CN111133528A - 减少相互作用反应物的库仑势垒 - Google Patents

Abstract

用于产生和控制核聚变反应的方法、装置、设备和系统。由于离子‑中性物耦合，诱导氢原子或其他中性物质(中性物)在约束区域中旋转运动，其中离子是由电场和磁场驱动的。受控聚变反应包括一系列反应，包括诸如质子‑硼‑11聚变反应的无中子反应。

Description

减少相互作用反应物的库仑势垒

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月9日提交的美国临时申请序列号62/503680的权益。本申请也是2017年5月8日提交的题为REACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(使用电场和磁场的反应堆)的美国专利申请序列号15/589902的部分继续申请，序列号15/589902的美国专利申请为2014年6月27日提交的题为METHODS，DEVICES AND SYSTEMS FOR FUSIONREACTIONS(用于聚变反应的方法、设备和系统)的美国专利申请序列号14/318246的部分继续申请，该序列号为14/318246的美国专利申请要求以下的权益：(i)2013年6月27日提交的美国临时申请序列号61/840428；(ii)2014年1月8日提交的美国临时申请序列号61/925114；(iii)2014年1月8日提交的美国临时申请序列号61/925131；(iv)2014年1月8日提交的美国临时申请序列号61/925122；(v)2014年1月8日提交的美国临时申请序列号61/925148；(vi)2014年1月8日提交的美国临时申请序列号61/925142；(vii)2013年7月1日提交的美国临时申请序列号61/841834；(viii)2013年7月4日提交的美国临时申请序列号61/843015；美国专利申请序列号14/318246也是2014年3月11日提交的美国专利申请序列号14/205339(现为2016年1月26日授权的美国专利号9245654)的部分继续申请，该序列号14/205339的美国专利申请要求2013年3月11日提交的美国临时申请序列号61/776592的权益；本申请也是2017年5月8日提交的题为REACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(使用电场和磁场的反应堆)的美国专利申请序列号15/589902的部分继续申请；2017年5月8日提交的题为REACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(使用电场和磁场的反应堆)的美国专利申请序列号15/589913的部分继续申请；2017年5月8日提交的题为REACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(使用电场和磁场的反应堆)的美国专利申请序列号15/589886的继续申请；以及2017年5月8日提交的题为REACTOR USINGAZIMUTHALLY VARYING ELECTRICAL FIELDS(使用方位角可变电场的反应堆)的美国专利申请序列号15/589905的继续申请；这些优先权申请的每一个通过全文引用并入到本文中来用于所有的目的。

技术领域

本公开涉及核间反应及用于引发和维持这些核间反应的反应堆。

背景技术

自20世纪50年代以来，科技界一直在努力实现受控和经济上可行的聚变。由于许多原因，聚变是有吸引力的能源，但在数十亿美元和数十年的研究之后，对大多数，持续聚变用于清洁能源的想法已成为白日梦。找到一种以经济、安全、可靠和对环境无害的方式维持聚变反应曾经是一种挑战。该挑战已被证明极为困难。本领域通常持有的信念是，在聚变成为用于发电的可行选择之前还要进行25-50年的研究，就像老玩笑一样“聚变是未来的能源--而将永远是”(“NextITERation？”，2011年9月3日，TheEconomist)。

先前对于大规模聚变研究的努力主要集中在产生用于聚变点火的条件的两种方法：惯性约束聚变(ICF)和磁约束聚变。ICF尝试通过压缩和加热约针头大小的小球形式的聚变反应物(例如氘和氚的混合物)来引发聚变反应。通过将高能量的激光束、电子束或离子束递送至燃料靶向燃料提供能量，引起目标燃料已被加热的外层爆炸并产生冲击波，该冲击波通过燃料粒料向内传播，压缩并加热聚变反应物，从而引发聚变反应。

在提交本专利申请时，最成功的ICF程序是National IgnitionFacility(国家点火设备，NIF)，其花费接近35亿美元建造并于2009年完成。通过使燃料粒子放出比向其施用的更多的能量，NIF达到了一个里程碑，但是截止2015年，NIF实验只能达到点火所需能量的约1/3。关于可持续的反应，报道的最长ICF聚变反应时间为150皮秒量级。即使ICF的努力实现了点火条件，但使其成为可行的能源仍存在很多障碍。例如，需要从反应室除去热量而不会干扰燃料靶和驱动束的解决方案，并且需要缓和聚变装置的短寿命的解决方案，这是由于聚变反应物的放射性副产物：氘和氚反应产生中子。

第二个主要研究方向，磁约束聚变，尝试通过使用磁场以约束等离子体形式的热聚变燃料来诱导聚变。这种方法寻求延长离子近距离接触的时间并增加它们聚变的可能性。磁性聚变装置对带电粒子施加磁力，使其当与向心力平衡时，引起粒子在等离子体内以圆形或螺旋形路径移动。磁约束防止热等离子体接触其反应堆壁。在磁约束中，聚变完全在等离子体内发生。

磁约束的大多数研究基于托卡马克(Tokamak)设计，其中热等离子体被约束在环形磁场内。新泽西州普林斯顿的托卡马克聚变测试反应堆(TFTR)是世界上第一个用由50/50氘/氚组成的等离子体进行大量科学实验的磁聚变装置。建于1980年，TFTR被寄予希望终将实现聚变能源，但从未达到这一目标，并于1997年关闭。迄今为止，任何托卡马克的最长等离子体持续时间为6分30秒，是法国的Tore Supratokamak持有。目前磁约束聚变的努力集中在国际热核实验反应堆(ITER)，这是于2013年开始建设的托卡马克反应堆。截至2015年6月，建筑成本已超过140亿美元，设施的建设预期要到2019年，并从2027年开始全部氘氚试验。目前该项目的成本估计超过500亿美元，成本可能将持续上升。最近，由参议院拨款委员会的能源和水事发展小组委员会发布了建议美国退出ITER项目。由于市场现实以及用于聚变发电的托卡马克设计的固有局限性，许多分析师怀疑诸如ITER的聚变反应堆将成为商业上可行。

马里兰州大学马里兰州离心实验(MCX)正在研究一种替代形式的磁性约束。它将测试离心约束和速度剪切稳定的概念。在本实验中，在磁场存在下，电容通过氢气从圆柱形阴极排出到周围的真空室。正交电场和磁场(表示为J×B)产生驱动热电离的等离子体(>10⁵K)围绕放电电极的旋转的力。由于等离子体边界温度的显著变化，不可避免地存在显著影响等离子体流的冷中性物质。研究已集中在中性物的影响，并且认为它们“阻碍所需的等离子体旋转”，该所需的等离子体旋转是聚变条件所需的。“中性物质”或简称“中性物”是具有中性电荷的原子或分子，即，它们具有相同数量的电子和质子，原子情况下的原子序数。离子或电离的原子或其他粒子具有电荷，即，其具有比质子至少多一个电子或比电子至少多一个质子。

已经考虑将不采用高度电离的等离子体的旋转等离子体装置用于聚变研究，但是中性物一直被看作是达到聚变条件的问题。由于包括中性阻力和不稳定性的限制性作用，本领域一位研究人员认为，尽管“不是完全不可能，但旋转等离子体单独导致自我维持的聚变反应堆的实现仍然不太可能(综述文章:ROTATING PLASMAS(旋转等离子体)”，Lehnart，Nuclear Fusion 11(1971))。

所有可信的现有方法都面临约束和工程问题。聚变反应堆的总能量平衡Q如下定义：

Q＝E_fusion/E_in，

其中E_fusion是通过聚变反应释放的总能量，而E_in是用于产生反应的能量。目标是在产生可用能源结束时Q超过1或“1个单位”。欧洲联合环形加速器(JET)的官员声称已经实现Q≈0.7，美国国家点火装置最近声称已经实现Q>1(忽略其激光器的非常显著的能量损失)。Q＝1的情况，称为“产需平衡(breakeven)”，表示通过聚变反应释放的能量的量等于能量输入的量。实际上，用于产生电力的反应堆应具有远大于1的Q值以在商业上可行，因为仅一部分聚变能可转化为有用的形式。传统思想认为，仅不存在大量中性物的强电离的等离子体具有实现Q>1的可能。这些条件限制在聚变反应堆中可实现的粒子密度和能量约束时间。因此，本领域将劳森标准(Lawson criterion)视为受控聚变反应的基准，当考虑到所有能量输入时，认为尚没有人能实现该基准。本领域对于劳森标准或实质上类似的范例的追求，已导致聚变装置和系统庞大、复杂、难以管理、昂贵并且还在经济上不可行。称为三重积的劳森标准的常用公式如下：

虽然劳森标准将不在这里详细讨论；在本质上，该标准表明，粒子密度(n)、温度(T))和约束时间(τ_E)的乘积必大于某一数，这个数取决于带电聚变产物的能量(E_ch)、玻尔兹曼常数(k_B)、聚变横截面(σ)、相对速度(υ)和温度，以达到点火条件。对于氘-氚反应，三重积的最小值发生在T＝14keV，三重积的值约为3×10²¹keV s/m³(J.Wesson，"Tokamaks"，OxfordEngineering Science Series No 48(牛津工程科学系列第48期)，ClarendonPress，Oxford，第2版，1997)。实际上，本行业标准范例建议，使用氘氚聚变反应需要超过1.5亿摄氏度的温度以实现正能量平衡。对于质子-硼11聚变，劳森标准建议所需温度必须实质上更高。更具体地，nτ～10¹⁶s/cm³，比氘氚聚变所需的高大约100倍[来自GeorgeH.Miley和S.Krupaker Murali所著的Inertial Electrostatic Confinement(IEC)Fusion:Fundamentals andApplications(惯性静电约束(IEC)聚变：基础和应用)。

劳森标准的一个方面是基于这样的前提：热能必须连续地加入到等离子体中以替代损失的能量，维持等离子体温度并保持其完全或高度电离。特别地，在传统聚变系统中的主要能量损失源是由于在移动电子与热等离子体中的离子相互作用时，电子轫致辐射和回旋运动引起的辐射。制定用于聚变方法劳森标准，其中电子辐射损失是重要的考虑，这是由于使用具有高度移动的电子的热的且重度电离的等离子体。

因为传统思想认为需要高温和强电离的等离子体，不存在大量存在的中性物，并进一步认为，反应的廉价的物理屏蔽是不可能的。因此，一直以来最大量追求的方法指向复杂而昂贵的方案以容纳反应，例如用磁约束系统(例如，ITER托卡马克)和用于惯性约束系统(例如，NIF激光)的那些。

事实上，至少有一个原始资料承认使用物理结构容纳聚变反应被认为的不可能性：“提供等离子体约束的最简单和最明显的方法是通过与材料壁直接接触，但是由于两个根本原因是不可能的：壁将冷却等离子体，并且大多数壁材料将熔化。我们想到此处的聚变等离子体需要约10⁸K的温度，而金属通常在低于5000K的温度下熔化(“PrinciplesofFusion Energy(聚变能量原理)”A.A.Harms等人)。需要极高温度以这样的理念为前提，仅带电荷的高能离子可聚变，并且库仑斥力限制聚变事件。本领域的当前的教导依赖于该基本假设，用于所有研究和项目的绝大多数。

在极少数情况下，研究人员已考虑减少库仑势垒或排斥力(其排斥相互作用的正核)的方法，以减少引发和维持聚变所需的能量。这些方法和上述方法都在很大程度上因不可行而不被理会。

在20世纪50年代，Luis Alvarez在加州大学伯克利分校使用氢气泡室研究了μ介子催化的聚变理念。Alverez的工作("Catalysis ofNuclear Reactions byμMesons(通过μ介子催化核反应)"Physical Review.105，Alvarez，L.W.等人(1957))证明核聚变在明显低于热核聚变所需温度的温度下发生。理论上，提出即使在室温或低于室温也可发生聚变。在这个过程中，带负电荷的μ介子代替氢分子中的一个电子。由于μ介子的质量比电子的质量大207倍，比起在正常的分子中，氢核因此被拉伸更靠近207倍。当原子核靠近在一起时，核聚变的可能性大大增加，直到在室温下可能发生大量聚变事件。

虽然μ介子催化的聚变受到一些关注，但是制造μ介子催化的聚变的努力尚未成功。目前用于产生大量μ介子的技术需要大量能量，这超过由催化的核聚变反应产生的能量，因此妨碍产需平衡或Q>1。此外，每个μ介子具有约1％的机会“粘”到由氘核(氘原子的原子核)与氚核(氚原子的原子核)的核聚变产生的α粒子，从催化循环除去“卡住的”μ介子。这意味着每个μ介子只能催化至多几百个氘-氚核聚变反应。因此，这两个因素(μ介子太昂贵而不太容易制备以及随后太容易粘到α粒子)将μ介子催化的聚变局限于实验室好奇心。为了产生有用的μ介子催化的聚变反应，反应堆将需要更便宜、更有效的μ介子源和/或每个μ介子催化更多的聚变反应的方式。迄今为止，还没有发现可行的方法或甚至理论上也没有。

1989年3月，Martin Fleischmann和Stanley Pons向the Journal ofElectroanalytical Chemistry(电分析化学杂志)提交了一篇文章，该文章报导他们已发现一种通过现在通常称为“冷聚变”的方法来减少库仑势垒的方法。Fleischmann和Pons认为他们已经观察到核反应副产物和小台式实验产生的大量热量，该实验涉及在钯电极表面上重水的电解。冷聚变的一个解释认为氢及其同位素可以在某些固体(如钯)中以高密度被吸收。氢的吸收产生高分压，减少氢同位素的平均间隔，因此降低势垒。另一个解释是，钯晶格中的正氢核的电子屏蔽足以降低势垒。

虽然Fleischmann-Pons的发现最初收到了极大关注，但科学界的接受在很大程度上是至关重要的，因为佐治亚理工大学的一个团队很快发现他们的中子探测器的问题，德州农工大学发现他们的温度计接线不良。这些实验性的错误以及许多由知名实验室试图复制Fleischmann-Pons实验的失败，导致科学界得出的结论是，任何积极的实验结果都不应归因于“聚变”。部分由于公众的关注，美国能源部(DOE)组织了一个专门小组来审查冷聚变的理论和研究。美国能源部首先在1989年11月并再次在2004年得出结论，迄今为止的结果并没有提供有说服力的证据表明有用的能源将由归因于“冷聚变”的现象得到。

降低库仑势垒的另一个尝试在固体基质中采用电子屏蔽。电子屏蔽首先在恒星等离子体中观察到，如果屏蔽因子仅改变几个百分点，确定聚变速率改变五个数量级(Wilets，L.等人，"Effect of screening on thermonuclear fusion in stellar andlaboratoryplasmas(屏蔽对恒星和实验室等离子体中的热核聚变的影响)"，TheAstrophysicalJournal 530.1(2000):504)。根据Wilets，“等离子体中的热核聚变速率受势垒穿透的支配。势垒本身由聚变核的库仑排斥支配。因为势垒势能出现在Gamow公式的指数中，结果对在等离子体中的电子和正离子的屏蔽效果非常敏感。屏蔽降低势垒，因此提高聚变速率；原子核电荷越大，则屏蔽就越重要。”

在Robert Indech的美国专利公开号US2005/0129160A1中提出试图利用该电子屏蔽效应以产生点火条件的一个实例。在该申请中，Indech描述了当电子由于施加的电势而在锥形结构的顶部集中时，位于微观锥形结构的尖端附近的两个氘核之间的带正电排斥力的电子屏蔽。如所公开的，这些锥体排列在尺寸为3厘米×3厘米的表面上。

虽然Indech等人已经实现潜在的电子屏蔽以降低聚变反应堆的库仑势垒，但是任何努力都已经取得成功是值得怀疑的。至多这些努力似乎提出点火方法，而不是持续和受控的聚变反应方法。尽管在ICF、磁约束聚变和减少库仑势垒的各种方法的努力，但目前不存在商业上可行的聚变反应堆设计。

发明内容

本公开涉及反应堆设计和运行的各个方面。特别关注的是其中采用电子屏蔽来降低两个核的聚变的库仑势垒的反应堆设计和运行。在促进聚变反应的富电子区域中提供电子屏蔽。

本公开一方面涉及反应堆，所述反应堆以以下元素为特征：(a)约束壁，所述约束壁至少部分地包围约束区域(confinementregion)，在所述约束区域内带电粒子和中性物可旋转；(b)邻近或靠近约束区域的多个电极；(c)控制系统，所述控制系统具有电压和/或电流源，其被设置以在多个电极的至少两个之间施加电势，其中所施加的电势在约束区域内产生电场，所述电场单独地或者与磁场结合，诱导和/或维持带电粒子和中性物在约束区域中的旋转运动；和(d)布置在约束区域中或邻近约束区域的反应物，使得在运行期间，中性物和反应物之间的反复碰撞产生与反应物的相互作用，所述相互作用释放能量并产生产物，所述产物的核质量不同于中性物和反应物的核中的任一个的核质量。在运行期间，靠近反应物的约束区域具有富电子区域，比起带正电粒子，富电子区域的电子过量至少约10⁶/cm³。

在某些实施方式中，电极在约束区域周围呈方位角分布，并且控制系统设置成通过向多个电极施加随时间变化的电压诱导带电粒子和中性物在约束区域中的旋转运动。在某些实施方式中，反应堆设置成通过在约束区域内电场与施加的磁场之间的相互作用来诱导带电粒子和中性物在约束区域中的旋转运动。

在反应堆运行期间，富电子区域可具有以下特征中的一个或多个：(i)电场强度为至少约10⁶伏/米，(ii)电子的平均温度为约10000K至50000K，(iii)电子的密度为约10¹⁰cm^-3至约10²³cm^-3，(iv)电子与正离子的比率在约10⁶:1至10⁸:1之间，(v)中性物的平均能量为约0.1eV至2eV，(vi)中性物的浓度为至少约10¹⁶/cm³(在一些情况下，约10¹⁶/cm³至约10¹⁸/cm³)和/或(vii)延伸至约束区域中约50纳米至约50微米的距离。

在一些实施方式中，反应堆包括布置在约束区域中或邻近约束区域的电子发射体，使得在运行期间，电子发射体在约束区域中产生电子。电子发射体可附着于或嵌入约束壁中。在一些情况下，一个或多个绝缘层可分隔约束壁和发射体，以提供绝热和/或电绝缘。这些层可例如由氧化锆、氧化铝、氮化锌和氧化镁制成。在一些情况下，电子发射体具有突出至约束区域内的突出的几何形状，这增加电子的产生。

在一些情况下，反应堆可具有与电子发射体热连通的细丝，并且控制系统可设置成施加通过细丝的电流以加热发射体。反应堆可包括用于监控电子发射体温度的温度传感器，并且控制系统可设置成基于所监控的温度调节施加至细丝的电流。

在一些情况下，反应堆具有激光器，激光器设置成发射光束通过约束区域到达电子发射体或约束壁上，使得基于光束与电子发射体或约束壁之间的相互作用，将电子发射进入约束区域中。反应堆可包括用于监控电子发射体温度的温度传感器，并且控制系统可设置成基于所监控的温度控制激光发射。

在一些实施方式中，电子发射体设置成在反应堆运行期间移入和移出约束区域。控制系统可设置成移动电子发射体的位置，例如，以控制电子发射体的温度(例如，使用温度传感器测量)和电子的产生。

电子发射体可包括硼或含硼材料。在一些情况下，反应物包括硼-11。在一些情况下，产物的核质量大于中性物和反应物的核中的任一个的核质量。相互作用可为聚变反应，在一些情况下，为无中子聚变反应。在一些情况下，中性物包括中性氢、氘和/或氚。

在某些实施方式中，反应堆还包括能量转换装置，能量转换装置设置成提取带电反应产物的热能、动能和/或来自反应堆的机械能，并将所述热能、动能和/或机械能转换为电能和/或机械能，用于在反应堆外部做功。

本公开的另一方面涉及一种运行反应堆的方法，所述方法包括：在反应堆中在多个电极的至少两个之间施加电势，所述反应堆以以下元素为特征：(a)约束壁，所述约束壁至少部分地包围(enclosing)约束区域，(b)邻近或靠近约束区域的多个电极，(c)控制系统，所述控制系统具有电压和/或电流源，其设置成在多个电极的至少两个之间施加电势，其中所施加的电势在约束区域内产生电场，和(d)布置在约束区域中或邻近约束区域的反应物。约束区域中的电场单独作用或与磁场结合，诱导和/或维持带电粒子和中性物在约束区域中的旋转运动。此外，靠近反应物的约束区域具有富电子区域，比起带正电粒子，所述富电子区域的电子过量至少约10⁶/cm³。此外，中性物(neutrals)和反应物之间的反复碰撞产生与反应物的相互作用，所述相互作用释放能量并产生产物，所述产物的核质量不同于中性物和反应物的核中的任一个的核质量。

在某些实施方式中，多个电极在约束区域周围呈方位角分布，并且控制系统设置成通过向多个电极施加随时间变化的电压来诱导带电粒子和中性物在约束区域中的旋转运动。在某些实施方式中，约束区域中的电场与磁场结合起作用，以诱导和/或维持带电粒子和中性物在约束区域中的旋转运动。

当在多个电极之间施加电势时，富电子区域可具有以下特征中的一个或多个：(i)电场强度为至少约10⁶伏/米，(ii)电子的平均温度为约10000K至50000K之间，(iii)电子的密度为约10¹⁰cm^-3至约10²³cm^-3，(iv)电子与正离子的比率在约10⁶:1至10⁸:1之间，(v)中性物的平均能量为约0.1eV至2eV之间，(vi)中性物的浓度为至少约10¹⁶/cm³(在一些情况下，约10¹⁶/cm³至约10¹⁸/cm³之间)和/或(vii)延伸至约束区域中约50纳米至50微米的距离。

反应堆可包括布置在约束区域中或邻近约束区域的电子发射体，使得在运行期间，电子发射体在约束区域中产生电子。在一些情况下，所述方法可包括控制在约束区域中电子的产生。

例如，在一些情况下，通过将电流施加到与电子发射体热连通的细丝，控制约束区域中电子的产生。在一些情况下，通过将电子发射体移入或移出约束区域，控制约束区域中电子的产生。在一些情况下，通过控制来自针对电子发射体或约束壁激光器的光发射，控制约束区域中电子的产生。

在一些情况下，产物的核质量大于中性物和反应物的核中的任一个的核质量。相互作用可为聚变反应，例如，无中子聚变反应。在某些实施方式中，聚变反应在富电子区域中以每秒每立方厘米约10¹⁷至约10²²个聚变反应的速率发生。在某些实施方式中，中性物包括中性氢、氘和/或氚。

在某些实施方式中，所述方法另外包括将带电反应产物的热能、动能和/或来自反应堆的机械能转换为电能和/或机械能，用于在反应堆外部做功。

参考相关附图，将更详细地描述本公开的这些和其他特征。

附图说明

图1a-c描述第一实施方式反应堆的若干视图。

图2a-b示意性说明在约束壁内旋转的带电粒子和中性粒子的运动。

图3a-d示意性描述中性物和带电粒子与约束壁的相互作用。

图4a-e示意性描述无中子质子-硼-11聚变反应的各阶段。

图5a-d描述反向电极性反应堆。

图6a-f描述混合反应堆。

图7a-b描述波粒反应堆。

图8a-b描述第一实施方式反应堆的各种电极配置。

图9a-c描述第一实施方式反应堆的各种横截面。

图10a-d描述第一实施方式反应堆，其中通过超导磁体施加轴向磁场。

图11a-b描述第一实施方式反应堆，其中永磁体设置成在第一实施方式反应堆中施加轴向磁场。

图12a-b描述第一实施方式反应堆，其中约束区域中施加的磁场是使用永磁体施加的。

图13a-c描述第一实施方式反应堆的配置。

图14a-c描述第一实施方式反应堆的配置。

图15a-c描述环形磁体如何沿公共轴线定位从而产生基本上沿该轴线指向的磁场。

图16a-c描述第一实施方式反应堆，其中约束区域中施加的磁场是使用环形磁体施加的。

图17a-c描述第一实施方式反应堆，其中约束区域中施加的磁场是使用径向偏移磁体施加的。

图18a-d描述第一实施方式反应堆，其中约束区域中施加的磁场使用电磁体施加的。

图19a-b描述反向电极性反应堆的各种实施方式。

图20a-b描述可放置在约束壁上的各种电子发射体。

图21a-b描述可放置在反应堆的约束壁上的电子发射模块。

图22描述设置具有激光器的反应堆，该激光器增加或控制来自电子发射体的电子发射。

图23a-c描述一种配置，其中核磁共振感应用于确定反应堆内气体反应物的组成。

图24描述如何设置控制系统以使用闭环反馈来运行反应堆。

图25描述可用于运行反应堆的多级工艺流程的示例。

具体实施方式

引言

本文公开的各种实施方式涉及反应堆以及在诱导两个或多个原子核之间反应的条件下运行那些反应堆的方法，以产生比输入到反应堆的能量更多能量的方式。本公开将这样的反应称为核聚变反应或简化为聚变反应，尽管反应的各方面可能定量或定性地不同于传统上以核聚变为特征的反应的各方面。因此，当在本公开的其余部分中使用术语“聚变”时，该术语不一定意味着其具备传统上归于核聚变的所有特征。在本文公开的一些实施方式中，反应堆可产生持续的聚变反应，使其适合作为可行的能源。如本文所述，持续的聚变反应指其中反应堆可连续运行超过约一秒的时间单位的聚变反应。

在各种实施方式中，其中发生聚变反应的反应堆被设计或设置成限制或约束旋转物质，所述旋转物质通常包括参与聚变反应的一个或多个原子核。可提供各种结构用于约束旋转物质。通常，虽然不一定，这些结构限定坚实的物理外壳。如本文其他地方详细解释的，所述被包围的结构可具有许多形状，例如一般为圆柱形形状。可用于物理外壳的合适结构的实例在图1、7和6中描述。

不管任何其他功能，反应堆的壁通常用于约束物质在邻近壁和壁内部的区域中旋转。在某种程度上来讲，壁是约束的(confining)，其约束旋转物质使其保持在反应堆内。如本文所述，反应堆的该壁称为壁、约束壁或护罩。在各种实施方式中，壁还用于其他功能：特别是作为电极，作为磁体，作为聚变反应物(例如硼化合物)的来源，和/或作为电子发射体。因为壁通过物理方法限制反应物物质而不是通过磁场和压力波(这是传统聚变方法中使用的)，这不同于任何传统聚变反应堆设计。其他功能，例如作为电极用于赋予电压差，作为磁体，作为反应物材料的来源，以及作为电子发射体，提供了与传统聚变反应堆设计的额外的区别。

在某些实施方式中，反应堆含有所述的壁和在壁内部的空间(其可为环形形状)，其中反应物物质(包括很大一部分或百分比的中性物)旋转并在反应堆壁的表面上重复撞击，并有时与存在于壁中的物质聚变。当考虑到反应堆的能量输入时，所得到的反应可产需平衡并导致Q>1。为了确保在具体能源发电的应用所需的时间段内聚变反应为可持续的，能量输出与能量输入的比率应明显大于1。这归因于使用通过聚变反应产生的能量来维持允许聚变发生的条件(例如，在约束区域中特定的等离子体密度)的固有的低效率。在某些实施方式中，该比率应至少为约1.2。在某些实施方式中，该比率应至少为约1.5。在某些实施方式中，该比率应至少为约2。在某些实施方式中，在可持续条件下将反应堆连续运行至少约十五分钟，或至少约一小时。在一个实例中，氢原子在反应堆中旋转并撞击反应堆壁中的硼或锂原子以进行聚变。在一些实施方式中，反应堆包括一个或多个产生电子通量的电子发射体，在运行期间产生减小相互作用的原子核之间的库仑排斥的强场。

反应物可为在反应堆的约束壁内部的空间中可支持聚变反应的任何物质。在各种实施方式中，反应物中的至少一种为在反应堆内部区域内旋转的物质。在一些情况下，两种反应物均为旋转物质。在一些情况下，反应物中的一种为旋转物质，另一种为保持固定的物质，例如当反应物嵌入约束旋转物质的反应堆壁的一部分中。在一些情况下，存在旋转和固定的反应物的一些组合，使得聚变发生于旋转物质之间或旋转物质与固定物质之间。在反应物质主要为旋转物质的情况下，可设置反应堆的物理结构，使得旋转物质不必大量地撞击反应堆壁的内表面以支持聚变反应。在一些设计中，旋转物质受到力(诸如防止它们大量地撞击反应堆壁的力)的限制。在这样的设计中，两种旋转物质在约束壁内部的区域(例如，约束区域)或沿壁的表面进行聚变。在一些设计中，旋转物质可与位于约束区域内的固定物质(例如，靶物质)聚合。

在某些实施方式中，反应物为无中子反应的物质。在其他实施方式中，反应物为中子反应的物质。一种或两种反应物也可为中性或不带电荷的物质。有时将存在于反应堆中的物质称为“粒子”。然而，这些物质只是分子或原子尺度的粒子。

所公开的小规模(例如台式)无中子反应堆需要相对少的或不需要中子辐射的生物屏蔽。本文所述的反应堆中的聚变反应可特征地称为“温和聚变(warm fusion)”，例如，聚变发生于约1000K至3000K的温度范围内，并因此与“热聚变反应堆”(例如托卡马克反应堆中的那些)相比，更容易处理。由于聚变实质上无中子且“温和”材料，因此与“温和聚变”反应堆相关的成本可显著降低。例如，在一些情况下，已建成的原型反应堆少于5万美元。由于可不需要通常用于热等离子体反应堆的辐射屏蔽和工业级硬件，所公开的小规模反应堆也可具有小的重量和占地面积。

物质在反应堆中的旋转运动可通过多种机制赋予。一种机制通过施加相互作用的电场和磁场而赋予旋转。相互作用表现为作用于反应堆中带电粒子的洛伦兹力。在图1a-c和图6中描述可产生洛伦兹力以作用于带电粒子的反应堆设计的实例。图1a-c描述洛伦兹驱动的反应堆，其中反应堆具有内电极120，其中护罩(约束壁)为外电极110。在施加的磁场146的存在下，电极之间的具有垂直分量的电场144对在电极之间移动的电荷粒子或带电物质引起洛伦兹力。该力驱动它们沿方位角进入旋转，如图1c中所示的。在另一类反应堆设计中，通过将电势或电势循序的变化施加到围绕反应堆的壁方位角排列的多个电极，赋予带电物质旋转运动。合适的反应堆设计的实例在图7中所示。

在许多实施方式中，反应堆以这样的方式运行，使得旋转的带电物质与中性物质相互作用并赋予那些中性物质角动量，从而建立中性物质以及带电物质在反应堆内的旋转运动。在许多方案中，大多数旋转物质为中性物，并且带电物质为电离粒子，例如质子(p⁺)。如本文所述，该方法可称为离子-中性物耦合。图2a示意性说明离子-中性物耦合过程，其中少数带电粒子204赋予周围中性粒子206运动。

在各种实施方式中，反应堆设计成在预期发生聚变事件的反应堆的内部局部区域中发射电子。再次参考图2a，在约束壁210附近，这些电子可形成富电子区域232。过量电子的存在降低库仑势垒，从而增加聚变的可能性。如本文其他地方解释的，采用这种方式发射电子可产生富电子区域，其减少为聚变候选的两个带正电荷的原子核之间的固有的库仑排斥。在某些实施方式中，在反应堆内约束旋转物质的壁处或与之相邻发生电子发射。在一个实例中，通过被动结构(passive structure)提供电子发射，例如嵌入或附着于反应堆的约束壁的含硼片或条。当反应堆运行期间局部温度升高时，这种被动结构发射电子。在其他实施方式中，使用独立于在反应堆正常运行期间产生的加热而受控的主动结构(activestructure)来实施电子发射。用于电子发射的主动结构的实例在图21a和图21b中描述，并包括单独受控的电阻元件用于加热单个电子发射体。

本公开的另一方面涉及用于捕获和转化由反应堆内的聚变反应产生的能量的结构或系统。一类能量捕获系统提供直接捕获由聚变反应产生的α粒子行进所产生的电能。这可通过在发射的α粒子的路径中产生施加的电场来完成，该电场引起粒子减速并在与用于产生电场的电极相连接的电路中产生电流。另一类能量捕获系统用以使用热力发动机提供能量捕获，例如包括涡轮机，热交换器或用于将由聚变反应产生的热能转换成机械能的其他常规结构。这些和其他能量捕获机制将在本公开中稍后讨论。

中性物与壁的相互作用

与反应堆的壁相互作用的中性物质提供与在传统聚变研究中已采用的不同类型的相互作用。重复的相互作用在相对大的体积上发生，其可为紧邻约束壁的内壁或内表面的环形空间。因为旋转的中性物经常以浅的角度与壁弹性地相互作用，例如在斜向的或切线角，它们可立即离开壁，并重新进入内部空间，具有其进入时多数的能量。图2b说明当中性物206沿约束壁210的表面移动时可能具有的示例性轨迹路径。当旋转的中性物进入或撞击壁时，其通常遇到可能与之反应或不反应的潜在的聚变物配对物。当不反应时，其重新进入内部空间，在这里继续其旋转运动。采用这种方式，它与壁的表面重复相互作用，并且在每个这样的弹性碰撞中，能量损失很少至没有能量损失。

在图3a-d中示意性说明不导致聚变的一些粒子-壁相互作用。虽然这些图描述与硼¹¹和/或钛的相互作用，但当在约束壁中使用其他反应物材料时，也可发生这些相互作用。如在图3a中说明的，在一小部分中性物-壁相互作用中，中性粒子经历与壁中的原子核(在这种情况下，硼¹¹原子)的弹性碰撞，并且弹回的中性物保持其进入相互作用时的大部分能量。在所有中性物-壁相互作用中，弹性碰撞通常具有该最高发生率。在图3b中描述的更小一部分的碰撞中，中性物的原子核足够接近壁中的原子的核，碰撞变为非弹性碰撞，这是由于当两个核非常接近时发生的隧道效应的结果。图3c描述可能发生的又一种相互作用；在这种情况下，中性物渗透到壁中。当约束表面含有可吸收氢分子的诸如钛或钯的材料时，这种类型的碰撞可能稍微频繁地发生。

图3d描述带电粒子(例如质子)与约束壁的非弹性碰撞。这种情况与诸如原子氢的中性物与约束壁的频繁弹性碰撞(先前在图3a中描述的)形成对比。当带电粒子接近和离开约束壁时，粒子可能经历轫制辐射能量损失。这种能量损失由带电粒子和富电子区域中的电子之间的静电相互作用引起。由于静电力，一些动能损失，并且发射高能电磁辐射，如x射线。在集中试图聚变电离粒子的传统聚变反应堆中，轫制辐射可导致显著的能量损失。通过使用具有高比例的中性物(相对于离子)的弱电离的等离子体，在很大程度上避免这些损失。

在运动的中性原子核与壁中原子的核之间的某一部分隧道效应相互作用中，可发生聚变。图4a描述当氢原子或质子与硼11原子聚变时发生的无中子聚变反应的各阶段。首先，在482中，以高速行进的质子与硼11原子碰撞，并且这两个原子聚变，以形成激发的碳核，如在483中描述的。然而，激发的碳核寿命短，并分解成铍原子核和α粒子，α粒子发射时具有的动能为3.76MeV，如484中所示的。最后，在485中，新形成的铍原子核几乎立即分解成两个α粒子，每个α粒子的动能为2.46MeV。图4b-e描述相对于约束壁412的表面，图4a中显示的相同的质子-硼11聚变反应的各个阶段。图4a描述以高速朝向约束壁上的硼11原子表面行进的质子。当中性氢原子接近约束壁时，其通过富电子区域432，其部分地屏蔽两个带正电荷的核之间的排斥力。图4c描述中性氢已与硼原子聚变以形成碳核的阶段。在图4d中，碳核已分解成铍原子核和一个α粒子。最后，在图4e中，铍原子核分解，发射两个额外的α粒子。因为潜在的反应物为中性物质而不是离子，它们与约束壁表面中的原子的大部分相互作用为弹性碰撞。相比之下，进入壁的带正电的粒子将通过静电排斥力而偏转，从而与壁中的其他原子核保持距离。这些静电相互作用引起带电粒子失去能量；即，碰撞为非弹性的。中性粒子(具有带正电的核，所述核在一定程度上被轨道电子屏蔽)不经历相同的排斥力。因此，中性物更可能直接撞击壁中的另一个原子。因此，使用中性物而不是离子增加聚变反应的可能性，并且当不发生聚变反应时，比起对应的离子，中性物更可能以更高的能量弹性弹回。

总的来说，旋转的中性粒子经历与壁的许多重复的相互作用，并且对于产生聚变反应为非生产性的那些弹性弹回，具有相对少的能量损失。如所提及的，中性物倾向于从壁重现并具有足够的能量，使得它们可进入与壁的下一个相互作用，这对于产生聚变反应可能是生产性的。与壁的每个相互作用都可能导致中性核与壁中原子的核之间的聚变反应。

当反应物为不同的物质(例如，¹¹B和p⁺)时，单位体积的聚变速率由下式给出：

dN/dT＝n₁n₂σν

其中n₁和n₂为各反应物的密度，σ为在特定能量下的聚变横截面，ν为两个相互作用物质之间的相对速度。对于一个系统，其中至少一种物质在约束区域中旋转并且重复地撞击含有第二物质的约束壁，对于旋转物质，物质的密度值可在10²⁰cm^-3数量级，对于固定的物质(例如硼)，物质的密度值可在10²³cm^-3数量级，聚变横截面值可在10^-32cm²数量级，并且相互作用物质的相对速度在10³m/s数量级。通过比较，对于托卡马克反应堆，每种物质的密度值在10¹⁴cm^-3数量级，聚变横截面值在10^-28cm²数量级，相互作用物质的相对速度在10⁶m/s数量级(基于2015年1月日14的M.Ragheb记载的“Inertial Confinement Fusion.pdf”)。显然，采用中性物质的体系，如本文所述的那些，由于其较高的密度而具有强大的优势。这种系统的单位体积的聚变能量的速率超过托卡马克和惯性约束系统的速率至少约八个数量级。因此，本文公开的系统可在托卡马克或内部约束系统约亿分之一的体积中实现限定的能量产生速率。

库仑势垒的降低

如说明的，可信的现有的核聚变方法具有能量化(energized)的聚变反应物以及达到极高温度的支持环境，至少150000000K(13000eV)数量级。这样做是为了赋予聚变反应物足够的动能以克服它们的自然静电排斥。在这种环境下，每个反应物为具有固有的正电荷的原子核，其必须首先被克服以允许聚变反应的某些可能性。

本公开的某些实施方式在聚变反应中采用低得多的温度；例如，在2000K(0.17eV)数量级。这些实施方式采用中性物质作为一种或多种反应物和/或改变反应环境以减少反应物原子核之间的强库仑排斥力。可采用各种方式来实现降低库仑力，例如包括(i)在反应区域中提供富电子场和/或(ii)校准反应物原子核的量子力学自旋。取决于反应堆的结构，用于减少库仑排斥的装置和方法可采用多种形式。以下描述假设反应堆包括具有外约束壁或护罩的环形空间。其他反应堆结构同样可产生支持聚变的减少的库仑排斥环境，但是它们可以采用不同于下述的方式来实现这一点。

提供以下作为约束电极的内表面附近环境的一种可能的解释，该解释不应被认为为对所公开的实施方式的实践的限制。在这种解释中，反应物，特别是中性物以高速度旋转并撞击电极的内表面。同时，从约束壁或约束壁附近发射电子。快速旋转的中性物具有高角速度，因此通过相关的离心力对约束壁的内表面施加极大的压力。从壁的内表面发射的电子对抗该力。

发射的电子将扩散远离其发射的位置，例如远离壁并朝向内部空间。然而，中性物的离心力将电子限制在靠近外电极的内表面区域。所得到的与电极内表面相邻的平衡力的薄区域具有减少反应物核之间库仑排斥的强场。

力平衡可用数学方式表述为(i)温度与电子和中性物的密度的乘积的梯度(在远离发射电子的壁表面的方向)，和(ii)朝向内表面施加的离心力的平衡。离心力与中性物的密度、径向位置以及它们的角速度的平方的乘积成比例。

在该表达式中，r为远离约束电极的内表面的径向方向，K为玻耳兹曼常数，T_e和T₀为以开尔文为单位的电子和中性物温度，n_e和n₀为电子和中性物的密度，n₀为中性物质的密度，m₀为一个旋转的中性物质(例如氢原子)的质量，ω²为旋转的中性物质的角速度的平方。

在从中发射电子的表面(例如，约束壁的内表面)旁边的薄区域中，自由电子产生强电场(参见图2a-b中相邻于约束壁210的富电子区域232的示意性表示)。高浓度的中性物限制电子的平均自由路径，阻止它们遵循弹道轨迹，因此得到足够的动能以显著电离中性物。此外，由于中性物具有比离子显著更高的密度，因此存在相对少的正离子可用于重组。例如，离子与中性物的比例可在小于约1:10，小于约1:100，小于约1:1000，或小于约1:10000的范围内。因此，中性物通常放置在电子和正离子之间。这组条件在约束壁的内表面附近产生高浓度的过量电子，因此产生强电场。

非常薄的区域(例如，靠近电极的内表面)中大过量的电子(比起离子)以及高浓度中性物的存在的组合产生非常强的电场。在该区域中，强场降低相互作用的带正电荷的原子核的库仑排斥。因此，两个带正电荷的原子核紧密接近的概率显著增加。

另外，如所提及的，撞击约束壁的内表面的旋转的粒子为相互作用的聚变反应物制造重复的机会。中性物反复通过富电子层并撞击约束壁或护罩的内表面并重新进入反应堆的内部空间。在壁上的该冲击代表通过粒子在受限制环境(例如，约束壁的内表面)中旋转产生的离心力的径向分量。重复的碰撞、接触或撞击增加在给定区域中给定的时间段内聚变反应的可能性。这种重复取代需要长的约束时间，并解决将劳森标准用于表征实现聚变反应的现有方法的担忧。简单来说，聚变反应的总概率显著增加。

作为实例，富电子区域可通过以下参数值的任意组合来表征：

自由电子的密度：约10²³/cm³

中性物的密度：约10^20/cm³

正离子的密度：约10¹⁵-10¹⁶/cm³(约为中性物的10^-5至0.01％)

电子与正离子的密度差异：约10⁶至10^8/cm³

富自由电子区域(大多数电子密度梯度存在的区域)的厚度(径向))：约1微米

在富电子区域中的电场强度：约10⁶至10⁸V/m

电子温度：约1800-2000K(约0.15-0.17eV)

向心加速度：约10⁹g’s(其中g为重力加速度＝9.8ms^-2)

这种系统中的自由电子可被视为共同催化两个原子核的聚变反应。通过类推，一个或多个与质子和氘核相结合的μ介子有时被描述为催化氢和氘原子的聚变。正如μ介子通过使得两个聚变核彼此更接近的方式催化聚变，聚变核附近的自由电子催化本文所述的聚变反应。有效地，电子减少阻止两个反应物足够接近以进行反应的能量势垒。这与化学或物理环境中任何催化剂的作用非常类似。μ介子和电子均增加反应速率，但实际不参与反应；它们简单地减少使反应物足够接近以进行反应所需的能量势垒。

然而，μ介子和电子催化具有很少其他类似之处。由于各种原因，μ介子催化的聚变在商业上不可行。显著地，μ介子具有比电子大得多的质量，因此生产μ介子昂贵得多。此外，仅相对少的μ介子在任意瞬间及时产生，这意味着不能达到聚变的产需平衡要求。对于质子-硼11反应，产需平衡聚变可需要每立方厘米每秒约10¹⁷个成功的聚变相互作用。在大型池中，仅几个原子核能将能够受益于μ介子催化的聚变，并没有接近达到聚变所需的水平。

相比之下，可容易地产生电子，并且密度高。例如，根据本文公开的技术，可以每立方厘米约10²⁰或更大的密度产生电子。具有这样高的密度，电子共同起作用以产生高电场，所述高电场在相对大的体积范围内减少接近的核之间相互作用的库仑势垒。如此相对大的体积允许所需的相互作用产需平衡，即每立方厘米每秒至少约10¹⁷个成功的聚变相互作用。

术语

“反应堆”为其中一种或多种反应物反应以产生一种或多种产物的装置，通常伴随着能量释放。一种或多种反应物通过连续递送、间歇递送和/或一次递送在反应堆中提供。它们可以气体、液体或固体的形式提供。在一些情况下，提供反应物作为反应的组分；例如，其可包括在诸如壁的反应堆的结构中。硼11、锂6、碳12等可在反应堆的壁中提供。在一些情况下，反应物由外部来源(例如从气体供应罐)提供。在某些实施方式中，反应堆设置成促进Q>1的核聚变反应。反应堆可具有用于去除在反应期间产生的产物和/或能量的部件。产物去除部件可为端口、通路、吸气器等。能量去除部件可为用于除去热能的热交换器等、用于直接除去电能的电感器和类似结构等。反应堆部件可允许产物和能量被连续或间歇地除去。在某些实施方式中，反应堆具有含有反应物的一个或多个约束壁，并且在一些情况下，提供反应物来源、电场等。如整个本公开所说明的，适用于提供持续聚变反应的反应堆可有许多不同的设计。

“转子”为其中一种或多种反应物或产物(粒子)在空间中旋转的反应堆或反应堆部件。空间可至少部分通过本文所述的约束壁限定。在一些情况下，旋转通过磁力、电力和/或二者的组合诱导，如在洛伦兹力的情况下。在某些实施方式中，通过对带电粒子以使其在约束区域中旋转的方式施加电力和/或磁力诱导旋转；旋转的带电粒子与中性物碰撞，引起中性物在约束区域中同样旋转，这种现象有时称为离子-分子耦合。由于中性物不受电力和/或磁力的影响，在没有与带电粒子交互作用，它们将不在约束区域中旋转。转子的约束壁或其他外部结构可具有如本文所述的许多封闭形状。在一些实施方式中，外部结构大体上或基本上为圆形或圆柱形形状。在这种情况下，形状不需要在几何上精确，而是可表现出某些变化，例如围绕旋转轴线的偏心度、非连续曲率(例如顶点)等。

在一些情况下，转子的约束区域具有关于约束壁同心排列的内部棒或其他结构。在这种情况下，转子具有供粒子旋转的“环形空间”。当在本文中使用时，“环形空间”是指其中该区域基本上为环形的约束区域。应当理解，一些转子不具有内部棒或其他结构以限定环形空间。在这种情况下，转子的约束区域仅为中空结构。虽然环形空间可具有通常圆柱形形状，但是这样的形状可表现出某些变化，例如围绕旋转轴线的偏心率、非连续曲率(例如顶点)等。

由于所得到的电磁场，通过在电荷上电力和磁力的组合提供“洛伦兹力”。力的量级和方向由电场和磁场的交叉乘积给出；因此力有时称为J×B。当电场和磁场具有正交方向时，施加到带电粒子的力具有可由右手定则助记符表示的旋转方向。

在聚变反应中，参与的反应物和产物(可能包括质子、α粒子和硼(¹¹B))不一定以百分百的纯度存在。就在本文中呈现的任何这样的反应物、产物或反应的其他组分的程度，这样的组分被理解为实质上存在。换言之，组分不需要以100％的水平存在，但可以较低水平存在，例如约95质量％或约99质量％。

无中子反应按惯例理解为其中中子携带不超过总释放能量的1％的能量的聚变反应。如本文所用，无中子反应或基本上无中子反应为符合该标准的反应。

无中子反应的实例包括：

p+B¹¹→3He⁴+8.68MeV

D+He³→He⁴+p+18.35MeV

p+Li⁶→He⁴+He³+4.02MeV

p+Li⁷→2He⁴+17.35MeV

p+p→D+e⁺+v+1.44MeV

D+p→He³+γ+5.49MeV

He³+He³→He⁴+2p+12.86MeV

p+C¹²→N¹³+γ+1.94MeV

N¹³→C¹³+e⁺+v+γ+2.22MeV

p+C¹³→N¹⁴+γ+7.55MeV

p+N¹⁴→O¹⁵+γ+7.29MeV

O¹⁵→N¹⁵+e⁺+v+γ+2.76MeV

p+N¹⁵→C¹²+He⁴+4.97MeV

C¹²+C¹²→Na²³+p+2.24MeV

C¹²+C¹²→Na²⁰+He⁴+4.62MeV

C¹²+C¹²→Mg²⁴+γ+13.93MeV

中子反应的实例包括：

D+T→He⁴+n+17.59MeV

D+D→He³+n+3.27MeV

T+T→He⁴+2n+11.33MeV

库仑排斥力为相同电荷的两个或更多个粒子经历的静电力。对于两个相互作用的粒子，它与间隔距离的平方的倒数成比例(库仑定律)。因此，当带电粒子彼此接近时，排斥变得显著更强。在由多个带电粒子产生的电场中，带电粒子经历的排斥力通过附近所有带电粒子贡献的迭加给出。

降低库仑势垒意味着当粒子接近足够数量的电子或其他带电粒子时，在两个独立的粒子之间通常计算或经历的通常已知和理解的库仑排斥力“降低”或减少一定可计算的程度，以减少独立的粒子将以其他方式经历的排斥力。例如，以XX的密度存在过量的电子减少电子域中两个带正电荷YY粒子之间的库仑排斥力达ZZ％。

洛伦兹转子实施方式

第一实施方式

图1a-c描述反应堆的第一实施方式，其中带电粒子、带电物质或离子通过洛伦兹力旋转。图1a为反应堆的横截面视图，而图1b提供沿图1a的截面A-A的相同反应堆的等距剖视图。除非另有说明，否则使用r、Θ和z坐标的定向性属于圆柱形坐标系，如图1b所示。在所描述的实施方式中，洛伦兹驱动的转子具有也用作外电极的外壁110，有时称为放电棒的同心内电极120，该内电极120通过环形空间140与外电极分隔。通过在内电极120和护罩140之间施加电势，跨越环形空间形成电场。当在电极之间施加足够的电势时，环形空间中的部分气体被电离，产生跨越环形空间的径向等离子体电流。在各种实施方式中，内电极保持在高正电势，同时护罩接地，使得电场和电流流动基本上在正r方向。

图1c描述洛伦兹力如何在约束壁110内方位角驱动带电粒子。在图1c中，已经移除放电棒，并且轴已转化在z方向，以提高清晰度。虽然未显示，但是磁体(诸如永磁体或超导磁体)用于在环形空间内产生基本上平行于z轴(基本上轴向)的施加的磁场。磁场基本上垂直于电流的方向，引起移动的带电粒子、带电物质和离子在方位角(或Θ)方向经历洛伦兹力。例如，考虑其中相对于外电极，放电棒具有正电势的情况(例如，放电棒具有施加的正电势，同时外电极接地)，从而在r方向(144)产生电场。在该配置中，带正电荷的离子将通过环形空间140朝向外电极在r方向移动。如果磁场同时指向z方向(146)，离子将在-Θ方向或顺时针方向经历洛仑兹力，如从图1b和图1c所示的透视图的角度来看。在一些情况下，电场和磁场可处于不同于垂直方向但又不平行的角度，使得垂直分量以更小或更大的程度以足够的强度存在，以产生足够强的方位角洛伦兹力。这种方位角力作用于带电粒子、带电物质和离子，这进而与中性物耦合，使得在中心放电棒和外电极之间的环形空间中的中性物也以高旋转速度移动。任何移动的机械部件的缺乏意味着对于可发生旋转的速度几乎没有限制，因此提供超过例如100000RPS的中性物和带电粒子的旋转速率。

反向电极性实施方式

图5a-d描述另一个实施方式，其中反应堆可利用洛伦兹力以通过离子-中性物耦合驱动离子和中性物旋转。设置用于反向电极性的反应堆与图1a-c中描述的反应堆的不同之处在于，电场和电流(按照惯例在正电荷移动的方向)基本在负r方向。图5a为反应堆的横截面视图，而图5b提供了相同反应堆沿图5a的截面A-A的等距剖视图。反向电极性转子具有外电极510和同心内电极520，内电极520通过环形空间540与外电极分隔，环形空间540在本文中有时称为约束区域。通过向内电极和/或外电极施加电势，可在环形空间中形成指向内电极的径向电场。当在电极之间施加足够的电势时，环形空间中的一部分气体被电离，并且产生跨越环形空间的径向等离子体电流。

图5c描述洛伦兹力如何用于在反应堆内方位角驱动带电粒子。在图5c中，内电极已从视图中移除，并且所描述的轴已转化在z方向，以提高清晰度。尽管未显示，磁体(诸如永磁体或超导磁体)用于在环形空间内产生基本上平行于z轴(即基本在轴向方向)的施加的磁场。磁场基本上垂直于电流的方向，引起移动的带电粒子、带电物质和离子在方位角(或Θ)方向经历洛伦兹力。例如，考虑其中内电极具有施加的负电势同时外电极接地(或保持在正电势)的情况，在负的r方向(544)产生电场。在该配置中，带正电的离子将通过环形空间540朝向内电极在负r方向移动。如果磁场同时指向z方向(546)，离子将在+Θ方向或逆时针方向经历洛伦兹力，如从图5b和图5c所示的透视图的角度来看。在一些情况下，电场和磁场可处于与不同于垂直但又不平行的角度，使得垂直分量以更小或更大的程度以足够的强度存在，以产生足够强的方位角洛伦兹力。该方位角力作用于带电粒子、带电物质和离子，这进而与中性物耦合，使得在环形空间中的中性物也以高旋转速度运动。任何移动的机械部件的缺乏意味着对于可发生旋转的速度几乎没有限制，因此提供超过例如100000RPS的中性物和带电粒子的旋转速率。

反向场实施方式

图6a-d描述另一个反应堆实施方式的多个视图，该实施方式利用洛伦兹力通过离子-中性物耦合驱动离子和中性物旋转。该实施方式的反应堆使用反向场配置运行。具有这种配置的反应堆与图1a-c和图5a-d中描述的反应堆的不同之处在于，约束区域内的电场和磁场的方向是相反的。在这种配置中，磁场不是基本上平行于z轴，而是在正或负r方向径向指向。类似地，电场不是径向指向，而是基本上平行于z轴。图6a为反应堆的等距视图，图6b为反应堆在z方向的视图，图6c为反应堆的等距截面图(对应于图6b中的线AA)，图6d提供反应堆的侧视图。所描述的实施方式包括内部环形磁体626和也用作约束壁的同心外部环形磁体616。环形磁体具有在相同方向定向的极，使得内部环形磁体和外部环形磁体的对应的表面相同。在这种情况下，外表面为北极658，而内表面为南极659。在一些实施方式中，在磁体658的内表面上可存在一个或多个附加的材料层，使得约束表面材料不同于磁性材料。同心磁体之间的区域形成环形空间640，环形空间640通过约束区域660a的一端上的电极和约束区域660b的另一端上的电极被约束在z方向。通常，约束区域的任一侧上的所有电极(对应于电极660a或电极660b)被给予类似的电势。与所描述的混合反应堆不同，电极660a(或电极660b)可为单个连续电极，例如形成环形或盘形。如果电极660a接地并且环形空间660b的另一侧上的电极被给予正电势，则沿正z方向通过约束区域施加电场。如果磁场指向r方向(如所描述的那样)，则正交电场和磁场引起离子沿Θ方向方位角旋转(参见例如图6c)。或者，如果通过向电极660a施加正电势，电场指向负z方向，同时电极660b接地，则离子将沿-Θ方向旋转。

波粒实施方式

在图7a和图7b中显示受控聚变设备的第二实施方式，其中离子由于静电场的振荡而旋转。在该实施方式中，通过位于外环上或形成外环的多个分立的壁电极714，任选与位于内环上或形成内环的内电极724组合产生的电场，以在环形空间740内产生局部的、方位角变化(azimuthally-varying)的电场方位角加速离子。在一些情况下，壁电极共同形成约束壁，而在一些情况下，壁电极可布置成在一部分约束壁或支架上或之内。电场以受控序列方位角前进，使得施加到离子的静电力在基本上方位角方向(在Θ或-Θ方向)顺序进行。采用这种方式，类似于沿火车轨道通过振荡磁场推动的磁悬浮列车，加速带电物质。可向电极施加振荡电势。从一个电极到相邻电极，振荡的相位或其他参数的变化，以诱导或维持离子的旋转运动。

存在于环形空间中的离子由于电场而经受静电力，并且通过离子-中性物耦合的原理，仅需要相对少数或百分比的离子来驱动大量或百分比的中性物。可通过任何合适的机制例如电感或电容耦合产生用于将中性物驱动至旋转的离子。在一些实施方式中，当将RF电荷序列施加到壁和/或内电极时，产生离子。在一些实施方式中，壁和/或内电极可首先经历初始电荷序列，以使环形空间中的一些中性气体电离，随后转换为驱动离子旋转的不同的电荷序列。例如，用于电离气体的电荷分布可能简单地包括将约束壁电极714接地，同时向内电极724施加高电势。在一些实施方式中，可将已经部分电离的气体引入到环形空间740中。

虽然图7a和图7b描述可用于在环形空间中驱动离子旋转的两个二进制电荷分布，但是许多替代的电荷序列也是可能的。在一些电荷序列中，电极可例如在接地电势下保持一定的持续时间，或者可具有不对称的电荷序列(例如，正电势的持续时间为负电势持续时间的两倍)。

在某些实施方式中，该系统不需要磁场，例如轴向静磁场。图7a描述当电极提供有第一电势分布，使得离子(例如，离子云或离子团)704在-Θ方向经历力时，在第一时间点取的该实施方式的示例。图7b描述当电极提供有不同的电势分布，使得离子704继续在-Θ方向经历方位角力时，在稍后的时间点图7a的实施方式。

混合实施方式

在某些实施方式中，反应堆包括用于产生洛伦兹力和振荡静电场二者的特征，以通过离子-中性物耦合驱动离子和中性物旋转。在运行的任何阶段，反应堆可使用这些机制中的一个或两个。图6a-f描述适于这样运行的示例性反应堆。图6a为反应堆的等距视图，图6b为Z方向的反应堆的视图，图6c为反应堆的等距截面图(对应于图6b中的线A-A)，图6d提供反应堆的侧视图，而图6e和图6f为在不同时间点的截面图(对应于图6d中的线B-B)。所描述的实施方式包括内部环形磁体626和也用作约束壁的同心外部环形磁体616。环形磁体具有在相同方向定向的极，使得内部环形磁体和外部环形磁体的对应的表面相同。在这种情况下，外表面为北极658，内表面为南极659。在一些实施方式中，在磁体658的内表面上可存在一个或多个附加的材料层，使得约束表面材料不同于磁性材料。同心磁体之间的区域形成的环形空间640，环形空间640通过一对或多对电极660a和660b被约束在z方向。当电极对660a和660b被给予不同的电势时，例如通过向电极660a施加正电势，同时使电极660b接地，在环形空间中产生基本上平行于z方向的电场。当在环形空间中产生离子时，正交电场和磁场引起它们在-Θ方向方位角旋转(参见例如图6c)。如果向电极660b施加正电势，同时使电极660a接地，则离子将在Θ方向旋转。

在一些实施方式中，如在图6a-e中描述的，多个电极660a和660b沿环空间径向分布。在这种情况下，可采用与图7a和图7b中的反应堆相类似的方式驱动反应堆。在运行期间，使用不同于相邻电极对的电势的基本上类似的电势驱动每个电极对，使得在Θ方向产生局部电场。如在图6d和图6e中描述的，施加到电极对的电压可以受控顺序调制，使得施加到离子的静电力呈现基本上连续的方位角(在Θ或-Θ方向)变化分量。在一些配置中，反应堆可设置成最初通过洛伦兹力驱动离子和中性物的方式运行，随后使用刚刚描述的交替静电场6驱动离子和中性物。

反应堆类型(尺寸)

在一方面，反应堆可按它们提供的输出功率分类成组。采用这种方式，出于本讨论的目的，本公开的反应堆分为小型、中型和大型反应堆。小型反应堆通常能产生约1-10kW的功率。在一些实施方式中，这些反应堆用于个人应用，例如为汽车供电或向家庭提供电力。下一个分类为中型反应堆，其通常提供约10kW-50MW的功率。中型反应堆可用于较大的应用，如服务器群，和大型车辆，如火车和潜艇。大型反应堆为设计以输出约50MW-10GW功率的反应堆，并且可用于大型运行，例如为电网和/或工业发电厂的部分供电。虽然这三个通常的分类提供本公开可能涉及的实际类别，但是本文公开的反应堆不限于这些类别中的任何一个。

护罩或约束壁的表面积(周长和轴向的乘积)通常限制反应堆可产生的最大功率。具有大表面积的护罩在大面积的内表面上(例如，图1a中的122)支持聚变反应。对于小型反应堆，护罩的内表面的半径通常为约1厘米至约2米，并且内表面的表面积通常在约5立方厘米至20立方厘米之间。对于中型反应堆，护罩的内表面的半径通常为约2米至约10米，并且内表面的表面积通常在约25立方米至150立方米之间。对于大型反应堆，护罩的内表面的半径通常为约10米至约50米，并且内表面的表面积通常在约125立方米至628立方米之间。在一些情况下，内表面的半径可为几公里的数量级，具有与瑞士的CERN实验室运行的大型强子对撞机(LHC)类似的占地面积。上述每个值都假定单个反应堆为独立的，或者为连续排列的反应堆的一部分(如下所述)。

第一实施方式

图1a-c描述具有同心电极的反应堆的结构，其利用洛伦兹转子来驱动带电粒子和聚变反应物旋转。该实施方式具有内电极120、外电极110和在两个电极之间的环形空间140。在运行期间，在这些电极之间的施加的电势产生基本上在r方向的电场144。虽然未显示，但是该实施方式还包括在内电极和外电极之间在z方向产生磁场146的永磁体或电磁体(例如，超导磁体)。如在图1c中描述的，由于径向电场和轴向磁场，在电极之间移动的带电粒子经历方位角方向力或洛伦兹力。

如所显示的，在图1a中描述的反应堆具有使内电极112的外表面和外电极122的内表面径向分开的间隙142。虽然内电极和外电极的相对表面的表面积可决定反应堆的规模，在宽泛的应用中，径向间隙可维持相对恒定。在一些情况下，间隙的上限可受限于可用于电离环形空间中的气体并产生等离子体电流的功率，而间隙的下限可受限于制造公差。当间隙非常小时，例如小于0.1毫米时，电极之间的任何未对准可引起电极接触而产生短路。当然，由于制造公差允许更高的精度，较小的间隙可能是可行的。在一些实施方式中，间隙可在约1毫米至约50厘米之间，在一些实施方式中，间隙可在约5厘米至约20厘米之间。在一些情况下，间隙可沿反应堆的r方向和/或z方向变化。例如，内电极的半径可作为沿z轴的位置的函数而变化，而外电极的内表面的半径恒定。

由外电极产生的约束壁的z方向长度可由反应堆的径向尺寸和发电要求确定。在一些实施方式中，外电极的z方向长度可受限于用于产生磁场的磁体的类型和配置。例如，如果将永磁体沿z方向放置在环形空间的任一端上(如在图11中描述的)，则外电极的z方向可局限于约5或约10厘米。然而，如果使用多个永磁环形磁体(如图16和图17所示)或电磁体，或超导磁体(如图10所示)产生磁场，则外电极的z方向长度可能长得多。例如，外电极可为约1米至约10米之间。通常，外电极110的长度与内电极120的长度类似，但并不总为这样。在一些实施方式中，内电极可在一个方向或两个方向延伸超过外电极。在一些实施方式中，外电极的长度可超过内电极的长度，使得外电极在一个方向或两个方向延伸超过内电极。

虽然图1a-图1b描述一种配置，其中固体圆形内电极与圆形外电极结合使用，但是在该配置中可使用许多电极形状的排列。替代实施方式的几个非限制性实例对于本领域技术人员显而易见，并参考图8a-b和图9a-c讨论。虽然提供了几个说明性实例，读者可容易理解有多少附加电极形状是可行的。

如在图8a中描述的，在一些实施方式中，内电极820可为自始至终不是实心的环状结构。在内电极内提供空腔或开放空间可用于散热，使用如图17a-c所示的内部磁体，或者使用反应堆内的其他部件。在一些情况下，内电极和外电极的半径可沿反应堆的z方向变化。例如，如图8a所示，内电极820沿z方向在一些位置可具有较大的圆周，从而减少在那些位置的间隙842。相反，均匀的内电极可与内部半径沿z方向改变或甚至波动的外电极一起使用。在一些情况下，例如在图8b中描述的实施方式，内电极820的半径和外电极810的内表面的半径均在z方向变化，使得间隙842沿反应堆的z方向保持。

图9a-c描述具有非圆形横截面的反应堆的横截面。如所描述的，在一些实施方式中，内电极920和外电极910可具有在方位角(即，在Θ方向)变化的半径。在一些情况下，内电极和外电极的表面(912和922)可具有如图9a所示的椭圆截面。在一些情况下，椭圆形横截面电极的长轴和短轴只相差很小百分比，例如小于1％。在一些实施方式中，表面912和/或922可形成多边形横截面，例如图9b所示的反应堆具有形成七边形的横截面。在一些实施方式中，表面912和922可具有4个或更多个边；在一些实施方式中多于8个边，在一些实施方式中多于16个边。在一些情况下，表面912上具有角可能是有利的；例如，旋转粒子可能与在角落位置处的靶材料的碰撞速率增加，导致聚变比率增加。在一些实施方式中，例如在图9c中描述的反应堆配置中，由表面912和922限定的内电极或外电极的半径可在Θ方向变化，使得任一表面的横截面具有带图案的边缘；例如为正弦、锯齿形或方波形的边缘。虽然在所描述的实施方式中的内电极和外电极为同轴的，但在一些实施方式中，内电极和外电极的轴线偏移，例如，环形空间偏心，使得内电极和外电极具有基本平行但不共线的z方向轴。

用于内电极和外电极的材料可取决于反应堆尺寸、选定的聚变反应物以及控制聚变反应堆运行的其他参数。通常，在成本、热性能和电气性质方面存在许多权衡，这决定选择哪种材料用于反应堆。由于耐火金属(例如，钨和钽)极高的熔点和高温下相对高的导电性，小型反应堆可选择耐火金属；然而在大型反应堆中使用这些材料可显著增加反应堆的成本。

在某些实施方式中，电极材料具有足够高的熔点以承受在反应堆运行期间释放的热能。对于外电极，形成在其上可发生聚变反应的约束壁，热能释放通常大。为了承受规律使用，外电极的材料的熔点应超过在反应堆运行期间由电极达到的温度。在一些情况下，选择用于电极的材料熔点大于约800℃，在一些情况下，电极的熔点大于约1500℃，而在其他情况下，熔点大于约2000℃。

在许多实施方式中，对于电极材料有益的是具有高导热性。如果以可在稳态条件下将热量引入电极的等效的速率从电极提取热量(例如，使用热交换器)，则反应堆可适用于连续运行。当电极材料具有高导热性时，可改进提取热量的速率，并且减少过热的担忧。在一些情况下，热导率大于约10

在一些情况下，热导率大于约100

在一些情况下，热导率大于约200

在某些情况下，例如当反应堆设置成脉冲操作时，对于电极材料有益的可能是具有高热容量。通过具有高热容量，在反应堆运行期间，电极以较慢的速率升温。当用于脉冲操作时，所产生的热能可在脉冲之间继续通过电极消散，防止电极达到其熔点。在一些情况下，电极的比热应高于约0.25J/g/℃，在一些情况下，比热应大于约0.37J/g/℃，在其他情况下，比热应高于约0.45J/g/℃。

在某些实施方式中，电极材料具有相对小的热膨胀系数。在一些情况下，通过具有低热膨胀系数，反应堆可在更大的温度范围内具有改进的性能。例如，如果反应堆在室温下具有约1毫米的间隙，则由于内电极和/或外电极的膨胀，在稳态运行期间，间隙可成比例地小得多。如果热膨胀系数太高，则外电极和内电极可接触从而引起短路。或者，如果将反应堆设计成在工作温度下具有一定的间隙，则当反应堆首次打开时，间隙可大于所需的间隙。在一些情况下，电极材料的线性热膨胀系数小于约4.3×10^-6℃^-1，在一些情况下，电极材料的线性热膨胀系数小于约6.5×10℃^-1，在其他情况下，电极材料的线性热膨胀系数小于约17.3×10^-6℃^-1。

为了促进反应堆运行，可将电极设计成具有诸如在热循环期间抗劣化的机械性能。在某些条件下，一些材料(例如不锈钢)变脆，最终由于热循环而经历疲劳。如果反应堆在脉冲操作中运行并且电极被快速加热和冷却，则可发展内部应力。在一些情况下，可通过使用具有单个基体材料的电极，或通过使用具有类似膨胀系数的两种或更多种材料来降低热负荷循环的影响。某些材料可能由于高温下的蠕变而经历变形。因此，可选择在升高的温度下保持其强度的电极材料。

电极材料可能是化学惰性的，并且在反应堆的寿命期间不受到氧化、腐蚀或其他化学降解的显著影响。电极材料的另一个考虑为它们是否为铁磁性的。在一些情况下，如果使用铁磁材料，则产生内部局部磁场，其对环形空间内预期的磁场的建立或维护产生干扰。

在具有同心电极的洛伦兹驱动反应堆中，内电极和外电极可由足够导电的材料制成，使得在运行期间，电势均匀地施加在电极的表面上。在某些实施方式中，在室温下，内电极材料或外电极材料的电阻率小于约7×10^-7Ωm，在一些情况下小于约1.68×10^-8Ωm。除了在室温下导电之外，当反应堆不运行时，内电极和外电极在较高工作温度下可导电。在运行期间，内电极或外电极可达到约600℃至约2000℃的温度。在运行期间，外电极材料的电阻率应不大于约1.7E-8Ωm，在一些情况下，不大于约1E-6Ωm。

在反应物或副产物包括氢或氦的情况下，可考虑材料对氢脆性的抵抗力。氢脆性为金属(如不锈钢)变脆的过程，在一些情况下，是由于氢原子或分子引入并随后扩散到金属中的断裂。由于在较高温度下氢的溶解度增加，因此在反应堆运行期间，氢气到电极材料中的扩散可增加。当通过浓度梯度辅助时，其中金属外部的氢比内部显著更多，例如由在约束壁上撞击的氢原子的离心致密化引起的，扩散速率可进一步增加。金属内的单个氢原子逐渐重组以形成氢分子，在金属中产生内部压力。另外或可替代地，夹杂的氢分子本身产生内部压力。该压力可增加到金属具有降低的延展性、韧性和拉伸强度的水平，直到形成裂纹并且电极失效的程度。在一些情况下，其中金属含有碳(例如碳化钢)，电极可易受称为氢蚀的过程的影响，其中氢原子扩散到钢中并与碳重组以形成甲烷气体。当甲烷气体在金属内收集时，其产生内部压力，这可导致设备机械故障。尽管在本文别处描述减少氢脆化影响的方法，但通常当设计电极时考虑材料对脆化的敏感性。在一些情况下，电极可包括铂、铂合金和诸如氮化硼的陶瓷，其每一种抗氢脆化。在一些情况下，可修改冶金结构，使得氢在金属晶格中的影响较少有害。例如，在一些情况下，金属或金属合金可经历热处理，以实现所需的冶金结构。

在各种实施方式中，内电极和外电极主要由金属和金属合金构成。在一些实施方式中，内电极和/或外电极至少部分由具有高熔点的难熔金属制成。已知难熔金属在化学上惰性，适合于使用粉末冶金制造，并且在非常高的温度下对蠕变稳定。合适的难熔金属的实例包括铌、钼、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、铑、锇和铱。在一个实例中，至少外电极包括钽。

在一些实施方式中，使用不锈钢制造一个或两个电极。不锈钢的益处包括其机械加工性和耐腐蚀性。在一些情况下，电极至少部分由非碳基不锈钢(例如因科镍铬不锈钢(Incoloy))制成，其可比碳化不锈钢更耐氢脆性。在一些情况下，电极可至少部分由镍合金制成，其在非常高的温度下维持其强度，例如因科内尔铬镍铁合金(Inconel)、蒙乃尔铜-镍合金(Monel)、哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastelloys)和镍铬钛合金(Nimonic)。在一些情况下，电极至少部分由铜或铜合金制成。在一些情况下，电极设置具有一个或多个通道用于内部冷却以提取热量，使得可使用耐极端温度程度较低的材料。

虽然在一些运行条件下，吸收小的原子聚变反应物(例如氢、氘或氦)可导致电极的机械故障，但对于某些材料，可减少或消除有害的脆化作用。例如，在一些条件下，吸氢材料(诸如钯-银合金)似乎不受氢脆性的影响(Jimenez，Gilberto等人，"A comparativeassessment of hydrogen embrittlement:palladium and palladium-silver(25weight％silver)subjected to hydrogen absorption/desorption cycling(氢脆性的对比评价：经历氢吸收/解吸循环的钯和钯-银(25重量％银))"(2016)，其通过引用全文并入本申请)。在这种情况下，聚变反应物的吸收可增加聚变反应的速率，例如，诸如氢的旋转的气体反应物可与固定在外电极(或约束壁)上的固定的氢原子碰撞。在一些情况下，通过使反应物通过内电极和/或外电极扩散而将反应物提供给反应堆。在一些情况下，电极可包括钛、钯或钯合金，用于递送聚变反应物或增加聚变反应物之间的碰撞速率目的。

在一些情况下，如本文别处所讨论的，外电极或内电极可包括具有高电子发射率的电子发射材料。在一些情况下，外电极可包括靶材料，该靶材料包括聚变反应物。在一些情况下，由于聚变反应，靶材料在运行期间被消耗。例如，在一些情况下，六硼化镧用作靶材料，硼-11原子在质子-硼反应期间被消耗。

第一实施方式-电极：

在一些实施方式中，外电极为整体的，其由单一材料制成，在其他实施方式中，外电极具有包括两种或更多种材料的层状或分段结构。在一些实施方式中，外电极的内表面(约束壁)，包括靶材料(含有聚变反应物的材料)或电子发射材料。在一些情况下，靶材料或电子发射体可覆盖约束壁的整个表面积，在一些情况下，靶材料或电子发射体位于沿约束壁的一个或多个分立的位置(例如，如在图21a-b中的电子发射体描述的)。

在一些情况下，外电极的内层提供一种性质，而更外层提供不同的性质。例如，形成约束壁表面的内层可具有高熔点，而外层可有优良的导热性或导电性。

在一些情况下，电极可包括形成约束壁的材料的层，其比电极的其余部分具有更高的耐氢脆性。在一些情况下，电极包括陶瓷涂层，其可防止氢原子穿透到外电极的晶格中或提供本体电极材料的热绝缘。在一些实施方式中，外电极可具有氮化铝层、氧化铝层或氮化硼层。可将在室温下具有低导电性的一些材料(例如氮化硼)热处理，以改进它们的导电性。在一些情况下，电极可经历表面处理，将材料加入到电极表面，并减少氢脆化。例如，当电极由对氢脆化敏感材料(例如钽)制成时，通过向电极表面加入少量贵金属可减少脆化。在一些情况下，贵金属可仅覆盖电极表面的一小部分。例如，贵金属可覆盖电极表面小于约50％，小于30％或小于10％，显著减少电极氢脆化。在一些情况下，可向电极表面加入少量的铂、钯、金、铱、铑、锇、铼和钌以减少氢脆化。在一些情况下，可将贵金属的小斑点(例如约0.5英尺半径)铆接或焊接到电极表面。在一些情况下，可将贵金属粉末加入到反应堆，并且在正常运行期间，粉末在电极表面上溅射。在一些情况下，例如在反应堆已经运行预定时间后，可将贵金属周期性加入到电极的表面。

在一些情况下，套筒附接到外电极的内表面，使得套筒的内表面形成约束壁。在一些情况下，套筒可用于例如提供靶材料，提供电子发射体，提供氢气穿透到外电极的屏障，和/或为外电极提供热保护。在一些情况下，套筒是可消耗的和/或可更换的。例如，如果套筒含有被消耗的靶材料，则套筒可最终被更换。在其他情况下，套管用作牺牲层，其保护外电极免受氢脆化。在套管本身由于氢脆化而失效的情形中，更换成本比整个外电极低得多。

在一些实施方式中，外电极可具有多孔或网状结构，其允许高能带电粒子通过电极，同时仍将旋转的中性物限制在环形空间内。通过外电极的带电粒子可通过外部磁体的磁场引导。在一些情况下，逃逸的α粒子重新定位朝向能够将α粒子的动能转换成电能的硬件(在本文其他地方讨论)。在一些情况下，外电极中的孔径可小于约100微米，在一些情况下，小于约1微米。通常，内电极的结构与外电极的结构类似。与外电极一样，内电极可由单一材料制成，或者可具有由两种或更多种材料制成的层状或分段结构。在一些实施方式中，内电极可为实体；在其他实施方式中，内电极具有内部空间。在一些情况下，内电极可包括用于内部冷却的一个或多个路径。在各种实施方式中，内电极与提供电流的电源连接，该电流从内电极输出到接地的外电极。外电极的材料通常也适用于内电极，尽管在某些实施方式中，内电极不包括靶材料或电子发射材料。

第一实施方式-磁体

图10a-d描述第一实施方式，其中通过电磁体(诸如超导磁体)施加轴向磁场。图10a显示围绕反应堆的外电极的超导磁体的等距视图。如所描述的，磁体包括外壳1056。图10b提供与图10a相同的透视图，其中除去超导磁体的外壳1056，露出超导线圈绕组1054。图10c提供沿z轴观察的反应堆的透视图，图10d为对应于图10a所示的剖面线A-A的等距截面视图。如所描述的，反应堆具有外电极1010、内电极1020和限定两个电极之间的环形空间1040的间隙10。电流(如图10a中的箭头所描述的)通过卷绕反应堆的超导线圈绕组1054，产生通过环形空间的基本上在z方向的施加的磁场。在一些实施方式中，超导磁体用于产生约1-20特斯拉、通过环形空间的施加的磁场。在一些情况下，所施加的磁场在1-5特斯拉之间。将线圈绕组放置在位于反应堆周围的绝缘外壳1056中，该反应堆保持在低温(例如小于-180℃)和低压下。外壳1056可通过例如绝热膨胀气体(例如He)或低温液体来冷却，使得超导线圈的温度保持低于其临界温度。在一些情况下，可将外壳机械冷却，避免低温液体的任何需求。线圈绕组可由诸如铌-钛或铌-锡、铋锶钙铜氧化物(BSCC)或钇钡铜氧化物(YBCO)的超导材料制成。线圈绕组可采用可缠绕在绝缘材料中的线或带形式。在一些情况下，线圈绕组可包括放置在铜基质中的前述超导材料中的任一种，以提供机械稳定性。在一些实施方式中，市售可得的超导磁体可来自供应商(例如CryomagneticsInc.)或核磁共振成像设备的制造商。在一些情况下，可使用例如或类似于用于α磁谱仪实验的AMS-02超导磁体的超导磁体。当超导磁体用于提供轴向磁场时，约束壁的半径通常小于超导磁体的半径，例如在一些情况下，半径可局限于约20米。

当将电磁体或超导磁体放置在外电极周围时，在外电极1010与磁体1056的外壳之间可存在间隔。可使用该间隔减少向磁体的热传递。在一些情况下，可将热交换器放置在外电极1010和磁性外壳之间。当外电极具有多孔或网状结构时，在外电极和磁体外壳之间可存在间隔，该间隔允许带电粒子通过外电极。通过外电极的带电粒子(例如α粒子)可通过离子回旋运动被约束在r方向，使得它们不与外壳1156碰撞。在一些情况下，外电极之间的间隔为约3厘米至6厘米，在一些情况下，为约6厘米至10厘米。如本文其他地方所述，带电粒子可随后在z方向朝向能量转换装置行进，用于产生电能。图11a-b描述一种反应堆，其中将盘形永磁体1150放置在环形空间1140的任一端上，以产生基本上轴向定向的施加的磁场(即，它指向z方向)。图11a提供沿z方向观察的透视图，而图11b提供对应于图11a中指示的剖面线的等距截面视图。如在图11b中描述的，反应堆具有内电极1120、形成约束壁1112的外电极1110以及在内电极和外电极之间的环形空间。将磁体1150放置在环形空间的任一侧上，并且具有相同的磁性定向。例如，两个磁体可具有朝向正z方向的北极，或者两个磁体可具有朝向负z方向的北极。虽然未描述，但在一些实施方式中，磁体1150可为环形的，使得磁体接近环形空间1140，并沿外电极1112的内表面提供基本上均匀的磁性区域。环形磁体具有与在图11中描述的盘形磁体相同的极定向。

图12a-b描述另一个实施方式，其中将在z方向具有相同极性的多个永磁体1250(例如，与在图11中描述的盘形磁体相同的定向)放置在环形空间1240的任一侧上，以沿外电极1212的内表面在z方向产生施加的磁场。图12a提供在z方向的透视图，而图12b提供对应于图12a中指示的剖面线的等距截面视图。一些特征在放大视图1201中被标记，描述环形空间如何被内电极1220、外电极1210和永磁体1250约束。使用多个较小的磁体可用于降低与大型反应堆中较大的整体磁体相关的成本与物理限制。可将图12a和图12b所示的磁体1250的排列看做是有效产生两个面对面的环形磁体。虽然未显示，但是在一些实施方式中，不同磁体形状的组合用于产生轴向磁场。例如，可在环形空间的一侧上使用环形磁体，而在另一侧上可使用多个棒状磁体。

图13a-c描述了一种实施方式，其中具有单个内电极1320的反应堆1300具有沿z方向排列的通过永磁体1350分隔的多个环形空间1340。如所描述的，反应堆具有内电极1320、形成的约束壁1312的多个外电极1310(其为壁片段的组合)和每个外电极和内电极之间的环形空间1340。图13a提供沿z方向观察的透视图，而图13b和图13c提供分别对应图13a中的指示的剖面线的截面图和等距截面图。当将永磁体放置在环形空间的任一端时，z方向的环形空间的长度可受限于可通过永磁体产生的磁场的强度。在一些情况下，环形空间可局限于例如约5或10厘米。通过在多个环形空间1340之间在Z方向排列磁体1350，可增加在外电极1310的约束壁1312上的总表面积。与先前的实施方式一样，每个磁体1350沿z轴具有相同的定向。这种设计有效利用在环形空间之间的永磁体，因为每个磁极有助于施加于接壤环形空间的磁场成形。尽管所描述的实施方式显示使用环形磁体，但也可使用许多其他形状；例如，接壤环形空间的每个磁体可由许多较小的磁体组成，这些较小的磁体共同形成环状结构(参见图12a-b)。在一些实施方式中，可将外电极1310分段成电隔离的物理上不同的部分。在一些实施方式中，外电极可为整体的或以其他方式电连接，例如使得对应于每个环形空间1340的每个外电极接地。

图14a-c描述了一种实施方式，其中单个反应堆结构1400具有沿z方向排列的通过永磁体1450分隔的多个环形空间1440。如所描述的，反应堆具有多个内电极1420和形成约束壁1412的多个外电极1410，约束壁1412用于每组电极之间的环形空间1440。图14a提供z方向的透视图，图14b和图14c提供对应于图14a中指示的剖面线的截面视图和等距截面视图。不是如图13a-c的实施方式描述的采用环形磁体和单个内电极，图14a-c的实施方式采用盘形磁体和多个内电极段。来自图13a-c的对应特征的描述适合图14a-c的实施方式。在一些实施方式中，所示的反应堆可仅使用可用环形空间的子集来运行，这取决于能量需求。例如，在一些实施方式中，仅将聚变反应物引入到一个环形空间中，并且仅将电压电势施加到与该环形空间相邻的内电极。采用这种方式，可控制反应堆的能量输出以满足能量需求，如果需要，甚至实时控制。因此，在一些实施方式中，各个内电极1420和/或外电极1410独立可控。

图15a-图15c说明通过一系列环产生的磁场，磁体1550基本上同轴且具有相同的定向。图15a为三个磁体的等距视图，图15b描述沿磁体的共享轴线的视图，图15c为对应于图15b中的线A-A的截面视图。尽管先前的实施方式已利用在z方向偏移环形空间的磁体，但磁体也可在r方向径向偏移环形空间。如图15c中的虚线所说明的，当单独考虑时，每个环形磁体产生起始于其北极并终止于其南极的磁场1545。当将多个环形磁体彼此相邻放置时，净效应可为组合的磁场，其为单个磁场的迭加并且基本上沿共享轴指向，如实心磁场线1546所指示。该磁体配置在使用永磁体的同时可用于延长反应堆的环形空间的可行长度。

图16a-图16c说明使用径向偏移环形磁体1650通过环形空间产生轴向磁场的实施方式。如所描述的，反应堆具有单个内电极1620和形成约束壁1612的单个外电极1610，约束壁1612用于电极之间的环形空间1640。图16a提供沿z方向观察的反应堆的透视图，而图16b和图16c提供对应于图16a中的指示的剖面线的截面图和等距截面视图。每个磁体1650沿z方向具有相同的极性。例如，如所描述的，每个磁体1650具有面向正z方向的南极。该实施方式允许在z方向延伸的环形空间，在约束壁1610上产生更大的表面积，并允许更大的功率输出电势。图13和14的对应实施方式的重迭特征可应用于图16a-c的实施方式。

图17a-图17c说明使用径向偏移磁体(1750，1752)通过单个环形空间产生轴向磁场的实施方式。如所描述的，反应堆具有单个内电极1720和形成约束壁1712的单个外电极1710，该约束壁1712用于电极之间的单个环形空间1740。图17a提供在z方向观察的反应堆的透视图，而图17b和图17c提供对应于图17a中指示的剖面线的截面图和等距截面视图。图17a-c的实施方式超出了关于图16a-c描述的实施方式，在于将附加磁体1752放置在内电极1620的内部区域中。如所描述的，附加磁体1752沿z方向具有与外部磁体1750相同的定向。在一些实施方式中，如在图17b和图17c中描述的，内部环形磁体1752在z方向与外部环形磁体1750对准。在一些实施方式中，内部环形磁体可偏移外部环形磁体，或者磁体之间的间隔可不同于外部磁体的间隔。在一些实施方式中，内部磁体可采用与外部磁体不同的形状，例如，内部磁体可为棒状磁体。

在一些实施方式中，永磁体由稀土元素或稀土元素的合金制成。合适磁体的实例包括钐-钴磁体和钕磁体。现在已知或以后开发的其他强磁体可适合使用。在一些实施方式中，永磁体可用于在环形空间中产生约0.1至1.5特斯拉的磁场；在一些实施方式中，永磁体可在环形空间中产生约0.1至约0.5特斯拉的磁场。

不是所有的反应堆都需要永磁体。有些采用电磁体或超导磁体，如参考图10a-d解释的。一些反应堆采用永磁体和电磁体中的两种或更多种的组合。图18a-d描述其中通过电磁体施加轴向磁场的第一实施方式。如所描述的，反应堆具有内电极1820和形成约束壁1812的外电极1810，该约束壁1812用于在电极之间的环形空间1840。图18a显示放置在反应堆上的电磁体的等距视图。图18b提供沿z轴反应堆的透视图，而图18c和图18d描述对应于图18b中所示的剖面线的截面视图和等距截面视图。电流通过在z方向环绕反应堆的线圈绕组1854，以产生通过反应堆基本上在z方向的施加的磁场，如在图18c中的磁场线所描述的。通过导电线圈的电流可通过AC或DC电源提供。在导电线圈通过AC电源驱动的情况下，内电极和/或外电极也可通过相同频率的AC电源驱动。这样做使得带电粒子的旋转保持在相同的方向，而不是交替方向，如果磁场的交替极性与电场不同步会发生交替方向。线圈可由诸如铜、铝、金或银的导电材料制成。在一些实施方式中，线圈采用缠绕外电极的线的形式，在一些实施方式中，将线圈放置在单独的外壳中，该外壳可在外电极周围。

反向电极性实施方式

前面在图5a至图5c中描述反向电极性转子。通常，除非另有说明，否则对应于第一实施方式的电极的结构也描述反向电极性转子。例如，用于内电极和外电极的材料、电极之间的间隙(图5a中的542)和用于在z方向产生磁场的磁体的配置可与同心电极反应堆所描述的相同。然而，如以下解释的，一些实施方式采用不同的结构配置和/或不同的材料(例如在内电极上不同的材料)。

图5d描述反向电极性转子的交叉选择。可通过向内电极施加负电压并且将外电极接地，通过将内电极接地并向外电极施加正电势，或者通过向内电极施加比向外电极施加的更多的负电势，在负r方向施加电场。当通过向内电极和/或外电极施加电势产生电场时，环形空间540中的带正电的粒子被拉向内电极520。当带电粒子向内移动时，洛伦兹力方位角加速粒子，这可导致螺旋轨迹，如路径503所说明的。在整个离子-中性物耦合中，环形空间中的中性物与带正电荷的粒子一起共同旋转。由于内电极和外电极之间的电势差，内电极上的剩余的电子形成靠近电极表面的富电子区域532，由于洛伦兹力，其在与正电粒子相同的方向旋转。如其他地方讨论的，该富电子区域可减少聚变核之间的库仑势垒。在一些情况下，该富电子区域可从内电极的表面延伸出约100微米至约3毫米。

在一些情况下，当带正电的粒子向内移动时，当带正电的粒子接触内电极时或当带正电的粒子在富电子区域中遇到自由电子时，发生带电物质的重组。在一些情况下，带正电的粒子可在拉穆尔(Larmor)半径502处环绕内电极轨道运行。在一些实施方式中，带正电的粒子的浓度可在径向方向变化。例如，比在外电极附近，在Larmor半径处围绕环形空间的带正电荷的粒子的浓度可更高。带电粒子的这种梯度可导致在环形空间内的速度分布，其中在外壁附近的粒子倾向于更缓慢地移动，此处由于离心力而存在较高浓度的中性物，并且较少的带正电荷的粒子驱动中性物运动。

在一些实施方式中，内电极由诸如钽、钨、铜、碳或六硼化镧的单一的材料构造。在一些情况下，内电极具有涂布有电子发射和/或靶材料520b的导电芯520a。例如，内电极可具有由导电和耐热材料(例如钨)制成的芯，其涂布有六硼化镧、氮化硼或另一种含硼材料。在一些情况下，内电极的直径在约1厘米至约3厘米之间，在一些情况下，约4厘米至约6厘米。在一些情况下，内电极具有微小的横截面，例如其可为细丝或线。在这样的实施方式中，内电极的直径可小于约0.5毫米，小于约0.1毫米或小于约0.05毫米。在一些情况下，内电极在z方向的长度可延伸约3厘米至约10厘米。在一些情况下，内电极可在z方向小，例如小于约3厘米，或小于约1厘米。在一些实施方式中，内电极可在z方向长得多，例如长于约20厘米。在一些情况下，用于反向电极性反应堆的z方向的约束区域(内电极和外电极重迭的长度)可受限于向内电极和/或外电极施加电荷的电源。在一些情况下，z方向的长度可取决于在约束区域内的气体压力。在一些情况下，如果气体压力降低到非常低的压力，允许在z方向增加的长度，可降低在环形空间内产生等离子体所需的功率。

图19a描述主动冷却内电极的几种方法。在一些情况下，内电极1910具有内部通路1928，流体通过该内部通道除去热量。例如，可将水泵送通过内部通道以从内电极除去热量。在一些情况下，可将内电极与导热且电绝缘的陶瓷块1923连接。陶瓷块可由诸如氧化铝的材料制成。通过陶瓷块散热，从与其连接的内电极的末端除去热量。在一些情况下，陶瓷块含有开口或孔以支撑内电极。在一些情况下，使用固定螺钉将内电极与陶瓷固定。在一些情况下，通过陶瓷块传导的热量用于产生电力，例如通过与陶瓷块连接的热电发电机或热交换器。

在一些情况下，如果靶材料被消耗或者如果电极损坏，则可更换内电极。例如，当硼涂层被消耗或者当细丝断裂时，可更换用作内电极的涂硼细丝。

在某些实施方式中，内电极的长度延伸超过环形空间(由外电极的z方向边缘限定)。在一些情况下，例如通过线性致动器，在z方向调节内电极的位置。例如，如果内电极为线，则在反应堆运行期间，可将线通过环形空间拉伸，以防止内电极熔化，或者以更换靶材料(例如，硼涂层)已被消耗的线的一部分。

在一些情况下，内电极的宽度可在z方向变化。图19b描述一种配置，其中内电极1920延伸超过外电极1910，并且通过可用作内电极的延展的套筒1921保持在适当位置。套筒1921可由导电材料制成，例如铜、不锈钢和钽。在一些情况下，可通过套筒向内电极施加电势；这可减少对具有小直径的内电极的电阻加热。在一些情况下，套筒的直径可远大于内电极的直径。例如，套筒的直径可大于约10厘米，而内电极的直径小于约0.5毫米。在一些配置中，可使用固定螺钉将内电极固定到套筒上。在一些实施方式中，套筒可直接用螺纹与套筒连接。这些和其他附属装置可允许内电极1920可更换，而套筒1921为永久的。在一些情况下，套筒可涂布有诸如硼的靶材料。在一些情况下，如图19a讨论的，可将套筒从内部冷却。

与第一实施方式反应堆一样，内电极和外电极之间的间隙可受限于电源在约束区域中产生等离子体的能力。在一些情况下，外电极可在结构上与第一实施方式中描述的外电极类似。在一些情况下，外电极可具有外部绝缘层。例如，如果向反应堆的电极施加交变信号，或者如果反向电极性反应堆为由需要彼此电隔离的附加反应堆组成的模块单元的一部分，这可能有用。通常，内电极和外电极二者的支撑结构可包括电绝缘材料，使电极与反应堆的壳体绝缘，并防止电极之间的交流电路径。在一些情况下，外电极为金属片(例如，铜片)，通过放置在石英管内，将其限制为圆柱形。在一些情况下，外电极为放置在绝缘结构内的实心管状结构。在另一个实施方式中，通过用金属导电涂层涂布石英管的内表面来制备电极。

如其他地方讨论的，仅需要少量的离子或带正电的粒子来驱动许多中性粒子旋转。由于与外电极关联的约束壁，中性物的浓度在径向方向增加。然而，旋转的中性物不受径向电场或轴向磁场的影响。由于与外壁和其他粒子的随机碰撞，中性物可偏转到富电子区域，并且在一些情况下，中性物可撞击内电极上的靶材料，导致聚变事件。同样，在一些情况下，带正电的粒子也可偏转到产生聚变反应(例如，质子-硼¹¹聚变反应)的内电极中。

在一些情况下，反向电极性反应堆在恒定的电压下运行。例如，电压供给可向内电极和/或外电极施加电势，使得在反应堆运行期间维持电极之间的电势差恒定或基本上恒定。在另一种运行模式中，反向电极性反应堆以恒定的电流运行。当内电极小并且由于电阻加热而容易故障时，以恒定电流运行可能有益。在一些情况下，最初使用恒定电压运行反应堆，随后转换为恒定电流运行模式。

在一些配置中，诸如电容器或电池的能量存储装置用于向内电极和/或外电极施加电势以引发聚变反应。在一些情况下，电路调节通过能量存储装置供应的电流和/或电压。在一些情况下，能量装置(例如，电容器)与内电极和/或外电极连接并放电，直到能量存储装置不再能产生足够强以支持聚变反应的电场。在一些情况下，反应堆设置具有额外的能量存储装置，其通过由聚变反应产生的电能充电，同时第一能量存储装置放电。控制器随后运行开关，该开关在充电和放电模式之间交替能量存储装置，使得可保持聚变反应。

在一些情况下，电源与内电极和/或外电极不相连，并且在电极之间的电势差不再足以维持反应前，聚变反应继续发生一段时间(例如，约10秒)。当电场变得太小而不能维持聚变反应时，电压源或电流源可重新连接，以向内电极施加负电势。

在反向极性反应堆运行之前，环形空间中的气体压力可为约1个大气压或更高。在一些情况下，例如当内电极在z方向长时，内电极可具有低压力，以降低引发聚变反应所需的功率。在一些情况下，在运行反应堆之前，在环形空间内的压力可减少到小于约1托或小于约10毫托。在一些情况下，在环形空间内的压力可通过入口和出口阀调节，以控制聚变反应的速率。

对于反向电极性反应堆，在约束区域中的磁场有时大于约0.5特斯拉，有时大于约1特斯拉，有时大于约3特斯拉。在反向电极性反应堆的一些实施方式中，磁场与内电极和外电极之间的电场基本上不垂直。在一些实施方式中，在整个约束区域中磁场不均匀。通过调节磁体和/或电极的位置和定向，可调节在约束区域中的磁场。在一些情况下，不均匀的磁场可增加离子和中性物与内电极碰撞的速率。通常，施加的磁场和/或向电极施加的电势可根据反应堆的几何形状、反应物气体组成和反应物气体压力而变化。

在运行过程中，由于离心力，在外壁附近粒子(特别是质量较高的粒子)的浓度较大。这可能有助于从环形空间提取具有比旋转的反应物更高质量的聚变产物。例如，当通过涉及旋转的氢物质的聚变反应产生α粒子时，α粒子可在外壁附近集中，随后通过出口阀除去。在一些情况下，可将聚变产物泵送到另一反应堆中，其中聚变产物用作反应物。例如，可将在反向电极性反应堆中产生的α粒子或氦原子移动到另一个反应堆，该反应堆设置以支持氦-氦聚变反应。

反向场反应堆实施方式

另一个反应堆实施方式具有反向场配置，如前面关于图6a-d描述的。该配置采用洛伦兹转子，以赋予和保持粒子在环形空间中的旋转运动。通常，本文所述的许多反应堆可重新设置以施加反向场，虽然磁场和电场定向调换。

使用由诸如关于第一实施方式所述的磁性材料制成的永磁体(616和626)，可径向方向施加磁场。在一些情况下，永磁体可用具有径向定向轴的多个方位角偏移的电磁体代替，使得在整个环形空间施加基本上在r方向定向的磁场。在一些情况下，约束壁的表面可包括一层或多层保护磁性材料的层。例如，铝或钽层可为外部或内部磁体提供保护。在一些情况下，保护层可包括含有聚变反应物或电子发射体的靶材料。在一些情况下，约束壁可具有内部冷却系统，使材料保持低于其熔点并防止磁体退磁。

在同心电极实施方式中，内电极和外电极之间的间隙有时受到在环形空间中电离气体的可用功率的约束。类似地，在反向场配置中，分隔电极660a和660b的在z方向的约束区域可受到限制。例如，在一些情况下，电极之间的间隔为约1毫米至约50厘米，在一些情况下，电极之间的间隔为约5厘米至约20厘米。

在同心电极实施方式中，在z方向环形空间的长度有时可能受到永磁体强度的限制。类似地，在反向场配置中，在r方向的间隙有时可能受到在约束壁表面附近产生强磁场的限制。在一些情况下，径向间隙可局限于例如约10厘米或更小，或约5厘米或更小。在一些情况下，当磁体616自身在约束表面附近提供足够强的磁场时，间隙可能更大；例如，在一些情况下，间隙可大于约10厘米。在一些情况下，内部磁体可能不是必需的。

波粒反应堆实施例

先前简要描述了备选的反应堆配置，有时称为波粒实施例，并在图7a和图7b中描述。在波粒实施例中，通过振荡静电场将带电粒子驱动至旋转。中性物质带电粒子推动。通过对位于约束壁、内壁或与约束区域连通的另一个结构上的方位角分隔的电极施加电荷，产生电场。由于该实施方式不需要磁场，所以由于使用磁体强加的结构限制不适用。例如，反应堆的半径可大于环形或盘状磁体可行的。此外，由于该实施方式不需要内电极和外电极之间的电流流动，所以同心电极强加的结构限制也不适用。在波粒设计的一些实施方式中，约束壁的半径可大于约2米，在一些设计中大于约10米，并且在一些情况下大于约50米。与洛仑兹转子的一些实施相反，反应堆在z方向的长度不受永久磁铁强度的限制，这种限制在同心电极实施方式中有时可能出现。在一些实施方式中，约束区域(例如，环形区域)在z方向的长度可大于约1米，在一些情况下大于约10米，并且在一些情况下大于约100米。在一个实施方式中，反应堆在z方向存在曲率，使得约束壁形成环面或环面样形状。一般来说，反应堆的尺寸限制可受反应堆的能量需求和与生产相关的成本的控制。在波粒实施方式中，通过限定影响约束区域的方位角偏移电极的数量和尺寸，可设定对旋转物质的控制程度。沿约束壁的相对较大数量的电极允使电场线被更精细地调制，这可改进电场用于移动带电粒子的效率。在一些情况下，这是因为动态变化的电场主要在方位角方向而不是径向方向驱动粒子点。通常，反应堆将具有至少三个方位角间隔的电极。一些反应堆可具有至少五个方位角间隔的电极，一些反应堆可具有多于约50个方位角间隔的电极。在一些情况下，电极的数量与反应堆的尺寸成比例。例如，具有约1米半径的反应堆可具有约20至约40个沿约束壁的方位角间隔的电极，而具有约2米半径的反应堆可具有约40至约80个方位角间隔的电极。在一些情况下，反应堆的圆周(以米为单位)与方位角间隔的内电极或外电极的数目的比值为约3至约150，并且在一些情况下，该比值为约20至100。

在一些情况下，电极通过电绝缘材料(例如氮化铝或氮化硼)分开。绝缘材料可足够厚，使得材料不经历电击穿。最小厚度可由绝缘材料的介电强度和施加到电极的电压确定。在一些情况下，电绝缘材料含有靶材料(诸如硼-11的聚变反应物)和/或电子发射体。

在一些情况下，在方位角方向上电极的宽度可小于约10厘米，在一些情况下小于约5厘米，在一些情况下小于约2厘米。电极可具有各种形状中的任一种。例如，它们可为圆形或多边形。在一些情况下，它们为矩形。在一些实施方案中，反应堆利用仅沿约束壁的方位角间隔的电极。或者，在一些实施方式中，反应堆利用仅沿内壁的电极，或仅利用在z方向限制约束区域的电极(例如，电极布置可相应于在图6c中描述的反向场实施方式的电极660a和660b)。在电极本身不限定约束壁的情况下，约束壁的表面可由另一种材料(例如，靶材料或电子发射体)制成。例如，电极可通过套筒与约束区域分隔，该套筒含有由六硼化镧制成的取样片。

在一些情况下，约束壁设置具有热管理部件，例如热交换器(例如，冷却夹套)。热交换器可用于防止电极过热和/或供应以将加热的流体提供给热力发动机用于产生电能或热能。在一些情况下，通过使诸如水的流体通过约束壁中的通道，可从反应堆散热。例如，将方位角分隔的电极分隔的绝缘材料可具有内部通道，流体通过该通道。

在同心电极实施方式中，由于在约束区域中可用于电离气体的有限的功率，内电极和外电极之间的间隙有时受到限制。在波粒配置中，相邻定位的电隔离的电极之间的间隙也可受约束。例如，在一些情况下，电极之间的间距平均为约1毫米至约50厘米，在一些情况下，电极之间的间距平均为约5厘米至约20厘米。

在一些情况下，波粒反应堆具有多于一种运行模式。例如，可采用第一阶段来启动或撞击等离子体，并且可使用后来的阶段在旋转方向驱动离子(间接驱动中性物)。例如，可在内电极和外电极之间径向施加射频电场以产生弱电离的等离子体，制备用于运行的反应堆。一旦在内电极和外电极之间已产生等离子体，反应堆就可转换到这样一种模式，其中驱动信号按顺序施加到方位角分布的电极，以驱动带电粒子和中性物旋转。

基于反应堆配置和期望的旋转速度，可以在宽泛的所选的频率范围内提供施加到方位角分布的电极以驱动离子和中性物旋转的振荡信号。例如，可以施加频率范围为约60kHz至1THz的驱动信号，并且在一些情况下施加约60kHz至1GHz的驱动信号。在一些情况下，驱动信号的频率可能开始低，随后逐渐或突然增加。例如，驱动信号可在相对低的频率下开始，例如60kHz，最终斜升到更高的频率，例如100MHz。

在一些情况下，使用受控电压，驱动信号施加电荷(applies charge)。为了避免在电极之间产生电弧，最理想的是使用高电压和低电流，而不是在低电压下的高电流来施加电荷。在一些情况下，驱动信号在约1千伏至约100千伏之间施加到方位角间隔的电极。在一些情况下，驱动信号可向电极施加超过100千伏。

使用静电力，波粒实施方式可诱导旋转速度，该旋转速度超过在具有类似的反应堆配置(例如，类似的约束半径)的洛伦兹驱动的反应堆中通常发现的。在一些情况下，静电驱动的反应堆可以至少约1000RPS的速率驱动气态物质的旋转，在一些情况下至少约100000RPS。在波粒实施方式中，控制系统可用于引导如何将电荷施加到电极。在一些情况下，控制系统使用检测的速度作为反馈来调节施加到电极的电荷序列，该检测的速度使用高速摄像机或另一传感器确定。通常，方位角分隔的电极可具有类似的结构考虑，并且可由关于采用磁场的以上实施方式描述的那些类似的材料制成。

混合设计反应堆

关于图6a至图6f简要描述另一种通用反应堆配置，其可称为混合反应堆配置。该配置采用洛伦兹转子和波粒驱动器二者来赋予和维持粒子在环形空间中的旋转运动。当在混合反应堆中运行洛伦兹转子时，反向场实施方式的上述描述的一些方面可适用。类似地，当使用混合反应堆的方位角间隔的电极运行时，波粒实施方式的上述描述的一些方面可适用。

和反向场实施方式一样，可使用永磁体(616和626)在径向方向施加磁场，该永磁体可由磁性材料制成，例如关于第一实施方式描述的那些。在一些情况下，可用多个具有径向定向轴的方位角偏移的电磁体代替永磁体，使得在整个约束区域施加基本上在r方向定向的磁场。在一些情况下，约束壁的表面可包括一层或多层保护磁性材料的层。例如，铝或钽层可为外部磁体或内部磁体提供保护。在一些情况下，保护层可包括含有聚变反应物或电子发射体的靶材料。在一些情况下，约束壁可具有内部冷却系统，以将材料保持低于在其熔融温度，并防止磁体退磁。

在同心电极实施方式中，内电极和外电极之间的间隙有时受在环形空间中电离气体的可用功率的限制。类似地，在混合反应堆实施配置中，分隔电极660a和660b的在z方向的约束区域或环形空间可受到限制。例如，在一些情况下，电极之间的间隔为约1毫米至约50厘米，在一些情况下，电极之间的间隔为约5厘米至约20厘米。

在同心电极实施方式中，在z方向的环形空间的长度有时可受到永磁体强度的限制。类似地，在混合配置中，在r方向的间隙有时可受限于在约束壁的表面附近产生强磁场的需要。在一些情况下，径向间隙可例如受限于约10厘米或更小，或约5厘米或更小。在一些情况下，当磁体616本身在限制表面附近提供足够强的磁场时，间隙可更大；例如，在一些情况下，间隙可大于约10厘米。在一些情况下，可能不需要内部磁体。

在混合实施方式中，控制系统可用于引导如何将控制信号施加到方位角分隔的信号。在一些情况下，控制系统可接收来自传感器的反馈以调节施加到电极的电荷序列。通常，电极(660a和660b)可具有类似的结构考虑，并且可由在第一实施方式中描述为适用于制造电极的材料制成。

在一些配置中，在进行聚变反应时或刚好在进行聚变反应之前，混合反应堆设置成在运行模式之间转换。例如，反应堆可开始使用洛伦兹转子运行，随后在转换到波粒驱动器，以维持粒子旋转。在某些条件下，洛伦兹力驱动的转子在启动环形空间中的粒子的旋转可能更有效。一旦环形空间内的粒子在反应堆内已达到临界旋转速度，其中不再能看到使用洛伦兹转子的效果，则可将反应堆转换到波粒驱动运行模式。在一些情况下，通过转换到波粒驱动运行模式，可实现更大的粒子速度，因此更多的能量产生。在一些情况下，通过转换到波粒驱动运行模式，通过调节施加到方位角分布的电极(660a和660b)的驱动信号的序列，可高精度地调整能量产生。在使用电磁体产生电场的一些实施方式中，当反应堆进入波粒运行模式时，可终止用于控制磁场的电流供应。这可用于防止洛伦兹力在z方向作用于带电粒子。

电子发射体

如本文其他地方所描述的，约束壁有时至少部分由电子发射材料制成，这里称为电子发射体。这些材料在超过某一温度下，经由热离子发射而发射电子。例如，一些硼基的电子发射体的发射温度为约1500K至约2500K。在一些情况下，电子发射体可为粉末形式，其被压实、烧结或以其他方式转化成适于放置于环形空间内的形式。在一些情况下，可使用物理气相沉积将电子发射材料烧结或沉积到反应堆的约束壁上。在其他情况下，电子发射体可锻造成连续的结构，其形成为约束壁的一部分或附着于约束壁。

一些电子发射体为具有低功函数的材料，并且当在反应堆内暴露于热和其他环境条件时，耐降解。电子发射体的实例包括氧化物和硼化物，例如氧化钡、氧化锶、氧化钙、氧化铝、氧化钍、六硼化镧、六硼化铈、六硼化钙、六硼化锶、六硼化钡、六硼化钇、六硼化钆、六硼化钐和六硼化钍。在一些情况下，发射体可为过渡金属的碳化物和硼化物，例如碳化锆、碳化铪、碳化钽和二硼化铪。在一些情况下，发射体可用作聚变反应的反应物，例如⁶Li、¹⁵N、³He和D。在一些情况下，电子发射体可为包括聚变反应物的化合物。例如，六硼化镧可用作电子发射体和用于质子-¹¹B聚变的靶材料二者。在一些情况下，聚变反应产物可用作电子发射体。在一些情况下，电子发射体可为两种或更多种材料的复合材料，其中至少一种材料具有低功函数并在运行期间发射电子。

在一些情况下，电子发射体作为实体部件附着在反应堆的约束壁中。在一些实施方式中，电子发射体(可以取样片形式提供的)具有薄的或扁平结构并附着于约束壁上，而不会显著突出至环形空间。图20a描述电子发射体的若干说明性横截面。在一些实施方式中，使用诸如夹子或螺钉的机械紧固件将这些电子发射体附着于约束壁的表面。在一些情况下，电子发射体设置成滑入约束壁内的狭槽中，并至少部分通过摩擦力而保持固定。例如，狭槽可具有凹槽或夹紧机构用于将电子发射体固定。在一些情况下，使用热、粘合剂或另一种绑定工艺，将发射体附着于约束壁。在一些情况下，发射体结构的厚度小于约1.2厘米，在一些情况下小于约6毫米，在一些情况下小于约3毫米。在方位角方向或z方向的电子发射体的尺寸可受到反应堆的物理尺寸的限制。图20b描述几种配置，其中电子发射体2036可沿约束壁2010的表面对称分布，在一些配置中，电子发射体可仅在几个选定的区域布置。

在某些实施方式中，当发射体布置在约束壁的表面上时，它们被反应堆运行固有的摩擦和/或等离子体热量来加热。在一些情况下，还可通过另一种方法来加热电子发射体，以增加电子发射的速率。例如，在反应堆的初始运行期间，当反应堆仍相对凉时，可通过另一种方法来加热发射体，以增加电子发射。在一些情况下，通过控制施加至电子发射体的能量(例如，通过焦耳加热)，可控制电子发射的速率和聚变反应的速率。

在一些实施方式中，使用通过电源提供的电力，为约束壁上的电子发射体提供能量。例如，可将电流通过电子发射材料内的细丝，以提供焦耳加热和增加电子发射。在一些情况下，细丝为难熔金属，诸如钨。如果将约束壁电接地，电子发射体可通过电绝缘材料与约束壁分隔。在一些情况下，将直流电(DC)施加于细丝。在一些情况下，通过将交流电(AC)施加至与电子发射体接触的细丝，例如经由射频或微波信号，进一步改进或控制电子发射。

图21a-b描述了一个实例，其中在具有同心电极的反应堆中使用焦耳加热来控制电子发射。图21a提供反应堆的z方向的视图，该反应堆具有内电极2120、通过约束区域2140(例如，环形空间)与内电极分隔的外电极2110以及由电源2135供电沿约束壁2112放置的电子发射模块2136。图21b提供位于约束壁上的电子发射模块的放大视图。电子发射模块包括通过细丝2134加热的电子发射体材料2130，例如六硼化镧。在一些情况下，模块可包括绝缘层，2137和2138，其提供与外电极和/或约束壁的电隔离和/或热隔离。一层(2137或2138)用于电绝缘，另一层用于热绝缘。在一些情况下，这些绝缘层可由陶瓷材料制成，例如氧化锆、氧化铝、氮化锌和氧化镁。在一些实施方式中，在反应堆运行期间，可调节电子发射模块的位置。例如，如使用致动器，可将模块径向向内移动到约束区域内，以增加由旋转物质的摩擦加热引起的电子发射，或者可将模块径向向外移动并移出约束区域，以限制电子被释放。

在一些实施方式中，电子发射体在一端可具有尖锐的点或锥形结构，用于提高的场电子发射。例如，当电子发射体被供给电势时，由于几何形状变窄，在点附近存在的强电场可引起场电子发射集中在该点的位置。

在一些实施方式中，使用一个或多个激光器来增加或以其他方式控制来自发射体的电子发射。如在图22中描述的，反应堆2200可配置具有激光器2231，以将约束区域2240内的光引导到电子发射体2230上。如所描述的，来自激光器的光可经由绝缘的光纤2239通过或沿内电极2220而光学引导。激光器可指向(be directed at)用于热电子发射的发射体，它们还可以指向其他材料处，例如约束壁上的表现出光电效应的钛。例如，当撞击光子，金属和导体表现出光电效应，产生未被电流中和的并且可用于增加电子发射的电荷不平衡。虽然图22描述第一实施方式，但在反向电极性实施方式中，激光器可朝向内部带负电的电极引导，以增加电子发射。

气体供给系统

反应堆可具有一个或多个气阀，用于引入聚变反应物和除去聚变产物。在一些情况下，可使用标准化的气阀。例如，用于低压沉积和蚀刻室的气阀可适用于反应堆。在一些情况下，在内部位置将气体反应物释放到约束区域中；例如，反应物物质可按路线通过内电极。在一些情况下，气阀可在z方向位于约束区域或环形空间的一端，在其他情况下，将气体反应物物质通过位于约束壁内的阀引入约束区域中。用于聚变产物的出口阀可放置在与入口阀类似的位置。当在反应堆运行期间除去聚变产物时，出口阀可位于约束壁上或在邻近限约束壁的位置，但是在z方向偏移约束区域。在一些情况下，入口阀和出口阀可能需要与电极电绝缘，以免接地引起短路。

入口阀和出口阀还可带有真空或泵送系统，以有助于将气体物质输送进出反应堆。在一些情况下，阀可包括流量计，其控制加入到反应堆中或从反应堆移出的气体的量。在一些情况下，流量计可连接到反应堆的控制系统，以限制放入室中的氢或反应物物质的量。在一些情况下，气体入口在约束区域附近引入中性物，而气体出口除去已迁移超过在反应堆的z方向发生聚变的中性物。在一些情况下，控制沿反应堆的z方向的中性物分布的泵送系统用于除去可能另外降低将聚变产物(例如，α粒子)的动能转换成电能的效率的中性物。

虽然所讨论的实施方式描述气体物质，但在其他实施方式中，将聚变反应物以液体形式引入到约束区域中。在一些情况下，不是用气体形式的聚变反应物填充约束区域，而是可用液体燃料填充或部分填充该约束区域。例如，可使用含有可用或容易可释放的氢的液体来代替气态氢，例如液体氢、氨、烷烃例如丁烷或甲烷以及液体氢化物。在一些情况下，液体燃料以在进入室后迅速蒸发的方式提供。在一些情况下，向反应堆加入液体燃料用于控制反应堆内的压力。例如，通过使用温度差和已知体积的约束区域，约束区域内的压力可使用理想气体定律反计算。在一些情况下，可仔细监控反应堆内的气体反应物压力，使得维持高的中性物密度，反应堆的结构完整性又不会受损。

当反应堆为洛伦兹转子时，可以以足够的量或在热条件下加入液体燃料，使得液体在进入约束区域时不立即蒸发。在这样的情况下，通过在电极之间施加电势，可使电流通过液体燃料。在一些情况下，用带电粒子如钾接种(seeded)液体。在存在磁场时，洛伦兹力驱动液体燃料的带电和中性组分旋转。随着旋转柱的动能增加，沿约束壁的边界层附近的液体可蒸发，释放氢气或可与约束壁上靶材料聚变的另一种反应物气体。例如，当从液体燃料释放氢气并且约束壁含有六硼化镧时，可发生质子-¹¹B聚变。在一些情况下，在旋转液体和约束壁之间发展的气态层可产生滑动层，通过减少液体-壁界面强加的拖曳使得约束区域中的液体旋转得甚至更快。在一些情况下，液体可吸收热量并且可减少电极熔化的担忧。由于与气体相比，液体聚变反应物可具有高密度，液体可长时间使用而无需更换。尽管不限于使用液体燃料的实施方式，但是在一些情况下，如果压力超过阈值，则反应堆可具有安全阀以从反应堆释放气体。在一些情况下，例如在运输应用中，聚变应物可以液体形式储存，并作为液体递送到反应堆或在递送前汽化。通过储存液体形式的聚变反应物，燃料供应为小型且紧凑。

在一些情况下，液体燃料可通过加压罐供应到反应堆。在一些情况下，聚变反应物(例如氢)可包含在提供给反应堆的小胶囊中。例如，氢可储存在玻璃胶囊中，通过约束壁的孔供给反应堆。在一些情况下，氢气可以加压形式(例如，几个大气压)提供，并且在一些情况下，氢气可以液体形式提供。在反应堆已经运行的情况下，反应堆内的温度可熔化胶囊储器材料，使燃料立即或经延迟的间(例如，数分钟)释放。在一些情况下，例如当将反应堆冷却而不运行时，可在燃料胶囊处引导激光器(例如，在图22中描述的)，以破坏胶囊材料并释放反应物或燃料。在诸如汽车应用的情况下，通过减少或消除安全存储反应物可能所需的硬件(例如，加压罐)，在胶囊中存储少量诸如氢的聚变反应物增加便利。

在一些情况下，可将诸如氢的聚变反应物作为固体化合物引入到反应堆中。例如，当在反应堆中氢燃料消耗时，可通过约束壁中的孔将由聚乙烯或聚丙烯制成的聚变物燃料粒料提供给反应堆。一旦进入反应堆，通过反应堆运行或激光器的能量(例如在图22中描述的激光器)引起的高温可足以分解聚变物并释放氢气。在一些实施方式中，氨硼烷(也称为三氮杂硼烷)可用作氢燃料。当反应堆达到大于约100℃的温度时，氨硼烷释放分子氢和气态硼-氮化合物。在一些情况下，氨硼烷或硼-氮化合物可作为电子发射体，在一些情况下，来自氨硼烷的硼原子在反应堆运行期间可与氢原子经历聚变反应。在许多应用(例如，汽车应用)中，通过减少或消除安全存储气体燃料或液体燃料可能所需的硬件，固体燃料可增加便利性。

冷却系统

在一些情况下，为了能够持续运行反应堆，必须冷却反应堆以防止电极、磁体和/或其他部件过热。在一些实施方式中，通过完全浸入液体浴中，可冷却反应堆。在一些实施方式中，反应堆包括散热器，该散热器通过传导将热量从反应堆吸出，并将热量转移到诸如空气或液体冷却剂的流体介质。作为实例，可使用热交换器。扇或泵可用于控制流速状况并有助于携带走转移至流体介质的热量。根据在反应堆内监控的温度，可调节流体速度，使得在层流和湍流之间调节流体流动。在一些实施方式中，流体通过在反应堆外部的冷却夹套，在一些情况下，冷却管可用于冷却反应堆内的部件。如本文别处所述，散热器可用于将热量传递到工作流体，热力发动机使用该工作流体用于产生电能。可用作用于冷却反应堆的工作流体的液体的实例包括水、液体铅、液体钠、液态铋、熔融盐、熔融金属和各种有机化合物，包括一些醇，烃和卤代烃。

电源

反应堆可包括用于向电极、电磁体和运行反应堆所需的其他电气部件供应电流的一个或多个电源。电源可控制两个终端(例如，同心电极)之间的电流和/或电压。在一些实施方式中，电源能够供应约200伏至约1000伏特的最大电压。例如，在一些实施方式中，电源可向电极提供高达600伏的电压。在一些实施方式中，小型反应堆可能够提供约0.1A至约100A的电流和/或递送至少约1千瓦的功率。一些中型实施方式中，反应堆可能够提供约1A至约1kA的电流和/或递送至少约5千瓦的功率。一些大型实施方式中，反应堆可能够提供约1A至约10kA的电流和/或递送至少数百千瓦的功率。

根据反应堆的运行模式，电源可用于提供直流电或交流电。在一些实施方式中，将交流电施加到电极以击穿等离子体。在一些情况下，与当直流电用于冲击穿等离子体相比，在约束区域中击穿等离子体所需的电压可减少超过约10％。在使用交流信号击穿等离子体的情况，电源可提供频率大于约1kHz，或者在一些情况下大于约1MHz的交流电流或电压信号。

在一些配置中，例如当电磁体用于提供轴向磁场时，可将交流电施加到电磁体和电极二者。在一些情况下，可将交变信号施加到电极和电磁体上，其具有相同频率但是异相的。在一些情况下，电源可以向电极或电磁体施加大于约500Hz或大于约1kHz的电流或电压信号。在一些情况下，电磁体以与施加到电极的交流电相同的频率运行，使得可维持粒子的旋转。在一些情况下，市售可得的电源可用于向反应堆的电极或电磁体施加电流或电压信号。合适的电源供货商的实例包括Advanced Energy Industries和TDK-LambdaAmericanInc.。

传感器

当运行反应堆时，可监控各种参数以控制能量输出的速率、改进效率、防止部件故障等。例如，可监控反应堆的温度以确保反应堆的部件不超过限定的最大温度值。如果永磁体太热，其可退磁，并且如果电极或任何其他部件太热，则可屈服或熔化。在一些情况下，反应堆的运行需要相对高的温度。例如，一些电子发射体在将电子释放到约束区域中之前必须获得足够的热能。可使用传感器监控反应堆内的温度，诸如热电偶、推断成像(inferredimagery)和热敏电阻。在一些情况下，反应堆内某位置的温度可通过测量反应堆内其他位置的温度来推断。例如，在外电极的内表面处的温度可通过监控在外电极的外表面处的温度来推断。在一些情况下，通过从外部位置间接测量温度，可使用低成本温度传感器，例如硅带隙温度传感器。

在一些实施方式中，可监控反应堆内的气体压力。通过监控在电子发射体前面的压力，因为它们紧密地集中在约束壁上，可获得关于电子密度的信息。控制器可使用来自室内的压力测量来调节进入和离开约束区域的气体物质的流速。在一些实施方式中，使用每秒捕获数百或数千张图像的照相机可监控在约束区域或环形空间内的旋转速度。在一些情况下，通过引入将发荧光或具有可检测的光学特征的物质(例如氩或量子点)可帮助测量反应堆内物质的旋转。在一些实施方式中，约束区域内的气体组成可监控聚变产物(例如⁴He和³He)或反应物气体内的少量氘。在一些实施方式中，可使用原位质谱仪(例如得自HidenAnalytical的qRGA，其能够检测气体样品中的少量氘)、光谱仪或NMR传感器进行聚变产物和反应物的检测。在一些实施方式中，反应堆可配备有Geiger计数器以检测辐射水平。

图23a-c描述核磁共振传感可如何用于在同心电极实施方式中确定气体反应物的组成的实例。图23a描述一种反应堆，其具有内电极2320、外电极2310和在z方向通过约束区域的基本上均匀且非时变的磁场2391。轴向施加的磁场可用于对准旋转物质的核自旋，并且可通过如本文别处所述的超导磁体施加。在一些情况下，轴向磁场大于约0.1特斯拉，在一些情况下，轴向磁场大于约0.5特斯拉，在一些情况下，通过约束区域的轴向磁场大于约2特斯拉。

当期望检测时，通过在方位角方向施加射频脉冲来扰动在约束区域内旋转物质的原子核自旋。图23b描述通过在内电极的z方向施加交流电，如何产生方位角时变磁场2392。在一些实施方式中，通过中心电极的交流电的频率为约60Hz至1MHz，在一些情况下为约1MHz至约1GHz。在用时变磁场扰乱物质的排列之后，随后使用如在图23c中描述的检测线圈监控物质的原子核自旋重新排列的速率。检测线圈2390基本上垂直于反应堆的长轴(z轴)，并且由于被旋转物质吸收和重新发射的电磁辐射而监控通过线圈的电流。在一些情况下，可使用类似于在医学核磁共振系统中使用的检测线圈。

控制系统

可提供监控的参数作为控制系统的输入，该控制系统以维持系统部件完整性并支持聚变的方式运行反应堆。控制系统可控制聚变反应的任何和所有参数，并且在一些情况下其他运行，例如热能收集或利用过程，以及转化为电能或其他有用形式的能量。在某些实施方式中，控制系统维持热量产生和热量提取之间的平衡。因此，例如，为了维持该预设的和预选的平衡，控制系统可控制施加到反应堆的电极的电能(例如，通过调制电脉冲，例如，延长或缩短每个脉冲之间的时间段和/或改变用于产生等离子体的电压)、改变磁场(例如，使用可调节磁体与超导磁体结合)以及改变反应物的密度。

如本文其他地方所讨论的，可需要一些参数落入限定的工艺窗口内，使得满足这两个条件。在一些情况下，控制系统接收识别能量需求的信息，并因此调整工艺条件。控制系统还可具有标准，当满足时，启动自动关闭过程以防止对反应堆或附近的操作者的伤害。例如，如果约束壁的温度超过某一阈值或达到辐射阈值，则反应堆可淬灭聚变反应。控制系统可通过例如使所有电极接地、关闭气体输入阀和/或引入惰性气体物质(例如氮气)来淬灭反应堆。

在一些情况下，控制系统可提供闭环反馈，例如图24所示的。基于来自传感器2460的测量的输入参数和期望的能量输出信号2461，控制系统2462可发送控制信号2463，以按需调节反应堆2464的各种参数设置，以控制能量输出2465或满足其他规格。控制器使用的输入参数可包括各种参数，温度、压力、流速、气体组成分数(例如分压)、粒子速度、电极之间的电流放电和电压等。在一些情况下，控制系统利用一个或多个参数的历史数据。例如，尽管知道特定的温度值可能重要，但是了解温度波动的速率和/或幅度也可能是重要的。可由控制器调节的反应堆设置的实例包括施加的电流、施加的电压、施加的磁场强度(在电磁体的情况下)和气体流速(例如氢气流速)。通常，控制器将控制信号传递给负责相关设置的反应堆部件。例如，可将控制信号传递到电源以指示电源施加指定的电压。在一些情况下，设置也可为控制系统的输入参数。例如，在确定应施加什么电压时，控制器可解释目前施加到电极的电流和/或电压。在一些情况下，控制器可利用机器学习来改进其决定，使得反应堆随时间变得更有效。抵抗设备中的物理变化(例如，当部件失效并更换时)或预期能量需求。

反应堆的某些运行特征可独立控制。例如，冷却流体的流速可使用独立于控制系统的系统来控制，该控制系统负责调节反应堆的主要运行输入，例如电流和气体流速。在另一个实例中，例如如图21a所描述的电子发射模块可具有相关联的控制器，该控制器接收电子发射体的测量的温度并确定应向细丝施加什么电流以提供焦耳加热。

上述控制系统可采用模块化或集成方式使用计算机软件以控制逻辑的形式实现。有许多可的控制运行的方式。基于本文提供的公开和教导，本领域普通技术人员将理解如何使用硬件和/或硬件和软件的组合来实现控制功能。

在一些情况下，控制系统可作为软件代码实现，使用任何合适的计算机语言通过处理器执行，所述计算机语言诸如例如Java、LabVIEW、MATLAB、C++或使用例如传统的或面向对象的技术的Python。软件代码可作为一系列指令或命令存储在计算机可读介质上，例如随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、诸如硬盘驱动器或软盘的磁介质、或诸如CD-ROM的光介质。在一些情况下，可使用FPGA(现场可编程门阵列)来测试和设计控制系统，然后通过ASIC工艺来制造。在一些情况下，控制器可为能够安全地存储和执行控制逻辑的单个芯片。任何这样的计算机可读介质可驻留在单个计算装置上或单个计算装置内，并且可存在于系统或网络内的不同计算装置上或不同计算装置内。例如，控制系统可使用一个或多个处理器、PLC、计算机、处理器-存储器组合以及这些的变型和组合来实现。控制系统可为分布式控制网络、控制网络或本领域技术人员已知的用于控制大型工厂和设施以及单独的设备的其他类型的控制系统以及这些的组合和变型。

辐射屏蔽

在一些实施方式中，例如当反应堆支持无中子或基本无中子反应时，反应堆可需要很少的屏蔽(如果有的话)以减少辐射暴露。当担心中子辐射时，反应堆可配备有适当的屏蔽。中子容易通过大多数材料，但相互作用足以引起生物损伤。在一些情况下，反应堆可放置在吸收中子的外壳中。在一些情况下，反应堆的约束壁可包括用于吸收中子的外层。在一些情况下，屏蔽层可由具有高水含量的混凝土、聚乙烯、石蜡、蜡、水或其他烃材料制成。在一些情况下，屏蔽层可包括铅或硼作为中子吸收剂。例如，碳化硼可用作屏蔽层，其中混凝土成本过高。在一些实施方式中，反应堆在z方向的端部可包括诸如氮化硼的材料，其不仅吸收中子而且热绝缘和电绝缘。在一些情况下，电子发射体(例如六硼化镧)用作提供屏蔽免于中子(neurotic)辐射的附加功能。在一些情况下，例如大型反应堆，可将水、油或砾石的罐放置在反应堆上以提供有效的屏蔽。屏蔽层的厚度部分取决于使用什么材料、反应堆的位置、聚变反应的类型和反应堆的尺寸。在一些实施方式中，屏蔽层大于约10厘米，在一些情况下，屏蔽层大于约100厘米，在一些情况下，屏蔽层大于约1米。

可更换部件

由于反应堆内等离子体和聚变产物的侵蚀性质，电极可被损坏、扭曲、脆化等。在正常运行条件下，反应堆的一些部件可最终失效并需要更换。此外，当运行条件超过某些阈值(例如，高温、压力、等离子体电势或反应物浓度)时，部件可被更快地损坏或磨损。在使用氢作为反应物的情况下，电极可随着时间而遭受氢脆化。如果不更换脆化的电极，则电极可转化为粉末。在一些情况下，反应堆可无意中在其正常运行条件之外运行，导致对一个或多个电极或其他部件的增加的磨损或结构损坏。例如，如果冷却系统故障，则电极的温度可接近其熔化温度，引起电极变形。在一些情况下，热应力可引起在电极上或电极内出现微破裂。如果电极具有内部冷却系统，该内部冷却系统破坏以允许水蒸气进入约束区域，则反应堆可经历压力峰值。

如本文所述的聚变反应堆可高度可配置和模块化。在某些实施方式中，一个或多个部件可被更换和/或互换。一些部件为永久性的，并且被设计成在反应堆的寿命期间不磨损，而一些部件预期在一定数量的运行循环或运行时间之后被更换。对于每个可更换部件，可存在指定的程序用于部件的除去、处理、整修和/或更换。此外，可存在一个或多个指示器和现场可实现的诊断，其指示和/或预测部件的退化。

可更换部件的实例包括反应堆中的一个或多个电极、聚变反应物、容器聚变反应物(例如，氢气罐)和与反应堆相关联的能量转换装置。

应当更换部件的指示器的实例包括电极的电导率的降低、部件已运行的时间以及部件的光学性能(例如，部件表面的变化可通过光学检测)。机械故障可通过视觉检查来确定，或者在一些情况下，通过监控测量的参数，例如温度、压力和电极的电导率。在一些情况下，控制系统含有用于确定电极或其他部件的机械故障的逻辑。

在一些情况下，电极的电导率和/或电导可随时间而降低。由于等离子体的挥发性，可存在在电极上形成的电绝缘的介电涂层。如果电极的导电性和/或电导降低，则反应堆可变得效率较低和/或需要过量的功率。如果不采取措施来减轻反应堆下降的电导和/或电导率，则反应堆可变得电和/或热危险。虽然本文的许多讨论涉及确定电极的电导率和/或电导，但是应当理解，电导率在电极中的不同位置之间可变化。例如，电极的面向反应的表面的电导率在长时间运行之后可比电极内部的电导率低得多。作为另一个实例，电极中原始材料的电导率在运行期间可保持在很大程度上不变，但是在电极的面向反应的表面上形成的介电膜可显著降低电极的总电导。可确定电阻率和/或电阻来更换电导率和/或电导。

可采用各种技术来监控电极电导率和/或电导，或确定电极电导率或电导已经达到需要注意或更换的水平。在一个实例中，使用电极的几何形状，当反应堆不运行时，通过测量电极表面上两点之间的电阻，可确定电极的电导率。在例行系统检查期间，例如通过使用万用表，可手动执行该测量。在一些情况下，反应堆设置具有在运行循环之间自动测量电极电阻的测量电路。在一些情况下，反应堆的控制系统可设置成由测量的电阻自动确定电极的电导。另一种可确定电极的电导的方式为通过执行诊断循环，其中，在约束区域中的气体反应物被另一种气体更换，并在约束区域内产生等离子体。例如，氢气可用氩气、氖气或氮气更换。控制系统可随后监控等离子体的电特性，测量电极的电压和通过电极的电流。基于氩等离子体的电特性，可确定电极的电导率。例如，每个电极的电导率可通过将氩等离子体(或另一等离子体)的测量的电行为与预期的电行为进行比较来确定。在一些情况下，等离子体(例如氩等离子体)的预期电行为可通过模拟或通过测量不具有介电涂层的新反应堆上的电行为来确定。

反应堆电极可指定低电导率或电导值的预定的阈值，其触发电极的维修或更换。例如，如果电极的电导率下降到低于其预期值的约80％，则可更换或处理电极以将电导率恢复到适当的水平。

在一些实施方式中，当电极电导率或电导降到低于可接受水平时，执行清洁循环。例如，清洁循环可包括将清洁气体(例如氩气)引入到约束区域中，并且运行反应堆以产生去除一些或全部介电涂层的等离子体。在一些情况下，弱电离的等离子体可足以除去介电涂层。在一些情况下，氩气在清洁循环期间可完全电离。根据降解的化学性质，可采用化学恢复处理。例如，如果电极退化为由氢化物的形成或其他形式的氢介导的还原而导致的，则可用氧化剂(例如含氧等离子体)处理受损电极。

在一些情况下，如果电极的电导率或电导降到低于指定的水平(例如，其预期值的约50％)，则可确定反应堆运行不安全。这可表示已经形成厚的介电膜，并且反应堆将需要来自电源的危险水平的功率。在一些情况下，控制系统或相关的安全系统可关闭运行，直到更换或恢复受影响的电极。在一些情况下，反应堆的控制系统含有用于确定电极或其他部件的机械故障并随后触发反应堆的警报或自动关闭的逻辑。

在一些实施方式中，反应堆中的一个或多个电极或磁体包括保护层或牺牲层。在一些情况下，该牺牲层为可以预定间隔更换的套筒(例如，形成约束壁的内表面的套筒)。在一些实施方式中，诸如电极或套筒的金属部件可被除去以经历恢复工艺，例如退火工艺，以除去由于热循环而可能已出现的内应力。在一些情况下，例如，当部件经历氢脆化时，部件可被除去，并且部件的材料可被再加工以制造新的零件。在一些情况下，脆化的部件(例如钽电极)可通过在真空下退火而恢复到延性条件。例如，在一些情况下，脆化的部件可通过在真空下在约1200℃下退火而恢复。

靶材料(聚变反应物)可最终被消耗并需要更换。例如，一些实施方式采用含有硼-11的六硼化镧作为质子-硼-11聚变反应所需的反应物。一旦耗尽，需要更换该材料。由于热循环，六硼化镧也可变脆并失效。六硼化镧的破坏或降解将降低聚变反应产量。在一些情况下，控制系统可通知操作者功率下降，该功率下降对应于靶材料正在耗尽或移出约束区域。在一些情况下，当可消耗材料(如六硼化镧)已经达到预定的使用限度并且应当被更换时，控制系统可警告操作者。

实施例

以下非限制性实施例代表可根据本文所述的更广泛的原理来实践的一些实施方式。

1.)负电极(外电极)

外电极，有时称为"护罩"，包括圆柱形金属环，其具有附着六硼化镧或其他靶材料的多个点。护罩的组成通常是难熔金属，例如钽(Ta)或钨(W)，这为由于难熔金属的高热阻；然而，反应堆的某些实施方式使用较低温度的金属，例如合金316不锈钢。这些实施方式可包括液体冷却回路，其防止护罩达到复合金属的临界熔化温度。如所解释的，外电极可为更负的电极或更正的电极。

电导率

通过利用来自外部电源的电力，在正电极和负电极之间撞击反应堆中的等离子体。该事件由两个电极上的电压和通过电极和等离子体行进的电流介导。撞击等离子体和启动聚变过程所需的电压可与两个电极的电导率直接相关。如上所述，可存在在负电极上累积的介电(电绝缘)涂层，因此影响电极的电导率。

用于确定外电极的电导率的现场可实现的诊断为使用数字万用表的两点之间的电阻测量。在一些实施中，一旦测量了电阻，就将其值输入QA软件，QA软件将表明外电极的电导率和运行状态。

用于确定电导率的第二诊断将涉及在反应堆中撞击辉光放电氩等离子体。这通过控制软件完成，该控制软件随后将监控氩等离子体的电行为(电压和电流)。通过与内部校准的自动比较，控制软件可确定电极的电导率并将数据发送给QA软件。

如果QA软件指示电导率降低低于组合物金属的标准电导率额定值的80％，则认为AR单元在最佳运行状态之外并进入非最佳运行状态。如果电导率下降低于标准额定值的50％，则认为AR单元处于不安全的运行状态，因为这将从电源汲取太多的功率，并且提供潜在的电和热危险。如果电导率为0％，则这表明在负电极上已形成完整的绝缘层，并且系统不可运行。

运行：正常继续运行。

非最佳运行：使用所提供的控制软件在AR单元上运行氩清洁循环。重复进行直到电导率进入"最佳运行"区域。如果电导率未改进，则执行下面的"不安全运行"。

不安全运行：外电极应清洁。

结构完整性

护罩的机械结构可被损坏、扭曲或脆化。这可由于许多不同的原因而发生。

冷却系统的故障或冷却系统的不当运行可导致反应堆内的极端温度，该极端温度超过安全运行参数。这些极端温度可导致热冲击，引起在护罩上或护罩内出现微破裂。另外，如果这些极端温度接近护罩组合物材料的熔点，则护罩本身将开始变形和熔化。

用于检测结构完整性中的缺陷的现场可实现的诊断为由来自控制软件的异常温度警报提示的视觉检查。控制软件可监控单元的几个不同部件的温度，并检查每个部件为否保持在安全运行参数内。如果任何这种部件的温度超出安全运行参数，则其可触发温度指示器警报。在极端情况下(例如过热部件的持续时间延长)，系统可自行关闭并且需要强制性视觉检查护罩的完整性。如果护罩被损坏，则可将其发送到QA团队进行检查和分析。

2.)正电极(内电极)

内电极可包括圆柱形金属盘和中空金属圆筒，该中空金属圆筒附着于腔室背面上的高压陶瓷馈通。这两个部件称为"头"和"棒"。由于难熔金属的高热阻，中心电极头的组成通常为难熔金属，例如钽(Ta)或钨(W)；然而，反应堆的不同实施方式使用较低温度的金属，例如合金316不锈钢。较高温度的中心头将运行较长时间，因此将保证不太频繁的更换。中心电极棒通常由合金316不锈钢制成，因为它不经历与头相同的极端温度。

在一些实施方式中，中心电极棒用液态水冷却以防止过热。在利用高温头的实施方式中，头通过钼(Mo)固定螺钉附着于棒。在利用低温头的实施方式中，头也经水冷，并将其焊接或钎焊到棒上，使得冷却回路为连续的。

电导率

与外电极的情况一样，内电极的电导率调节等离子体的电行为。电导率的变化将导致撞击和维持用于聚变反应的等离子体所需的电压的变化。如以上提及的，在反应堆内部发生的等离子体和聚变反应的挥发性可导致在内电极的表面上介电涂层的积聚，从而影响其电导率。

用于确定中心电极的电导率(关于上述各种运行状态)的标准的可现场实施的诊断与用于内部电极的相同。

结构完整性

关于部件的结构完整性，内电极具有与外电极(或护罩)相同的运行风险。它可被损坏、扭曲或脆化；然而，由于在内电极内部存在液体冷却通道，因此除了通过控制系统热监控特定的部件之外，还存在用于故障检测的附加方法。

如果中心电极棒的温度(或作为替代实施方式的上述经液体冷却的中心电极头的温度)接近组合物材料的熔化温度，则棒(或头)的外表面可破裂，允许水蒸气和液态水的组合进入真空室。这可由于冷却系统的故障或不当使用以及在中心电极棒(或头)本身上出现持续的等离子体电弧而发生。一旦这种情况发生，由于通过裂口进入腔室的水蒸气的优势，压力将瞬间升高。控制系统将检测到这种压力升高，并且立即关闭系统，同时出现错误故障，这保证了立即和所需的视觉检查。

3.)六硼化镧靶

六硼化镧，通常称为LaB₆，为一种耐火陶瓷材料，由于其低功函数，在科学工业中用作电子发射体。在反应堆中，LaB₆沿内壁通过均匀分布的附着点附着于负电极。LaB₆含有聚变反应所需的固体硼燃料，并且一旦燃料耗尽将需要更换。

硼同位素组成

在自然界中发现的硼存在两种主要同位素(质子数目相同而中子数目不同的原子)，¹⁰B和¹¹B。这两种同位素中最丰富的是¹¹B，因为所有硼的80％以这种形式存在。由于这也为聚变反应发生所需的同位素，因此可需要知道LaB₆燃料中存在的该特定同位素的相对浓度。存在多种方法用于检测该浓度，包括感应耦合等离子体发光光谱法(ICP-OES)、热电离质谱法(TIMS)、二次离子质谱法(SIMS)、感应耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。

在一些实施方式中，不存在能够测量LaB₆的硼同位素组成的现场可实现的诊断，因为这些为需要将样品送至第三方分析诊断实验室的技术。

结构完整性

由于该化合物的陶瓷性质，它非常脆，并且对热应力非常敏感。在反应堆内发生的挥发性反应以及在诸如中心电极和护罩的各种部件中存在的快速加热和冷却速率可导致LaB₆的结构完整性被破坏。在反应堆的若干实施方式中已经观察到，LaB₆燃料将趋于随着时间的过去而破裂，这保证了更换的需要。

用于确定LaB₆燃料的结构完整性(以及其缺乏)的一个现场可实现的诊断为通过视觉检查。存在控制软件提供的某些指示器，其保证需要对LaB₆进行视觉检查。因为聚变反应在LaB₆位置发生，所以从这些位置提取全部输出功率(如通过控制软件测量的)。如果反应堆的稳态功率输出下降超过20％，则可指示一个LaB₆片出现问题，并在软件上触发功率指示器警报。这种类型的警报将保证需要对LaB₆片进行视觉检查。

能量转换硬件

如本文所述的反应堆以一种或多种形式产生能量；通常它们同时产生多种形式的能量。当运行时，大多数反应堆产生热能。它们也可在宽或窄的频率范围内产生辐射能。例如，反应堆内的激发物质(例如，电子激发的氢原子)在一个或多个频带中发射辐射。通常，反应堆以需要等离子体和/或产生等离子体的模式运行，并且当等离子体存在时，其产生辐射能。再进一步，许多反应产生具有高水平的动能的带电物质(例如，离子，如α粒子)。反应堆也可通过压力变化或振荡产生机械能。

这些能量形式中的任何一种或多种可转换成可用于特定应用的不同的能量形式。因此，在某些实施方式中，能量转换装置或部件与相关联的反应堆连接。在一些情况下，能量转换装置将来自反应堆的热能转换成电能(例如，热电装置)。在一些情况下，能量转换装置将来自反应堆的热能转换成机械能(例如，热力发动机)。在一些情况下，能量转换装置将来自反应堆的电磁辐射转换成电能(例如，光伏装置)。在一些情况下，能量转换装置将带电反应产物(例如，α粒子)或电离的聚变反应物(例如，质子)的动能转换成电能。在一些情况下，能量转换装置将来自反应堆的机械能转换成电能(例如，压电装置)。

各种能量转换装置可用于将通过反应堆产生的热能转换成机械能和/或电能。例如，热电发电机可与反应堆热连接，以产生电能。热电发电机可如下与反应堆热连接：通过例如放置在反应堆的约束壁上或具有经由诸如热管的传热装置传递来自反应堆的热能。在另一个实例中，反应堆可经由热力发动机将热能转换成机械能(例如，移动活塞或旋转曲轴)。在一些实施方式中，反应堆配备有斯特林发动机。在一些实施方式中，反应堆可配备有热力发动机，例如使用兰金循环的热力发动机，其中工作流体经历循环相变。如果需要电能，热力发动机可设置具有发电机，该发电机将例如旋转曲轴或摆动活塞转换成电能。

一些能量转换装置可将由反应堆产生的电磁辐射或辐射能转换成电能。例如，反应堆可在约束区域的任一端具有光伏电池以将辐射能转换成电能。在一些情况下，反应堆可包括透明的阻挡层以提供热保护和/或光学器件，以将辐射能集中到光伏电池上。在一些情况下，光伏电池可具有对应于从反应堆发射的辐射能(例如，对应于氢)的窄带波长的经调谐带隙。

反应堆也可设置具有将从反应堆发射的带电粒子的动能转换为电能的部件。例如，可迫使带正电的粒子(例如，α粒子)行进通过由减慢它们行进的一个或多个电极产生的反向电场。当粒子减速时，在与带正电电极连接的电路中产生电流。在一些情况下，从反应堆发射的阿尔法粒子可经由所施加的磁场被引导向这样的电极。在一些情况下，反应堆可设置具有磁流体动力发电机(MHD发电机)，其将由于核反应而产生的等离子体的动能转换为电能。

在一些情况下，反应堆可使用单个能量转换装置(或能量转换模块)以将由反应堆产生的能量转换成机械能和/或电能。在一些实施方式中，反应堆可使用多个能量转换装置(或能量转换模块)以将反应堆产生的能量转换成机械能和/或电能。由于反应堆可产生各种形式的能量，因此可组合不同类型的能量转换装置以增加所产生的总的机械能和/或电能。在一些情况下，添加第二能量转换装置可能不降低第一能量转换装置的能量输出，因为能量转换装置转换由反应堆产生的不同形式的能量。例如，在一些实施方式中，反应堆可从转换辐射能的光伏电池和转换热能的热电发生器二者产生电能。在该实施例中，光伏电池的存在可能不减少由热电发电机产生的电能，反之亦然。在一些实施方式中，反应堆可配备有多个能量转换装置，这些能量转换装置转换由反应堆产生的相同类型的能量。例如，在一些情况下，反应堆可配备有斯特林发动机以及热电发电机，二者都利用热能。在该实施例中，热电发电机可简单地捕获未被斯特林发动机转换成机械能和/或电能的热能。通常，本文所述的能量转换装置或模块的任何组合可用于从反应堆产生机械能和/或电能。

外壳

虽然未描述，但反应堆可包括将约束区域与周围环境隔开的外壳。在一些情况下，外壳的尺寸部分地由约束壁的外部尺寸控制。在一些实施方式中，约束壁限定在r方向外壳的边界，并且约束区域使用在z方向的约束壁的两端上的凸缘与外部环境隔离。在一些实施方式中，将整个系统放置在外壳中，该系统包括控制系统、电源、磁体和能量转换装置。选择用于外壳的材料可取决于外壳的预期目的。例如，可能需要外壳来提供生物屏蔽、热隔离和/或能够低压运行条件。在一些情况下，外壳可具有分层结构，其中每层提供不同的功能。例如，外壳可包括用于生物屏蔽的碳氢化合物材料和陶瓷层以提供热绝缘。在一些情况下，可使用多于一个外壳。例如，第一外壳可包括在z方向密封约束区域的凸缘，从而产生真空室，而第二外部外壳包围整个反应堆。基于本文提供的公开和教导，本领域普通技术人员将知道和理解实现满足反应堆应用需要的外壳的方式和/或方法。

工艺条件

多级运行和/或反应

在一些情况下，当以多级运行时，反应堆的能量输出或效率得到改进。在一些情况下，反应堆可具有一个或多个预备阶段，其为反应堆内进行聚变反应的条件作好准备。例如，多级工艺中的预备级可用于提高电子发射体的温度、冷却约束壁的温度、在约束区域内产生等离子体、或改变约束区域内的气压。图25描述可用于运行反应堆的多级工艺流程的实例。在第一运行2501中，加热电子发射体直到它们达到用于发射电子的规定温度。在2501中加热电子发射体之后，在反应堆的电极之间施加交流电以撞击弱离子化的等离子体。

在约束区域中引发等离子体之后，反应堆可立即过渡到用于旋转反应堆中的带电粒子并维持聚变反应的阶段。在一些洛伦兹转子中，这可意味着当施加均匀磁场时向电极施加直流电。或者，在反应堆的z方向施加交变磁场的实施方式中，这可意味着以与磁场振荡相同的频率向电极施加交流电。在一些情况下，通过向电磁体(例如超导磁体)施加交流电或物理移动永磁体(例如通过使具有磁性的转子在约束区域的任一侧上具有交变的磁定向)施加交变磁场。在一些情况下，通过以相同频率交替电场和磁场，中性物和带电粒子的旋转保持在相同方向。例如，在一些情况下，电场和磁场均可以约0.1Hz至10Hz之间的频率振荡，在一些情况下，约10Hz至约1kHz，在一些情况下，大于1kHz。

在波粒实施方式中，可将电极电荷序列或驱动信号施加到与约束区域接壤的电极，以启动旋转。例如，驱动信号可以低频开始，例如约60Hz，然后斜升到更高的频率，例如约10MHz。在一些情况下，反应堆可包括用于终止聚变反应的类似的多级过程。在一些情况下，反应堆可具有在聚变反应停止和随后恢复之间发生的空闲运行阶段。在反应堆运行期间，可密切监控参数。在利用洛仑兹力来旋转电荷物质的反应堆中，在约束区域或约束壁附近的环形空间中的电流密度可为约150A/m²至约10kA/m²，例如约150A/m²至约9kA/m²。在一些情况下，约束壁附近的电流密度可为约150A/m²至约700kA/m²，并且在一些情况下为约400A/m²至约6000kA/m²。在一些情况下，运行反应堆以在约束壁附近保持足够的电场。例如，在一些情况下，电场大于约25V/m，在一些情况下大于约40V/m，在一些情况下大于约30V/m。

在一些多级运行中，反应堆可周期性地改变带电粒子旋转的方向。在一些情况下，通过改变带电粒子旋转的方向，可增加两种旋转的聚变反应物之间的碰撞速率。在一些情况下，可交替旋转方向，以增加或控制反应堆中的聚变速率。在一些实施方式中，通过交替旋转方向，由于在环形空间内而不为在约束表面上发生的可聚变事件，可降低在约束壁上的可聚变事件的速率。如果约束壁变得太热，这可能有益于例如减少给予约束壁的热量。在洛伦兹转子的情况下，通过交替施加的电场和/或磁场，可交替旋转方向。例如，如果磁场交替而电场保持不变，则带电粒子上的洛仑兹力也将交替方向。在一些情况下，所施加的电场和/或所施加的磁场以约0.1Hz至约10Hz之间的频率交替，在一些情况下，约10Hz至约1kHz，并且在一些情况下，大于约1kHz。这可具有在富电子区域中集中电子、在紧邻处集中旋转粒子的效果，并且在一些情况下，增加聚变反应的数量。

气体条件

在将气体(例如氢气或氦气反应气体)引入到约束区域中的情况下，反应气体具有一定的纯度可能是有益的。在一些情况下，反应气体体积中的杂质可降低聚变速率和总能量输出。在反应气体容易以纯形式得到的情况下，反应气体的纯度为至少约99.95体积％或至少约99.999体积％。这意味着在气缸中存在少于10vpm(每百万体积)的杂质。

在一些情况下，在氢反应气体内可发现氘，为一种天然存在的氢同位素。例如，氘可存在于氢气罐的杂质中，因此，当以足够量存在于反应气体内时，存在潜在的危险。如果燃料中存在太多的氘，则在反应堆内可发生除了质子-硼¹¹之外的聚变反应。在一些情况下，这些其他反应可发出放射性副产物。为了监控反应气体中氘的量，反应堆可配备有传感器，例如来自Hiden Analytical质谱仪的qRGA，用于监控在氢气反应气体中氘的量。

在点火之前，反应堆可含有接近0％的离子与中性物的摩尔分数。在撞击等离子体之后，可运行反应堆，使得在旋转气体物质中离子与中性物的摩尔分数为约1:1000至约1:1000000。在一些情况下，反应气体中离子与中性物的摩尔分数可根据多级工艺流程的特定阶段而变化。例如，在图25的工艺流程中，在阶段2502中启动等离子体之后，气体的离子与中性物的摩尔分数可比在阶段2503中的步骤中以稳态运行反应堆时更高。

如别处所述，反应堆可配备有气体入口和出口阀。原则上，可控制通过气体入口阀和/或气体出口阀的流动，以在约束区域内保持期望的气体组成或气体压力。在一些情况下，可以小于约每分钟一次或约每小时一次的速率更换约束区域中的气体体积。在许多实施方式中，可将气体阀密封，使得在反应堆运行期间没有流体流动。

在一些情况下，在该约束区域中产生等离子体之前，将反应气体保持在标准温度和压力下。在一些情况下，例如当使用真空外壳时，在约束区域中撞击等离子体之前，真空泵可用于将压力降低到小于约1×10^-2托，且在一些情况下小于约1×10^-6托。在一些情况下，为了增加中性物的密度，在约束区域中撞击等离子体之前或在反应堆运行期间，反应气体供给管线可将反应堆内的压力增加到大于约0.1托，并且在一些情况下大于约10托。在反应堆运行期间，粒子可经历地球表面上的重力加速度的十亿倍量级的向心加速度。在一些情况下，在反应堆运行期间可监控沿约束壁的气体压力和/或密度。如果在约束壁附近由旋转物质诱导的压力不足，则富电子区域可进一步扩散至约束区域中更远，并且不提供期望的电子屏蔽效果。在一些情况下，可实时监控约束壁附近的气压。在引发等离子体之前，气体的温度可近似为室温，在一些情况下，最初加热气体。在一些情况下，将气体加热到大于约1800℃，在一些情况下，将气体加热到大于约2200℃。在反应堆的稳定运行期间，可加热气体温度，使得约束区域中的气体为约400℃至约800℃，在一些情况下，为约900℃至约1500℃。

如别处所述，可通过各种机理将反应气体递送到反应堆中。在其中使用入口阀的情况下，气体反应物可由气体罐或加压罐递送。在一些实施方式中，反应气体(例如氢气)可通过从约束壁或吸氢材料(例如钛或钯)向外扩散而递送至约束区域中。

降低库仑势垒的运行条件

如本文其他地方所述，每单位时间每体积的聚变速率可表示为dN/dT＝n1n2σν

其中n1和n2为各自反应物的密度，σ为在特定能量下的聚变截面，ν为两种相互作用物质之间的相对速度。通过减少库仑势垒可增加乘积(σν)。在一些情况下，聚变截面可为约10^-30cm²至约10^-48cm²，在一些情况下，为约10^-28cm²至约10^-24cm²。在一些情况下，相对速度为10⁴m/s至10⁶m/s，在一些情况下，为约10³m/s至约10⁴m/s。在一些情况下，减少库仑势垒可导致沿约束壁的反应速率为每立方厘米每秒约10¹⁷至约10²²聚变反应。

如别处所述，在约束壁附近可形成富电子区域，以提供碰撞核之间的屏蔽效应。在一些情况下，电子发射体可用于向该区域提供自由电子。发射体可被光学地(例如，使用激光)、通过旋转粒子的摩擦加热和/或通过焦耳加热增添能量。

在富电子区域内，电子的密度可在约10¹⁰cm^-3至约10²³cm^-3量级，并且在一些情况下，在该区域内电子的密度在约10²³cm^-3量级。在一些实施方式中，在富电子区域中的中性物的密度可为约10¹⁶cm^-3至约10¹⁸cm^-3，并且在一些情况下，在约束区域内的中性物密度在约10²⁰cm^-3量级。在富电子区域内，可发现正离子的密度比中性物低得多。在一些情况下，正离子的密度为约10¹⁵cm^-3至约10¹⁶cm^-3。在一些情况下，在富电子区域内，电子与正离子的比为约10⁶:1至约10⁸:1。

富电子区域的径向厚度可表征为大部分电子梯度存在的区域。在一些情况下，富电子区域为约50nm至约50μm，在一些情况下，富电子区域为约500nm至约1.5μm。

在例如距离约束壁约1μm的富电子区域内，可存在强电场。在一些情况下，在富电子区域(或约束区域)内的电场大于10⁶V/m，并且在一些情况下，电场大于约10⁸V/m。在一些情况下，该区域中的电子的温度为约10000K至约50000K，在一些情况下为约15000K至约40000K。

在一些情况下，如果一个参数受到物理限制的约束，则该参数可最终成为影响富电子区域内的其他参数的驱动参数。例如，Lawson准则涉及参数的平衡。

在一些情况下，富电子区域的参数可部分取决于目标的聚变反应。例如，在p+¹¹B反应相对于a D+D反应中，参数范围不同。

通常，本公开的某些实施方式通过创建、修改或利用具有负(吸引)电势的效应来降低或减小库仑势垒。在这些实施方式中，接近原子核的电势因为隧穿(tunneling)具有显著降低的库仑势垒。

增加聚变事件概率的另一种方法是通过对准聚变反应物的自旋。核力具有自旋依赖分量。当自旋在两个原子核(例如在氘和氘的原子核)之间对准时，减少库仑势垒。核磁矩在量子遂穿中起作用。具体地，当两个原子核的磁矩平行时，在两个原子核之间产生吸引力。结果是，具有平行磁矩的两个原子核之间的总势垒降低，并且更可发生隧穿事件。当两个原子核具有反平行磁矩时，情况相反，势垒增加，并且不太可发生隧穿。当特定类型的核的磁矩为正时，核趋向于在所施加的磁场的方向对准其磁矩。相反，当磁矩为负时，核趋向于反平行于所施加的场对准。大多数原子核，包括大多数作为潜在聚变反应物的关注的原子核，具有正磁矩(p、D、T、⁶Li、⁷Li和¹¹B都具有正磁矩；³He和¹⁵N具有负磁矩)。在某些实施方式中，提供磁场，使得在存在磁场的装置内的每个点处，在大致相同的方向对准磁矩。当第一和第二工作材料具有均为正或均为负的核磁矩时，这导致原子核之间的总势能势垒减小。据信这导致遂穿速率增加和聚变反应发生率更大。这种效应也可称为自旋极化或磁偶极-偶极相互作用。此外，原子核围绕磁场线的回转也有助于确定原子核的总角动量。因此，当原子核的回旋运动在与核磁矩的极化相同的方向产生附加角动量时，进一步减小库仑势垒。

在一些情况下，通过施加1-20T范围内的磁场，在约束区域中和沿约束壁的聚变反应物(例如，¹H和¹¹B)的自旋状态可对准。在其中磁场用于提供洛仑兹力的情况下，磁场也可对准聚变反应物的自旋状态。通过例如电子屏蔽和自旋极化(通过作用于反应物核的强磁场实现)的减少的库仑势垒的组合可产生聚变速率显著增强。两个原子核之间的静电吸引包括自旋依赖项，其在短距离(例如，小于1fm)处变得占主导地位。

应用

如本文所述的聚变反应堆具有丰富的应用，其可解决许多社会问题，例如对化石燃料的依赖。在一些情况下，使用聚变反应堆可使得在常规发电方法中不可行或不实用的能量密集应用可行和/或实用。现在简要讨论聚变反应堆的一些应用。

在一些情况下，聚变反应堆可用于改造化石燃料发电厂，例如燃烧煤、天然气或石油以产生电力的发电厂。在一些情况下，本文所述的聚变反应堆可用于改造裂变发电厂。在一些情况下，当改造发电厂时，可仅需要更换或更新发电厂中产生能量的部分。这使得发电厂改造简单且有成本效益，因为涡轮机、发电机、冷却塔、到配电网的连接和其他基础设施可被重复使用。例如，通过用利用本文所述反应堆的聚变锅炉代替燃煤锅炉，可改造燃煤发电厂。类似地，可通过用本文所述的聚变反应堆代替控制棒和铀燃料，可改造裂变发电厂。

在一些情况下，聚变堆具有采用多个较小反应堆的模块化设计。通过具有多个反应堆，通过改变运行中的反应堆的数量，可调节设备的功率输出，以满足能量需求。另外，如果单个反应堆可被维修或更换而其他反应堆保持可运行，则设备的总功率输出可不受到显著影响。

在一些情况下，聚变反应堆可用作工业过程例如玻璃纤维制造的加热界面。在一些情况下，反应堆设置为作为用于蒸汽发生器(例如，用于蒸汽清洁或金属切割的蒸汽发生器)的热源。在一些情况下，反应堆用作氦的来源，其中作为聚变反应的结果而产生氦(例如，当反应堆进行质子-硼-11聚变时)。在一些情况下，反应堆可用作热水器的一部分，例如家用热水器。例如，可将反应堆放置在水箱内或者可热耦合到水箱，使得从反应堆发出的热量用于加热水。在一些情况下，基于聚变的热水器可与水散热器配对以提供室内加热。

在一些情况下，聚变反应堆用于运输应用。例如，聚变反应堆可用于为汽车、飞机、火车和轮船提供动力。例如，汽车可配备有反应堆，该反应堆具有一个或多个设置成产生电能和/或机械能的能量转换模块。在电动汽车中，由反应堆产生的电能可用于对电池或电容器充电，该电池或电容器用于向电动机提供电力。例如，每当电池的充电状态下降低于某一阈值，就可运行反应堆以对汽车电池充电。在一些情况下，例如通过机械能斯特林发动机产生，用于为汽车提供驱动动力。在一些情况下，聚变反应堆可用于向外太空飞行器提供动力。用于外太空飞行器的一些设计使用裂变反应堆，例如放射性同位素热电发电机。这种设计遭受使用和产生放射性同位素。它们还需要携带相对大量的放射性燃料。由于本文所述的反应堆可为无中子或基本上无中子的，这些反应堆对于设计成载人的航天器来说可能更优选。另外，用于本文所述的反应堆的聚变反应物的能量密度显著高于裂变反应或化学反应产生相同能量所需的燃料。

没有记载"装置"或"步骤"的权利要求要素不为"装置加功能"或"步骤加功能"的形式。(参见35 USC§112(f))。申请人意在仅将记载"装置"或"步骤"的权利要求要素理解为根据或遵循35 U.S.C.§112(f)。

在不脱离本发明的精神或基本特征下，本公开可以其他特定形式体现。所描述的实施方式在所有方面都应认为是仅为说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是前面的说明表示。在权利要求的含义和等同范围内的所有改变包含在其范围内。

Claims (56)

1.一种反应堆，所述反应堆包含：

约束壁，所述约束壁至少部分地包围约束区域，带电粒子和中性物可在所述约束区域内旋转；

邻近或靠近所述约束区域的多个电极；

控制系统，所述控制系统包含配置以在所述多个电极的至少两个之间施加电势的电压和/或电流源，其中所施加的电势在所述约束区域内产生电场，所述电场单独地或者与磁场结合诱导和/或维持所述带电粒子和所述中性物在所述约束区域中的旋转运动；以及

布置在所述约束区域中或邻近所述约束区域的反应物，使得在运行期间，所述中性物和所述反应物之间的反复碰撞产生与所述反应物的相互作用，所述相互作用释放能量并产生产物，所述产物的核质量不同于所述中性物和所述反应物的核中的任一个的核质量，其中，在运行期间，靠近所述反应物的所述约束区域包含富电子区域，比起带正电粒子，所述富电子区域的电子过量至少约10⁶/cm³。

2.根据权利要求1所述的反应堆，其中，所述多个电极在所述约束区域周围呈方位角分布，并且其中所述控制系统设置成通过向所述多个电极施加随时间变化的电压来诱导带电粒子和所述中性物在所述约束区域中的旋转运动。

3.根据权利要求1或2所述的反应堆，其中，所述反应堆设置成通过在所述约束区域内所述电场与施加的磁场之间的相互作用来诱导带电粒子和所述中性物在所述约束区域中的旋转运动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，在所述富电子区域内的电子与正离子的比率为约10⁶:1至10⁸:1。

5.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，所述富电子区域的电场强度为至少约10⁶V/m。

6.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，在所述富电子区域中的所述电子的平均温度为约10000K至50000K。

7.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，在所述富电子区域中的所述中性物的平均能量为约0.1eV至2eV。

8.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，在所述富电子区域中的所述电子的密度为约10¹⁰cm^-3至约10²³cm^-3。

9.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，所述富电子区域从所述反应物延伸至所述约束区域中约50纳米至50微米的距离。

10.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，在运行期间，靠近所述反应物的所述约束区域中的所述中性物的浓度为至少约10¹⁶/cm³。

11.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中在运行期间，靠近所述反应物的所述约束区域中的所述中性物的浓度为约10¹⁶/cm³至约10¹⁸/cm³。

12.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，所述反应堆还包含布置于所述约束区域中或邻近所述约束区域的电子发射体，使得在运行期间，所述电子发射体在所述约束区域中产生电子。

13.根据权利要求12所述的反应堆，其中，所述电子发射体附着于或嵌入所述约束壁中。

14.根据权利要求13或14所述的反应堆，所述反应堆还包含插入所述约束壁与所述发射体之间的一个或多个绝缘层，所述绝缘层配置成提供绝热和/或电绝缘。

15.根据权利要求14所述的反应堆，其中，所述一个或多个绝缘层包含氧化锆、氧化铝、氮化锌和氧化镁。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的反应堆，其中，所述电子发射体具有至少一个突出至所述约束区域内的点。

17.根据权利要求12-16中任一项所述的反应堆，所述反应堆还包含与所述电子发射体热连通的细丝，其中所述控制系统进一步设置成施加通过所述细丝的电流。

18.根据权利要求17所述的反应堆，所述反应堆还包含温度传感器，所述温度传感器设置成监控所述电子发射体的温度，其中所述控制系统设置成基于所监控的温度将电流施加到所述细丝。

19.根据权利要求12-18中任一项所述的反应堆，所述反应堆还包含激光器，设置所述激光器以发射光束通过所述约束区域到达所述电子发射体上或所述约束壁上，使得所述光束与所述电子发射体或所述约束壁之间的相互作用引起电子被发射到所述约束区域中。

20.根据权利要求12-19中任一项所述的反应堆，其中，所述电子发射体被设置成在所述反应堆运行期间移入和移出所述约束区域。

21.根据权利要求20所述的反应堆，其中，所述控制系统进一步设置成控制所述电子发射体在所述约束区域内的移动。

22.根据权利要求21所述的反应堆，所述反应堆还包含温度传感器，设置所述温度传感器以监控所述电子发射体的温度，并且其中所述控制系统被设置成基于所监控的温度控制所述电子发射体在所述约束区域内的移动。

23.根据权利要求12-22中任一项所述的反应堆，其中，所述电子发射体包含硼或含硼材料。

24.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，所述反应物包含硼-11。

25.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，所述产物的核质量大于所述中性物和所述反应物的核中的任一个的核质量。

26.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中，所述相互作用是聚变反应。

27.根据权利要求26所述的反应堆，其中，所述聚变反应是无中子反应。

28.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，其中所述中性物包含中性氢、氘和/或氚。

29.根据前述权利要求中任一项所述的反应堆，所述反应堆还包含能量转换装置，设置所述能量转换装置以提取带电反应产物的热能、动能和/或来自所述反应堆的机械能，并将所述热能、动能和/或机械能转换为电能和/或机械能，用于在所述反应堆外部做功。

30.一种运行反应堆的方法，所述方法包括：

在所述反应堆中多个电极中的至少两个之间施加电势，所述反应堆包含：

至少部分地包围所述约束区域的约束壁，

邻近或靠近所述约束区域的多个电极，

控制系统，所述控制系统包含配置以在所述多个电极中至少两个之间施加电势的电压和/或电流源，其中所施加的电势在所述约束区域内产生电场，和

布置在所述约束区域中或邻近所述约束区域的反应物；

其中，在所述约束区域中的电场单独作用或与磁场结合，诱导和/或维持带电粒子和中性物在所述约束区域中的旋转运动；

其中，在所述反应堆运行期间，靠近所述反应物的所述约束区域包含富电子区域，比起带正电粒子，所述富电子区域的电子过量至少约10⁶/cm³；和

其中，在所述反应堆运行期间，所述中性物和所述反应物之间的反复碰撞产生与所述反应物的相互作用，所述相互作用释放能量并产生产物，所述产物的核质量不同于所述中性物和所述反应物的核中的任一个的核质量。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述多个电极在所述约束区域周围呈方位角分布，并且其中所述控制系统设置成通过向所述多个电极施加随时间变化的电压来诱导带电粒子和所述中性物在所述约束区域中的旋转运动。

32.根据权利要求30所述的方法，其中，在所述约束区域中，所述电场与所述磁场结合起作用，以诱导和/或维持所述带电粒子和所述中性物在所述约束区域中的旋转运动。

33.根据权利要求30-32中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，在所述富电子区域内电子与正离子的比率为约10⁶:1至10⁸:1。

34.根据权利要求30-33中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，所述富电子区域的电场强度为至少约10⁶V/m。

35.根据权利要求30-34中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，在所述富电子区域中的所述中性物的平均能量为约0.1eV至2eV。

36.根据权利要求30-35中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，在所述富电子区域中的电子的密度为约10¹⁰cm^-3至约10²³cm^-3。

37.根据权利要求30-36中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，所述富电子区域从所述反应物延伸至所述约束区域中约50纳米至约50微米的距离。

38.根据权利要求30-37中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，靠近所述反应物的所述约束区域中所述中性物的浓度为至少约10¹⁶/cm³。

39.根据权利要求30-38中任一项所述的方法，其中，在所述反应堆运行期间，靠近所述反应物的所述约束区域中的所述中性物的浓度为约10¹⁶cm^-3至约10¹⁸cm^-3。

40.根据权利要求30-39中任一项所述的方法，其中，所述反应堆包含布置在所述约束区域中或邻近所述约束区域的电子发射体，使得在运行期间，所述电子发射体在所述约束区域中产生电子。

41.根据权利要求40所述的方法，所述方法还包括控制所述约束区域中电子的产生。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，控制所述约束区域中电子的产生包括将电流施加到与所述电子发射体热连通的细丝。

43.根据权利要求42所述的方法，所述方法还包括监控所述电子发射体的温度，并且其中施加到所述细丝的电流是基于所监控的电子发射体的温度。

44.根据权利要求41-43中任一项所述的方法，其中，控制所述约束区域中电子的产生包括将所述电子发射体移入或移出所述约束区域。

45.根据权利要求44所述的方法，所述方法还包括监控所述电子发射体的温度，并且其中所述电子发射体移入或移出所述约束区域是基于所监控的电子发射体的温度。

46.根据权利要求41-45中任一项所述的方法，其中，控制所述约束区域中电子的产生包括控制激光器的光发射，所述激光器设置成发射光束通过所述约束区域到达所述电子发射体或所述约束壁上。

47.根据权利要求46所述的方法，所述方法还包括监控所述电子发射体的温度，并且其中基于所监控的电子发射体的温度控制所述激光器的光发射。

48.根据权利要求40-47中任一项所述的方法，其中，所述电子发射体附着于或嵌入所述约束壁中。

49.根据权利要求40-48中任一项所述的方法，其中，所述电子发射体包含硼或含硼材料。

50.根据权利要求30-49中任一项的方法，其中，所述反应物包含硼-11。

51.根据权利要求30-50中任一项的方法，其中所述产物的核质量大于所述中性物和所述反应物的核中的任一个的核质量。

52.根据权利要求30-51中任一项的方法，其中，所述相互作用是聚变反应。

53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述聚变反应是无中子反应。

54.根据权利要求52所述的方法，其中，所述聚变反应以每秒每立方厘米约10¹⁷至约10²²个聚变反应的速率发生于所述富电子区域中。

55.根据权利要求30-54中任一项所述的方法，其中，所述中性物包含中性氢、氘和/或氚。

56.根据权利要求30-55中任一项所述的方法，所述方法还包括将带电反应产物的热能、动能和/或来自所述反应堆的机械能转换为电能和/或机械能，用于在所述反应堆外部做功。

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