CN104350547A - 用于穿透库仑势垒的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种用于穿透库仑势垒的装置和方法。一个电极被定位在一个空心壳体内，该壳体封闭容纳一种聚变反应燃料如氘的一个内部空间。具有该燃料的内部空间围绕该电极同轴居中，并且由一种高介电强度材料制成的一个约束层位于该内部空间的外边缘处、位于该球形壳体的内表面上。一个高压电源对该电极进行充电，这使得在该约束层的内表面上形成一个紧密填装的聚变燃料核云如氘云，从而促进库仑势垒穿透。使用本发明的装置，还可以创造以下条件：能够通过向该电极施加高压脉冲以朝向该核云发射原子核来实现库仑势垒穿透。

Description

用于穿透库仑势垒的装置和方法

发明领域

本发明总体涉及能量产生，并且更具体地，涉及通过作为一种实现核聚变的手段通过电容性约束离子以穿透库仑势垒来产生能量。

发明背景

科学家一直梦想有一种通过受控聚变产生无限能源的方法，其中质量经由著名的等式E＝MC²转换成能量。核聚变通常使小的、轻的核结合以形成较重的核，其中反应产物的质量小于反应物的质量，而质量之差则转换成大量的能量。假设当使此类反应物(如氘和氚气体)的温度上升到几百万度开尔文时，气体原子的电子可以从气体原子剥离并且气体原子获得使得气体原子的碰撞导致核聚变的动能。此假设在如磁约束和惯性(激光)约束的方法下经受试验。在这些方法中，反应物被加热到等离子体状态并且通过各种手段如磁约束来防止接触反应室壁，以便维持温度并防止对反应室造成损坏。

另一种核聚变方法是基于使单独的核加速到高速度并使它们碰撞。这些方法包括各种所谓的聚变炉(如法恩斯沃思-赫舍聚变炉)，其中在两个同心球形电网之间产生的高强度电场被用于使这些反应物离子化并加速。另一种这样的方法涉及使用中子发生器，其中在一个阳极与一个阴极之间建立电场，其中阴极是用作靶标的金属水合物部分。反应气体在阳极附近被离子化，并且朝向富氘或富氚金属水合物靶标被发射，从而导致这些反应物的聚变。已经示出所有这些方法均导致聚变反应，这由聚变产物如中子的产生证明；然而，所有这些方法都具有产额低的缺点。

许多非常新颖的中子发生器设计如球形和圆柱形设计已被投入实践。一个恰当的例子是授予莱昂(Leung)的美国专利#7,139,349，其中阳极呈空心球体的形状，朝向在该阳极的中心处的靶标发射离子。还存在将阳极与阴极之间的一种气体用作靶标的设计，如授予尤尔奇克(Jurczyk)等人的美国专利#6,922,455中所述。所有此类装置遭受以下的影响：因靶标被加热时失去捕获的氢同位素所以靶标工作温度有限以及从中性原子释放电子。用于金属氢化物靶标的典型最大工作温度典型地被认为是小于200摄氏度。

尽管聚变反应确实是在被称为中子发生器的装置中发生，但这些装置由于它们的产额低而通常不被认为是能量发生装置。产额较高的装置，如授予德鲁兹(DeLuze)的美国专利#8,090,071中所述，该专利披露了一种具有带电的中央靶标电极的球形聚变反应器，该球形聚变反应器使用交变极性电场来往复地使电子和氘核加速。德鲁兹传授了：离子获得使得它们与彼此的碰撞导致聚变的速度。

虽然用于产生聚变反应的已知方法和装置对于它们的预期目的来说可能是有用的，但是目前没有用于电容性高密度约束离子以用于穿透库仑势垒的装置或方法。因此，将有益的是，作为一种实现具有较高产额的聚变反应的手段，目标为使具有高温稳定性并且不具有电子的电容性约束的离子被具有高电流密度的其他带电核击中。还将有利的是，提供一种电容性操纵机构，该电容性操纵机构用于将带电核约束成处于高浓度并且彼此非常紧密邻近的，从而提供以下环境：其中可以通过电容性约束的效应或通过可朝向核粒子加速的类似粒子的碰撞来克服核粒子之间的库仑势垒的排斥力。还将有益的是，利用量子力学中已知的量子隧穿现象来影响受控的和所测的反应速率。

发明概述

因此，本发明总体涉及一种用于约束和集中带正电的核(例如，氘核)以用于克服库仑势垒并且允许这些核发生聚变的装置和方法。本发明在以下理论下适用：氢同位素核的聚变可以通过在在此称为约束层的一个表面上的小型孔隙或孔洞内每单位面积产生非常高的电容来实现。在一个实施例中，作为另一种穿透库仑势垒的手段，可以将受约束的带电核用作被其他带电核击中的靶标。通过引用以其全文结合在此的本发明发明人Azaroghly Yazdanbod的已公布美国专利申请#2012/0097541明确传授：电双层电容器；高电容电极在密闭容器中的行为；高电容电极作为电容产生电场的装置的使用；以及极性反转作为避免电极处的电极反应的手段用于这些电极。作为本发明的基础，确立电双层电容器的形成和电压分布以及在电介质上形成受约束离子的实验证据和测试结果是重点。

本发明的一个第一方面提供一种用于穿透库仑势垒的装置，该装置包括：(a)一个电极；(b)围绕该电极封闭一个内部空间的一个空心壳体；(c)由一种高介电强度材料制成的一个约束层，该约束层位于该内部空间内、在该壳体的内表面上；(d)容纳在该内部空间内的一种聚变反应燃料；(e)一个直流正极性高压电能源；以及(f)用于将该电能源连接至该电极上并且将该壳体连接至大地的多个电互连件。典型地，该电极与该空心壳体是球形的，其中该电极在该壳体内居中，并且该约束层典型地在其表面上具有多个小孔隙或孔洞。

本发明的一个第二方面提供一种约束核以便穿透库仑势垒的方法，该方法包括：(a)提供由一种高介电强度材料制成的一个约束层，该约束层在一个多层空心壳体内限定一个内部空间；(b)用一种聚变反应燃料填充该内部空间；并且(c)对座落在该壳体内的一个电极进行充电，其中该壳体既封闭该内部壳体又围绕该电极定位，并且其中利用一个直流正极性高压电能源对该电极进行充电，对该电极进行充电使得在该约束层的内面上形成一个带正电的核云。典型地，该电极和该空心壳体是球形的，其中该电极在该壳体内居中。

本发明的一个第三方面提供一种用于电容约束核以作为一种穿透库仑势垒的手段的装置，该装置包括：(a)一个球形电极；(b)一个多层空心球形壳体，该多层空心球形壳体封闭围绕该球形电极同轴居中的一个内部空间，其中该球形壳体包括一个内部球形面、一个中间球形面和一个最外部球形面，并且其中该内部空间形成于该球形电极与该内部球形面之间，一个内层形成于该内部球形面与该中间球形面之间，并且一个外层形成于该中间球形面与该最外部球形面之间；(c)一个电绝缘支撑件，该电绝缘支撑件使该球形电极固定地并同心地悬置在该球形壳体内；(d)由一种高介电强度材料制成的一个约束层，该约束层在其表面上具有许多小直径的孔洞，该约束层位于该内部空间内、在该内部球形面的内表面上；(e)容纳在该内部空间内的一种聚变反应燃料；(f)包含在该内层内的一种非导电介质；(g)包含在该外层内的一种绝缘介质；(h)一个直流正极性可变高压电能源；以及(i)用于将该电能源连接至该球形电极上并且将该外部壳体连接至大地的多个电互连件。

通过以下附图、详细说明以及权利要求书将会更充分地理解本发明的性质和优点。

附图简要说明

附图示出本发明的实施例，并且与以上给出的本发明的一般描述和以下给出的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1示出本发明的一个实施例的透视图。

图2示出在对电极12进行充电过程中在图1中所示的实施例内和外的电荷分布。

图3示出根据本发明的带正电核在约束层的小直径孔隙内的所提议安排。

图4示出根据本发明的电容性地被约束并且处于聚变过程中的两个核。

图5是根据本发明的示出随时间推移施加以便产生核并使核朝向约束层加速的高压脉冲的图形。

发明的详细说明

本发明提供一种用于约束带正电核(例如，氘核)以用于克服库仑势垒的装置和方法。这样被约束的核的云也可以是一个靶标，该靶标被所产生并且朝向该靶标加速的其他核击中，从而克服库仑势垒。库仑势垒是由两个核必须克服以便足够靠近以进行核聚变的静电相互作用产生的一种能量势垒。库仑势垒是由静电势能产生。在轻元素聚变以形成较重元素过程中，必须迫使带正电的核足够靠近在一起以使它们聚变成单个较重的核。核之间的力是排斥的直至一个非常小的距离将它们分开，并且随后该力快速地变得极具吸引性。因此，为了在强大吸引力作用的情况下超越库仑势垒并且使核靠近在一起，粒子的能量必须克服库仑势垒的排斥能量。

总体上，本发明披露了通过以下方式实现的带正电核的聚变：由绝缘表面上的小直径(即，毫米到微米大小)孔洞和/或孔隙内每单位面积积非常高的电容形成非常高的电荷密度。这个绝缘表面在此被称为约束层或聚变反应层。电场是通过对放置在外部接地导电容器内的导电电极进行高电势充电来形成。该容器典型地在内部衬有这个绝缘(约束)层，该绝缘层在其表面上和附近具有小直径孔洞或孔隙。将带正电的核约束在这些孔洞内导致这些孔洞内的电荷密度增大，达到因为核之间的库仑势垒被克服而发生聚变反应所需的程度。此外，受约束的核可以是可以产生并从附近电极开始加速的类似核的一个靶标。可以利用聚变燃料如氘核气体或重水来将电极与内部衬里之间的空间填充至所需程度。

如以上所指出，为使两个核聚变，必须克服排斥的库仑势垒，而这在使得两个核足够靠近在一起时发生，在两个核足够靠近在一起的情况下，短程“核力”变得强大到足以克服库仑力并使核聚变。两个未受约束的正电荷之间的此能量势垒可以由静电势能来定义：

$U_{\mathrm{coul}}=k\frac{q_1{q}_2}{r}=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\∈}_0}\frac{q_1{q}_2}{r}$         (等式1)

其中k是库仑常数＝8.9876×10⁹N m2C^-2；ε₀是自由空间的介电常数；q₁、q₂是相互作用粒子的电荷量；r是相互作用半径。U的正值归因于一个排斥力，所以当相互作用粒子越靠近时，它们就处于越高能级。负势能指示一个束缚态(归因于一个吸引力)。

库仑势垒随着碰撞核的原子序数(即质子的数量)的增加而增加：

$U_{\mathrm{coul}}=\frac{{\mathrm{kZ}}_1{Z}_2{e}^2}{r}$              (等式2)

其中e是基本电荷(1.60217653×10^-19C)，并且Z₁和Z₂是相应的原子序数。

由于库仑势垒，核之间的力最初是排斥的，直至非常小的距离将它们分分开，并且该力随后在强大的核力接替时快速地变得极具吸引性。因此，为了超越库仑势垒，核必须足够靠近以便它们之间的吸引相互作用克服排斥力，从而允许使核束缚或聚变到一起。尽管存在许多可以潜在地引起原子核聚变的过程，如由于太阳中的巨大引力所发生的过程，原子核的聚变也可以在接近的核的动能克服库仑势垒的静电排斥时实现，如在诸如中子发生器的装置中所观察的。事实上，与量子力学相关联的效应有助于该情况。由于海森堡测不准原理，所以即使粒子不具有足以克服库仑势垒的能量，无论如何也存在少量粒子穿过势垒的极小概率。这被称为势垒隧穿，并且是恒星上许多此类反应借以发生的手段。然而，因为这个过程发生的概率极小，库仑势垒表现为核反应的一个强大阻碍。

如在此所使用，术语“量子力学隧穿”、“量子隧穿”、“势垒穿透”或“势垒隧穿”各自是指以下量子力学现象：其中一个粒子(例如，一个核)钻过或穿过它以经典方式所不能超越的一个势垒。例如，在经典物理学中，一个电子被视为被电场排斥的一个粒子，只要该电子的能量低于该电场的能级。然而，在量子物理学中，已知这个电子具有有限的穿过该电场的概率。这种现象用于例如在需要快速作用二极管的许多电子装置中使用的共振隧穿二极管中。量子隧穿是量子力学的定义特征和物质的波粒二象性中的一种。

为了解释本发明的科学依据，还应强调电容器科学的一些基础知识。常规电容器是由被一种电介质分开的两个导电板或电极构成的一个电能存储装置。如在此所定义，术语“电介质”是指可以被所施加的电场极化的一个电绝缘体。当一种电介质被放置在一个电场中时，电荷不会像在一个导体中那样流过该材料，而是仅稍微从它们的平均平衡位置偏移，从而导致电介质极化。如果一种电介质是由弱键合的分子组成，那么这些分子不但会被极化，而且会重新取向以使得它们的对称轴与该电场对齐。

电容器通常用于各种电应用中。例如，电容器用于调谐收音机和电视接收器的频率，用于消除汽车点火系统中的火花，用作能量存储装置，用于电子闪光单元中，并且用作电源中的滤波器。常见的电容器基于以下内容起作用：从一个第一电极移除电子，从而导致电子放置到另一个电极上的反极现象。这种电荷分离使电极之间产生一个电势差并且使该电容器存储电能。

一个电容器的电容量取决于这些电极的表面积、分开这些电极的距离以及分开这些电极的电介质的介电常数。一个电容器可以具有各种几何构造。例如，一个平行板电容器是以下电容器：其中该电容器的电极是由一种电介质分开的平行板，该电介质具有被选择以控制该电容器的电容量的厚度和介电常数两者。一个圆柱形电容器是以下电容器：其中该电容器电极之一是一个第一圆柱形空心管，并且该电容器电极中的另一个是与该第一圆柱形空心管同心的一个第二圆柱形(并且典型地但不必也是空心的)管。一个球形电容器使呈空心球体形式的一个电极环绕呈实心或空心球体形式的另一个电极。该空心球体与该内部球体之间的容积容纳一种电介质，该电介质具有被选择以控制该球形电容器的电容的厚度和介电常数。

一个电容器的电容(C)(单位为法拉)被定义为放置在每个电极上或从每个电极移除的电荷量(Q)(单位为库仑)与电极之间的电势差(V)(单位为伏(焦耳/库仑))的比，或：

C＝Q/V         (等式3)

在此还应当指出：当使得一个正电荷接近一个负电荷时，该正电荷的电势从一个较高值减小至一个较低值。另外，当使得一个负电荷接近一个正电荷时，该负电荷的电势从一个较低值增大至一个较高值。这意味着当使得正电荷和负电荷彼此更靠近时，它们之间的电势差减小。这是如等式3中所表示的电容的基本定义，该等式还示出对于一个恒定电荷值Q，电容的任何增大都将导致电容器板之间电势差(V)的减小。

当一个电容器被充电成其板之间达到一定电势差从而导致给定量的电荷位于每个板上时，容易观察到这种现象。现在，如果将该电势电源断开并且使得这些板彼此更靠近，那么在使这两个板移动得彼此更靠近时容易测量到这些板之间电势差的减小。因此，如以上针对等式3所指出，当通过减小这两个板之间的距离来使这些板上的相反电荷移动得彼此更靠近时，对于固定的电荷值(Q)来说，板之间的电势差(V)随着电容(C)的增大而减小。

电容是电容器几何形状、电极板材料以及这两个电极板之间的介电材料的介电常数的函数。电容随着板大小更大、板之间的距离更小、介电材料的介电常数更高以及更高表面积电极材料的使用而增大。因此，当一个电容器由施加在该电容器两个板之间的一个恒定电势差进行充电时，并且如果随后将一种电介质放置在这些板之间或如果使得这两个板彼此更靠近，那么电容和每个板上的电荷量增大。这意味着在一个恒定电势(以每单位电荷的能量计)下，电荷密度在电容增大时增大。这就是历史上电容器被称为电荷电容器(condenser)的原因。

当存储在这些板上的电荷被释放时，电介质击穿会产生从一个电极传到另一个电极(穿过该电介质)的电火花。在电介质击穿发生之前，如果该电介质是一种固体，那么在这些电容器板之间生成的电场的作用会使该电中性电介质中的正电荷和负电荷的中心移位。在本发明中，可以使用的一种电介质是氘。氘的核(被称为一个氘核)包含一个质子和一个中子，而更常见的氢同位素氕的核中没有中子。氕占地球海洋中所有天然存在的氢的99.98％以上。其中氘相对于氕已高度浓缩的水被称为重水。

如果该电介质是一种电解质溶液，那么该电解质电介质内的带相反电荷的离子可自由移动，这样使得带正电离子朝向带负电电极移动并且集中在该带负电电极上和附近，并且反之亦然。电容器板(电极)上和附近离子的吸引力形成离子的空间分布，被称为双层。

因此，电解质填充的电容器典型地被称为电双层电容器或EDLC。EDLC的高电容是这些内部电容器的带电电容器板之间的极小间隔的结果。在这些电容器的充电周期中，电解质溶液(例如，盐水)中的等量的带正电离子和带负电离子被吸引到这些电容器板上，从而形成电双层。与常规电容器相比，EDLC因为这些离子双层的形成而具有增大的电容。实际上，一个带电EDLC包括串联放置的两个内部电容器。基于EDLC的科学，这些双内部电容器的一个电容器板典型地是一个带电的高导电、高表面积电极。这个电极可以由材料诸如碳气凝胶或一种碳气凝胶复合物制成。另一个“板”是与高表面积电极上的电荷极性相反的离子的一个集中区，这些离子以一个双层安排位于带电电极上和附近。

碳气凝胶是包含互连的纳米级粒子(3至30nm)、具有小填隙孔隙(<50nm)的独特多孔材料。这种整体(连续)结构导致非常高的表面积(400至1100m2/g)和高的导电率(25至100S/cm)。可在纳米级控制气凝胶的化学成分、微观结构和物理性质，从而产生独特的光学、热、声学、机械和电性质。在碳气凝胶的许多应用中，已在电化学装置中发现将碳气凝胶用作电极材料。

气凝胶的孔隙结构难以用语言描述。国际理论和应用化学联合会已推荐了一种用于多孔材料的分类，其中直径小于2nm的孔隙被称为“微孔”，直径在2与50nm之间的那些孔隙被称为“中孔”，并且直径大于50nm的那些孔隙被称为“大孔”。二氧化硅气凝胶拥有所有三种大小的孔隙。然而，这些孔隙中的大多数落在中孔范围内，微孔相对较少。

优化的碳气凝胶是一种用于EDLC的理想电极材料，这是由于它的高导电率、高比表面积和可控的孔隙大小分布。电容随着电极板之间距离的减小以及电极表面积的增大而增大。因为碳气凝胶由于微小的孔隙而每单位质量或每单位体积具有巨大表面积，所以研究人员已实现高达104F/g和77F/cm³的电容。用于EDLC电极的其他合适材料包括活性碳(也被称为固结无定形碳(CAC))、活性炭、石墨烯、碳纳米管以及如多并苯的聚合物。

根据本发明的一个方面，电容器板之间的电介质可以是一种单质气体如氢气或氘气，而不是一种电解质溶液。当使用这种电介质时，电容器板的充电导致单独氢原子的局部极化，这样使得这些原子在电场方向上存在弱对齐。然而，由于这些气体粒子的无规则热运动，这种对齐是不完全的。随着电场强度的增大(通过增大电容器板之间的电势差引起)，极化和随之发生的对齐增强。一旦达到氢气的介电强度，氢原子中电子与质子之间的键就会断裂并且观察到火花。此火花是带负电的电子从一些氢原子朝向带正电板的移动以及带正电氢核(质子)朝向电容器的带负电板的移动。在与负电极接触时，质子获得一个电子并且重新构成氢原子，并且这些电子被带正电的板吸收。这个过程产生一个电阻电路，该电阻电路允许电通过离子化气体粒子在电容器板之间流动。如果电容器板之间的电势差减小以使得板之间的电场不再能够使气体离子化，那么电的流动停止。

存储在一个电容器中的能量的量与电荷量和板之间的电势差成正比。如果将存储在一个电容器中的能量指定为(U)，单位为焦耳，那么：

U＝(0.5)(Q)(V)             (等式4)

这些参数和单位如先前所定义。此外，应当注意，当电容为“C1”和“C2”的两个电容器串联放置时，这两个连接的电容器的等效电容或“Ceq”由以下等式定义：

1/Ceq＝1/C1+1/C2           (等式5)

这个等式示出：当两个电容器串联放置时，该等效电容实际上由具有较低电容的电容器控制。此外，因为放置在串联的两个电容器上的电荷量(在此表示为“q”)相等，所以此类单独电容器之间的电势差(表示为“V1”和“V2”)基于等式3定义为：

V1＝q/C1                   (等式6)

以及

V2＝q/C2                   (等式7)

并且因此；

V1/V2＝C2/C1               (等式8)

串联连接的两个电容器上的电势差(在此表示为V)为：

V＝V1+V2                   (等式9)

以上等式并且具体地等式8明确指出：当一个具有非常大电容的电容器与另一个具有非常小电容的电容器串联连接时，施加在这两个电容器上的大部分电势差将出现在具有较小电容的电容器上。

此外，应当注意，也可以将单个电导体视为电容器，假设第二板位于无穷远处。例如，自由空间中的单个球形导体具有如下电容：

C＝4Πε_or           (等式10)

其中ε₀是自由空间的介电常数，等于每米8.854E-12法拉，并且‘r’是该球体的半径，单位为米。在此应当注意，如果该单个孤立的球形导体完全浸入在介电常数为k的一种电介质中，那么等式10中的介电常数项ε₀由Kε₀代替，指示电容的成比例增大。

还应当注意，通常，导体上的电荷密度在尖点附近较高。此点可以从使用等式3和10对一个孤立球形导体的表面电荷密度的计算推断出，并且球体的表面积等于4Πr²，从而得出：

σ＝ε_oV/r              (等式11)

其中σ是电荷密度，以每单位面积的库仑计。在此还应当注意，当该单个孤立球形导体完全浸入在介电常数为k的一种电介质中时，那么等式11中的介电常数项ε₀由kε₀代替，从而指示表面电荷密度的成比例增大。

等式11示出在一个恒定电势V下，半径越小，电荷密度越高。基于等式11，还可以推断出：如果将一定量的电荷放置在也具有一个尖凸出点的一个导电片上，那么尽管该板上的所有点的电势在达到稳态条件之后将会相同(假定在达到稳态之后不存在电荷移动)，但该尖点处的电荷密度将远远高于该板的其余部分。在此非常重要的是应当注意，尖点处和较小球体(与较大球体相比)上的电荷密度增大是尖点处和较小球体上每单位表面积的电容增大的结果。使用这种现象有利的是，能够在相同电势(即，相同电压)下以彼此更靠近的间隔填装电荷。因此，可以理解，如果带电核位于尖点处和/或较小球体上，那么当在每单位电荷相同的能级下时，带电核可以被填装成彼此更靠近。考虑到这一点，还可以理解，因为每单位面积的较高电容，电荷的电容存储可以用于降低单独电荷之间的库仑排斥力，从而有效地降低库仑势垒。

在此考虑的另一个物理现象是如以上所定义的“势垒隧穿”。结合如在此所描述的离子和核的电容约束，势垒隧穿和物质的波粒二象性可以使得许多核中的少量核穿透另一个的库仑势垒，即使必需的能级小于势垒高度。在这种情况下，势垒隧穿的概率(即，任何给定的带正电核穿透另一个带正电核的库仑势垒的几率)是粒子质量、势垒宽度以及势垒高度与粒子能量之间的能量差的函数。对于一个质子(该质子静电地被迫朝向另一个质子)来说，在所有其他参数恒定的情况下，那么质子能量与克服库仑势垒所需的能量之间的差决定势垒隧穿的概率。因此，在给定的时间跨度内穿过势垒的质子数量将由每个质子与库仑势垒之间的能量差决定。在本发明中，所提议的是，通过电容约束以及将带正电核非常靠近地填装在小面积内从而导致降低库仑势垒并且最终穿透库仑势垒来增大库仑势垒穿透的概率。

图1示出根据本发明的一种用于电容约束核如氘核的装置。如图所示，装置10包括在一个空心球形壳体14内居中的一个球形电极12。壳体14封闭一个内部空间16，该内部空间围绕球形电极12同轴居中。一个电绝缘支撑件18使球形电极12固定地悬置在球形壳体14内。由一种高介电强度材料制成的一个约束层20位于内部空间16内、在球形壳体14的最内层表面上。一种聚变反应燃料如重水或氘气典型地容纳在内部空间16内、位于约束层20与电极12之间。

如图所示，球形壳体14典型地是多层的，并且包括一个内部球形面22、一个中间球形面24和一个最外部球形面26。内部空间16形成于球形电极12与内部球形面22之间。约束层20典型地位于内部球形面22的内表面上。典型地容纳一种非导电介质如氮化硼(还具有高的热传导性质)的一个内层30被插入在内部球形面22与中间球形面24之间。典型地容纳一种绝缘介质如绝缘油的一个外层32形成于中间球形面24与最外部球形面26之间。

绝缘支撑件18将中央球形电极12固持在适当位置，并且可以由如熔融氧化铝的绝缘材料或能够承受所产生的热的任何其他绝缘材料制成。这个支撑杆18典型地具有嵌入其中的一根电线，该电线将电极12连接至电源。

约束层20典型地是由具有高介电强度和高介电常数的一种非导电材料(例如，二氧化硅气凝胶)制成，其中该约束层具有在毫米至微米量级上的孔洞或孔隙大小。存在一根穿过绝缘支撑件18的电线，该电线将球形电极12连接至一个直流正极性高压电源(未示出)。最外部球形面26典型地是金属，封闭外层32，并且通过一根导线36连接至电接地34，如图所示。因此，在通向绝缘支撑件18的一个电源、球形电极12以及大地34之间存在电互连件。金属的最外部球形面26还用作装置10与外部环境之间的热交换介质。因此，所设想的是，可以将本发明的装置10放置在用于产生可以为一个涡轮机提供动力的蒸汽的水容器或水箱中。可替代地，该装置的外壳可以接受水以便产生蒸汽以为一个涡轮机提供动力。

最外部球形面26典型地配备有对应地连接至一个泵的入口和出口的出口通道和入口通道(未示出)。这种泵可以用于使外层32的绝缘油循环，并且可以是用于这些油的除气和热交换系统的一部分。

内层30具有多种功能。首先，它应当是非导电的并且用作一种电介质，从而允许离子累积而不会将离子排放到外部环境。这样，并且结合外层32，内层30的厚度应当基于所使用材料的介电强度和施加在该内层上的电势差来确定。层30和32一起将限制漏电或离子流动。第二，内层30用作用于约束层20的支撑层。在这种功能中，该内层优选地具有低热膨胀和高机械强度，以便承受由在约束层20之上和之中发生的聚变反应所造成的热负载。该内层还优选地具有高的热导率，从而将所产生的热传送到外部环境。作为一个非限制性实例，可以将氮化硼(烧结或熔融的)用于内层30。在某些情况下，内层30还可以具有一个精细的互连多孔结构，以便允许聚变产物(例如，由氘核的聚变产生的氦核)穿过该内层流出，并且进入外层32。这个特征将用于以下情况：其中用于约束层20的材料具有在数千兆伏/米范围内的极高的介电强度。

外层32是主绝缘层，并且可以由类似于在高压变压器中使用的油的高介电强度油制成。外层32也具有多种功能。例如，该外层承担隔绝施加到电极12上的电势的主要负担。该外层还将所产生的热从内层30传送到最外部球形面26，该最外部球形面是该设备的主罩盖。外层32还优选地允许聚变产物从内层30传递到最外部球形面26的传输，其中这些产物如氦核可以获得一个电子并且形成氦气。最后，外层32优选地允许通过诸如除气的手段(施加部分真空)来移除聚变产物如氦气。例如，一个循环泵电路可以用于使外层油循环并对其进行除气。

球形形状仅是用于本发明的装置的一个代表性形状。球形形状最优地允许实现本发明的方法所需的所有特征(约束和碰撞)。然而，形成允许一个暴露阳极接触该气体或液体燃料的一个约束空间的任何形状也可以用于限制特征。作为一个非限制性实例，该电极和该壳体以及这些内部面和这些层可以是圆柱形、环形、或与本发明的预期目的相容的任何其他形状。根据本发明的传授内容，在此所解释的原理可适用于形成一个约束空间并且允许一个暴露阳极接触气体或液体燃料的许多封闭形状，包括圆柱形形状或甚至平行板安排，只要该电容器的一个板由一个非导电层绝缘。

在一个实施例中，如图2中所示，内部空间16可以用重水(D₂O)作为聚变反应燃料来填充，并且球形电极12可以是一个高表面积高电容电极，如碳气凝胶电极。在这种安排中，如果使电极12通电达到任何电压电平，并且非导电层20、30和32的电绝缘能力高得足以防止内部空间16与外部环境之间的任何可感知的电荷交换，那么内部空间16中的重水内的电势将会增强。此增大的内部空间16中的电势是由于具有相反极性的离子聚集到施加到电极12的电荷上。因此，如果电极12带正电，如图所示，那么现在正离子将聚集在约束层20上和附近。这种现象是由于强加在电解质溶液上的电荷不平衡。

继续参看图2，当中央球形电极12带正电时，那么负离子从重水被吸引到电极12上。这些带负电的离子将聚集在电极12上和附近，如图所示，从而形成一个电双层。内部空间16中的电解质溶液中的电荷分布因电解质溶液的负离子被吸引到电极12上而导致的不平衡将使正离子(D+离子)从该液体被排斥出来并且使它们聚集在约束层20的表面处、在内部空间16中的电解质溶液外边缘附近。这导致串联的两个电容器的形成。这些电容器中的第一个，被称为具有电容“C1”的内侧内部电容器41，形成于电极12与聚集在其上和附近的离子双层之间，并且第二电容器，被称为具有电容“C2”的外侧内部电容42是由聚集在约束层20上和附近的离子与金属的最外部球形面26的内表面上的感应电荷形成。层20、30和32用作这两个电容器板之间的电介质。内侧内部电容器41的可用表面积将为高的，并且电荷分离将会极小，从而导致与外侧内部电容42相比高得多的电容。

移动到中央球形电极12上的电荷量由这样形成的这两个电容器的等效电容决定。因此，当内侧内部电容器41和外侧内部电容42通过它们之间的内部空间16中的电解质彼此串联连接时，由等式3(1/Ceq＝1/C1+1/C2)定义的系统的等效电容“Ceq”将会非常低，并且接近外侧内部电容器42的小值“C2”。此外，基于等式6(V1/V2＝C2/C1)和等式7(V＝V1+V2)，并且还基于电容器41的电容“C1”与电容器42的电容“C2”之间的大的差异，施加到电极12上的任何电势的大部分将位于外侧内部电容器42上，并且只有其非常小的一部分将位于内侧内部电容器41上。因此，电极12与空间16中的电解质溶液之间将存在非常小的电势差。这意味着现在在层20的正离子与壳体14的内表面26上的电子之间具有一个电容器。

作为一个数值实例，如果电极12是由碳气凝胶制成并且被放置在填充有重水(D₂O)的空间16中，那么可以假设该电极的电容以及因此内侧内部电容器41的电容为约10法拉。现在，如果外侧内部电容器42的电容为约50.0微微法拉(μμF)，那么出于所有实际目的，基于等式3，等效氢电化学电容器的等效电容将等于50μμF。因此，如果施加到电极12上的电势为10伏，那么基于等式1(C＝Q/V)，将移动到电极12上的电荷将等于500E-12库仑。现在参照等式4(V1＝q/C1)和等式5(V2＝q/C2)并且注意这两个电容器上的电荷将相等，明显的是，位于外侧内部电容器42上的电势实际上将等于10伏，并且位于内侧内部电容器41上的电势将为50.0E-12伏，该电势极小并且实际上可忽略。因此，如果正确地假定中央电极12与内部空间16中的环绕该中央电极的重水之间无电极反应发生，直到它们之间的电势差达到约一伏，那么可以得出结论：高达200E+09伏的非常大的电势可以被施加到电极12上而不会发生电极反应。这意味着电极12与空间16中的电解质之间的电势差不会接近引起电极反应所需的电压，并且在电极12的表面上将不会产生氧气从而干扰装置的操作，直到施加到电极12上的电势达到200E+09伏。放置在一种电解质中与放置在一个绝缘容器中的一个高电容电极之间的电势差的这种分布已得到实验证实，如以上参考文献公开的美国专利申请#2012/0097541中所报告。这些测试已显示出高电容电极与环绕的电解质之间的可忽略的电势，同时所有所施加的电势是在电解质与电接地之间测得。

在本发明的另一个实施例中，内部空间16可以填充有一种单质气体，如氢气或氘气，并且电极12可以是金属的低容量电极。在这个实施例的情况下，两个电容器41和42之间的电势分布将彼此更加靠近，如从用于以上电解质情况的相同基本原理可以推断出。这意味着如果假设针对约2厘米的直径，低电容金属电极12的电容(内侧内部电容器的电容)为1.0μμF，并且外侧内部电容器的电容为50μμF，那么如果将100伏施加到电极12上(相对于接地)，那么电极12与环绕其的气体之间的电势差将为约98伏，并且该气体与电接地之间的电势差将略微小于2伏。因此，在这种情况下，如果电极12被充电到一个高电势，那么电极12与内部空间16中的环绕该电极的氘气之间的电势差将以施加到电极12上的电势的非常高的比例出现。这样，如果施加到电极12上的电势为正，那么引起一些气体原子离子化所需的电势将低得多。针对以上实例，并且假设电极12的直径为2厘米，那么通过施加超过约21,000伏的一个正电势，电极12与环绕其的气体之间的电势差将达到20,000伏以上，从而产生是引起氢气离子化所需的电势的一个为2000伏/毫米的电场强度。这个过程可以导致氢原子的电子被中央电极12吸收，并且当所施加的电势高得足以导致空间16中的气体充分离子化以及气体电介质的击穿时，该过程可以导致相同原子的带正电的核被排斥到内部空间16的外边缘并且被排斥到约束层20上。在这种状况下，并且在施加超过21000伏的电势情况下，在约束层20处将形成正离子集中区，从而形成外侧内部电容器42的一个第一板，第二板是最外部球形面26的内表面上的感应电荷，其中层20、30和32充当这两个电容器板之间的电介质。还应注意的是，如果电极12的表面涂覆有催化剂如铂黑，那么氢气的离子化还可在更低的电压下发生。

在这种构造的情况下，当超过氢气的离子化电势许多数量级的一个电势差被施加到电极12上时，在约束层20处形成的具有由公式10近似的电容的外侧内部电容器42将及时被充电至一个电势，该电势与施加到电极12上的电势仅相差破坏空间16中的气体的介电强度所需的电势，因为这个电极将不再充当一个电容器并且将是该电路中的一个电阻元件。在此应当注意，由于内层30和外层32的相当大的厚度，甚至考虑到它们所容纳的材料的介电常数的典型值，一个单板球形电容器在约束层20(即使完全绝缘)处的电容将相当靠近球形电容器42的电容。

对于以上两个实施例，不管内部空间16中填充有电解液如重水还是气体如氘，聚集到约束层20的孔隙或孔洞通道中的带正电的核的穿透，与未穿透这些孔隙或孔洞的离子相比，导致更高的电荷密度，如等式11所表示。

如图3中所示，带正电的核50可以紧密地填装在组成约束层的材料52如钙-铜-钛酸盐的孔隙和孔洞54内。例如，如果在任一情况下施加到电极12上的电压比空间16中的气体的击穿电压高约60,000伏并且孔洞54的直径在0.5毫米的量级上，并且如果约束层20的材料52具有1250的介电常数(钛酸钡，假设具有超过120MV/m的介电强度)，那么这些通道54中的电荷密度(基于等式11)将是这样以使得核50之间的间隔将为约3.47埃，这是玻尔半径的6.55倍。也就是说，在此类条件下，两个核之间的间隔将几乎仅为氢原子的电子与核之间的典型距离的6.55倍。由于带正电荷核之间的间隔将随着电压电平的增大而减小，可以理解的是，随着所施加电势的升高，带正电离子50之间的间隔将变小。利用此系统，随着所施加电势的增大并且随着孔隙直径的减小，一个核穿透另一个核的库仑势垒的概率将会更高，从而导致核聚变以及聚变能量释放的概率增大。

图4示出了在本发明的装置和方法所创建的紧密填装条件内、在聚变过程中的两个核。如图所指示，带正电荷核的紧密填装通过电压的增大并且通过约束层的孔隙和通道而增强，从而导致更高的将克服库仑势垒和将发生聚变反应的概率。核的聚变产生聚变反应产物，如氦和γ射线，如图所示。

由带正电核穿透到约束层20的小直径孔隙/孔洞中所造成的较高表面电荷密度是因为每个孔隙或孔洞本身变成一个球形或半球形电容器而发生。在每个孔隙/孔洞中，每单位面积的电容随着孔隙/孔洞大小的减小而增大。因此，随着孔隙/孔洞大小的减小，所得的每单位表面积电荷密度将会更高(C/A＝Kε_o/r，针对浸入在介电常数为K的一种介电材料中的一个孤立单板球形电容器)。因此，一个恒定电势下的电荷密度也将随着孔隙/孔洞大小的减小而变高。如果等式11(σ＝ε_oV/r)被修改以考虑约束层20的材料的介电常数的作用(σ＝Kε_oV/r)，那么比率V/r等于约束层20的表面处的电场强度。该电场强度(electric field strength)可以达到的最大值(其为比V/r)取决于用于约束层20的材料的介电强度(介电强度被定义为一种介电材料在其击穿并且在电容器板之间出现放电火花之前所能承受的最大电场强度(electric field intensity))。此外，在给定的电场强度(V/r)下，材料的介电常数K越高，形成于每个孔隙/孔洞中的电容器的每单位表面积的电容越高，并且所得的电荷密度越高。在小孔隙的情况下，如果电场的强度超过材料的介电强度，那么该材料将失效和分解。

换句话说，外侧内部电容器42的一个板可以是约束层20的内表面，并且第二板可以是壳体14的内表面26。这里，层20上的电荷密度将由已修改的等式11(σ＝Kε_oV/r)决定，其中“K”是层20、30和32的等效介电常数，“V”是电容器42的电压，并且“r”是内部空间16的半径。然而，如以上所指出，约束层20的表面上的孔隙/孔洞的电行为可以被认为是具有非常小直径的球形或半球形单板电容器，针对这些球形或半球形单板电容器，也可使用已修改的等式11(σ＝Kε_oV/r)来计算电荷密度。在这些孔隙的情况下，“K”是约束层20的介电常数，并且电压(V)与电容器42的电压相同，但“r”是孔隙或孔洞的半径。因此，虽然孔隙/孔洞内的离子将与集中在层20的表面上的离子处于相同电压下，但这些孔洞内的电荷密度将高于这些孔洞外部的电荷密度。当孔隙或孔洞的直径在恒定施加的电势下减小时，强加于在孔隙/孔洞内构成离子电容器的外壁的材料上的电荷密度和电场强度也增大。如果这些孔隙或孔洞变得太小，那么层20的材料在所产生电场的影响下可能会分解。

在理论水平上，离子的电容性约束现象也可以理解为发生于在电介质中形成“感应表面电荷”的整个过程中。如先前所指出，当一种固体电介质被放置在一个电容器的板之间时，这些板之间产生的电场的作用导致电介质的极化以及电介质中正电荷和负电荷中心的偏移，即使整个电介质保持电中性。这种原子水平上的极化的结果导致偶极矩的形成，以及材料内与原始电场相反的电场的建立。这等效于所谓的感应表面电荷的形成，这些感应表面电荷相对于与它们相邻的电容器板上的电荷具有相反极性。在原始电容器板上的电荷附近形成具有相反极性的感应表面电荷的作用在于降低电容器板上的电荷的电势，从而允许这些电荷填装得更紧密。因此，每个带正电核都将处于一个低得多的能级。考虑到离子紧密填装在约束层20的表面上和孔洞中，带正电核将表现为好像它们的电荷低得多。

基于上述内容，可以得出结论：介电强度越高，介电常数越高，并且约束层材料的孔洞大小越小，那么单独电荷的势能将会越低，从而导致给定电压下的更紧密填装。实际上，这等效于减小这些核之间的库仑排斥力，从而使得克服库仑势垒所需的能量降低。由于库仑势垒高度的这种降低(即，克服库仑势垒所需能量的量降低)，由这些电荷的自然热动能所导致的碰撞造成的成功势垒隧穿的概率增大。

在此应当注意，为了获得一个成功的聚变过程，将必须控制反应速率。因此，优选的是，约束层20中的孔隙大小与施加到电极12上的电压的组合是这样以使得势垒隧穿速率低得足以使得所产生的热以及机械应力和热应力将是由该装置的结构易管理的。也就是说，如果针对给定孔隙大小的电势增大到一定水平，其中所产生的热损坏该装置的结构，那么这将不是良好的工程设计。此外，优选的是，所产生的热可以用于产生蒸汽。用于回收所产生的热的一种选择可以是将整个装置放置在一个水容器中，在该水容器中水通过壳体14的外表面被加热。

此外，为了使此过程持续较长时间，需要将聚变产物从约束层20的孔隙中移除。这可以通过停止操作和真空处理该装置来实现。在限制约束层20的厚度的极高介电强度材料的情况下，内层30的材料可被选择成使得它将具有比约束层20的孔隙大得多的孔隙。这样，聚变产物(例如氦核)能够逐渐迁移到内层30并穿透内层，并且随后继续向外移动至外层32。在与最外部球形面26接触时，这些带正电荷氦核中的每一个都将获得一个电子并且变成氦气，氦气可以在外层32的绝缘油通过泵送和抽气系统的作用被循环时被移除。

考虑到以上情况，并且因为电容器是能量存储装置，还可以假定的是，可以对单独的带正电荷核施加动能，并且这些核随后可以“被发射”或以其他方式被推向限制在约束层上的核。核的这种向约束层的发射可以是突破库仑势垒的另一种手段。也就是说，带正电的核的脉冲充电以及从电极12朝向约束层20处的被约束核的发射可以增大穿透库仑势垒的概率。参见图5，该图是一个曲线图，示出随时间管理以便产生核并使核朝向约束层加速的高压脉冲。以超过用于形成层20中和上的高密度电荷分布的电压的非常高的电压(仅受限于绝缘层的介电强度)对电极12进行的脉冲充电，可以用作使正离子从中央电极12的表面朝向集中在内部空间16的外部边界处的离子加速的一种手段。因此，脉冲充电提供了一种通过使用离子之间的冲击能量穿透库仑势垒的手段。

重要的是应当注意，一旦外侧内部电容42被完全充电，约束层20处的电荷就将不产生朝向内部空间16的电场。因此，该约束层上的电荷将不抵抗向它们发射的核，这样使得将不存在库仑排斥力，并且因此将不存在有待克服的库仑势垒。换句话说，电极12和约束层20可以构成如在由开尔文勋爵设想并由R.J.范德格拉夫用作一种加速器的经典静电发生器中那样电势的条件。因此，当一定量的正电荷被放置在电极12上时，不管存在于层20上的电荷量如何，电极12上的电荷的电势都将高于层20上的电荷的电势。因此，如果假设内部空间16中的气体的介电强度为一个给定量，表示为“P”，那么当施加到电极12上的电势超过“P”的值时，内部空间16中的现在离子化的气体将允许添加到电极12上的任何电荷流动到层20上，直到层20上的电荷的电势接近电极12的电势减去“P”。一旦达到这个电势差，从电极12朝向层20的电荷流动将停止。

作为一个非限制性实例，图5上所示的电势可以是10KV的基本电势，并且可以递送高达100KV的脉冲电荷。现在，如果发起离子化和离子流动所需要的电势差是20KV，层20上的电荷维持在30KV的最小电势下，并且脉冲充电进行到高达80KV以上(100KV)，那么当施加脉冲充电持续足够量的时间(相当于例如约5个时间常数)时，约束层20上的电荷电势将增大，直到这些电荷与强加在电极12上的电势之间的电势差达到20KV。此时，在内部空间16中的气体无进一步离子化。在这个脉冲加载结束时，层20上的电荷电势将为80KV(100-20)。现在，如果施加到电极12上的电势下降到10KV，那么现在表面20上与电极12上的电荷之间将存在为70KV的电势差，从而导致层20上的核流向电极12。如果允许有充足的时间，例如约10个时间常数用于这种放电，那么层20上的电荷电势将逐渐下降到约30KV，此时空间16中的气体将不再被离子化，因为层20上与电极12上的电荷之间的电势差将再次为20KV，并且电荷的逆向流动停止。随后，脉冲充电之后放电的循环可以重复。

基于以上内容，可以理解，从电极12发射的核正在一个电势差下起作用，该电势差促进这些核朝向存在于层20上并且不与它们对抗的电荷移动。换句话说，这些电荷之间现在将不存在排斥力，即在从中央电极12朝向约束和聚变层20的方向上的库仑势垒将实际上不存在。

为了减小所发射离子与仍然存在于内部空间16中的未被离子化的气体分子之间发生碰撞的概率，应当通过降低内部空间16中的压力来限制气体分子/粒子总数。这可以通过在利用足够量的聚变反应燃料填充空心壳体内的内部空间以进行该过程之前在内部空间中造成真空来实现，所需的量由预期的聚变反应速率确定。也就是说，为了实现给定的聚变反应速率，内部空间16中的气体原子总数应当大致等于在最大施加电势下被约束在层20上和该层的孔隙中的核的总数。作为一个非限制性实例，聚变反应燃料可以处于预先确定的在约0.0001至约0.1托范围内的压力下。

当施加到电极12上的电势突然并且以脉冲的方式(如以如图5中所示的方波形状)增大了某一高电压、超过先前施加到其上的稳态DC电压时，接触电极12的每个氢同位素原子都将被离子化并且其核将再次获得等于原子核的电荷(等于1.60217653×10^-19库仑)乘电压的势能。根据所施加的电势，每个核所达到的势能值可以容易地达到数MeV，超过了通常引用为穿透库仑势垒所需的能量值。带电的氢同位素核随后在空间16中的相对真空内将以几乎相等的动能朝向约束层20加速。如果这种带电粒子与约束层20上和孔隙中的任何核碰撞，那么其碰撞能量将非常靠近在电极12处获得的势能。因为层20上和孔隙中的核将是静止的并且还表现出低得多的等效电荷，并且因为这些电荷产生的电场将远离内部空间16向外指向，所以此类碰撞将不必克服排斥库仑力。因此，这些核之间的聚变概率将远远高于如果两种粒子在自由空间中朝向彼此发射的情况。

因为在此披露的本发明是基于电容器，离子流动的速率随电路的时间常数变化。因为时间常数被定义为电容乘以电阻(RC)，所以如果时间常数越低，那么离子传输的速率将会越高。此外，应当注意，因为所设想的核发射系统基本上是一个电阻/电容(RC)电路，可以通过增大电压脉动的频率来最大化所产生的电流。预期的操作频率高达并包括射频范围。

本发明提出，如果紧密填装的带正电氢同位素核被电容性地约束在一个绝缘容器中，那么它们将自然地彼此相互排斥并且积聚在该容器的内部容积的周边或约束层20上。这种现象与具有一个表面的一个约束层的组合提供带电核的极紧密的填装，该表面具有非常小直径的孔洞或孔隙以供核进入并将核约束在其内。另外，这些核随后可以通过中央电极的脉冲充电被击中，从而提供高的核聚变概率。

本发明可以包括以下过程：将具有正极性的水合离子电容性地约束在一个介电层上，从而通过将具有相反极性的离子吸收到同样放置在含离子溶液中的一个电极上来形成含离子液体的外边缘，由此形成两个串联的电容器。此外，本发明传授了对电容性地约束在介电层上的离子的电荷密度和电压的操纵可以通过控制以下各项来实现：离子吸收电极处形成的电容器与以下电容器的电容比，该电容器是由介电层上的混杂离子和位于该液体和电介质的外侧上的混杂离子和介电层的第二板形成；以及施加在所述电极与接地之间的电压。该液体可由一种气体代替，并且该电极可以由一个低电容电极代替，从而使得电子从该气体剥离并且形成用于将离子传输到电介质表面以形成该气体的外边缘的一个电阻电路。本发明还传授了使用以下各项来增大离子电流的强度以及向混杂离子发射的离子的强度的过程：形成于低电容中央电极、作为聚变反应燃料的气体之间的RC电路的高频电压变化和固有性质，以及形成于绝缘层处以形成容器的外边缘的电容器的电容。

产额计算——现在基于本发明并且参照图1和2呈现一种对聚变能量产生装置的可能产额进行的相当保守和粗略的估算。假设：电极12的直径＝18mm；表面20的直径＝20mm；基本所施加的DC电势＝85KV；脉冲电势＝100KV；层20上的最小电压＝90KV；层20上的最大电压＝95KV；层20的材料：钛酸钡，具有1250的介电常数和120MV/m的介电强度，并且在内表面上具有直径约为0.67mm的孔洞。

基于以上所假设的参数和已修改的等式11，层20上的平均电荷密度将为约1.3275库仑/平方米，相当于每平方米8.3E+18个单独的带正电氢同位素核，平均间隔为3.47埃。现在，如果假设产生的电流为10安培，并且如果假设针对热振动核处、等效面积约为20E-24平方米的每个直接命中均将发生聚变，那么可以预期的是，从电极12朝向表面20发射的每6135个离子中将会有一个命中。这导致平均每秒约800E+15个命中，从而在假设每个命中将产生17兆电子伏的能量(D-T反应)时产生2.18MW的平均输出能量。基于15KV的脉动波电势和一安培的电流所计算的最大输入能量为15KW。这意味着产额可被估算为在145以上。在此应当强调的是，这种计算是用于解说目的的一种估算，并且所需设计和操作条件并不是最优的。

虽然已通过描述本发明的多个实施例和实例对本发明进行了说明，但是并不意图将所附权利要求书的范围限定或以任何方式限制于此类细节。另外的优点和修改对于本技术领域的普通技术人员来说将是容易理解的。因此，在不脱离本发明范围的情况下，脱离此类细节。

Claims (20)

1.一种用于穿透库仑势垒的装置，该装置包括：

a)一个电极；

b)在该电极周围封闭一个内部空间的一个空心壳体；

c)由一种高介电强度材料制成的一个约束层，该约束层位于该内部空间内、在该壳体的内表面上；

d)容纳在该内部空间内的一种聚变反应燃料；

e)一个直流正极性高压电源；以及

f)用于将该电源连接至该电极并且用于将该空心壳体连接至大地的电互连件。

2.如权利要求1所述的装置，其中该电极和该空心壳体是球形的，并且该电极在该空心壳体内居中。

3.如权利要求2所述的装置，该装置进一步包括使该球形电极固定地悬置在该球形壳体内的一个电绝缘支撑件，其中该球形壳体是多层的并且包括一个内部球形面、一个中间球形面以及一个最外部球形面，并且其中该内部空间形成于该球形电极与该内部球形面之间，该约束层位于该内部球形面的内表面上，一个内层形成于该内部球形面与该中间球形面之间，并且一个外层形成于该中间球形面与该最外部球形面之间。

4.如权利要求3所述的装置，该装置进一步包括该内层内所包含的一种非导电介质；以及该外层内所包含的一种绝缘介质。

5.如权利要求1所述的装置，其中该约束层在其表面上具有多个小孔隙或孔洞。

6.如权利要求5所述的装置，其中该约束层是由非导电材料制成，该非导电材料优选地具有在毫米至微米尺度范围内的孔隙或孔洞大小。

7.如权利要求1所述的装置，其中该电极是由提供高表面积、高电容的一种材料制成，并且其中该聚变反应燃料是重水。

8.如权利要求7所述的装置，其中该电极是由一种碳气凝胶材料制成。

9.如权利要求1所述的装置，其中该电极是由低电容材料组成。

10.如权利要求1所述的装置，其中该聚变反应燃料是适合用作聚变燃料的任何气体。

11.如权利要求1所述的装置，其中该聚变反应燃料是重水。

12.如权利要求1所述的装置，其中该聚变反应燃料是在从约0.0001至约0.1托的一个预先确定的压力下。

13.一种用于约束核以便穿透库仑势垒的方法，该方法包括：

a)提供由一种高介电强度材料制成的一个约束层，该约束层在一个空心壳体内限定一个内部空间；

b)用一种聚变反应燃料来填充该内部空间；并且

c)用一个直流正极性高压电源对坐落在该壳体内的一个电极进行充电，其中该壳体不仅封闭该内部空间而且围绕该电极居中，对该电极进行充电导致将带电核约束并填装在该约束层上。

14.如权利要求13所述的方法，其中该空心壳体是多层且球形的，该壳体包括一个内部球形面、一个中间球形面以及一个最外部球形面，并且其中该内部空间形成于该球形电极与该内部球形面之间，一个内层形成于该内部球形面与该中间球形面之间，并且一个外层形成于该中间球形面与该最外部球形面之间。

15.如权利要求13所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：在该初始充电步骤之后，以高电压对该电极进行重复脉冲充电，从而朝向该约束层发射电子。

16.一种用于电容性约束核以作为一种穿透库仑势垒的手段的装置，该装置包括：

a)一个球形电极；

b)一个多层空心球形壳体，该多层空心球形壳体封闭在该球形电极周围同轴居中的一个内部空间，其中该球形壳体包括一个内部球形面、一个中间球形面以及一个最外部球形面，并且其中该内部空间形成于该球形电极与该内部球形面之间，一个内层形成于该内部球形面与该中间球形面之间，并且一个外层形成于该中间球形面与该最外部球形面之间；

(c)一个电绝缘支撑件，该电绝缘支撑件使该球形电极固定地并同心地悬置在该球形壳体内；

(d)由一种高表面积材料制成的一个约束层，该约束层位于该内部空间内、在该内部球形面的内表面上；

(e)容纳在该内部空间内的一种聚变反应燃料；

(f)该内层内所包含的一种非导电介质；

(g)该外层内所包含的一种绝缘介质；

(h)一个直流正极性高压电源；以及

(i)用于将该电源连接在该球形电极与大地之间的电互连件。

17.如权利要求16所述的装置，其中该约束层是由一种非导电材料制成，该材料在其表面上具有多个小孔隙或孔洞，这些孔隙/孔洞的大小在数毫米至数微米的量级上。

18.如权利要求16所述的装置，其中该球形电极是由提供高表面积、高电容的一种材料制成，并且其中该聚变反应燃料是重水。

19.如权利要求18所述的装置，其中该球形电极是由一种碳气凝胶材料制成。

20.如权利要求16所述的装置，其中代替于球形，该电极和该壳体以及这些内部面和这些层为形成允许一个暴露阳极接触该气体或液体燃料的一个约束空间的任何形状，包括圆柱形形状。