CN116711024A - 旋转芯等离子体压缩系统 - Google Patents

Abstract

一种等离子体压缩系统，包括等离子体密闭容器、在容器内部的环形旋转芯，以及固定地安装到容器壁的外表面的多个压缩驱动器。环形旋转芯包含液体介质并且可旋转以使液体介质循环并且形成具有空腔的液体内衬。旋转芯包括与容器壁的内表面间隔开以限定环形间隙的外表面，以及多个内爆驱动器，每个内爆驱动器包括推动器孔，该推动器孔具有可在其中滑动的推动器活塞。每个推动器孔延伸穿过旋转芯。该多个压缩驱动器压缩环形间隙中的压缩流体并且产生压力脉冲，使得当旋转芯旋转并且液体介质填充推动器孔时，推动器活塞可操作以向内推动液体介质，从而使液体内衬塌缩并且压缩空腔中的等离子体。

Description

旋转芯等离子体压缩系统

技术领域

本公开总体上涉及用于压缩等离子体的旋转芯流体压缩系统。

背景技术

除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不因为包含在本部分中而被承认是现有技术。

核聚变是结合两个原子核的过程，由此反应释放能量。能量的释放是由于反应物与熔融反应产物之间质量的微小差异，并且受dE＝dmc²控制。常见的反应物是氘(具有一个质子和一个中子的氢核)和氚(具有一个质子和两个中子的氢核)的等离子体形式。这两种反应物的聚变产生氦-4核、中子和作为热量被捕获的能量。实现反应物的聚变需要反应物的高温和高压(密度)。某些聚变方法的聚变条件可以是800兆帕斯卡的压力和1.5亿摄氏度的等离子体温度的量级。

等离子体是一种类似于气体的物质状态，并且由电离气体和自由电子组成。包括反应容器内的电离聚变反应物的等离子体可用于引发聚变反应。例如，为了在等离子体中实现具有足够的温度和密度以用于聚变的条件，等离子体需要被定位、约束和压缩。已知有几种操纵和压缩等离子体的方法。在一种方法中，导电线圈定位在反应容器的圆周周围并且被电流激励以产生磁场。此磁场与磁化等离子体相互作用以操纵其形状、位置，并且在一些方法中操纵其压缩(密度)。实现聚变条件的其他方法包括使用强磁场来压缩等离子体，在此期间绝热加热使等离子体达到聚变条件。这些方法中的一些已经证明了聚变产物，然而，迄今为止，这些等离子体压缩系统还没有产生比其消耗的更多的能量。

实现聚变条件的另一种方法是使用更常规的装置，例如机械活塞，来压缩氢等离子体。这些机械等离子体压缩系统通过形成等离子体定位在其中的基本上圆柱形的空腔来压缩聚变能量装置内的等离子体。通过旋转液态金属空腔内衬使得离心力使液态金属移动抵靠旋转圆柱体的壁形成液态内衬，来形成圆柱形空腔。通过使空腔径向内爆而使液态金属内衬塌缩。当液态金属内衬塌缩时等离子体被压缩。在此压缩期间，实现聚变条件，发生聚变反应，并且将热副产物释放到液态金属内衬中。通过使加热的液态金属循环通过常规的热交换器而从聚变能量装置中去除此热能。这种类型的等离子体压缩系统被称为磁化靶聚变，以下称为“MTF”，并且是General Fusion公司所使用的等离子体压缩系统。

如现有技术中已知的，用于在液体内衬中形成空腔并用于使液体内衬内爆的系统形成基本上圆柱形的空腔，该空腔通过使圆柱形液体内衬内爆而塌缩。这种现有技术的内爆液体内衬系统的一个实例是1970年代在美国海军研究实验室中开发的LINUS系统。在LINUS系统中，旋转的圆柱形液态金属内衬由自由活塞径向地驱动。活塞由高压气体轴向地驱动，导致旋转的液体内衬的自由表面的径向运动。通过使其中包含液体介质的圆柱形容器旋转来提供液态金属的初始旋转。包括圆柱形容器和活塞的整个系统围绕其纵向轴线旋转，使得沿着旋转轴线形成圆柱形空腔，并且圆柱形空腔与旋转轴线同轴。在假设的将足够大以在商业规模上产生功率的LINUS系统中，此系统的旋转质量将产生非常大的向心结构力。

这种现有技术系统的另一个实例是由General Fusion公司在2009年开发的、在2018年6月授予Laberge等人的美国专利10,002,680B2。在此系统中，旋转的液态金属内衬在压力容器内产生涡流腔，并且内衬的内爆和等离子体在涡流腔中的压缩由声压波驱动，该声压波由撞击砧板的可移动活塞产生，该砧板径向地定位在压力容器周围。这些活塞在固定地安装到压力容器的外壁的孔内移动。

这种现有技术系统的另一个实例是General Fusion公司在2017年开发的、在2020年10月授予Zimmerman等人的美国专利10,798,808B2。在此系统中，浸没在液体介质中的转子使液体介质循环以产生围绕包含等离子体的涡流腔的液体内衬，然后通过径向定位在压力容器外部并固定地安装到压力容器的压缩驱动器使该液体内衬塌缩。在此设计中，液体介质部分地填充压缩驱动器，使得液体介质跨越转子和非旋转压力容器之间的间隙。环形间隙内的流体是液体。当转子使液体内衬循环时，间隙中的液体介质由于流体耦合而经受大的剪切力，从而需要额外的能量来克服扭矩并驱动转子。

因此，期望提供一种对现有的用于使液体内衬内爆和压缩等离子体的系统的改进。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种等离子体压缩系统，其包括具有容器壁的等离子体密闭容器、在容器内部的环形旋转芯，以及固定地安装到容器壁的外表面的多个压缩驱动器。环形旋转芯包含液体介质并且可在容器内部旋转以使液体介质循环并形成具有空腔的液体内衬。旋转芯包括与容器壁的内表面间隔开以限定环形间隙的外表面，以及多个内爆驱动器，每个内爆驱动器包括推动器孔，该推动器孔具有可在其中滑动的推动器活塞。环形间隙内的流体是气体。每个推动器孔延伸穿过旋转芯并且具有与环形间隙流体连通的近端和与液体介质流体连通的远端。

在一个方面中，该多个压缩驱动器可各自固定地安装到容器壁的外表面，并且包括用于储存加压气体的蓄能器以及与蓄能器和容器壁中的容器壁开口流体连通的驱动阀。当旋转芯旋转时，驱动阀可操作以将加压气体从蓄能器排放到环形间隙中，从而产生压力脉冲，该压力脉冲使推动器活塞移动并且向内推动液体介质以使液体内衬塌缩并且压缩空腔中的等离子体。

在另一方面中，该多个压缩驱动器可各自包括驱动器孔，该驱动器孔具有可在其中滑动的驱动器活塞；每个驱动器孔可固定地安装到容器壁的外表面并且具有与容器壁中的开口流体连通的远端。在此方面中，等离子体压缩系统还包括原动机，其可操作以沿着驱动器孔移动驱动器活塞；以及在环形间隙和驱动器孔中并与驱动器活塞和推动器活塞流体连通的压缩流体，例如氦。驱动器活塞朝向容器壁开口的运动压缩该压缩流体并且产生移动推动器活塞的压力脉冲，使得当旋转芯旋转并且液体介质填充推动器孔时，推动器活塞可操作以向内推动液体介质，从而使液体内衬塌缩并且压缩空腔中的等离子体。

等离子体压缩系统可进一步包括等离子体发生器，其与容器流体连通并且可操作以将等离子体注入到空腔中。

容器可具有选自由圆柱形、卵形和球形组成的组中的形状，并且旋转芯的外表面可具有与容器壁的内表面的曲率一致的曲率。推动器孔可具有比驱动器孔更短的长度，并且推动器活塞可具有比驱动器活塞更小的质量。该多个压缩驱动器可相对于旋转芯的旋转轴线大致径向地延伸，并且可布置在容器外部的多个竖直堆叠层中。另外，该多个内爆驱动器可相对于旋转芯的旋转轴线大致径向地延伸，并且可布置在旋转芯中的多个竖直堆叠层中。

对于具有蓄能器和驱动阀的压缩驱动器，可以进一步包括释放罐以及与释放罐和容器壁开口流体连通的回弹阀。回弹阀可操作以在加压气体已经排入环形间隙中并且驱动阀关闭之后打开，从而允许加压气体从环形间隙流入释放罐中。等离子体压缩系统可进一步包括与驱动阀和回弹阀连通的控制器；控制器具有处理器和计算机可读存储器，该计算机可读存储器具有编码在其上的指令，该指令在由处理器执行时使得控制器在加压气体从蓄能器流入环形间隙的压缩喷射的压缩阶段期间打开驱动阀并关闭回弹阀，在一些加压气体从环形间隙流入蓄能器的压缩喷射的回弹恢复阶段期间保持驱动阀打开并保持回弹阀关闭，并且在其他一些加压气体从环形间隙流入释放罐的能量耗散阶段期间关闭驱动阀并打开回弹阀。或者，控制器可用提供相同功能的机械组件代替。

对于具有带驱动器活塞的驱动器孔的压缩驱动器，每个驱动器孔可具有比容器壁开口更大的直径，并且每个压缩驱动器可进一步包括使容器壁开口与驱动器孔的远端互连的环形面表面，由此压缩流体的压缩在环形面表面上施加向内压力，该向内压力抵消容器上的向外压力。驱动器活塞可包括平行于环形面表面的环形凸缘和垂直于环形凸缘并与其相邻的环形边沿，使得当驱动器活塞位于容器壁开口处时，由环形边沿、环形面表面和环形凸缘形成压缩流体通道。

对于具有带驱动器活塞的驱动器孔的压缩驱动器，原动机可包括容纳加压驱动器流体的蓄能器和将蓄能器流体地联接到每个驱动器活塞的驱动器流体阀。驱动器流体阀可以是可调节的，以调节由驱动器流体施加到驱动器活塞的压力。或者，原动机可包括电磁源、位于驱动器孔处的电磁线圈，以及每个驱动器活塞中的导电元件。可操作电磁源以调节沿着驱动器孔的长度的磁场，从而控制驱动器活塞的加速度分布。或者，原动机可包括机械弹簧。等离子体压缩系统可进一步包括在驱动器孔中的至少一个排放端口，用于从驱动器孔排放驱动器流体或压缩流体。排放端口包括排放阀，该排放阀是可调节的，以调节由驱动器流体或压缩流体施加到驱动器活塞的压力，从而控制驱动器活塞的加速度分布。等离子体压缩系统可进一步包括在驱动器孔的远端处的电极；电极可操作以产生电弧来加热压缩流体。

除了上述方面和实施方式之外，通过参考附图和研究以下详细描述，其他方面和实施方式将变得显而易见。

附图说明

在所有附图中，附图标记可以被重复使用以指示所参考的元件之间的对应关系。提供附图以说明本文描述的实例实施方式，并且该附图不旨在限制本公开的范围。附图中的元件的尺寸和相对位置不是必须按比例绘制的。例如，各种元件的形状和角度不是按比例绘制的，并且这些元件中的一些被任意放大和定位以改进附图的易读性。

图1是根据一个实施方式的等离子体压缩系统的横截面侧视图，该等离子体压缩系统包括固定地附接到等离子体密闭容器的多个压缩驱动器和可在容器内旋转并且包括多个内爆驱动器的旋转芯。

图2A和图2B是一个压缩驱动器的不同实施方式的横截面侧视图，其中，图2A是根据第一实施方式的压缩驱动器，包括驱动器活塞和驱动器孔，以及多个内爆驱动器，每个内爆驱动器包括推动器活塞和推动器孔，并且图2B是根据第二实施方式的压缩驱动器，包括与驱动阀流体连通的蓄能器和与回弹阀流体连通的释放罐。

图3是根据原型实施方式的附接到容器的压缩驱动器中的一些的照片。

图4是根据第一实施方式的具有压缩驱动器的等离子体压缩系统的局部横截面平面图，示出了压缩驱动器在容器上的取向和内爆驱动器在旋转芯中的取向。

图5A至图5E是根据第一实施方式的一个压缩驱动器和多个内爆驱动器在操作一段时间后的横截面侧视图，其中：图5A示出了在被原动力触发之前其驱动器活塞处于开始位置的压缩驱动器；图5B示出了在驱动器孔内处于其总行程极限的大约三分之一处的驱动器活塞；图5C示出了驱动器活塞在靠近推动器活塞时并且刚好在推动器活塞加速之前的驱动器活塞；图5D示出了当推动器活塞在推动器孔下加速时位于驱动器孔的远端处的驱动器活塞；并且图5E示出了在推动器孔内的行程极限处的推动器活塞。

图6A至图6D是根据第二实施方式的一个压缩驱动器的一部分在压缩喷射上的横截面侧视图，其中，图6A示出了压缩驱动器在喷射前阶段中的阀状态，图6B示出了压缩阶段中的阀状态，图6C示出了回弹恢复阶段中的阀状态，并且图6D示出了能量耗散阶段中的阀状态。

图7A是压缩驱动器的第一实施方式的驱动器活塞和容器壁附近的多个推动器活塞的局部横截面透视图。图7B是压缩驱动器的第二实施方式的多个蓄能器和驱动阀以及容器壁附近的多个推动器活塞的局部横截面透视图。

图8是根据一个实施方式的推动器活塞的横截面局部透视图。

图9A是在压缩操作期间驱动器活塞、推动器活塞和内衬接口的位置轨迹随时间的图形表示。图9B是在压缩操作期间，在液体内衬的背面上的驱动器孔和推动器孔处的压力脉冲随时间的图形表示。

图10A和图10B是等离子体压缩系统的不同实施方式的局部横截面视图，示出了具有形成在容器的外壁中的多个端口的等离子体密闭容器、联接到容器的端口的压缩驱动器，以及旋转芯，其中，图10A示出了压缩驱动器的第一实施方式，图10B示出了压缩驱动器的第二实施方式。

图11A是等离子体压缩系统的原型实施方式的一部分的照片，示出了具有联接到容器的端口的多个压缩驱动器的容器，其中，驱动器活塞定位在容器壁的内表面处。图11B是原型实施方式的照片，示出了包括多层端口的容器壁的内表面。

图12是原型实施方式的旋转芯的照片，示出了推动器孔。

图13是原型实施方式的旋转芯的照片，示出了推动器孔中的推动器活塞。

图14是处于部分拆卸状态的原型实施方式的旋转芯的一部分的照片，即，推动器孔部分地插入到旋转芯中。

图15A至图15D是工作中的原型实施方式的时间系列照片，示出了由压缩系统塌缩的旋转液体内衬和空腔。

图16是联接到聚变能量装置的等离子体压缩系统的横截面图示。

具体实施方式

参考图1至图16，本文描述的实施方式涉及等离子体压缩系统1，其包括等离子体密闭容器3、可在容器3内旋转并具有多个内爆驱动器5的环形旋转芯2，以及固定地安装到容器3的外部的多个压缩驱动器4、40。等离子体密闭容器3具有带多个端口12的外壁，并且旋转芯2具有与容器外壁3的内表面间隔开以限定环形间隙10(参见图2、图4)的外表面，以及限定内部容积的内表面。所示实施方式中的容器3和旋转芯2是圆柱形的；然而，根据替代实施方式，容器3和旋转芯2可具有不同的几何形状。例如，容器3可以是球形或卵形(未示出)，并且旋转芯2可具有直的(圆柱形的)或弯曲的外表面，其曲率与容器3的内壁的曲率一致，并且可具有直的(圆柱形的)或弯曲的内表面(未示出)。在另一实例中，容器3的的壁可具有变化的径向直径的圆形台阶(未示出)，并且旋转芯2可具有台阶状的外表面，其径向直径与容器的内壁中的台阶一致。旋转芯2可以由整体的圆柱形单元构成，或者在替代实施方式中可以由多个接合在一起以形成旋转芯2的成形段(未示出)构成。旋转芯2或其段的构造可以使用传统的金属成形和磨铣技术，或者可以使用金属印刷技术以产生内部网状结构，该内部网状结构优化旋转芯2内的拓扑结构和应力载荷。

容器3的结构可以是单个圆柱体，或者在替代实施方式中，容器3可以由一系列堆叠的环(未示出)组装而成，这些堆叠的环具有直的(圆柱形的)或弯曲的外表面和可以是直的(圆柱形的)或弯曲的内表面，其中外表面的曲率与容器3的内壁的曲率一致。所组装的环可以通过现有技术中已知的方式接合，例如通过焊接堆叠的环接口或通过使用其他方式向堆叠的环组件(例如螺栓)施加轴向张力。

旋转芯2包含液体介质，该液体介质可通过旋转芯2循环以产生围绕空腔28的液体内衬27(参见图15A和图15B)。等离子体可注入到空腔28中，并且压缩驱动器4、40可操作以压缩压缩流体并在环形间隙10上传输压力脉冲，这导致内爆驱动器5向内推动液体介质以使液体内衬27塌缩并压缩等离子体。液体介质可以是液态金属，例如锂，压缩流体可以是轻气体，例如氦。

根据一个实施方式，并且特别参考图2A、图4、图5A至图5E、图7A和图10A，压缩驱动器4各自包括驱动器孔13和可在其中滑动以压缩该压缩流体的驱动器活塞15。驱动器孔13具有固定地安装到容器壁3的外表面的驱动器孔壁14，并且具有与容器壁3中的对应端口12流体连通的远端。内爆驱动器5各自包括具有可在其中滑动的推动器活塞6的推动器孔9。推动器孔9延伸穿过旋转芯2，并且具有与环形间隙10流体连通的近端7和与液体介质流体连通的远端8。压缩流体填充环形间隙10，并且与驱动器活塞15和推动器活塞6流体连通。

当旋转芯2例如通过电驱动马达、蒸汽轮机或其他形式的旋转驱动装置旋转时，液体介质由于向心力而填充推动器孔9，并且形成限定空腔28的液体内衬27。等离子体发生器29(参见图16)将等离子体注入此空腔中。由于液体介质完全包含在旋转芯2内(即不接触容器壁3)，所以其处于固体旋转中，具有最小的湍流或空腔表面扰动。在压缩操作中，原动机被致动并且将驱动器活塞15推向容器壁3中的端口12，从而压缩环形间隙10中的压缩流体并且产生压力脉冲。这在推动器活塞6上施加压力，使得推动器活塞6向内推动液体介质，以使液体内衬27塌缩并且压缩等离子体。在环形间隙10中形成压缩流体的剪切层；由于剪切层是轻气体，所以与使用浸没在液体介质中的转子并产生液体介质的剪切层的设计相比，驱动旋转芯2所需的功率明显更低。

每个内爆驱动器5具有质量小于驱动器活塞15的质量的推动器活塞6，以及长度小于驱动器孔13长度的推动器孔9。因此，压缩驱动器4将固定结构中的更长、更低功率的机械输入转换为旋转芯2中的内爆驱动器5中的更短、更高功率的机械输出。这在需要高压短脉冲的应用中是有用的，例如在由General Fusion公司开发的等离子体压缩系统中。

特别参考图1和图2A，等离子体压缩系统1包括多个压缩驱动器4和内爆驱动器5，其可一起使液体内衬27内爆，具有调整内爆轨迹的能力。在此实施方式中，原动机包括通过阀16联接到驱动器孔13的近端的蓄能器17，该蓄能器可被打开以排放高压气体(“驱动器流体”)以移动驱动器活塞15并且压缩驱动器活塞15前面的驱动器孔13中的压缩流体。为了本申请的目的，压缩流体可以指任何可被压缩的流体，并且在一个实现方式中可以是气体。在另一实现方式中，压缩流体可以是气体和液体介质的混合物，只要活塞15和6之间的驱动器孔13中的压缩流体是可压缩的。在所示的实施方式中，每个压缩驱动器4包括其自己的蓄能器17；然而，在替代实施方式中，多个压缩驱动器4可共享单个蓄能器，例如，可为压缩驱动器4的每层提供一个蓄能器(未示出)，或者可为所有压缩驱动器4提供单个蓄能器(未示出)。

在替代实施方式中，原动机可包括电磁源，或者原动机可包括机械弹簧。电磁线圈(未示出)可围绕驱动器孔13缠绕，并且可被控制以沿着驱动器孔13驱动驱动器活塞15。

在压缩操作之前，驱动器活塞15和推动器活塞6处于初始位置(参见图5A)。在初始位置，压缩流体填充驱动器活塞15前面的驱动器孔13和环形间隙10，并且与推动器活塞6流体连通；在活塞15和6的初始位置之间的压缩流体的压力明显小于蓄能器17中的驱动器流体压力。例如，在一个实现方式中，压缩流体的压力可以是大约0.5MPa，然而，只要其明显低于蓄能器17的驱动器流体的压力，其就可以小于或大于0.5MPa。

当旋转芯2旋转时，推动器孔9将用填充液体介质，使得液体介质由于旋转芯2的旋转产生的向心力而在推动器活塞6的内表面上推动。在另一实现方式中，气体、机械装置或磁场也可向推动器活塞6施加压力，以防止推动器活塞无意中沿着推动器孔9加速(直到预定/期望的时间)。在推动器孔9的开口端8处/附近可设置保持装置，例如凸缘(未示出)，以防止推动器活塞6从推动器孔9中移出。另外，可在近端(未示出)设置附加的保持装置，以便防止推动器活塞6由于从推动器孔9中的液体介质施加的压力而被推入环形间隙10中。

驱动器活塞15和推动器活塞6可由任何合适的材料制成，例如不锈钢或钛合金或不与液体介质和/或驱动器流体和/或压缩流体反应的任何其他合适的材料。在此实施方式中，驱动器孔13和驱动器活塞15中的每一个的直径大于推动器孔9和推动器活塞6中的每一个的直径；然而，在替代实施方式中，每个推动器孔9(推动器活塞6)的直径可等于或大于每个驱动器孔13(驱动器活塞15)的直径。

阀16可以是任何类型的可控快速阀。例如，阀16可以是气体驱动阀或电磁阀或任何其他合适的快速作用阀。可选择阀尺寸和驱动器流体压力，以允许足够的流速在目标时间段内使驱动器活塞15沿驱动器孔13向下加速。

在操作期间，驱动器活塞15的加速度分布可通过控制驱动器活塞15后面的驱动器孔13中的驱动器流体的压力来控制。驱动器活塞15的加速度分布可通过调节驱动器活塞15后面的压力(蓄能器17的压力)来调节。例如，驱动器活塞15上的驱动器流体压力可通过调节阀16的打开尺寸或持续时间来调节，以控制来自蓄能器17的驱动器流体流和/或经由驱动器活塞15后面的驱动器孔13中的端口18从驱动器孔13排出驱动器流体；这些端口18具有类似于驱动器流体阀16的可控阀(未示出)。用于调节阀16的打开尺寸或持续时间以控制来自蓄能器17的驱动器流体流的装置可以通过气动阀控制装置或电磁阀控制装置来实现。驱动器活塞15的加速度分布还可通过控制驱动器活塞15前面(下游)的压缩流体的压力来控制。在驱动器活塞15和容器壁3之间的压缩驱动器4的壁中的端口18(参见图2A)可被控制以注入或排出压缩流体。另外，可在驱动器孔13的近端附近注入额外的可压缩流体，以使驱动器活塞15减速，从而防止与容器3的喷射。驱动器孔13的长度可设计得足够长，使得可通过改变驱动器流体的压力和/或压缩流体的压力来调整驱动器活塞15的轨迹。可设置多个传感器(未示出)以测量驱动器活塞15的位置或驱动器流体阀16的打开持续时间，并且将所测量的信号提供给控制器(未示出)。在另一实现方式中，通过在位于驱动器孔13的远端处、在压缩驱动器活塞15和旋转芯2之间的两个电极19上产生的电弧对压缩流体进行电弧加热可以用于调整压缩驱动器活塞15和推动器活塞6的轨迹。

在替代实施方式中，电磁线圈可控制驱动器流体阀16的打开持续时间，这控制有多少高压流体进入驱动器孔13，其可被操作以控制驱动器活塞15的加速度。或者，驱动器活塞的加速度分布可直接被电磁地控制。在其中原动机包括缠绕在驱动器孔壁14周围的电磁线圈的实施方式中，可操作驱动器活塞中的电磁导电元件和联接到电磁线圈的电磁源以控制驱动器活塞的加速度。

特别参考图4，压缩驱动器4径向地定位在容器壁3的外表面上，并且由推动器孔9内的推动器活塞6组成的内爆驱动器在旋转芯2内径向地延伸。压缩驱动器活塞15示出为在驱动器孔13内朝向旋转芯2的向内行程的中间位置。在替代实施方式中，压缩驱动器4和内爆驱动器可非径向地定位到容器3和旋转芯2，只要压缩驱动器4相对于旋转芯2的旋转轴线垂直地(即正交地)定位，并且内爆驱动器5相对于旋转芯2的旋转轴线垂直地定位。

特别参考图5A、图5B、图5C、图5D和图5E，压缩操作包括使每个驱动器活塞15朝向容器壁端口12快速移动，从而压缩环形间隙10中的压缩流体并且产生抵靠推动器活塞6的压力脉冲，该推动器活塞然后在推动器孔9内向内移动并且推动液体介质向内通过旋转芯2并进入容器3。示出了压缩操作的四个基本阶段，其中：阶段1是在触发压缩驱动器之前的初始(开始)阶段。在此阶段中，蓄能器17完全充满，阀16关闭，并且活塞15、6处于其初始位置(图5A)。

在阶段2中(图5B和图5C)，驱动阀16打开，并且蓄能器17中的驱动器流体穿过驱动阀16并且在驱动器活塞15后面进入驱动器孔13，从而导致驱动器活塞15沿着驱动器孔13朝向旋转芯2加速。在阶段2期间，作为蓄能器17中的流体的高压而储存的势能在驱动器活塞15的运动中转换为动能，并且包含在驱动器孔13中的压缩流体的压力升高。在阶段3中(图5D，15ms)，驱动器活塞15接近旋转芯2，并且环形间隙10中的可压缩流体压力随着其吸收驱动器活塞15的动能而急剧升高，使得压缩流体压力超过将推动器活塞6保持在适当位置的推动器孔9中的液体介质的压力。在阶段4中(图5E，19ms)，推动器活塞6迅速加速，将液体介质推出推动器孔9和旋转芯2。

参考图7A，在驱动器孔13和容器壁端口12的远端处设置环形面表面11。在压缩操作期间，压缩流体在环形面表面11上施加向内的力；换句话说，环形面表面11在容器3上施加向内的力，并且用作压力平衡唇缘，使得由驱动器活塞15产生的压力脉冲将抵消或减小由推动器活塞在推动器孔16中的液体介质上推动而产生的压力脉冲，并且因此将减小(最小化)由压缩驱动器4施加在容器3上的应力。另外，驱动器活塞15具有远端20，该远端设计成与环形面表面11协作，以在驱动器活塞15到达容器壁3时限定环形通道，其中，压缩流体被高度压缩。环形通道中的压缩流体的高压用于使驱动器活塞15减速并且防止与环形面表面41和容器壁3的喷射。

更特别地，驱动器活塞15包括具有远端20和与容器壁端口12的直径相对应的直径的圆柱形第一段，以及具有近端21和与驱动器孔13的直径相对应的直径的圆柱形第二段；这两个段通过环形凸缘连接。第一段的环形边沿和环形凸缘与环形面表面11一起形成上述环形通道。本领域技术人员将理解，在替代实施方式中，驱动器活塞15可具有其他形状。在驱动器活塞15的周边内形成多个角撑板22，以在保持强度和刚度的同时进一步减小重量。

参考图8，在此实施方式中，推动器活塞6具有平面或弯曲的外壁(近侧壁)23、内壁(远侧壁)25和侧壁24。内壁25面向液体内衬27，并且侧壁24与推动器孔9对接。外壁23面向环形间隙10。推动器活塞6可进一步包括形成在侧壁24处的多个角撑板26。角撑板26配置为增加推动器活塞6的刚度。在一个实施方式中，侧壁24可以是包围角撑板26的实心板，使得角撑板26不与包含在推动器孔9中的流体接触。本领域技术人员将理解，在替代实施方式中可省略角撑板26，替代地，该替代实施方式可以使用可提供期望的刚度(和轻度)的材料或通过添加不同的加强筋特征。推动器活塞6可进一步包括围绕侧壁24的圆周或定位在外壁23上的多个密封座(未示出)。

图9A以图形方式示出了在示例性压缩操作期间驱动器活塞(曲线801)、推动器活塞(曲线802)和内衬内部界面(曲线803)的位置轨迹随时间的变化。图8B示出了在此压缩操作期间在蓄能器(曲线804)、驱动器孔(曲线805)、推动器孔(曲线806)和液体内衬的背面(外表面)(曲线807)处的压力脉冲。压缩驱动器4用于使液体内衬内爆以使形成在液体内衬内的半径为大约1.5m的空腔塌缩。如可在曲线图中看到的，仅当驱动器活塞(曲线801)靠近推动器活塞时，推动器活塞和液体内衬(参见相应的曲线802和803)才加速。当推动器活塞加速时，在驱动器孔的端部和推动器孔的开始处的峰值压力(曲线805)以及在容器的壁处的峰值压力(曲线806)同时出现。

图10A示出了等离子体压缩系统1的剖视图，示出了九层压缩驱动器、容器3和旋转构件2。容器3包含多个端口12，压缩驱动器4附接到该多个端口中。

现在参考图2B、图6A至图6D、图7B和图10B，并且根据替代实施方式，等离子体压缩系统1包括压缩驱动器40，其使用加压气体代替驱动器活塞来将压力脉冲输送到环形间隙10中。如这些图中所示的压缩驱动器40具有在一个端部处固定地安装到容器壁3的外表面的大致圆柱形的阀壳体42，并且包含与容器壁开口3和蓄能器46流体连通的驱动阀44。蓄能器46是包含高压压缩流体的压力容器。在蓄能器46中的可压缩流体的初始压力和中间压力以及可压缩流体通过驱动阀44释放的定时有助于实现液体内衬的同步的、成形的塌缩。在一个实施方式中，压缩流体的压力可在压缩喷射之前通过使用设置在蓄能器46内的加热元件53加热压缩流体来微调。在另一实现方式中，压缩流体的压力可在压缩喷射期间通过利用在位于蓄能器46内的两个电极19上产生的电弧加热压缩流体来微调。压缩流体可以是任何可被压缩的流体，并且在一个实现方式中可以是气体，例如氦。在另一实现方式中，压缩流体可以是气体和饱和(干)蒸汽的混合物。

驱动阀44可以是类似于在美国专利8,336,849中公开的类型的锥形座截止阀；然而，本领域技术人员将理解，也可使用其他合适的阀设计。驱动阀44与控制器通信，该控制器具有处理器和计算机可读存储器，该计算机可读存储器具有编码在其上的指令，该指令可由处理器执行以打开驱动阀44，从而在压缩操作中将蓄能器气体排放到环形间隙中。

在压力脉冲已经致动内爆驱动器5之后，提供压力释放罐48以接收来自环形间隙10的压缩流体。压力释放罐48通过压缩流体返回导管50流体地联接到容器壁开口3，该压缩流体返回导管包括在容器壁开口3和蓄能器压力容器46之间纵向延伸的环形通道，以及沿着蓄能器压力容器46的外部纵向延伸到压力释放罐48的远端处的开口的多个歧管。回弹阀52位于压缩流体返回导管50的远端处并靠近容器壁开口3，并且与控制器通信，该控制器被编程为打开回弹阀52以允许释放罐48在压缩操作结束时接收压缩流体。

参考图6A至图6D，控制器在压缩喷射的四个阶段上控制驱动阀44和回弹阀52的打开和关闭。如图6A所示，在喷射前阶段期间，驱动阀44和回弹阀52都关闭，并且蓄能器压力容器46充满高压压缩流体。如图6B所示，在压缩阶段期间，控制器打开驱动阀44，并且将蓄能器气体直接排放到环形间隙10中，如箭头所示。这在环形间隙10中产生快速的压力脉冲，并且提供动力以加速推动器活塞6，这进而使液体内衬塌缩并压缩等离子体目标。如图6C所示，在回弹恢复阶段期间，控制器保持驱动阀44打开且回弹阀52关闭，并且液体内衬回弹，一些压缩流体如箭头所示地流回到蓄能器压力容器46中。如图6D所示，在能量耗散阶段期间，控制器关闭驱动阀44并打开回弹阀52，压缩流体的其余部分从环形间隙10流出，经过回弹阀52，通过压缩流体返回导管50并进入释放罐48。此过程使环形间隙10中的压力降回到允许等离子体压缩系统的其余部分重新设置以进行下一次压缩喷射的水平，并且用于将由液体管线的回弹返回的一部分能量重新捕获回到旋转芯和推动器孔中。一旦压力已经平衡，控制器就关闭回弹阀52以保持系统复位状态并开始为下一次压缩喷射做准备。

可替代地(未示出)，在压缩喷射的四个阶段期间，阀的打开和关闭可由机械系统而不是控制器提供。机械系统包括本领域已知的机械定时装置，例如弹簧致动的提升阀。

在所示的实施方式中，每个压缩驱动器40包括其自己的蓄能器46；然而，在替代实施方式中，多个压缩驱动器40可共享单个蓄能器，例如，可为压缩驱动器40的每层提供一个蓄能器(未示出)，或者可为所有压缩驱动器40提供单个蓄能器(未示出)。

参考图11A，早期原型的特征在于单层压缩驱动器，并且如可在图11B中看到的，后期原型的特征在于多层压缩驱动器。图12是图11B所示的多层压缩驱动器原型中使用的原型旋转芯2的照片。在操作的等离子体压缩原型中，在旋转芯2的顶部处的开口是这样的孔口，在空腔内爆之前，等离子体通过该孔口注入到抽空的空腔28中。旋转芯的此实例示出了多层推动器活塞6，每个推动器活塞定位在推动器活塞孔9内(图13)。推动器活塞孔9装有套筒并且可以被移除以进行维护(图14)。

图15A至图15D示出了实验流体压缩操作的时间序列，其中旋转液体内衬27已经使用本文描述的压缩驱动器系统4径向地压缩到空腔28中。图15A示出了在压缩循环开始时的旋转的液体内衬27，当驱动器活塞15和推动器活塞6处于其初始开始位置时，如图5A所示，这种情况将会发生。当推动器活塞(图中未示出)向内前进时，推动器孔中的液体向内朝向空腔28的中心移位(图15B和图15C)。图15D示出了靠近其塌缩终点的液体内衬27，当驱动器活塞15和推动器活塞6处于其终点位置时，这种情况将会发生，如图5E所示。使用液体内衬(例如锂或铅)保护旋转构件2的壁和其他结构部件免受由聚变反应产生的破坏性能量粒子的损害，并且液体内衬从旋转芯2循环出来还用作用于从芯2和容器3去除热能的装置。

图16示出了配置在聚变能量装置30内的等离子体压缩系统1的实例的局部剖视图。等离子体发生器29产生等离子体并且将其注入到通过旋转构件2旋转液体内衬(未示出)而形成的抽空的空腔(未示出)中。在一些实现方式中，液体内衬可以是熔融金属，例如锂或铅，或熔融材料的任何混合物。当等离子体正确地定位在旋转液体内衬的抽空的空腔内时，阀(未示出)将压力从蓄能器17释放到压缩驱动器4中，并且向内驱动推动器活塞(未示出)，开始液体内衬的塌缩。这种塌缩将等离子体压缩至聚变条件，并且随着聚变反应的进行，能量以热量的形式释放。

尽管已经示出和描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，但是将理解，本公开的范围不限于此，因为本领域技术人员可在不背离本公开的范围的情况下，特别是根据前述教导，进行修改。因此，例如，在本文公开的任何方法或过程中，构成方法/过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不是必须限于任何特定的公开顺序。在各种实施方式中，元件和部件可不同地配置或布置、组合和/或消除。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合都旨在落入本公开的范围内。在本公开中对“一些实施方式”、“一个实施方式”等的引用意味着结合实施方式描述的特定特征、结构、步骤、过程或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在本公开中出现的短语“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”等不是必须都指相同的实施方式，并且可以指相同或不同的实施方式中的一个或多个。实际上，本文所述的新颖方法和系统可以以各种其他形式体现；此外，在不背离本文所述的本发明的精神的情况下，可以对本文所述的实施方式的形式进行各种省略、添加、替换、等效、重新布置和改变。

在适当的情况下已经描述了实施方式的各个方面和优点。应理解，根据任何特定实施方式，不是必须可以实现所有这些方面或优点。因此，例如，应当认识到，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来执行各种实施方式，而不是必须实现如本文所教导或建议的其他方面或优点。

本文使用的条件语言，例如，其中，“能够”、“可以”、“可能”、“可以”、“例如”等，除非另外特别说明，或者在所使用的上下文中另外理解，否则通常旨在表达某些实施方式包括某些特征、元件和/或步骤，而其他实施方式不包括这些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言通常不是要暗示特征、元件和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施方式是必需的，或者一个或多个实施方式必须包括用于在有或没有操作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤是否被包括在任何特定实施方式中或者是否将在任何特定实施方式中执行的逻辑。任何特定实施方式不需要或不必需要单个特征或特征组。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式的方式包含性地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等。而且，术语“或”以其包含性的意义(而不是以其排他性的意义)使用，使得当例如用于连接一列元件时，术语“或”表示该列表中的一个、一些或所有元件。

本文所述的实施方式的实例计算、模拟、结果、曲线图、值和参数旨在说明而非限制所公开的实施方式。其他实施方式可与本文所述的说明性实例不同地配置和/或操作。

Claims (22)

1.一种等离子体压缩系统，包括：

等离子体密闭容器，包括容器壁；以及

环形旋转芯，包含液体介质并且能够在所述容器内旋转以使所述液体介质循环并形成具有空腔的液体内衬，所述旋转芯包括外表面和多个内爆驱动器，所述外表面与所述容器壁的内表面间隔开以限定环形间隙，每个内爆驱动器包括推动器孔，所述推动器孔具有能够在其中滑动的推动器活塞，每个推动器孔延伸穿过所述旋转芯并且具有与所述环形间隙流体连通的近端和与所述液体介质流体连通的远端；

其中，当所述旋转芯旋转时，所述推动器活塞能够操作以向内推动所述液体介质，以使所述液体内衬塌缩并且压缩所述空腔中的等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体压缩系统，进一步包括：

多个压缩驱动器，每个压缩驱动器包括驱动器孔，所述驱动器孔具有能够在其中滑动的驱动器活塞，每个驱动器孔固定地安装到所述容器壁的外表面并且具有与所述容器壁中的容器壁开口流体连通的远端；

原动机，能够操作以使所述驱动器活塞沿着所述驱动器孔移动；以及

压缩流体，位于所述环形间隙和所述驱动器孔中，并且与所述驱动器活塞和所述推动器活塞流体连通；

其中，所述驱动器活塞朝向所述容器壁开口的运动压缩所述压缩流体，并且产生移动所述推动器活塞的压力脉冲。

3.根据权利要求2所述的等离子体压缩系统，其中，所述推动器孔具有比所述驱动器孔短的长度，并且所述推动器活塞具有比所述驱动器活塞低的质量。

4.根据权利要求2或3所述的等离子体压缩系统，其中，所述压缩流体是氦。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个压缩驱动器相对于所述旋转芯的旋转轴线大致径向地延伸并且布置在所述容器外部的多个层中，所述多个层相对于所述旋转轴线轴向地堆叠。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，每个驱动器孔具有比所述容器壁开口大的直径，并且每个压缩驱动器进一步包括使所述容器壁开口与所述驱动器孔的远端互连的环形面表面，并且由此所述压缩流体的压缩在所述环形面表面上施加向内压力，所述向内压力抵消所述容器上的向外压力。

7.根据权利要求6所述的等离子体压缩系统，其中，所述驱动器活塞包括平行于所述环形面表面的环形凸缘和垂直于所述环形凸缘并与其相邻的环形边沿，使得当所述驱动器活塞位于所述容器壁开口处时，由所述环形边沿、所述环形面表面和所述环形凸缘形成压缩流体通道。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述原动机包括容纳加压驱动器流体的蓄能器和将所述蓄能器流体地联接到每个驱动器活塞的驱动器流体阀。

9.根据权利要求8所述的等离子体压缩系统，其中，所述驱动器流体阀是可调节的，以调节由所述驱动器流体施加到所述驱动器活塞的压力。

10.根据权利要求8或9中任一项所述的等离子体压缩系统，进一步包括在所述驱动器孔中的至少一个排放端口，用于从所述驱动器孔排放所述驱动器流体或所述压缩流体，所述排放端口包括排放阀，所述排放阀是可调节的，以调节由所述驱动器流体或所述压缩流体施加到所述驱动器活塞的压力，从而控制所述驱动器活塞的加速度分布。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述原动机包括电磁源、在所述驱动器孔处的电磁线圈，以及在每个驱动器活塞中的导电元件。

12.根据权利要求11所述的等离子体压缩系统，其中，所述电磁线圈沿着所述驱动器孔的长度延伸，并且所述电磁源能够操作以调节沿着所述驱动器孔的长度的磁场，从而控制所述驱动器活塞的加速度分布。

13.根据权利要求2至10中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述原动机包括机械弹簧。

14.根据权利要求2至13中任一项所述的等离子体压缩系统，进一步包括在所述驱动器孔的所述远端处的电极，所述电极能够操作以产生电弧来加热所述压缩流体。

15.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述容器具有选自由圆柱形、卵形和球形组成的组中的形状，并且所述旋转芯的所述外表面具有与所述容器壁的所述内表面的曲率一致的曲率。

16.根据权利要求1所述的等离子体压缩系统，进一步包括：

多个压缩驱动器，每个压缩驱动器固定地安装到所述容器壁的外表面并且包括用于储存加压气体的蓄能器以及与所述蓄能器和所述容器壁中的容器壁开口流体连通的驱动阀；

其中，所述驱动阀能够操作以将加压气体从所述蓄能器排放到所述环形间隙中，从而产生使所述推动器活塞移动并向内推动所述液体介质的压力脉冲。

17.根据权利要求16所述的等离子体压缩系统，其中，每个压缩驱动器进一步包括释放罐以及与所述释放罐和所述容器壁开口流体连通的回弹阀，并且

其中，所述回弹阀能够操作以在所述加压气体已经排放到所述环形间隙中并且所述驱动阀关闭之后打开，从而允许所述加压气体从所述环形间隙流到所述释放罐中。

18.根据权利要求17所述的等离子体压缩系统，进一步包括与所述驱动阀和所述回弹阀通信的控制器，所述控制器具有处理器和其上编码有指令的计算机可读存储器，所述指令在由所述处理器执行时使得所述控制器在所述加压气体从所述蓄能器流到所述环形间隙中的压缩喷射的压缩阶段期间打开所述驱动阀并关闭所述回弹阀，在一些所述加压气体从所述环形间隙流到所述蓄能器中的所述压缩喷射的回弹恢复阶段期间保持所述驱动阀打开并保持所述回弹阀关闭，并且在其他一些所述加压气体从所述环形间隙流到所述释放罐中的能量耗散阶段期间关闭所述驱动阀并打开所述回弹阀。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的等离子体压缩系统，进一步包括一个或多个定位在所述蓄能器内的加热元件，所述一个或多个加热元件能够操作以在所述压缩喷射之前加热所述压缩流体。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的等离子体压缩系统，进一步包括定位在所述蓄能器内的一个或多个电极，所述一个或多个电极能够操作以产生电弧，从而在所述压缩喷射期间加热所述压缩流体。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的等离子体压缩系统，进一步包括等离子体发生器，所述等离子体发生器与所述容器流体连通并且能够操作以将等离子体注入所述空腔中。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个内爆驱动器相对于所述旋转芯的旋转轴线大致径向地延伸，并且布置在相对于所述旋转轴线轴向堆叠的多个层中。