CN106233393A - 在磁尖端配置中约束高能量带电粒子的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于利用等离子体引发器、电子注入器和磁线圈尖端约束布置产生核聚变反应的装置和方法。等离子体引发器在反应室内产生高贝塔等离子体，用于在磁尖端布置中进行电子约束。电子注入器在反应室内产生等离子体势阱，以便在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量。

Description

在磁尖端配置中约束高能量带电粒子的方法和装置

相关申请数据

本申请涉及于2014年3月11日提交的美国临时申请No.61/951,387和于2015年3月11日提交的美国非临时申请No.14/645,306，处于所有目的通过引用将这两个申请的内容结合于此，。

本发明是依据由国防部授予的合同N68936-09-0125在美国政府支助下做出的。政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明的实施例涉及产生和约束高能量等离子体的方法和装置。高能量等离子体可被用来产生核聚变反应。

背景技术

利用磁场来约束高温等离子体自20世纪50年代以来就已经是在受控热核聚变研究中追求的主要途径之一。几种磁场配置，诸如磁箍缩(pinch)、托卡马克(tokamak)、仿星器(stellerator)和磁镜，都已被探索用于高温等离子体的约束，以便从聚变反应实现净发电。实质性的进展已在约束高温等离子体当中做出了，与23MW的输入功率相比，这导致在1997年欧洲联合环面托卡马克(Joint European Torus tokamak)的16MW的聚变发电。但是，与受磁约束的聚变设备相关的关键技术挑战之一是约束磁场内的等离子体不稳定性。例如，由等离子体电流或等离子体压力驱动的磁流体(MHD)不稳定性，诸如扭结和交换不稳定性，会通过撕裂磁场和驱逐等离子体而突然破毁等离子体约束。照此，等离子体不稳定性约束设备中的最大操作等离子体电流或压力并增加所需的反应器尺寸来实现净聚变功率。而且，需要大的工程安全余量来防止在主要破毁情况下的反应器失败，从而增加了工程的复杂性和反应器成本。

磁尖端构造

由于在中心朝向受约束等离子体系统的凸磁场曲率，磁尖端构造提供优异的等离子体稳定性，如图1A中所示[1]。在图1A和1B中，点画区指示等离子体室内等离子体的范围。在实验中，尖端场构造以可达β＝1的非常高的等离子体压力操作。等离子体贝塔，β，被定义为等离子体压力与约束磁场压力之比，β＝P_plasma/(B²/2μ_o)，其中P_plasma是等离子体压力，μ_o是磁导率，并且B是磁场强度。在本公开内容中，尖端系统的贝塔值是利用等离子体压力的值等于尖端内受约束等离子体体积中的平均等离子体压力和使用B_cusp的磁压值(B_cusp ²/2μ_o)确定的，其中B_cusp是真空中处于尖端点的磁场强度。它进一步指出，等离子体压力由nκ_BT给出，其中n是等离子体密度，κ_B是玻尔兹曼常数，并且T是等离子体温度。在射束类型等离子体的情况下，平均射束能量将被用来确定等离子体压力，例如，射束等离子体压力＝n_beamxE_beam，其中n_beam是射束等离子体密度并且E_beam是平均射束能量。这将类似于流体动力学中静态压力和动态压力之间的区别。

相比较而言，对于国际热核聚变国际反应器(ITER)，为实现净聚变功率输出而提出的大规模托卡马克设备，的设计参数是 由于聚变功率输出规模为β²，因此高贝塔操作对于紧凑尺寸的经济型聚变反应器是有利的。在20世纪50年代，在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和纽约大学(NYU)的研究小组已经调查了利用尖端磁场作为用于受控热核反应器的可能构造[1-3]。但是，与尖端构造的开放磁场结构相关的差等离子体约束带来了严峻的挑战。其结果是，除在NYU由Grad和其他人的理论工作之外，大多数旨在利用磁尖场构造的R&D努力都停止了。

在NYU的Grad和其他人在理论上预言，如果磁场表现出分离一侧(例如，约束区域的中央部分)上的无场高贝塔等离子体与另一侧上具有磁场的真空区域的明显边界，则开放尖端场构造的等离子体约束特性可以被大大改善，如图1B中所示[2]，其中，再次，点画区表示等离子体室内的等离子体。在本公开内容中，高贝塔指示0.2或以上的β值。相比于其它磁约束设备，诸如托卡马克和磁镜，当中在0.03和0.06之间的相对低的贝塔值，贝塔的这个值是高的。在边界层内部，由于高贝塔等离子体的抗磁效应，磁场小得可以忽略。在边界层以外，由于开放场构造中的快速电荷粒子损失，等离子体压力实际上为零。由于大多数向外的带电粒子轨迹涉及镜面反射回内部区域，因此跨这个薄边界层的等离子体损失大大减小，如图1C中所示。仅其运动方向非常靠近尖端轴的粒子将离开内部区域并丢失，如图1D中所示，该图示出在六面体线圈尖端磁场中的各单个电子轨迹。为了计算等离子体损失率，损失被认为在尖端轴附近的“洞”发生并且推测“洞”的尺寸与带电粒子的回旋半径具有可比性。

Grad和他的同事们在理论上假设这个“洞”将具有与电子回旋半径可比的尺寸，并且，如果可以在尖端构造中创建明显的磁场边界，则有可能构造净功率产生反应器[2]。等式1给出了具有高β等离子体状态的明显磁场边界的电子损失率，诸如图1B中所示。

等式1：在高β等离子体状态期间，电子损失率如下给出，

和

对应于电子约束时间

其中I_e是电子损失电流，e是电子电荷，n_e是电子密度(假设等于离子密度)，υ_e是电子速度，r_e ^gyro是在尖端点的电子回旋半径，m_e是电子质量，B_cusp是在尖端点的磁场强度，N_cusp是系统中尖端点的个数并且R_system是尖端约束系统半径。应当指出的是，本公开内容中的单位和公式遵循广泛使用的海军研究实验室等离子体公式集当中的惯例[4]。上面的等式适用于离子损失率，其中电子质量、密度和回旋半径用离子的对应参数代替。

基于等式1中的电子损失率，Grad和他的同事指出，可能有可能利用磁尖端场构造建立净功率产生聚变反应器。例如，图2示出了基于6线圈磁尖端构造的具有等离子体尺寸(即，80cm半径的尖端约束系统半径(例如，尖端约束半径R_system))的小型紧凑聚变反应器。它具有14个尖端点或开口(N_cusp＝14)，如由图2中具有代表性的点C所示，并且在磁尖端点以5特斯拉的磁场操作。基于等式1，电子约束时间对于等离子体中50keV的电子是0.13秒。如果β＝1条件被用来表征受约束的等离子体，则对应的等离子体密度对于5特斯拉的场将是1.2x10¹⁵cm^-3，从而导致1.6x10¹⁴s/cm³的nτ_e值。应当指出的是，根据众所周知的劳森标准，对于净功率产生D-T聚变反应器，所需的nτ值是1.5x10¹⁴s/cm³或更高。相比之下，基于托卡马克概念的核聚变反应器将需要更大的设备尺寸来满足劳森标准。

Grad和他的同事进一步公开了使用电击管式等离子体注入器或时变磁场作为创建尖锐边界的手段。Marshall和Tuck在LANL公开并进行将利用磁加速的弧源将等离子体射流注入尖端场的初步实验工作[5，6]。此外，全世界的几个研究小组试图证明由Grad假定的改进的等离子体约束并且他们的努力在Spalding和Haines的综述文章中进行了总结[7，8]。但是，实验证明由Grad假定的改进的等离子体约束的努力还未成功。后来，Pechacek和其他人在NRL利用固体颗粒的激光烧蚀在二维纺锤尖端构造中产生高贝塔(即，贝塔＝1)等离子体[9]。其结果显示，尖端场的几何损失“洞”的尺寸是离子回旋半径而不是电子回旋半径的数量级。由于聚变反应所需的离子能量非常高，10keV-500keV的数量级，因此对应的几何损失洞尺寸对基于磁尖端构造的聚变反应器将是巨大的。与在相同的磁场用于50keV电子的0.01cm相比，回旋半径对于50keV氘离子和5特斯拉的磁场强度是0.65cm。如果损失“洞”的尺寸与离子回旋半径可比，则这被认为，由于高等离子体损失率，磁尖端构造可能不适合实用的发电聚变反应器。

虽然在尖端中产生高贝塔等离子体方面取得了进展，但是之前对尖端等离子体约束设备的工作局限于在10和100eV之间的低温等离子体。Grad曾指出，与低能量粒子相比，尖端约束的一个固有特性是高能量粒子丢失得更快。因此，之前的工作使用具有在10到100eV之间的等离子体温度的相对冷的等离子体在尖端中产生初始高贝塔等离子体。但是，如何能够将尖端中的离子加速至在10keV-500keV之间的聚变相关能量的问题尚未解决。

惯性静电约束

另一方面，基于Farnsworth、Hirsch、Elmore、Tuck和Watson的工作，几个研究小组一直在调查惯性静电约束(IEC)系统用于潜在中子源、医用同位素产生和功率产生核聚变反应器的可行性[10-13]。在IEC系统的情况下，用于聚变反应性的离子加速和约束来自由负偏压物理电极(例如，半透明网格(grid))产生的等离子体中的电场或者来自电子束注入的等离子体中的多余电子。对于与本公开内容相关的IEC系统，电场产生负静电势阱。相比外侧区域中的电势值，中央区域中的电势值更负。照此，离子在它们朝中央区域移动时获得能量，其中现在高能量离子可以在聚变反应之前克服强烈的静电斥力。对于IEC设备的主要技术挑战是到电极的离子或电子的高损失率，从而导致差的能源效率。例如，典型的射束电子在射束注入之后在命中电极之前在系统内部仅振荡10至20次，从而导致很短的约束时间。其结果是，由IEC系统产生的聚变功率的量到此为止已经小于输入功率的0.01％，从而限制IEC系统的商业应用。

在1985年，Bussard发明了一种聚变设备，以后称之为“Polywell”反应器，它结合了磁尖端构造和IEC概念，如图3中所示[14]。Bussard列举了以下五个关键构思。1)基于磁流体稳定性的磁尖端构造的使用，2)使用多面体形状的线圈来将电子损失限制到点尖端，3)在设备中使用被称为“虚拟阴极”的过量电子来在设备中创建势阱，作为约束离子的手段，4)注入处于10keV至超过1MeV之间的高能量的电子，以创建可以将离子加速至聚变相关能量的负势阱，及5)离子添加，以提供聚变燃料。Polywell反应器相对于传统IEC系统的主要进步是通过使用尖端磁场而减少高能量电子束的损失。

与Polywell反应器相关的挑战之一是起动方法。为Polywell尖端构造内部的离子加速产生强电场的最初努力由于起动阶段电子束的差约束而失败。如Krall等人所描述的[16]，当等离子体密度从5.0x10⁶cm^-3增加至1.1x10⁹cm^-3时，由电子束注入产生的负势阱在0.3ms内迅速衰减。为了克服起动期间电子束的差约束，Bussard后来通过引入被称为“Wiffle-Ball(WB)”效应的概念扩展了他的发明。WB效应被描述为通过增加尖端中的等离子体压力引起的磁场的膨胀。应当指出的是，虽然WB的现象不同于Grad和其他人的磁尖端中的高贝塔等离子体，但是WB效应的电子损失率被推测类似于等式1给出的损失率。为了实现WB效应，Bussard提出了强电子束注入、沿尖端磁场的等离子体再循环以及快速背景气体离子化的使用，以及高电压在线圈结构的表面上的使用[15]。但是，利用以上方法产生WB效应的尝试没有成功并且Polywell设备中电子束的差约束的问题一直没有得到解决。

附图说明

图1A是具有凸磁场曲率和低贝塔等离子体的现有技术磁尖端构造的示图；

图1B是现有技术磁尖端构造的示图，其呈现出分离无磁场高贝塔等离子体区域与磁场真空区域的尖锐边界区域；

图1C是现有技术磁尖端构造的示图，其示出了在尖端边界的带电粒子的镜面反射；

图1D是在现有技术的六面体线圈尖端构造中电子轨迹的示图；

图2是现有技术小型紧凑聚变反应器的示图，其具有基于6线圈磁尖端构造的80cm半径的尖端约束系统尺寸；

图3是结合磁尖端构造和IEC系统的现有技术Polywell反应器的示图；

图4示出了根据本发明实施例的具有尖端磁场、等离子体注入器和电子束注入器的装置；

图5A示出了用于图2或4的六线圈尖端磁构造的数值计算的电子轨迹；

图5B是将图2的等离子体室中剩余的电子的数量示为时间的函数的曲线图；

图6示出了根据本发明实施例、被构造和操作为验证起动方案的实验测试系统；

图7A示出了用在本发明实施例中的同轴等离子体注入器；

图7B示出了根据本发明实施例的多个等离子体注入器的使用；

图8A和8B示出了用于引发等离子体室内等离子体形成的一个或多个高功率激光器的使用；

图9A-9H示出了箍缩等离子体引发器的各种构造以及用来在等离子体室内引发等离子体形成的操作模式；

图10A和10B示出了由图6的装置的操作获得的实验结果；

图11A-11D示出了可在本发明实施例中使用的各种磁尖端构造；

图12示出了使用中性射束注入器的本发明的另一实施例；及

图13A-13C示出了等离子体引发器的脉冲定时。

具体实施方式

根据本发明的实施例，描述了通过在中央约束区域中快速创建高贝塔等离子体而在尖端磁场构造中确立良好电子束约束的方法和装置。在中央约束区域中形成高贝塔等离子体，并且结果得到增强的电子约束之后，电子束注入被用来在中央约束区域之内形成负势阱。

虽然推测高贝塔等离子体将改善尖端系统中的等离子体约束，但是如何维持高贝塔等离子体以及如何加热高贝塔等离子体的离子至聚变相关能量的问题没有解决。根据本发明的实施例，已经发现由等离子体引发器形成的高贝塔等离子体增强了来自注入到尖端系统的电子束的电子的约束时间，并且这种注入的电子束可以提供一种手段来维持高贝塔等离子体，并且一旦在尖端系统中在起动期间利用等离子体引发器产生高贝塔等离子体，就加速离子至聚变相关能量。在电子束约束被增强之后，注入的电子束可以通过将其能量转移至高贝塔等离子体来提供高效的加热，以通过补偿等离子体的自然冷却来维持高贝塔等离子体。此外，注入的电子可以形成负势阱，以加速高贝塔等离子体的离子至聚变相关能量。根据本发明的实施例，与维持高贝塔等离子体和使用等离子体引发器产生足够深的负势阱所需的电子书功率相比，在起动期间不使用等离子体引发器的情况下，维持高贝塔等离子体和在尖端系统中产生足够深的负势阱(例如，大于10kV)的电子束功率需求高得多。关于诸如中子产生、医用同位素产生、核废料嬗变及核聚变电厂的以下潜在应用，降低的电子束功率需求在实现用于聚变反应的期望条件时具有显著的实际重要性。

对初始等离子体注入器的需求

就像常规的内燃机，本发明的实施例使用专门的起动步骤，以实现高贝塔等离子体状态，从而导致针对注入的电子的增强约束。在用于中子产生、医用同位素产生、核废料嬗变和核聚变电厂的有用聚变反应器的实施例中，增强的电子束约束导致形成用于聚变反应的负势阱的大大降低的电子束功率。

图4中的装置包括真空外壳(反应室)101、在尖端磁性约束区域内产生尖端磁场的线圈102、用于高β等离子体起动的一个或多个等离子体注入器103、一个或多个电子束注入器104以及补充离子的聚变燃料注入系统105。设备中的真空条件由一个或多个泵送端口106、气体阀门系统107和真空泵系统108维持。每个线圈系统102由包括功率输送和冷却系统110的机械支撑结构109支撑。虽然没有明确绘出，但图4中的装置可以包括附加的系统，以利用在反应器内部发生的核聚变反应用于中子产生、医用同位素产生、核废料嬗变和核聚变电厂。应当指出的是，如图4中所示的实施例不使用在真空外壳101中的电极。

本发明的实施例利用多个线圈102产生磁场。线圈中的电流可以经由可以是电力输送和冷却系统110的一部分的馈通系统由或者诸如铜的金属导体或者诸如Nb₃Sn、NbTi和MgB₂的超导体携带。为了实现如等式1中所述的良好电子束约束，至少一个等离子体注入器(或者更一般地，如下面所讨论的“引发器”)103被用来引发反应器操作。只要注入参数满足特定标准，各种类型的等离子体注入器都可被使用，这将在下面详细描述。

磁尖端构造中等离子体起动的挑战来自当等离子体密度低时在初始阶段期间非常快的等离子体损失。图5A示出了在如图2中所示的6线圈尖端构造中25个单个电子轨迹的集合，该集合是由四阶Runge-Kutta粒子运动求解器计算的。每个线圈由10.8MA匝的电流通电并在尖端点产生5.0特斯拉的磁场。线圈的尺寸是50cm的主半径和9.25cm的次半径。在这个尖端系统中，为了计算的目的，假设电子在15.8cm半径内的中央核心区域中被随机引发，具有50keV的动能和随机速度方向。为了计算的目的，选择15.8cm的中央核心尺寸。以上参数是为4阶计算选择的初始条件。每个电子运动被视为“测试粒子”并且只有与磁场相互作用的电子被考虑。为了4阶计算的目的，电子的集体动力学，诸如通过电子电荷和电流的自相容电场和磁场产生以及它们之间的碰撞，被忽略。这种计算近似当尖端中的等离子体密度低时在初始阶段期间无碰撞电子动力学的行为，并且甚至对于10¹⁵cm^-3数量级的高电子密度也仍然是好的近似。这是因为，平均来说，在50keV的电子能量在1x10¹⁵cm^-3的密集等离子体内每0.4ms仅经历与其它电子和离子的一次碰撞，并且因此可以被认为是“无碰撞”。如图5A中所示，由于线圈附近更强的磁场，电子最初被弹回到中央区域，这可以被描述为“镜约束(mirror confinement)”。但是，随着时间的推移，当其向外运动与磁尖端轴对齐时，电子沿着磁尖端轴离开系统。在计算当中，如果它到达真空室的壁，则电子被认为丢失并且不再受约束。

为了估计平均电子损失率，相同的4阶Runge-Kutta粒子运动求解器对初始电子数275执行，以提供与25个测试粒子相比更好的统计信息。图5B中的曲线图示出对于275个电子在t＝0时作为时间的函数的在半径为80cm的尖端约束系统中的总电子数。结果显示在电子离开系统之前对于(从受约束电子的电子折叠时间开始) 估计约束时间在尖端区域中受约束电子的快速下降，从而指示在磁尖端系统中高能量电子的快速和无碰撞损失。

图5B的结果通过针对电子能量、磁场值和尖端约束系统半径的各种初始条件执行大量粒子运动求解器来扩展。等式2从对于电子能量、磁场值和系统尺寸的这些数值结果的拟合对6线圈尖端构造利用近似的电子和离子约束时间总结这一工作。

等式2：在低β磁尖端设备中的电子和离子约束时间(τ_e和τ_i)

τ_e(R_system,E_e,B_max)≈0.5×(2R_system/υ_e)×M*

τ_i(R_system,E_i,B_max)≈(m_i/m_e)^1/8×τ_e or 2.6×τ_e for E_i＝E_e and m_i/m_e＝1836

其中υ_e是能量为E_e的电子速度，B_max是在尖端点的峰磁场强度，并且R_system是尖端约束系统半径，E_i是离子能量，m_i/m_e是质子与电子之间的质量比，M*是由B_max/B*_min定义的有效镜比率，B*_min是磁场强度，其中当磁场梯度规模长度与由下式确定的回旋半径可比时电子开始附着到磁场线

$\frac{1}{B}\×\frac{dB}{dr}(r=r_{adibatic})=\frac{1}{A\×r^{gyro}(E_e,B{*}_{\min }(r=r_{adibatic}\left)\right)}$

其中r_adiabatic是电子附着到磁场线的径向位置并且r^gyro是用于电子e或离子i的粒子回旋半径，如由r_e,i ^gyro＝m_e,i,*υ_e,i/(eB)给出的，并且A是对于给定的磁场轮廓在3-6之间的数值常数。

等式2示出了与等离子体起动以在磁尖端系统中产生高贝塔等离子体并利用电子束注入实现如等式1中所述的推测的良好电子约束相关的挑战。这些挑战可以通过检查所需的输入电子束功率接近用于聚变反应器的高贝塔等离子体密度得到理解。对于在5T尖端磁场中的50keV电子，达到β＝1条件所需的电子密度是1.2x10¹⁵cm^-3，为了简化忽略离子压力。假设在图2中的尖端系统中的电子束密度已达到1×10¹³cm^-3，或者达到β＝1条件所需的密度的1％，根据等式2，利用仅1μs的电子约束时间，维持1×10¹³cm^-3这个密度所需的输入电子束功率将是大约200GW。

以上计算证明为什么还没有利用电子束注入验证如等式1中所述的电子约束的实验工作。应当指出的是，由Krall等人在1995年的实验结果与等式2中的简单估计一致[16]，其中观察到的电子密度对于在6线圈尖端构造中处于8kV射束能量的80kV的电子注入功率仅达到1x10⁹cm^-3。

在上面的计算中，为了计算的目的，利用以下对等离子体压力和磁压力的值的选择，使用β＝1的标准已被选择。等离子体压力的值是在尖端内部受约束的等离子体体积中的平均等离子体压力。磁压力的值是(B_cusp ²/2μ_o)，其中B_cusp是在真空中尖端点的磁场强度。应当指出的是，β＝1条件不是绝对的需求，而更多的是准则。任何与1可比的实质性β值都会足以产生对产生良好电子约束必需的等离子体条件。例如，β可以在0.1至10.0的范围内选择，或者可以在0.2-5.0、0.3-3.0、0.5-2.0、0.7-1.5、0.8-1.2、0.9-1.1的更优选范围内选择，或者最优选地，β可以被设置为近似等于或等于1。应当指出的是，n_pk_BT的受约束的等离子体压力通过约束体积，与等离子体中储存的能量，W_stored，相关，如等式3中：

等式3：在具有半径R_system和尖端磁场B_cusp的尖端约束系统中等离子体的所存储能量

$W_{stored}=\frac{4\mathrm{\π}}{3}{R}_{system}^3{n}_p{k}_{B}T=\frac{4\mathrm{\π}}{3}{R}_{system}^3\frac{B_{cusp}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\β}$

等式3可被用来对尖端磁场B_cusp、尖端约束半径R_system和所需β值的各种起始条件提供等离子体引发器的输入能量的估计，以产生良好的电子约束。在大多数等离子体系统中，离子密度和电子密度相等并且等离子体密度，n_p，被用于或者离子密度或者电子密度。可以以基于等离子体室的物理维度和B场产生装备的尖端约束系统半径R_system和B_cusp值开始。尖端磁场强度(即，由线圈系统产生的磁场)在尖端点中可以在0.5-20特斯拉的范围内，并且更优选地在1-15、3-12、4-10或5-8特斯拉的任一范围内。此外，β可以在0.1-10.0的范围内选择，或者可以在0.2-5.0、0.3-3.0、0.5-2.0、0.7-1.5，0.8-1.2、0.9-1.1的更优选范围内选择，或者最优选地，β可被设置为近似等于或等于1。于是，等式3给出了等离子体引发器(例如，注入器)所需的最小能量。应当指出的是，等离子体注入器的效率小于100％，并且因此，等离子体引发器的所需输入能量有可能大于在等式3中给出的最小能量。在实践中，可以选择能量范围为由等式3给出的所存储能量的值的0.5-50倍的等离子体引发器(例如，注入器)，或者更优选地是0.5-30、0.5-10、1-30、1-20、1-10、5-30、5-20和5-10的范围。

对于本发明的实施例，各种等离子体注入器作为起动设备被使用。与高能量电子束注入相比，低温等离子体注入的好处在等式2中是明显的。首先，注入的粒子的约束时间随着粒子能量的减小而增大。例如，与50eV注入能量用于图2中设备的1μs相比，电子能量约束时间对于50eV注入能量大约是0.5ms。照此，可以选择在5-1000eV范围内的等离子体引发器(例如，注入器)的等离子体电子的温度，或者更优选地10-500eV、10-100eV、20eV-250eV、50eV-300eV、50eV-500eV和100eV-1000eV的范围。应当指出的是，当注入器中温度低并且密度相对高时，电子和离子温度由于频繁碰撞而趋于相对快速地均衡。对于1T尖端B场，β＝1条件对100eV等离子体注入产生n_p＝2.5x10¹⁶cm^-3，其中均衡电子和离子温度的时间只有1.3μs。第二，本发明的实施例利用快速和高功率等离子体注入。注入(或者更一般地，初始高密度等离子体形成)的时间规模是等式2的电子约束时间τ_e的数量级或者与其可比。短脉冲持续时间限制等离子体的损失并提高产生高贝塔等离子体的效率。此外，等离子体注入器应当以足够高的输入能量(根据等式3)操作，以产生可以达到期望β状态的初始等离子体。

作为用于本发明实施例的等离子体引发器的脉冲持续时间的例子，最大有用脉冲持续时间可以是等式2中电子约束时间的倍数。例如，最大脉冲持续时间可以在等式2的电子约束时间的0.1和20倍之间，并且更优选地是等式2的电子约束时间的0.3-3、0.5-5、1-3、3-10、5-20倍。最佳脉冲持续时间将服从各种类型等离子体引发器和具体尖端构造。虽然有可能使用具有比等式2的电子约束时间长10倍以上的脉冲的等离子体引发器，但是等离子体引发器(例如，注入器)的效率会相应降低。此外，具有比等式2的电子约束时间的0.1倍更短的脉冲持续时间的等离子体引发器可用于本发明的实施例。例如，由丝(wire)箍缩阵列(例如，具有50个个体箍缩)组成的等离子体引发器可以以大约等于等式2的约束时间的整体脉冲持续时间操作，而单独的丝箍缩可以具有短得多的脉冲持续时间。此外，另一等离子体注入器可以是利用短脉冲、高功率激光产生的等离子体。与等式2的电子约束时间相比，高功率激光的脉冲持续时间可以非常小。

图6示出了根据本发明实施例、被构造和操作为验证起动方案的实验测试系统。该系统由在尖端位置具有从0.7kG至2.7kG变化的磁场的6线圈尖端系统组成。线圈的尺寸是6.9cm的主半径和1.3cm的次半径，在两个相对的线圈之间具有21.6cm的线性间距，从而导致11cm的尖端约束系统半径。对于2.7kG的尖端磁场，β＝1等离子体条件要求系统中在11cm半径等离子体中存储的能量为 对于10eV的注入能量，等式2导致7μs的估计的电子约束时间。等离子体注入器需要在7μs的脉冲持续时间期间将160J的能量输送到尖端中的等离子体，对应于在23MW范围内的输入功率。

对根据本发明实施例的等离子体注入器存在最小电子温度。这是因为，有助于尖锐磁场边界的底层物理过程是电子抗磁性[2，7，8，9]。为了利用电子抗磁性，电子不应当经历这么多会阻止电子在给定磁场内完成至少一个回旋运动的碰撞。等式4示出了这种条件。

等式4：电子磁化条件

${\mathrm{\ω}}_{ce}=eB/m_{e}c\≥A\×{\mathrm{\ν}}_e=A\×2.9\×{10}^{-6}{n}_e{\mathrm{\λT}}_e^{-3/2}$

其中ω_ce是电子回旋频率，e是电子电荷，B是磁场强度，m_e是电子质量，c是光速，A是取决于磁场构造和等离子体参数的在0.25-5.0之间的数值常数，ν_e是电子碰撞率，n_e是尖端约束系统中来自等离子体注入的电子密度，λ是库仑对数(通常为)，并且T_e是电子温度。

等式4确定根据本发明实施例可以使用的最小电子注入温度。应当指出的是，对于图6中所示的具有2.7kGauss磁场的系统，与用于具有10eV电子温度和1.8x10¹⁶cm^-3电子密度的β＝1等离子体条件的1.6x10¹⁰/s的电子碰撞率ν_e相比，电子回旋频率ω_ce是4.8x10¹⁰rad/s，因而满足了等式4中给出的标准。等式4还可被用来确定本发明实施例所需的最小B场。如果B场不足，则等离子体将高度碰撞并且不会产生形成电子束约束所需的尖锐磁场边界所需的抗磁效应。

最后，与非中性单一物种注入相比还存在中性等离子体注入的问题。Bussard提议电子束注入在尖端磁场中产生深势阱。通常，实现通过利用电子束或离子束的纯粹单一物种等离子体注入满足高贝塔状态条件(即，诸如β＝1)所需的高等离子体密度是困难的。照此，本发明的实施例采用利用同时具有大致相等和大量电子和离子来在尖端场构造中创建高贝塔等离子体的中性等离子体注入器的注入方案。

可以满足根据本发明实施例给出的标准的等离子体注入器的代表性和非限制性例子包括在各种布置中：1)同轴或线性等离子体注入器，2)基于场反转构造(FRC)和球马克(spheromak)的等离子体注入器，3)利用使用气体、液滴或固体目标激光产生的等离子体的就地等离子体形成，和4)利用高电流箍缩的就地等离子体形成。箍缩系统的例子是：1)单丝箍缩，2)丝阵列箍缩，3)利用液滴或微粒的箍缩，4)利用气体喷射(gas jet)的箍缩，和5)各种箍缩的组合。此外，如果多个箍缩被用来形成等离子体注入器，则整个箍缩系统可以在等于等式2中给出的电子约束时间的整体脉冲持续时间内对每个箍缩元件在单个脉冲或脉冲序列中操作。等离子体引发器可以对各种材料的气体或固体目标操作。一般而言，优选的是对只使用提议的聚变燃料的等离子体形成材料操作等离子体引发器。例如，在D-T聚变燃料的情况下，优选的等离子体形成材料将是氘和或氚气、低温液体或低温固体。但是，使用其它材料是可以接受的，诸如作为混合物或化合物的烃类和金属。

如图7A中所示的同轴等离子体注入器是目前可用的最常见的高功率紧凑等离子体注入器之一，由目标材料701、中央阴极702和外部阳极703组成。阴极和阳极之间强烈的电流将目标材料转变成等离子体。基于Marshall在洛斯阿拉莫斯国家实验室的原始发明[5]，用于同轴或线性几何形状的等离子体注入器的关键操作原理是来自等离子体电流的jx B力，以便快速向外排出高密度等离子体(在图7A中的右边)。等离子体注入器可以对各种材料的气体或固体目标操作。根据本发明的实施例，具有固体目标的同轴等离子体注入器，如图7A中所示，被构造为验证实现如等式1中所述的良好电子约束的起动标准。其它等离子体注入器可以作为替代地被用作例如场反转构造(FRC)和球马克。这些注入器是高功率等离子体注入器，能够产生高压等离子体，具有超过1×10¹⁴cm^-3的足够高的等离子体密度和50eV或更高的等离子体温度。FRC和球马克的这些操作参数是有吸引力的，因为它们可被用来引发小到中等尺寸的磁尖端构造。应当指出的是，对于等离子体注入器(例如，枪)、FRC或球马克，一个注入器103可以足以满足高贝塔等离子体起动需求或者一个或多个附加的等离子体注入器111可以如图7B中所示在尖端轴或离轴位置使用。

激光等离子体注入器也是可在如图8A和8B中所示的本发明实施例中使用的合适等离子体系统。在图8A和8B中，激光目标输送系统801将固体、液体或压缩气体802的小目标引入室中。然后，利用如图8A中所示的高功率激光器803或者如图8B中所示的多个高功率激光器803和804，目标被离子化并加热至足够高的等离子体温度。对于多个激光器，激光器可以具有相同或不同的波长。在1980年，Pechacek和他的同事在海军研究实验室已成功地利用YAG激光器和CO₂激光器的组合在轴对称的纺锤尖端中产生了β＝1等离子体，以便在1.5kGauss尖端场中离子化固体氘颗粒[9]。激光器产生具有15eV电子温度和1-1.5x10¹⁵cm^-3范围内电子密度的等离子体。随着与激光驱动的惯性约束聚变研究的技术进步，诸如在Lawrence Livermore国家实验室的国家点火装置，有许多不同类型的激光器本可被用来产生本发明实施例所需的具有高密度和足够温度的初始等离子体。

高电流箍缩是可在当前发明中使用的等离子体引发器的另一个例子。箍缩通过使大电流流经材料来产生高压等离子体。图9A至9H示出可以用作等离子体引发器的箍缩的各种构造，其中相同的标号表示相同的部分。电能存储在电容器或电池901中。当一个或多个开关902被激活(闭合)并且电流通过与电极904接触的等离子体形成材料903时，箍缩被形成。通过调整电流的脉冲持续时间，足够高压的等离子体可以产生，其满足根据本发明实施例的所有等离子体引发器标准。由于等离子体稳定性由尖端磁场支配，因此箍缩的稳定性无关紧要。照此，一个或多个箍缩可被用来创建初始高压等离子体，这是因为如果使用多个箍缩或箍缩的离轴放置，等离子体引发性能不应当降级。

图9A示出了利用等离子体形成材料903的实心柱或丝的单个线性箍缩构造。在图9B中，等离子体形成材料905可以被成型为改善箍缩操作。箍缩等离子体发生器在具有与电极相邻的较大面积和在反应室的中心的较小面积的定制构造中具有反应室、等离子体电极904和等离子体形成材料905。通过成型目标材料，等离子体可以在磁尖端场内部的中央区域开始，在那里电流密度最高且目标材料厚度最小。一旦起动，中心等离子体就将扩大并沿实心柱进一步加速等离子体形成。在图9C中，等离子体形成材料906的多于一个柱(例如，丝)作为等离子体引发器被用于箍缩操作，以便产生高贝塔等离子体。每一个柱可以是直的或有形状的，如例如在图9B中所示，以优化等离子体引发器操作。在图9D中，使用两组或更多组电极904来利用尖端系统内的等离子体形成材料903和907形成多个箍缩。每个箍缩可以具有其自己的能量储存器901和其自身的电气开关902。它们可以同时或顺序操作。如果它们按顺序操作，则等离子体引发器的脉冲持续时间在第1个箍缩的开始和最后一个箍缩的结束之间进行测量。在图9E中，等离子体形成材料的多个柱被用于两组或更多组电极，以形成具有多种等离子体形成材料906和908的多个箍缩，作为等离子体引发器。在图9F中，箍缩是利用来自气体注入器909的准直气体喷射910产生的。在图9G中，箍缩是利用来自适当的液体或微粒注入器911的液滴或微尺度颗粒912产生的。不同箍缩系统的各种组合可被用作等离子体引发器，如图9H中所示。

根据其它实施例，可以组合不同类型的等离子体引发器来在等离子体约束区域内实现期望的高贝塔条件。根据一些实施例，所描述的箍缩引发器中任意一个可以与注入器枪(例如，同轴等离子体注入器)、FRC和激光器当中一个或多个组合。此外，枪、FRC和激光器当中一个或多个可被用来向尖端约束区域提供初始能量并且然后所述箍缩引发器中任意一个可被用来将在约束区域中产生的能量增大到期望的所需高贝塔值。

如上描述的所有等离子体注入器都能够在等式2中给出的脉冲持续时间期间产生高压等离子体，以满足例如β＝1条件。应当指出的是，该列表不意味着是完整的列表，因为任何等离子体注入器都可被使用，只要其满足以上标准就行。还应当指出的是，虽然术语“注入器”在本文中被用来描述用于形成等离子体的各种类型的等离子体设备，但是这些设备当中一些在字面上不从外部等离子体室(图4的真空室101)将等离子体“注入”到腔室的内部，而是“就地”形成等离子体。图8A和8B的激光器设备是其中高功率激光指向位于真空室中的目标并且目标被激光离子化以便在室内，即，就地，形成等离子体的例子。图9A至图9H的当前箍缩等离子体设备是就地等离子体形成的进一步的例子，其中等离子体在真空室内部形成而不是在室外部形成并被运输(注入)到真空室的内部。术语注入器在本文中被用来既描述内部产生又描述外部产生的等离子体。但是，为了在所附权利要求书中使该术语更清楚，术语“等离子体引发器”(或者，当作为方法权利要求的一部分使用时，“引发”)被用来指示或者通过在室内就地形成或者通过外部形成的等离子体运输(注入)到室的中心区域内而在真空室内形成等离子体的设备或方法步骤。

在等离子体起动之后的电子束注入

根据本发明实施例的下一步骤是使用电子束注入器[104]或多个电子注入器在尖端中的高压等离子体改进高能量电子约束之后产生用于离子加速和约束的深负势阱。电子束可以脉动或者以DC偏移量(例如，50MW)脉动，使得它在该偏移量周围进行调制。电子束也可以连续地操作(例如，维持在50MW)。在任一种情况下，电子束都被用来形成在磁尖端等离子体区域中加速和约束离子的势阱。该约束既适用于从引发器形成的等离子体也适用于随后由聚变燃料注入器引入的等离子体。

电子束注入可以在之前中性的等离子体设备中产生过量的电子。于是，系统中过量的电子形成静电势阱并且经由库仑引力提供离子加速。系统中的离子在它们朝中心会聚时将从势阱中的电场获得动能，同时在它们朝线圈和尖端边界向外移动时放弃所获取的动能。如果势阱足够深，在10keV或更高的数量级，则离子将具有足够的能量以显著的速率在中心附近产生聚变反应。更一般而言，电子注入可以利用在范围10-1000keV、10-200keV、25-150keV、50-300keV、75-500keV和100-1000keV之一中的电子束能量产生势阱。相同的势阱将不同地影响在起动期间来自等离子体引发器的初始电子。因为它们朝中心会聚，所以这些电子将失去它们到势阱中电场的动能。另一方面，电子将在它们朝线圈和尖端边界向外移动时获得能量，这增加了其基于等式1离开磁尖端系统的概率。事实上，电子束注入的目标是从等离子体注入器除去初始电子并且随着时间的推移用高能量射束电子取代它们。这是因为，由于被称为“Debye”屏蔽的等离子体屏蔽效应，可以在密集高压等离子体中产生的最大势阱与系统中电子的平均能量是可比的。为了为聚变反应器产生超过10keV的深势阱，用操作在10keV或更高的高能量电子束取代来自初始等离子体注入的通常具有在5-1000eV范围内能量的初始电子是必不可少的。

可以提供对图4中所示的系统实现深势阱所需电子束功率的估计。对于在5T尖端磁场中的50keV电子，达到β＝1条件所需的电子密度是1.2x10¹⁵cm^-3。应当指出的是，离子压力被自动减少至非常小的值，因为离子在它们朝线圈和尖端边界移动的时候会失去其动能。在等式1中给出的用于50keV电子的约束时间为0.13秒。简单的零维粒子平衡产生3300安培的电子注入电流，以便在80cm半径的整个等离子体球上(尖端约束系统半径)维持的1.2x10¹⁵cm^-3的电子密度。这对应于165MW的电子束功率，大但可管理的输入功率。应当指出的是，在深势阱存在的情况下，由于势阱内的射束电子的速度较慢，等式1中的电子约束时间可以增加，因此降低了电子束功率需求。势阱还起着降低离子损失的作用。根据等式1，当尖锐的磁场边界在尖端构造中确立时，由于它们的大回旋半径，离子的损失将固有地比电子的损失更高，这是Pechacek在1980通过实验验证的[9]。根据本发明的实施例，离子的损失由于势阱而不发生。当它们从势阱移开并朝着尖端开口移动时，离子会失去其动能。其结果是，它们将有较小的回旋半径，这基于等式1降低了离子损失率。单独地，使用一个或多个电子束形成势阱而不是使用物理电极消除了对线圈壳上高电压偏压的需求并简化了线圈的结构构造。

在磁尖端构造中来自高β等离子体的增强电子束约束的验证

本发明的实施例使用高功率等离子体注入器来在尖端中形成高β等离子体，以改善等离子体约束，并且使用电子束在等离子体中产生深势阱，使得等离子体中的离子可以从电子束获得能量并产生聚变反应。

图6示出了根据本发明实施例的原理的实验系统。图6的实验装置(set up)被开发为作为第一步实验证明增强的电子约束。这种增强的约束得自高贝塔等离子体和周围磁场之间尖锐边界的创建并且是本质上由等式1描述的高β条件。

图6的系统对6线圈尖端构造操作，从而在尖端点产生2.7kG的磁场。等离子体注入器包括两个同轴等离子体注入器，每个等离子体注入器使用4μm厚的固体聚丙烯薄膜。这些固体聚丙烯薄膜形成图7的目标材料701。每个等离子体注入器由高压电容器供电，并以60-160kA的枪电流和至多500MW的输入功率操作5-10μs。基于激光干涉仪数据，注入器能够产生1-2x10¹⁶cm^-3等离子体，具有从C II和C III线发射估计的10eV的电子温度。此外，两个磁通环被安装在线圈位置附近，以测量尖端系统中高β等离子体的抗磁特性。电子束注入器是基于LaB₆热离子发射器并在7kV的射束能量产生1-3A的电子电流。电子束注入器被构造为监视尖端系统中的高能量电子约束特性并验证等式1中所示的约束增强。但是，这种电子注入器没有足够强大到在尖端中提供高贝塔值状态的维持或者为离子加速产生负势阱。

高能量电子束的浓度是利用两个x射线二极管测量的，其中一个在线圈的面中查看通过尖端开口的中心等离子体并且另一个在线圈的角落查看通过尖端开口的中心等离子体。来自射束的高能量电子可以在它紧靠注入的等离子体中的离子时经由轫致辐射产生x射线。由于射束注入能量在7kV足够高，因此来自轫致辐射的x射线发射可以在2kV和7kV光子之间的硬x射线光谱中发射。虽然电子束诱发的轫致辐射可以在低于2kV的较低光子能量进行测量，但是为图6的实验装置选择2-7kV之间的光子能量范围，因为在这个光谱中除电子束诱发的轫致辐射之外没有其它源。两个检测器都装有准直器和高能量x射线过滤器，以便仅测量来自高于2kV光子能量的等离子体的硬x射线发射。此外，来自x射线二极管的视线内的所有金属表面都覆盖有塑料材料，以抑制高于2kV的x射线发射。照此，x射线二极管信号基于众所周知的轫致辐射发射公式与射束电子浓度和来自等离子体注入器的等离子体离子浓度成比例，如等式5中所示。

等式5：轫致辐射发射率公式

$P_{br}=1.69\×{10}^{-32}\×n_e^{beam}{\left(E_e^{beam}\right)}^{1/2}\underset{Z}{\mathrm{\Σ}}{Z}^2{n}_i\left(Z\right)\≈1.69\×{10}^{-32}\×n_e^{beam}{n}_e^{plasma}{\left(E_e^{beam}\right)}^{1/2}$

其中P_br是韧致辐射发射功率，n_e ^beam是电子束密度，E_e ^beam是电子束能量，Z是离子的电荷状态并且n_i(Z)是在电荷状态Z的离子密度，并且求和对Z＝1，2，3，...至最大离子电荷状态发生。对于本证明实验，我们可以通过限制最大离子电荷状态为1并且用n_e ^plasma取代来简化等式5，其中n_e ^plasma是在尖端中产生高贝塔状态的等离子体电子密度。这种简化是可能的，因为等离子体温度在从可见光谱估计的大约10eV相对较低并且大部分离子仅单独地被离子化。对于图6中的实验装置，等离子体电子密度由激光干涉直接测量并在图10A中示出，标记为n_e ^plasma。

基于等式5，一旦体电子密度被测量，x射线信号就给出对于射束电子密度的测量。

图10A和B示出了通过图6的装置的操作获得的实验结果。在等离子体注入之前，线圈在t＝0之前通电40ms并且线圈电流在图10A所示的时段期间保持在恒定值。此外，电子束在t＝0之前被打开30μs并且在7.2kV以3A的注入电流操作并维持，直到t＝150μs。在等离子体注入之前，在t＝-5μs和t＝0之间的x射线二极管信号提供对背景噪声数据的估计，因为在这个时段内没有等离子体离子产生射束诱发的轫致辐射x射线发射。x射线二极管中几乎为零的信号证明x射线检测器的良好空间准直以及对于利用塑料材料的x射线检测器在视线内任何金属表面的足够覆盖，以抑制杂散x射线发射。在t＝0，两个同轴等离子体注入器以在高电压电容器中存储的2.6kJ和5.6kJ之间的能量开始，从而对于7μs导致在370MW和800MW之间的平均总输入功率。应当指出的是，由于同轴等离子体枪注入器中电路的低效和固有的等离子体损失，输入功率比之前估计的23MW高得多。没有进行显著的尝试来提高注入效率，因为这种实验装置被设计为提供在尖端系统中高贝塔等离子体注入之后增强的电子束约束的科学验证。

各个实验运行被识别为“发射”。在发射15610的情况下，如图10A中所示，当来自注入器的等离子体被成功运输到磁尖端系统时，标记为n_e ^plasma的等离子体密度增大到1.6x10¹⁶cm^-3。与此同时，标记为ΔB的通量环路数据显示与高β等离子体注入关联的电子抗磁效应的明显标志。即使对于到尖端系统中的等离子体注入，即使在等离子体密度在t＝9μs达到其峰值1.6x10¹⁶cm^-3之后，x射线信号在t＝8-13μs之间也低。但是，在t＝12μs磁通环路数据峰化后不久，x射线二极管记录硬x射线发射中的强增加，而体等离子体密度变化不大。这表示在高β等离子体注入尖端系统之后增强的电子束约束的开始。应当指出的是，图10A和10B中的x射线结果是来自通过线圈的面中的尖端开口查看中心等离子体的x射线二极管。为了简化，来自通过线圈的角中的尖端开口查看中心等离子体的x射线二极管的x射线结果的被省略了，因为其结果类似于用于线圈的面的x射线二极管。x射线发射的增加累积4-5μs并且在t＝19-21μs之间达到稳定(plateau)。在t＝21μs，x射线发射信号在1-1.5μs内迅速朝零下降，而等离子体密度和磁通环路数据在那个时段内仅显示出逐渐减少。这种条件标志着增强的电子束约束阶段的结束。增强的电子束约束阶段由图10A的横截面面积表示。

x射线发射信号的这种暂时行为可以如下解释并清楚地证明高β等离子体与尖端磁场中改进的约束的因果关系，如Grad推测的。最初，射束电子在磁尖端系统中约束不佳，导致非常低的x射线发射。在等离子体注入之后，尖端系统经受过渡而表现出由于高β等离子体和对应电子抗磁性的存在所导致的增强的电子约束。硬x射线发射的增加对应于射束电子浓度的增加，显示在存在高β等离子体的情况下现在射束电子在磁尖端中被更好地约束。但是，在实验测试装置中，尖端中的等离子体压力由于等离子体的冷却而随着时间的推移减小。应当指出的是，测试装置在最初的等离子体注入之后不具有后续的等离子体加热系统来补偿等离子体冷却，并且射束电子注入功率过低，以至于不能维持尖端中的高β等离子体。从t＝14μs开始，等离子体β的减少清楚地由磁通环路数据，ΔB，的逐渐衰减示出。其结果是，在高β状态的增强的电子束约束阶段只是暂时的并且它将在等离子体β变得相当低时恢复为差电子束约束阶段。当这种过渡发生时(增强的电子束约束阶段的结束)，所有先前受约束的高能量电子将迅速离开磁尖端，这导致在t＝21μs x射线发射的迅速下降。x射线发射信号的这种暂时行为(上升和迅速衰减)只有在存在足够被等离子体注入器注入的能量时才被观察到，如图10B中所示。例如，图6中所示的实验系统在注入器使用电容器中所存储以产生初始等离子体的能量4kJ(发射15649)和5.6kJ(发射15640)(对应于570MW和800MW的平均输入功率)时表现出增强的电子束约束。当注入器只使用2.6kJ所存储的能量(发射15645)或380MW的输入功率时，对于等离子体注入在x射线发射中没有观察到增加。

这种结果是在高β等离子体存在的情况下验证尖端磁系统中增强的电子约束的有史以来第一个实验测量。

势阱的形成和聚变反应

在证明了高电子束约束阶段期间增强的电子约束之后，本实施例利用电子束注入器在等离子体系统的中央区域内产生深负势阱。此外，电子束注入器可以提供对最初形成的等离子体的加热，以维持尖端磁约束区域中的高贝塔状态。对于具有80cm半径的5T尖端磁场，对于100eV等离子体注入，达到β＝1条件所需的电子密度是6.2x10¹⁷cm^-3。在这个密度，从在50keV至100eV等离子体的注入电子束的能量传递的时间是0.62μs。相比而言，预期的电子束约束时间基于等式1是0.13s。照此，50keV电子束将在尖端磁约束区域中将它们的能量高效地转移到高贝塔等离子体。如果射束功率足够高，则由电子束的等离子体加热补偿在初始等离子体引发后的自然等离子体冷却。此外，如前面所讨论的，当电子注入功率增加到补偿尖端等离子体损失的程度时，基本上尖端磁约束区域(利用来自等离子体引发器的在例如5-1000eV范围内的相对低能量的电子形成)中的等离子体中的所有电子都被处于射束能量的高能量电子取代。在50keV电子注入到具有80cm半径的5T尖端系统的情况下，对应的射束功率基于等式1是165MW。虽然大，但这个水平的射束功率实际上是可用的。相比较而言，如果不使用等离子体引发器，维持高贝塔等离子体的电子束的功率远超过165MW。例如，对于具有80cm半径的相同5T尖端系统，利用50keV的平均电子能量，对于β＝0.01，电子密度是1.2x10¹³cm^-3。在这个密度，从注入的电子到尖端中等离子体的能量传递的时间是310μs。相比较而言，预期的电子约束时间基于等式2是2.1μs。照此，50keV电子束将有可能在将其能量转移到低贝塔等离子体之前逃逸出尖端系统。如先前估计的，维持尖端中β＝0.01等离子体所需的电子束功率为大约200GW。一旦高贝塔等离子体经由在高贝塔的高效射束加热利用其能量等于射束能量的电子维持，就有可能产生聚变反应必需的足够负势阱。参照图10A，电子束优选地至少在高电子束约束阶段的中到后期阶段接通。电子束还可以在高电子束约束阶段的开始或其开始之前接通。还应当指出的是，电子束能量可以在时间上变化，以控制负阱的值。

聚变燃料可以在例如电子束注入和势阱形成之前、之后或大约同时被引入。聚变燃料在其被引入等离子体室时是中性燃料并且可以作为液体、气体或固体供给。当它被等离子体室内的等离子体加热时，中性聚变燃料在等离子体区域的边界被离子化。通常，聚变燃料以毫克/秒数量级的相当低的速率以稳态方式被引入。

中子发生器

在本发明的某些实施例中，有可能形成中子发生器，而不需要形成深势阱。例如，在如上所述利用脉冲引发器(例如，注入器)形成高密度等离子体之后，可以将50keV数量级的高能量离子束注入高密度等离子体，以引起通过聚变反应的中子产生(例如，D-D、D＝T)。此相同的技术可用于医用同位素产生和核废料嬗变。

用于聚变反应器的附加部件

一旦深势阱通过高效电子束注入确立，离子就将经受聚变反应。以下是最经常被引用的聚变反应。

D+T→⁴He(3.5MeV)+n(14.1MeV)

D+D→T(1MeV)+p(3MeV)or ³He(0.8MeV)+n(2.45MeV)

D+³He→⁴He(3.6MeV)+p(14.7MeV)

P+¹¹B→3 ⁴He(8.7MeV)

在所有的情况下，聚变产物都具有非常高的能量。通过选择适当的聚变燃料并对那些聚变产物采用各种收集系统，取决于整体系统效率，可以将根据本发明实施例的核聚变反应器转变成中子发生器、医用同位素产生、核废料嬗变和聚变发电厂。由于聚变燃料由聚变反应消耗，因此反应器需要图4中所示的聚变燃料供给105。聚变燃料供给可以利用气体、液滴或颗粒注入。当它们进入受约束的等离子体的边界层时，这些聚变燃料将被离子化。高密度等离子体的使用确保所有那些聚变燃料将在边界附近被离子化。来自离子化的电子将被向外推，因为它们没有足够的能量来克服势阱。另一方面，离子将被向内推，因为它们从势阱获得动能并随后参与聚变反应。

应当指出的是，除了如图2、4和6中所述的6线圈系统，当前发明的实施例还适用于各种磁尖端构造。图11A-11D示出了也可被使用的磁尖端构造的例子。它们是：图11A是轴对称纺锤尖端系统，图11B是“尖桩篱栅”尖端系统，图11C是6线圈尖端系统，图11D是12线圈尖端系统，被称为“十二面体”构造。此外，诸如截半二十面体的其它多面体磁尖端构造也可被使用。

图12示出了当前发明的另一实施例。这个实施例使用与图4相同的部件，但附加地包括中性射束注入器1201来控制在势阱中受约束的离子能量。一般而言，IEC系统的其中一个副作用是在势阱的中央区域中低能量离子的增加的浓度。通过使用高能量中性射束注入，可以经由与注入的中性射束的电荷-交换碰撞来用高能量离子取代中央区域中的这些低能量离子。由于其缺乏电荷，中性射束可以穿透磁尖端结构以及静电势阱。假设中性射束注入能量低于势阱深度，一旦中性射束经受电荷-交换碰撞，它就获取电荷并在势阱中变得受约束。另一方面，慢离子现在通过从中性射束获得电子而变成中性粒子。一旦它们变得中性，它们就不再在势阱中受约束并且离开系统。

图13A和13B示出了等离子体引发器的各种脉冲定时。引发器(或更一般地，初始高密度等离子体形成)的时间规模是等式2的电子约束时间τ_e的数量级或者与其可比，如图13A中所示。引发器的脉冲持续时间也可以比等式2的电子约束时间τ_e短得多，如图13B中所示。在使用多个等离子体引发器的情况下，单个引发器可以具有短得多的脉冲持续时间，而引发器的整体时间规模是等式2的电子约束时间τ_e的数量级或者与其可比，如图13C中所示，其中P1、P2..Pn代表多引发器系统内的各个引发器的短脉冲持续时间。

如上所述产生的核聚变反应可以对除诸如中子发生器、医用同位素发生器或核废料嬗变设备的聚变功率产生之外的许多应用有用。

本发明还有各种实现。实现1针对用于产生核聚变反应的装置，包括反应器室；线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；电子注入器；聚变燃料注入器，补充核聚变反应消耗的离子；其中等离子体引发器在反应室内部产生高贝塔等离子体，用于反应室中进行电子约束；并且其中电子注入器在反应室内产生等离子体势阱，以便在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量。

实现2向实现1添加了等离子体引发器以由等式2确定的电子约束时间的0.1倍和10倍之间的脉冲持续时间操作的特征。

实现3向任一以上实现添加了等离子体引发器以等式2的电子约束时间的0.3-3、0.5-5、1-3、3-10、5-20倍之间或者近似等于或等于该电子约束时间的最大脉冲持续时间操作的特征。

实现4向任一以上实现添加了等离子体引发器以小于等式2的电子约束时间的0.1倍的脉冲持续时间操作的特征。

实现5向任一以上实现添加了由等离子体引发器产生的等离子体的温度在5-1000eV范围内，或者更优选地在选自10-500eV、10-100eV、20eV-250eV、50eV-300eV、50eV-500eV和100eV-1000eV之一的范围内的特征。

实现6向任一以上实现添加了等离子体引发器利用选自范围5-1000eV、10-500eV、10-100eV、20-250eV、50-300eV、50-500eV和100-1000eV之一的电子能量操作的特征。

实现7向任一以上实现添加了由线圈系统产生的尖端点处的最大磁场在0.5-20特斯拉范围内的特征。

实现8向任一以上实现添加了由线圈系统产生的尖端点处的最大磁场在1-15、3-12、4-10和5-8特斯拉中任意一个的范围内的特征。

实现9向任一以上实现添加了等离子体引发器以足够的能量操作以在尖端内产生具有0.1和10之间的等离子体β的高贝塔等离子体的特征。

实现10向任一以上实现添加了等离子体引发器以足够的能量操作以在尖端内产生具有0.2-5.0、0.3-3.0、0.5-2.0、0.7-1.5、0.8-1.2、0.9-1.1之间的等离子体β或者β近似等于或等于1的高贝塔等离子体的特征。

实现11向任一以上实现添加了等离子体引发器具有由等式3的能量的0.5-50倍给出的能量的特征。

实现12向任一以上实现添加了等离子体引发器具有由等式3的能量的0.5-30、0.5-10、1-30、1-20、1-10、5-30、5-20和5-10倍给出的能量的特征。

实现13向任一以上实现添加了磁场具有尖端点并且由线圈系统产生的尖端点处的磁场是在0.5-20特斯拉的范围内、并且等离子体引发器以足够的能量操作以在尖端内产生具有在0.1和10之间的等离子体β的高贝塔等离子体的特征。

实现14向任一以上实现添加了电子注入器产生10keV或更高的等离子体势阱的特征。

实现15向任一以上实现添加了电子注入器产生至少50keV的等离子体势阱的特征。

实现16向任一以上实现添加了电子注入器产生具有在10-1000keV、10-200keV、25-150keV、50-300keV、75-500keV和100-1000keV范围之一内的射束能量的电子束并且产生等离子体势阱的特征。

实现17向任一以上实现添加了等离子体引发器包括利用气体、液滴或固体材料中至少一种用于等离子体产生的同轴等离子体枪的特征。

实现18向实现1-16中任何一项添加了等离子体引发器包括场反转构造(FRC)等离子体发生器的特征。

实现19向实现1-16中任何一项添加了等离子体引发器包括球马克等离子体发生器的特征。

实现20向实现1-16中任何一项添加了等离子体引发器包括用于尖端磁场内气体、液滴或固体材料之一的激光烧蚀和离子化的设备的特征。

实现21向实现1-16中任何一项添加了等离子体引发器包括箍缩等离子体发生器的特征。

实现22向实现1-16和21中任何一项添加了等离子体引发器包括具有丝状构造形状的等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征。

实现23向实现1-16和21-22中任何一项添加了等离子体引发器包括在具有与电极相邻的较大面积和在反应室的中心的较小面积的定制构造中具有反应室、等离子体电极和等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征。

实现24向实现1-16和21-22中任何一项添加了等离子体引发器包括具有多种等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征，每种等离子体形成材料具有丝状(wire-like)构造。

实现25向实现1-16和21-22中任何一项添加了等离子体引发器包括具有第一多种等离子体形成材料和第二多种等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征，其中第一多种等离子体形成材料中每一种具有丝状构造，第二多种等离子体形成材料中每一种具有丝状构造，第一多种等离子体形成材料与第二多种等离子体形成材料垂直地被定向。

实现26向实现1-16和21-22中任何一项添加了等离子体引发器包括具有丝状构造的第一等离子体形成材料和具有丝状构造的第二等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征，其中第一等离子体形成材料与第二等离子体形成材料垂直地被定向。

实现27向实现1-16中任何一项添加了等离子体引发器包括具有包括气体喷射的等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征。

实现28向实现1-16中任何一项添加了等离子体引发器包括具有包括液滴或微尺度粒子之一的等离子体形成材料的箍缩等离子体发生器的特征。

实现29向任一以上实现添加了尖端磁场形成轴对称纺锤尖端场的特征。

实现30向实现1-28中任何一项添加了尖端磁场包括尖桩篱栅尖端构造的特征。

实现31向任一以上实现添加了尖端磁场由6线圈多面体构造产生的特征。

实现32向实现1-30中任何一项添加了尖端磁场由12线圈多面体构造产生的特征。

实现33向实现1-30中任何一项添加了尖端磁场由20线圈多面体构造产生的特征。

实现34向任一以上实现添加了等离子体引发器包括一个或多个脉冲等离子体引发器的特征。

实现35向任一以上实现添加了电子注入器包括多个电子注入器的特征。

实现36向任一以上实现添加了该装置包括中子发生器、医用同位素发生器或核废料嬗变设备之一的特征。

实现37向任一以上实现添加了中性射束注入器的附加特征，其中中性射束注入器从尖端磁场除去低能量离子。

实现38可被表征为一种产生核聚变的方法，包括：提供反应室；在反应室内产生尖端磁场；利用等离子体引发器，在反应室内产生贝塔压力等离子体，用于在反应室中约束高能量电子；将电子注入反应室，用于在反应室内产生等离子体势阱以在反应室中约束离子并将离子加速至聚变相关能量；及补充由核聚变反应消耗的离子。

实现39向实现38添加通过利用中性射束注入到反应室中来将高能量离子添加到反应室内的附加特征。

实现40向实现38-39中任何一项添加了利用在由等式2确定的电子约束时间的0.1和10倍之间的脉冲持续时间操作等离子体引发器的附加特征。

实现41向实现38-39中任何一项添加了利用由等式2的电子约束时间的0.3-3、0.5-5、1-3、3-10、5-20倍之间的或者近似等于或等于其的最大脉冲持续时间操作等离子体引发器的附加特征。

实现42向实现38-39中任何一项添加了利用小于等式2的电子约束时间的0.1倍的脉冲持续时间操作等离子体引发器的附加特征。

实现43向实现38-42中任何一项添加了操作等离子体引发器以产生在5-1000eV范围内，或者更优选地在选自10-500eV、10-100eV、20eV-250eV、50eV-300eV、50eV-500eV和100eV-1000eV之一的范围内，的等离子体温度的附加特征。

实现44向实现38-43中任何一项添加了操作等离子体引发器用于产生选自范围5-1000eV、10-500eV、10-100eV、20-250eV、50-300eV、50-500eV和100-1000eV之一的电子能量的附加特征。

实现45向实现38-44中任何一项添加了产生在尖端点具有在0.5-20特斯拉范围内的场强度的尖端磁场的附加特征。

实现46向实现38-44中任何一项添加了产生在尖端点具有在1-15、3-12、4-10和5-8特斯拉中任意一个的范围内的场强度的尖端磁场的附加特征。

实现47向实现38-46中任何一项添加了操作等离子体引发器以在尖端磁场的尖端内产生具有0.2-5.0、0.3-3.0、0.5-2.0、0.7-1.5、0.8-1.2、0.9-1.1之间的等离子体β或者β近似等于或等于1的高贝塔等离子体的附加特征。

实现48向实现38-47中任何一项添加了操作等离子体引发器以具有由等式3的能量的0.5-50倍给出的能量的附加特征。

实现49向实现38-47中任何一项添加了操作等离子体引发器以具有由等式3的能量的0.5-30、0.5-10、1-30、1-20、1-10、5-30、5-20和5-10倍给出的能量的附加特征。

实现50向实现38-49中任何一项添加了由线圈系统产生的磁场在0.5-20特斯拉的范围内，并且等离子体引发器以足够的能量进行操作以产生在0.1和10之间的等离子体β的附加特征。

实现51向实现50添加了利用由等式2确定的电子约束时间的至多10倍的脉冲持续时间操作等离子体引发器的附加特征。

实现52被表征为一种中子发生器，包括：反应室；线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；电子注入器；离子注入器；聚变燃料注入器，补充由核聚变反应消耗的离子；其中等离子体引发器在反应室内部产生高贝塔等离子体，用于在反应室中进行电子约束；并且其中电子注入器和离子注入器加热等离子体，用于使聚变反应产生中子。

实现53针对一种用于产生核聚变反应的装置，包括反应室；线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；电子注入器；聚变燃料注入器，补充由核聚变反应消耗的离子；其中等离子体引发器在反应室内部产生高贝塔等离子体，用于在反应室中进行电子约束；其中电子注入器在反应室内产生等离子体势阱，以便在反应室中约束离子并将离子加速至聚变相关能量；并且其中等离子体引发器包括具有选自注入器枪、FRC和激光器的组的一个或多个等离子体引发器的一个或多个等离子体箍缩引发器。

实现54向实现53添加了注入器枪、FRC和激光器中的一个或多个被用来向反应室提供初始能量并且一个或多个箍缩引发器随后被用来增大反应室内的能量以产生高贝塔等离子体的特征。

参考列表

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11.Robert L.Hirsch,“Apparatus for Generating Fusion Reactions”,USPatent 3,530,036(1970).

12.Robert L.Hirsch,“Electrostatic Containment in Fusion Reactors”,USPatent 3,664,920(1972).

13.William C.Elmore,James L.Tuck,and Kenneth M.Watson,“On theInertial-Electrostatic Confinement of a Plasma”,Physics of Fluids,Volume 2,p239-246(1959).

14.Robert W.Bussard,“Method and Apparatus for Controlling ChargedParticles”,US Patent 4,826,646(1989).

15.Robert W.Bussard,“The Advent of Clean Nuclear Fusion:Superperformance Space Power and Propulsion”,57^th International AstronauticalCongress(2006).

16.Nicholas A.Krall,Michael Coleman,Kenneth C.Maffei,John A.Lovberg,R.A.Jacobsen,Robert W.Bussard,“Forming and Maintaining a Potential Well in aQuasispherical Magnetic Trap”,Physics of Plasmas,Volume 2,p146-p160(1995).

Claims (21)

1.一种产生核聚变反应的装置，包括：

反应室；

线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；

等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；

电子注入器；

聚变燃料注入器，补充由核聚变反应消耗的离子；

其中等离子体引发器在反应室内产生高贝塔等离子体，用于在反应室中进行电子约束；及

其中电子注入器在反应室内产生等离子体势阱以在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量。

2.如权利要求1所述的装置，其中等离子体引发器以由等式2确定的电子约束时间的0.1倍和10倍之间的脉冲持续时间操作。

3.如权利要求1所述的装置，其中等离子体引发器以小于等式2的电子约束时间的0.1倍的脉冲持续时间操作。

4.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中在由线圈系统产生的尖端点处的最大磁场在0.5-20特斯拉的范围内。

5.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器以足够的能量操作以便在尖端内部产生具有0.1和10之间的等离子体β的高贝塔等离子体。

6.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器具有由等式3的能量的0.5-50倍给出的能量。

7.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器具有由等式3的能量的0.5-30、0.5-10、1-30、1-20、1-10、5-30、5-20和5-10倍给出的能量。

8.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器利用选自范围5-1000eV、10-500eV、10-100eV、20-250eV、50-300eV、50-500eV和100-1000eV之一的电子能量操作。

9.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中电子注入器产生具有在10-1000keV、10-200keV、25-150keV、50-300keV、75-500keV和100-1000keV范围之一内的射束能量的电子束并且产生等离子体势阱。

10.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器包括利用气体、液滴或固体材料中的至少一种用于等离子体产生的同轴等离子体枪。

11.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器包括同轴等离子体枪、FRC和激光器当中的一种或多种。

12.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器包括一个或多个箍缩等离子体发生器。

13.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中所述装置是中子发生器、医用同位素发生器或核废料嬗变设备。

14.如前面任何一项权利要求所述的装置，还包括：

中性射束注入器；

其中中性射束注入器从尖端磁场除去低能量离子。

15.一种产生核聚变的方法，包括：

提供反应室；

在反应室内产生尖端磁场；

利用等离子体引发器，在反应室内产生贝塔压力等离子体，用于在反应室中约束高能量电子；

将电子注入反应室，用于在反应室内产生等离子体势阱以在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量；及

补充由核聚变反应消耗的离子。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

通过利用中性射束注入到反应室中来将高能量离子添加到反应室中。

17.如权利要求15-16中任何一项所述的方法，还包括：利用在由等式2确定的电子约束时间的0.1倍和10倍之间的脉冲持续时间操作等离子体引发器。

18.如权利要求15-16中任何一项所述的方法，还包括：利用小于等式2的电子约束时间的0.1倍的脉冲持续时间操作等离子体引发器。

19.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，包括：操作等离子体引发器以便在尖端磁场的尖端内产生具有在0.2-5.0、0.3-3.0、0.5-2.0、0.7-1.5、0.8-1.2、0.9-1.1之间的等离子体β或者近似等于或等于1的β的高贝塔等离子体。

20.如权利要求15-19中任何一项所述的方法，还包括：操作等离子体引发器以具有由等式3的能量的0.5-50倍给出的能量。

21.一种中子发生器，包括：

反应室；

线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；

等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；

电子注入器；

离子注入器；

聚变燃料注入器，补充由核聚变反应消耗的离子；

其中等离子体引发器在反应室内产生高贝塔等离子体，用于在反应室中进行电子约束；及

其中电子注入器和离子注入器加热等离子体以使聚变反应产生中子。