CN102089830A - 单程重离子聚变系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单程重离子聚变系统，其包括：电流倍增方法的新布置，其采用多组同位素来实现将放大电流的任务分配于所有各个过程中的所需效果，从而缓解对任何一个过程造成的压力，并且增加确保ICF(惯性约束聚变)电力生产的安全裕度。极大增加点火驱动器脉冲的能量和功率，从而增加靶加热强度并且使得能容易获得可靠的点火。本设计消除了对储存环的需要。进一步的创新在于，在直线加速器输出端与各个腔室中每一个之间的总距离不同的最一般情况下，给予HIF(重离子聚变)驱动器用以驱动多个腔室的灵活性。多个腔室的使用急剧减少了每个电力生产单位的成比例资本投资和营运成本，从而转而减少用户的电力花费。

Description

单程重离子聚变系统和方法

技术领域

一般意义上，本发明涉及聚变电力系统。更具体来说，本发明涉及单程重离子聚变系统和方法。

背景技术

由R.L.Martin和A.W.Maschke于1975年定义的重离子驱动器使用高能RF(射频)加速器系统的已知能力来存储兆焦耳量级的离子束能量并且将所存储的能量聚焦到十分小的斑点上。他们发现具有高原子序数(Z)的原子核在一半光速下的较短停止距离意味着能够在含有聚变燃料的小靶中产生引发较小的清洁聚变爆炸和生产聚变电力所需的能量密度。而且他们表示，连续存储的束可重新布置成多根聚流，长度上受到压缩，并且以聚变点火和燃烧过程的动力所需的短持续时间脉冲输送到靶。

因为质子抵抗致使它们从其受控路径上偏离的过程，诸如撞击或多次散射，并且其电荷改变至0(中性)或负(H-)的概率较低，所以质子束可经历较长时段的累积和存储。另一方面，即使在高度真空中仍存在与残留原子碰撞改变重离子电荷状态的概率，因此需要在转瞬间产生点火脉冲。这与ICF(惯性约束聚变)发电站需要频繁脉冲相一致，并且对于加速器系统来说常规的是每秒脉冲许多次。然而，对在有限时间内产生点火脉冲的需要对去除了缓慢脉冲机器(如同步加速器)的加速器技术来说是个约束。

因此，在重离子聚变(HIF)一开始，确立一些原则：

●在每个离子中提供若干GeV的能量意味着产生束脉冲以引发ICF燃烧，所述燃烧具有：很高的总束能量、严格的聚焦特性和明确过程所需的束流；

●技术性问题在于将用于点火器脉冲的总流重新布置到燃料压缩和点火过程所需的较短持续时间内；

●经济上的问题在于粒子加速器的成本较高，从而与传统观念的发电不符；

●一个加速器具有传统发电站许多倍的输出能力，从而使得每单位能量的成本较低；

●利用这一点，通过在高温下使用高等级热量来产生氢并且合成液态燃料以及降低诸如钢和铝之类其他能源密集型工业的成本，而获得有利的经济意义。

用于产生重离子聚变点火脉冲的电流放大过程

重离子加速解决了在小聚变靶中沉积数兆焦耳束能量的问题。还必须用较短的持续时间以脉冲来将束能量输送到靶，例如以大约10纳秒的持续时间，这与通过迅速压缩和加热至点火来点燃较小的聚变爆炸以便在压缩和加热的燃料能够飞离之前实现聚变燃烧的时间段一致。使用能通过相同分析工具验证的方法，以所有成功加速器(Martin，Maschke)和其他定义的系统实例的设计为基础，重构束并且在该时间段上将其输送到靶。

可重复、可靠且有效产生可严格聚焦的高能离子束的关键在于物理“守恒定律”，以及同样可靠的更为熟知的关系式E＝mc2或F＝ma。源自与熟知的热力学领域相同基础的这些物理学约束在陈述中有所概述，其中束的最终聚焦性不可能比通过在束产生过程开始时所定义的“6D相空间”的体积来定义的聚焦性更好。该“空间”的六个维度中的四个维度为两类传统的欧几里得维度，其垂直于束方向，结合相对于在轴上且平行于其移动的标称离子的轨道角度。其他两个维度为粒子能量与标称(理想)能量之差和时间轴上相空间椭圆的宽度。

带电粒子束的“弹道”聚焦类似于聚焦光束：斑点尺寸取决于进入电磁透镜的粒子路径平行性、透镜孔径和象差。聚焦每个粒子具有动量范围的粒子束的效果类似于聚焦具有各种波长(或光子能量或“颜色”)的光的“色”差(其图解示出于棱镜光谱中)，并且术语“色差”还用在“粒子束光学”中。

个别电流放大方法和所提出的HIF“点”设计在1975年至1980年期间受到激烈探讨。对束压紧方法的验证使得通过以下方程式简便地概述其个别影响，所述方程式示出输送到靶的总束流是如何从单离子源产生的电流开始进行积累：

I_靶＝I_源×N_源×N_注入×N_压缩×N_{beams_on_target}        (1)

在所述靶上的束功率为粒子的电流与每个粒子能量的乘积。点火需要约1PW(一千万亿瓦或十亿兆瓦)的点火器脉冲功率。这可以通过(例如)具有50kA(千安培)总电流(等分在一定数量的束中)的20GeV离子来提供。

放大最终电流的另一个手段(Burke于1978年提出)为加速多组同位素的离子。该方法有效地倍增设计者可用的6D相空间，因为物理约束分别施加到每个同位素上。多组同位素技术的动机在于获得设计裕度并且缓解针对束放大/压缩/压紧的其他技术的压力。然而，使用该额外设计因素来达到最佳效益的潜在方式并未受到积极探索，并且仅在1995年至1997年期间经国际性探讨的“点”设计中正式采用。

发明内容

一种单程重离子聚变系统包括：电流倍增方法的新布置，其采用多组同位素来实现将放大电流的任务分配于所有各个过程中的所需效果，从而缓解对任何一个过程造成的压力，并且增加确保ICF(惯性约束聚变)电力生产的安全裕度。极大增加点火驱动器脉冲的能量和功率，从而增加靶加热强度并且使得能容易获得可靠的点火。本设计消除了对存储环的需要。进一步的创新在于，在直线加速器输出端与多个腔室中每一个腔室之间的总距离不同的最一般情况下，给予HIF(重离子聚变)驱动器用以驱动各个腔室的灵活性。使用多个腔室急剧减少每个电力生产单位的成比例资本投资和营运成本，从而转而减少用户的电力花费。

附图说明

图1提供HIF驱动器和单程HIF系统的图式；

图2提供腔室和通过锂支承环(sabot)和液态锂喷雾使所述腔室防御中子的图示；

图3提供经构造以引起优选方向上(诸如，沿圆柱包封容器的轴线)的膨胀的锂支承环的图示；

图4图示通过锂流来使球形反应腔室防御中子；

图5提供聚变能量释放之后在锂等离子体膨胀大约一微秒的初期时反应腔室环境的图示；

图6示出通过非接触至顶循环将能量转变为电力的示意性布置；

图7提供涉及历时大约10微秒时间段的传输、操纵和处理技术来进行的脉冲直接能量转变的图式；

图8示出通过恢复锂来接收聚变能量释放、恢复真空来允许传播HIF(重离子聚变)点火器脉冲的反应腔室；

图9提供圆柱包封容器和初级辅助元件、主要初级热交换器、燃料注入器和用于排出反应产物和剩余未反应燃料的部分的真空泵的图示；

图10提供HIF驱动器的高级方框图；

图11提供图10的HIF驱动器的详细方框图；

图12提供源、HVDC(高压直流电)和束结构的图式；

图13提供来自同位素源和HVDC前加速器的脉冲结构的图式；

图14提供RF加速器中脉冲结构的图式；

图15图示通过汇集微聚束来进行的电流放大方法；

图16提供在倍频下在包括交错微聚束的直线加速器的一段中的束瞬间结构的图示；

图17图示使用三个物种进行说明的脉段(slug)的长度和间距；

图18提供图示由偏置RF频率差别加速的微聚束的图式；

图19提供图示收拢(snug)和收拢停止的图式；

图20提供图示通过偏置RF频率产生的差别加速的图式；

图21提供通过收拢增加脉段之间的间隙的图示；

图22提供螺旋延迟线(HDL)的图式；

图23提供平滑器(slicker)下游的微聚束运动的图式；

图24提供通过平滑的潜在最小脉段持续时间的图示；

图25提供实现理想结果的平滑的图示；

图26提供最佳平滑作用的图示；和

图27提供与具有大速度差异的脉段之间的时间间隙相比较，摆动上升时间的图示。

具体实施方式

一种单程重离子聚变系统包括：电流倍增方法的新布置，其采用多组同位素来实现将放大电流的任务分配于所有各个过程中的所需效果，从而缓解对任何一个过程造成的压力，并且增加确保ICF(惯性约束聚变)电力生产的安全裕度。极大增加点火驱动器脉冲的能量和功率，从而增加靶加热强度并且使得能容易获得可靠的点火。本设计消除了对存储环的需要。进一步的创新在于，在直线加速器输出与多个腔室中每一个之间的总距离不同的最一般情况下，给予HIF(重离子聚变)驱动器灵活性来驱动各个腔室。使用多个腔室急剧减少每个电力生产单位的成比例资本投资和营运成本，从而转而减少对于用户的电力花费。

聚变能事业

现在有压到性证据表明，清洁而丰富的新能源必须开始在约十年内替代化石燃料，并且其比例性允许在世界范围内建造以满足2050年前的能量和环境需要。每个适当大小聚变源将产生“特大”油田当量的能量流。来自HIF热源的能量产物的每单位成本将是成本与煤炭现行成本相同或更低的能够负担的清洁能量，因为一个资本密集型聚变驱动器将供应许多电力腔室。HIF热源的成本将可与大油田开发成本相提并论，其成本极少上升到特别高，并且根据经验年营运成本在其寿命期间为资本成本的10％。燃料原料的成本可以忽略，并且燃料成本与燃料处理系统的资本成本相关。

至少有三个迹象构成了聚变能事业的基础。

1.聚变能量释放的可预测性

动态物理学、惯性约束聚变点火和燃烧为已知技术。比例定律规定了功率沉积强度和在给定时间内对给定质量的靶材料的能量输入量的需求。比例缩小则需要增加燃料压缩的程度。压缩具有挑战，但经验数据证实了计算机模型。使用高能重离子束的ICF(惯性约束聚变)驱动器(HIF驱动器)避免了所有此范畴的问题。一个主要的范畴为强激光与物质的相互作用。类似地，脉冲能量、重复率和效率的限制对高能重离子来说是对激光束的十倍。

2.高能重离子驱动器操作的可用性

自70年代以来，已知高能重离子束(HIF驱动器)能够满足聚变能释放的需求。三十年间，各种各样的技术、电子设备、控制软件、建模和设计软件等等的技术发展水平进步已经从聚变电力生产剩下的日程安排中缩短了时间。

3.净反应堆电力腔室系统的可用性

尽管基本上比裂变能更清洁且更丰富，但聚变能是核能。反应容器的设计必须避免材料被来自聚变反应的中子活化和退化的缺点。ICF(惯性约束聚变)方法的重要特征为经由能量载体，诸如高原子序数离子或光子，通过束流点火器脉冲实现避开距离。实现聚变能量释放的复杂构件在实体上与反应容器分离。包封容器的设计自由已使得构造能避免材料活化和退化以达到至少三十年的寿命。

新颖和关键术语词汇

创造了一些新的术语，其经指示以通过排除了由于使用现有术语而对新用途不可避免地产生的模糊性来促进描述。具体地讲，“束压缩”、“束压紧”等适用于整个束产生过程和有助于所述过程的每一个步骤。在使用新术语时，习惯上将所述术语大写。除了新颖术语之外，以下词汇包括一些惯用术语，用于阐明可能的细微含义并且有助于方便读者。

束线：束线包含将束导引到真空管和所包括的管下的磁体布置。隐含了若干支持物：用于测量束特性而不使其劣化的仪器；真空泵；电源；相关的控制等。

LEBT：其代表用于低能束传输的束线段。HIF(重离子聚变)电力计划意味着工业化，其中与维持多用途研究加速器的灵活性形成对比，操作范围严格配合设计标称值，其通过使用周期性改变以支持研究任务进展等的源技术，采用可调谐低能传输来使束线传输特性与各种不同束的束相匹配。虽然HIF电力执行传输低能束的任务，但为了压紧而整合了加速阶段，改进了通过较少部分的可靠性，并且实现了一些成本规避。

主定时：两个部分：1.绝对时间基准，用于协调驱动器功能与聚变电力腔室功能，和2.内部高水平协调驱动器功能。主定时1通过来自燃料注入系统的信令来开始，因为加速器响应时间比例比用于安排燃料注入路点的时间比例更加细微。主定时2通过在束产生过程中执行个别功能的个别RF系统之间的谐波关系来协调。

压缩或压紧(涉及束)：与ICF驱动器相同，用于产生点火脉冲的过程的目的在于集中/压缩/压紧驱动器输送载具中的数兆焦“外来(wallplug)”能量以在数纳秒内将其沉积在数立方毫米的靶材料中。

压缩(涉及聚变燃料)：压缩的定义为聚变起始时燃料密度与压缩之前燃料密度的比。压缩是对驱动器技术的严峻挑战，而且数十年间处于保密状态。压缩是传播燃烧标准的关键，其意味着实现输出能量与输入能量的高比率。用于传播燃烧的初级机制为再沉积由氦核承载的能量，所述氦核为D-T聚变的一种产物。这给出了在环绕氦核开始点的燃料内氦核的范围，作为用于传播燃烧起始处的关键参数。停止氦离子与综合理论性模拟处理加上武器技术和ICF研究已确立了涉及加热区的特性尺度和在该区内燃料密度的参数。

密度x长度＝rho·R＝0.2-0.5gm/cm^2

长度参数随密度增加而减小。对于球形几何结构(类似于圆柱形)，如果要开始传播燃烧那么必须首先加热至点火的质量为：

质量＝体积x密度＝(4/3)πR^3·rho

所述参数具有关键含义，大部分集中在燃料压缩的所需程度上。

就传播燃烧参数而言，质量为：

R^3·rho＝(rho·R)^3/rho^2

因此，

质量＝常数·rho^2。

就特性尺度而言，相对于加快传播燃烧的技术能力，所关注为：

R^3·rho＝R^2·(rho*R)

因此，

质量＝常数/R^2.

标准方式下，必须沉积以升高燃烧燃料的能量为等离子燃料中粒子数量的kT倍。机制在于减少必须点火的燃料量，引导周围燃料进入传播燃烧，增加密度。

根据这些关系，关键优点增加，从而重离子用叠缩束实现快速点火。举例而言，用于快速点火脉冲的同位素物种可以经选择以加热定制质量的预压缩燃料。

微聚束：射频加速器中的束由束粒子(离子、电子或其他带电粒子)分组所构成。加速器的各RF循环向各微聚束提供相同加速。本术语在本文中可与术语“微脉冲”交换使用。

宏脉冲：一串微聚束。

同位素、同位素物种：具有相同原子核的离子。

离子物种：可通过离子的电荷状态进一步辨别的同位素物种。

离子源贮存器：离子源的整合群集，其包括一个用于各物种的离子源和用于压缩脉冲和快速点火脉冲(如果使用的话)的物种的离子源。

HVDC前加速器：通过RF过程向高能加速。然而，在可以施加RF过程之前，束速度必须升至对应于实际RF加速器结构所需同步速度的值。开始处束上带有的关键特性强烈取决于前加速器的电压。

Marquee RF直线加速器：Marquee直线加速器通过忽略束在最低速下(其中束线磁性导向和聚焦场效果最差)的弯曲来促进空间电荷主导的低速束的加速。Marquee直线加速器结构具有平行孔管阵列。Marquee内的每个管仅承载一种同位素物种的束。Marquee直线加速器孔管阵列与源贮存器和HVDC前加速器中加速柱的孔穴图案匹配。在孔管阵列内的指定同位素物种的束以程序化瞬间次序移动。将在Marquee中的平行束管内的瞬间次序束馈送入单根束管(每Marquee一个)，以用于随后的束脉冲产生过程。

叠缩(Telescoping)：一种加速个别宏脉冲中各种不同同位素的过程，所述宏脉冲的次序经定时以致使各种同位素宏脉冲叠缩到彼此中以同时到达聚变靶或者所述宏脉冲具有实现所需点火脉冲功率分布的程序化到达时间次序。由于不同同位素物种加速到相应的不同能量以使得所有同位素具有相同磁刚性、离子质量函数、速度和电荷状态，因此不同同位素物种的束以具有静止磁导向和磁聚焦的公共束线传播。燃料靶上的叠缩是对加速许多同位素物种的补偿，其倍增了设计者可用的6D相空间。

叠缩器(Telescoper)：直线加速器的最后段可发射具有公共磁刚性的不同同位素物种。这导致具有不同质量的各种同位素物种脉段根据需要具有不同速度以指定次序到达聚变靶。用于叠缩器RF波形的控制程序调节每个点火脉冲内各脉段间的时隙，以便各个脉段根据指定安排以距叠缩器的各种距离到达多个腔室中的聚变燃料靶。

合并：在伴随横向发射率增加的情况下，通过引导同时、平行束进入公共磁束线，倍增了单根束中的电流。

脉段：设计用于叠缩束的一种同位素物种的宏脉冲。脉段形式上相同于宏脉冲。使用术语“脉段”或“脉段物种”或“脉段宏脉冲”以避免混淆。

子脉段：脉段可包含小数量(例如，四个)的称作子脉段的相同部分。通过离子源上的门控电极、加速器前部的“断束器”或两者的组合，可产生子脉段结构。子脉段结构设置合并和环路叠加的电流放大步骤。

脉段串：完整列的同位素脉段。点火脉冲可包含多于一个的脉段串，以允许用从多于一个的方向进入靶的束来加热聚变靶。虽然同位素物种和不同脉段串的脉段中的微聚束是相同的，但如果需要容纳到聚变靶的不同总束线长度，那么不同脉段串中各脉段之间的空间次序可以不同。

环路叠加：在束线中使用360度弯曲以使子脉段返回平行于与随后下一个子脉段同步的输入束线的环路的开始。环路叠加的结果为在一次通过性过程中倍增束线数量(例如，一个环路叠加使束线数量增加一倍)，这与在存储环中的多圈注入形成对比，所述多圈注入是在存储环的单个孔管内的横向相空间中叠加束。

收拢：在各脉段内使个别微聚束移动得更靠近的过程。

卷起(Cradling)：一种特征结构，其经程序化为涉及动态频率位移(具体地讲是用于收拢的动态频率位移)的RF波形。所述特征结构的目的在于通过有可能使用环绕零交叉的相最宽摆动来使收拢器(snugger)效率最大化。

收拢器：实现收拢过程的加速器段。

聚束转子：聚束旋转涉及相空间椭圆的定向。用于在这个意义上旋转聚束的构件将在聚束上工作，伴随电场随时间改变，以使得在不同时间点通过的聚束中的离子接收不同的加速。所关注的目的在于操纵守恒的相空间体积以保持对斑点的聚焦，同时还控制束离子以在必要脉冲持续时间内到达。

在纵向相空间的传统定义中，水平轴表示时间，而垂直轴表示动量。一批粒子(在此情况下为重离子)的相空间为“运动的常数”。在RF加速器中，聚束的相空间随椭圆形进化，所述椭圆形可以在一个轴上挤压，并且通过在另一轴上伸展来响应。

如果聚束较高且极瘦(如全部处于上述图形中)，那么意味着动量扩散为相对较大的值，而时间扩散必须相应地为相对小的值。动量扩散引起色差，如果聚束经聚焦到较小斑点上，那么所述色差必须处于某个极限(如1％)以内。如果所述动量扩散过大，那么所述色差可能为确定斑点尺寸的参数。

如果使相空间椭圆单独漂移，那么较高动量粒子将向前移动，而较低动量粒子将落后。效果在于所述椭圆将沿轴切变。

聚束反射器：反射的目的在于使相空间椭圆复位，以便其在聚束存在且向前移动时重复所述切变(如上所述)。如土拨鼠日(Groundhog Day)一样，重复所述过程，直到使聚束达到所要位置为止。

然而，“聚束旋转”暗示在时间轴上“放下聚束”以用消耗时间扩散为代价最小化动量扩散，聚束反射将聚束旋转入其在任一轴上的镜像中。由于并非实际上及时复位聚束的位置，所以实际上反射是通过经由所施加的电场切变聚束来进行——这意味着处于最高动量扩散的超前尖端被向下发送穿过轴至同等的负动量扩散。因此，曾是最快的超前尖端上的粒子变得最慢并且开始朝后方移动，同时曾经最慢的后部粒子变得最快并且开始朝前方移动。

为了进行说明，HIDIF设计在聚束在漂移160m的距离期间在相空间中切变之后旋转所述聚束。在相同参数的情况下，每320m就需要反射器。将比较容易技术性地更频繁反射聚束，因为在将旋转施加到必须制造锯齿波形来撞倒椭圆(即，使其旋转)时，HIDIF增加聚束的相宽度。这样做目的在于沿时间轴得到最长的长度，从而得到最低动量扩散。可以通过对RF波形更简单的要求来实现人们所要的。

收拢终止器：暂时地停止收拢过程以允许微聚束在个别脉段中维持其位置，同时所述脉段“漂移”到与多个反应腔室中的靶规定距离的点。

螺旋延迟线(HDL)：束线的卷长。所有脉段在大致相同的时刻离开延迟线。各个脉段的具体定时设置为：a.以公共束线脉冲磁体转换不同物种脉段的允许时间，其中其继续向聚变靶移动。设定在离子源并且与RF功率波形协调的各个脉段(在点火脉冲的各脉段串中)的到达安排导致脉段到达其各自的离开端口并且接着到达转换磁体以变得以更近顺序在脉段串中重新对准，并且为叠缩设定的空间安排在聚变燃料靶处达到极点。HDL以平行束管承载多根束，所述束由来自磁体的场导引和集中，所述磁体被整合为压紧且经济的阵列。在离开端口位置处的具有转换磁体的束线的设计容许从平行束线中的每一个将脉段转换到相应的个别束线中，所述个别束线继续将平行束线的阵列移动到其重新插入束线的点，所述束线继续移向多个腔室，并未进一步改变到平行束线的数量。

平滑器：在各腔室前一段距离处重新启动收拢过程，以使得微聚束将在彼此上完成指定滑动以在芯块上提供所需电流分布。平滑过程服从刘维定理的约束。在平滑过程进行的同时，个别微聚束伸展(或“切变”)，而纵向相空间椭圆的面积保持恒定。结果，当个别微聚束同时接近聚变靶且在彼此之上滑动时，其在纵向相空间中变为较长、较瘦的椭圆。

快速点火：一类聚变靶设计，其分为两个过程：(a)燃料压缩和(b)燃料点火。重离子束驱动器系统可以经设计而具有或不具有快速点火特征结构。快速点火提高实现燃料密度和点火温度需求的总体效率。

压缩脉冲：驱动压缩聚变燃料过程的驱动器脉冲的部分。

快速点火脉冲：聚焦入预压缩燃料的大致中心的驱动器脉冲的部分。快速点火脉冲的持续时间特征在于用于燃料分解的时间长度，其约为燃料密度下降如两倍的时间。

点火脉冲分布：不同脉段到达聚变靶的列时间经设定以便在靶处形成脉冲瞬间形状，所述脉冲瞬间形状最有效地驱动：a.燃料进入压缩状态，b.加热燃料至点火或c.以压缩和加热的整合过程执行a和b两者。

多个腔室：如果单个重离子驱动器系统在多个聚变腔室中以重复次序引发聚变脉冲，那么HIF聚变电力最为经济。在最一般的多腔室聚变电力园区布局中，腔室与加速器的距离各不相同。动态束产生过程必须容许各种距离。

最终聚焦透镜：最终聚焦意味着在腔室壁外部聚焦，然后让束弹道学地飞向靶。术语‘最终’从许多点上区别所述聚焦，其中所述束在传输期间(在“强烈聚焦”传输束线中)经“聚焦”以免其扩散。

图1示出重离子聚变系统1000的图式，重离子聚变系统1000本文称为“能量园区”，包括下文所述的创新。简单地说，所述系统包括数个反应腔室1002，其中重离子脉冲经引导至聚变燃料芯块。在所示实施例中，在称为“工业园区”的系统1001中对反应腔室1002进行分组。如下文所述，脉冲以两个阶段发生：压缩脉冲，其压缩燃料芯块，升高燃料内部温度；和快速点火脉冲，其将压缩和加热聚变燃料的能级增加到引起聚变反应的位点。重离子束1004、重离子束1005路径选择通常朝向沿束线(也为1004、1005)的反应腔室。在一个实施例中，反应腔室1002中每一个配置两根束线，每根束线输送四根重离子束。加速器1003包括离子源1006、加速器段1007和本文称为“收拢器″的电流放大模块1008。离子从源1006发射并且由加速器1007接收，其中除了加速之外，其处于诸如聚焦的其他处理之下，直到其从加速器段发射并由收拢器1008接收为止。在被从收拢器发射之后，在允许离子在包含反应腔室1002的工业园区1001的方向上漂移之前，所述离子经受进一步处理，下文进行详细描述。由于聚变反应而释放的能量联接到发电站以用于转变为其他形式的能量。

清洁反应腔室创新

HIF驱动器经由实际数量的束向进入口输送点火器脉冲以使其进入反应腔室(例如，总共八束，两侧上每侧四束)。腔室的显著特征结构体现为在不抵达腔室2000壁的情况下将14MeV中子能转变成热量而采取的预防措施。如图2所示，这通过用锂2001实体内部的燃料芯块来开始反应而实现。在最简单实例中，所述实体为直径约60cm的锂球体，下文称为锂支承环。通过锂喷雾和小滴2002，提供对腔室2000的额外保护。

锂支承环3000还在低温温度下保护聚变燃料靶使其免受反应腔室中的高温。燃料传输支承环可具有各种形状和构造，具有用于重离子束的适当进入孔3001。在图3的实施例中，锂支承环为球形，但其他实施例中存在呈现其他形状(例如，圆柱或圆锥)的支承环。在所有情况下，锂厚度必须为从芯块到芯块保持器最近边界的至少30厘米。在该半径上中子与锂原子之间的碰撞将中子承载的多数动能转变为热量。中子与锂的核反应重新产生氚，产生额外的氦和更多热量，并且导致多数中子被捕获和拒绝进入腔室壁材料。如图3所示，锂支承环3000可以经构造以使得在优选方向3002上膨胀，诸如沿圆柱包封容器的轴膨胀。

反应腔室2000可以具有各种形状，从球形到圆柱形到各种圆锥表面的合成形状。图4图示反应腔室2000的内部视图，示意性图示大量保护性锂滴3000。界定周边必须经受高真空和适度瞬变压力，并且将由钢和其他材料构筑。通过使材料仅接触从热交换器低温端返回的锂，避免了合金材料浸出。通过简单用铁在面向锂的表面上包覆合金钢，额外增加了腔室寿命。在诸如管道和/或管子的导管中流动的锂还主要以较低的进入流体温度(大致为锂融点(180.5℃))流动。

加热的锂从等离子态冷却，并且经一列阶段最终凝结，且所述腔室返回到其‘冷却’状态，以准备在转瞬间发生另一反应。这需要每个脉冲泵送数吨锂以冷却和保护腔室壁，例如，大致五吨用于聚变释放两个BOE(桶油当量)，或者50吨用于释放二十个BOE。加热的锂穿过热交换器，然后返回作为冷却流体以冷却腔室，并且重新建立真空(低气体密度)，所述真空为点火器束横跨腔室半径传播以引发下一个燃料靶所必需。

根据燃料支承环注入、点火器束通路、聚变能量包封和转变、锂膨胀、熄灭等离子、进一步冷却至热传递温度以及恢复所需预脉冲环境的整合方案，估算沿用于所需温变史的腔室长度以定制流速注入腔室的用于每个聚变脉冲的锂总质量。这些阶段与通过化学燃烧操作的内燃机过程比较，存在：

●具有动力输出的动力冲程；

●排出消耗的装料；

●拒绝未使用的热量；

●装料注入；和

●点火。

图5提供在聚变能量释放之后约一微秒的锂等离子体膨胀初期的腔室2000环境的图示。为了进行说明，吸收于锂支承环中的相当于两桶油所含能量的聚变释放形成导电锂等离子体。在此阶段将等离子体视为热力学工作流体，可以提供用该极高温工作流体进行操作的非接触构件以实现转变效率革命性增加的至顶循环。该能量转变技术的本实施例的新颖性在于，其适用于电中性中子以及带电氦核的组合热量，所述电中性中子承载总聚变能量释放的80％，而所述带电氦核仅承载总聚变能量释放的20％。图6示出通过非接触至顶循环将能量直接转变为电力的示意性布置6000。如图7的图式7000中所示，脉冲直接转变涉及约10微秒时间段的传输、操纵和处理技术。

通过从热交换器3001返回的低温锂流体和喷雾，将中子与腔室壁隔离。为了每分钟产生100个或100个以上BOE的大腔室提供足够的气体动态膨胀。在锂中心处燃料芯块的点火之后形成的等离子体的体积可为约1440立方米。芯块经受聚变后数微秒，燃料芯块周围的锂已汽化变为等离子体，通过直接转变为电磁场和电流来收集所述等离子体的能量。

通过用液态锂小滴的喷雾填充腔室体积，实现进一步的冷却和腔室壁保护。在距所述聚变燃烧一定距离之外，锂变成所述等离子体的一部分。在更远之外，锂甚至汽化。覆盖所述壁的锂通过烧蚀来保护所述壁，且烧蚀边界下的锂将所述壁维持在从热交换器3001子系统返回的锂的合适温度下。热量并不穿过腔室主壁提取，因为大量热量流向圆柱形膨胀体积的末端。通过与锂喷雾沿圆柱形腔室轴的相互作用并且在直接转变区以外凝结，所述锂工作流体逐步冷却。凝结的热锂与初级热交换器3001接触，然后热量传递到二级流体，以供位于由锂边界定义的初级包封外部的过程使用。

聚变反应产物的废气主要涉及所产生的氦和氚。需要氚来给随后的D-T(氘-氚)脉冲提供燃料。氚包封也是整个HIF电力系统的首要放射性危险。与氚安全相关的大量知识在工程需求上有十分清楚的规定。HIF腔室系统经济上容许若干层冗余特征结构来确保氚安全。

在下一次能量释放之前，低温锂充当吸气泵来清除由电力和排出动力学留下的锂蒸汽。

图8示出通过恢复锂来接收聚变能量释放、恢复真空来允许传播HIF点火器脉冲的腔室8000。

当锂起到以下作用时，锂的温度逐步降低：

●捕获绝大部分中子和其基本上100％的能量；

●降低爆发性脉冲的压力；和

在非接触、直接转变过程中将能量转变为电力。

芯块每次点火，在反应腔室中不同位置形成的液态锂经历最低200摄氏度到最高1200摄氏度的温度，但并未将燃料支承环的室温锂或燃料支承环和在等离子态期间紧靠周围的锂的温度计算在内。该热通量与通过直接转变提取的电能是聚变反应的主要产物。二级热交换器将该热量转变为其他产物，诸如用于产生合成燃料的氢气、用于传统蒸汽轮机的蒸汽和用于通过蒸发使水脱盐的热量。

图9中示出圆柱形反应腔室9001和其初级热交换系统9002的外部视图9000；另外，还有燃料注入器9001和用于排出反应产物和剩余未反应燃料的部分(通常约一半)的真空泵。

因为氚在反应期间释放到了工作流体中，所以必须将其回收以满足政府辐射安全标准并且提供后续反应必需的氚。为确保不会意外地将氚释放到环境中，反应容器和其热交换器通常作为整体封闭在二级包封容器中。该容器可用不与锂反应的气体填充，例如氩。

针对反应容器2000的支持活动包括提供：

●锂泵；

●芯块制作设施；

●锂球或其他载体的制造设施；

●氚回收设施；

●大型真空泵；和

●二级热交换器。

在所有这些支持活动中，仅有二级热交换器可以位于二级包封结构外部。为了让氧或水或水蒸汽可以位于不能与锂接触的位置，二级包封的所有内部功能能够远程操作。锂在空气存在的情况下迅速氧化并且在与水接触时猛烈反应。

电流倍增过程概要

加速驱动器概述

利用了叠缩，例如，10种同位素在6D相空间的工作体积中增加十倍。使用技术发展水平的源技术。

使用约1MV的技术发展水平的前加速器HVDC，参见《阿贡国家实验室1976-80》。直线加速器发射多根平行束，例如四根。

横向相空间的叠加使用较低的数量，例如，每个横向平面两根。用一次通过性加速器和束线产生点火器脉冲。不使用存储环。自始至终维持微聚束结构到聚变燃料靶，即，维持离子的各RF微聚束的标识和完整性。通过使用以逐步升高频率操作的直线加速器槽的连续区块，例如400Hz的第一区块和4GHz的最后区块，个别同位素的宏脉冲(称作脉段)由于收拢器中的差别加速而收缩(称作收拢)，例如收缩标称速度的±5％到±10％。

收拢器的最后段(称作收拢终止器)将输入收拢电压反向以使所有微聚束的标称速度返回到同位素脉段的标称速度。所述束通过螺旋延迟线，所述螺旋延迟线通过以程序化次数从螺旋的连续线圈中磁性断开连续脉段来移除脉段质心之间的空间，以使得在所述脉段被再注入公共束线时，其进行下一次程序化步骤的电力放大。

该组束线(例如，四根束线)继续转换使所述束路径选择到多个聚变腔室中的一个腔室的点。通过用于计算机控制操作的中央定时程序，容许到多个聚变腔室的差别距离。为提供双面的靶照明，通过用于两个脉段串的靶，顺序产生各包含压缩脉冲和快速点火脉冲的两个脉段串组。可定时加速器，以使得用于收拢和叠缩的漂移距离和其他参数同时实现经定时与燃料靶定时协调的最大强度。

发射率倍增的低因数(例如，2.5x)在聚变燃料靶处实现针对低发射率的步进变化改进。较小的发射率允许了小斑点直径的快速点火需求。通过微聚束水平的束结构的纵向相空间RF的守恒，将色差控制在实际极限内，例如，在最终聚焦透镜中1％的动量扩散。

以对RF周期一小部分的准确性的绝对端对端定时，整体基于RF的协调产生并且向聚变靶输送点火器脉冲。实质的定时错误是容许的，因为能力极限超过可预见的需求。

离子源阵列、HVDC和RF功率的脉冲的程序化定时提供较大灵活性(带宽)的设计构思来调入计算机控制程序中的束产生过程顺序。

点火器脉冲结构和定时

有益的是从控制系统的有利地位来考虑驱动器设计。通过提供公共构架来描述个别处理功能和协调所述功能的需求的方式，尤其有助于设计照明。现参见图10，示出HIF驱动器1000的最高级功能方框图：

●离子源1001；

●前加速器HVDC(高压直流电)1002；

●RF直线加速器段1003；

●电流放大段1004；和

●多个反应腔室1005。

上述设计提供定时准确性，以通过包括功率分布和瞄准聚变靶功率分布致使束产生的各种动态过程在聚变燃料靶处结束，并且当其移动穿过靶区时与靶相遇。所述设计还在多个腔室中提供实现t指定点火器脉冲参数所需的定时灵活性。整体点火器脉冲程序设计能够首先基于同位素物种表上不同离子的速度，改变同位素间距。针对源选通的定时是来源于RF同步装置的主时钟。

图11示出图10中所示的HIF驱动器的详细方框图：

●离子源1101；

●前加速器HVDC 1102；

●RFQ(射频四极)结构1103；

●对准器1104；

●主直线加速器1105；

●叠缩器1106；

●合并器1107；

●环路器1108；

●收拢器1109；

●收拢终止器1110；

●螺旋延迟线1111；

●漂移1112；

●腔室选择转换器1113；

●压缩机脉冲平滑器1114；

●点火器脉冲平滑器1115；

●摆动器1116；和

●最终聚焦1117。

随着描述继续行进，将对上述部件中的每一个进行更多讲述。

束诊断和加速器控制系统确立点火器脉冲的到达对点火器脉冲的瞬间波形的时间段而言的准确性，例如数纳秒到十分之一纳秒。点火器脉冲的绝对(“ZULU”)到达时间的准确性由聚变燃料靶穿过靶心时其速度和转速来确定。

经由同步RF波形的协调效果通过使用集中的主定时，对驱动器进行计算机操作。通过使用例如前向馈送关于束位置的数据和其他参数的能力(通过小于控制信号传播速度的离子速度来提供)，分布式定时控制提供实时校正响应。精确定时和RF场控制的技术发展水平达到大约万分之一。

以与所述源相距各种距离向位于许多腔室中的每一个腔室中的聚变芯块靶输送高电流短持续时间脉冲取决于离子源的脉冲结构。各束到各腔室的精确定时是独特的，并且考虑了针对具体束的到腔室距离、束路径中所有转换器和加速器的特性以及延迟路径中的每一个的精确长度。还可能考虑离子束中使用的个别同位素物种的质量差异。

当靶处脉冲特性由燃料芯块的能量释放需要定义时，挑战在于经由脉冲结构和加速器特性将源离子流放大到所述靶处的点火参数所需量级。

虽然该放大取决于串连如后续章节描述的一列电流放大步骤，但其都取决于离开所述源时的离子源电流参数和其精确定时结构。在由于束产生过程而进化的脉冲结构1202内的定时是通过在源1201处经由栅极选通的离子释放来设定。最重离子首先释放，随后是以递减的同位素质量顺序来连续释放物种中较轻的每一种。用于所述同位素中的每一种的一个源被整合到称作源贮存器1201的压紧结构中，如图12所示。

源贮存器内的离子源经选通以释放相同持续时间的宏脉冲1300，如图13中，称作同位素脉段的束结构的特征结构的一组相同部分(例如四个)。同位素脉段为顺序的且不重叠，从而在平行通道中传播。源束通过前加速器中的HVDC加速，其中一个源贮存器提取器与各前加速器中的HVDC柱电极整合。所述电极具有与所述贮存器的孔隙匹配的孔隙图案。为了进行说明，来自六十四个技术发展水平源贮存器前加速器组件的发射足以超过最严格点火器脉冲参数的需求。

用于快速点火(FI)脉冲的同位素脉段的序列首先发射(即，通过使用比压缩脉冲更重的FI脉冲离子)，其中第一脉段含有最重同位素。接着，在暂停通过FI离子之间的速度差异和由列束产生过程的详情确定的束线长度来确定的时间之后，用于压缩脉冲的脉段得以释放。不同同位素脉段中的每一种的定时释放遵循递减的同位素质量顺序，其中脉段之间的延迟的安排是由离子质量(其通过相同磁刚性的叠缩状态来确定其在一列同位素中的速度)、加速器长度以及到给定反应腔室中聚变靶的束线长度来确定。

每个全列同位素脉段形成称作脉段串的非重叠脉段序列。用于压缩脉冲(其为快速点火脉冲总能量的许多倍)的每个脉段的总释放持续时间标称为10μsec并且整体释放时间脉段串介于400μsec与500μsec之间，取决于到最远反应腔室的距离。

在第一RF加速器段中，所述脉段继续作为具有源贮存器阵列的平行束来加速。所有加速通道都开启，而不论哪个通道中脉段处于给定轴向位置和时间。想象的端点，来自个别通道的脉段发射类似于剧院Marquee，其在具有复杂但具体定时的图案中一次仅有一个灯在闪烁。

紧靠前加速器的下游，各宏脉冲进入RF加速器的第一段并且印有微脉冲结构。在整个直线加速器上的加速场强度对于具有较高质量的脉段而言较高，从而在沿直线加速器的各点将较高质量加速到相同速度。

现参见图14，示出RF加速器中脉冲结构的图式1400。

第一RF加速器为多通道射频四极或RFQ，其整合RF四极电聚焦和加速。RFQ的初始段中的RF场提供强聚焦场和平滑增加的加速场以将DC进入脉段束等熵转变为RF频率连续流的微聚束(μ聚束)。为了进行说明，各μ聚束含有大约一百亿的离子数目。整个点火脉冲(例如，承载总共20MJ的离子，所述离子各承载20GeV(3.2纳焦耳))含有约八万这些基本μ聚束组的能量承载重离子。为了继续，RF加速第一阶段中的Marquee将延迟弯曲所述束，直到离子速度能够有效使用磁聚焦来操纵与高束流相关的空间电荷力为止。用于HIF驱动器(即，在前端)的重离子初始速度尤其慢，因为为了实现最亮的束，对于离子来说优选为单独带电。

在具有平行同位素脉段的Marquee阵列的RF加速器段中离子速度升高之后，将束馈送到以RF Marquee频率(例如，12.5MHz)两倍的频率操作的加速器段。在两个RF结构之间，对准来自Marquee的束，以插入25MHz结构作为共线脉段串。对准器的磁束线的阵列(例如十六根(标称地十根用于压缩脉冲，六根用于快速点火脉冲))经路径选择(每条一个)到相应的列AC转换磁体(用于各脉段的对准束线上各一个)，所述AC转换磁体将所述脉段弯曲进入在具有指定时间结构的脉段串中的公共经对准磁性传输频道。现有技术还描述在双倍频率下整合微聚束的交错(或汇集)的对准过程。现有技术进一步描述平滑整合RFQ加速器设计的交错两束的过程。利用该构思，对准器还将脉段的平均电流增加一倍。图15提供图式1500，其示出将两束微聚束1501、1502交错成频率为初始束1501、1502的两倍的单束。

所述束射出RF结构下游(例如，第二RFQ)中，以各脉段中微脉冲频率两倍的25MHz较高频率操作，并且数量为平行束的一半。所述束继续进入下一结构，并且在射出之后与邻近束再次交错，从而再次将微脉冲数量增加一倍并减半需要进入下一直线加速器段的束数量。在各后续加速段之后，所述束继续通过交错使其微脉冲增加一倍，直到在200MHz加速器末端剩余四根束为止。

随着在频率步骤中的每一个上重复交错，例如重复五次，各脉段的电流倍增三十二倍。图15提供图式1300，其图示在双倍频率下“汇集”-交错的过程。图15中图示用于直线加速器的任何给定段中的RF场的定时结构。第二次重复束形成过程，产生两个连续脉段串。两个脉段串随后分离，以将一根束输送到终点反应腔室的各侧。为了进行说明，交错的结果是在较慢脉段组(例如，用于快速点火脉冲的大体上较重的离子)使用的直线加速器最后段中的四根平行束。

称作叠缩器的直线加速器段的最终部分具有用于所述脉段中的每一个脉段的脉冲的转换磁体。所述转换磁体位于所讨论的脉段达到指定公共束刚度的位置。一旦达到磁刚性，则将所述脉段从加速器中移除并且馈送入叠缩束线，即，馈送入磁束线，其中相同刚性但不同速度的脉段能够彼此赶上。用于快速点火脉冲的随后(更快)的脉段以两倍频率(例如，400MHz)馈送入加速器，但不交错，并且继续作为具有RF同步的微聚束结构的脉段的四根平行束。该直线加速器段的最终部分也为叠缩器，其在所讨论的脉段达到指定公共束刚度的位点上，针对其中每一个，整合脉冲的转换磁体(在直线加速器槽之间)，所述刚度与较慢脉段组中离子的刚度相同。

一旦所有脉段处于叠缩器外部，则合并四根束线以形成具有四倍所述电流的一根束线。合并束的射频微结构对于预合并的平行束中的每一个而言相同，子脉段结构也是一样。

接下来，来自合并束线的交替子脉段立即转换到新束线的开始处，所述新束线被弯曲进入360度环路中，以达到与下一子脉段的RF同步。环路叠加将使用一列两个环路(向下游发送四根平行束)或使用一个环路(向下游发送两根平行束)。环路叠加的结果是以与聚变靶的精确相同距离来定位多个子脉段。

在下游，所述脉段为子脉段的长度，并且所述子脉段定时特征消失。此时，平行束线(即，该图示中任何两根或四根)中平行束的数量继续前进到腔室和聚变靶，其中两个脉段串中的一个磁性转换为用于双面靶加热的两组束线中的一组或另一组。

叠缩器以外的所有操作可以考虑以下事实：所述脉段正以不同速度相对于彼此移动，从而在收拢器的RF频率使微脉冲结构达到越来越高的频率的同时，所述脉段逐步接近到一起。收拢终止器冻结所述微结构，但所述脉段继续漂移到一起，直到在所述靶处，其全部达到其预程序化安排为止。

通过主要和次要的任意波形产生器，以低功率产生指定RF波形。驱动器的RF主时钟与腔室控制通信，具体地讲，这涉及在其保护性支承环中装料的动态注入。

由直线加速器针对各点火脉冲发射的束的总持续时间为(例如)200μsec。需要在总束分布中存在空白空间以用于若干目的，包括：

●选通用于不同同位素的离子源的输出；

●将同位素脉段细分为若干(例如，四个)子脉段；

●将交替子脉段转换为环路叠加中的平行束线；

●升高或降低在一个同位素脉段通路和下一个的通路之间的RF加速梯度，以在穿过固定β分布直线加速器和叠缩器的路径的各点上，将具有不同质量的同位素加速到相同速度；

●升高或降低在收拢、收拢停止和平滑的束操纵过程中的RF频率；

●将来自个别束线的HDL之后的脉段转换为公共束线；

●将用于在HDL中和在平滑器上RF聚束维持的束分叉。

某些过程可以利用相同时间间隙作为某些其他过程。因此，所需的时间间隙总和可以小于用于个别过程的时间间隙的总和。所述设计的突出特征特别在于为了去除这些间隙，方法包括叠缩多个离子物种和通过螺旋延迟线的动作。

用于点火器脉冲产生的新的和修改的特征和处理

以下列出在点火器脉冲产生期间所述过程发生的大致顺序：

1.当微聚束由直线加速器产生和发射而贯穿系统至聚变燃料靶时，维持离子微聚束的个体性；

2.从所述直线加速器发射多个平行的高能束；

3.通过在横向相空间中2×2叠加：4×脉段平均电流(和用于传输的伴行4×微脉冲峰值电流)，将来自直线加速器的多根束合并为一根；

4.通过以适当长度的连续环路来再循环脉段(第二环路长度通常为先前环路的两倍：4倍峰值和脉段电流)，一次将两根脉段叠加成(例如)四根平行束线。通过适当快速的转换磁体，将每个其他的脉段转换到环路中。第一环路具有单个束线。第二环路具有两根平行束线。四根平行束线的构造遍及随后的过程中并且合并到芯块上；

5.在各脉段内使微聚束移动得更加靠近(收拢)。图19中图示的该过程。脉段内微束流被差别地加速和减速，脉段中第一微聚束的最大减速发展到脉段中最后微聚束的最大加速；

6.通过使收拢器直线加速器段的RF频率偏置来实现差别的微聚束加速。从经受最大减速的第一微聚束，连续微脉冲的“稳定”相角度在RF波形上逐步位移得更高，直到脉段中最后微聚束被最大差别加速为止；

7.通过将脉段从前到后的稳定(但递减的)相角度差(例如，总共60度)除以脉段中微脉冲的数量(例如，一千)，来计算绝对频率偏置；

8.通过分频差(例如，万分之一)，设定RF相控制需求；

9.各收拢器槽的RF频率经程序化以逐步升高到较高频率，经同步到多个离子物种的不同速度。直线加速器结构和其RF电源的带宽的实际极限决定可由一根收拢器束线处理的不同同位素物种的极限；

10.在使用具有巨大的质量和速度差异的另一个独特组的同位素物种以(例如)在聚变燃料靶中实现有价值效果(诸如快速点火)的情况下，需要分离的平行收拢器。各分离的收拢器能够处理质量差异范围在大约10％内(即，±5％)的同位素物种；

11.收拢导致脉段中的微聚束以逐步更高的频率(对应于微聚束之间缩小的距离)通过沿束线的连续点。为维持所施加的RF电压的有效使用，在收拢器直线加速器槽的连续区块中，在收拢器中指定数量的离散位置上相应地增加RF频率。较高频率RF结构操纵较高的电加速场，从而大体上缩短物理长度；

12.微聚束标识继续由RF收拢器直线加速器结构中的相聚焦来维持。在收拢器结构之间，并且在不由RF加速主导的所述束线的其他部分中，通过周期性聚束反射器(双倍转子)来维持微聚束结构。在标准实践中，通常使用单次旋转最小化动量扩散，同时最大化微聚束的时间维度。双倍旋转(时间轴上纵向相空间椭圆的反射)通过复位椭圆的定向来协助在长传输距离上维持微聚束结构，以使得在所述椭圆的下一旋转/反射切变之前实现较长的距离；

13.当判断RF结构的尺寸为在数万米束管上的壁碰撞引起(例如)1％的总束损耗的情况下可接受的通过功率束的最小尺寸时，达到收拢极限；

14.脉段平均电流增加(例如，10倍)以用于收拢，所述收拢由开始于400Mz的频率驱动且由结束于4GHz的频率停止。在RF收拢器波上的相宽度大体上不变，且微聚束峰值电流增加收拢因数倍，即，对于该实例为增加10倍；

15.收拢停止使微聚束返回到相同基准能量，需要考虑聚焦处的色差，使定时能够容许到多个腔室的不同距离；

16.螺旋延迟线(HDL)移除在脉段之间的时间间隙的指定的高部分(例如，脉段中心从间隔2.5μsec移动到间隔300纳秒)；

17.根据多个腔室需要，螺旋延迟线功能具有较大“带宽”以用于大范围的间隙移除；

18.微聚束标识继续由周期性聚束反射器(双倍转子)通过HDL中的相聚焦来维持。对于离子(和微聚束)速度的巨大差异来说，具体地讲，在速度用于大不相同的压缩脉冲和快速点火脉冲的情况下，HDL中平行束线中的每一根在进入各聚束反射器之前分叉，并且在离开反射器之后重新组合成公共束线；

19.平滑处理在距各聚变腔室的上游距离上重新施加差别的微聚束速度。对于多个腔室中的每一个而言，平滑器到腔室和靶的距离大致相同；和

20.用于需要加热圆柱形环状空间的聚变靶的束摆动器位于最终聚焦透镜上游。如果驱动器驱动不需要加热任何长度(束渗透深度)的圆柱形环状空间的聚变靶，那么可使摆动器失效或从设计中完全省略摆动器。

公共使用的束操纵元件

快速点火脉冲的产生主要使用与压缩脉冲的产生相同的驱动器硬件。对受离子(和微聚束)速度巨大差异影响的过程而言，使用分离的硬件，从而可对总体点火效率提供重要的优点：

●源贮存器、HVDC前加速器、LEBT和Marquee直线加速器包括用于个别快速点火同位素的个别源和孔管，所述个别源和孔管同样用于个别压缩脉冲同位素；

●直线加速器的公共β分布段为所有同位素所使用；

●直线加速器的叠缩器段对所有同位素而言将是公共的，其中逐步地转换出较慢的同位素。这导致受到加速的同位素的数量在叠缩器的每个连续段减小一个；

●不同同位素的束在加速到公共刚性之后转换进入的一根公共刚性束线是公共的；

●在对于RF直线加速器结构和RF电源的实际带宽而言离子(和微聚束)速度差异过大的情况下，来自公共刚性束线的束转换入分离收拢器和收拢终止器；

●虽然将公共螺旋延迟线用于所有同位素，但速度的巨大差异需要用于周期性聚束转子/反射器的周期性束线分叉；

●个别脉段离开HDL进入个别束线的较短过渡段，从而导致产生用于在公共束线中重新对准脉段的快速转换磁体，并且其具有新指定的较短脉段间距；

●在多个腔室中的每一个中，所有同位素物种使用从HDL到个别平滑器的一组束线；

●在离子(和微聚束)速度差异过大而不被RF直线加速器结构和RF电源的实际带宽容许的情况下，使用分离平滑器。在使用分离平滑器的情况下，所述束线由上游的快速转换磁体分叉并且在平滑器下游重新会合；

●束摆动器(如果使用)对所有同位素是公共的。鉴于摆动器用于压缩脉冲，并且鉴于快速点火脉冲当其达到压缩状态时瞄准燃料中心，因此从摆动器到聚变靶的距离经指定以容许在快速点火脉冲与压缩脉冲之间的摆动器的实际上升时间；和

●最终聚焦透镜对所有同位素是公共的。

新的电流倍增过程的描述和操作

直线加速器输出上的束参数

对直线加速器中的加速进行表征的参数遵循经证实的现有技术，所述现有技术通过操作机器和使用标准工业设计工具的设计来确立。通过使用多根平行的RF同步的输出束(例如四根)来增加直线加速器输出电流。通过使用确立的离子源和高DC电压技术(例如，《阿贡国家实验室1977-1980》)，在前端进一步增加直线加速器输出。

电流倍增过程的新布置充分利用对多种同位素的加速。多种同位素的使用效果(或者称为“叠缩束”)可以通过向先前存在的一列过程添加另一倍增因数来了解。然而，利用束叠缩的本方法的分叉导致明显不同类型的电流倍增过程。发生于直线加速器“下游”(之后)的驱动器系统中，并且处于如先前论述的6D相空间的约束下，不同束的重组、束压紧/强化/总体电流放大仍有利地影响聚变靶上的最终聚焦。

图10和图11图示HIF驱动器的主要功能区块。各功能区块领域中的改进包括：

离子源和低速加速的新特征：

使用新的初级机制来在束离开直线加速器之后将其压紧。新设计还涉及直线加速器特征结构的改变，从而对改进的束重构设计有所补充。最新颖的特征涉及使用与先前HIF驱动器设计不同的大量同位素物种。

离子源贮存器将许多同位素源整合到用于各物种中一个物种的一个压紧群集中，所述物种包括用于压缩脉冲的物种和用于快速点火脉冲(如果使用)的物种。经由程序化序列的门极电压使来自个别同位素源的输出脉冲同步，以产生指定次序的脉段小束的基本构筑区块。束的压紧阵列使HVDC柱能够继续孔径的指定阵列。

超过1MeV(例如，1.5MeV)的HVDC源技术已为现有技术(即，《阿贡国家实验室1976-80》)所证实。在传统设计实践中，对于强烈聚焦磁束线中的传输而言的峰值电流极限以动量的三分之五次幂增长。使用商业离子源技术和商业HVDC源，这一特征对增加直线加速器输出端上各束的峰值电流起到重要作用。束的压紧阵列使以下Marquee RF直线加速器能够继续孔径的指定阵列。

Marquee RF直线加速器：Marquee直线加速器通过在磁聚焦场不太有效的情况下以最低速度并不显著地弯曲束，来促进空间电荷主导的低速束的加速。Marquee直线加速器结构具有与HVDC前加速器中源贮存器和加速柱的孔洞的图案匹配的平行孔管阵列。Marquee中的每个管仅承载一种同位素物种的束。指定同位素物种的脉冲束(也称为Sluggett)以离子源所带有的程序化瞬间次序发生于孔管阵列中。

Marquee破裂器(对准器)：在离开Marquee之后，以瞬间次序从Marquee中平行束管离开的束通过一列适当快速转换磁体馈送入单根束管中(即，每个Marquee一根管)。这些磁性转换器的上升时间是脉段之间的间隙的首要决定因素中的一个。在破裂器(对准器)之后，在脉段指定顺序中的所有加速同位素是在公共的线中传输。

在固定的β分布直线加速器之后的新特征

叠缩器：同位素的多样性明显地高于现有技术。内部一致的端对端设计的前提是使用许多同位素，例如十种同位素。当同位素达到公共刚性时，该脉段被转换到叠缩束线中，即，转换到当脉段向前移动时彼此更接近的束线中。较重同位素首先被转换出叠缩器。大致±5％的多种同位素范围的同位素质量受到下游RF束操纵过程的带宽限制。

通过产生覆盖各点火器脉冲的指定RF波形，根据在距离子源不同距离处的多个腔室中从离子源到聚变燃料靶的总体距离，根据提供所需点火器脉冲功率分布的指定次序来到达，提供了束脉冲结构的定时特征。来自其各自源的各种同位素的选通发射与主RF波形协调。

在直线加速器之后的新特征

为了进行说明，在直线加速器输出端上，四个有效束管中的每一个均发射1.25A。

合并：离开直线加速器的多根束在横向相空间中合并，从而将单根束中的电流放大了直线加速器出口束的数量(例如，四根)。合并可以用两步过程来实现，这可以通过使用四根直线加速器束的实例来说明：(1)每次两根地将束合并到横向相空间的一个平面中的两根下游束中，和(2)将所得两根束合并到使用横向相空间的另一平面的一根束中。

合并(加稀释因数)是最后的过程，其在束从直线加速器离开之后必要地增加所述束的横向发射率。在束聚焦时，可以经济地使用相来合并束。

这与现有技术相比对聚变靶上束的聚焦严密度带来了实质改进。尽管最优先采用最大靶加热，但可以替代地利用降低的束发射率以放宽对最终磁性透镜系统参数的要求。

环路叠加：环路叠加的目的在于平衡在横向相空间中操作的过程与在纵向相空间中操作的过程之间总体电流倍增的负担。根据对将微聚束结构维持在具有用于平行束的多个孔的公共RF结构中的需要，环路叠加将连续段的束整理到平行束线中，与平行束线的束段中个别微聚束的水平同步。

以下说明环路叠加的情况。由加速器发射的束的结构被指定为其中各脉段细分为四个子脉段，这些子脉段分隔开足以适用于切换磁体上升时间的时间间隙。第一子脉段被转换到束线中，所述束线完成圆周运动以使子脉段返回到转换器附近并且平行于初始束线。第一组两根平行束被转换进入周长为第一环路两倍的第二环路，所述平行束平行于含有第三子脉段和第四子脉段的束线。

已经增加了多个传播脉段的总瞬时电流，而且增加了脉段之间的间距。将通过螺旋延迟线(HDL)来去除放大的间距。已经通过使用横向相空间实现了束放大。纵向相空间原则上不变，并且将通过维持微聚束结构的RF场的精确性来确定由稀释所致的增长。

由环路叠加确立的多根束构造继续维持到聚变燃料靶，其中多个脉段串选择路径以从指定数量的方向到达靶，例如，从两个方向到达。对来自沿束线的若干可能位置的叠加环路位置的选择取决于与传播单根束(即，在合并来自直线加速器的多根束之后)或作为多根平行束(即，由环路叠加所产生)相关联的技术折衷。该考虑涉及输入收拢器和螺旋延迟线的束构造。图17使用三种物种来图解说明，示出脉段的相对长度和间距的图式1700。

收拢：

如图18的图式所示，收拢赋予连续微聚束之间的差别速度。通过使收拢器的RF频率从聚束频率(微聚束通过其路径上一点的速率)偏置以使得第一聚束经最大减速，而最后聚束经最大加速，来实现收拢。

图19提供绘示收拢1901和收拢停止1902的过程的详细图式1900。图20提供图示由偏置RF频率产生的差别加速的一替代图式2000。

各脉段内部的微聚束实质上在对收拢器的输入上相同，从而赋予第一微聚束和最后微聚束相对于中心聚束的不变速度的达(例如)±5％至±10％的递增速度差别。当收拢已达到实际技术极限时，收拢过程反向并且在收拢终止器中去除速度差别。

如图20所示，频率偏置量为(1)指定为第一微聚束和最后微聚束之间所经历的最大相移与(2)脉段持续时间之商。为了进行说明，脉段取1微秒长并且总相移取60度(RF圆周的1/6)，则频率位移将为1/6MHz。收拢器段的RF频率取1GHz(例如，对于v＝0.4c的离子，加速单元长度为12cm)，则相控制准确性需求为约0.016％或更佳。

差别加速与差别减速由从聚束频率略微偏置的收拢器RF场引起。为增加差别速度，收拢器RF频率高于束路径上给定点的聚束频率。为去除差别速度，RF频率为小于束路径上该点的聚束频率的特定量。

收拢终止器比收拢器更短，因为其RF频率更高，例如为其10倍，并且较高的RF频率结构支持如由Kilpatrick极限大致定义的较高的加速电压梯度。对于RF频率增加相同情况下的10倍收拢的实例，收拢终止器的梯度比收拢器第一段中的梯度高约三倍。

如图21的图式2100所示，致使脉段在收拢器内部轴向收缩，例如，收缩10倍。进入收拢器后，从一个脉段中心到邻近脉段中心的距离为脉段长度加上最初由主定时设定的脉段间间距。例如，脉段在收拢器入口处2.5μsec的长度在收拢器出口处将变为0.25μsec。

将经由螺旋延迟线去除脉段间顺序出现的空白间距，其服从于转换磁体的上升时间和多个腔室中对点火的下游定时需求。

未通过收拢向脉段添加任何净功率。加速器结构的激发是初级功率需求。然而，束能量在减速期间流向RF场，并且在加速期间从RF场流向束。可以通过RF系统设计改良来循环位移能量的合适部分，但超过激发“铜损”的收拢器所消耗能量将为初级直线加速器消耗能量的一小部分，例如1-5％。

当离子经历接近正弦波峰值的振幅时，获得使用所提供RF加速场强度的效率。与使用大偏移相角度的观点相反的是连续微聚束的差别加速的线性前进需求。为了进行说明，近似线性递增的加速/减速将相宽度约束至±30度。较大相移将减小峰值RF电压和/或收拢器加速器的长度。所述收拢使用正弦波的上升侧，从而提供相稳定效果。

卷起为并入RF波形控制以增加在收拢器和平滑器中可用的相宽度的特征结构。卷起作用使RF正弦波形位移以弥补正弦波曲率，因为在脉段通过收拢器或者在平滑器中到达更小程度时微聚束中差别速度增加。将对用于卷起的波形的控制与来自细节设计和建模的参数整合。虽然卷起增加收拢器和平滑器加速器的效率，主要用于降低成本，但这些部件所用的功率仅为运行驱动器总共所需功率的一小部分。

当收拢动作达到技术极限或另外需要的终止点时，收拢终止器通过使差别加速过程反向来去除差别能量扩散。主要技术考虑是存在终止器频率上的高功率RF源。另一主要设计局限为孔管直径，其随着RF频率增加而缩小。为了进行说明，以400MHz RF开始收拢且以4GHz RF终止收拢将使脉段缩短为原来的十分之一，并且穿过直径大约2cm的孔进行传输。

收拢器加速器和RF功率结构、频率及带宽

如由直线加速器的RF输出或倒数第二频率所定义，微聚束以直线加速器发射的聚束频率进入收拢器。收拢终止器中的最高聚束和RF频率将为大致4GHz。

收拢器中的定时和波形控制提供同步顺序的RF频率，所述RF频率在加速器段的区块中逐步增加，从而在各加速器段中增加以容许标称速度逐步升高的连续脉段。这些所需带宽与多种同位素物种的速度范围有关。

一种设计优化折衷涉及所用的不同RF频率的数量。对于任何给定频率，个别微聚束朝RF波形的零交叉点移动，并且经历峰值加速(或减速)电压梯度的较小部分。通过增加后继收拢器段的RF频率，第一微聚束和最后微聚束所经历的电压梯度可以周期性地复位到初始相角度。因此，许多频率的效用为实现收拢器长度和驱动其的RF功率的更有效使用。

就加速器结构和RF功率设计以及制造的技术发展水平而言，实际且经济的是使用大量离散频率。然而，频率改变的多样性将经历逐渐减少的返回，且所用频率改变的数量对详细设计而言是个问题。

将对用于卷起的波形的控制与来自详细设计和建模的参数整合。

收拢终止

收拢终止在过程已达到由束流必须通过的孔管的直径设定的实际极限时，去除速度差别。应避免束摩擦，并且粒子束的模拟已知不能为模型束“晕”，但应注意的是，高品质束将被聚焦到下游毫米和亚毫米直径上。SLAC的2英里直线加速器的驮马S带结构是恰当的说明。所述结构的孔为约2厘米，其似乎足以满足重离子束的清洁通路。

微聚束逐步轴向压缩以类似地配合RF周期递减的RF波。微聚束内的动量扩散成比例增加。然而，在从平滑器之后的相聚焦释放微聚束之后，所述微聚束在纵向相空间中切变，相空间椭圆在时间维度上伸展，并且微聚束的瞬时动量扩散收缩。在束路径上后面的点上，平滑器利用该状态。

螺旋延迟线(HDL)

螺旋延迟线(HDL)的位置

展示图22的图式2200，螺旋延迟线2201的作用是将连续脉段中心之间距离的大部分切除。一个脉段的后端与下一脉段的前端之间的剩余间隙是可变的，以容许到多个腔室的不同的剩余距离。收拢将不需要的间距从内部个别脉段传递到脉段之间的间隙。

HDL的各线圈2203的长度大约为连续脉段中心之间的距离。然而，用于将个别脉段转换出HDL的磁体2204的定时容许大于环绕HDL的一个线圈周长的轨道的时间的任何脉段间距。脉段串中的第一脉段在其离开点之前横穿螺旋延迟线的全部长度。在横穿逐步减少的HDL的回转之后，逐步加快的离子的连续脉段顺序地离开HDL。用于各种脉段的出口2205大致位于HDL 2201上的相同方位点处。

当离开HDL的脉段被转换回到继续前往腔室的公共束线中时，去除脉段间的间隙的大部分(包括由于收拢而放大的间隙)。

脉段出口延迟线

对处于与多个腔室中的每一个相关的平滑器下游的收拢终止器来说，微聚束间距静止，以容许：

●穿过HDL的不同脉段的路径的不同长度；和

●从HDL到多个腔室的不同长度。

脉段可以在HDL之前或之后叠加。之前的叠加减少具有磁体孔的平行束管的数量等。

将收拢终止器定位于HDL 2201的上游允许HDL传输在个别微聚束内部具有小动量扩散的束。

微聚束维持

维持微束结构并且保存个别聚束的6D相空间是新驱动器设计的标志特征。

针对多个腔室的束漂移和调节：如果单个重离子驱动器系统在多个聚变腔室中以重复次序引发聚变脉冲，那么HIF聚变电力最为经济。在最一般的多腔室聚变电厂布局中，腔室与加速器的距离各不相同。

叠缩和收拢是关键的动态射束产生过程。叠缩经大致上地程序化以通过从多个同位素离子源的发射定时上的适当差异而在多个腔室处达到极点。通过RF波形控制来提供精确定时。因此，脉段在靶处到达的绝对定时延长至最低频率RF加速器的RF周期的一小部分，例如，对10MHz Marquee直线加速器的100纳秒周期的1％的控制将提供对点火器脉冲分布的1纳秒控制。

当脉段横穿到所述腔室中一个的距离时，收拢终止器允许微聚束维持相对位置。在靶腔室之前的束线上的具体位置处，通过平滑过程来重新开始微聚束的差别运动，所述平滑过程类似于用于收拢的RF过程。

称作平滑处理的平滑器与收拢的最明显差异在于，在平滑器赋予不同速度之后，从相聚焦上释放微聚束，而且平滑过程并不终止。

在与多个腔室中的每一个的上游的指定距离处，平滑将指定的较小速度差别向后赋予到各个脉段的微聚束中。平滑类似于开始收拢过程，但不同之处在于，在平滑器赋予速度差别之后，从相聚焦的轴向长度约束上释放微聚束，而且平滑动作并不终止。图23图示平滑过程。当经平滑的束朝靶腔室漂移时，微聚束2301的中心变得更加靠近到一起，且个别微聚束由于纵向相空间中固有的速度扩散而拉长。

使纵向相空间面积守恒，当各个脉段朝叠缩继续行进并在聚变靶处进入所需射束功率分布时，微聚束在时间上伸展并且在瞬时动量扩散上变窄。

首先指定通过平滑器赋予微聚束的差别速度，以便所有微聚束同时或以所需间距到达靶。通过相应地增加平滑器的加速电压，可部分地克服改变聚束间速度差别的空间电荷的任何作用。在平滑器的RF波形中的空间电荷作用和错误将是造成纵向发射率的任何增长的原因。

针对普通情况，在图24中图示有效的最小总动量扩散。通过检测发现潜在的最小脉段长度将为平滑微聚束叠加的瞬时动量扩散加上一个微聚束前部和后部之间的动量差异的总和。该有效最小动量扩散(图25中所图示)相当低于对靶处可接受色差的需求。图26提供图示最佳平滑器作用的图式2600。

点火器脉冲从歧管束线上转换到在个别腔室中结束的束线内。束线的这些终段中的每一个需要个别平滑器。平滑器赋予更小的差别速度，并且用于各腔室的个别平滑器(对所有腔室来说标称上相同)是小成本项目。

表1，说明与现有技术成比例的平滑

摆动器

为了使靶中的能量沉积密度平滑，RF摆动器构思的目的在于环绕环形靶迅速地旋动束斑。RF摆动器定位于最终聚焦透镜的上游，其中束直径较小以与摆动器孔径对应。在使用了具有较大百分率速度差异的同位素物种的情况下，尤其对于压缩和快速点火的顺序过程而言，用于压缩的脉段区块必须经历摆动器作用(用于使光斑照明成环形)，同时当用于快速点火的脉段区块通过时，摆动器作用必须关闭，因为FI脉冲瞄准靶中心。

与压缩脉冲离子的速度相比较，将较慢离子用于FI脉冲提供在可用于开启或关闭摆动器的两个脉冲之间的时间间距。尤其对圆柱形靶而言，所需FI峰值功率随着离子范围而大致线性地减小。能量沉积的范围随着Z升高和动能降低而缩短。设计优化对离子选择的灵敏度并不佳，并且对FI和压缩离子的相对质量的选择是通过对硬件直接可用性(即，已知且容易的制作技术)的实际考虑来驱动。

为了进行说明，测定体积的等离子氙源为商用技术(阿贡国家实验室(ANL)在关键电流和亮度论证中使用该技术，1976-1980期间)。使用针对压缩脉冲的Z＝53的氙，若干较重离子是良好候选物。如果将铅用于FI离子，且用于压缩脉冲的多种氙同位素的标称能量是20GeV，那么叠缩条件需要铅同位素的能量处于接近13GeV的范围内。该实例的预压缩燃料中范围的缩短为6-7倍。可以将预压缩燃料的FI加热质量的体积制作为含有待FI加热的最小质量的大约最小(球形)物理体积。在数量上，由FI加热区的更佳深度产生的降低的FI脉冲峰值功率需求是信任新驱动器设计的可操作性的主要原因。用于FI和压缩脉冲的参数的整合优化将实现显著的成本规避。

为了进行说明，从传播燃烧参数，rho·R，例如0.5g/cm^2(守恒值)中得到点火器脉冲束需要的光斑尺寸。对于预压缩到100g/cm^3(相对安全需求)的燃料，FI加热光斑直径的半径需要为至少50μm。较大光斑需要更多峰值点火器射束功率和能量。较小光斑需要更多压缩和更高的束亮度。

FI光斑需求大致比对压缩脉冲的需求严格十倍，如已通过可靠模拟所示。先前HIF技术使压缩光斑可以实现，但很难再改进。通过利用多个同位素提供的6D相空间中的展开体积的使用实现所需改进，并且实现在技术达到范围内安全地快速点火的优点。

压缩和快速点火脉冲之间的较大速度差异产生在摆动器处它们之间的实质间隙。该间隙容许摆动器的上升时间2701，如图27中所图示。

RF摆动器场的上升时间2701对用于压缩和快速点火(FI)的分离脉冲十分重要。摆动使得能够沿轴向方向加热环状空间。但快速点火脉冲需要位于轴上，有以下两点考虑：(1)如果预压缩燃料的总截面面积比传播燃烧参数的最小设定更大，那么FI束流可相应地偏离轴。(2)如果在经济上，FI脉冲的功率可高于最佳化的最小功率，那么FI脉冲可以具有比最小面积更大的光斑面积，所示光斑面积可偏离轴并且仍然覆盖预压缩燃料的最佳的最小面积。

靶改进

与现有技术相比较，新电流倍增方法导致对定义靶加热和靶响应的强度的束参数的改进。较高总射束能量、减小的光斑尺寸将增加功率沉积密度并且驱动提供来自聚变反应的较高能量增益的靶。靶中的功率沉积密度将与光斑直径的平方成比例地增加。用于燃料靶设计的点火计算经计划以利用这些改进。

热量沉积均匀性对于良好的靶性能十分重要。摆动叠缩物种通过置换由不同物种击中的瞬时光斑来使热量沉积平滑。由于速度不同，在沿不同脉段的相应点处的离子在摆动器RF场的不同相处的靶上游一定距离(例如，30米)通过摆动器，并且在沿脉段的不同轴向位置处的离子以不同的方位点穿透加热环状空间。

在脉段通过圆柱形靶期间，摆动的束以固定的螺旋盘簧形状向前飞行。线圈的厚度为束斑的直径。在该螺旋形状通过所述靶期间，圆柱形环状空间中各点处的瞬时加热对应于热源的螺旋形状。整个环状空间的加热在瞬时上并不一致。时间平均的加热在整个脉段通路上平滑。

通过叠缩，靶中不同脉段的螺旋弹簧形状环绕公共轴相对于彼此旋转。为了进行说明，如果为所有脉段指定脉段串定时以使其同时到达靶(或用另一指定定时，诸如为了提供需要的点火器脉冲功率分布)，那么不同束螺旋的尖端进入正在不同方位位置上受到加热的环状空间。多种同位素的散布螺旋状脉段适合螺旋状间距(螺旋间距减光斑直径)中，从而平滑因数改进等于多种同位素的数量。可以针对不同的重叠布置来定时不同脉段。

通过平滑器来伸展个别微聚束进一步增加平滑作用。给定微聚束中的离子在速度上有所不同，例如有0.1％的差别。这导致离子同时经历摆动器场，但在不同时间到达靶。该作用将使瞬时束的横截面平坦。

新设计的优点

●使用传统加速器技术的第一单程HIF驱动器；

●在聚变靶处对叠缩束充分利用多个物种；

●去除存储环、排除困难/昂贵的技术问题；

●放宽对个别离子源的束发射率的要求；和

●减小点火器束输入口孔的总聚合立体角。

新的技术特征

●具有一个稳健加速器/点火器(10-100+BPOE脉冲)的多个聚变腔室；

●牺牲锂燃料电荷支承环、中子慢化剂、T增殖堆、超高温热工作流体；

●锂滴和喷雾马弗炉鼓风；

●锂滴和喷雾超快、脉冲间聚变腔室真空泵；

●脉冲的极高流速锂泵(在最早腔室中，每秒数十吨)

●多种离子物种源贮存器；

●微聚束收拢系统保存RF瞬间结构和离子束定时；

●螺旋状连续物种延迟和重定时线；

●较少的束线和较少最终聚焦到聚变腔室中的透镜；和

●通过粲粒子和中子承载聚变能量的直接转换。

涉及总体系统性能和成本的改进包括：

●改进的点火器脉冲聚焦特性(通过利用多个物种的6D相空间)；

●用物质中经典的“波尔”离子终止进行更强烈的靶加热；

●更一致的靶加热；

●比国家的点火设施多十倍的点火器脉冲能量；

●具有经选择以最大化点火活力的FI离子物种的快速点火(FI)；

●对多个聚变电力腔室定时；

●脉冲RF范围中的驱动器占空因数；和

●宽松的真空要求。

新束过程不要求多圈注入存储环。这避免了先前技术的忧虑、重大设计工作和存储环所独有的主要硬件论证问题。通过不再需要耗时的验证计划、使硬件必需具有类似于将在电力生产系统中使用的存储环和直线加速器的尺寸、能力和成本，这些忧虑的排除缩短对HIF的安排。

比较

依据一列束倍增过程，可以表达新的过程。

I_靶＝I_源xN_同位素xN_源xN_收拢xN_滑动xN_侧面

为了进行说明，处理压缩或者FI脉冲。示出压缩参数：

I_源    具有1.5MV前加速器电压的氙        ＝0.1A

N    每源贮存器的源数量                 ＝10_同位素

N    _＝源贮存器、前加速器、Marquee的数量＝32_源

N    ＝收拢前和收拢后的微聚束间距之比   ＝10_收拢

N    ＝平滑器处脉段长度÷靶处脉段长度   ＝12.5_滑动

N    ＝进入腔室的束数量                 ＝8_束流

I_靶  ＝在来自所有方向的靶上的总射束     ＝128,000A

功   ＝I_靶x离子能量(20GeV)              ＝6.4PW率

增加直线加速器外的点火器脉冲电流会导致直线加速器处于相对较短的每个点火脉冲的工作时间上，例如，300微秒。使用每秒十个脉冲(例如)来驱动十组多个腔室，RF占空因数为.003，安全处于分类为脉冲RF功率的范围内。脉冲RF的有益性在于每个源的峰值功率较高并且每个峰值功率成本较低。

用于压紧直线加速器产生的电流的过程的新设定最小化束在束管任何段中存在的时间，并且实现单程系统重要情况。以最短时间产生脉冲增加所需RF峰值功率，但将RF占空因数减低到1％的一部分的阈值之下，其中峰值RF功率大体上耗费比连续RF功率更少的峰值瓦特。为了进行说明，表2说明基于技术发展水平HIF设计的比例的工程估算的成本考虑和RF功率系统的当前技术水平的成本：

表2

在20GeV 5A下，RF在脉冲期间将100GW馈送到束中。激发加速器的功率比射束功率小若干倍，但并未示出该功率。通过该警告，该说明对考虑HIF电力生产的经济意义有指导性。

对聚变电力的暗示

新设计特征利用通过使用多种同位素而可用的的总6D相空间的巨大增加。可以在靶表面上照射的最小面积和因此束能量可沉积入的最小体积受物理学称为刘维定理的守恒定律支配。驱动器设计的本质是对于各点火器脉冲而言通过在全部数量的束离子(总共约10千兆粒子，即一万万亿粒子)的开始点处定义的6D相空间进行工作。

依据已知技术的能力，认为现有技术的HIF驱动器设计存在压力。特征上，该压力可以由将所需数量的离子射入体积足够小的6D相空间以便构成点火器脉冲产生的过程将点火要求的束参数输送到燃料靶的离子源亮度方面的压力来表现出。

通过限制横向相空间中的叠加，横向发射率最为有益。由于合并直线加速器所发射的多根束而导致的横向发射率在各平面中增长的例如2.5倍(包括稀释)的因数仅是采用横向(4D)相空间的列束调节过程中的一个。较小的横向发射率能够在靶上实现较小的束斑，从而与直径平方成反比地增加加热强度。为了进行说明，五分之一的光斑直径将增加二十五倍的强度。现有技术指示不需要太多改进，但对于有信心发展聚变电力而言重要的是潜力。相空间中微聚束结构和完整性的保存原则上提供对靶的最小发射率输送。通过系统地将聚束间空间移动到邻近脉段间空间，所述脉段间空间接着通过螺旋延迟线来大部上去除(根据脉冲定时说明)，收拢和平滑作用利用微聚束维持来守恒纵向相空间。该过程压紧该束而不损害纵向发射率，从而在靶上产生较低色差。

通过单程通过该系统来产生点火器脉冲放宽了真空要求。这规避了成本且增加设计的安全裕度。新束过程不要求多圈注入存储环。这避免先前技术的忧虑、重大设计工作和存储环所独有的主要硬件论证问题。通过不再需要耗时的验证计划、使硬件必需具有类似于将在电力生产系统中使用的存储环和直线加速器的尺寸、能力和成本，这些忧虑的排除缩短对HIF的安排。

为与现有技术进行说明性比较，新驱动器构思组合5-10倍高的总点火器脉冲能量(或更多)；如高或更高的总点火器脉冲功率；靶上较小的光斑尺寸；在靶处成形的适当脉冲功率；快速点火，其可通过选择用于在快速点火脉冲中的脉段的离子物种来最佳化。对先前技术发展水平的改进的组合使得该系统满足对聚变电力经济生产的所有已知或理论化要求。

在上述说明书中，已参照本发明的具体示例性实施例对本发明进行了描述。然而，显而易见的是，可以在不脱离如所附权利要求书所阐述的本发明的较广范围和精神的情况下，对所述实施例进行各种修改和改变。因此，应将说明书和附图视为说明性含义，而非限制性含义。

Claims (20)

1.一种反应腔室，包含：

反应容器；

锂主体，其在所述反应容器内，用于在其中收纳至少一个燃料芯块，所述锂主体界定用于向所述燃料芯块输送至少一个能量脉冲的通道；

系统，其用于向所述反应容器内部输送液态锂的脉冲；和

控制器，其用于定时液态锂的所述脉冲的输送。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其中所述反应容器包含真空反应容器，所述真空反应容器具有面向所述反应容器的与锂接触的表面的合金钢覆盖层；和

其中所述反应容器为大致球形、大致圆柱形和大致锥形中的任一种形状。

3.根据权利要求1所述的反应腔室，其中所述锂主体包含锂支承环，并且在所述锂支承环的大致中心处界定用于收容所述至少一个芯块的空间。

4.根据权利要求1所述的反应腔室，其中所述能量脉冲包含从加速器组件输送的重离子束；和

其中所述能量脉冲包含点火脉冲和压缩脉冲中的任一种脉冲。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其中用于向所述反应容器的所述内部输送所述液态锂的所述系统包含泵和连接到所述泵并且与所述反应容器的所述内部连通的至少一个导管，所述泵处于所述控制器的控制下；

其中所述液态锂在大致的锂熔化温度输送到所述反应腔室的所述内部；

其中所述液态锂以以下任一种形式输送到所述反应容器的所述内部：喷雾、小滴、流和渗流，所述喷雾、小滴、流和渗流在添加中子保护的情况下覆盖壁并且厚度至少足以允许在强烈加热时期期间的烧蚀；

其中所述控制器包含数据处理元件，其经程序化以用经定时与聚变脉冲之间的间隔一致的脉冲来输送所述液态锂。

6.根据权利要求1所述的反应腔室，其进一步包含：

热交换器系统，其中所述液态锂通过在聚变脉冲期间产生的能量来加热，并且其中来自所述加热液态锂的热量在处理期间通过所述热交换器系统而传递到转变系统，其中所述液态锂在所述处理期间冷却并且再循环以供进一步使用；

二级包封，其封闭所述反应容器和所述热交换器系统；

支撑系统，其用于冻结和成型支承环；

系统，其用于从所述锂和所述真空泵系统中提取锂；

系统，其用于制造燃料靶并对其装载燃料；

系统，其用于将所述燃料靶装载入支承环；

系统，其用于将装载有燃料的支承环注入以所述点火束的到达定时的所述腔室；和

定时系统，其由支承环的动力学来触发以使得加速器系统因此得以触发。

7.一种粒子加速器系统，其包含：

源组件，其用于发射同位素脉段流，每个脉段包含一串微聚束；

至少一个RF(射频)加速器段，其用于收纳所述脉段流并且聚焦、加速和汇集所述脉段流直到数个高电流平行脉段串射出为止；

叠缩器，其用于收纳所述数个高电流平行脉段串并且发射不同的同位素物种进入单个公共刚性束线，以便所述物种以指定次序到达聚变靶；

至少一个收拢器，其用于接收所述公共刚性束线和收拢所述公共刚性束线内的脉段，直到它们漂移到与至少一个反应腔室中至少一个靶相距规定距离的点为止。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述源组件包含：

重离子源的图案化阵列，每个源以控制元件所决定的顺序发射分离的同位素物种的脉冲；和

HVDC(高压直流电)前加速器，其用于加速所述重离子束脉冲到对应于所述至少一个RF加速器段所需的同步速度的值，其中以重离子源的所述阵列的镜像图案的方式来布置所述HVDC前加速器中的电极。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个RF加速器段包含：

第一RF段，其包含多通道射频四极(RFQ)，其提供强烈聚焦场并且平滑增加加速场以解决将DC进入脉段束等熵转换到RF频率上的连续流中的微聚束内；

对准器，其用于将来自所述第一RF段结构的各种同位素的脉段汇集到单个共线束，所述单个共线束包含由程序化时间顺序指定的各种同位素脉段，且所述对准器用于增加脉段的平均电流；和

数个额外的RF段，其中汇集进入束以便在通过第一加速器段与后续加速器段之间时各脉段的平均电流大致再次增加一倍，其中所述后续结构的rf频率为所述第一结构频率的两倍，并且在束线磁体的互补布置中执行，诸如以便逐步地将两根汇集束对准到公共轴上的一根束中。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述叠缩器包含加速器段，所述加速器段具有至少一个脉冲转换磁体；

其中所述系统进一步包含合并器，所述合并器用于将横向相空间中的多个束在其从所述叠缩器射出进入单根束中时合并；

所述系统进一步包含：

环路器，用于分选束的连续段，通过选通离子源发射或在低能加速的稍后阶段向平行束线中施加磁场或电场而在所述段之间具备时间间隙，处于平行束线中的所述束段内个别微聚束水平的同步性，根据微聚束结构需要以维持于用于所述平行束的具有多个孔的公共rf结构中。

11.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个收拢器差别加速束线中的脉段内的各微聚束，以便使脉段内的微聚束移动得更靠近在一起，同时保持处于RF相聚焦的控制下；

其中所述收拢器包含rf加速器段的一种顺序的区块，所述区块以一种顺序的RF频率操作，所述顺序的RF频率经程序化以协调多个同位素脉段的加速，所述同位素脉段中的每一个具有特定的特征速度；和

其中所述收拢器进一步包含收拢终止器，其用于暂时地终止脉段收拢，直到其漂移到与至少一个反应腔室中的至少一个靶相距规定距离的点为止。

12.一种用于重离子聚变系统的驱动器，其包含：

根据权利要求7所述的粒子加速器系统；

延迟线，其用于去除连续脉段中心之间的距离的至少一个部分；

控制器，其用于控制所述脉段根据指定安排到达指定反应腔室中的聚变燃料靶；

至少一个平滑器，其用于将指定速度差别赋予到位于所述反应腔室中每一个的上游指定距离处的所述脉段的微聚束中；

摆动器，其用于环绕聚变燃料靶迅速旋动束斑，以在所述聚变燃料靶中使能量沉积密度平滑；和

至少一个最终聚焦透镜，其用于将所述束聚焦于聚变燃料靶上。

13.根据权利要求12所述的驱动器，其中所述延迟线包含螺旋延迟线(HDL)，其中公共HDL用于所有同位素；

其中中心之间的所述距离的至少一个部分由于收拢过程而产生，其中所述脉段中每一个的总平均电流增加而所述脉段中每一个的长度缩短；

其中所述hdl包含数个线圈，其中各线圈的长度大致等于连续脉段中心之间的所述距离；其中脉段串中的第一脉段在其离开点之前横穿所述HDL的全部长度；

其中在横穿逐步变少的所述HDL的回转之后，逐步加快的离子的连续脉段顺序地离开所述HDL；和

其中用于各个脉段的出口大致在所述HDL上相同方位点处。

14.根据权利要求12所述的驱动器，其中所述至少一个平滑器包含用于各反应腔室的平滑器；和

其中所述至少一个平滑器包含用于压缩脉冲的至少一个平滑器和用于各快速点火脉冲的至少一个平滑器，

其中在用于所述快速点火脉冲和所述压缩脉冲的分离平滑器将束脉冲分叉到分离束线中之后，在用于所述快速点火和压缩脉冲的分离平滑器中发生平滑；和

其中所有同位素物种在所述反应腔室中的每一个处使用从所述延迟线到所述个别平滑器的一组束线；和

其中，所述平滑器包含直线加速器的一或多个段，所述直线加速器以rf频率操作以使得差别加速不同微聚束来使其中心彼此接近；

其中，在平滑期间，个别微聚束沿相空间椭圆的轴伸展，而所述相空间椭圆的面积在束线朝聚变靶传输期间保持恒定，因此个别微聚束在其接近所述聚变靶的同时变成较长、较瘦的椭圆，并且个别微聚束伸展和移动到更靠近在一起的组合动作引起净电流放大，以便微聚束在所述靶或所述束线上另一指定点处在彼此之上滑行，以通过控制所述平滑加速器参数和定时而在所述靶上实现所述总束流的所需形状。

15.根据权利要求12所述的驱动器，其中所述摆动器包含RF摆动器；

其中所述摆动器位于所述至少一个最终聚焦透镜上游；

其中用于压缩脉冲的脉段区块受所述摆动器支配并且其中用于快速点火脉冲的脉段区块不受所述摆动器支配，因为所述快速点火脉冲针对靶中心；

其中与压缩脉冲离子的速度相比较，将较慢离子用于快速点火脉冲提供在可用于开启或关闭所述摆动器的两个脉冲之间的时间间距。

16.一种重离子聚变电力系统，其包含：

至少一个根据权利要求12所述的驱动器；

至少一个根据权利要求1所述的反应腔室；

数个进入口，其穿透所述反应腔室；和

数个束线，其用于将重离子束脉冲从所述驱动器输送到所述反应腔室，其中所述数个束穿过所述数个进入口进入所述反应腔室并且穿过所述至少一个通道接触所述燃料芯块；

至少一个发电站，其借助于热交换器系统联接到所述至少一个反应腔室，其中通过所述热交换器系统将所述反应腔室中产生的能量传递到所述发电站以将其转换成其他形式的能量；和

系统，其用于对将锂升温至等离子态而产生的能量进行直接转换，用于能量直接转换的所述系统包括：

用于磁性“活塞”直接转换的部件，其联接到整合到真空壁内部的所述反应腔室中的拾取电极；

传输线，其用于传导作为脉冲拾取的电力；和

供应磁场的构件，所述磁场由所述真空壁外部的磁体供应。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述重离子束包含总共八根重离子束，其中四根重离子束被输送到两个进入口中的每一个。

18.根据权利要求16所述的系统，其中脉冲包含以下中的一种：

压缩脉冲；和

快速点火脉冲。

19.根据权利要求16所述的系统，进一步包含用于封闭所述离子源组件的离子源歧管。

20.一种使用重离子聚变产生电力的方法，包含以下步骤：

在从容纳多个离子源的歧管的平行通道中发射同位素脉段流，所述歧管中的各离子源产生一列不同的同位素中的一个，定时用于各脉段的所述离子源以便所述流的所述脉段以程序化时间顺序穿透垂直于其路径的虚构平面；

平行脉段的协调组进入包含数个电极的HVDC加速柱，各电极均具备用于各同位素脉段的个别孔，所述数个孔隙具有与所述歧管源相同的孔图案；

平行脉段的各协调组进入具有RF加速器的第一段的RF直线加速器，所述RF加速器的第一段将恒定电流脉段脉冲转换为包含微聚束的脉段脉冲，所述微聚束以所述RF频率通过一个点；

微聚束的平行脉段的各协调组进入第二RF直线加速器段，所述第二RF加速器段的电极表面提供用于所述同位素脉段中的每一个的个别通道；

将平行脉段的各协调组接收到磁束线的歧管中，所述束线将所述个别脉段中的每一个路径选择到公共中线上的一列磁性开关中的一个上，从而将所述顺序的平行束转换到具有程序化顺序空间的一个共线脉段串中；

在RF加速器的另外段中接收所述脉段流并且将其聚焦，加速并且汇集来自多个平行歧管源的所述脉段流，其中减少来自多个歧管源的所述流的总数，直到预定的数个高电流平行脉段串出现为止；

借助于叠缩器，接收所述数个高电流平行脉段串并且通过多个能量增益加速同位素脉段，各脉段的所述能量增益使所述脉段达到对所有同位素物种相同的磁刚性；

在各组平行脉段分别达到相同磁刚性的所述点处，将所述脉段转换出所述叠缩器；

用磁性开关将各相同刚性脉段路径选择到公共束线中，并且发射在时间上具有程序化顺序的一串脉段，且将平行束中的多串脉段发射到维持过程上，以便所述多串脉段内的所述不同同位素物种以指定次序到达聚变靶；

借助于合并器，将所述数个高电流平行脉段串接收到数个磁束线中，所述数个磁束线将所述脉段串路径选择到数个磁性开关上，所述磁性开关的组合将RF同步的所述数个高电流平行脉段串同时注入到公共中线中；其中对所述公共束线的注入等同地使用两个横向相空间的平面，其中磁性传输经设计以使所述合并的束所占的总相空间的非必要增长最小化；

在至少一个收拢器中接收所述公共刚性束线，并且收拢RF收拢加速器段内的个别脉段中的所述微聚束和所述公共刚性束线的长度，所述rf收拢加速段的频率经控制以向脉段内的所述微聚束提供差别速度，以便所述微聚束收拢并且所述脉段在所述束方向上收缩，直到其达到为各同位素脉段规定的微聚束间空间为止；

在至少一个RF收拢终止器中接收具有所述间距的所述串脉段，通过所述RF收拢终止器消除所述聚束间速度差别，其中所述RF收拢终止器加速段的频率和振幅经控制以有序方式降低脉段内的微聚束之间的t速度差别来使6D相空间中的所占体积的非必要增长最小化，以便t微聚束收拢并且脉段收缩逐步地减少，直到所占空间达到为各同位素脉段规定的微聚束间间距和脉段间间距为止；

借助于延迟线，消除连续脉段中心之间的距离的至少一部分；

所述脉段漂移到与至少一个反应腔室中的至少一个靶相距规定距离的点；

借助于所述离子源和RF功率系统中的中央控制器和定时执行器，根据指定安排，在指定反应腔室中控制所述脉段到达聚变燃料靶；

借助于至少一个平滑器，将指定速度差别赋予到位于所述反应腔室中每一个的上游指定距离处的所述脉段的微聚束中；

使用摆动器，环绕聚变燃料靶迅速旋动束斑，以在所述聚变燃料靶中使能量沉积密度平滑；和

借助于至少一个最终聚焦透镜，将所述束聚焦于聚变燃料靶上；

借助于数个束线，从所述驱动器将重离子束的脉冲输送到所述反应腔室，其中所述数个束穿过数个进入口进入所述反应腔室并且穿过至少一个通道接触燃料芯块；

通过将来自超高温热力学工作流体的热直接转换成电能，联接至少一个发电机，直接转换发生器包含使用非接触能量转换构件和接触能量转换构件中的一者或两者的单元；

借助于热交换器系统，将至少一个发电站联接到所述至少一个反应腔室；

通过所述热交换器系统，将所述反应腔室中所产生的能量传递到所述发电站；和

将所述传递能量转换为其他形式的能量。

Images