CN102204413A - 增强热核聚变反应预点燃条件的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了增强聚变反应预点燃条件的系统。第一系统包括容纳聚变燃料的靶室和能量驱动装置，所述能量驱动装置用于将等离子体约束结构导向所述聚变燃料，以促进所述聚变燃料的受控聚变反应的点燃。多个电子源提供预定能量、一定注量和数量的电子束，所述电子束导向并照射聚变燃料衍生等离子体，以控制所述等离子体的离子温度与电子温度之比。第二系统包括容纳球形聚变靶材料芯块的中央靶室和至少第一和第二多个能量驱动器，所述第一和第二多个能量驱动器用于以三维对称方式围绕所述聚变靶材料芯块提供瞬时分段X射线脉冲。第三系统结合所述第一系统和所述第二系统的各个方面。

Description

增强热核聚变反应预点燃条件的系统

相关申请的交叉引用

本申请要求Curtis A.Birnbach于2008年8月28日申请的名称为“聚变反应的电子增强多频抽运”的美国临时申请第61/190,435号的优先权，和Curtis A.Birnbach于2009年3月30日申请的名称为“降低聚变反应中流动力不稳定性的方法”的美国临时申请第61/211,449号的优先权。

技术领域

本发明涉及增强热核聚变反应的预点燃条件的各种技术，更具体地涉及(a)将预定能量、数量或注量的电子注入聚变燃料等离子体，(b)聚变反应的瞬时分段抽运，(a)、(b)可单独实施或相互结合实施。

发明背景

两个轻原子核聚合形成较重的原子核时会发生热核聚变反应。在此过程中，聚变反应释放大量能量。本说明书描述三种增强聚变反应预点燃条件的技术。

1、将电子注入聚变燃料等离子体

第一种增强聚变反应预点燃条件的技术涉及达到正确的离子与电子温度比，以促进热核聚变反应的点燃。所属领域的技术人员已知，抽运聚变燃料以产生适合点燃燃料来产生等离子体的条件的抽运要求存在明显矛盾。一方面，为了达到适当的压缩，X射线抽运能量不能太高或X射线以最小相互作用穿过靶。另一方面，希望以非常高的温度抽运等离子体，例如质子-¹¹硼反应(p-¹¹B)的抽运温度约为100KeV，以促进聚变等离子体的点燃。

另有，控制离子温度与电子温度之间的比率是有益的。通常以开氏度(°K)或电子伏(eV)测量离子或电子的等离子体温度，等离子体温度是每个粒子的热动能的量度。

一项重要的考虑因素是聚变燃料等离子体是否简并。在物理学中，简并指相同能级的粒子(即离子、电子、核子和中子)的密度。超过一定密度的等离子体称为简并；低于较低密度的等离子体称为非简并；两个密度之间的等离子体称为部分简并。

经典分析表明，如果聚变燃料等离子体中离子与电子之间的温差太大，电子就会吸收离子的能量，从而可能淬灭反应。然而，Son，S.和Fisch，N.J.在《物理快报》A部分：通用原子和固体物理学，329(1-2)(2004年)，第80-81页(简称“Son等人”)的简并等离子体的无中子聚变(2004年)中讲授一种不同的观点。下文的描述来源于Son等人。

如果电子完全简并，那么离子拖曳力主要来自电子。相比经典极限，并不消除电子力。这是因为，由于缺乏电子空穴迁移率的不对称，离子上电子的拖曳力并不完全是平方反比定律的引力。拖曳力取决于相对离子速度的方向。然而，只会因反平方力而发生消除。由于缺乏可用空穴，电子不会与离子碰撞，所以完全简并电子不会拖曳离子。在p-¹¹B聚变反应中，预计终止频率会因适当电子温度而大幅下降。

此过程还减少轫致辐射。轫致辐射是因电子减速而发生的高能电离辐射的一种形式，从德语直译过来是“制动辐射”。如Yamaguchi、Kawata等人在NII电子图书馆服务的国家聚变科学研究所(日本)的《简并等离子体的轫致辐射能损耗》第6页中所述，在无穷远处，速度为v_e的电子与位于原点的离子碰撞。在频率间隔d_v内，电子发射的辐射能dq_v(所谓的有效辐射)为：

${\mathrm{dq}}_v=\frac{32{\mathrm{\π}}^2{Z}^2{e}^6}{3\sqrt{3}{m}_e^2{c}^3{v}_c^2}\mathrm{dv}.$

其中，Z为离子的原子数，-e为电子电荷，m_e为电子质量，c为光速。

再次参考Son等人的描述，离子温度(离子能量的量度单位)明显高于电子温度(电子能量的量度单位)时，由于禁止许多电子空穴迁移，并非所有电子均与离子碰撞。采用轫致辐射的经典推导估计表明，由经典公式得出总损耗将减少^O((T/E_F)^3/2)。如果轫致辐射减少到开始加热电子的水平，那么希望将少量高Z杂质(掺杂)加入燃料，以微调轫致辐射，使其在最佳电子温度下与离子和电子能量转移平衡。

如Son等人的进一步描述，在10²⁹cm^-3的高密度下，由于电子温度只有几十KeV，大部分辐射能将被再吸收。证明电子的康普顿加热也较为明显。显然，在一定程度上，这些效应倾向于减少电子耦合，那么就越容易维持不同的离子和电子温度，因此活性更高。p-¹¹B具有可能的点燃体系，其中：

Son等人还描述了电子简并降低制动能力和轫致辐射损耗，而制动能力和轫致辐射损耗的降低反过来促进自持燃烧。主要是电子制动能力的降低使离子与电子之间存在如此大的温差，维持所述温差以达到良好效果。

总而言之，上述讨论说明，控制聚变燃料等离子体的离子与电子温度比增强了聚变反应的预点燃条件。发明人根据上述描述推测：为了达到预期温度比，需要控制注入反应的电子的能量、数量或注量。

2、聚变反应的瞬时分段抽运

第二种增强聚变反应预点燃条件的技术涉及降低惯性约束聚变反应的流动力不稳定性。自第二次世界大战期间美国曼哈顿计划中核技术出现以来，流动力不稳定性一直是核子物理和热核物理的研究克星。任何一种降解过程均可减少反应对称性。在流体力学平衡中，对等离子体的微小扰动以允许所述扰动加强的方式释放自由能，从而导致不均匀加热，且反应在达到最大能量前终止(若发生聚变反应)。因此，需要提供驱动聚变反应的技术，以最大程度减小形成流动力不稳定性的可能性，并降低可能出现的流动力不稳定性。

3、技术结合

第三种增强聚变反应预点燃条件的技术结合了上述第一种技术和上述第二种技术，从而提供了控制热核反应的预点燃阶段的各种技术。以下是六种离散步骤组合，但也可以任何组合形式使用其他技术。

发明内容

本发明的一种形式涉及一种增强聚变反应预点燃条件的系统。所述系统包括容纳聚变燃料的靶室和能量驱动装置，所述能量驱动装置用于将等离子体约束装置导向所述聚变燃料，以促进所述聚变燃料的受控聚变反应的点燃。一种改进包括提供预定能量、一定注量和数量的电子束的多个电子源，所述电子束导向并照射聚变燃料衍生等离子体，以控制所述等离子体的离子温度与电子温度之比。

通过控制等离子体的离子温度与电子温度之比，有效增强聚变反应的预点燃条件。

本发明的第二种形式涉及一种增强聚变反应的其他预点燃条件的系统。所述系统包括容纳球形聚变靶材料芯块的中央靶室和至少第一和第二多个能量驱动器，所述第一和第二多个能量驱动器用于以三维对称方式围绕所述聚变靶材料芯块提供X射线脉冲。所述第一和第二多个能量驱动器向所述聚变靶材料提供第一组和第二组瞬时分段X射线脉冲；提供所述第一组后的时间间隔后提供所述第二组，作为所述聚变靶材料的预点燃条件。

向等离子体提供瞬时分段能量脉冲用于降低所述等离子体的流动力不稳定性。

本发明的第三种形式结合了本发明的第一种形式的电子增强特征与本发明的第二种形式的瞬时分段能量脉冲的一个或多个要素。本发明的第一种形式与第二种形式的结合进一步增强了聚变反应的预点燃条件。

附图说明

在附图中，相同的参考数字表示相同元件：

图1为注入等离子体的电子的示意图。

图2为优选电子枪的部分横截面的简化视图。

图3为含有X射线激光驱动器和独立电子枪的优选聚变反应堆的简化立体图。

图4为电子束聚焦装置的简化侧视平面图。

图5为电子枪用户界面的框图。

图6为部分剖切的典型磁约束聚变反应堆的立体图。

图7为含有第一组和第二组X射线激光驱动器的优选聚变反应堆的简化立体图。

图8A-8D为说明聚变反应的瞬时分段预点燃条件的时序图。

图9为用于产生操作本发明的协调定时脉冲流的定时网络的框图。

图10为含有第一组和第二组X射线激光驱动器和独立电子枪的优选聚变反应堆的简化立体图。

图11A-11B为说明聚变反应的瞬时分段预点燃条件的时序图。

具体实施方式

本发明的一些实施例结合了上述两种不同临时专利申请中分别说明的不同技术，以增强对热核聚变反应的预点燃条件的控制。第一种技术涉及将预定能量、数量或注量的电子注入聚变燃料等离子体，以控制离子温度与电子温度之比，从而更好地控制反应和降低流动力不稳定性。第二种技术涉及聚变反应的瞬时分段抽运，目的是进一步降低聚变燃料等离子体的流动力不稳定性。但是，每种技术本身即可作为增强聚变反应预点燃条件的有效技术。作为第三种技术，两种技术的结合增强了聚变反应的预点燃条件的控制水平。

下文描述本发明的第一种至第三种技术：

1、主动控制离子与电子温度比

第一种涉及聚变等离子体的电子增强的技术是提供精密控制小规模热核反应的有效方法。在所述技术中，允许调节离子温度与电子温度之比，从而改变反应的燃烧特性。无论等离子体处于何种简并状态，电子增强均有用，“简并”已在发明背景中进行定义。然而，电子增强的必要水平随等离子体的简并度而变化。图1说明注入聚变燃料等离子体12(简称“等离子体”)的电子10。通过提供设计为聚变反应堆的电子增强结构，可经济地实现不同简并体系操作。现有技术说明，离子温度与电子温度之间存在临界平衡。电子增强(注入)处于正确温度(KeV)时，可更容易地达到燃烧聚变燃料的最佳条件。可通过燃料与选定量的高Z材料的受控掺杂进一步微调该过程。

图2显示优选电子枪14，包括发射电子10的阴极16。通过穿过孔24的一系列电极18、20和22使电子10增速，孔24朝向等离子体12(图1)。电子枪14安装在非磁性真空密封构造的外壳26内。阴极16安装在阴极支架28上，阴极支架28通过真空密封电绝缘馈入装置30穿过外壳26的后壁。阴极支架28的左示端从馈入装置30穿出，作为电连接点接收电能。栅极18和加速器电极20、22用于控制和提取电子10的电子束，并将电子束聚焦到等离子体12上。真空密封电绝缘馈入装置32、34和36分别向栅极18和加速器电极20、22提供机械支持和电连接。化学吸气剂泵38帮助保持外壳26内真空。真空密封电绝缘馈入装置40向吸气剂泵38提供机械支持和电连接。

现有技术说明了处于任何简并状态(即简并、非简并或部分简并)的等离子体需要电子增强时，可通过简并等离子体的实现达到最大效率。

如发明背景所述的Son等人的描述表明，如果由聚变燃料燃烧产生的等离子体中离子与电子之间的温差太大，电子就会吸收离子的能量，从而可能淬灭反应。根据本发明，电子源使高能电子渗透靶燃料等离子体。考虑到每个燃料芯块的轨迹存在轻微偏差，最好渗透靶燃料等离子体和超过靶燃料范围的额外量，其中额外量表示，例如1％的最大尺度的靶燃料等离子体，如沿穿过靶燃料等离子体的几何中心线测得的值。电子的能级可调节，以便通过注入理想温度的电子达到靶燃料等离子体内的正确电子温度。通过改变附在电子源上的电源的电压进行调节。如下文所述，通过电磁或静电聚焦装置(例如图4中的加速器电极20和22)控制电子的轨迹。

有必要从能量驱动装置分别引入电子。所述布置的优点在于，允许对电子能进行微调，以满足反应的特殊要求，而不危害发明人C.A.Birnbach于2008年3月13申请的美国专利申请公开第US 2008/0063132 A1号(简称“′132公开”)公开的射频加热能力。因此，图3显示包括中央球形真空容器44的优选聚变反应堆42。多个X射线激光器46和多个电子枪14围绕容器44的中心对称设置在容器44的表面。图3显示了燃料芯块喷射器48与真空容器44连接。

为了适当地照射聚变燃料，在整个4π球面角度上放置多个电子枪14，并将多个电子枪14聚焦在等离子体12(图1)上，最好在等离子体周围对称聚焦。如图4所示，可实现电子10(图1)的电子束的聚焦。在图4中，电极20和22(如图2所示)将电子10的电子束聚焦在等离子体12的质心上。栅极18用于控制和调节流向孔24的电子流，且允许脉冲的定时同步。所有电子源最好具有相同的能量(电子伏(eV))和注量(Amps)。为了保证所有电子源均具有期望能量和注量，提供如图5所示的电子枪控制器50。电子枪控制器50包括具有用户控制电压输入54和用户控制电流输入56的高压电源52。用户控制输入54和56是可能使用的同一种控制输入。主机58连接电子枪控制器50，以提供系统级控制。高压电源52在主机58的控制下提供所有必要的电压，并控制电子枪14的信号。

作为一个可能性实例，可使用对称设置在聚变燃料靶周围的6个正交放置的电子源达到期望均匀度，每个电子源照射聚变燃料靶的约1/6的表面面积。根据本说明书，其他数量的电子源对所属领域的技术人员显而易见。只要符合本文所述的能量、数量或注量的要求和同步能力，电子源可包括任何类型的电子枪。

针对使用的聚变燃料系统，电子源需要渗透具有预定能量的预定电子量的靶聚变燃料等离子体区。栅极18允许电子数量的同步与控制。所产生的电子融合用于提供相对出现的离子数的正确电子数，以达到理想的离子与电子比。可通过聚变燃料的组成和抽运X射线束的能量确定离子温度。通过离子温度可确定达到理想离子温度与电子温度之比所需的电子源电源的所需电压设置。根据栅极18的动作调节，通过所提供的聚变燃料的原子数确定电子的数量。

Son等人的描述表明，为了避免轫致辐射损耗，电子温度(T₀)必须远低于离子温度(T₁)。由于最好通过离子阻止聚变副产物的生成，所以电子温度T₀不能太低。鉴于此考虑，电子温度的范围必须非常窄，以保持自燃的可能性。通过离子能量输入与轫致辐射损耗之间的平衡确定电子温度T₀。T₁与T₀之比随使用的聚变燃料而改变。例如，对于典型聚变燃料(例如氘-氘、氘-氚、氘-³氦、质子-⁶锂、质子-¹¹硼)，比率通常为2∶1至20∶1不等。

较佳的，多个电子源提供预定能量、注量或数量的电子束，所述电子束导向并照射聚变燃料等离子体。假定电子源放置为使其电子束围绕聚变燃料靶等离子体对称放置，所有电子源最好具有各自的千分之一电压和各自的0.25％电流。所用电子源的数量最好使聚变燃料等离子体的每单位体积产生规定数量的电子，所述规定数量的电子为等离子体内任何其他单位体积的10％以内。

电子源和靶聚变材料周围所述电子源的定向有大量可能配置，所述可能配置将达到上述规定条件。

上文公开了受控聚变反应相对于聚变等离子体的简并度的有效优化。通过改变电子温度以改变离子温度(T₁)与电子温度(T₀)之比和选择性地将规定量的电子引入反应实现有效优化。所述改进允许对聚变反应的预点燃条件增强进行优化，以便在等离子体的各种简并、部分简并和非简并状态下操作。

上述电子增强过程的各个方面可应用于如图6所示的典型磁约束聚变反应堆。多个电子枪14对称放置在圆环形真空室62周围。相对于圆环面的水平面，在多个均匀间隔的径向位置处，三个电子枪14位于垂直所述水平面的120°夹角。磁约束聚变反应堆通常包括多套正交放置的极向磁铁64和环向磁铁66。所述磁铁64和66用于在真空容器62内形成磁约束区，所述约束区容纳聚变等离子体12(图1)。在电子枪控制器50(图5)的控制下，电子枪14使所需电压和注量的电子10(图1)渗透等离子体12。

2、聚变反应的瞬时分段抽运

第二种技术涉及聚变反应的瞬时分段抽运，可与′132号公开说明书中描述的系统一起采用。瞬时分段抽运的原理也适用于其他惯性约束聚变系统。在′132号公开说明书中，反应堆具有多个X射线激光驱动器。尽管′132号公开说明书中的附图仅显示了6个对称排列的驱动器，本文考虑了较多数量，其中驱动器的逻辑编号为14，如本发明图7所示的瞬时抽运聚变反应堆70。本发明的实施例采用了瞬时分段脉冲串来驱动聚变反应。首先点燃第一组X射线激光器46a(即，如′132号公开说明书中所示的位于3个正交轴上的6个激光器)。随后，在短暂的预定时段内点燃第二组激光器46b(剩余的8个)。为图示清楚，第二组46b显示的线束比第一组46a密集。

脉冲组之间的时段为关键值。如果第二脉冲组太快到达，此脉冲组就会与第一脉冲组融合，于是不能修正流动力不稳定性。可采用所有脉冲组(脉冲间无延迟)同步运行反应堆，这就是′132公开说明书中考虑的条件。与此相反，本发明实施例考虑了一种可及时使脉冲瞬时分离成轻微分离的对称组的可调节系统。如果此分离过大，第二脉冲则将在反应发生如下情况之一后到达：

(1)失败；

(2)通过“极限点”后不能纠正不稳定情况；或

(3)发生全聚变反应且第二脉冲不必使用或不利。

为了量化前述定时考虑，反应总时间由第一对称X射线压缩脉冲组首次碰撞燃料颗粒的时间至发生热核聚变的时间确定。例如，如果反应总时间为3毫微秒，则第二脉冲组会，例如在第一脉冲组到达约500微微秒后到达。如果第二脉冲组在第一脉冲组到达后超过约1.5毫微秒后到达，则可能太晚。如果第二脉冲组在第一脉冲组到达后10毫微秒后到达，则的确太晚而不可采用。此处给出的值为相对值且仅用于说明原理，而不用于确定进行聚变反应的实际值。

图8A-8D显示了瞬时分段能量脉冲的相对时间线，以建立聚变反应的预点燃条件。

图8A：该图描述了第一X射线脉冲72和第二X射线脉冲74。双箭头75指在可变时段内可产生第二脉冲74。

图8B：该图描述了第一X射线脉冲72和第二X射线脉冲74，其中射频加热脉冲76在固定时段后跟随第一X射线脉冲72。双箭头75指在可变时段内可产生第二脉冲74。

图8C：该图描述了电子脉冲78跟随的第一X射线脉冲72和第二X射线脉冲74。双箭头75指在可变时段内可产生第二脉冲74。双箭头79指在可变时段内可产生电子脉冲78，以调节定时和同步化。

图8D：该图描述了电子脉冲78跟随的第一X射线脉冲72。双箭头79指在可变时段内可产生电子脉冲78。

上述描述说明了各种脉冲组合之间的相对关系，从而判断有关比例。此描述表明能提供可分成两组或多组的驱动信号。这有利地使由图8A-8D(和下述图11A-11B)中的双箭头75和79指出的可变定时值可采用精微高分辨率(例如，微微秒或更小)精确调节。如图9所示，这可通过采用商用定时延迟发生器(如由加利福尼亚旧金山的HighlandTechnologies Inc.制造的延时发生器)来建立定时网络90而实现。定时网络90包括三部分：时钟部分92、定时部分94及电缆和抖动补偿部分96。时钟部分92包括主时钟98，如高精度低抖动振荡器。主时钟向整个系统产生定时脉冲。主时钟98通常为温度控制晶体振荡器，但也可为原子钟。主时钟98通过一排优选的等长电缆100a、100b和100c连接至定时部分94。这些电缆的总长度最好控制在0.001英寸(25.4μm)，其中包括连接器的长度。

定时部分94包括三个定时延迟发生器102a、102b和102c。定时延迟发生器102a设定第一X射线脉冲的点燃时间。定时延迟发生器102b设定电子脉冲(若系统中存在)的点燃时间。如图8C中的79所示，电子脉冲的定时由系统操作员预设。如图8A-8C所示且也如下述图11A所示，定时延迟发生器102c设定第二X射线脉冲相对于第一X射线脉冲的延迟时间。在主机58的控制下通过控制栅极18(图2)调节电子10的流量和数量。

定时部分94的定时延迟发生器连接至部分96中的一排电缆和抖动补偿延迟发生器。本文所使用的电缆补偿提供了用于纠正电缆104a-104f、106a-106n(其中，n为所用电子枪14的数量)和108a-108h之间长度差异的装置，以确保脉冲分别同步到达第一组X射线激光器46a、电子枪14或第二组X射线激光器46b。本文所使用的抖动补偿提供了用于纠正制造激光器46(图3)或激光器组46a和46b(图10)或电子枪14(图2、图3和图10)时的细小差异的装置。每种装置具有不随时间改变的特有抖动值且该值的处理方式类似于电缆长度补偿偏移量。

使用时，首先设置电缆补偿和抖动部分96的延迟时间。然后，设置定时部分94的定时调整时间，以提供如图8A-8D和图11A-11B所示的期望操作顺序。连接至主机58的定时延迟发生器102a-102c、110a-110f、112a-112n(其中，n为所用电子枪14的数量)和114a-114h及主时钟98由主机58控制，从而可通过在系统启动期间进行一系列迭代测量快速优化定时条件。

系统设计中考虑了定时网络90和电子枪控制器50的多输入装置，该装置可包括由操作员控制的直接手控输入或主机58控制的程控输入。

a、流动力不稳定性

有利地，本发明的聚变反应瞬时分段抽运技术有望可降低燃料芯块的制造精度。目前，有必要将表面不连续性限制在小于总表面的1％，以减少从等离子体主体向外涌出且局部冷却等离子体的等离子体“射流”的形成。此类等离子体射流具有流动力不稳定性的特性。本发明实施例中图8A-8C和图11A所示的第二瞬时分段X射线脉冲74(及使用的附加瞬时分段脉冲)在形成时需具有流动力不稳定性的射流特性。因此，可承受较大面积的燃料芯块表面不连续性。

对于所属领域的技术人员来说，显而易见的是根据本说明书，每组激光器应能释放所需的全驱动能量，以实现聚变。该步骤不是绝对必要，但如果每组激光器仅具有一部分所需能量，则进一步限制了系统的定时容差，从而在此条件下必须使两种脉冲在规定时窗内到达。本发明实施例的目的在于降低整个聚变反应对流动力不稳定性的灵敏度，因此向每组对称脉冲提供全驱动能量容量的步骤是必要且可取的。

可能需要大于两组瞬时分段驱动脉冲来减轻流动力不稳定性的效应，而本系统结构可提供这些驱动脉冲。对于所属领域的技术人员，显而易见的是，根据本说明书，本技术存在多个可能改变，这可有利地减少流动力不稳定性在惯性约束聚变反应的不利作用或程度。

3、两种技术的协同作用

最大效用和协同作用由结合前述两种技术获得，如图11A所示。尽管每种技术拥有其自身独特的特征，但在结合时会形成一种协同方法。作为一种引起和控制聚变反应的方法，组合法使事件按以下顺序进行(见图11A)：

1、第一X射线脉冲72照射聚变燃料。这使燃料完全电离，从而产生等离子体12(图1)并开始压缩和加热过程。如′132公开说明书所公开的内容，施加第一X射线脉冲72后，可任意地将射频加热脉冲76定时施加到聚变燃料等离子体12。

2、电子脉冲78照射聚变燃料区域并将具有比能的特定数量的电子10(图1)引入前述步骤1产生的等离子体12(图1)。这具有改变离子温度与电子温度的比率并使前述有害作用最小，从而提高理想反应发生的可能性。在主机58的控制下通过栅极18(图2)控制电子10的流量和数量。

3、第二X射线脉冲74进一步压缩和加热等离子体12(图1)。第二X射线脉冲74由来自不同方向而非构成第一X射线脉冲72的光束构成。此作用在于承受和减轻可能在前述步骤中形成的任何流动力学不稳定性。

4、这三组脉冲(即72和76、72和78、72和74)的定时和顺序至关重要，因此必须谨慎调整，以达到最佳系统性能。这通过调整延迟发生器102b(图9)来控制每组脉冲发生的定时时间而实现。按照双箭头79的指示调整电子脉冲78的定时时间，并按照双箭头75的指示调整第二X射线脉冲74的定时时间。最简单的优化系统性能的方法为在主机58(图9)的控制下采用迭代优化例行程序来向定时网络90提供控制输入。根据本说明书，此类优化例行程序的编制对所述领域的技术人员来说是显而易见的。此类优化例行程序测试下述图8A-8D和图11A-11B的各延迟设置组合75和79，从而能确定产生最佳系统性能的延迟设置组合。采用此类计算机例行程序来提供控制输入可能更优选于采用用户控制输入(如图5的54和56、图8A-8D的75和79、图11A-11B中的输入)。

图11A中说明的前述步骤顺序的变化如前述图8A-8D所示和图11B所示。

图11B描述了在固定时段后射频加热脉冲76跟随的第一X射线脉冲72，其中射频加热脉冲76在固定时段后被电子脉冲78跟随。双箭头79指在可变时段内可产生电子脉冲78。

本说明书的所有改进之处均可结合′132公开说明书中的技术，以实现对热核聚变反应预点燃条件的改进控制。

优选实施例

尽管上述技术适用于许多不同类型的聚变过程(单个或结合过程)，其最初作为′132公开中描述的本发明的辅助技术。因此，参考本发明的附图，上述技术为特别优选技术，现更详细地描述如下。

′132公开描述了一种用于控制聚变反应某些预点燃条件的独特系统。上述系统是一种直接X射线驱动惯性约束聚变系统。上述系统利用X射线激光器46(图3)作为主要的反应抽运装置。本发明描述了进一步促进聚变反应预点燃条件控制的系统级改进。

′132公开中的系统包括容纳聚变靶材料的中央靶室44(图3)。多个X射线激光器(图3)设置在中央靶室44周围，以向所述靶室中的聚变靶材料提供能量来引发此材料的受控聚变反应，从而以聚变等离子体12(图1)的形式释放能量及热量。

更详细地，图3显示了通过受控核聚变产生能量的反应堆。此系统包括中央靶室44。系列的6个或多个X射线激光器46以成对对称的方式设置在中央靶室44的周围。对称的X射线激光器46以对称方式设置在位于靶室44中央的靶芯块位置周围，以便完全产生会碰撞靶室44中央的靶聚变芯块(未显示)的优选高度球形波前。X射线激光器46产生对称压缩靶而引起并维持聚变反应的高流畅性X射线束72(图8A-8D和图11A-11B)。X射线激光器46最好为本发明的发明人在美国专利第4,723,263号中最先描述的受激X射线发射器(SXE)。在优选实施例中，上述SXE的X射线激光器46配有射频产生装置(未显示)，该装置提供射频能量的同步脉冲76(图8B、图11A和图11B)，从而向反应提供额外的热量。这在′132公开说明书讨论图10-13时进行进一步描述。

任何聚变系统的最佳性能取决于产生燃料靶芯块的完全对称压缩。本发明的X射线激光器46(图3)提供对称照射靶的装置。如果碰撞靶的波前(未显示)为半径与靶芯块半径一致的凹形几何形状，则可在燃料靶芯块上产生几乎完全对称的压缩波前。此是必要的原因是，可使流动力学不稳定性最小，且(若够大)可使燃料芯块以不均匀的方式发热而不会在聚变反应中点燃。本发明的一方面以瞬时分段方式有利地利用了波前的凹形几何形状，以进一步使流动力学不稳定性的不利作用最小。这通过使用与第一X射线脉冲72(图8A-8C和图11A)相比稍微延迟的第二X射线脉冲74而实现。能量束的组合瞬时分段波前72和74相当于为两个破坏的球壳。

典型直接驱动ICF靶的内爆过程大致分为3个阶段：

(1)初始阶段；

(2)加速阶段；

(3)减速阶段。

在初始阶段，第一冲击波在燃料芯块中行进且此芯块主要通过此冲击波加速。初始阶段的第二个要求：燃料的全电离。这通过使聚变燃料离子在后续阶段中更易结合而促进聚变反应。这通过碰撞将电子撞出其轨道而剩下裸核的X射线的高能量实现，其中裸核为熔融成其他原子核的优选状态。外壳(或消融壳)在第二阶段通过消融向内加速。然后，燃料在减速阶段受严重压缩。初始阶段中，靶面的扰动由初始印痕因激光器辐射不均匀和初始靶面粗糙引起。第二阶段(加速阶段)中，主要因流动力不稳定性在外表面上产生的扰动通过内表面进入。

在本发明实施例中，如图8C，在上述三个阶段中最好按顺序利用瞬时分段脉冲。初始X射线脉冲72在初始阶段开始此步骤。初始X射线脉冲在加速阶段开始时最好由电子脉冲78紧随。通过使用栅极18(图2)实现电子脉冲78的同步。第二X射线脉冲74在加速阶段的前期最好紧随电子脉冲78。此顺序使电子与第一X射线脉冲72的初始冲击产生的等离子体进行最佳相互作用。此行为使等离子体12(图1)进行最佳压缩直至最终导致聚变内爆。第二X射线脉冲74也使可能发生在初始阶段和加速阶段的任何流动力学不稳定性最小。

在本发明的替代实施例中，′132公开说明书中的系统可包括构成X射线激光器46(图3)的射频加热装置，以产生射频脉冲76(图8B、图11A和图11B)。一种结果是同步产生超过200兆焦耳的射频加热脉冲76(指定频率大于150GHz)且此加热脉冲随X射线脉冲72行进。射频脉冲76可用于向等离子体12(图1)提供额外热量，而几乎不产生任何额外费用或能耗。这是因为其采用SXE的X射线激光器46的X射线生产过程的多余能量产生。射频脉冲76与X射线脉冲72相比稍微延迟一段固定时间。通过使射频脉冲76恰好发生在第一X射线脉冲72后，射频脉冲76与电子脉冲78几乎同步到达。优选地，定时网络90(图9)的控制输入通过主机58(图9)微调这些事件的定时时间，从而优化此作用(图11A)。这产生了如图11A所示的四步脉冲串，此脉冲串提高了对聚变燃料的预点燃条件的控制，从而产生点燃聚变燃料的最佳条件。

本说明书公开了六种不同的惯性约束聚变(ICF)系统的改进方案：

1、瞬时分段X射线脉冲(图8A)；

2、组合瞬时分段X射线脉冲和射频增强等离子体(图8B)；

3、组合瞬时分段X射线脉冲和电子增强等离子体(图8C)；

4、电子增强等离子体(图8D)；

5、射频和电子增强等离子体(图11B)；

6、优选实施例--组合瞬时分段X射线脉冲和电子增强等离子体(图11A)。

每种技术具有各自的优点。在各种组合中，各种技术均依次增加了对聚变反应的预点燃条件的改进和控制。

尽管已采用说明的方式结合具体实施例描述了本发明，所属领域的技术人员可进行多种修改和改变。对此，无论与本文所使用的“装置”一词一起使用的动词是否通常具有单数或复数含义，“装置”一词均包含单数或复数含义。某些系统中没有提供产生第二X射线脉冲的第二组X射线源。因此，应理解所附权利要求旨在涵盖本发明实际范围和精神内所包括的所有修改和改变。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种增强聚变反应预点燃条件的系统，包括：

a)容纳聚变燃料的靶室和能量驱动装置，所述能量驱动装置用于将等离子体约束装置导向所述聚变燃料，以促进所述聚变燃料的受控聚变反应的点燃；

结合上述，其特征在于，包括：

b)多个电子源，所述多个电子源提供预定能量和数量的电子束，所述电子束导向并照射聚变燃料衍生等离子体，以控制所述等离子体的离子温度与电子温度之比，选择所述能级以最小化轫致辐射损耗，所述电子能量低于由全电离产生的电子的能量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括通过控制输入调节所述电子束电压的装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括通过控制输入调节所述电子束电流的装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子源将所述电子束聚焦到所述聚变燃料上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

a)惯性约束用于控制和引发聚变反应；和

b)中央靶室容纳聚变燃料；

c)能量驱动装置用于将光学激光的能量脉冲、X射线辐射或离子导向所述聚变燃料，以促进所述聚变燃料的受控聚变反应；

d)提供装置用于在预定时段后将预定能量、脉冲宽度和数量的电子脉冲注入由所述能量脉冲相对于自身引起的全电离产生的聚变等离子体。

6.根据权利要求1所述的系统，包括磁约束装置，其特征在于：

a)靶室容纳聚变燃料；

b)能量驱动装置用于将压缩磁约束场和射频热场导向由向所述靶室注入聚变燃料产生的聚变等离子体，以引发聚变反应。

7.(已删除)

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，提供装置用于将与第一能量脉冲具有预定延迟的射频脉冲注入由所述能量脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：

a)提供装置用于将与第一能量脉冲具有预定延迟的射频脉冲注入由所述能量脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体；和

b)提供装置用于在预定时段后将预定能量、脉冲宽度和数量的电子脉冲注入由所述能量脉冲相对于自身引起的全电离产生的聚变等离子体。

10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔和所述预定时间。

12.一种增强惯性约束聚变反应预点燃条件的系统，其特征在于，包括：

a)容纳惯性约束聚变靶材料芯块的中央靶室和至少第一和第二多个同类型能量驱动器，所述第一和第二多个同类型能量驱动器用于以三维对称方式围绕所述聚变靶材料芯块提供X射线脉冲；

b)所述第一和第二多个同类型能量驱动器，其向所述聚变靶材料提供第一组和第二组瞬时分隔X射线脉冲；提供所述第一组后的时间间隔后提供所述第二组，作为所述聚变靶材料的聚变燃料衍生等离子体的预点燃条件。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，提供装置用于注入预定能量和数量的电子作为脉冲，所述电子导向并照射所述第一X射线脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体；在所述第一组和第二组X射线脉冲的时间间隔内预定时间注入所述电子，以控制所述等离子体的离子温度与电子温度之比；选择所述能量级以最小化轫致辐射损耗，所述电子能量低于由全电离产生的电子的能量。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔和所述预定时间。

16.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，提供装置用于将第一能量脉冲中具有预定延迟的射频脉冲注入由第一组X射线脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔。

18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，提供装置用于注入预定能量和数量的电子作为脉冲，所述电子导向并照射所述第一X射线脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体；在所述第一组和第二组X射线脉冲的时间间隔内预定时间注入所述电子，以控制所述等离子体的离子温度与电子温度之比；选择所述能级以最小化轫致辐射损耗，所述电子能量低于由全电离产生的电子的能量。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔和所述预定时间。

Claims (19)

1.一种增强聚变反应预点燃条件的系统，包括：

a)容纳聚变燃料的靶室和能量驱动装置，所述能量驱动装置用于将等离子体约束装置导向所述聚变燃料，以促进所述聚变燃料的受控聚变反应的点燃；

结合上述，其特征在于，包括：

b)多个电子源，所述多个电子源提供预定能量、一定注量和数量的电子束，所述电子束导向并照射聚变燃料衍生等离子体，以控制所述等离子体的离子温度与电子温度之比。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括通过控制输入调节所述电子束电压的装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括通过控制输入调节所述电子束电流的装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子源将所述电子束聚焦到所述聚变燃料上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

a)惯性约束用于控制和引发聚变反应；和

b)中央靶室容纳聚变燃料；

c)能量驱动装置用于将光学激光的能量脉冲、X射线辐射或离子导向所述聚变燃料，以促进所述聚变燃料的受控聚变反应。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

a)磁约束用于控制和引发聚变反应；和

b)环形靶室容纳聚变燃料；

c)能量驱动装置用于将压缩磁约束场和连续射频加热场导向由向室内注入聚变燃料产生的聚变等离子体。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，提供装置用于在预定时段后将预定能量、脉冲宽度和数量的电子脉冲注入由所述能量脉冲相对于自身引起的全电离产生的聚变等离子体。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，提供装置用于将与第一能量脉冲具有固定延迟的射频脉冲注入由所述能量脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：

a)提供装置用于将与第一能量脉冲具有固定延迟的射频脉冲注入由所述能量脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体；和

b)提供装置用于在预定时段后将预定能量、脉冲宽度和数量的电子脉冲注入由所述能量脉冲相对于自身引起的全电离产生的聚变等离子体。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔和所述预定时间。

12.一种增强聚变反应预点燃条件的系统，其特征在于，包括：

a)容纳球形聚变靶材料芯块的中央靶室和至少第一和第二多个能量驱动器，所述第一和第二多个能量驱动器用于以三维对称方式围绕所述聚变靶材料芯块提供X射线脉冲；

b)所述第一和第二多个能量驱动器，其向所述聚变靶材料提供第一组和第二组瞬时分段X射线脉冲；提供所述第一组后的一段时间后提供所述第二组，作为所述聚变靶材料的预点燃条件。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，提供装置用于将特定能量和注量的电子作为脉冲注入由所述第一X射线脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体；在所述第一组和第二组X射线脉冲间隔内的预定时间注入所述电子。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔和所述预定时间。

16.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，提供装置用于将与第一能量脉冲具有固定延迟的射频脉冲注入由第一组X射线脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔。

18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，提供装置用于将特定能量和注量的脉冲电子注入由所述第一X射线脉冲引起的全电离产生的聚变等离子体；在所述第一组和第二组X射线脉冲间隔的预定时间内注入所述电子。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，提供装置用于通过控制输入以微微秒或更精微的增量微调所述时间间隔和所述预定时间。

Images