Frequency Ion non-Maxwellian due to the beam Gun dominated nature of the trapped ions. (Although, as pointed out in the disuccion of L. Chacon's work, therma lized ions build up and additiona l quasi- Maxwell ian distriution in the trap) . Still, detailed analysis such as done by Momota and Kim (discussed earlier) shows that the beam ion momentum provided sufficient "stiffness" to the system to maintain stability. This assumes, however, very precise control is maintained over the energy and angular momentum of injected ions and a balanced supply of electrons is provided. An RF ion injector capable of such operation has been demonstrated at UIUC as discussed earlier. mapctic ~utm1 lem coufal ~,pcrr1ti0 111tot : OOIJaw c:ybndrtcl.l .,1,mi..,, ..1111,.,. I pot 1C l\ew111 lL HIJt 1k dJl'P.1 1'tt1u.1 l colb ptrt ol ,'::.1 cui..Lmck.ntbe:r - b,li<ol aa,.nm j p,s lli>• Rl'r"""t°' Figure 6.4. Differentially Pumped RF-Driven Ion Gun. Six guns shown for simplicity, but t welve are proposed for the breakeven study . UNCLASSIFIED/ }FOlil OFFICJO, 11SF ON! X Figure 6.3. Multiple Ion Gun Concept 63

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TRECHO 71 · PÁGINA FÍSICA 71

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A Figura 4 é um esboço esquemático dos injetores de íons mostrados na Figura 6.3. Um componente-chave é a lente de focalização magnética na porta de extração do canhão. Isso permite um bombeamento diferencial muito eficiente entre a câmara do canhão, de alta pressão, e a câmara do IEC, de baixa pressão, e fornece controle de foco. Esse experimento envolverá potências de entrada muito altas (cerca de 1 MW). Para evitar fontes de alimentação e controles térmicos excessivos, será usada uma entrada de energia pulsada por banco de Marx, com potências de pico de ~1 MW por 1 ms a 0,01 Hz. Experimentos pulsados com entradas de energia equivalentes em um canhão já foram realizados com sucesso. A duração do pulso é definida longa o bastante para dar condições físicas de quase equilíbrio no plasma aprisionado durante a região de "topo plano" do pulso. Assim, os dados obtidos são relevantes para eventuais reatores em regime permanente, nos quais a produção interna de potência de fusão alivia a necessidade de fonte de energia de entrada. O escalonamento do ganho de energia (Q) para tal dispositivo vai como βI/a², em que a é o raio do ponto de núcleo denso formado na esfera do IEC, β é o número de recirculações de íons na armadilha antes de o íon ser perdido, e I é a corrente de íons injetada. O projeto de ponto de equilíbrio de 12 canhões fornecerá um aumento de β para ~1000 devido aos efeitos do bombeamento diferencial, I aumentará para 6000 mA (devido a vários canhões pulsados) e a será reduzido por 10 devido a melhorias na focalização e na menor colisionalidade. Isso prevê um aumento de Q (em comparação com o experimento anterior com canhão) de ~10^8, dando Q = 1 ("ponto de equilíbrio"), como exigido para um plasma de p-11B (como observado antes, esse Q de ponto de equilíbrio supõe um parâmetro de confinamento de Lawson de nτ que excede em um fator 100 a exigência do D-T. Em outras palavras, isso também poderia ser pensado como um ponto de equilíbrio equivalente a Q = 100 do D-T!). Tal experimento daria uma prova de princípio da física para esse conceito de IEC com injeção de íons e forneceria a base para estender essa configuração a uma usina produtora de energia. Para alcançar esse resultado rapidamente com um orçamento modesto, precisamos simplificar o trabalho, evitando a necessidade de desenvolver nova tecnologia de injeção para o combustível hidrogênio-boro e evitando a necessidade de lidar com a energia de fusão produzida. Assim, propomos confirmar a obtenção das condições de ponto de equilíbrio usando um plasma de hidrogênio e diagnósticos para mostrar que são obtidos o nτ e a T correspondentes a Q = 1 (p-11B). (Uma abordagem alternativa poderia ser usar deutério, como é feito nos estudos atuais de fontes de nêutrons IEC. No entanto, isso exigiria uma blindagem maciça e outras restrições de acesso, por causa dos níveis de fluxo de nêutrons.) Os diagnósticos modernos de plasma podem fazer medições bastante precisas das condições de plasma necessárias para a confirmação, de modo que a abordagem equivalente com hidrogênio é recomendada. OBSERVAÇÕES FINAIS Uma vez alcançadas em hidrogênio, essas condições poderiam ser confirmadas com relativa rapidez com combustível p-11B em experimentos posteriores, depois que o sistema necessário de manuseio de combustível for acrescentado. Assim, a simulação em hidrogênio das condições de ponto de equilíbrio do p-11B seria uma realização marcante, abrindo caminho para a implantação rápida da tecnologia necessária para construir pequenas usinas de energia de fusão. O desenvolvimento tecnológico necessário envolve em grande parte o projeto e a engenharia dos subsistemas do balanço da usina (BOP). Muitos deles podem empregar equipamentos convencionais, mas vários exigem novos desenvolvimentos. Entre eles estão o sistema de injeção do combustível hidrogênio-boro, o sistema de conversão direta de energia para converter a energia dos produtos de partículas carregadas em eletricidade, [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 64 do documento.]

Nota editorial: Projeto do pulso de alta potência, escalonamento do ganho de energia Q com o número de recirculações, a corrente e o raio do núcleo; proposta de confirmar as condições com plasma de hidrogênio; observações finais.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIOIAk WSE OPtklf Figure 4 is a schematic sketch of the ion injectors shown in Figure 6.3. A key component is the magnetic focusing lens at the gun extraction port. This allows very efficient differential pump ing between the high pressure gun chamber and the low pressure IEC chamber and provides focus control. This experiment will involve very high power inputs (about a MW). To avoid excessive power supply and thermal controls, a Marx bank pulsed power input with peak powers of ~1 MW over 1 msec at 0.01 Hz will be used. Pulsed experiments with equivalent power inputs on one gun have already been performed successfully. The pulse len9th is set long enough to provide quasi equilibrium physics conditions in the trapped plasma during the "flat top" region of the pulse". Thus the data obtained is relevant to eventful steady-state reactors where the internal fusion power production alleviates the input power supply requirement. The energy gain (Q) scaling for such a device goes as ~l/a 2 where a is the radius of the dense core spot formed in the IEC sphere, ~ is the number of ion recirculations in the trap before the ion is lost, and I is the ion injected current. The 12 gun breakeven design will provide an increase in ~ to ~1000 due to differential pumping effects, I will increase to 6000 mA (due to multiple pulsed guns), and a will be cut down by 10 due to improvements in focusing both and reduced collisionality. This predicts an increase in Q (compared to prior gun experiment) of ~10 8 , giving Q=l ("breakeven") as required for a p-11B plasma (as noted earlier, this breakeven Q assumes a Lawson breakeven confinement parameter of m that exceeds the DT requirement by a factor of 100. In other words, this could also be thought of as a Q=lOO DT equivalent breakeven!) Such an experiment would provide a physics proof-of-principle for this ion injected IEC concept and provide the base for extending this configuration on to a power-producing plant. To accomplish this result quickly on a modest budget, we need to simplify the work by avoiding t he need to develop new injection technology for hydrogen-boron fuel plus avoid the need to handle the fusion energy produced. Thus we propose to confirm the achievement of breakeven conditions using a hydrogen plasma and diagnostics to show that them and T corresponding to Q = 1 (p- 11B) are obtained. (An alternate approach might be to use deuterium as is done in present IEC neutron source studies. However, that would require a massive shielding and other access restrictions for the neuron flux levels) . Modern plasma diagnostics can make quite precise measurement of the plasma conditions needed for the confirmation, so the hydrogen equivalent approach is recommended. CONCLUDING REMARKS Once achieved in hydrogen, these conditions could be fairly quickly confirmed with p- 11B fuel in later experiments once the needed fuel handling system is added. Thus the proposed hydrogen simulation of p-11B breakthrough conditions would be a landmark achievement, leading the way to rapid deployment of the technology needed to build small fusion power plants. The technology development needed to proceed largely involves the design and engineering of subsystems for the balance-of-plant (BOP). Many of these can employ conventional equipment, but several require new developments. These include the hydrogen-boron fuel injection system, the direct energy conversion system to convert the charged particle product energy to electricity, UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICl.t.L. Wi'li OPtlL.¥ 64

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TRECHO 72 · PÁGINA FÍSICA 72

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e o sistema de coleta/recuperação do plasma de exaustão. Além disso, a parede da câmara deve incorporar métodos avançados de resfriamento para lidar com as grandes cargas térmicas de superfície causadas pela absorção, perto da superfície, da emissão de radiação de frenagem. No entanto, não há "obstáculos intransponíveis", de modo que o caminho para a energia de fusão IEC parece claro. O principal desafio é encontrar fontes de financiamento com a "vontade" de prosseguir. [Marcação: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY. Página 65 do documento.]

Nota editorial: Última página do estudo: lista o que falta desenvolver (coleta de plasma de exaustão e resfriamento da parede) e conclui que o principal desafio é encontrar financiamento.

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UNCLASSIFIED/ /fOR Offl@IAL li!I! OHL¥ and the exhaust plasma collection/recovery system. Also the chamber wall must incorporate advanced cooling methods to handle the large surface heat loads caused by near surface absorption of the bremmstrahlung emission. There are no "show stoppers" however, so the road map to !EC fusion power seems clear. The main challenge is to find funding sources with the "will" to proceed. UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICI0L: 11ili Qt,11 X 65

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Datas e contexto documental

Acontecimento
10/03/2010 — Data de capa. ICOD: 1º de dezembro de 2009. Número do documento: DIA-08-1003-006.
Documento
10/03/2010 — Capa, página física 1.
Publicação
Não estabelecida — Liberado na série DOW-UAP em 2026; data exata não registrada neste pacote.

Origem e divulgação

Defense Intelligence Agency (DIA), Escritório de Alerta de Defesa, Diretoria de Análise, Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), programa AAWSA; autor com nome substituído por "AAP Person 70" · DOW-UAP-D125_AAWSA-DIRD-Inertial-Electrostatic-Confinement-Fusion-March-10-2010.pdf

Páginas físicas 1 a 72.

Relatos relacionados e suas diferenças

Perguntas para continuar a investigação

  • O expediente diz que o relatório integra uma série produzida no ano fiscal de 2009, mas a capa traz março de 2010. Qual foi a data real de encomenda e entrega ao Escritório de Alerta de Defesa?
  • As projeções do experimento de equilíbrio energético com p-11B, baseadas em extrapolações e simulações do próprio autor, foram testadas depois de 2010?

GEOGRAFIA DO CASO

Relatório técnico, sem local de evento

Estudo técnico sem episódio nem local de observação.

RASTRO DOCUMENTAL

Volte às fontes

As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.

  1. DOW-UAP-D125_AAWSA-DIRD-Inertial-Electrostatic-Confinement-Fusion-March-10-2010.pdf

    Páginas físicas 1 e 2 (capa e expediente), 7 a 11 (prefácio e fundamentos), 28 a 36 (geometrias e propulsor a jato), 66 a 72 (conclusão da Seção V e experimento de equilíbrio energético proposto)

    DOW · 72 páginas

Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.

UMA HISTÓRIA LEVA A OUTRA

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Diagrama óptico com laser, cristal, lente, divisor de polarização, fendas, chave de fibra, detectores e uma câmera com dois padrões de exemplo.Diagrama de relatório oficial

História da investigação2010Local: Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

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DIA, 2010: estudo do AAWSAP discute se o entrelaçamento quântico poderia permitir comunicação mais rápida que a luz no espaço

O DIRD de 30 de março de 2010 revisa o entrelaçamento e a não localidade quânticos e propõe um experimento sem coincidências para testar se eles permitiriam sinais entre observadores. O próprio texto diz que não há resposta convincente e que a questão é experimental; o exemplo de aplicação é o controle em tempo real de um rover em Marte.

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Capa azul e branca de relatório da DIA com o selo da agência, a data de 14 de dezembro de 2009 e o título sobre vidros metálicos.Capa de documento

História da investigação2009Local: Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

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DIA, 2009: estudo do AAWSA sobre vidros metálicos conclui que só compósitos com dendritos servem a estruturas aeroespaciais

O Documento de Referência de Inteligência de Defesa de 14 de dezembro de 2009 avalia vidros metálicos para uso aeroespacial. Conclui que eles são muito resistentes, mas frágeis e de fadiga ruim, e que só compósitos com dendritos dúcteis e novas ligas leves poderiam torná-los úteis, em horizonte de 20 a 50 anos.

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Capa com o selo da Agência de Inteligência de Defesa, o título Defense Intelligence Reference Document e o nome do relatório em azul.Capa de relatório oficial

História da investigação2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

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DIA, 2010: relatório do AAWSAP sustenta que “veículos anômalos” feriram testemunhas e tenta deduzir sua tecnologia pelas lesões

Este DIRD de 38 páginas revisa sintomas atribuídos a exposições próximas a “sistemas aeroespaciais anômalos” e propõe que queimaduras e efeitos neurológicos seriam causados sobretudo por radiação eletromagnética. É um estudo teórico e de compilação: o autor afirma que as lesões apoiam a hipótese de sistemas avançados já em operação, mas não apresenta casos novos examinados nem prova independente dessa conclusão.

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