CN104067349A - 用于将等离子体压缩到高能态的方法和设备 - Google Patents

用于将等离子体压缩到高能态的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种压缩机组件和使用该压缩机组件的方法，该该压缩机组件包括延长螺旋形通道，通过以能量转换生热的方式由紧凑环等离子体结构自身对螺旋形通道壁的动量而压缩该紧凑环等离子体结构，例如紧凑环等离子体结构的紧凑环等离子体可以在该延长螺旋形通道内有效地压缩到高能态。该压缩机组件还包括与螺旋形通道连通的燃烧室，紧凑环等离子体结构在其压缩后引入该燃烧室。

Description

用于将等离子体压缩到高能态的方法和设备
技术领域
本发明总体来讲涉及等离子体物理学的领域。更特别地，本发明涉及用于将等离子体压缩到高能态的方法和设备。
背景技术
作为简要背景，在1942年，Enrico Fermi开始讨论通过核聚变将轻核结合以生成巨大能量源的设想。他建议燃烧氘，一种氢的充足的、稳定的同位素。
现在，实现聚变发电的问题的两个主要途径是磁约束(MCF)和激光惯性约束(ICF)演示装置，例如使用MCF的国际热核聚变实验堆(ITER)托卡马克(tokamak)或使用ICF的国家点火设施(NIF)。这些等离子体试验放大到非常大尺寸，测量跨越两位数的米。
因为基于这些途径的反应堆占用为满足劳逊判据(Lawsoncriterion)以同时实现在充足持续时间内的高能等离子体所必需的密度状况的任一极限，所以它们被放大到甚至更大的尺寸。MCF使用外部磁场，尝试在约2到4秒的长持续时间维持低密度1020m-3等离子体，但受到等离子体不稳定性影响。ICF尝试在数纳秒内保持高密度1028m-3等离子体。磁化目标聚变(MTF)通过在仅若干毫秒内维持中密度1024m-3等离子体，同时减小与MCF或ICF相比的最小反应堆尺寸和成本，来减轻在任一极限遭遇的问题。
洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)开始对MTF的早期研究，但受到放大它们的试验使用附近的Shiva Star电容器组作为电源，代替按最优可用理论和试验来放大的推动力妨碍。Shiva Star设施位于新墨西哥Albuquerque的Kirtland空军基地。它们不基于物理学而是基于其供电限制最优化其原理论证而设计。它们的途径中的另一弱点是使用角向箍缩(theta pinch)代替更有效的天线方法以形成紧凑环(CT)等离子体结构。最后，它们为单发试验依附于不可复用的压缩方法(铝罐破碎机)。
一个加拿大公司改善该较早的实施并尝试具有较低输入能量需要的较小规模的MTF途径。然而该途径引入在点火发生前由辐射损失熄灭等离子体的高原子序数污染(例如铅)。控制该公司的声压缩方法的定时也是有问题的。
加州理工学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)聚焦于将紧凑环(FT)注入托卡马克从而维持后者。它们的原型“紧凑环加速器”试验显示可能通过将紧凑环等离子体结构相对于锥形壁移动来迁移(translate)并压缩该结构。然而，它们也经历杂质问题(源自钢电极的铁)，并且不尝试将它们的初始成果扩展到弯曲的几何形状，例如螺旋形。
华盛顿大学等离子体物理实验室已经长期提倡清洁度需求以避免等离子体杂质。他们也利用更新的且更有效的方法形成并加速紧凑环。然而，该大学的纯研究不聚焦在用于MTF的先进等离子体压缩上，并且该大学没有尝试将CT沿由铍或锂-硅制作的弯曲壁迁移，该铍或锂-硅是比它们的墙壁(由二氧化硅制作)更低原子序数的材料(lower-Zmaterials)。
现有技术的紧凑环压缩机制包括，但不限于以下：
a.爆炸的(衬里技术)——例如洛斯阿拉莫斯/Shiva Star和类似项目。此类机制不可复用，需要高输入能量要求和必需的大系统尺寸。
b.气动的(注气)——此类机制通常展现压力不稳定性并且一般对于大等离子体过慢。
c.液压的(液压成形壁)——例如加拿大的“General Fusion”MTF概念。需要亚微秒精确定时的此类机制需要高度复杂的控制系统。同样，此类机制的液体壁添加高原子序数的污染物至等离子体，这显著增加源自等离子体的辐射损失率。
d.机械的(活塞)——例如加拿大的“General Fusion”概念。需要重复的亚微秒定时的此类机制需要高度复杂的控制系统。
e.电气的(继电器-活塞)——例如加拿大的“General Fusion”概念。需要重复的亚微秒定时的此类机制需要高度复杂的控制系统。
f.磁的(线圈-电流尖峰)——该机制已经与许多研究计划结合尝试，从早期的TRISOPS(在佛罗里达大学的试验)到华盛顿大学等离子体物理试验室的最近CT装置。此类机制需要良好的定时、巨大的能量输入，并可引起等离子体不稳定性。
发明内容
本发明的推进力是提供紧凑环等离子体结构压缩组件，其优于在先前段落中描述的各种机制并克服与各种机制关联的问题。更特别地，通过分析前述现有途径的缺点，可能得到产生具有明显优点的新途径的一组独特设计特征。这些新设计特征的详情将在如下的说明中进一步描述。
考虑到前述，本发明的目的是提供新设计的压缩机组件，等离子体可以在该压缩机组件内有效地压缩到高能态。
更特别地，本发明的目的是提供包括延长螺旋形通道的前述特征的压缩机组件，通过以能量转换生热的方式使用紧凑环(CT)自身对螺旋形通道壁的动量而压缩CT，CT等离子体结构可以在该通道内有效地压缩到高能态。
本发明的另一目的是提供在先前段落中描述的特征的压缩机组件，其包括与螺旋形通道连通的燃烧室，并且受压缩的CT在其压缩后被引入燃烧室内。
本发明的另一目的是提供在先前段落中描述的特征的燃烧室，其中磁传感器嵌入燃烧室中以便测量磁场向量与时间的函数。
本发明的另一目的是提供在先前段落中描述的特征的压缩机组件，其中燃烧室包括恒定剖面的环圈(toroidal ring)，该环圈具有至少一个用于接收受压缩的CT的进口并具有多个较小的排放口。
本发明的另一目的是提供使用具有延长的螺旋形通道的压缩机将CT压缩到高能态的方法，该方法通过以避免CT沿通道壁弹跳的方式，将CT注入螺旋形通道内而进行。更特别地，根据本发明的方法，通过确保在注入点处的CT的整体轴向动能(bulk axial kinetic energy)大于在压缩结束时要实现的设计“目标”热能来避免弹跳。
本发明的另一目的是提供在先前段落中描述的特征的方法，其中通过在将CT发射到延长螺旋形通道之前，在形成期间在CT内嵌入大磁场来避免导热损失和微粒扩散损失。高度磁化的CT妨碍垂直于所嵌入的磁场线的导热损失和微粒扩散损失。
本发明的另一目的是提供在先前段落中描述的特征的方法，其中通过将防等离子体杂质涂层应用到延长螺旋形通道壁，避免导热损失和微粒扩散损失。这些涂层的例子包括低原子序数材料，例如铍或锂-硅。
本发明的另一目的是提供在先前段落中描述的特征的方法，其中在将CT压缩到设计“目标”热能后，将CT引入燃烧室，该燃烧室包括恒定剖面的环圈，该环圈具有至少一个用于接收受压缩的CT的进口并具有多个较小的排放口。
本发明的另一目的是提供所描述的特征的方法，其中在将CT压缩到设计“目标”热能后将CT引入燃烧室，并在燃烧完成后导致受压缩的CT耗散到中性气体，通过合适的真空泵将该中性气体泵出燃烧室。
本发明的前述和其他目的由在附图中图解并在以下说明中描述的设备实现。
附图说明
图1是用于将等离子体压缩到高能态的本发明的设备的一种形式的一般透视图。
图2是该设备的等离子体压缩机的一种形式的一般透视分解图，其示出要在适当位置压缩的等离子体结构引入等离子体压缩机。
图3是在图2中图解的等离子体压缩机的一般透视分解图。
图4是等离子体压缩机的纵向剖面图。
图4A是沿图4的直线4A-4A截取的剖面图。
图5是等离子体压缩机的燃烧室的一般透视分解图，其图解在压缩态的等离子体。
图6是该设备的等离子体压缩机的可替换形式的一般透视分解图，其示出要在适当位置压缩的等离子体引入等离子体压缩机。
图7是在图6中图解的等离子体压缩机的一般透视分解图。
图8是在图6中示出的等离子体压缩机的纵向剖面图。
图9是本发明的该最后形式的等离子体压缩机的燃烧室的一般透视分解图，其图解在压缩态的等离子体。
图10是电子的损失方程的列表。
图11是离子的损失方程的列表。
图12是微粒转移的损失方程的列表。
具体实施方式
定义
如本文所使用，以下符号具有以下含义：
聚变
两个轻核通过其结合以形成较重核的过程。聚变过程以快速移动微粒的形式释放巨大量的能量。由于其中含有的质子，原子核带正电，所以在它们之间具有相斥静电力或库仑力。对于待聚变的两个原子核，该斥力势垒必须克服，这在使两个原子核足够接近，其中短距核力变得足够强以克服库仑力且使原子核聚变时发生。原子核克服库仑势垒所需的能量由其热能提供，该热能必须非常高。例如，如果温度至少为10keV量级——大约对应于一亿开氏度，则聚变速率(fusion rate)可以感知。聚变反应速率是温度的函数，并由称为反应率的量表征。例如，D-T反应的反应率具有在30keV和100keV之间的宽峰。
场反向配置(Field-Reversed Configuration，FRC)
紧凑环等离子体结构的例子是在产生轴向磁场的圆柱形线圈中形成的场反向配置。首先施加轴向偏移场，然后气体预先离子化，这“冻住”偏移场，并且最终轴向场反向。最后，偏移场和主场重联发生，产生闭合极向磁场线。本领域技术人员熟知的综述文献参见“FieldReversed Configurations”，M.Tuszewski，Nuclear Fusion，Vol.28，No.11(1988)，pp.2033-2092。
紧凑环
FRC属于紧凑环家族。“紧凑的”意味着没有允许等离子体延伸到几何轴的内部材料结构(例如磁体线圈)。“环”意味着闭合环形磁表面的拓扑。FRC与其他紧凑环的区别在于在等离子体内没有明显的环形磁场。
原动机子系统
如本文所使用，原动机子系统是指用于将聚变生成的离子和/或中子热能转变成电能的系统。原动机子系统可以包括热交换器，并且也可包括同样由本领域技术人员熟知的特征的各种类型的选择的直接变换子系统。
本发明的设备
现在参考附图，特别参考图1，用于将等离子体压缩到高能态的本发明的设备的一种形式在其中示出并且总体指定为数字20。该形式的设备包括压缩机22、通过出口25连接到压缩机的真空泵子系统24、以及与压缩机可操作地关联的墙壁清洁子系统。这里的墙壁清洁子系统包括加热器垫层(heater blanket)26a，例如商业上可从俄亥俄州哥伦布市的BH Thermal Corporation和类似来源容易获得的加热器垫层，辉光放电清洁(GDC)系统26b，例如商业上可从加利福尼亚州Redwood市的XEI Scientific,Inc.容易获得的系统，以及可从商业来源例如科罗拉多州Colorado Springs的SAES Getters USA容易获得的该特征的离子吸气泵26c。设备20也包括等离子体源子系统28，这里的等离子体源子系统28包括具有预先离子化能力的定子天线线圈，例如商业上可从例如加利福尼亚州Hayward的Alpha Magnetics的来源获得的等离子体源子系统，可从新泽西州Pine Brook的Parker Hannifin获得的该特征的具有点火控制单元的气体脉冲注入阀30，以及同样可从AlphaMagnetics获得的喷射器线圈子系统32。预先离子化过程优选由可从纽约州Rochester的T&C Power Conversion获得的该特征的射频发生器供以动力。如在以下段落中更详细讨论，在图1中一般指定为数字34的原动机子系统必须可操作地关联压缩机22，从而将聚变生成的离子和/或种子热能变换成电能。这里的原动机34包括本领域技术人员很好理解的特征的热交换器。附装到热交换器的是蒸汽涡轮，其进而附装到发电机(附图中未单独示出)。原动机子系统也可包括本领域技术人员熟知的特征的各种类型选择的直接变换子系统。
本发明的设备的高度独特特征是先前识别的压缩机22，其构造的详情在附图的图2至4中说明。在本发明的现有形式中，等离子体压缩机22包括由选自铝、钢、铜、硅、镁、碳-碳复合材料、镍基超合金、钨或其他耐高温合金(例如钼、铌或铼)的材料构造的第一和第二可密封互连部分36和38。优选地，部分36和38使用常规计算机数控(CNC)加工或常规放电加工(EDM)或由铸造方法形成。如在附图的图3和4中最优所见，部分36和38的每个具有延长的螺旋形通道40，该通道40具有连续的墙壁40a。螺旋形通道的每个具有入口40b和出口40c(图3)。靠近压缩机22中心布置并与螺旋形通道的出口连通的是重要的燃烧室41，其构造和操作将进行描述。
同样形成压缩机22的一部分的是入口部件42和与燃烧室41可操作地关联的内环44。入口部件42与螺旋形通道43(图4)的入口连通，当部分36和38以附图的图2中图解的方式通过铜焊、焊接、扩散结合或机械装配(以螺栓和密封件)联结在一起时形成螺旋形通道43。如在图2中图解，螺旋形通道43具有逐渐减小的直径，其中通道最小直径与燃烧室41连通。入口部件和内环也都优选由选自铝、钢、铜、硅、镁、碳-碳复合材料、钨或其他耐高温合金的材料形成。
为在压缩过程期间避免等离子体污染，压缩机22的延长螺旋形通道40的墙壁、以及暴露于等离子体的压缩机的所以其他内表面必须具有涂层“C”，其优选包括锂-硅、铍或二硼化物陶瓷，这些都是导电且低原子序数的材料(参见图3和4A)。关于锂-硅涂层，注意因为纯锂金属与空气中的水蒸汽反应，所以其必须在涂层粉末制造点与其对压缩机内壁的应用之间严格维持在真空下。对于某些应用，缓慢溅射的由低原子序数元素构成的导电二硼化物陶瓷或相似复合涂层也可以有利地用于涂覆压缩机内壁。用于涂覆压缩机内壁的各种技术是本领域技术人员熟知的。对于铍涂覆，这些技术在题为Beryllium Chemistry and Processing，Kenneth A.Walsh，Edgar E.Vidal等人，ASMInternational(2009)(特别参见第22章，“Beryllium Coating Processes”，Alfred Goldberg，pp.361-399)的工作中完整描述。
一旦加工并适当涂覆，则暴露于等离子体的入口部件42、内环44和压缩机22的内壁仔细清洁，并且压缩机的各种部件以本领域技术人员熟知的方式联结在一起，例如铜焊、焊接、扩散结合或机械装配。
在进一步的清洁和泄漏检查后，压缩机22以在附图的图1中示出的方式与本发明的设备的其他子系统整合。这些子系统包括先前描述的真空泵子系统24、墙壁清洁子系统和等离子体源子系统28，该墙壁清洁子系统包括加热器垫层26a、辉光放电清洁(GDC)系统26b和离子吸气泵26c。在这些各种子系统与压缩机互连并且完整系统全面测试后，原动机子系统34以在附图的图1中表示的方式与压缩机22互连。
在操作本发明的设备前，希望在设备周围包括各种公知的诊断工具(附图中未示出)，例如用于观察射击和中子诊断的高速x射线摄像机，加上用于对CT穿过入口的喷射速度以及燃烧室41中CT速度计时的Rogowski线圈。
在考虑本发明的方法前考虑压缩机单元的可替换实施方式。压缩机单元的该可替换形式在附图的图6-9中图解并且总体指定为数字52。该实施方式在许多方面与在图1至5中所示的实施方式相似并以基本相同的方式工作。在本发明的该最后实施方式与前述实施方式之间的主要区别在于压缩机从具有低原子序数的导电金属合金，例如铍合金构造。更特别地，在本发明的该最后实施方式中，压缩机单元52的部分54和56使用常规计算机数控(CNC)加工或常规放电加工(EDM)或由铸造方法从铍合金块形成。如在本发明的较早描述的实施方式并如在附图的图7和8中图解，部分54和56的每个具有延长的螺旋形通道58，该通道58具有连续墙壁58a。螺旋形通道的每个具有入口58b和出口58c(图7)。
同样形成压缩机52的一部分的是入口部件60、出口部件61和内环62，这些部件的功能与前述实施方式的入口42和内环44的功能基本相同。入口部件和内环也都优选由低原子序数的导电材料例如铍合金形成。一旦加工，入口部件60、内环62与部分54和56仔细清洁，并以本领域技术人员熟知的方式连接在一起，例如通过铜焊、焊接、扩散结合或使用螺栓和密封件的机械装配。在部分54和56融合在一起后，在每个部分中形成的延长螺旋形通道58配合以限定螺旋形通道63(图8)。如在图8中图解，螺旋形通道58具有逐渐减小的直径，其中通道最小直径与燃烧室65连通。靠近压缩机52中心布置并与螺旋形通道63的出口连通的是本发明的该最后形式的重要的燃烧室65，其构造和操作基本与先前识别的燃烧室41相同。
用于构造压缩结构52的其他候选材料包括碳-碳复合材料和耐高温合金(都是比铍更高原子序数的材料)。
在构造压缩机中使用铍合金材料相比使用更普通的材料，例如钢、铜、硅、镁、钨或其他耐高温合金，是有些不理想的，这些更普通的材料都比铍更好地吸收x射线。另外，使用这些材料可观地减少危险，并且该材料将真空结构墙的功能与x射线屏蔽墙的功能组合到一个部件。
可以理解，包括但不限于氢、氘、氘-氚混合物、纯氚、氦-3、乙硼烷及其混合物的各种气体可以与本发明的压缩设备一起使用。在压缩设备用来压缩富氘气体到点火和/或“燃烧”状况的情况下，燃烧灰尘的一部分将含稀有气体氦-3。这是因为从已反应的氘生成的氦-3具有比其他生成的微粒例如氚更低的初始速度，并因此在等离子体中更容易热化。然而，其核聚变反应速率也比氚-氘反应速率更慢，使得其不如热化氚消耗的快。由于该增殖过程，源自氘反应的灰尘积累稀有的稳定同位素氦-3。
为收集氦-3，附装到真空泵的过滤系统需要分离废气中的同位素。该设备用来收集并纯化氦-3，以及不应从泵废气排放到大气中的其他废气产物(例如氚)。另外，氢-1(质子)和氦-4可使用同位素分离过滤系统从废气获得。
执行本发明的方法中的第一步是形成紧凑环(CT)等离子体结构。一个类型的CT是场反向配置(FRC)。FRC在产生轴向磁场的圆柱形线圈中形成。首先施加轴向偏移场，然后气体预先离子化，这“冻住”偏移场，并且最终轴向场反向。最后，偏移场和主场重联发生，产生闭合场力线。
在CT形成后，不同于涉及使用紧凑环压缩机制的先前识别的现有技术方法，在附图中识别为数字68的CT以高速发射到本发明的等离子体压缩机的入口部件42。如将在以下段落中更详细讨论的，当CT行进通过等离子体压缩机时，其依靠自己的惯性压向延长螺旋形的低原子序数材料壁，通过能量转变生热。CT的内部热能随着其动能的减少而增加。
在CT压向螺旋形通道43墙壁时，其施加的压力具有与其正向运动相反方向上的向量分量(除非墙壁具有恒定剖面)。因此，在喷射点处的CT的整体轴向动能大于在压缩结束时的设计“目标”热能，以避免沿墙壁的弹跳效应是重要的。
螺旋形通道43的墙壁以及与CT接触的等离子体压缩机的其他墙壁吸收一部分热，通过喷射前在形成期间在CT内嵌入大磁场，显著降低该吸热的程度。高度磁化的CT妨碍从其核心到墙壁的导热损失和微粒扩散损失。
一旦压缩到设计“目标”热能，则受压缩的CT68a进入引导其离开压缩机的对称平面的比较短的转移导管70，并进入燃烧室41。如先前所讨论，燃烧室包括具有用于受压缩的CT68a的单个进口(图3和7)的恒定剖面的环圈，以及与真空系统24连通的多个较小排放口72(图5)。
在燃烧完成后，受压缩的CT68a耗散到通过主真空出口74泵出的中性气体中。参考附图的图5和9，注意内环具有适合于在装配期间接收对齐定尺寸销(alignment gauge pin)(未示出)的圆孔78。在装配后将对齐定尺寸销移除，留下可方便用于诊断探针例如Rogowski线圈环路插入的两个通孔。
本发明的方法的主要优点是中子束不必用于加热等离子体，维持紧凑环等离子体热能或向等离子体结构提供稳定性。该方法的另一优点是不需要可折叠墙壁(collapsible wall)压缩等离子体。另外，实际上本发明的压缩设备可多次使用。
作为背景，在燃烧作为氢的丰富稳定同位素的氘中，反应循环由以下五个方程构成：
重要的是理解在执行本发明的方法中，螺旋形通道的墙壁以及CT等离子体结构直接视线接触的任何表面被清洁、具有低原子序数并且缓慢溅射。这些特征将由从墙壁进入等离子体的杂质引起的损失最小化。另外，墙壁导电是有益的，这是因为通过反射发射的毫米波长光回到等离子体以便重吸收，使由源自受热等离子体的同步加速器(回旋加速器)辐射引起的损失最小化。这通过回顾控制系统能量平衡的基本方程而变得明显。
通过聚变反应获得的功率的方程是：
聚变增益 Pf＝a12n1n2(σν) A.1
电子、离子和微粒转移的损失方程分别在附图的图10、11和12中出现，其中所有变量如在先前阐述的符号定义表中定义。
基于这些方程和在先试验文献的关键观点是，避免杂质驱动的损失是维持热等离子体的关键需求。为实现该目标，等离子体不与高原子序数(高Z)材料例如钢接触是必要的。等离子体中杂质的最终结果是损失率以量级提高。存在由高Z污染物引起的多个损失路径。随着Z最显著增加的体积辐射功率损失机制是轫致辐射(Bremsstrahlung)、重组(Recombination)和激发光线(Excitation Line)。然而，平均Z也影响导热损失并甚至影响热化速率。
如多极非相对论性方程A.2(图10)表示，轫致辐射受等离子体的平均离子电荷Z强烈影响。除该方程外，在达到由轫致辐射引起的主导损失率前，计算轫致辐射损失率的偶极和相对论版本、以及每个离子种类的所有量子力学“冈特因子”校正是重要的。轫致辐射在x射线频谱中发生并离开等离子体。然而，轫致辐射仅在与燃烧状况相应的高能级是主导的。为此，以及由于等离子体对x射线透明的事实，轫致辐射通常是在模拟程序中考虑的主要损失机制。在等离子体必须经过以便从中性气体态到燃烧状况的较低能级，重组和激发光线辐射主导等离子体的辐射损失机制。尤其是在高杂质含量等离子体的情况。
由方程A.3(图10)支配的重组辐射是受Z最强影响的损失。如在被积函数内可见，重组辐射对Z的增加极为敏感。其对于纯氢等离子体可以在量级上小于轫致辐射，但可以在较低能级从即使适度的杂质含量迅速超过轫致辐射。因此通过控制杂质，重组辐射损失机制可以最小化。相似地，方程A.4(图10)中的激发光线辐射受Z影响。尽管从该顶级方程不明显，但Na的计算利用Z作为直接因变量的非线性函数。
由于认为重组和光线辐射与轫致辐射比较可忽略，因此它们经常在尺寸计算中忽视。这是在某些情境下的情况，但在杂质进入等离子体的情况下包括它们的方程是重要的。总之，使平均Z最小化总是有益的(损失减少)。这通过利用在尽可能慢的速率溅射的清洁的、低Z的墙壁，保持杂质不进入等离子体而最优地实现。
在清洁但非磁化的等离子体中，主导损失机制通常是对墙壁的导热(方程A.6和A.8——图10和11)，继之以微粒扩散(方程A.15——图12)。提高平行于墙壁的环境磁场抑制这些损失，但也逐渐增加源自同步加速器辐射的损失(方程A.5——图10)。根据模拟，紧凑环(CT)等离子体可在同步加速器辐射超过轫致辐射损失率前维持数百特斯拉。这是因为等离子体对由同步加速器辐射发射的毫米波长频谱高度吸收，并且导电壁有效地反射同步加速器辐射，以及同步加速器辐射不受Z影响。
在表中包括的其他损失是离子轫致辐射(方程A.10——图11)和离子同步加速器(方程A.11——图11)辐射，这些比准中性等离子体中它们的电子对(electron counterpart)相对要小。中性阻力(方程A.9——图11)也是相对较小的损失，但它的包括使得能够预测需要多高的真空以维持具有可忽略阻力损失的移动等离子体。相似地，模拟杂质从墙壁溅射(方程A.16——图12)和跟踪磁耗散(方程A.7——图10)分别允许估计墙壁将给予瞬时等离子体多少杂质，以及其内部磁场将持续多久。离子到电子动力转移碰撞的剩余效应(方程A.12——图11)、产物能量离子分配(方程A.13——图11)、产物能量离子热化(方程A.14——图12)、以及微粒热化(方程A.17——图11)为解决(accounting for)来自核心燃烧动力学的能量和微粒的分配是必须的。实际上，它们不确定燃烧率，而是给定如由外部装置激励的等离子体状态，确定怎样分配来自原增益方程A.1的聚变能。
一旦解决支配方程，则可能为本发明的方法执行参数最优化。例如对于氘气体，用于开始和结束CT的便利直径分别是137和19毫米。初始嵌入磁场优选约为6±1特斯拉的量级，并且最小初始等离子体离子密度约为每立方厘米5×1015微粒。为最优性能，CT的喷射速度需要每秒4.8×106米的最小值，并且压缩所需要时间的最小量为2微秒的量级。
现在已根据专利法的需要详细描述本发明，本领域技术人员在个别部件或其相关组件中做出改变和修改以符合特定需要或状况是没有困难的。如在所附权利要求中阐述，可以进行此类改变和修改而不背离本发明的范围和精神。

Claims (22)

1.一种用于将等离子体压缩到高能态的设备，包括由导电材料构造的等离子体压缩机，所述等离子体压缩机具有用于接收等离子体的入口、位于中心的燃烧室和将所述入口与所述燃烧室互连的螺旋形通道，所述螺旋形通道具有逐渐减小的直径并具有用低原子序数的导电材料涂覆的连续墙壁。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述低原子序数的导电材料包括铍合金。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体压缩机包括两个可密封互连的部分，每个部分由选自铝、钢、铜、硅、镁、碳-碳复合材料或耐高温合金的材料构成。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体压缩机的所述燃烧室包括具有至少一个排放口的环形圈。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体压缩机的所述燃烧室包括环圈，所述环圈具有单个进口和多个周向隔开的排放口。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括真空泵子系统，所述真空泵子系统连接到所述等离子体压缩机，并与所述燃烧室可操作地关联以便从所述燃烧室移除气体。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括墙壁清洁子系统，所述墙壁清洁子系统与所述等离子体压缩机可操作地关联以便清洁所述螺旋形通道的所述连续墙壁。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括与所述等离子体压缩机可操作地关联的等离子体源子系统，所述等离子体源子系统包括具有预先离子化能力的定子天线线圈。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括原动机子系统，所述原动机子系统与所述等离子体压缩机可操作地关联以便将聚变生成的离子和中子热能转换成电能。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述原动机子系统包括热交换器。
11.一种用于将等离子体压缩到高能态的设备，包括由导电铍合金构造的等离子体压缩机，所述等离子体压缩机具有用于接收等离子体的入口、位于中心的燃烧室和将所述入口与所述燃烧室互连的螺旋形通道，所述螺旋形通道具有逐渐减小的直径。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述等离子体压缩机的所述燃烧室包括环圈，所述环圈具有单个进口、多个周向隔开的排放口、和嵌入所述环圈中的磁传感器。
13.一种用于将紧凑环等离子体结构压缩到高能态的设备，包括由导电材料构造的等离子体压缩机，所述等离子体压缩机具有用于接收等离子体的入口、位于中心的燃烧室和将所述入口与所述燃烧室互连的螺旋形通道，所述螺旋形通道具有逐渐减小的直径并具有用低原子序数的导电材料涂覆的连续墙壁，并且所述燃烧室包括环圈，所述环圈具有单个进口、多个周向隔开的排放口、和嵌入所述环圈中的磁传感器。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述等离子体压缩机包括两个可密封互连的部分，每个部分由选自铝、钢、铜、硅、镁、碳-碳复合材料或耐高温合金的材料构成。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述低原子序数的导电材料包括铍合金。
16.一种用于使用等离子体压缩机将等离子体压缩到高能态的方法，所述等离子体压缩机具有等离子体入口、燃烧室和直径逐渐减小的螺旋形通道，所述螺旋形通道具有连续墙壁并将所述等离子体入口与所述燃烧室互连，所述方法包括以下步骤：
(a)将等离子体引入所述等离子体入口；以及
(b)以通过体积力压向所述螺旋形通道的墙壁从而绝热地加热等离子体到足够实现核聚变的温度的方式，使等离子体沿所述螺旋形通道向所述燃烧室行进。
17.一种用于使用等离子体压缩机完成核聚变反应的方法，所述等离子体压缩机具有等离子体入口、燃烧室和直径逐渐减小的螺旋形通道，所述螺旋形通道具有连续墙壁并将所述等离子体入口与所述燃烧室互连，所述方法包括以下步骤：
(a)形成紧凑环等离子体结构；
(b)将所述紧凑环等离子体结构引入所述等离子体入口；
(c)以通过体积力压向所述螺旋形通道的墙壁从而绝热地加热场反向配置的方式，使等离子体沿所述螺旋形通道向所述燃烧室行进，从而在足够实现核聚变的温度形成受压缩的等离子体；以及
(d)使所述受压缩的等离子体从所述燃烧室消散。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述紧凑环等离子体结构的开始直径约为137毫米，并且所述CT的结束直径约为19毫米。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述紧凑环等离子体结构的最小初始等离子体密度约为每立方厘米5×1015微粒。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述受压缩的等离子体以每秒4.8×106米的最小速度从所述燃烧室喷射。
21.根据权利要求17所述的方法，其中在约2微秒的时段内使等离子体沿所述螺旋形通道行进并进入所述燃烧室。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述受压缩的等离子体在所述燃烧室中点火并燃烧约10毫秒的量级。
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