CN102483959B - 循环抛射体的等离子体压缩系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了压缩等离子体的系统和方法的实施例，其中可借助抛射体对液态金属空腔中的磁化等离子体的碰撞来压缩等离子体。抛射体能够在液态金属空腔中熔化，液态金属可被再循环以形成新的抛射体。

Description

循环抛射体的等离子体压缩系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月29日提交的美国临时专利申请No.61/229355，题为“SYSTEMS AND METHODS FOR PLASMACOMPRESSION AND HEATING WITH RECYCLING OFPROJECTILES”的按照U.S.C.§119(e)的权利，该申请在此整体引为参考。
技术领域
本公开涉及等离子体压缩的系统和方法的实施例。
背景技术
用于把等离子体压缩到高温和高密度的一些系统通常较大，费用高，并且重复率和使用寿命有限。在等离子体内加入磁场是通过降低等离子体体积的粒子和能量损失速率来提高任意特定加热方案的效率的一种有前景的方法。
压缩等离子体的方法包括下述6种方案。
(1)利用随着时间增大的外部磁场的等离子体的直接压缩。
(2)借助内爆靶丸的外表面的烧蚀火箭效应的压缩，所述压缩由强电磁辐射或高能粒子束驱动(比如某些惯性约束聚变(ICF)设备)。例如，参见R.W.Moir等的“HYLIFE-II：An approach to a long-lived，first-wallcomponent for inertial fusion power plants”，Report NumbersUCRL-JC-117115；CONF-940933-46，Lawrence Livermore National Lab，August 1994，该文献在此整体引为参考。
(3)借助由在内爆套筒中流动的大脉冲电流驱动的导电套筒(一般为金属)的电磁内爆的压缩。
(4)借助导电介质中的大振幅声脉冲的球面或柱面聚焦的压缩。例如，参见在美国专利申请公报No.2006/0198483和2006/0198486中公开的系统和方法，上述美国专利申请都在此整体引为参考。在一些实现方式中，可以利用外部加压气体进行导体介质的压缩。例如，参见在R.L.Miller和R.A.Krakowski的“Assessment of the slowly-imploding liner(LINUS)fusion reactor concept”(Rept.No.LA-UR-80-3071，Los Alamos ScientificLaboratory，Los Alamos，NM 1980)中说明的LINUS系统，该文献在此整体引为参考。
(5)把运动等离子体注入到导电介质内的静态的、但为锥形会聚的空腔中，以使得等离子体动能驱动由壁边界约束确定的压缩的被动式压缩。例如，参见C.W.Hartman等的“A Compact Torus Fusion ReactorUtilizing a Continuously Generated String of CT′s.The CT StringReactor”，(CTSR Journal of Fusion Energy，vol.27，pp.44-48(2008))；和“Acceleration of Spheromak Toruses：Experimental results and fusionapplications”(UCRL-102074，in Proceedings of 11th US/Japan workshopon field-reversed configurations and compact toroids；7-9Nov.1989；LosAlamos，NM)，上述文献均在此整体引为参考。
(6)由高动能宏观抛射体的碰撞，例如，由一对碰撞的抛射体，或者由碰撞固定的靶标介质的单一抛射体驱动的等离子体的压缩。例如，参见美国专利No.4,328,070，该专利在此整体引为参考。另外参见上面引入的C.W.Hartmann等的论文，“Acceleration of Spheromak Toruses：Experimental results and fusion applications”。
发明内容
公开一种压缩等离子体的系统的实施例。所述系统可包括等离子体注入器，所述等离子体注入器包括配置成产生磁化等离子体的等离子体形成系统，和等离子体加速器，所述等离子体加速器具有第一部分，第二部分，和在第一部分和第二部分之间的纵轴。所述等离子体加速器可被配置成在第一部分接收磁化等离子体，并沿所述纵轴，朝第二部分加速磁化等离子体。压缩等离子体的系统还可包括液态金属循环系统，所述液态金属循环系统被配置成提供液态金属，所述液态金属构成被配置为容纳来自等离子体加速器的第二部分的磁化等离子体的腔室的至少一部分。当被容纳在所述腔室中时，所述磁化等离子体具有第一压强。所述系统还可包括抛射体加速器，所述抛射体加速器被配置成沿所述纵轴的至少一部分，朝所述腔室加速抛射体。所述系统可被配置成使得抛射体压缩所述腔室中的磁化等离子体，从而压缩的磁化等离子体可具有大于第一压强的第二压强。
公开一种压缩等离子体的方法的实施例。所述方法包括产生环形等离子体，朝着液态金属中的空腔加速所述环形等离子体，朝着液态金属中的空腔加速抛射体，当环形等离子体在液态金属中的空腔中的时候，用抛射体压缩环形等离子体。在一些实施例中，所述方法还可包括使液态金属流动，从而形成空腔。在一些实施例中，所述方法还可包括再循环一部分的液态金属，从而形成至少一个新的抛射体。
公开一种压缩等离子体的设备的实施例。所述设备可包括等离子体注入器，所述等离子体注入器被配置成朝着液态金属中的空腔，加速等离子体的紧凑环。所述空腔具有凹陷形状。所述设备还可包括被配置成朝着所述空腔加速抛射体的抛射体加速器，和配置成协调紧凑环的加速和抛射体的加速，以使得抛射体约束在液态金属中的空腔中的紧凑环的定时系统。
附图说明
在附图中，附图标记被重复使用，以指示引用的元件之间的对应性。提供附图是为了举例说明这里描述的例证实施例，并不意图限制本公开的范围。
图1是表示液态金属壁面限制的等离子体压缩系统的一个例证实施例的示意截面图，其中所述系统包括抛射体加速设备，等离子体注入器，液态金属再循环容器和抛射体形成子系统。
图2是表示环绕抛射体加速器的喷口同轴设置的等离子体注入器的一个例证实施例的一部分的示意截面图。在图解说明的实施例中，等离子体注入器环绕抛射体加速轴40a旋转对称。
图3包括简化的示意截面图(A-I)，所述简化的示意截面图(A-I)按照例如时间顺序，图解说明从与液态金属碰撞到最大压力点，抛射体和等离子体如何动作，以及抛射体随后的破碎和与用于抛射体材料的再循环的液态金属的混合的例子。以与在图3右侧的状态条中的数值相应的灰度级的形式，图解说明密度值(单位：kg/m3)。
图4A-4F是图解说明抛射体的各种例证实施例的示意截面图。
图5示意表示抛射体加速器的一个例证实施例中的排气阀的定时的例子。
图6是示意图解说明利用抛射体对磁化等离子体的碰撞，在液态金属空腔中压缩等离子体的方法的一个例证实施例的流程图。
具体实施方式
概述
上面说明的等离子体压缩方案具有各种优点和缺点。不过，有效地实现任何等离子体压缩方案时的一个重大障碍一般是按必需的物理尺寸构成这种设备的货币成本。对上述方案中的一些方案来说，建造成本妨碍或者甚至阻止全尺寸原型的测试和研发。从而，有益的是考虑能够利用一些常规方法和材料，可负担得起地按原型全尺寸构成，并且具有相对简单的总体设计和较小物理尺寸的技术。
上面压缩方案的实施例本质上通常是脉冲的。要考虑的两个可能因素是单位脉冲的成本和脉冲重复率。与或者非破坏性的方案(例如，方案1)，或者采用材料的被动再循环的方案(例如，方案4，5和某些形式的方案6)相比，利用每个脉冲周期被破坏的高精度部件的方案(例如，方案2，3和某些形式的方案6)一般具有相当高的单位脉冲的成本。非破坏性脉冲方案往往会具有最高的重复率(受磁效应限制)，在一些实现方式中，所述重复率可能高达kHz。被动再循环可能就重复率来说是次高的(受套筒流体流速限制)，在一些实现方式中，所述重复率可以达到几Hz。使得用于脉冲压缩的中央组件按照每个脉冲被破坏的方案往往具有最低的固有重复率，所述重复率由清除被破坏的元件然后插入新配件所用的时间决定。在一些实现中，最好也只不过数秒不超过一次。
由于从高密度和高温等离子体发射强X射线和高能粒子的可能性，有利的是考虑引入大量可更换的吸收材料以降低出自等离子体的辐射产物到达压缩设备的永久性构件的程度的方案。没有引入这种吸收材料或覆盖物的设备的构件往往会受到辐射损坏，从而相应地具有较短的使用寿命。虽然方案1，2和3的一些实施例适合于容纳一定量的吸收材料，不过这会使设计变得复杂(例如，参见在上面引用的Moir等的文章中描述的HYLIFE-II反应器设计)。相反，方案4，5和6通过选择用于压缩套筒流体的材料和/或通过在环绕设备的较大未用体积中加入材料，引入吸收材料。具有再循环吸收流体的系统也能够提供一种吸取压缩期间产生的热量的低成本方法。吸收流体的再循环还允许把来自压缩等离子体的辐射产物用于转化包括在吸收流体中的同位素。这种方法可用于处理废料，或者用于提供一种经济实用的稀有同位素产生方法。
碰撞驱动的压缩方案一般涉及通常不借助任何磁场，或者只具有边缘限制特性的磁场，把微小但宏观的抛射体加速到把固体抛射体压缩和加热到极密实，极热的等离子体状态所需的超高速度的方法。这一般要求利用极长的电磁加速器(例如，长达数公里)来逐渐产生必需的速度，导致高得惊人的建造成本。
本公开的各个实施例解决这些和其它挑战中的一些挑战。例如，在利用抛射体的多数系统中，一直不存在再循环抛射体材料的任何方法，抛射体材料导致高精度部件的破坏，从而极大地增大单位脉冲的成本。另外，为有益的用途吸收等离子体辐射产物的机制一直未被结合到某些现有设计中，从而必须作为后添加的事物，另外加上任意吸收覆盖物，结果工程复杂性可能相当高。
本发明的一些实施例涉及利用抛射体的碰撞来驱动等离子体压缩，和提供一种系统结构，与现有途径相比，所述系统结构能够实现重复率更高和/或系统寿命更长的尺寸相当小的系统。与一些碰撞压缩方法(例如参见美国专利No.4,435,354，该专利在此整体引为参考)相反，本发明的一些实施例利用以较低速度行进时的更大质量，所述更大质量起压缩充分磁化的等离子体的作用。这便于利用不太复杂，代价不太大的抛射体加速方法来压缩等离子体。例如，轻气炮可用于在例如约100米的距离内，把抛射体加速到高达数km/s的速度。在美国专利No.5,429,030和美国专利No.4,534,263中说明了可以和这里公开的等离子体压缩系统的实施例一起使用的轻气炮和抛射体发射器，上述专利均在此整体引为参考。在L.R.Bertolini等的出版物“SHARP，a first step towards a full sized Jules VerneLauncher”(Report Number UCRL-JC--114041；CONF-9305233-2，Lawrence Livermore National Lab，May 1993)中描述的抛射体发射器也可和等离子体压缩系统的实施例一起使用，该出版物在此整体引为参考。
本发明的实施例可结合抛射体材料的集成被动再循环系统。这便于提高重复率(例如，较高的重复率)和/或延长系统寿命。通过适当地选择材料，抛射体和套筒流体可充当等离子体辐射产物的有效吸收体，从而产生具有经济可行性和实际效用的系统。
等离子体压缩的例证系统和方法
下面说明等离子体压缩的系统和方法的实施例。在一些实施例中，借助抛射体对液态金属空腔中的磁化等离子体环的碰撞，能够压缩等离子体。抛射体能够在液态金属空腔中熔化，液态金属能够被再循环，从而形成新的抛射体。在压缩期间，等离子体能够被加热。
参考附图，图1中表示了新的改进的例证等离子体压缩系统10的实施例的示意截面图。例证的系统10包括磁化等离子体形成/注入设备34，加速器40(例如，轻气炮或者电磁加速器)，加速器40沿着加速轴40a，向部分由液态金属46的会聚流动限定的压缩室26发射抛射体12。液态金属46包括在液态金属再循环容器18内，锥形喷嘴24把液态金属46的流动导引到磁通量保存套筒，所述磁通量保存套筒具有表面27，所述表面27具有在压缩室26的所需形状。压缩室26大体上轴对称。压缩室26的轴线基本上与加速轴40a共线(例如，参见图1和2)。系统10可包括定时系统(未示出)，所述定时系统被配置成协调各个事件，例如，等离子体的形成，等离子体的加速，抛射体的发射或加速等的相对定时。例如，在一些实施例中，由于抛射体速度可能明显低于等离子体注入速度，因此可以延迟等离子体形成和注入，当抛射体12到达加速器40的指定位置(例如，喷口附近)时，可用定时系统触发等离子体形成和注入。
图1示意图解说明向压缩室26移动的3个例证抛射体12a，12b和12c。第4个抛射体12d在位于等离子体的最大压缩点附近的液态金属46中。4个抛射体12a-12d用于举例说明系统10的特征，并不是对本发明的限制。例如，在其它实施例中，在任何时候，加速器40可以加速不同数目的抛射体(例如，1，2，4或者更多)。图1还示意图解说明在系统10中的3个不同位置的等离子体环。在图解说明的实施例中，可在形成/注入设备34的形成区域36a附近，形成磁化等离子体环。在位置36b的磁化等离子体环已在同轴电极48和50之间被加速和压缩。在位于加速器40的喷口附近的位置36c，磁化等离子体膨胀脱离同轴电极48和50的末端，进入由抛射体12c(参见图1)的正面和液态金属的表面27限定的压缩室26的较大体积中。在磁衰减时间比压缩时间大数倍的情况下，磁化等离子体能够存留在压缩室26中的位置36c。
抛射体12c的运动能够压缩在位置36c附近的等离子体，同时等离子体的内部磁约束减少或者阻止在压缩的早期阶段内，退回等离子体注入器中的较大粒子损失。在图1中示意图解说明的系统10中，垂直于加速轴40a的抛射体12c的尺寸小于到压缩室26的开口的尺寸，以使得当抛射体在位置36c附近时，环绕抛射体的外部，存在环形空隙。在抛射体12c封闭到压缩室的开口，从而压缩室26基本上或者完全被液态金属的表面27和抛射体12c封闭之后，开始压缩的后一阶段。例如，参见示意描述压缩几何形状的模拟时序的图3。于是，抛射体12对压缩室中的等离子体的碰撞能够增大等离子体的压力、密度和/或温度。例如，等离子体可具有在压缩室26中时的第一压力(或密度或温度)，和在抛射体12碰撞之后的第二压力(或密度或温度)，第二压力(或密度或温度)大于第一压力(或密度或温度)。第二压力(或密度或温度)可以是第一压力(或密度或温度)的1.5，2，4，10，25，50，100倍或更多倍。在抛射体被卷入液态金属46中(在图1中描述成抛射体12d)之后，抛射体能够快速破裂和熔化到金属46中。如下进一步所述，来自容器18的液态金属46能够被再循环，从而形成新的抛射体。
作为所述压缩的结果，等离子体会被加热。由于吸收来自压缩等离子体的辐射产物，以及抛射体动能的热能化，会发生液态金属46的净加热。例如，在一些实现方式中，等离子体压缩事件能够把液态金属46加热多达几百摄氏度。从而，如图1中的例子中所示，当用泵14再循环液态金属46时，可借助热交换系统16冷却液态金属，以在入口管28或者在锥形喷嘴24保持期望的温度。在一些实现方式中，等离子体压缩生成的热量可用热交换器吸取，并用在发电系统(例如，由用吸取的热量产生的蒸气驱动的涡轮机)中。在一些实施例中，可以使液态金属的温度保持适度高于其熔点(例如，Tmelt+约10～50℃)。热交换器16可以是任何适当的热交换器。
在一些实施例中，热交换器输出可以用在其它处理中。例如，除了把液态金属46的流动导引到锥形喷嘴24以形成压缩室26的表面27的入口管28之外，再循环泵30能够把液态金属46的供给输送到用于产生新的多批抛射体的子系统(例如，图1中所示的抛射体制造厂37)中的抛射体铸模32。在一些实施例中，可以使用装填机构38自动把新的抛射体装填到加速器40的开口中。在一些实施例中，可以使一排抛射体12位于弹药筒结构内，所述弹药筒结构可被装填机构38装填到加速器40的开口中，并沿着加速轴40a较快地顺次发射。在一些情况下，可以设置加速器40不进行发射的短暂时段在一些实现方式中可能短至1-2秒)，以便于抛射体的下一个弹药筒的装填。在一些实施例中，装填机构38可具有直接的装填-发射-装填-发射循环，在这种情况下，不需要使用弹药筒结构，能够维持大体稳定的抛射体发射速率。
在一些实施例中，可以使抛射体铸模32自动接收再循环的液态金属46，并提供适合于允许利用各种制造方法浇铸新的抛射体的冷却循环。液态金属再循环和新的抛射体制造的速率足以按期望的发射速率供给抛射体。通过以并行方式准备多批新的抛射体的方法，能够缩短液态金属在铸模内充分凝固所需的总冷却时间。在系统10的一些实现方式中，可以使冷却时间尽可能地短，并且/或者冷却时间可由装填机构正常机械运行所需的刚度和/或抛射体12承受沿着炮加速的能力决定。借助这种高度自动化的发射循环，能够在较长的持续时间内获得相当高的重复率。另外，除了可能为每次发射注入等离子体之外，系统10的某些实施例具有实际上是闭环的优点，在所述闭环中，固态抛射体12可被发射到充满大体相同的液态材料的容器18中，随后液态金属46能够被再循环，从而形成新的抛射体12。在一些实施例中，可以利用例如在美国专利N0.4,687,045中说明的系统和方法制造抛射体，该专利在此整体引为参考。
系统10可以用作各种实际并且有用的应用中。例如，在涉及借助辐射产物的吸收的同位素嬗变的应用中，可存在液态金属流动循环的另一条支路(未示出)，其中可利用例如标准的吸气剂床技术，从液态金属46提取同位素。在一些实施例中，如果需要，那么可以向金属流中添加额外的金属，以补充因嬗变或其它损耗或效率低而损失的量。
在系统10的一些实现方式中，一些或所有的再循环液态金属系统可以类似于用于上述压缩方案4和5的一些实现方式的系统。这种方案的一些实现方式可不同于方案4的某些实现方式，因为不利用旋涡流体动力学来产生压缩室26中央空腔，而是改为使用直线喷嘴流动。本发明的一些实现方式也不同于方案4的一些实现方式，因为只利用单个抛射体来驱动每个压缩，不需要使用于产生基本对称的声脉冲的许多活塞的碰撞同步。
与方案5相比，本发明的一些实施例也具有一些可能的优点，方案5一般利用相当长，并且更强大的等离子体注入器来形成为了产生等离子体的完全压缩而需要的动能，由于电容储能的代价，导致建造成本较高。在本发明的一些实施例中，可用于压缩等离子体的能量主要来源于在加速器40中加速抛射体12的加压气体。在一些情况下，与在方案5的一些实现方式中使用的技术相比，这是一种不太复杂和花费不太大的技术。
等离子体压缩系统10的实施例可包括沿着直线路径发射抛射体12的加速器40，所述直线路径顺着大体上穿过等离子体注入器34的中心的轴40a行进，并且止于与再循环容器18内的压缩室26的等离子体和液态金属壁的碰撞。在一些实施例中，加速器40可被配置成使得对于大口径抛射体(比如质量约100kg，直径约400mm)，它能够有效地获得较高的抛射体速度(例如，约1-3km/s)，并且能够按照自动重复发射的方式工作。存在许多适合于这种应用的已知加速器设备。一种可能的途径可以是使用轻气炮。在一些实现方式中，炮的设计允许用加压的轻“推送气体”(它可包括例如氢气或氦气)，快速装填位于抛射体之后的稳压室(plenum)体积。在一些实现方式中，对于在抛射体之前的区域来说，有利的是在炮随后被点火之前，使所述区域至少部分抽空。例如，当抛射体12向前移动时，它会把在其路径中的一部分气体推入压缩室26中。取决于气体成分，这可能污染注入压缩室26中的等离子体。在一些情况下，另一种(杂质)气体的存在会通过发射出线路辐射而使等离子体冷却，线路辐射的减少降低了用于加热等离子体的能量。在其中使用氢气作为推送气体的实施例中，氢气会被完全电离，并混合到等离子体中，不存在这种冷却问题的可能性高。此外，在抛射体之前的残余气体起阻力的作用，减缓抛射体在炮中的加速。从而，在抛射体之前至少存在部分真空的实施例中，能够实现炮效率的提高。
在一些实施例中，常规轻气炮可在发射间隔期内提供炮筒44的快速排空。例如，在一种可能的炮设计中，主炮筒44被相当大的真空罐(图1中未示出)环绕，同时沿着炮44的长度分布大量的可启动排气阀42。阀的一种可能的例证操作方法包括下述内容。在发射间隔期内，所有(或者至少相当大部分)的阀42可被开启，源于前次抛射体发射的推送气体会被排入真空缸中。一旦阀开启，如果不包括由在真空罐表面的主动抽吸引起的流出的影响，那么关于初始平衡压强的估计为：
Pequ＝PpushVgun/Vtank＝Ppush(rgun/rtank)2，
其中Ppush是在抛射体离开喷口之后炮中的最终压强，Vgun，Vtank分别是炮筒44和真空罐的体积，对于同轴圆柱形炮-罐系统来说，所述初始平衡压强也与炮筒和真空罐的半径的比值的平方成正比。例如，如果(rgun/rtank)＝1/10，并且最终推送压力为Ppush＝1个大气压(1个大气压约为1.013×105Pa)，那么初始平衡压强理应约为1/100大气压。在某些系统实施例中，这种体积压降允许使用标准的高速涡轮泵技术排空所述系统，在一些气体炮设计中提供的极高压强下，一般不使用所述标准的高速涡轮泵技术。在一些这样的实施例中，可沿着真空罐的表面分布真空涡轮泵(未示出)，在并行抽吸的情况下，真空涡轮泵可具有等于或超过由注入推送气体驱动抛射体而引起的时间平均气体流入速率的组合抽吸速率。一种可能的配置是推送气体的闭环，其中压缩机接纳来自真空泵的排气，然后直接对炮稳压室加压。额外地或者可替选地，来自热交换系统16的热能可用于通过加热对稳压室中的气体加压。
继续说明阀操作的例证方法，一旦炮40中的压强被降到足够低的水平，那么阀42开始关闭，并且可被同步以使得最接近炮40的开口的阀首先被完全关闭。在一些情况下，可沿着炮40的长度按照线性序列错开完全关闭阀42的时间，以便追踪抛射体的轨迹。可以使用其它同步模式。借助适当的同步，炮40的一些实施例可被配置成一旦在所述开口(breach)附近的阀被关闭就发射另一个抛射体12，随后当该抛射体12沿着炮40前进时，所述抛射体会经过新近关闭的阀，同时在所述抛射体前面的阀处于关闭的过程中，而仍然开启到足以使任何残余气体被排出到真空罐中的程度。在其它实施例中，可以使用其它炮发射模式。
启动的排气阀42可以例如，借助直线或旋转运动工作。图5示意地图解说明抛射体加速器的一个实施例中，旋转式排气阀42a～42d的定时的例子。电动机78a～78d可用于分别旋转阀转子72a～72d。在这个例子中，定时可被安排成使得阀转子72a和72b分别至少部分封盖在抛射体(在本例中，所述抛射体在向右运动)的位置76之后的一个或多个排气孔74a和74b，阀转子72c和72d分别保持至少部分开启在所述抛射体的位置76之前的一个或多个排气孔74c和74d的状态，以使得气体可被至少部分约束在抛射体之前的区域中，而在抛射体之前的区域可被至少部分排空。在一些实现方式中，推送气体在系统内的再循环可能在较短(例如，亚秒)的发射间隔期内需要相当大的能量消耗。在炮的其它工作方法中，可不同于上面所述地操纵排气阀(如果使用的话)。
在一些实施例中，抛射体加速系统的重复率可以大于或等于压缩方案的固有重复率。在其它实施例中，抛射体加速系统的重复率可以小于压缩方案的固有重复率。
可以使用其它抛射体加速方法。例如，另一种可能的抛射体加速方法包括感应线圈炮的使用，在一些实施例中，感应线圈炮使用一系列的脉冲电磁线圈施加排斥磁力以加速抛射体。感应线圈炮的一种可能优点是能够使线圈炮稳定地保持较高的排空状态。
在系统10的一些实施例中，可以加入另外的传感器(未示出)和触发电路(未示出)，以便精确地触发加速器40的发射。
抛射体12和/或流体金属46的实施例可由金属、合金或它们的组合制成。例如，可以使用含约17％(原子浓度)的锂的铅/锂合金。这种合金具有约280℃的熔点，和约11.6g/cm3的密度。可以使用其它锂浓度(例如，5％，10％，20％)，在一些实现方式中不使用锂。在一些实施例中，抛射体12和液态金属46具有大体相同的组成(例如，在一些脉冲的再循环实现方式中)。在其它实施例中，抛射体12和液态金属46可具有不同的组成。在一些实施例中，抛射体12和/或液态金属46可用金属，合金或它们的组合制成。例如，抛射体和/或液态金属可包括铁、镍、钴、铜、锂等。在一些实施例中，可以选择具有足够低的中子吸收，以使得有用的中子通量的出液态金属的液态金属46。
等离子体环注入器34的实施例通常类似于同轴轨道炮式的某些已知设计。例如，参见在J.H.Degnan等的“Compact toroid formation，compression，and acceleration”(Phys.Fluids B，vol.5，no.8，pp.2938-2958，1993)；R.E.Peterkin的“Direct electromagnetic acceleration ofa compact toroid to high density and high speed”(Physical ReviewLetters，vol.74，no.16，pp.3165-3170，1995)；和J.H.Hammer等的“Experimental demonstration of acceleration and focusing ofmagnetically confined plasma rings”(Physical Review Letters，vol.61，no.25，pp.2843-2846，December 1988)中描述的各种等离子体环注入器实施例。另外，参见在H.S.McLean等的“Design and operation of a passivelyswitched repetitive compact toroid plasma accelerator”(FusionTechnology，vol.33，pp.252-272，May 1998)中实验测试和说明的注入器设计。上述出版物均在此整体引为参考。另外，在美国专利申请公报No.2006/0198483和2006/0198486中说明的等离子体发生器的实施例可以和等离子体环注入器34的实施例一起使用，上述美国专利申请均关于其所公开的所有内容在此整体引为参考。
等离子体注入器34生成的环形等离子体可以是诸如球马克之类的紧凑环，它是由它自己的磁场限制的环形等离子体，所述磁场由在导电等离子体中流动的电流产生。在其它实施例中，紧凑环可以是等离子体的场反向配置(RFC)，它具有基本上闭合的磁场线，同时几乎不存在场线的中央穿越。
一些这样的等离子体环注入器设计能够产生具有环形拓扑的强内部磁场的高密度等离子体，所述环形拓扑的强内部磁场用于持续一段时间把带电等离子体粒子约束在等离子体的核心内，所述持续时间相当于或者超过压缩和回弹的时间。注入器的实施例可被配置成借助外部驱动电流并允许内部磁场的部分衰减的欧姆加热或电阻加热和/或当等离子体在压缩室26中停下来时源于注入动能的热能化直接离子加热，来提供较大的等离子体预热。
如图2中示意所示，等离子体注入器34的一些实施例包括几个系统或区域：等离子体形成系统60，等离子体膨胀区域62和等离子体加速/聚焦系统或加速器64。在图2中所示的实施例中，等离子体加速/聚焦系统或加速器64由电极48和50划界。电极48和/或50可以是锥形或者楔形，以便当等离子体沿着加速器64的轴线移动时压缩等离子体。在图解说明的实施例中，形成系统60具有最大的直径，包括与等离子体形成系统60的外壁同轴的独立的形成电极68，等离子体形成系统60可被通电以借助高电压、高电流放电，使注入的气体电离，从而形成等离子体。等离子体形成系统60还可具有在电离放电之前，产生初始磁场的一组一个或多个电磁铁线圈，随后在等离子体形成期间，所述初始磁场被埋入等离子体内。在由膨胀区域60中的膨胀和松弛期间的等离子体处理整形之后，初始磁场可发展成一组封闭的环形磁通面，所述一组封闭的环形磁通面能够提供主要由内部等离子体电流保持的强粒子和能量约束。
一旦形成了这种磁化等离子体环36，可从中央锥形加速器电极48越过等离子体，然后沿着外部电极50返回地驱动加速电流。由此引起的洛伦兹力(J×B)顺着加速器64加速等离子体。等离子体加速器64可具有大体与加速器轴40a共线的加速轴。汇聚的锥形电极48，50能够使等离子体压缩成更小的半径(例如，在如图1中示意所示的位置36b，36c)。在一些实施例中，用长度约5m、外径约2m的适度大小的注入器34能够实现约为4的径向压缩因子。这能够产生约为在注入器的膨胀区域中的初始密度的64倍的注入等离子体密度，从而向碰撞压缩处理提供初始密度高的起始等离子体。在其它实施例中，压缩因子可以是例如，2，3，5，6，7，10或者更大。在一些实施例中，不使用等离子体加速器中的压缩，系统10主要通过抛射体对等离子体的碰撞，压缩等离子体。在图解说明的实施例中，用于形成、磁化和加速等离子体环的电力可由脉冲电源系统52提供。脉冲电源系统52可包括电容器组。在其它实施例中，可按照例如在J.H.Hammer等的“Experimental demonstration of acceleration and focusingof magnetically confined plasma rings”(Physical Review Letters，vol.61，no.25，pp.2843-2846，December 1988)描述的标准方式，供给电力，该文献在此整体引为参考。
液态金属循环容器18的实施例可被配置成具有图1中用截面图表示的大体为圆柱形的中央部分，所述中央部分支持沿着轴向方向在一端通过逐渐变小的开口24(锥形喷嘴)进入主室、并在另一端通过管道20或者一组这样的管道离开主室的液态金属的净流动。另外，图1中表示了把液态金属46导引到抛射体铸模32的可选再循环管道30。可选地，再循环管道30可以是与容器18的另一个区域分离的管道。在各个实施例中，液态金属46中的流速可以从数m/s到数十m/s不等，在一些实现方式中，有利的是在整个系统10中大体维持层流。为了促进层流，可在容器18中加入蜂窝元件。可以在压缩区域中使用定向叶片或水翼结构把液态金属流导引成期望的形状。可以选择会聚流的锥角，以改善对于抛射体形状的特定锥角的碰撞流体动力学。再循环容器18可由强度和厚度足以能够承受源于抛射体碰撞和等离子体压缩事件的输出压力波的材料制成。可选地，在容器18的出口附近(或者在其它适当位置)的特殊流动元件可用于抑制能够对热交换系统造成损坏的压力波。可选地，加热器(未示出)可被用于针对启动操作或者在维修周期之后，把液态金属温度升高到其熔点之上。在一些实施例中，在美国专利申请公报No.2006/0198483和2006/0198486中公开的用于液态金属流的系统和方法可以和系统10一起使用，上述美国专利申请均在此整体引为参考。
在抛射体加速和碰撞期间，可能存在相当大的动量转移，所述动量转移导致对设备的结构施加的反冲力。在一些实现方式中，再循环容器18中的体相流体的质量足够大(例如，比抛射体的质量大约1000倍)，从而通过把容器18安装在一组刚性减震器上，能够处理碰撞的反冲力，以使得容器18的位移约为1cm左右。当加速器40加速抛射体时，加速器40也会受到反冲作用。在一些实施例中，加速器40的质量可能为抛射体12的数百倍，从而与容器18相比，在发射期间，加速器40往往会承受相应较高的反冲加速度和总位移幅值。在这些有限的相对运动的情况下，有利的是，能够利用大体上柔性的连接，比如波纹管，连接图解说明的实施例中的3个系统组件(例如，加速器40，等离子体注入器34和再循环容器18)，以便保持期望的真空和流体密封。在一些系统10的全运行期间，驱动力大体上是周期性的，频率约为几Hz(例如，约1Hz～约5Hz)。于是，有利的是构成谐振频率明显不同于驱动频率，而且存在强阻尼的机械振荡器系统(例如，配重减震弹簧)。
在一些实施例中，可以选择再循环容器18的大小，以使得围绕最大压缩点22的大量液态金属46借助吸收剂元素(例如，锂)提供足够的辐射吸收，从而对系统10的固态金属结构的辐射传递很小(即使有的话)。例如，在一些实施例中，对含约17％(原子浓度)的锂的铅/锂混合物来说，约1.5米的液体厚度能够把对固体支持结构的辐射通量减小到至少约一万分之一。
图3表示截面图(A-I)，截面图(A-I)示意图解说明在抛射体12碰撞包括液态金属46的流体期间，可能的压缩几何形状的例子的时间序列。截面图(A-I)表示在碰撞事件期间，流体和抛射体材料的密度。截面图(A-I)以对固定网格使用非粘性有限体积法的模拟为基础，其中用手添加了等离子体体积36，以便示意地图解说明崩塌的近似动力学。在这个例子中，在图A中所示的时间之前，加速器40发射抛射体12，抛射体12通过在喷口的末端附近的传感器，所述传感器再触发等离子体注入器的发射序列。从而，本例中的等离子体环能够被注入到抛射体12和部分由液态金属46的流动形成的压缩室26的锥形表面27之间的稳定封闭的体积中。当抛射体12碰撞压缩室26时，本例中的等离子体环36被大体均匀地压缩成较小的半径，进入由液态金属流形成的锥形压缩室26中。等离子体可被压缩以使得密度(或者压力或温度)能够被增加到2倍以上，4倍以上，10倍以上，100倍以上，或者其它倍数。
当抛射体12的前端碰撞液态金属的表面27时(如图A中所示)，等离子体36被密封在封闭体积内。当抛射体的边缘开始穿过液态金属时(如图B、C和D中所示)，压缩率增大。对于达到或超过液态金属中的声速的抛射体撞击速度来说，碰撞能够产生随着抛射体移动的弓形激波。
抛射体12的正面可包括被整形部分以增大压缩量。例如，在图3中描述的例证模拟中，抛射体12包括凹陷的锥形前部(例如，参见图4A)。在一些实施例中，抛射体锥角可被选择为大体与特定撞击速度的弓形激波的角度相同。在一些这样的实施例中，可以这样选择锥角，使得在抛射体12的减速时间内发生压缩，而不是在会在抛射体12的表面之前的弓形激波的穿越期间较早地发生压缩。
当抛射体12最初遇到来自碰撞的阻力时，会向后穿过抛射体发射压缩波70，导致抛射体的体积压缩，而同时，正常的碰撞力会使导致抛射体的开口向外张开，从而开始变形过程。在抛射体的外缘，在液体中形成可能扰动的尾流72。当抛射体减速到液态金属声速之下时(例如，图E)，压缩波70也可被向前发射到液态金属流中。在该压缩波通过压缩室26时，产生等离子体的峰值压缩(例如，图F)。当向后进行的压缩波到达抛射体的背面时，该压缩波会反射，产生向前传播通过抛射体的减压波。在减压波到达包括空腔的等离子体之后，内壁面的崩塌开始逐步减速，停滞在峰值等离子体压力、温度和磁场强度，随后受等离子体中增大的净压驱动，开始重新膨胀。
作为一个说明性的非限制性例子，对以3km/s的撞击速度前进，具有450MJ动能的100kg抛射体的情况来说，存在约200微秒的能量传递时间，从而产生2×1012瓦的平均功率。由于峰值压缩的时间约为1/2能量传递时间，因而存在进入流体中的能量的角发散，在任何特定时间，约1/3的能量加入压缩等离子体。例如，在该例证性模拟中，最多约1/6的总能量加入压缩等离子体。从而，在该例证性模拟中，压缩等离子体会做功约75MJ。在抛射体完全浸入液态金属流中之后，抛射体形成破裂线76，开始分解成较小的碎片，所述碎片在数秒内再熔化到液态金属流中。
在图3中图解说明的模拟中表示的抛射体12包括凹陷的锥形表面。存在提供不同压缩特性的其它可能的抛射体设计，图4A-4F中分别示意表示了抛射体设计的一些例子12a-12f。抛射体12a-12f分别具有约束压缩室26中的液态金属的表面13a-13f。在一些实施例中，所述表面可以大体上为锥形，表面的各个部分可以凹陷或凸起。可以使用其它表面形状，例如，球体的多个部分，其它锥形截面等。在包括锥形表面的一些实施例中，可进行调整以提供各种凹面设计的一种可能参数是锥角，在图4A和4B中表示成角度Φ。可以选择锥角，以改进当抛射体碰撞液态金属套筒时的冲击和流动动力学。与在抛射体12f中相比，在抛射体12a中，锥角Φ更大。锥角Φ可以约20°，约30°，约40°，约45°，约50°，约60°，或者某个其它角度。在各个实施例中，锥角Φ可约20°～80°，约30°～约60°等。
在一些实施例中，抛射体12c包括可继续充当等离子体注入器34的中央电极的细长件15(例如，中央的尖峰；参见图4C)。在系统10的一些实现方式中，当磁化等离子体环离开等离子体注入器34时，这样的细长件15可防止磁化等离子体环的翻转。在一些这样的实现方式中，有利的是当尖峰15的前端刚好接触压缩室26中的液态金属46时注入等离子体，在压缩期间，能够以大体环形的拓扑维持等离子体体积。有利的是，与球形崩塌拓扑相比，这样的实现方式允许更好的磁约束，不过会使更大表面的金属直接暴露于等离子体之下，在一些情况下，这可能增大不纯度和降低峰值等离子体温度。
在一些抛射体设计中，也可通过利用适当成型的凸起抛射体12d(例如，参见图4D)，使等离子体压缩不太受流体冲击效应支配，在抛射体横切液态金属表面之前，抛射体12d会持续相当大部分的总崩塌时间压缩等离子体。为了降低或减低等离子体杂质，抛射体12e的表面13e可包括由第二种材料，比如锂或氘化锂形成的涂层19(例如，参见图4E)。抛射体的其它部分可包括一个或多个涂层。如果杂质被扫入等离子体的边缘中，那么诸如此类的材料一般不太可能引入会导致非期望的等离子体冷却的杂质。在一些实施例中，可以使用多个涂层。在一些设计中，抛射体可具有围绕其表面的诸如凹槽和/或缺口之类的特征，以适应装填系统的机械功能，或者作为气动加速炮的密封。图4F中示意图解说明的抛射体13f具有围绕后沿圆周的凹槽17，在抛射体的初始浇铸期间，可重复使用的密封凸缘可装入所述凹槽17中。在利用气动炮加速抛射体12f的一些实施例中，当推送气体达到足够高的压力以使得可以使在密封凸缘之后的铅环折断，从而释放抛射体以便加速时(有些类似于常规气体炮中的爆破隔膜的作用)，可以发生抛射体12f的发射。
图6是示意图解说明利用抛射体对等离子体的碰撞，在液态金属空腔中压缩等离子体的方法100的例证实施例的流程图。在方框104，朝着液态金属压缩室加速抛射体12。可利用诸如加速器40之类的加速器，加速抛射体。例如，加速器可以是轻气炮或者电磁加速器。可在诸如液态金属之类的液体材料中形成压缩室。例如，在一些实现方式中，如这里参考图1所述，至少一部分的压缩室由液态金属的流动形成。在方框108，朝着液态金属空腔加速磁化等离子体。例如，磁化等离子体可包括紧凑环(例如，球马克或FRC)。在一些实施例中，可利用等离子体环加速器34加速磁化等离子体。在一些这样的实施例中，在抛射体已开始其朝着压缩室的加速之后，生成和加速磁化等离子体，因为磁化等离子体的速度远远高于抛射体的速度。在方框112，抛射体对液态金属的碰撞(当等离子体在压缩室中时)压缩在压缩室中的磁化等离子体。在压缩期间，等离子体能够被加热。抛射体会破裂，然后熔化到液态金属中。在可选的方框116，一部分的液态金属被再循环，用于形成一个或多个新的抛射体。例如，参考图1说明的液态金属再循环系统和抛射体制造厂37可用于再循环。在方框104，可以利用新的抛射体为等离子体压缩提供脉冲系统。
上述系统和方法的实施例适合于高能量密度等离子体的研究中的各项应用，例如包括涉及天体物理学现象或核武器的实验室研究的应用。上述系统和方法的某些实施例可用于压缩包括足以能够发生聚变反应和有益的中子产生的聚变材料的等离子体。用于形成等离子体的气体可包括聚变材料。例如，聚变材料可包括轻元素的一个或多个同位素，例如，氢的同位素(例如，氘和/或氚)，氦的同位素(例如，氦-3)，和/或锂的同位素(例如，锂-6和/或锂-7)。可以使用其它聚变材料。可以使用元素和同位素的组合。因而，系统10的一些实施例可被配置成起脉冲运行高通量中子发生器或中子源的作用。系统10的实施例产生的中子在研究和工业领域具有各种应用。例如，系统10的实施例可用于核废料整治和医用核苷酸的生成。另外，配置成中子源的系统10的实施例也可或者通过测试材料(作为外部样本)对暴露在高通量中子之下的反应，或者通过把材料样本引入压缩区域中，并使样本经历极端压力，来用于材料研究，其中中子通量可以用作诊断手段，或者作为在高压下嬗变材料的工具。配置成中子源的系统10的实施例也可用于借助中子射线照相术和层析照相术，用于物体的内部结构的远程成像，有利于需要具有高光度的中子的快脉冲(例如，几微秒)的应用。
对于某些大规模工业应用来说，经济的是在相同设施运行几个等离子体压缩系统，在这种情况下，通过具有单个共用的抛射体浇铸设施，可以得到一定的成本节约，所述抛射体浇铸设施再循环来自不止一个系统的液态金属，随后把完成的抛射体分发给在每个加速器的开口的装填机构。由于单个加速器中的拒爆不会使整个设施循环中断，这是因为剩余的压缩设备会继续运行，因而一些这样的实施例是有利的。
另外的实施例和例子
可用各种方式具体体现这里说明的系统和方法。例如，在一个实施例中，提供一种压缩等离子体的方法。该方法包括(a)通过容器循环液态金属，并引导液态金属通过喷嘴以形成空腔，(b)生成磁化等离子体环，并把磁化等离子体环注入液态金属空腔中，(c)朝着空腔加速抛射体，所述抛射体的组成与液态金属大体相同，以使得抛射体碰撞磁化等离子体环，从而加热和压缩等离子体，然后抛射体破裂，熔化到液态金属中。所述方法还包括(d)把一部分液态金属导引到抛射体形成设备，在抛射体形成设备中，形成将在步骤(c)中使用的新的抛射体。可重复进行所述方法的一个或多个步骤。例如，在一些实施例中，以约0.1Hz到约10Hz的速率重复步骤(a)-(c)。
在所述方法的一些实施例中，空腔的形状大体为圆锥形。在一些实施例中，液态金属包括铅-锂合金。在一些实施例中，液态金属包括含锂约17％(原子浓度)的铅-锂合金。在一些实施例中，液态金属包括含锂约5％～20％(原子浓度)的铅-锂合金。在一些实施例中，可通过热交换器循环液态金属，以降低液态金属的温度。
在所述方法的一些实施例中，等离子体包括聚变材料。在一些实施例中，聚变材料包括氘和/或氚。在一些实施例中，以约50％氘和约50％氚的混合物的形式，提供氘和氚。在所述方法的一些实施例中，等离子体的压缩导致等离子体的加热，和/或中子和/或其它辐射物的产生。
提供等离子体压缩系统的一个实施例。所述系统包括液态金属再循环子系统，所述液态金属再循环子系统包括容器和循环泵，所述循环泵导引液态金属通过喷嘴，从而在容器内形成空腔。所述系统还包括等离子体形成和注入设备，用于反复形成磁化等离子体环，然后把磁化等离子体环注入金属空腔中。所述系统还包括重复把抛射体射向空腔的直线加速器，所述抛射体的组成和液态金属大体相同。所述系统还包括抛射体形成子系统，所述抛射体形成子系统包括抛射体成形铸模，在所述抛射体成形铸模中，形成新的抛射体，随后所述新的抛射体被导引到直线加速器，其中所述铸模被连接，以便至少定期接收从容器再循环的液态金属(包括熔化的抛射体)。
提供等离子体压缩设备的一个实施例。所述设备包括直线加速器，所述直线加速器用于把抛射体高速射入与真空泵耦接的喷口中，所述真空泵用于在喷口内至少形成部分真空。所述系统还包括锥形聚焦等离子体注入器，该注入器具有连接到供电电路以提供电流的逐渐缩小的同轴电极。电极可形成朝着聚焦区域逐渐缩小的圆锥体。系统还包括用于注入产生磁化紧凑环(例如，球马克)的材料的磁化同轴等离子体炮，炮喷口的开口端可与内电极导电接触地位于锥体内。系统还包括适合于容纳金属流体，并且具有用于容纳加速器的渐缩锥体的开口和基区的再循环容器，和连接在所述基区和锥形开口区之间的、带有再循环泵以便把流体从基区抽吸到锥形开口的再循环泵的热交换线路。加速器的逐渐缩小的电极位于锥形开口内，以使得外电极表面引导在锥形流体壁内产生聚焦区域的加压金属流体的会聚流动路径，所述聚焦区域约束并进一步聚焦磁化球马克紧凑环，所述紧凑环可被压缩到容器的内腔中的最大压缩区。当再循环容器充满流体金属，并注入聚变材料时，用炮发射抛射体，从而当其前进到锥形流体壁附近时，拦截磁化等离子体环，并把流体内的等离子体压缩到增大的压力，从而向等离子体赋予动能以增大离子温度。
等离子体压缩系统的实施例包括向在固态金属或液态金属中的空腔中的磁化等离子体(例如，等离子体环)发射抛射体的加速器。所述系统还可包括生成磁化等离子体，然后把磁化等离子体注入空腔中的等离子体注入器。在包括液态金属中的空腔的实施例中，系统可包括配置成容纳液态金属，并具有逐渐变细的喷嘴，以借助液态金属的流动形成空腔的容器。磁化等离子体被注入空腔中，加速器发射的抛射体拦截等离子体，然后贴着空腔的表面压缩等离子体，产生压缩磁化等离子体的高压碰撞事件。等离子体压缩会导致等离子体的加热。抛射体与空腔的碰撞会使抛射体破裂。在包括液态金属空腔的实施例中，抛射体会熔化到液态金属中。在一些这样的实施例中，一部分的液态金属可被转移以浇铸新的抛射体，所述新的抛射体可被用于以大体封闭的液态金属存量保持重复的发射循环。
虽然表示和说明了本公开的特定元件、实施例和应用，不过本公开的范围显然并不局限于此，因为尤其是按照上述教导，本领域的技术人员能够做出各种修改而不脱离本公开的范围。从而，例如，在这里公开的任何方法或处理中，可按照任何适当的顺序执行构成所述方法/处理的动作或操作，而不一定局限于任何特定的公开序列。在各个实施例中，可以不同的配置或排列，组合和/或消除各个元件和组件。上面说明的各个特征和处理可以相互独立地使用，或者可按照各种方式组合。所有可能的组合和子组合都在本公开的范围之内。本公开内对“一些实施例”，“实施例”等的引用意味结合所述实施例说明的特定特征，结构，步骤，处理或特性包括在至少一个实施例中。从而，出现在在本公开中的短语“在一些实施例中”，“在一个实施例中”等不一定都指的是相同实施例，可以指的是相同或不同实施例中的一个或多个。事实上，可以用各种其它形式具体体现这里说明的新方法和系统；此外，可以在这里说明的实施例的形式方面，做出各种省略、增加、替代、等同物、重排和变化，而不脱离这里说明的发明的精神。
上面酌情说明了实施例的各个方面和优点。应理解按照任何特定实施例未必可实现所有这样的特征或优点。从而，例如，应认识到可按照实现或优化这里教导的一个优点或一组优点的方式，实现各个实施例，而不必实现这里教导或建议的其它方面或优点。
除非明确地另有说明，或者在使用的上下文内有另外的理解，否则这里使用的条件语言，比如“能够”，“可以”，“可能”，“或许”以及“例如”等通常意图表达一些实施例包括，而其它实施例不包括某些特征、要素和/或步骤。从而，这样的条件语言通常并不意味一个或多个实施例无论如何都需要所述特征、要素和/或步骤，或者一个或多个实施例必定包括在有或没有操作者输入或提示的情况下，判定这些特征、要素和/或步骤是否包括在任何特定实施例中，或者将在任何特定实施例中被实现的逻辑。没有任何一个特征或者一组特征是任意特定实施例所需或者必不可少的。术语“包括”，“包括”，“具有”等意思相同，是按照开放式包括地使用的，并不排除另外的元件，特征，动作，操作等等。另外，术语“或”的使用是包容性的(而不是排除性的)，从而当被用于连接要素的列表时，术语“或”意味列表中的一个，一些或者全部的要素。
这里说明的实施例的例证计算，模拟，结果，图表，数值和参数用于举例说明公开的实施例，并不意图限制公开的实施例。可以与这里说明的例证性例子不同地构成和/或操作其它实施例。
因而，虽然说明了一些例证实施例，不过这些实施例只是作为例子给出的，并不意图限制这里公开的本发明的范围。从而，上面的说明决不意图暗示任何特殊的特征、元件、组件、特性、步骤、模块或块是必需或者必不可少的。实际上，可用各种其它形式具体体现这里说明的新方法和系统；此外，可以在这里说明的各种方法和系统的形式方面，做出各种省略、替代和变化，而不脱离这里公开的本发明的精神。附加的权利要求及其等同物意图覆盖在这里公开的发明的范围和精神内的各种这样的形式或修改。

Claims (39)

1.一种压缩等离子体的系统，所述系统包括：
等离子体注入器，所述等离子体注入器包括：
等离子体形成系统，其被配置成产生磁化等离子体；和
等离子体加速器，所述等离子体加速器具有第一部分，第二部分，和在第一部分和第二部分之间的纵轴，所述等离子体加速器被配置成在第一部分接收所述磁化等离子体，并沿所述纵轴，朝第二部分加速所述磁化等离子体；
液态金属循环系统，其配置成提供液态金属，所述液态金属具有表面，所述表面构成被配置为容纳来自等离子体加速器的第二部分的所述磁化等离子体的腔室的至少一部分，当被容纳在所述腔室中时，所述磁化等离子体具有第一压强；和
抛射体加速器，其被配置成沿所述纵轴的至少一部分，朝所述腔室加速抛射体，
其中所述系统被配置成使得抛射体压缩所述腔室中的所述磁化等离子体，压缩的所述磁化等离子体具有大于第一压强的第二压强。
2.按照权利要求1所述的系统，其中所述磁化等离子体包括紧凑环。
3.按照权利要求2所述的系统，其中所述紧凑环包括球马克。
4.按照权利要求1所述的系统，其中所述等离子体形成系统包括使所述等离子体形成系统中的气体电离从而产生所述磁化等离子体的形成电极。
5.按照权利要求4所述的系统，其中所述等离子体形成系统包括被配置成在电离之前在所述气体中产生初始磁场的一个或多个线圈。
6.按照权利要求1所述的系统，其中所述等离子体加速器包括内电极和外电极，所述内电极和所述外电极中的至少一个具有锥度，以便当所述磁化等离子体沿着所述纵轴被加速时提供所述磁化等离子体的压缩。
7.按照权利要求6所述的系统，其中所述等离子体加速器被配置成提供大于2的压缩因子。
8.按照权利要求1所述的系统，其中所述抛射体加速器包括被配置成利用加压气体加速抛射体的气体炮。
9.按照权利要求8所述的系统，其中所述气体炮包括被配置成至少部分地排空在抛射体前面的区域的阀系统。
10.按照权利要求9所述的系统，其中所述阀系统被配置成同步以使得在抛射体的后面维持高压区，在抛射体的前面维持低压区。
11.按照权利要求1所述的系统，其中所述抛射体加速器包括电磁加速器。
12.按照权利要求1所述的系统，其中抛射体包括被配置成约束所述腔室中的所述磁化等离子体的表面，所述表面包括锥形形状。
13.按照权利要求12所述的系统，其中锥形形状是凹陷的，并且具有约20°～约80°的锥角。
14.按照权利要求1所述的系统，其中抛射体包括被配置成约束所述腔室中的所述磁化等离子体的表面，所述表面包括沿抛射体的纵轴延伸的细长件。
15.按照权利要求1所述的系统，其中抛射体包括被配置成约束所述腔室中的所述磁化等离子体的表面，所述表面包括一个或多个涂层，涂层中的至少一个包括锂或氘化锂。
16.按照权利要求1所述的系统，其中所述液态金属包括铅锂合金。
17.按照权利要求1所述的系统，其中所述液态金属包括金属材料的液相，所述抛射体包括所述金属材料的固相。
18.按照权利要求1所述的系统，其中所述液态金属循环系统包括被配置成提供进入容器系统的液态金属流的泵系统，所述液态金属流被配置成形成所述腔室的至少一部分。
19.按照权利要求18所述的系统，其中所述液态金属循环系统包括被配置成输出所述液态金属流的锥形喷嘴。
20.按照权利要求19所述的系统，其中液态金属中的腔室实质为锥形。
21.按照权利要求1所述的系统，其中所述液态金属循环系统包括被配置成使液态金属保持在所需温度的热交换器。
22.按照权利要求1所述的系统，还包括抛射体再循环系统，所述抛射体再循环系统被配置成接收一部分的液态金属，并用接收的一部分液态金属形成一个或多个抛射体。
23.按照权利要求22所述的系统，其中所述抛射体再循环系统包括被配置成把再循环的抛射体自动装填到抛射体加速器中的装填机构。
24.一种压缩等离子体的方法，所述方法包括：
产生环形等离子体；
朝着液态金属中的空腔加速所述环形等离子体；
朝着液态金属中的空腔加速抛射体；和
当所述环形等离子体在所述液态金属中的空腔中的时候，用所述抛射体压缩所述环形等离子体。
25.按照权利要求24所述的方法，其中产生所述环形等离子体包括产生球马克。
26.按照权利要求24所述的方法，其中加速所述环形等离子体还包括压缩所述环形等离子体。
27.按照权利要求24所述的方法，其中加速抛射体包括利用高压气体加速抛射体。
28.按照权利要求24所述的方法，其中加速抛射体包括利用电磁力加速抛射体。
29.按照权利要求24所述的方法，还包括在液态金属中形成空腔。
30.按照权利要求29所述的方法，其中形成空腔包括使液态金属流动以形成所述空腔。
31.按照权利要求29所述的方法，还包括再循环一部分的液态金属从而形成至少一个新的抛射体。
32.一种压缩等离子体的设备，所述设备包括：
等离子体注入器，其被配置成朝着液态金属中的空腔加速等离子体的紧凑环，所述空腔具有凹陷形状；
抛射体加速器，其被配置成朝着所述空腔加速抛射体；和
定时系统，其被配置成协调紧凑环的加速和抛射体的加速，以使得抛射体约束所述液态金属中的空腔中的紧凑环。
33.按照权利要求32所述的设备，其中所述紧凑环包括球马克。
34.按照权利要求32所述的设备，其中所述等离子体注入器包括至少一个锥形电极，所述至少一个锥形电极被配置成在所述紧凑环的加速期间压缩所述紧凑环。
35.按照权利要求32所述的设备，其中所述抛射体加速器包括气动炮。
36.按照权利要求32所述的设备，其中所述抛射体加速器包括感应线圈炮。
37.按照权利要求32所述的设备，其中所述定时系统被配置成至少部分地根据抛射体相对于液态金属中的空腔的位置，触发所述紧凑环的形成。
38.按照权利要求32所述的设备，还包括被配置成提供液态金属流的液态金属循环系统，所述液态金属流被配置成形成液态金属中的空腔。
39.按照权利要求38所述的设备，还包括被配置成再循环一部分的液态金属，以形成至少一个另外的抛射体的抛射体再循环系统。
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