CN101496111A - 受控聚变反应方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于从受控聚变反应提取能量的系统。该系统包括用于容纳聚变靶材料的中央靶室。在所述靶室周围设置了多个能量驱动器，以便向靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动该材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量。提供了用于从所述聚变反应提取能量的多个结构，并且包括从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及从所述中央靶室提取热能的装置。可以通过从所述聚变反应提取的高压直流电力向能量驱动器提供电力。能量驱动器可以利用切趾滤波器向用于引起聚变反应的驱动能量的波前提供期望形状，以避免流体动力学不稳定性。

Description

受控聚变反应方法及系统

优先权申请

本申请要求2006年5月30日提交的题为“Method & Apparatus for Controlled FusionReactions(受控聚变反应方法及系统)”的美国临时专利申请60/809,453的优先权。前述申请通过引证全部结合于此。

技术领域

本发明涉及从受控聚变反应中提取能量的方法和系统。

背景技术

广泛认识到的是受控聚变提供洁净而又充足的能源。然而，尽管投入了上亿美元，但在引起有效的自持聚变反应方面仅取得了有限的成功。所有先前的方法都受到了三个主要因素的限制：

(a)仅利用了单个的能量提取装置。

(b)大量工作已经集中在了间接驱动反应上，尤其是利用大型激光器作为驱动器，而不是集中于直接驱动X射线驱动反应上。

(c)流体力学不稳定性是严重问题。这会在靶芯块压缩不够均匀时发生。它引起局部热量不均匀，反过来该不均匀又引起局部冷却。这导致燃料的不对称燃烧。

可以通过两种主要方式来从聚变反应提取能量：热方式和电方式。热提取是几乎每个电力厂里所用的朗肯热循环的直接应用。在该处理中，冷却剂被加热，被加热的冷却剂用于转动涡轮机，而涡轮机用于转动发电机。该处理具有55％的标称效率。

直接从熔融等离子体提取电力是可能也是实用的。这已经得到多次证实，并且其是具有大约85％的效率的处理。该技术相对于现有技术的聚变发电系统的缺点在于它产生了高压直流电(DC)。高压直流电难以处理，并且更重要的是，其不适于长距离电力传输和配电。它不能像交流电(AC)那样能够容易或者有效地转换。

流体力学不稳定性是每个聚变发电系统的设计者所面对的主要问题。正式上称为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylo)不稳定性，它由燃料芯块的不均匀压缩引起。压缩上超过1％的不均匀度导致能量向外涌出并使靶芯块局部致冷的“喷射”形式。当前的激光驱动聚变系统利用多个射束(相当于一个系统中192个)以试图对燃料芯块提供足够均匀的压缩。

期望提供一种从受控聚变反应中提取能量的方法，其中，既提取热能量，也提取高压直流能量。

期望将提取的高压直流能量能够用作维持受控聚变反应的能量源。

还期望设计从受控聚变反应中提取能量的系统，利用流体力学稳定性实现燃料芯块的高均匀压缩。

发明内容

本发明的一个实施方式提供了一种从受控聚变反应中提取能量的系统。该系统包括用于容纳聚变靶材料的中央靶室。在所述靶室周围设置了多个能量驱动器，以便向靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动该材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量。提供了用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，并且包括从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及从所述中央靶室提取热能的装置。

前述实施方式通过既提取高压直流能量又提取热能而提高了聚变发电系统的效率。

本发明的另一个实施方式提供了用于从受控聚变反应提取能量的系统，其中，通过能量存储装置对所述多个能量驱动器提供电力。所述能量存储装置从第一电源接收电力并提供启动(start-up)电力和补充(make-up)电力，而第二电源通过从所述聚变等离子体提取的高压直流电力获得能量。所述“启动电力”是启动所述聚变反应需要的总能量，而“补充电力”是为维持聚变反应的操作而从第二电源添加的能量。

前述实施方式通过利用从所述聚变反应提取的高压直流电力作为用于驱动聚变反应的能量驱动器的电力源实现了较高的效率。这意味着驱动所述聚变反应所述需要的多数能量从(先前的)聚变反应自身得到。

本发明的另一实施方式提供了一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，其中，所述多个能量驱动器中的每一个能量驱动器都包括一体装置(unitary apparatus)。所述一体装置既(a)产生用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和热量形式的能量释放的X射线脉冲，又(b)产生同时加热所述聚变靶材料的RF能量。

本发明的前述实施方式能够产生X射线驱动脉冲的同时产生RF加热脉冲而不降低效率。这使得能够无需附加费用并且无能量损失地利用RF加热来提高聚变发电系统的效率。

本发明的另一实施方式提供了一种聚变发电系统，切趾结构与各能量驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。

本发明的前述实施方式通过所述切趾滤波器校正了引起瑞利-泰勒流体力学不稳定性的波前误差。由于所述靶芯块是球形，所述切趾滤波器用于将所述压缩波前的形状改变为半径与所述靶的半径匹配的非常凹的表面。由此，所述波前“环绕”所述靶的一个面，并提供了靶的完全均匀的压缩。

利用切趾滤波器校正所述压缩波前的直接利益在于减小了用于照射所述靶的射束的数量。替代加利福尼亚的劳伦斯利弗摩尔实验室(Lawrence Livermore lab)的国家点火装置聚变反应堆(National lgnition Facility Fusion Reactor)使用的192个射束，本发明的当前实施方式可以允许利用所述少得多的射束，例如6个。这直接减小了反应堆的成本和大小，同时增加其可靠性。

附图说明

图1是受控核聚变产生能量的反应堆的简化的立体图；

图2A和2B是图1的反应堆的截面图，图2A示出了图1中“FIG.2A-FIG.2A”所指示的截面，而图2B示出了图1中“FIG.2B-FIG.2B”所指示的截面；

图3是图1的反应堆系统的能量流的框图，示出了比图1更简化的反应堆；

图4A和图4B分别是基本受激X射线发射器(SXE)能量驱动器的简化端和侧截面；

图5A是用于图4A和图4B的SXE的栅极和相位匹配网络的立体图；

图5B是图5A的栅极和相位匹配网络的视图，其示出了该图中“FIG.5A-FIG.5A”所指示的截面；

图5C是图5A的相位匹配网络的示意图；

图6是入射到切趾滤波器上的平面波前和通过该滤波器所产生的被校正波前的截面图；

图7是图4的SXE的电容增强版的立体图；

图8是沿电子耦合变压器的长度的截面图；

图9示出了图8的电子耦合变压器的典型波形；

图10是沿组合SXE-虚阴极振荡器(Vircator)驱动器的长度的截面图；

图11是沿图10的虚阴极振荡器RF头的长度的部分截面图；

图12是沿组合SXE-磁绝缘振荡器(MILO)驱动器的长度的截面图；

图13是沿图12的磁绝缘振荡器RF头的长度的部分截面图；

图14是沿图12的磁绝缘振荡器RF头中使用的漂移管的长度的部分截面图，并且图14B是图14A中标有“FIG.14B”的画圈区域的放大图。

具体实施方式

在这些优选实施方式的说明的结尾给出了附图标号的列表、其相关部件以及该部件的优选材料。在附图标号的列表后面完整地列举了参考文献，在本说明中，例如，以如下形式给出作者“Nakai”的简化的参考文献：(Nakai文献)。

优选实施方式的主要原理

结合图1-3描述本发明的优选实施方式的主要原理。

图1是通过受控核聚变产生能量的反应堆。该系统包括中央靶室或者区域10。一系列的六个或者更多个的能量驱动器12对称成对地设置在该中央靶区域的周围。对称能量驱动器12关于芯块位置22对称地设置，使得共同产成优选地很好的球面波前入射到位置22处的靶聚变芯块上。能量驱动器以高频率产生X射线，其对称地压缩靶以启动并维持聚变反应。能量驱动器优选地为受激X射线发射器(SXE：Stimulated X-ray Emitter)，如本发明人的美国专利4,723,263中的发明首先描述的。在优选的实施方式中，所述SXE驱动器装有RF产生装置，其提供同时发生的RF能量脉冲以向反应提供附加热量。这在图10-13的讨论中进一步描述。

参考图1-3，在中央靶区域10的周围设置了多个能量提取锥(Energy Extraction Cone)14。这些锥都是真空系统的一部分。它们都包含有产生用于驱动SXE能量驱动器(SXEEnergy Driver)6的高电压直流电输出的能量收集栅极46。能量提取锥14可以以其他形状形成，例如柱体。下面详细讨论图3的讨论中给出的处理。

图1-3的系统包括了第二能量提取装置，其适当地可以是标准兰金循环热回路(RankineCycle Thermal loop)。冷冻剂通过输入管18被引入内部热交换子系统24，通过热交换器24循环，然后经由管20从反应堆出来。受热冷冻剂用于驱动涡轮，其反过来驱动发电机以进行发电。该电的大部分可以用来提供给外部能量栅极。小部分用于给系统提供所谓的补充电力以补偿某些低效率的HVDC能量提取锥14。燃料芯块注入系统16用于向反应堆注入聚变靶芯块。在实际系统中，芯块注入器16竖直朝向，如图2B所示。

图2A-2B示出了主要的内部和外部部件及其几何关系。在图2A中，可以看到反应堆的截面。能量驱动器12和能量提取锥14的设置是清楚可见的。反应堆的内部结构也是可见的，其在图2B中详细示出。反应堆室壁是最外层，如10处所示，其为内部结构提供了支撑结构，并且是真空封装。尽管被描述为球体，其他形状也可以成功应用。室的形状对该系统的功能性没有影响。

紧接的最内层由磁约束线圈(magnetic confinement coil)30组成。这些线圈产生了约束聚变等离子体并使其不与衬垫(liner)28和其他内部结构接触的强磁场。由所述磁约束线圈30产生的磁场具有对应于能量提取器锥和SXE能量驱动器的位置的孔径(低场区域)。

紧接着的最内层是冷冻剂通道层(热交换器)24。冷冻剂通过冷冻剂入口18进入该结构，通过冷冻剂通道24循环并经由冷冻剂出口20以过热状态出来。该过热冷冻剂用于对涡轮机和发电机提供电力以进行发电。这样看，芯块注入器16可以沿其适当的垂直方向看到。

图3是图1的反应堆系统的能量流的框图。示出了两个能量提取回路。热回路由热冷冻剂入口18、热冷冻剂出口20和冷冻剂通道层(热交换器)24组成。在以上图2的讨论中描述了该回路的操作。高压直流电提取回路由提取器锥14、提取器栅极46、直流电回路(DCreturn)48、能量存储和电力调节装置(Energy Storage and Power Conditioning means)38、脉冲调制器34及其两个同步输出：(a)36，HVDC到SXE能量驱动器12，和(b)32，磁约束线驱动信号。本发明的优选实施方式的基本原理是利用直接提取高压直流电驱动SXE能量驱动器。SXE在高压直流电下运行，因此它直接与能量提取锥14的直流电输出兼容。提取的能量用于对能量存储装置38进行再充电。能量存储系统作为示例可以利用电容存储装置或者电感存储装置或者两者都用。利用电容存储是该系统的本部分的优选实施方式。能量存储和电力调节子系统38具有第二能量输入40，其使得来自外部源(例如，42、44)的电力能够应用到该系统。外部源42可以是如下所述的电子耦合变压器，而外部源44是高压直流电源。来自第二能量输入40的电力用于系统启动，还在运行期间提供补偿电力。这是用于补偿所述HVDC提取回路中的低效率损耗。

图4A和图4B是基本SXE能量驱动器的截面图，其可以用作图1中的能量驱动器12。图4A是端部图，而图4B是侧面图。这些图中可见的有阳极64、栅极66和阴极68。SXE为三极电子管。它具有新颖的电子枪结构，包括阴极68和栅极66。这些元件的物理并列(physical juxtaposition)使得它形成圆形波导管。圆形波导管支持总是以光速(“c”)传播的横电模式(TEM：Transverse Electric Mode)。该属性对SXE的功能是关键的，因为它确保了电子束，如箭头所示，以光速扫过阳极，因此波前的相速度和群速度匹配。这被称为衰减行波(Collapsing Traveling Wave)。这在X射线形成处理中是重要的，因为它确保了射束形成的X射线总是在高离子化区传播，因此不被自吸收处理所吸收。

栅极结构(图5中详细讨论的)是高度对称的。这确保了朝向阳极衰减的波是极其对称的。结果，当电子撞击阳极时，它们造成了高度离子化的韧致辐射(Bremstrahllüng)区域。还在这样的高度离子化区域中出现大量二级电子。阳极充满了激光材料。韧致辐射电子撞击激光材料的原子，由于韧致辐射电子处于远远比该原子K电子层离子势能高的能量，韧致辐射电子完全离子化了该原子。作为结果的再生级联(repopulation cascade)导致原子从各电子层释放电子。电子过剩确保该处理发生得非常迅速。随后发生级联反应。辐射开始是各向同性的。但随着它沿着阳极的长度前进，离轴辐射通过容器壁(abode)进行抑制或者用于离子化其他原子。所有这些都发生在以“c”沿着阳极扫过的离子化区。所得到的射束通过阳极在几何上进行准直，并大部分由K层电子组成，以及L层电子和M层电子(当他们存在时)。

现在参考图5A、5B和4A，这些图示出了图4A和4B的SXE的栅极和相位匹配网络的细节。图5A示出了整个栅极-相位匹配网络和栅极绝缘的细节。这两个元件实际上是单一结构的部分。图5B示出了优选的栅极张紧和绝缘装置的细节。图5C示出了相位匹配网络的电示意图。栅极的设计要求对所有带有行波电子枪(TWEG：Traveling Wave Electron Guns)的管子是公共的。不管管子设计成什么等级或者电力级别，以下特征是共同的并且必须为了行波电子枪的运行而存在。

行波电子枪(TWEG)是独特的结构，因为它使用了封闭并列的栅极66和阴极68来形成支持横电模式(TEM)圆形波导管结构。圆形波导管中的横电模式总是以光速(“c”)传播。TWEG的这个方面造成了它极其快速的上升时间(每英尺或者30.48cm的枪长一纳秒)。

栅极还用于产生从阴极提取电子的电场以及控制这些电子的流。这是通过选择性地相对于阴极偏置栅极来实现。通过管子的适当偏置可以实现切换以及调制功能。

当设计TWEG结构的栅极时存在几个必须满足的关键条件。它们是：

(1)栅极-阴极间隔必须在整个栅极的长度上恒定。这通常通过将栅极置于高张力下或者将其用刚性结构建造来实现。

(2)栅极中的元件数量必须足够高，以确保栅极-阴极区域中恒定和均匀的电场。

(3)在栅极结构的任何地方都必须不存在毛刺(bur)的尖锐边缘。单个的元件可以是圆的、扁平的或者是高纵横比的椭圆形状。所有边缘必须是完全切成圆角的。在本文中，完全切成圆角的意思是所述边缘具有等于材料厚度的一半的半径；完全切成圆角的示例在图14中的125处可见。

这些设计规则的实际实现是由正在建造的栅极尺寸确定。栅极可以由单件制成，或者更一般地由通过两端130、132上的安装环所限制的一序列的单个元件制成，并设置有适当的电绝缘体136、140以防止电弧放电，以及在栅极结构上保持张力的装置。在所示的优选实施方式中，各栅极元件设置有强力弹簧146、垫圈148和螺帽150形式的张力装置。各栅极元件的螺帽用扭矩扳手紧固以确保所有元件上的均匀张力。

通过连接到栅极的输入端的相位匹配网络134、136电连接到栅极。相位匹配网络由一序列完全等长(通常公差为+/-0.0005″(+/-12微米))的线134组成。相位匹配网络的各线在离两个相邻的栅极元件等距离的点处连接到下栅极支撑环132。在栅极支撑环周围对称地设置有多个相位匹配网络线。

相位匹配网络线的另一端连接到公共接头元件136上。它在一端具有数量等于相位匹配网络线的数量的多个洞，而在相对端只有一个洞。将线附接到该洞并到达栅极真空馈通。该线为通过钨极惰性气体焊接(TIG：Tungsten-Inert Gas)法适当焊接或熔焊的银。TIG熔接是优选的，但并不总是可用的。

该相位匹配网络的目的是确保栅极的整个基座同时以优选的皮秒(picosecond)范围内的精度响应于控制信号。这导致在TWEG结构中传播的高度对称的波。当栅极通过相位匹配网络接地时，形成辐射方向上对称衰减行波，并且该行波沿着TWEG结构的长度传播。这是地电压的波，并且它具有使得能量能够存储在栅极-阴极间隙中并且还使能量对栅极可用的效果，以便传播到阳极，导致该信号的输送。

流体力学不稳定性：原因及补救

图6示出了切趾滤波器的工作原理，其中用箭头示出波前移动。任何聚变系统的优化性能都取决于创建燃料靶芯块的完全对称的压缩。本发明的能量驱动器12(图1)提供了对称照射靶的手段。如果入射到靶上的波前60为半径与靶芯块的半径匹配的凹入的几何结构，则可能在燃料靶芯块上创建几乎是完全对称的压缩波前。这是必须要最小化瑞利-泰勒不稳定性的理由，如果足够严重的话，该不稳定性能够导致燃料芯块以不均匀的方式加热，因此不能激起聚变反应。

如果有必要，可以对称成对地添加能量驱动器12以增加压缩波前的均匀性。几何方面的因素确定了添加的驱动器的数量。如果六个驱动器不够，下一步优选的是12个驱动器，接着是14个驱动器，优选地接着是20个驱动器。其他数量的能量驱动器也是可能的。

图6的切趾滤波器58由置于射束路径中的厚度变化的实物构成。截面厚度与靶的半径匹配。在优选的实施方式中，这些滤波器由被沉积用来形成期望的截面的薄膜材料制成。材料的选择由聚变燃料组合的能量驱动要求确定。在氘-氚反应(Deuterium-Tritium reaction)的情况下，这是在250与350电子伏特之间，然后可以使用诸如锂(Lithium)、铍(Beryllium)、硼(Boron)或者碳(Carbon)等非常低的原子序数的物质。诸如氢-硼的锂-硼的较高能量反应使用可能具有镁、铝或硅的这些材料。重要的是浓密物质的原子序数没有高到发生显著吸收的程度。应当注意的是切趾滤波器将产生一些散射线，但这在本发明中不成问题。

聚变反应的处理的基本原理是燃料靶材料的压缩期间发生的瑞利-泰勒不稳定性(RTI)的最小化。对于球形靶几何结构，理想的压缩波前是在直径上完全对称地减小的同心球面波。在受控聚变反应的实用设备中，这是极难实现的。

重要的是在诸如波带片的元件形式中的衍射光学技术也能用于校正波前。波带片在光学科学中是众所周知的。光谱的软X射线部分的延伸是简单的并且已经有文献报导过。直接X射线驱动聚变与激光惯性约束聚变

聚变反应堆的设计者面对的挑战是如何对聚变靶实现相似的对称压缩。各种各样的解决方案已经形成了无数的反应堆几何结构。这里的讨论集中在将燃料芯块用作聚变靶材料的特定情况的系统。这种类型的系统称为惯性约束(“ICF”)系统。对所有ICF系统共同的是将驱动器能量作为聚合系列的合成同步能量束呈给靶。能量束的合成同步波前近似于扁平球面贝壳。通常，使用的能量束越多，约束越好(或者越是球面形状)。这可以在最成功的系统具有最多数量的射束的激光驱动聚变的区域中最清楚地看到。诸如NOVA激光器的系统高达50个射束。劳伦斯利弗摩尔实验室(LLNL)的新国家点火装置(NIF)具有192个同步射束，并且具有远比先前的系统(例如NOVA(LLNL)、OMEGA(LLNL)和GEKKO(日本))好的约束。

ICF的基本原理描述如下：

(1)约束次数，

(2)燃烧份额，以及

(3)靶压缩聚爆的需要。

典型的直接驱动ICF靶的聚爆过程大致分成三个阶段：初始阶段、加速阶段和减速阶段。(本发明利用直接驱动系统)。在初始阶段，第一冲击波在燃料芯块中传播，并且芯块中的流体主要通过该冲击波加速。外(或者烧蚀)壳在第二阶段向内烧蚀性地加速。然后，在减速阶段缓慢地压缩燃料。在初始阶段，由于激光照射不均匀性导致的初始特征随着原始靶表面的粗糙度引起靶表面上的微扰。在激波在燃料芯块的内表面上爆发之前，这些微扰伴随着波纹激波传输(rippled shock propagation)，并且还伴随着纹波稀疏波传播(rippled rarefactionpropagation)。主要由于第二(加速)阶段中的R-T不稳定性导致的在外表面形成的微扰然后被馈通到内表面上。(Nakai文献)

在所提到的NIF装置中，利用192个激光束来产生1.8兆焦耳的能量并消耗500太拉瓦(TeraWatt)的电力，其中30千焦耳最终作为X射线转换为靶燃料芯块中的氘-氚燃料。当点火并成功燃烧时，燃料可能产生大约比输入能量多600到1,000倍的能量。这会产生几乎每平方厘米1,000太拉瓦的强烈的X射线通量。

NIF装置内的大量射束使得激光照射具有比所提到的NOVA装置更接近于均匀的X射线场。然而，由于由激光束直接加热的热点(hot spot)和通过激光孔散失热量的冷点的原因，还会存在基本的不对称性。因为点火依赖于对芯块的平稳的X射线照射，靶设计都侧倾向于通过适当的定位激光加热的热点、调节包含芯块的黑体辐射空腔的精确长度并修正激光脉冲强度来使X射线通量中的不对称性减小到小于百分之一。与本发明的接触X射线驱动系统相反，黑体辐射空腔用于间接驱动系统。

假设激光驱动ICF的机制在于在黑体辐射空腔柱体壁处吸收光，其将激光转换成软X射线。黑体辐射空腔由高原子序数材料(例如金)制成，其最大化X射线的产量。这些X射线被迅速吸收，并通过设置成使辐射驱动热波散射到黑体辐射空腔的壁中由所述壁重新发射。大部分X射线最终流失到壁中，一些流出激光入射孔，而其他的被黑体辐射空腔的中心处的靶芯块吸收并驱动其聚爆。通常耦合到芯块的能量少于总能量的1/2，或者对于发电厂激光加热黑体辐射空腔来说大约为0.2。因此，与直接驱动相比，用于间接的耦合相对弱。(Rosen文献)

间接驱动在向芯块耦合能量方面比直接驱动效率更低，因为要转换成黑体辐射空腔内的X射线。然而，间接驱动对射束强度中的变化和流体动力学不稳定性的敏感性要差。直接驱动靶和间接驱动靶的点火阈值大约相同。然而，计算的增益在直接驱动靶中大约为大于2的系数。

X射线温度的选择对于聚爆和随后的点火反应是至关重要的，因为它规定了形成芯块外部烧蚀层的材料，如果该层足够平滑并且在X射线中均匀照射过，其烧蚀会以大约每秒400公里的速度(大于光速的千分之一)向内有效地推进并造成开始聚变反应所需要的压力和温度。(Haan文献)

最小化瑞利-泰勒不稳定性的关键问题之一在于X射线通量与烧蚀体表面之间的相互作用。在高通量下，材料的烧蚀也会带走不断增加的微扰。还可以通过使芯块层尽可能的平滑来最小化初始微扰。激光等离子体不稳定性和流体力学不稳定性对点火是互补的威胁，并且有意将靶设计成使这两个威胁大致平衡。要求较高激光强度较高温度恶化了激光等离子体不稳定性但最小化了流体力学不稳定性。反过来，低温最小化了激光等离子体不稳定性但扩大了流体力学不稳定性。结果，设计者得出低和高X射线温度边界，对于特定情况的氘-氚燃料为大约250电子伏特和350电子伏特，超出该边界，则有效的聚爆和点火就很难获得优化条件。其他燃料具有更高的能量要求。

由激光直接驱动的和由X射线驱动的聚爆的动力学之间的基本区别在于激光器以相对低的电子密度n(其对应于该激光器的波长的临界电子密度)吸收，而X射线以固态物质密度被更深地吸收进靶内，当被X射线通量离子化时其处于非常高的电子密度。因此，即使激光是1/3mm的光，典型的X射线吸收区域具有几乎大100倍的电子密度。

为了实现惯性约束足以实现热核燃烧的条件，聚爆燃料芯块在高密度和温度下被压缩。在实验室中，需要驱动器将能量传给芯块以实现聚爆。在实验室中存在三种可考虑用于ICF的驱动器：

(1)高功率激光器，

(2)加速的重离子，以及

(3)由脉冲动力机(pulsed power machine)生成的X射线。

我们将烧蚀速度限定为r Vabl 5dml。我们预期直接和间接驱动之间的Vabl存在满阶的幅度差。通过整体上较好的耦合[阶的 $\stackrel{\′}{\mathrm{\η}}r\left(0.8\right)\left(0.1\right)=8\%$ 而间接驱动为(0.2)(0.2)＝4％]，直接驱动比间接驱动在增益方面和更小的驱动器方面都具有优势，但它受到RT不稳定性的挑战。(Barnes文献)

压力P按照nTán^1/3I^2/3缩放。通过该缩放，我们预期直接驱动和间接驱动之间的压力差的系数大约为5，甚至在相等的能量通量时为10¹⁵W/cm²，在1/3mm激光具有大约90MB的压力，而X射线产生大约400MB的烧蚀区域压力。利用较高的耦合效率耦合的直接X射线驱动可获得的高压使其成为一种更可期望的备选。到目前为止直接X射线驱动还没有被选作大规模实验的原因之一是不能获得适当的驱动器。

为了实现ICF的条件，靶具有填充有氘氚(DT)气体的低密度(≤1mg/cm³)等克分子混合物的球形壳。球形壳由外部烧蚀体和冻结的或者液态的DT内部区域构成。来自驱动器的能量被释放给被加热并膨胀的烧蚀体。当烧蚀体膨胀时，壳的其他部分被向内推动以使动量守恒。芯块表现为一个球形的、烧蚀驱动的火箭。当芯块聚爆时，压缩波加热了中心区域。电子传导和辐射损耗则使中心区域致冷。需要30-40∶1的燃料聚焦率和10KeV的中心燃料温度，使得从DT的热核燃烧沉积的α粒子能够克服传导和辐射损耗，并且能够生成自保持燃烧波。

不对称的聚爆会使可用的能量更少地被压缩。假设可用的能量是这样的：在峰值燃料压缩处可容许对称性上的25％的偏差，则对称性上小于1％的偏差在预压缩芯块中是可以接受的。(Barnes文献)

前述讨论解释了靶聚爆物理学的动力学、直接驱动和间接驱动方案的相对效率和权衡以及瑞利-泰勒流体力学不稳定性(RTI)的影响。先前的工作集中在提高激光照射的均匀性上，以最小化RTI的影响。我们注意到，一旦点燃料芯块被点火，直接驱动和间接驱动聚变系统之间就没有区别了。

由于激光器是最普遍的高能驱动源，它们已经是大多数研究的焦点。已经使用了重离子束，但这些系统有效性比激光驱动系统差。已经利用X射线驱动完成了少量工作。这大部分是用Z箍缩(Z-pinch)或者等离子体聚焦驱动器实现的。这些系统中的任何一个都证明了实际上直接驱动的X射线聚变过程的可靠性或者效率。

美国专利4,723,263的受激X射线发射器(SXE)是唯一适于解决驱动器和RTI问题的。该系统有效地缩放为驱动聚变反应需要的尺寸。如果我们取NIF值为30千焦耳的X射线通量作为驱动聚变反应必须的值，则我们能够相应地缩放SXE系统。

如果我们使用6个驱动器，则各驱动器仅需要产生5千焦耳。12个驱动器缩放为2.5千焦耳能量，而20个驱动器缩放为1.5千焦耳能量。下面示出了产生(例如)2.5千焦耳能量的SEX驱动器需要满足的条件。

早期对SXE的研究表明其转换效率为10％。因此，要实现2.5千焦耳的输出，需要每个驱动器具有25千焦耳的DC输入。假设我们以500KV运行一英尺(30.48cm)直径的SXE，我们获得驱动器的每纵尺大约3.5千焦耳的能量。还假设我们需要20纳秒的X射线脉冲；这意味着需要20英尺长的SXE(6.1米长)。因此20英尺长的(6.1米长)SXE能够具有7千焦耳的X射线输出。因此，该驱动器实际上可以用于6驱动器配置中。使用20英尺的驱动器得到3,600平方英尺(335平方米)的密集型系统“脚印(footprint)”，并占据边长60英尺的立方体(216,000立方英尺或者6,116立方米)。这种系统足够的密集，可以用于海事应用，例如在航空母舰或者其他主要的海军舰艇中，或者专用的水上发电站中。

除了要考虑到RTI问题，这是非常有吸引力的。SXE在其输出脉冲中产生微小的平面波前。在6驱动器配置中，明显的是RTI可能会导致不能进行成功的反应。

然后，如果我们原意接受较小的效率损失，可以将切趾滤波器引入X射线束，如上面结合图6所讨论的。如这里所使用的，“切趾滤波器”是指具有中心比边缘更密集的透射剖面的准光学元件，具有一些从边缘到中心再到边缘的受控关注功能(controlled attentionfunction)。这将是相当于光带激光器通常使用以控制波前形状的切趾滤波器的X射线。SXE的滤波器将被用来产生凹入的波前。通过提高压缩波前的均匀性，凹入的波前的对称组件对抑制RTI非常有益。在配置中使用多于6个驱动器(例如12、14、20个或者更多的驱动器)提供了提高压缩波前的均匀性的潜能。利用切趾滤波器的优点在于最小化了所需要的驱动器的数量，这降低了系统的总成本和复杂性并提高了系统的可靠性。

这个概念也可以扩展到光驱动聚变系统中。然而，即使有直接X射线驱动的这些优点，特别是在考虑到快速反应类型的过程时，在确定要提高性能的同时X射线驱动的优点否定了光驱动系统中的使用。

尽管利用可变密度体作为切趾滤波器被认为是优选的实施方式，但注意到，可以利用衍射光学技术来构造用于软X射线带的切趾滤波器。衍射光学的典型形式是波带片。该器件利用菲涅耳波带(Fresnel zones)来修改波前。目前这种衍射滤波器比可变密度型切趾滤波器更难以制造。

SXE的能量存储增强

图7示出了利用直接集成到其结构中的能量存储电容器70来增强的SXE的立体图。与受控聚变反应相关的最难的问题之一是在非常短的时间内使足够多的能量进入反应中。必需将30千焦耳的X射线量级的能量在几纳秒内传送进入靶中。假设电流以光速或者接近光速(等于接近每纳秒一英尺(30.48cm))传播，并且这样做的时间只有几纳秒，显然能量存储装置必需接近于能量传送的装置。

在图4的SXE驱动器12的设计中的问题，通过如图7所示向SXE的外表面添加同轴电容器而得以解决。SXE的外表面是阴极68的外表面，因此它提供了一个非常大的低感应系数的连接手段。该电容器的全部内表面以相似的电接触方式连接到阴极。然后电容器缠绕在SXE上，直到它具有合适的直径，以提供存储反应需要的能量所需要的电容。

应当注意，阴极-栅极的极间空间是电容器本身，并存储相当多的能量。三英寸(75mm)直径结构存储每英尺(30.48cm)大约200皮法拉(picofarad)。如果在500,000伏特下运行，两英尺(61cm)直径的装置存储每英尺(30.48cm1.6纳法拉(nanofarad)，并且在阴极-栅极的极间空间存储大约4千焦耳。因此，同轴电容器只需要添加一千焦耳以满足聚变反应的要求。将该增强的存储装置包括在本发明的优选形式中的原因是为了进行大规模的商业发电。如果计划进行“快速聚变”反应，它也可以使用较短的能量驱动器12。在X射线脉冲宽度和能量上的权衡显示了该增强的可能需求。

电子耦合变压器

图8示出了电子耦合变压器的截面图。电子耦合变压器(ECT，Electron CoupledTransformer)是SXE衍生出的新型电子管。ECT是脉冲放大装置。它利用了与SXE相同类型的电子枪(即，阴极68和栅极66)。区别在于阳极64的设计和安装上。

在SXE中，阳极总是空的，并且填充有激光物质。输入端(图8的左下)总是连接到地。本发明的发明人认识到基本SXE结构与一类称为“线性加法器变压器(Linear AdderTransformer)”的高速变压器非常相似。在这些装置中，次级线圈是一端连接到地而另一端作为高电压输出端子的“管(stalk)”。一系列的螺旋管形(Toroidal)次级线圈堆叠在该管上。这些顺次脉冲，使得脉冲之间的时间等于脉冲沿着该管的传播时间。各次级线圈脉冲都加入次级线圈中的能量(电压)。

磁线性加法器变压器的缺点在于螺旋管形主线圈会进入饱和状态并且如果用太大的脉冲驱动它们会使场衰减。这限制了从这种类型的变压器提取能量的量。

本发明的发明人认识到线性加法器变压器与SXE之间存在极大的相似性。二者都结合了“管”。两者都使用了顺次驱动机制，但SXE由于其冷阴极的大电流处理能力具有大得多的电流处理能力。在早期的SXE实验中，阳极的两端都接地，因此不能看到高电压。2006年后期进行了一次实验，其中一个版本的SXE构造成只有一端接地，而使另一端高度绝缘。在该测试中使用了固态阳极64(图8)。将脉冲输入阴极并测量阳极输出。线性加法器变压器与ECT之间的最终区别在于在线性加法器变压器中，主线圈是单独的截然不同的实体。结果，得到的脉冲具有“楼梯(staircase)”前缘。ECT在其优选实施方式中具有连续的主线圈(阴极)，因而对其脉冲具有平滑的前缘。由于没有磁芯，ECT比线性加法器轻得多。100KV 100KAECT重量小于200磅(90.7千克)。

图9示出了前述测试的结果。输入脉冲86和输出脉冲84用同样的分压器在高速振荡器(Oscillator)上测量。输出脉冲比输入脉冲大数倍，因此证实了ECT的操作概念。

ECT的巨大能量处理能力给予了电源设计的一些选择。基本的选择是：

用于各驱动器12(无论使用多少个)的单个独立电源34、38(图3)，利用各电源中的高精度时延发生器使各驱动器同步。

两个大电源34、38(图3)，驱动器12总数的每一半各用一个，利用一个单个时延发生器使这两侧同步。

通过类似于相位匹配网络134、136(图5A-5C)的网络分配高电压，其中，控制传输线36的长度以确保驱动器12的同步。

用于驱动整个系统的单个大电源34、38。通过类似于相位匹配网络134、136(图5A-5C)的网络分配高电压，其中，控制传输线36的长度以确保驱动器12的同步。

尽管理论上是可能的，但上述第3项的设计就几何结构和安全原因来说是不实用的。高压传输线36(图3)将会非常长，并且会存在电弧放电的风险。

上述第2项的设计更实用一些，但仍然有较长的传输线36(图3)。然而，它确实有减小的系统复杂性并因此有较高的可靠性的优点。ECT42和脉冲调制器38设计会处理通过该设计所强加的负载。

上述第1项的设计是最复杂的，但在某些方面来说是最容易实现的。用于各驱动器12的单个电源34、38将会具有“适中的尺寸”。非常好的是从电源34、38到驱动器12的高压传输线36将会极其短。各电源34、38需要通过其自己的时延发生器来控制，并且存在必需的调节处理，使所有驱动器12在时间上同步。

注意到，也可以通过机械手段使各驱动器12同步。这样，高压输入线36的物理长度可以进行小量(调小数英寸或毫米)调节以实现各驱动器12的时间同步。

再参考图8，可以看到ECT在形式上几乎与SXE(图4)相同，但尺寸、阳极和输出是不同的。在优选实施方式中，ECT被包装在玻璃真空封套76内。在输出端存在坚固的高压绝缘体80，其提供了与外界的恒定的电阻抗连接。栅极和阴极信号分别通过馈通74和72馈入。整个装置包装在铅辐射屏78中以容纳形成的横向辐射场。屏78的厚度是阴极电压的函数，并且通过传统的手段来计算以确定辐射的安全屏蔽。

注意到，在带有ECT的“能量存储增强的SXE”中利用上述同轴电容器能量增强方案既是可能的也是实用的。这会是一种便利方法，使得附加能量对于极高功率应用的ECT是可用的。组合SXE和RF能量驱动器

图10示出了组合了RF生成装置的SXE，而图11示出了RF生成装置。具体地，通常称为虚阴极振荡器(Vircator：Virtual Cathode Oscillator)的单独的管子安装到图11中的SXE的输出(所示的右端)端上。在该配置中，利用电子耦合变压器(ECT)原理来使用由SXE处理产生的高压脉冲，并将其直接应用到虚阴极振荡器的阴极90上。虚阴极振荡器本体形成了当阴极点燃时会振荡的共振腔98。栅极92控制虚阴极振荡器的点火。从SXE的栅极的输出端子142获得控制信号，该端子位于远离相位匹配网络的相对端。作为SXE的栅极的行波作用的结果，将触发脉冲顺次应用于虚阴极振荡器。阴极和栅极在其中心包含X射线脉冲传播通过的孔径。

前述系统的新颖性在于，它组合了两种鲜为人知的技术，即，直接X射线驱动和RF加热，以便实现提高的系统效率。这个概念是实用的，因为SXE会产生高压直流脉冲，不管是否使用它。然而，如果没有应用RF加热器，然后SXE的输出接地，并且不产生高压直流电脉冲。然后电能使系统处于地回路中的电流脉冲的形式。但是，因为HVDC脉冲是可用的，利用它是有意思的，特别是因为利用它对X射线输出没有影响。

图11示出了虚阴极振荡器RF头的截面图。基本元件是阴极90、栅极92、网格阳极(meshanode)94、共振腔98以及输出窗96。驱动脉冲直接来自SXE 12的阳极，其通过阴极馈通102直接附接到虚阴极振荡器阴极上。虚阴极振荡器通过来自SXE栅极142的输出信号触发。当触发了虚阴极振荡器时，通过共振腔98中的振荡形成RF能量脉冲串。该能量具有由腔98的尺寸确定的谱分布。通常，该能量在200MHz与2.5GHz之间。该能量通过输出窗96从虚阴极振荡器输出，并进入靶室10。虚阴极振荡器是能够集成到SXE 12以提高系统工作性能的一种RF源。虚阴极振荡器的阴极90在其中心具有孔径93，X射线脉冲通过该孔径93从SXE传递到靶室10中。

图12示出了在SXE的输出(所示的右端)端组合了磁绝缘线性振荡器(MILO：Magnetically Insulated Linear Oscillator)的SXE的截面图。MILO是另一种熟知的高功率RF源，类似于虚阴极振荡器。显著差别在于它能够比虚阴极振荡器产生高得多的频率。在结构上，主要区别在于结合了图14A的漂移管122以及替代虚阴极振荡器的平面阴极90和栅极92而使用了行波电子枪(TWEG)。还有共振腔98，其尺寸与漂移管122(图14A)的尺寸一起确定输出范围。传统的MILO装置具有300MHz到3.5GHz之间的输出。本发明的发明人已经在实验上验证了通过将栅格表面置于漂移管122(图14A)的内部面上，如图14B所示，可以产生比从滑膛漂移管122获得频率高得多的RF。该RF源是由史密斯-珀塞尔(Smith-Purcell)效应造成的，该效应描述了相对论电子束与栅格表面123的相互作为。太赫兹(THz)的输出是可能的。该栅格表面可以由许多方法形成。间隔、面角和栅格几何结构对于实现的频率都是决定性的(图14B)。已经确定漂移管栅格的优选实施方式是内螺纹，如图14A和14B所示。通过改变螺纹参数来改变输出频率。漂移管125的端部被切成圆角以最小化共振腔98内部不需要的电场微扰的形成。

SXE-MILO驱动器的平衡与SXE-Vircator相同。实际上，RF头-Vircator和MILO-可以相互交换。由于在SXE-Vircator的情况下，MILO的TWEG具有X射线穿过的空的中心。从TWEG输出的电子被漂移管122压缩，并在共振腔98中振荡。

聚变发电系统效率

基于SXE的聚变发电系统具有比所有其他聚变发电系统高得多的效率。这是由于两个因素：

(1)直接X射线驱动比任何间接方法内在地更有效。

(2)多种方式的能量提取。

让我们考虑什么是聚变过程的基本效率决定因素。我们首先考虑启动聚变反应需要的能量的量。

假设：

W＝输入到驱动器的功率，(NIF＝400太瓦；SXE＝50兆瓦)

X＝产生X射线需要的能量(NIF＝1.5兆焦耳，SXE＝50千焦耳)

Y＝驱动反应需要的X射线的量(25千焦耳；各种情况下)

Z＝聚变的总能量输出，(输入能量的1000倍；各种情况下)

T＝反应燃烧时间(5赫兹重复频率＝200毫秒；各种情况下)

我们现在可以做出以下陈述：X＞Y，并且对于一个实用的系统，Z＞＞X

在NIF的情况下，X＝1.5兆焦耳，而Y＝25千焦耳(对于D-T反应)。根据研究者，在NIF处，燃料芯块的完全燃烧将产生“输入它[靶]的能量量的600倍到1000倍之间的能量”(Haan参考文献)。Haan博士没有告诉我们他是否指的是激光功率输入或者X射线输入。如果他指的是1.5兆焦耳的激光功率输入，这将与1.5吉焦耳(GigaJoule)有争议，如果他指的是X射线输入，则25千焦耳输入将产生25兆焦耳的输出。

NIF基本设计要求芯块注入速率为5芯块每秒，因此假定等离子体有效寿命是200毫秒是合理的。

NIF系统要求大约400太瓦的功能(4X10¹²瓦)来实现该目标。如果我们使用25千焦耳的实际X射线输入，输出为25兆焦耳，输出值乘以燃烧时间等于5兆瓦。消耗400太瓦产生5兆瓦输出的系统具有0.00015％的效率。如果我们要将作为倍增器的激光器的输入功率用来替代X射线输入功率，输出将只仅仅大约为250吉瓦。在任何情况下，当与巨大的输入功率要求(400太瓦)相比时，很清楚的是，NIF只是该处理中的一步，而不是应当实现无损耗状况的系统。

现在让我们来考虑基于SXE的利用了与上述分析的NIF同样的D-T反应以及燃料芯块的系统。我们先前示出了D-T聚变反应产生200毫秒时间的每芯块2.5×10⁸瓦(250吉瓦)的能量。SXE驱动系统将消耗25兆焦耳，以200毫秒时间被算出是(2.5×10⁸)×(2×10^-1)＝5×10⁷瓦或者500兆瓦。

消耗500兆瓦产生同样的250吉瓦的系统的效率为500％(输出/输入＝效率)。我们将兰金循环损耗考虑进来并产生250％的效率。

前述计算没有考虑本发明的优选实施方式的最重要的特性之一：同时使用直接提取高压直流电力以运行SXE驱动器(其运行于高压直流电)。直接提取处理已经证实了大约85％的效率。这意味着从热输出中抽取500兆瓦的15％(75兆瓦)，留下249吉瓦以上可以输出给功率栅极。该特性使得海事应用的SXE系统针的应用成为实际，因为该系统的尺寸足够小，以允许结合于具有100英尺(30.5米)或者更长的船梁的任何船只上。该分析还表明本申请中描述的基本设计系统不只是能够超越无损耗条件。

替代能量驱动器

本发明不限于将SXE及其衍生物用作X射线源，以提供启动聚变反应的能量。现有技术中存在一种称为等离子体聚焦装置(Plasma Focus device)的装置。这是具有与SXE结构不同的电子管。它能够产生直接驱动聚变应用的能量级的强X射线脉冲串。它有几个不利的方面，使得它不如SXE用作聚变驱动器。

等离子体聚焦不产生SXE会产生的X射线准直射束。这是不理想的，因为需要将能量聚焦在靶上。SXE产生恰当直径的准直射束。等离子体聚焦需要二维上呈曲面的离轴反射器。该反射器可以用于使射束准直或者使其集中在靶芯块上。射束质量是这样的，它需要利用本发明的优选实施方式的切趾滤波器将波前校正为有用的形状。

等离子体聚焦不产生如SXE会产生的同时产生的高压直流输出脉冲。这是一个缺点，因为它意味着外部加热或者压缩技术需要独立的电源，并且会严重降低聚变反应堆的效率。(Gai文献)

附图标号

附图标号的以下列表有三列。第一列是附图标号；第二列具体指明与附图标号相关联的部件；而第三列指出该部件的优选材料(如有)。

标号列表         优选材料

10靶室           不锈钢

12SXE的X射线驱动器(6处)        各种各样

14能量提取锥(6处)              各种各样

16靶芯块注入器                 各种各样

18热冷却剂入口                 不锈钢

20热冷却剂出口                 不锈钢

22靶芯块位置                   无

24冷却剂通路道层               无

28衬垫                         耐熔金属

30磁约束线圈                   铜

32磁约束驱动                   无

34脉冲调制器                   电子装置

36连接到SXE驱动器的高压直流    电子装置

38能量存储及电力调节           电子装置

40启动及补偿电力               电子装置

42电子耦合变压器               各种各样

44高压直流电源                 电子装置

46直流提取装置栅极             耐熔金属

48能量存储的高压直流循环       无

56平面波                       X射线

58切趾滤波器                   各种低Z材料

60校正的波前                   X射线

62衰减行波                     电子

64阳极                         耐熔金属；高Z材料()

66栅极                         耐熔金属

68阴极                         石墨(优选实施方式)

70同轴电容器                   电介质/金属层

72阴极馈通                     陶瓷和金属

74栅极馈通                     陶瓷和金属

76玻璃真空封套                 玻璃(陶瓷、不锈钢)

78辐射屏                       铅

80阳极输出绝缘体                陶瓷

84ECT输入波形                   无

86ECT输出波形                   无

90虚阴极振荡器阴极              石墨

92虚阴极振荡器栅极              耐熔金属

93虚阴极振荡器阴极中的孔径      无

94阳极网格                      耐熔金属

96输出窗                        RF透明低Z陶瓷

98共振腔                        不锈钢或铜

100安装法兰                     不锈钢

102阴极馈通                     陶瓷和金属

104阴极支撑件                   耐熔金属

106栅极馈通                     陶瓷和金属

108栅极支撑件                   耐熔金属

110吸气泵                       无

112吸气泵馈通                   陶瓷和金属

114MILO阴极                     石墨

116MILO阴极支撑件               耐熔金属

118MILO栅极                     耐熔金属

120MILO栅极支撑件               耐熔金属

122漂移管                       耐熔金属

124漂移管支撑件                 陶瓷

125漂移管的切成圆角的端部       耐熔材料

126内部阳极绝缘体               陶瓷

128栅极绝缘体                   陶瓷

130上栅极支撑环                 不锈钢

132下栅极支撑环                 不锈钢

134相位匹配网络线               不锈钢

136相位匹配网络连接器           不锈钢

138内部阳极绝缘体               陶瓷

140相位匹配网络端绝缘体    陶瓷

142栅极输出端子            耐熔金属

144连到栅极馈通的线        陶瓷和金属

146栅极张力弹簧            不锈钢

148垫圈                    不锈钢

150六角螺母                不锈钢

152相位匹配网络绝缘体      陶瓷

参考文献

以下参考文献在说明书中以简化形式进行了引用。例如，对于作者“Nakai”的简化文献引用成以下形式：(Nakai文献)。

″On Target Designing for Ignition″，Steven Haan，Lawrence Livermore，Science &Technology Review，July/August，1999

″The Physics Issues That Determine Inertial Confinement Fusion Target Gain andDriver Requirements：A Tutorial″，Mordecai D.Rosen，Lawrence Livermore NationalLaboratory，Livermore，California 94550 12 November 1998，Physics of Plasmas，Vol.6，No.5.

″Convergent Hydrodynamics of Inertial Confinement Fusion Implosions″，C.W.Barnes，LLNL Physics Division 132 Progress Report 1997-1998

″Fundamental Experiments on Hydrodynamic Instability in Direct Drive Laser Fusion atGekko XII″，M.Nakai，Institute of Laser Engineering，University of Osaka，Japan.

″Production of Fast Neutron with a Plasma Focus Device″，Moshe Gai，Laboratory forNuclear Science at Avery Point，University of Connecticut，5May 2006

前面描述了既提取高压直流能量又提取热能的聚变发电系统。在一个实施方式中，提取的高压直流能量能够用作维持受控聚变反应的能量源。可以利用切趾滤波器对到达燃料芯块的驱动能量波前进行整形来实现将驱动能量集中到靶芯块上的高流体力学稳定性。

尽管通过例示的方式针对具体实施方式对本发明进行了描述，但对于本领域的技术人员来说可以做出许多修改和变更。因此，应当理解，所附权利要求是要覆盖落入本发明的真正范围和精神内的所有这样的修改和变更。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1、一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，该系统包括：

a)用于容纳聚变靶材料的中央靶室；

b)多个能量驱动器，在数量上至少为6个，其设置在所述靶室外部的周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；

c)所述能量驱动器定向成使得关于所述聚变靶材料的球形芯块以三维对称方式向所述聚变材料提供电磁能量；

d)用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括：

i)从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及

ii)从所述中央靶室提取热能的装置。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应。

3、根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包括一体装置，所述一体装置产生以下两者：

a)X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和热量形式的能量释放；以及

b)加热所述聚变靶材料的RF能量。

4、根据权利要求2所述的系统，该系统还包括：

a)切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的；

b)所述切趾结构由以下之一限定：

i)厚度沿着所述X射线脉冲的方向变化的固体物；所述切趾滤波器的厚度在所述X射线脉冲的波前中心附近比在所述波前的边缘附近厚；或者

ii)衍射光学元件。

5、根据权利要求3所述的系统，该系统还包括：

a)切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的；

b)所述切趾结构由以下之一限定：

i)厚度沿着所述X射线脉冲的方向变化的固体物；所述切趾滤波器的厚度在所述X射线脉冲的波前中心附近比在所述波前的边缘附近厚；或者

ii)衍射光学元件。

6、根据权利要求1、2、3或4所述的系统，其中，所述多个能量驱动器通过能量存储装置供电；所述能量存储装置从以下各处接收电力：

a)提供启动电力和补充电力的第一电源；以及

b)通过从所述聚变等离子体提取的高压直流电力获得能量的第二电源；

其中，所述启动电力是启动所述聚变反应需要的总能量，而所述补充电力是为维持所述聚变反应的操作而从所述第二电源添加的能量。

7、根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都利用以下各项中的任何一种或者其组合构成的X射线源气体：氧、氮、氖、氩、氪、氡、铋、汞和铀。

8、根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都具有大约200电子伏特到100千电子伏特之间的X射线驱动能量。

9、根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都利用以下元素中的任何元素或者其任何组合构成的激光介质：原子序数在7到93之间的任何元素。

10、根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包括具有柱形三极电子管的X射线源，所述电子管具有沿着其主轴的空心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述X射线源被设计成使得所述栅极和所述阴极之间的关系形成支持横电模式的圆形波导管；所述各能量驱动器设计成：

a)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

b)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子，所述带以光速沿着所述阴极的内部中空的空间如同波前一样扫过；所述阳极的内部空间填充有激光介质，所述激光介质被扫过的韧致辐射和电子带波前完全离子化；以及

c)所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

11、根据权利要求10所述的系统，其中，所述外部能量存储装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。

12、根据权利要求10所述的系统，其中，所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

13、根据权利要求10所述的系统，其中：

a)所述X射线源还在所述阳极的输出端产生高电压脉冲；以及

b)所述高压脉冲用于通过RF生成装置产生用于加热所述聚变靶材料的RF加热脉冲，所述RF生成装置包括共振腔和附接到所述X射线源的阴极的输出端的电子枪，以便产生与所述X射线脉冲一致的相位相干的RF能量脉冲串。

14、根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一电源利用电子耦合变压器产生与所述第二电源产生的电力兼容的高压脉冲，并加到所述第二电源产生的电力中。

15、根据权利要求14所述的系统，其中，所述电子耦合变压器包括：

a)柱形三极电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述电子耦合变压器被设计成在所述输出端子测量的电压根据所述扫过的电子束上升；其中：

i)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

b)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极如同波前一样扫过；

b)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述结构的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

c)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且将其能量蓄存在所述阳极上；以及

d)所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

16、根据权利要求15所述的系统，其中，所述外部能量装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。

17、根据权利要求15所述的系统，其中，所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

18、根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个能量驱动器的各驱动器的RF生成装置包括在所述电子枪的阴极中具有中心孔径的虚阴极振荡器，所述中心孔径使得X射线脉冲能够穿过前述阴极。

19、根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个能量驱动器的各驱动器的RF生成装置结合了形成了在所述电子枪的阴极中具有中心孔径的磁绝缘线性振荡器的柱形漂移管，所述中心孔径使得X射线脉冲能够穿过前述阴极。

20、根据权利要求18或19所述的系统，其中，所述RF生成装置在通过所述能量驱动器的内部互联元件启动所述X射线脉冲以后自动顺序触发。

21、根据权利要求19所述的系统，其中：

a)所述漂移管在所述管的内表面上具有周期性的栅格几何结构；

b)所述栅格几何结构的周期和形状以及所述入射电子束的能量决定所述磁绝缘线性振荡器的RF输出频谱；以及

c)所述电子束的能量大于100,000电子伏特。

22、根据权利要求20所述的系统，其中：

a)所述漂移管在所述管的内表面上具有周期性的栅格几何结构；

b)所述栅格几何结构的周期和形状以及入射电子束的能量决定所述磁绝缘线性振荡器的RF输出频谱；以及

c)所述电子束的能量大于100,000电子伏特。

23、一种用于从受控聚变反应提取能量的方法，该方法包括：

a)提供用于容纳聚变靶材料的中央靶室；

b)设置多个能量驱动器，数量上至少为6个，在所述靶室外部的周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；所述能量驱动器定向成使得关于所述聚变靶材料的球形芯块以三维对称方式向所述聚变材料提供电磁能量；

c)提供用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括：

i)提供从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及

ii)提供从所述中央靶室提取热能的装置。

24、根据权利要求23所述的方法，其中：

a)所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应；以及

b)所述方法还包括通过切趾结构使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的，所述切趾结构限定为衍射光学元件或者厚度沿着所述X射线脉冲的方向变化的固体物中的任何一个；所述切趾滤波器的厚度在所述X射线脉冲的波前中心附近比在所述波前的边缘附近厚。

25、一种用于生成高压脉冲的电子耦合变压器，该电子耦合变压器包括：

a)柱形三极电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述电子耦合变压器被设计成在所述输出端子测量的电压根据所述扫过的电子束上升；其中：

i)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

ii)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，使得沿着所述阳极的长度形成与所述径向上对称的衰减行波电子束同步扫过的电压；

b)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述结构的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

c)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且将其能量蓄存在所述阳极上；以及

d)所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

26、根据权利要求25所述的系统，其中，所述外部能量装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。

27、根据权利要求25所述的系统，其中，所述扫过的波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

28、根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述切趾结构由厚度沿着所述X射线脉冲的方向变化的固体物限定；所述切趾滤波器的厚度在所述X射线脉冲的波前中心附近比在所述波前的边缘附近厚。

29、根据权利要求24所述的方法，其中，通过切趾结构使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的，所述切趾结构限定为厚度沿着所述X射线脉冲的方向变化的固体物；所述切趾滤波器的厚度在所述X射线脉冲的波前中心附近比在所述波前的边缘附近厚。

30、一种漂移管，该漂移管包括：

a)中空的柱形传导元件，所述元件在所述中空的柱形传导元件的内表面上具有栅格表面；

b)所述栅格表面具有特定节距和闪耀角，使得当来自电子束源的近相对论电子速通过所述中空元件的内部空间，所述电子束与所述内部栅格表面上的最内表面点沿着所述中空元件的中心轴相切；

c)所述漂移管的端部被切成圆角以最小化电应力积累；以及

d)所述电子束与所述最内表面点之间的相互作用通过史密斯-珀塞尔效应产生可预料的RF辐射。

31、根据权利要求30所述的漂移管，其中，所述栅格表面包括节距相当于所述栅格表面节距并且螺纹牙形相当于所述闪耀角的连续螺纹表面。

32、根据权利要求30所述的漂移管，其中，所述漂移管与所述电子束源电隔离并可以“漂浮”到所述中空元件自然上升的任何电压。

Claims (27)

1、一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，该系统包括：

a)用于容纳聚变靶材料的中央靶室；

b)多个能量驱动器，其设置在所述靶室的周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；

c)用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括：

i)从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及

ii)从所述中央靶室提取热能的装置。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应。

3、根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包括一体装置，所述一体装置产生以下两者：

a)X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和热量形式的能量释放；以及

b)加热所述聚变靶材料的RF能量。

4、根据权利要求2所述的系统，该系统还包括切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的各个驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。

5、根据权利要求3所述的系统，该系统还包括切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的各个驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。

6、根据权利要求1、2、3或4所述的系统，其中，所述多个能量驱动器通过能量存储装置供电；所述能量存储装置从以下各处接收电力：

a)提供启动电力和补充电力的第一电源；以及

b)通过从所述聚变等离子体提取的高压直流电力获得能量的第二电源；

其中，所述启动电力是启动所述聚变反应需要的总能量，而所述补充电力是为维持所述聚变反应的操作而从所述第二电源添加的能量。

7、根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都利用以下各项中的任何一种或者其组合构成的X射线源气体：氧、氮、氖、氩、氪、氡、铋、汞和铀。

8、根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都具有大约200电子伏特到100千电子伏特之间的X射线驱动能量。

9、根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都利用以下元素中的任何元素或者其任何组合构成的激光介质：原子序数在7到93之间的任何元素。

10、根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包括具有柱形三极电子管的X射线源，所述电子管具有沿着其主轴的空心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述X射线源被设计成使得所述栅极和所述阴极之间的关系形成支持横电模式的圆形波导管；所述各能量驱动器设计成：

a)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

b)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极的内部中空的空间如同波前一样扫过；所述阳极的内部空间填充有激光介质，所述激光介质被扫过的韧致辐射和电子带波前完全离子化；以及

c)所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

11、根据权利要求10所述的系统，其中，所述外部能量存储装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。

12、根据权利要求10所述的系统，其中，所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵浦或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

13、根据权利要求10所述的系统，其中：

a)所述X射线源还在所述阳极的输出端产生高压脉冲；以及

b)所述高压脉冲用于通过RF生成装置产生RF脉冲，所述RF生成装置包括共振腔和附接到所述X射线源的阳极的输出端的电子枪，以便产生与所述X射线脉冲一致的相位相干的RF能量脉冲串。

14、根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一电源利用电子耦合变压器产生与所述第二电源产生的电力兼容的高压脉冲，并加到所述第二电源产生的电力中。

15、根据权利要求14所述的系统，其中，所述电子耦合变压器包括：

a)柱形三极管电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述电子耦合变压器被设计成在所述输出端子测量的电压根据所述扫过的电子束上升；其中：

i)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

ii)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极如同波前一样扫过；

b)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述结构的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

c)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且将其能量蓄存在所述阳极上；以及

d)所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

16、根据权利要求15所述的系统，其中，所述外部能量装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。

17、根据权利要求15所述的系统，其中，所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

18、根据权利要求10所述的系统，其中，所述多个能量驱动器的各驱动器的RF生成装置包括在所述电子枪的阴极中具有中心孔径的虚阴极振荡器，所述中心孔径使得X射线脉冲能够穿过前述阴极。

19、根据权利要求10所述的系统，其中，所述多个能量驱动器的各驱动器的RF生成装置结合了形成了在所述电子枪的阴极中具有中心孔径的磁绝缘线性振荡器的漂移管，所述中心孔径使得X射线脉冲能够穿过前述阴极。

20、根据权利要求17或19所述的系统，其中，所述RF生成装置在通过所述能量驱动器的内部互联元件启动所述X射线脉冲以后自动顺序触发。

21、根据权利要求19所述的系统，其中：

a)所述漂移管在所述管的内表面上具有周期性的栅格几何结构；

b)所述栅格几何结构的周期和形状以及所述入射电子束的能量决定所述磁绝缘线性振荡器的RF输出频谱；以及

c)所述电子束的能量大于100,000电子伏特。

22、根据权利要求20所述的系统，其中：

a)所述漂移管在所述管的内表面上具有周期性的栅格几何结构；

b)所述栅格几何结构的周期和形状以及入射电子束的能量决定所述磁绝缘线性振荡器的RF输出频谱；以及

c)所述电子束的能量大于100,000电子伏特。

23、一种用于从受控聚变反应提取能量的方法，该方法包括：

a)提供用于容纳聚变靶材料的中央靶室；

b)设置多个能量驱动器在所述靶室周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；

c)提供用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括：

i)提供从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及

ii)提供从所述中央靶室提取热能的装置。

24、根据权利要求23所述的方法，其中：

a)所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应；以及

b)所述方法还包括通过切趾结构使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。

25、一种用于生成高压脉冲的电子耦合变压器，该电子耦合变压器包括：

a)柱形三极电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述电子耦合变压器被设计成在所述输出端子测量的电压根据所述扫过的电子束上升；其中：

i)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

b)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极如同波前一样扫过；

b)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述结构的直线轴以光速传播并且处于横电模式；

c)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且将其能量蓄存在所述阳极上；以及

d)所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

26、根据权利要求25所述的系统，其中，所述外部能量装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。

27、根据权利要求25所述的系统，其中，所述扫过的波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。

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