CN1874646B - 场反转配置中的受控聚变和直接能量转换 - Google Patents

Abstract

场反转配置中的受控聚变和直接能量转换，一种系统和设备，用于场反转配置(FRC)磁拓朴中的受控聚变和从聚变产物能量直接到电功率的转换。优选的是，等离子体离子在磁性上被约束于FRC中，而等离子体电子在静电上被约束于深能阱中，该能阱通过转变外部施加的磁场而产生。在该配置中，离子和电子可具有足够的密度和温度以使一旦碰撞，则它们借助核力而融合在一起，由此形成以环形束的形式出现的聚变产物。在聚变产物离子螺旋经过逆回旋加速器转换器的电极时，能量从它们被去除。有利的是，可与本约束和能量转换系统一起使用的聚变燃料等离子体包括高级(aneutronic)燃料。

Description

场反转配置中的受控聚变和直接能量转换

本申请是申请日为2002年3月18日、申请号为02806908.0、发明名称为“场反转配置中的受控聚变和直接能量转换”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及等离子物理领域，具体而言，涉及用于约束等离子体以使能核聚变并用于将能量从聚变产物转换为电的方法和设备。

背景技术

聚变是两个轻核组合以形成较重的核的过程。聚变过程以快速移动的粒子的形式释放极大量的能量。由于原子核是带正电的--这是由于包含在其中的质子--在其之间有排斥静电力或库仑力。对于待聚变的两个核，这个排斥障碍必须被克服，这是当两个核被带到一起而足够近时发生，在此情况下短程核力变得足够强，从而克服库仑力并融合(fuse)所述核。核克服库仑障碍所必要的能量由其热能提供，该热能必须很高。例如，如果温度是至少104eV的量级--对应于大约100百万开尔文温度，则聚变速率可以是明显的。聚变反应的速率是温度的函数，并且其由被称为反应率的量来表征。例如，D-T反应的反应率具有30keV和100keV之间的宽峰。

典型的聚变反应包括：

D+D→He³(0.8MeV)+n(2.5MeV)，

D+T→α(3.6MeV)+n(14.1MeV)，

D+He³→α(3.7MeV)+p(14.7MeV)，和

p+B¹¹→3α(8.7MeV)，

其中D表示氘，T表示氚，α表示氦核，n表示中子，p表示质子，He表示氦，而B¹¹表示硼-11。每个方程中的括弧中的数字表示聚变产物的动能。

以上列出的首先两个反应--D-D和D-T反应--是中子的，这意味着其聚变产物的大多数能量由快中子携带。中子反应的缺点是(1)快中子的通量产生许多问题，包括对于大多数构造材料的高水平放射性和反应堆壁的结构损坏；以及(2)快中子的能量通过将其热能转变为电能而收集，这是效率很低的(小于30％)。中子反应的优点是(1)其在相对低的温度下的反应率峰值；以及(2)其由于辐射而造成的损失是相对低的，这是因为氘和氚的原子序数是1。

其它两个方程--D-He³和p-B¹¹--中的反应物被称为高级燃料。取代如在中子反应中产生快中子，其聚变产物是带电粒子.高级燃料的一个优点是它们产生少的多的中子并因此较少遭遇与其关联的缺点。在D-He³的情况下，一些快中子由二级反应产生，但这些中子仅占聚变产物的能量的大约10％.p-B¹¹反应没有快中子，尽管它的确产生由二级反应产生的一些慢中子，但产生少的多的问题.高级燃料的另一个优点是其聚变产物包括带电粒子，其动能可被直接转变为电.以适当的直接能量转换过程，高级燃料聚变产物的能量可以以可能超过90％的高效率来收集。

高级燃料亦具有缺点。例如，高级燃料的原子序数较高(对于He³为2而对于B¹¹为5)。因此，其辐射损失大于在中子反应中。还有，更难使高级燃料聚变。其峰值反应率在高的多的温度下出现并且不能达到与D-T一样高的反应率。因此，用高级燃料导致聚变反应需要它们被带到较高的能量状态，在该状态中其反应率是相当大的。因此，高级燃料必须被蕴含(contain)较长的时间段，在其中它们可被带到适当的聚变条件。

用于等离子体的蕴含时间是Δt＝r²/D，其中r是最小等离子体尺寸，而D是扩散系数.扩散系数的经典值是D_C＝α_i ²/τ_ie，其中α_i是离子回旋半径，而τ_ie是离子-电子碰撞时间。依照经典扩散系数的扩散被称为经典输运。归因于短波长不稳定性的Bohm扩散系数是D_B＝(1/16)α_i ²Ω_i，其中Ω_i是离子回旋频率。依照该关系的扩散被称为反常输运。对于聚变条件D_B/D_C＝(1/16)Ω_iτ_ie≌10⁸，反常输运导致比经典输运短的多的蕴含时间。通过要求用于给定量的等离子体的蕴含时间必须比用于该等离子体进行核聚变反应的时间长，该关系确定在聚变反应堆中必须有多大的等离子体。因此，经典输运条件比在聚变反应堆中理想，从而允许较小的初始等离子体。

在对等离子体的环状约束的早期实验中，现察到Δt≌r²/D_B的蕴含时间。最后40年的进展已将蕴含时间增加到Δt≌1000r²/D_B。一个现有的聚变反应堆概念是托卡马克。对于过去的30年，聚变的努力已被集中到使用D-T燃料的托卡马克反应堆上。这些努力在图7中所示的国际热核实验反应堆(ITER)中达到顶点。用托卡马克的最近的实验表明，经典输运Δt≌r²/D_C是可能的，在此情况下最小等离子体尺寸可从米减小到厘米。这些实验涉及注入高能束(50到100keV)以将等离子体加热到10到30keV的温度。见W.Heidbrink&G.J.Sadler，34Nuclear Fusion 535(1994)。观察到这些实验中的高能束离子减慢并经典地扩散，而热等离子体继续异常快地扩散。其原因是高能束离子具有大的回旋半径并且在这一点上，对以短于离子回旋半径的波长(λ≤α_i)进行的波动不敏感。短波长波动趋向于在一个循环上平均并由此抵销。然而，电子具有小的多的回旋半径，因此它们对该波动有反应并反常地输运。

由于反常输运，等离子体的最小尺寸必须是至少2.8米。由于该尺寸，ITER被建成30米高和30米的直径。这是可行的最小D-T托卡马克型反应堆。对于高级燃料如D-He³和p-B¹¹，托卡马克型反应堆将必须大的多，这是因为燃料离子进行核反应的时间长的多。使用D-T燃料的托卡马克反应堆具有附加的问题，即聚变产物能量的大部分能量由14MeV的中子载运，这导致由中子通量造成的在几乎所有构造材料中的感应反应率(induce reactivity)和辐射损坏。另外，其能量到电的转换必须是通过热过程，该过程有不大于30％的效率。

另一种所提出的反应堆配置是碰撞束反应堆。在碰撞束反应堆中，背景等离子体被离子束轰击。该束包括有比热等离子体大的多的能量的离子。在这种类型的反应堆中产生有用的聚变反应已不可行，这是因为背景等离子体使离子束减慢。已提出各种建议来减小该问题并使核反应的数量最大。

例如，被授予Jassby等的U.S.专利No.4,065,351公开了一种在环状约束系统中产生氘核和氚核的逆流碰撞束的方法。在被授予Jassby等的U.S.专利No.4,057,462中，注入电磁能以抵抗一个离子种上的体平衡等离子体拖曳(bulk equilibrium plasma drag)的作用。环状约束系统被识别为托卡马克。在被授予Rostoker的U.S.专利No.4,894,199中，氘和氚的束在托卡马克、磁镜(mirror)或场反转(field reversed)配置中以相同的平均速度被注入并捕获。存在用于捕获该束的单一目的的低密度冷背景等离子体。该束由于它们具有高温而反应，并且减慢主要是由伴随所注入的离子的电子导致的。所述电子由所述离子加热，在此情况下减慢是最低限度的。

然而，在所有这些装置中，平衡电场都没有任何参与.此外，没有试图或甚至考虑减小反常输运。

其它专利考虑了离子的静电约束，并且在某些情况下考虑了电子的磁约束。这些专利包括：被授予Farnsworth的U.S.专利No.3,258,402和被授予Farnsworth的U.S.专利No.3,386,883，其公开了离子的静电约束和电子的惯性约束；被授予Hirsch等的U.S.专利No.3,530,036和被授予Hirsch等的U.S.专利No.3,530,497类似于Farnworth；被授予Limpaecher的U.S.专利No.4,233,537，其公开了借助多极尖(cusp)反射壁的电子的磁约束和离子的静电约束；以及被授予Bussard的U.S.专利No.4,826,646，其类似于Limpaecher并涉及点尖。这些专利都没有考虑电子的静电约束和离子的磁约束。尽管已有对离子的静电约束的许多研究项目，但它们都没有在当离子具有用于聚变反应堆的所需密度时建立所需静电场的方面取得成功。最后，以上引用的专利都没有讨论场反转配置磁拓朴。

场反转配置(FRC)是在1960年左右在海军研究实验室在θ收缩(theta pinch)实验期间偶然发现的。典型的FRC拓朴在图2和图4中示出，其中内部磁场反转方向，而FRC中的粒子轨道如图5和图8中所示。关于FRC，在美国和日本已支持了许多研究程序。有一个有关从1960到1988年的FRC研究的理论和实验的综合性回顾论文。见M.Tuszewski，28Nuclear Fusion 2033，(1988)。有关FRC发展的白皮书描述了1996年的研究和用于将来研究的建议。见L.C.Steinhauer等，30Fusion Technology 116(1996)。到此为止，在FRC实验中，已借助θ收缩方法形成了FRC。该形成方法的结果是离子和电子每个都携带一半电流，这导致在等离子体中的不可忽略的静电场，并且没有静电约束。这些FRC中的离子和电子在磁性上被蕴含。在几乎所有FRC实验中，采取了反常输运。见例如Tuszewski，第2072页1.5.2部分的开始处。

这样，理想的是提供一种聚变系统，其具有蕴含系统，趋向于基本上减小或消除离子和电子的反常输运；以及能量转换系统，以高效率将聚变产物的能量转换为电。

发明内容

本发明被指向一种系统，其促进在具有场反转拓朴的磁场中的受控聚变以及聚变产物能量到电功率的直接转换。在此被称为等离子体发电(PEG)系统的该系统优选地包括聚变反应堆，其具有蕴含系统，趋向于基本上减小或消除离子和电子的反常输运。另外，PEG系统包括被耦合于反应堆的能量转换系统，其以高效率将聚变产物能量转换为电。

在本发明的一个创新方面中，用于离子和电子两者的反常输运趋向于被基本上减小或消除。通过在磁性上将离子约束于场反转配置(FRC)的磁场中，离子的反常输运趋向于被避免。对于电子，通过转变外部施加的磁场以产生强电场，能量的反常输运被避免，所述强电场在静电上将电子约束于深势阱中。作为结果，可与当前约束设备和过程一起使用的聚变燃料等离子体不局限于中子燃料，而是有利地包括高级或aneutronic燃料。对aneutronic燃料，聚变反应能量几乎全部是带电粒子即高能离子的形式，其可在磁场中被操纵，并且依赖于燃料，导致少或没有的放射性。

在本发明的另一个创新方面，直接能量转换系统被用于将聚变产物的动能直接转换为电功率，这是通过借助电磁场使带电粒子减慢而进行的。有利的是，本发明的直接能量转换系统具有效率、粒子能量容差和电子能力来转换大约5MHz的聚变输出功率的频率和相位以匹配外部60赫兹电力网(power grid)的频率。

在优选实施例中，聚变反应堆的等离子体蕴含系统包括室、用于在基本上沿主轴的方向上施加磁场的磁场发生器以及环形等离子层，其包括循环离子束。环形等离子束层的离子基本上在轨道中在磁性上被蕴含于室内，而电子基本上蕴含于静电能阱中。在一个优选实施例的一个方面中，磁场发生器包括电流线圈。优选的是，所述系统进一步包括室末端附近的磁镜线圈，其增加室末端处所施加的磁场的大小。该系统亦可包括束注入器，其将中和的离子束注入到所施加的磁场中，其中该束由于所施加的磁场导致的力而进入轨道。在优选实施例的另一个方面中，所述系统形成具有场反转配置的拓朴的磁场。

在另一个优选实施例中，能量转换系统包括被耦合于聚变反应堆的相对端的逆回旋加速器转换器(ICC)。该ICC具有类似空圆柱的几何结构，其由多个、优选为四个或更多相等的半圆柱电极形成，在其之间有小、直的间隙延伸。在运行中，振荡势能以交替方式被应用于电极。ICC内的电场E具有多级结构并且在对称轴上消失且随半径线性增加；峰值在间隙处。

此外，ICC包括磁场发生器，用于在基本上与聚变反应堆的约束系统相对的方向上施加均匀的单向磁场。在距离聚变反应堆功率核心的最远端，ICC包括离子收集器。在功率核心(power core)和ICC之间的是对称的磁尖，其中约束系统的磁场与ICC的磁场合并在一起。环形的电子收集器位于磁尖附近并被耦合于离子收集器。

在又一个优选实施例中，产物核以及电荷中和的电子从反应堆功率核心的两端出现为环形束，其密度为由于电子和离子的能量差而使磁尖分离它们的密度。电子沿磁场线前进到电子收集器而离子经过所述尖，在这里离子轨迹被修改成遵循沿ICC长度的基本上螺旋状的路径。当离子螺旋经过被连接于共振电路的电极时，能量从该离子被去除。垂直能量的损失趋向于对最高能量离子为最大，该离子最初接近电极而循环，在这里电场是最强的。

从对结合附图进行的以下描述的考虑，本发明的其它方面和特点将变得明显。

附图说明

在附图的图中，为了举例而不是为了限制而说明了优选实施例，在附图中相同的参考数字指的是相同的部件。

图1示出本发明的示例约束室。

图2示出FRC的磁场。

图3A和3B分别示出FRC中的抗磁性(diamagnetic)和反抗磁性(counterdiamagnetic)方向。

图4示出本发明的碰撞束系统。

图5示出电子感应加速器轨道。

图6A和6B分别示出FRC中的梯度漂移的方向和磁场。

图7A和7B分别示出FRC中的

漂移的方向和电场。

图8A、8B和8C示出离子漂移轨道。

图9A和9B示出在FRC末端的洛伦兹力。

图10A和10B示出碰撞束系统中电势和电场的转变。

图11示出麦克斯韦分布。

图12A和12B示出由于大角度、离子-离子碰撞而造成的从电子感应加速器轨道到漂移轨道的迁移。

图13示出当考虑小角度、电子-离子碰撞时的A、B、C和D电子感应加速器轨道。

图14示出在进入约束室之前当其被电极化时的中和的离子束。

图15是当其在约束室中接触等离子体时中和的离子束的仰视图。

图16是依照启动过程的优选实施例的约束室的侧视示意图。

图17是依照启动过程的另一个优选实施例的约束室的侧视示意图。

图18示出表示FRC形成的B-点探头的迹线。

图19A示出局部的等离子体发电系统，其包括被耦合于逆回旋加速器直接能量转换器的碰撞束聚变反应堆。

图19B示出图19A中的逆回旋加速器转换器的端视图。

图19C示出逆回旋加速器转换器中离子的轨道。

图20A示出局部的等离子体发电系统，其包括被耦合于逆回旋加速器转换器的替换实施例的碰撞束聚变反应堆。

图20B示出图20A中的逆回旋加速器转换器的端视图。

图21A示出常规回旋加速器内的粒子轨道。

图21B示出振荡电场。

图21C示出加速粒子的变化的能量。

图22示出有角速度的离子所经历的ICC电极之间的间隙处的方位角电场。

图23示出聚焦四极偶极子透镜。

图24A和24B示出附属磁场线圈系统。

图25示出100MW反应堆。

图26示出反应堆支持设备。

图27示出等离子体推力推进系统。

具体实施方式

如图中所示，本发明的等离子体发电系统优选地包括被耦合于直接能量转换系统的碰撞束聚变反应堆。如以上提到的，理想的聚变反应堆解决了离子和电子两者的反常输运的问题。在此发现的对反常输运的问题的解决方案利用了有具有场反转配置(FRC)的磁场的约束系统。以以下方式通过FRC中的磁性约束来避免离子的反常输运：使大多数离子具有大的、非绝热轨道，从而使它们对导致绝热离子反常输运的短波长波动不敏感。具体而言，磁场消失的FRC中的区域的存在使得有可能具有包括大多数非绝热离子的等离子体。对于电子，通过转变外部施加的磁场以产生强电场，能量的反常输运被避免，所述强电场在静电上将电子约束于深势阱中。

可与本约束设备和过程一起使用的聚变燃料等离子体不局限于中子燃料如D-D(氘-氘)或D-T(氘-氚)，而是有利地包括高级或aneutronic燃料，如D-He³(氘-氦-3)或p-B¹¹(氢-硼-11)。(对于高级燃料的讨论，见R.Feldbacher&M.Heindler NuclearInstruments and Methods in Physics Research A271(1998)JJ-64(North Holland Amsterdam))。对于这样的aneutronic燃料，聚变反应能量几乎全部是带电粒子即高能离子的形式，其可在磁场中被操纵，并且依赖于燃料，导致少或没有的放射性。D-He³反应产生H离子和He⁴离子以及18.2MeV的能量，而p-B¹¹反应产生三个He⁴离子和8.7MeV的能量。例如，在用于利用aneutronic燃料的聚变装置的理论模型的基础上，输出能量转换效率可以高达大约90％，如K.Yoshikawa，T.Noma和Y.Yamamoto在Fusion Technology，19，870(1991)中所述。在可按比例缩放(1-1000MW)、紧凑、低成本的配置中，这样的效率显著地促进了aneutronic聚变的前景。

在本发明的直接能量转换过程中，聚变产物的带电粒子可被减慢并且其动能可被直接转换为电。有利的是，本发明的直接能量转换系统具有效率、粒子能量容差和电子能力来转换大约5MHz的聚变输出功率的频率和相位以匹配外部60赫兹电力网的频率和相位。

聚变约束系统

图1说明依照本发明的约束系统300的优选实施例。约束系统300包括室壁305，其约束其中的室310。优选的是，室310是圆柱形，有沿室310的中心的主轴315。为将该约束系统300应用于聚变反应堆，有必要在室310中产生真空或近似的真空。与主轴315同心的是电子感应加速器通量线圈320，其位于室310中。电子感应加速器通量线圈320包括电流载运介质，如所示，其适合于绕长线圈引导电流，该长线圈优选地包括多个分离的线圈的平行绕组，并且最优选的是大约四个分离的线圈的平行绕组，从而形成长线圈。本领域的技术人员将理解，通过电子感应加速器线圈320的电流将导致基本上在主轴315的方向上的电子感应加速器线圈320内的磁场。

绕室壁305外的是外部线圈325。外部线圈325产生相对恒定的磁场，其具有基本上与主轴315平行的通量。该磁场在方位角上是对称的。磁场由于外部线圈325而恒定且平行于轴315的近似在远离室310的末端时是最有效的。在室310的每个末端处的是磁镜线圈330。磁镜线圈330适合于在每个末端产生室310内的增加的磁场，由此在每个末端处使磁场线向内弯曲。(见图8和10)。如所说明的，场线的这种向内弯曲有助于将等离子体335蕴含于通常在磁镜线圈330之间的室310内的蕴含区域中，这是通过将其推离末端而进行的，在这里其可逸出(escape)约束系统300。磁镜线圈330可适合于借助本领域已知的各种方法在末端产生增加的磁场，所述方法包括：增加磁镜线圈330中的绕组的数量，增加逸出磁镜线圈330的电流，或将磁镜线圈330与外部线圈325重叠。

外部线圈325和磁镜线圈330在图1中示出，其在室壁305外实施；然而，它们可在室310内。在室壁305被构建为传导性材料如金属的情况下，可能有利的是将线圈325、330置于室壁305内，这是因为磁场扩散经过壁305所用的时间可以是相对大的，由此导致系统300缓慢地反应。类似地，室310可以是空圆柱的形状，室壁305形成长的环形圈。在这种情况下，电子感应加速器通量线圈320可在室壁305外在所述环形圈的中心实施。优选的是，形成环形圈中心的内壁可包括非传导性材料，如玻璃。如将成为显然的，室310必须有足够的尺寸和形状以允许循环等离子体束或层335在给定半径上绕主轴315旋转。

室壁305可由诸如钢的具有高磁导率的材料形成。在此情况下，由于材料中的感应反向电流，室壁305有助于抑制磁通量逸出室310，从而“压缩”它。如果室壁待由诸如普列克斯玻璃的具有低磁导率的材料制成，则用于蕴含磁通量的另一种装置将是必要的。在此情况下，一系列闭环、平金属圈可被提供。本领域已知为通量限定器(fluxdelimiter)的这些圈将被提供于外部线圈325内但在循环等离子体束335外。此外，这些通量限定器可以是无源或有源的，其中有源通量限定器将用预定电流来驱动以较大地促进室310内的磁通量的蕴含。可替换的是，外部线圈325本身可用作通量限定器。

如在以下更详细说明的，包括带电粒子的循环等离子体束335可由洛伦兹力蕴含于室310内，该洛伦兹力是由外部线圈325产生的磁场而导致的。同样，等离子体束335中的离子在磁性上被蕴含于来自外部线圈325的通量线附近的大电子感应加速器轨道中，该通量线平行于主轴315。一个或多个束注入端口340亦被提供用于将等离子体离子添加给室310中的循环等离子体束335。在优选实施例中，注入器端口340适合于在距离主轴315的大约相同的半径位置处注入离子束，在这里循环等离子体束335被蕴含(即，在以下描述的零表面周围)。此外，注入器端口340适合于相切于所蕴含的等离子体束335的电子感应加速器轨道而注入离子束350或在其方向上注入离子束350(见图16)。

亦提供了一个或多个背景等离子体源345，用于将大量非高能的等离子体注入到室310中。在优选实施例中，背景等离子体源345适合于将等离子体335导向室310的轴中心。已发现这样引导等离子体有助于较好地蕴含等离子体335并导致室310中的蕴含区域中的等离子体335的较高密度。

FRC中的带电粒子

图2示出FRC 70的磁场。该系统具有相对于其轴78的圆柱对称。在FRC中，有两个区域的磁场线：开放的80和闭合的82。划分两个区域的表面被称为分界线(separatrix)84。FRC形成磁场消失的圆柱零表面。在FRC的中心部分88中，磁场在轴向上不明显地变化。在末端90，磁场在轴向上确实明显变化。沿中心轴78的磁场反转FRC中的方向，这产生了场反转配置(FRC)中的术语“反转”。

在图3A中，零表面94外的磁场处于第一方向96。零表面94内的磁场处于与第一相对的第二方向98。如果离子在方向100上移动，则作用于其的洛伦兹力30指向零表面94。这可通过应用右手规则而容易地理解。对于在抗磁性方向102上移动的粒子，洛伦兹力总是指向零表面94。这种现象产生了将在以下描述的被称为电子感应加速器轨道的粒子轨道。

图3B示出在反抗磁性方向104上移动的离子。该情况下的洛伦兹力离开零表面94而指向。这种现象产生了将在以下描述的被称为漂移轨道的轨道类型。用于离子的抗磁性方向是用于电子的反抗磁性，并且反之亦然。

图4示出在离子的抗磁性方向102上旋转的等离子体106的圈或环形层。圈106位于零表面94周围。由环形等离子体层106产生的磁场108与外部施加的磁场110组合形成具有FRC拓朴的磁场(该拓朴在图2中示出)。

形成等离子体层106的离子束具有温度；因此，离子的速度形成以离子束的平均环形速度旋转的框架中的麦克斯韦分布。不同速度的离子之间的碰撞导致聚变反应。为此，等离子体束层或功率核心106被称为碰撞束系统。

图5示出碰撞束系统中的离子轨道的主要类型，其被称为电子感应加速器轨道112。电子感应加速器轨道112可被表示为以零圆114为中心的正弦波。如以上所说明的，零圆114上的磁场消失。轨道112的平面垂直于FRC的轴78。该轨道112中的离子从起始点116处在其抗磁性方向102上移动。电子感应加速器轨道中的离子具有两种运动：半径方向(垂直于零圆114)上的振荡，以及沿零圆114的平移。

图6A是FRC中的磁场118的曲线图。该曲线图的水平轴表示距离FRC轴78的以厘米表示的距离。磁场以千高斯为单位。如该曲线图所述，磁场118在零圆半径120处消失。

如图6B中所示，在零圆附近移动的粒子将看到远离零表面86而指向的磁场的梯度126。零圆外的磁场处于第一方向122，而零圆内的磁场处于与第一相对的第二方向。梯度漂移的方向由叉积给出，其中

B是磁场的梯度；这样，可通过右手规则理解，梯度漂移的方向处于反抗磁性方向，而不管离子在零圆128外或内。

图7A是FRC中的电场130的曲线图。该曲线图的水平轴表示距离FRC轴78的以厘米表示的距离。电场以伏特/cm为单位。如该曲线图所述，电场130在零圆半径120处消失。

如图7B中所示，用于离子的电场是解约束的(deconfining)；其远离零表面86而指向方向132、134。跟以前一样，磁场处于零表面86的内和外的相对方向122、124上。通过应用右手规则可理解，漂移的方向处于抗磁性方向102上，而不管离子在零表面136外或内。

图8A和8B示出FRC中的另一种类型的常见(common)轨道，被称为漂移轨道138。漂移轨道138可在零表面114外，如图8A中所示，或在其内，如图8B中所示。如果

漂移占优，则漂移轨道138在抗磁性方向上旋转，或如果梯度漂移占优，则在反抗磁性方向上旋转。图8A和8B中所示的漂移轨道138从起始点116在抗磁性方向上旋转。

如图8C中所示的漂移轨道可认为是在相对较大的圆上滚动的小圆。小圆142在方向144上绕其轴自旋。它亦在方向102上在大圆146上滚动。点140将在空间上描绘(trace)类似于138的路径。

图9A和9B示出在FRC 151末端的洛伦兹力的方向。在图9A中，示出了一个离子在磁场150中以速度148在抗磁性方向102上移动。通过应用右手规则可理解，洛伦兹力152趋向于将该离子推回到闭合场线的区域中。因此，在此情况下，洛伦兹力152正在约束该离子。在图9B中，示出了一个离子在磁场150中以速度148在反抗磁性方向102上移动。通过应用右手规则可理解，洛伦兹力152趋向于将该离子推回到开放场线的区域中。因此，在此情况下，洛伦兹力152在对该离子解约束。

FRC中的磁约束和静电约束

通过在离子的抗磁性方向102上绕零表面86注入高能离子束，等离子体层106(见图4)可在FRC中被形成。(形成FRC和等离子体圈的不同方法的详细讨论如下)。在循环等离子体层106中，大多数离子具有电子感应加速器轨道112(见图5)，是高能的，并且是非绝热的；这样，它们对导致反常输运的短波长波动是不敏感的。

在形成于FRC中的等离子体层106中并且在平衡条件下，动量的守恒强加了离子角速度ω_i和电子角速度ω_e之间的关系。该关系为

${\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_i[1-\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\Ω}}_0}],$ 其中 ${\mathrm{\Ω}}_0=\frac{\mathrm{Ze}{B}_0}{m_{i}c}---\left(1\right)$

在方程1中，Z是离子的原子序数，m_i是离子质量，e是电子电荷，B₀是所施加的磁场的大小，而c是光速。在该关系中有三个自由参数：所施加的磁场B₀、电子角速度ω_e和离子角速度ω_i。如果它们中的两个是已知的，则第三个可从方程1确定。

由于等离子体层106是通过将离子束注入到FRC中形成的，离子的角速度ω_i由该束的注入动能W_i确定，该动能由以下给出

$W_i=\frac{1}{2}{m}_i{V}_i^2=\frac{1}{2}{m}_i{\left({\mathrm{\ω}}_i{r}_0\right)}^2---\left(2\right)$

这里，V_i＝ω_ir₀，其中V_i是离子的注入速度，ω_i是离子的回旋加速器频率，并且r₀是零表面86的半径。所述束中电子的动能已被忽略，这是因为电子的质量m_e比离子的质量m_i小的多。

对于所述束的固定注入速度(固定的ω_i)，所施加的磁场B₀可被转变以使可获得ω_e的不同值。如将示出的，转变外部磁场B₀亦产生等离子体层内的静电场的不同值。本发明的这个特点在图10A和10B中示出。图10A示出为相同注入速度ω_i＝1.35×10⁷s^-1但为所施加的磁场B₀的三个不同值而获得的电场(以伏特/cm为单位)的三个曲线：

曲线	所施加的磁场(B0)	电子角速度(ωe)
			154	B0＝2.77kG	ωe＝0
156	B0＝5.15kG	ωe＝0.625×107s-1
			158	B0＝15.5kG	ωe＝1.11×107s-1

以上表中的ω_e的值依照方程1来确定。人们可理解，在方程1中，ω_e＞0意味着Ω₀＞ω_i，因此电子在其反抗磁性方向上旋转。图10B示出用于B₀和ω_e的相同组的值的电势(以伏特为单位)。图10A和10B中的水平轴表示距FRC轴78的距离，在曲线图中以厘米示出。电场和电势强烈地依赖于ω_e。

以上结果可在简单的物理基础上说明。当离子在抗磁性方向上旋转时，离子由洛伦兹力在磁性上约束。这在图3A中示出。对于以与离子相同的方向旋转的电子，洛伦兹力处于相对的方向，因此电子将不被约束。电子离开等离子体，作为结果，产生了正电荷的盈余。这建立了防止其它电子离开等离子体的电场。在平衡状态下，该电场的方向和大小由动量守恒来确定。

静电场在电子和离子两者的输运上起到本质的作用。因此，本发明的重要方面是强静电场被产生于等离子体层106内，该静电场的大小由可容易调节的所施加的磁场B₀的值来控制。

如所说明的，如果ω_e＞0，则静电场在对电子约束。如图10B中所示，阱的深度可通过转变所施加的磁场B₀来增加。除了零圆附近很窄的区域，电子总是具有小的回旋半径。因此，电子对以异常快的扩散速率进行的短波长波动有反应。事实上，一旦聚变反应发生，这种扩散有助于维持势阱。有高的多的能量的聚变产物离子离开等离子体。为维持电荷准中性，聚变产物必须从等离子体中将和它们一起的电子拉出，主要是从等离子体层的表面减少电子。等离子体表面处的电子的密度很低，并且离开和聚变产物一起的等离子体的电子必须被取代；否则，势阱将消失。

图11示出电子的麦克斯韦分布162。来自麦克斯韦分布的尾部160的仅很高能的电子可到达等离子体的表面并且剩下聚变离子。分布162的尾部160由此通过零表面附近的高密度区域中的电子-电子碰撞而连续产生。高能电子仍具有小回旋半径，因此反常扩散允许它们足够快地到达所述表面以容纳离开的聚变产物离子。高能电子其损失攀登(ascend)势阱的能量并剩下很少的能量。尽管由于反常输运，电子可迅速穿过磁场，但反常能量损失趋向于被避免，这是因为小能量被输运。

势阱的另一个结果是用于电子的强冷却机构，其类似于蒸发冷却。例如，对于待蒸发的水，必须提供汽化潜热。该热是通过残余液态水和周围介质来提供的，其然后迅速热化至较低温度，该过程比热输运过程取代所述能量快。类似地，对于电子，势阱深度等效于水的汽化潜热。通过再次提供麦克斯韦尾部的能量以使电子可逸出的热化过程，电子提供攀登势阱所需的能量。热化过程由此产生较低的电子温度，这是因为它比任何加热过程快的多。由于电子和质子之间的质量差，从质子进行的能量传递时间比电子热化时间少大约1800倍。该冷却机构亦减小了电子的辐射损失。这对于高级燃料是尤其重要的，其中辐射损失由于有大于1的原子序数Z；Z＞1的燃料离子而提高。

静电场亦影响离子输运。等离子体层106中的大多数粒子轨道是电子感应加速器轨道112。大角度碰撞，即有90°和180°之间的散射角的碰撞，可将电子感应加速器轨道改变为漂移轨道。如以上所述，漂移轨道的旋转方向由漂移和梯度漂移之间的竞争来确定。如果漂移占优，则漂移轨道以抗磁性方向旋转。如果梯度漂移占优，则漂移轨道以反抗磁性方向旋转。这在图12A和12B中示出。图12A示出从电子感应加速器轨道到漂移轨道的迁移，这是由于在点172处发生的180°碰撞而造成的。因为

漂移占优，漂移轨道继续以抗磁性方向旋转。图12B示出另一个180°碰撞，但在此情况下，静电场是弱的，并且梯度漂移占优。漂移轨道由此以反抗磁性方向旋转。

漂移轨道的旋转方向确定它是否被约束。在漂移轨道中移动的粒子将亦具有平行于FRC轴的速度。作为其平行运动的结果的该粒子从FRC的一端到另一端所用的时间被称为迁移时间；这样，漂移轨道以迁移时间量级的时间到达FRC的末端。如结合图9A所示，FRC末端处的洛伦兹力仅为以抗磁性方向旋转的漂移轨道而约束。因此，在迁移时间之后，以反抗磁性方向旋转的漂移轨道中的离子被丢失。

该现象涉及用于离子的损失机构，其应该已存在于所有FRC实验中。事实上，在这些实验中，离子载运电流的一半而电子载运另一半。在这些条件下，等离子体内的电场是可忽略的，并且梯度漂移总是支配漂移。因此，由大角度碰撞产生的所有漂移轨道在迁移时间之后被丢失。这些实验报告了比由经典扩散估算值所预测的那些快的离子扩散速率。

如果有强静电场，则

漂移支配梯度漂移，并且漂移轨道以抗磁性方向旋转。这在以上结合图12A而示出。当这些轨道到达FRC的末端时，它们由洛伦兹力反射回到闭合场线的区域中；这样，它们在系统中保持被约束。

碰撞束系统中的静电场可以是足够强的，因此漂移支配梯度漂移。这样，该系统的静电场将通过消除该离子损失机构而避免离子输运，该机构类似于磁镜装置中的损失锥(loss cone)。

离子扩散的另一个方面可通过考虑电子感应加速器轨道上的小角度、电子-离子碰撞的作用来理解。图13A示出电子感应加速器轨道112；图13B示出当考虑小角度电子-离子碰撞时174的相同轨道112；图13C示出在长十倍的时间之后的图13B的轨道176；而图13D示出在长二十倍的时间之后的图13B的轨道17g。可以看到，电子感应加速器轨道的拓朴由于小角度、电子-离子碰撞而不改变；然而，其径向振荡的振幅随时间增长。事实上，图13A到13D中所示的轨道随时间长胖，这表示经典的扩散。

FRC的形成

被用于形成FRC的常规过程主要采用θ收缩场反转过程。在该常规方法中，包围中性气体反填充(back-filled)室的外部线圈施加了偏磁场。一旦这已经发生，气体被离子化并且偏磁场被冻结于等离子体中。接下来，外部线圈中的电流被迅速反转，并且相对取向的磁场线与先前冻结的线连接以形成FRC的闭合拓朴(见图2)。该形成过程主要是经验的，并且几乎不存在控制FRC的形成的方式。该方法具有差的可再现性并且作为结果，没有转变能力。

相比而言，本发明的FRC形成方法虑及充分的(ample)控制并提供更加透明和可再现的过程。事实上，通过本发明的方法形成的FRC可被调谐，并且其形状以及其它特性可通过操纵外部场线圈325施加的磁场而直接影响。借助本发明的方法的FRC的形成亦导致以在以上详细描述的方式形成电场和势阱。而且，本方法可被容易地扩展以加速FRC到反应堆水平参数和高能量燃料电流，并且有利地使能离子的经典约束。此外，该技术可在紧凑装置中采用并且很强有力且容易实施--用于反应堆系统的所有高度理想的特征。

在本方法中，FRC形成涉及到循环等离子体束335。可理解的是，由于它是电流，循环等离子体束335产生极向的磁场，如圆导线中的电流所将实现的。在循环等离子体束335内，其感应的磁自场(magnetic self-field)与外部线圈325产生的外部施加的磁场相对。在等离子体处335之外，磁自场处于与所施加的磁场相同的方向。当等离子体离子流足够大时，自场克服所施加的场，并且磁场在循环等离子体束335内反转，由此形成如图2和4中所示的FRC拓朴。

场反转的要求可用简单模型来估算。考虑由较大半径r₀和较小半径α≤≤r₀的圈载运的电流I_P。与该圈成法线的圈中心处的磁场是B_P＝2πI_P/(cr₀)。假定圈电流I_P＝N_Pe(Ω₀/2π)由具有角速度Ω₀的离子N_P载运。对于以半径r₀＝V₀/Ω₀循环的单离子，Ω₀＝eB₀/m_ic是用于外部磁场B₀的回旋加速器频率。假定V₀是离子束的平均速度。场反转被定义为

$B_P=\frac{N_{P}e{\mathrm{\Ω}}_0}{r_{0}c}\≥2B_0---\left(3\right)$

这意味着N_P>2r₀/α_i，并且

$I_P\≥\frac{e{V}_0}{\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_i}---\left(4\right)$

其中α_i＝e²/m_ic²＝1.57×10^-16cm，而离子束能量是

在一维模型中，源自等离子体流的磁场是B_P＝(2π/c)i_P，其中i_P是每单位长度的电流。场反转要求是i_P＞eV₀/πr₀α_i＝0.225kA/cm，其中B₀＝69.3G，且 $\frac{1}{2}{m}_i{V}_0^2=100\mathrm{ev}.$ 对于有周期性圈和B_z在轴坐标上的平均<B_z>＝(2π/c)(I_P/s)的模型，如果s＝r₀，则该模型将具有与有i_p＝I_P/s的一维模型相同的平均磁场。

组合束/电子感应加速器形成技术

以上描述的在约束系统300内形成FRC的优选方法在此被称为组合束/电子感应加速器形成技术。该途径组合了等离子体离子的低能量束和使用电子感应加速器通量线圈320的电子感应加速器加速。

该方法中的第一步是使用背景等离子体源345在室310中注入背景等离子体的基本上环形的云层。外部线圈325在室310内产生磁场，其磁化背景等离子体。低能量离子束以短间隔通过注入器端口340注入到室310中，该端口基本上横穿室310内的外部施加的磁场。如以上所说明的，离子束被该磁场捕获于大电子感应加速器轨道中的室310内。该离子束可由离子加速器产生，如包括离子二极管和马克斯发生器的加速器。(见R.B.Miller，An Introduction to the Physicsof Intense Charged Particle Beams，(1982))。如本领域的技术人员可理解的，所注入的离子束一进入室310，外部施加的磁场将在其上施加洛伦兹力；然而，理想的是该束不偏转，并且因此不进入电子感应加速器轨道，直到该离子束到达循环等离子体束335。为解决这个问题，该离子束在进入室310之前用电子中和并被引导经过基本上恒定的单向磁场。如图14中所示，当离子束350被引导经过适当的磁场时，带正电的离子和带负电的电子分开。离子束350由此获得由于所述磁场而造成的电自极化(electric self-polarization)。该磁场可由例如永磁体或沿离子束路径的电磁体产生。当随后被引入到约束室310中时，所得到的电场平衡束粒子上的磁力，从而使离子束不偏转地漂移。图15示出当其接触等离子体335时离子束350的仰视图。如所述，来自等离子体335的电子沿磁场线行进到束350中或离开它，其由此消耗(drain)该束的电极化。当该束不再被电极化时，该束绕主轴315在电子感应加速器轨道中加入循环等离子体束335，如图1中所示(亦见图4)。

当等离子体束335在其电子感应加速器轨道中行进时，移动的离子包括电流，其又产生极向的磁自场。为产生室310内的FRC拓朴，有必要增加等离子体束335的速度，由此增加等离子体束335导致的磁自场的大小。当磁自场足够大时，在等离子体束335内距离轴315的径向距离上的磁场的方向反转，从而产生FRC。(见图2和4)。可理解的是，为维持电子感应加速器轨道中循环等离子体束335的径向距离，当等离子体束335的速度时，有必要增加源自外部线圈325的所施加的磁场。控制系统由此被提供用于维持适当的所施加的磁场，其是通过外部线圈325的电流所专用的。可替换的是，第二外部线圈可被用于提供附加的所施加的磁场，其是当等离子体束的轨道被加速时维持其半径所需要的。

为增加循环等离子体束335在其轨道中的速度，电子感应加速器通量线圈320被提供。参考图16，可理解，通过安培定律增加经过电子感应加速器通量线圈320的电流可在室310内感应方位角电场E。等离子体束335中的带正电的离子由该感应电场加速，从而如以上所述导致场反转。如以上所述，当离子束被添加给循环等离子体束335时，等离子体束335对该离子束去极化。

为了场反转，循环等离子体束335优选地被加速到大约100eV的旋转能量，该能量优选地处于大约75eV到125eV的范围内。为达到聚变相关的条件，循环等离子体束335优选地被加速到大约200keV，并且优选地在大约100keV到3.3MeV的范围内。

利用组合束/电子感应加速器形成技术成功地说明了FRC形成。使用高达500G的外部施加的磁场、高达5kG的来自电子感应加速器通量线圈320的磁场和1.2×10^-5托的真空，在直径1m和长度1.5m的室中在实验上实施组合束/电子感应加速器形成技术。在该实验中，背景等离子体具有10¹³Gm^-3的密度，并且离子束是具有1.2×10¹³cm^-3的密度、2×10⁷cm/s的速度和20μs左右的脉冲长度(以半高度)的中和的氢束。场反转被观察到。

电子感应加速器形成技术

在约束系统300内形成FRC的另一种优选方法在此被称为电子感应加速器形成技术。该技术基于直接驱动电子感应加速器电流以使用电子感应加速器通量线圈320来加速循环等离子体束335。该技术的优选实施例使用图1中所示的约束系统300，除了低能量离子束的注入是不必要的。

如所示，电子感应加速器形成技术中的主要部件是被安装于室310的中心并沿其轴安装的电子感应加速器通量线圈320。由于其分离的平行绕组构造，线圈320显示出很低的导抗，并且当被耦合于适当的电源时，具有低的LC时间常数，其使能通量线圈320中的电流的快速上升(ramp up)。

优选的是，通过给外部场线圈325、330通电而开始FRC的形成。这提供了末端附近的轴向控制场(guide field)以及径向磁场分量，从而在轴向上的约束注入到室310中的等离子体。一旦建立了足够的磁场，背景等离子体源345从其本身的电源来通电。从枪发出的等离子体沿轴向控制场流动并由于其温度而轻微展开(spread)。在等离子体到达室310的中平面时，冷的、缓慢移动的等离子体的连续、轴向延伸、环形的层被建立。

此时，电子感应加速器通量线圈320被通电。线圈320中迅速上升的电流导致线圈的内部的迅速变化的轴向通量。由于感应效应，轴向通量的这种迅速增加导致产生方位角电场E(见图17)，其渗透(permeate)了通量线圈周围的空间。由于麦克斯韦方程，该电场亦与线圈内的磁通量强度的变化成正比，即：较快的电子感应加速器线圈电流斜线上升将导致较强的电场。

感应产生的电场E耦合于等离子体中的带电粒子并导致有质动力的力(ponderomotive force)，其加速环形等离子体层中的粒子。由于其较小的质量，电子是经历加速的第一种类(species)。由该过程形成的初始电流因此主要是由于电子而产生的。然而，足够的加速时间(几百微秒左右)将最终亦导致离子流。参考图17，该电场亦在相对的方向上加速电子和离子。一旦两个种类都到达其终端速度，电流由离子和电子大约同等地载运。

如以上所指出的，由旋转等离子体载运的电流产生自磁场。当由等离子体层中的电流产生的自磁场变得与来自外部场线圈325、330的所施加的磁场相当时，开始生成实际的FRC拓朴。此时，发生磁重接，并且初始的外部产生的磁场的开放场线开始闭合并形成FRC通量表面(见图2和4)。

由该方法建立的基本FRC显示出普通的磁场和粒子能量，其典型地不处于反应堆相关的运行参数。然而，只要电子感应加速器通量线圈320中的电流以快的速率增加，则感应电加速场将持续。该过程的作用是FRC的能量和总磁场强度将继续增长。该过程的程度由此主要由通量线圈电源来限定，这是由于电流的连续递送需要海量能量存储单元(bank)。然而，原则上，将系统加速到反应堆相关的条件是直截了当的。

为了场反转，循环等离子体束335优选地被加速到大约100eV的旋转能量，该能量优选地处于大约75eV到125eV的范围内。为达到聚变相关的条件，循环等离子体束335优选地被加速到大约200keV，并且优选地在大约100keV到3.3MeV的范围内。如以上所述，当离子束被添加给循环等离子体束335时，等离子体束335被离子束去极化。

利用电子感应加速器形成技术的FRC形成在以下参数水平被成功地论证：

●真空室尺寸：大约1m的直径，1.5m的长度。

●10cm的电子感应加速器线圈半径。

●20cm的等离子体轨道半径。

●在真空室中产生的平均外部磁场高达100高斯，有150μs的斜线上升周期和2比1的磁镜比。(来源：外部线圈和电子感应加速器线圈)。

●背景等离子体(基本上为氢气)的特征在于大约10¹³cm^-3的平均密度，小于10eV的动力学温度。

●所述配置的使用寿命由在实验中存储的总能量来限定并且一般是30μs左右。

所述实验继续进行以下：首先通过在室内以圆圈方式安装的两组同轴线缆枪而注入背景等离子体层。8个枪的每个集合被安装于两个磁镜线圈装配之一上。所述枪以等距离的方式在方位角上被隔开，并且相对于另一组而偏移。这种安排允许所述枪被同时触发并由此产生环形等离子体层。

一旦建立了该层，电子感应加速器通量线圈被通电。电子感应加速器线圈绕组中电流的上升导致线圈内通量的增加，由此产生绕电子感应加速器线圈卷曲(curl)的方位角电场。电子感应加速器通量线圈中的快速斜线上升且高的电流产生强电场，其加速环形等离子体层并由此感应相当大的电流。足够强的等离子体电流产生自磁场，其变更外部提供的场并导致产生场反转配置。用B-点环进行的详细测量识别FRC的程度、强度和持续时间。

典型数据的实例由图18中的B-点探头信号的迹线示出。数据曲线A表示在实验的室的轴向中平面(距任一个端面75cm)处和在15cm的径向位置处的磁场的轴向分量的绝对强度。数据曲线B表示在室轴向中平面处和在30cm的径向位置处的磁场的轴向分量的绝对强度。因此，曲线A数据集表示燃料等离子体层内(电子感应加速器线圈和等离子体之间)的磁场强度，而曲线B数据集表示燃料等离子体层外的磁场强度。所述数据清楚地表明，内部磁场反转取向(为负)在大约23和47μs之间，而外部场保持为正，即不反转取向。反转的时间由电子感应加速器线圈中的电流的斜线上升来限定。一旦在电子感应加速器线圈中达到峰值电流，则燃料等离子体层中的感应电流开始下降并且FRC迅速衰变。迄今为止，FRC的使用寿命由可存储于实验中的能量来限定。同注入和捕获实验一样，对反应堆相关的参数，所述系统可被升级以提供较长的FRC使用寿命和加速。

总之，该技术不仅产生紧凑的FRC，而且其实施亦是强有力和直截了当的。更重要的是，由该方法产生的基本FRC可被容易地加速到旋转能量和磁场强度的任何所需水平。这对于高能量燃料束的聚变应用和经典约束是至关重要的。

聚变

有意义的是，以上所述的用于在约束系统300内形成FRC的这两种技术或类似技术可产生具有适合于在其中导致核聚变的特性的等离子体。更具体而言，由这些方法形成的FRC可被加速到旋转能量和磁场强度的任何所需水平。这对于高能量燃料束的聚变应用和经典约束是至关重要的。因此，在约束系统300中，变得有可能捕获并约束高能量等离子体束足够的时间段以与其产生聚变反应。

为适应聚变，由这些方法形成的FRC优选地通过电子感应加速器加速而加速到旋转能量和磁场强度的适当水平。然而，聚变趋向于需要进行任何反应的特定组的物理条件。此外，为实现燃料的有效燃耗(burn-up)并获得正能量平衡，燃料必须以延长的时间段基本上不变地保持该状态。这是重要的，因为高动力学温度和/或能量表征聚变相关的状态。因此产生该状态需要能量的相当大的输入，其仅当大部分燃料经历聚变时可被恢复。作为结果，燃料的约束时间必须比其燃烧时间长。这导致正能量平衡和随之的净能量输出。

本发明的显著优点是在此所述的约束系统和等离子体能有长的约束时间，即超过燃料燃烧时间的约束时间。因此，用于聚变的典型状态的特征在于以下物理条件(其趋向于在燃料和运行模式的基础上变化)：

平均离子温度：处于大约30到230keV的范围内，并且优选地处于大约80keV到230keV的范围内

平均电子温度：处于大约30到100keV的范围内，并且优选地处于大约80到100keV的范围内

燃料束(所注入的离子束和循环等离子体束)的相干能量：处于大约100keV到3.3MeV的范围内，并且优选地处于大约300keV到3.3MeV的范围内。

总磁场：处于大约47.5到120kG的范围内，并且优选地处于大约95到120kG的范围内(外部施加的场处于大约2.5到15kG的范围内，并且优选地处于大约5到15kG的范围内)。

经典约束时间：大于燃料燃烧时间并优选地处于大约10到100秒的范围内。

燃料离子密度：处于大约10¹⁴到小于10¹⁶cm^-3的范围内，并且优选地处于大约10¹⁴到10¹⁵cm^-3的范围内。

总聚变功率：优选地处于大约50到450kW/cm(每厘米室长度的功率)的范围内。

为适应以上所述的聚变状态，FRC优选地被加速到优选地处于大约100keV到3.3MeV的范围内，并且更优选地处于大约300keV到3.3MeV的范围内的相干旋转能量的水平，以及优选地处于大约45到120kG的范围内，并且更优选地处于大约95到115kG的范围内的磁场强度的水平。以这些水平，高能离子束粒子被注入到FRC中并被捕获以形成等离子体束层，其中等离子体束层离子在磁性上被约束而等离子体束层电子在静电上被约束。

优选的是，电子温度被保持实际上尽可能低以减小轫致辐射的量，否则该轫致辐射可导致辐射能量损失。本发明的静电能阱提供实现其的有效方式。

离子温度优选地被保持在提供有效燃耗的水平，这是因为聚变截面是离子温度的函数。燃料离子束的高直接能量是提供如在本申请中讨论的经典输运所必要的。它亦使燃料等离子体上的不稳定性作用最小。磁场与束旋转能量一致。其部分地由等离子体束产生(自场)并反过来提供支持和力以保持等离子体束在所需轨道上。

聚变产物

聚变产物主要燃烧于零表面86附近的功率核心中，从这里它们通过扩散朝着分界线84(见图2和4)出现。这是由于与电子的碰撞而造成的(由于与离子的碰撞不改变质量的中心并因此不使它们改变场线)。由于其高动能(产物离子具有比燃料离子高的多的能量)，聚变产物可容易地穿过分界线84。假定它们经历源自离子-离子碰撞的散射，则一旦它们超过(beyond)分界线84，它们可沿开放场线80离开。尽管碰撞过程不导致扩散，其可改变离子速度矢量的方向以使其平行于磁场而指向。这些开放场线80连接所述核心的FRC拓朴与在FRC拓朴外提供的均匀施加的场。产物离子出现于不同的场线上，它们以一能量分布循着这些场线。有利的是，产物离子和电中和的电子从燃料等离子体的两端以旋转环形束的形式出现。例如，对于p-B¹¹反应的50MW设计，这些束将具有大约50厘米的半径和大约10厘米的厚度。在被发现于分界线84之外的强磁场(典型为100kG左右)中，产物离子具有从大约1cm的最小值到对于最高能的产物离子3cm左右的最大值变化的回旋半径的关联分布。

最初，产物离子具有特征为1/2M(v_par)²和1/2M(v_perp)²的纵向和旋转能量。v_perp是方位角速度，其与绕作为轨道中心的场线的旋转关联。由于场线在离开FRC拓朴附近之后展开，旋转能量趋向于降低，而总能量保持恒定。这是产物离子的磁矩的绝热不变性的结果。本领域众所周知的是，在磁场中做轨道运动的带电粒子具有与其运动关联的磁矩。在粒子沿慢变化的磁场移动时，亦存在由1/2M(v_perp)²/B描述的运动的绝热不变性。绕其相应的场线做轨道运动的产物离子具有与其运动关联的磁矩和这种绝热不变性。由于B减小到大约1/10(由场线的展开来表示)，由此可见v_perp将类似地减小大约3.2。这样，在产物离子到达均匀场区域时，其旋转能量将小于其总能量的5％；换句话说，几乎全部能量处于纵向分量。

能量转换

本发明的直接能量转换系统包括图19A和20A中所示的逆回旋加速器转换器(ICC)，其被耦合于碰撞束聚变反应堆(CBFR)410的功率核心436(部分被示出)以形成等离子体发电系统400。第二ICC(未示出)可与CBFR 410的左边对称而安排。磁尖486位于CBFR 410和ICC 420之间并当CBFR 410和ICC 420磁场合并时被形成。

在详细描述ICC 420和其运行之前，提供了典型回旋加速器加速器的回顾。在常规回旋加速器加速器中，有垂直于磁场的速度的高能离子以圆来旋转。高能离子的轨道半径由磁场强度和其电荷质量比来确定，并且随能量而增加。然而，所述离子的旋转能量独立于其能量。该事实已被采用于回旋加速器加速器的设计中。

参考图21A，常规的回旋加速器加速器700包括两个镜像C形电极710，其形成被置于均匀磁场720中的镜像C形腔，该磁场具有垂直于对称电极平面，即页面的平面的场线。振荡电势被施加于C形电极之间(见图21B)。离子I从被置于回旋加速器700的中心的源发射。磁场720被调节以使离子的旋转频率匹配电势和相关电场。如果离子I以与电场相同的方向穿过C形电极710之间的间隙730，则它被加速。通过加速离子I，其能量和轨道半径增加。当该离子已行进半圆弧(没有经历能量的增加)时，其再次穿过间隙730。现在，C形电极710之间的电场具有经反转的方向。离子I被再次加速，并且其能量被进一步增加。每次该离子穿过间隙730时，假定其旋转频率继续匹配振荡电场(见图21C)，则该过程被重复。另一方面，如果当电场处于相对的方向时粒子穿过间隙730，则其将被减速并返回到中心处的源。仅具有垂直于磁场720的初始速度并在振荡电场的正确相位中穿过间隙730的粒子将被加速。这样，正确的相位匹配对加速是必要的。

原则上，回旋加速器可被用于从相同高能离子的笔形束(pencilbeam)提取动能。对于质子，借助回旋加速器的离子减速但没有能量提取已被观察到，如Bloch和Jeffries在Phys.Rev.80，305(1950)中所述。离子可被注入到所述腔中，以使它们被带入相对于振荡场的减速相位。所有离子然后将反转图21A中所示的加速离子的轨迹T。随着离子由于与电场的相互作用而减慢，其动能被变换为振荡电能，在其电路中，回旋加速器是一部分。到电能的直接转换将被实现，趋向于以很高的效率来进行。

实际上，离子束的离子将以所有可能的相位进入回旋加速器。除非在回旋加速器的设计中变化的相位被补偿，一半的离子将被加速而另一半将被减速。作为结果，最大转换效率将有效地为50％。而且，以上讨论的环形聚变产物束是用于常规回旋加速器的不适合的几何结构。

如在以下更详细讨论的，本发明的ICC适应脱离聚变反应堆功率核心的FRC的聚变产物束的环形特征以及束内离子的随机相对相位和其能量的传播。

返回来参考图19A，CBFR 410的功率核心436的一部分被示出于左侧，其中等离子体燃料核心435被约束于部分形成的FRC 470中，这是由于外部场线圈425所施加的磁场。FRC 470包括闭合场线482，分界线484和开放场线480，如以上所指出的，其确定聚变产物的环形束的特性。开放场线480远离功率核心436而向磁尖486延伸。如以上所指出的，聚变产物以环形束437的形式沿开放场线480从功率核心436出现，所述环形束包括高能离子和电荷中和的电子。

ICC 420的几何结构类似于有大约五米的长度的空圆柱。优选的是，具有小、直间隙497的四个或更多相等、半圆柱电极494组成圆柱的表面。在运行中，振荡势能以交替方式被施加给电极494。转换器内的电场E具有如在图19B中的端视图所示的四极结构。电场E在对称轴上消失并随半径线性增加；峰值位子间隙497处。

另外，ICC 420包括外部场线圈488以形成ICC的空圆柱几何结构内的均匀场。由于电流以与电流流经CBFR场线圈425的方向相对的方向流经ICC场线圈488，ICC 420中的场线496以与CBFR 410的开放场线480的方向相对的方向延伸。在离CBFR 410的功率核心最远的末端，ICC 420包括离子收集器492。

在CBFR 410和ICC 420之间的是对称的磁尖486，其中CBFR 410的开放场线480与ICC 420的场线496合并。环形的电子收集器490被置于磁尖486周围并被电耦合于离子收集器498。如以下所讨论的，磁尖486的磁场以高效率将束437的轴向速度转换为旋转速度。图19C示出转换器420内的典型离子轨道422。

CBFR 410具有圆柱几何结构。在其中心处是聚变功率核心436，有聚变等离子体核心435被蕴含于聚变反应发生的FRC 470磁场拓朴中。如所指出的，产物核以及电荷中和的电子从燃料等离子体435的两端出现为环形束437。例如，对于p-B¹¹反应的50MW设计，这些束将具有大约50cm的半径和大约10cm的厚度。该环形束具有密度n≌10⁷-10⁸cm³。对于这样的密度，磁尖486分离电子和离子。电子沿磁场线前进到电子收集器490，而离子经过尖486，在这里离子轨迹被修改成遵循ICC 420的长度的基本上螺旋状的路径。当离子螺旋经过被连接于共振电路(未示出)的电极494时，能量从该离子被去除。垂直能量的损失对最高能量离子为最大，该离子最初接近电极494而循环，在这里电场是最强的。

离子以近似等于初始总能量的旋转能量到达磁尖486，即1/2Mv_P ²≌1/2Mv₀ ²。当离子到达磁尖486时，有离子初始半径r₀和离子能量的分布。然而，初始半径r₀趋向于与初始速度v₀近似成比例。径向磁场和径向束速度产生方位角方向上的洛伦兹力。尖486处的磁场不改变粒子能量但将初始轴速度v_P≌v₀转换为残留轴向速度v_z和方位角速度v_⊥，其中v₀ ²＝v_z ²+v_⊥ ²。方位角速度v_⊥的值可从正则动量的守恒来确定

$P_{\mathrm{\&theta;}}=M{r}_0{v}_{\&perp;}-\frac{q{B}_0{r}_0^2}{2c}=\frac{q{B}_0{r}_0^2}{2c}---\left(5\right)$

束离子以B_z＝B₀、v_z＝v₀、v_⊥＝0和r＝r₀进入尖486的左手侧，它以r＝r₀、B_z＝-B₀、v_⊥＝qB₀r₀/Mc和 $v_z=\sqrt{v_0^2-v_{\&perp;}^2}$ 出现在尖486的右手侧

$\frac{v_z}{v_0}=\sqrt{1-{\left(\frac{r_0{\mathrm{\&Omega;}}_0}{v_0}\right)}^2}---\left(6\right)$

其中 ${\mathrm{\&Omega;}}_0=\frac{q{B}_0}{\mathrm{Mc}}$ 是回旋加速器频率。离子的旋转频率处于大约1-10MHz的范围内并且优选地处于5-10MHz的范围内，其是进行发电的频率。

为了使离子经过尖486，有效离子回旋半径必须大于半径r₀处的尖486的宽度。在实验上相当可行的是将轴向速度减小到1/10以使残留轴向能量将被减小到1/100。则99％的离子能量将被转换为旋转能量。离子束具有用于v₀和r₀的值的分布。然而，由于如先前由基于FRC的反应堆的特性所表示的，r₀与v₀成比例，因此对所有离子，到旋转能量的转换效率趋向于99％。

如图19B中所述，本发明的ICC 420的对称电极结构优选地包括四个电极494。槽路(tank circuit)(未示出)被连接于电极结构494以使瞬时电压和电场是如所示的。电压和槽路以ω＝Ω₀的频率振荡。间隙497处的方位角电场E在图19B和图22中示出。图22示出电极494和当离子以角速度Ω₀旋转时所经历的场之间的间隙497中的电场。显然在完整的回转(revolution)中，粒子将交替经历由初始相位确定的量级的加速和减速。除了方位角电场E_θ，还有径向电场E_r。方位角场E_θ在间隙497中最大并且随着半径降低而降低。图22假定粒子旋转维持恒定半径。由于电场中的梯度，减速将总是支配加速。加速相位使离子半径增加，因此当离子下一次遇到减速电场时，离子半径将较大。减速相位将独立于离子的初始相位而占优，这是因为方位角电场E_θ的径向梯度总是正的。作为结果，能量转换效率不局限于由与常规回旋加速器关联的初始相位问题而造成的50％。电场E_r亦是重要的。其亦振荡并在径向上产生净效应，如在图19C中，其在垂直于轴的平面中以零速度将束轨迹返回到原始半径。

离子总是被减速的过程类似于强聚焦的原理，其是U.S.专利No.2,736,799中所述的现代加速器的基本特点。如果磁场具有正梯度，则正(聚焦)和负透镜(散焦)的组合是正的。强聚焦四极偶极子透镜在图23中示出。第一透镜在x方向上聚焦并在y方向上散焦。第二透镜是类似的，其中x和y特性互换。磁场在对称轴上消失并具有正径向梯度。用于经过两个透镜的离子束的净结果是独立于通道(passage)的量级在所有方向上聚焦。

对于经过蕴含强轴向磁场并以TE₁₁₁模式运行的共振腔的束，类似的结果已被报告(见Yoshikawa等)。这种装置被称为日本式快波简谐运动微波放大器。在TE₁₁₁模式中，共振腔具有驻波，在其中电场具有四极对称。结果在定量上类似于在此所述的一些结果。定量的差异在于共振腔在尺寸上大的多(10米的长度)，并且以高的多的频率(155MHz)和磁场(10T)运行。从高频波提取的能量需要硅控整流二极管天线。束的能谱减小转换效率。对于产生15MeV的质子的D-He³反应堆，两种离子的存在是较为严重的问题，但转换效率是足够的。

用于ICC 420内的粒子的单粒子轨道422在图19C中示出。该结果是通过计算机模拟获得的，并且对日本式快波简谐运动微波放大器获得了类似的结果。在某个半径r₀处进入的离子沿ICC的长度螺旋向下并在损失初始旋转能量之后收敛于相同半径r₀的圆的点上。初始条件是非对称的；最终状态反映了这种非对称，但其独立于初始相位，因此所有粒子被减速。在ICC的离子收集器端的束再次是环形的并且有类似的尺寸。轴向速度将被减小到1/10，而密度对应地增加。对于单粒子，99％的提取效率是可行的。然而，各种因素，如在进入转换器之前环形束的垂直旋转能量，可减小该效率大约5％。电功率提取将处于大约1-10MHz并且优选地处于大约5-10MHz，同时有转换效率的附加减小，这是由于调节以连接于电力网的功率。

如图20A和20B中所示，ICC 420中的电极结构494的可替换实施例可包括两个对称半圆电极和/或向着离子收集器492逐渐变细的锥形电极494。

ICC 420的主磁场内的离子动力学的调节可使用两个附属线圈组500和510来实施，如图24A和24B中所示。线圈组500和510两者均包含相邻的导体，其有相对引导的电流，因此磁场具有短程。如在图24A中示意性说明的，磁场梯度将改变离子旋转频率和相位。如在图24B中示意性说明的，作为线性加速器，多极磁场将产生聚束。

反应堆

图25示出100MW反应堆。切掉的发电机示出聚变功率核心区域，其具有施加均匀磁场的超导线圈和用于形成有场反转拓朴的磁场的通量线圈。聚变功率核心区域的相邻的相对端是ICC能量转换器，用于将聚变产物的动能直接转换为电功率。用于这种反应堆的支持设备在图26中示出。

推进系统

图27示出等离子体推力推进系统800。该系统包括FRC功率核心836，在其中聚变燃料核心835被蕴含，并且在其两端，聚变产物以环形束837的形式出现。ICC能量转换器820被耦合于功率核心的一端。磁喷管(magnetic nozzle)850与功率核心的另一端相邻而被放置。聚变产物的环形束837沿场线从聚变功率核心的一端流到ICC中用于能量转换并沿场线从功率核心的另一端流出喷管用于推力T。

本发明对各种修改和可替换形式是可能的，其特定实例已在附图中示出并在此被详细描述。然而，应理解，本发明不局限于所公开的特定形式，而相反，本发明将覆盖属于所附的权利要求的精神和范围的所有修改、等效内容和替换。

Claims (68)

1.一种等离子体电功率生成系统，包括：

具有主轴(315)和维持真空或近似真空状态的真空室(310)，

第一外部线圈(325，425)，用于在所述真空室的中央区域内产生具有基本上平行于所述真空室的主轴的通量(480)的方位角对称磁场，

位于所述第一外部线圈每一侧的第一和第二磁镜线圈(330)，

与所述真空室的主轴同心的电流线圈(320)，用于在所述真空室内生成方位角电场，

在所述真空室的第一端区域形成圆柱面的第一组三个或更多的电极(494)，其中所述三个或更多的电极以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙(497)，其中所述三个或更多的电极形成具有多于两个极的多极结构的电场，

第二外部线圈(488)，用于在所述真空室的第一端区域内产生具有基本上平行于所述真空室的主轴的通量(496)的方位角对称磁场，其中由所述第一外部线圈产生的磁场与由所述第二外部线圈产生的磁场合并在一起，以形成对称的磁尖(486)，

插入所述第一和第二外部线圈并且邻近所述三个或更多的电极的第一端的环形电子收集器(490)，该环形电子收集器被置于磁尖周围，和

邻近所述三个或更多的电极的第二端放置并且耦合于所述环形电子收集器的离子收集器(492)。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

在所述真空室的第二端区域形成圆柱面的第二组三个或更多的电极，其中所述第二组三个或更多的电极以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙，

第三外部线圈，用于在所述真空室的第二端区域内生成具有基本上平行于所述真空室的主轴的通量的方位角对称磁场，其中由所述第一外部线圈产生的磁场与由所述第三外部线圈产生的磁场合并在一起，以形成对称的磁尖，

插入所述第一和第三外部线圈并且邻近所述第二组三个或更多的电极的第一端的第二环形电子收集器，和

邻近所述第二组三个或更多的电极并耦合于所述第二环形电子收集器的第二端放置的第二离子收集器。

3.一种等离子体电功率生成系统，包括：

碰撞束聚变反应堆(410)，具有圆柱形真空室(310)和置于所述真空室周围的第一外部线圈(425)，以及由于在所述真空室内由所述第一外部线圈产生的磁场而部分形成的场反转配置磁场，和

与所述聚变反应堆的第一端耦合的逆回旋加速器能量转换器(420)，所述转换器包括：

形成圆柱面并且以间隔关系在相邻电极之间形成间隙(497)的三个或更多的电极(494)，

第二外部线圈(488)，用于在所述逆回旋加速器能量转换器内产生磁场，由所述第一外部线圈产生的磁场与由所述第二外部线圈产生的磁场合并在一起，以形成对称的磁尖，

插入所述第一和第二外部线圈并且邻近所述三个或更多的电极的第一端的环形电子收集器，该环形电子收集器被置于磁尖周围，和

邻近所述三个或更多的电极的第二端放置并且耦合于所述环形电子收集器的离子收集器。

4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括与所述聚变反应堆的第二端耦合的逆回旋加速器能量转换器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述聚变反应堆进一步包括与所述真空室的主轴(315)同心的并且放置在功率核心区域(436)内的电流线圈(320)。

6.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，进一步包括与所述三个或多个电极耦合的谐振电路。

7.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，进一步包括与所述三个或多个电极耦合的槽路。

8.根据权利要求1和3中任意一项的系统，其中所述第一和第二外部线圈包括关于所述真空室放置的环形场线圈，其中由所述第一外部线圈的场线圈产生的磁场的场线在与由所述第二外部线圈的场线圈产生的磁场的场线相反的方向上延伸。

9.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，其中所述环形电子收集器和离子收集器是电耦合的。

10.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，其中所述三个或多个电极是对称的。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一外部线圈进一步包括第一和第二组磁镜线圈(330)，所述第一和第二组磁镜线圈关于所述真空室以间隔的关系放置并且在其间限定了功率核心区域(436)。

12.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，进一步包括与所述真空室耦合的等离子体注入器(345)。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述等离子体注入器被轴向地定向以朝所述真空室的中间平面注入等离子体。

14.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，其中所述第一外部线圈是可调的。

15.根据权利要求14所述的系统，进一步包括与所述第一外部线圈耦合的控制系统。

16.根据权利要求1和5中任意一项所述的系统，其中所述电流线圈是电子感应加速器通量线圈。

17.根据权利要求1和5中任意一项所述的系统，其中所述电流线圈包括多个独立线圈的并联绕组。

18.根据权利要求1和3中任意一项所述的系统，进一步包括与所述真空室耦合的离子束注入器(340)。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述离子束注入器包括用于中性化从所述离子束注入器发射的离子束的电荷的装置。

20.一种在权利要求1或3的等离子体电功率生成系统中的等离子体电功率生成处理方法，包括以下步骤：

所述真空室内在环形等离子体周围产生具有场反转配置FRC的磁场，其中内部磁场线在与外部磁场线相反的方向上延伸，

将所述等离子体约束在所述真空室内，该等离子体具有等离子体离子和等离子电子，

在场反转配置FRC内产生成聚变产物离子，和

将从场反转配置FRC出现的聚变产物离子的动能转换成电功率。

21.根据权利要求20所述的处理方法，其中转换聚变产物离子的动能的步骤包括引导聚变产物离子通过减速电场并且将聚变产物离子减速。

22.根据权利要求21所述的处理方法，进一步包括生成减速电场的步骤。

23.根据权利要求21和22中任意一项所述的处理方法，其中所述减速电场是包括三个或更多极的多极细长电场。

24.根据权利要求21和22中任意一项所述的处理方法，进一步包括从场反转配置FRC以环形束的形式出现聚变产物离子并且引导所述聚变产物离子沿着螺旋路径通过所述减速电场的步骤。

25.根据权利要求23所述的处理方法，进一步包括从场反转配置FRC以环形束的形式出现聚变产物离子并且引导所述聚变产物离子沿着螺旋路径通过所述减速电场的步骤。

26.根据权利要求21、22和25中任意一项所述的处理方法，其中生成减速电场的步骤包括向以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙的三个或更多细长电极施加振荡电势，所述三个或更多细长电极在所述真空室内形成圆柱形的腔。

27.根据权利要求23所述的处理方法，其中生成减速电场的步骤包括向以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙的三个或更多细长电极施加振荡电势，所述三个或更多细长电极在所述真空室内形成圆柱形的腔。

28.根据权利要求24所述的处理方法，其中生成减速电场的步骤包括向以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙的三个或更多细长电极施加振荡电势，所述三个或更多细长电极在所述真空室内形成圆柱形的腔。

29.根据权利要求23所述的处理方法，其中生成多极细长电场的步骤包括在形成于所述三个或更多电极之间的细长间隙的两端生成方位角电场。

30.根据权利要求27所述的处理方法，其中生成多极细长电场的步骤包括在形成于所述三个或更多电极之间的细长间隙的两端生成方位角电场。

31.根据权利要求25、27、28和29中任意一项所述的处理方法，进一步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸。

32.根据权利要求24所述的处理方法，进一步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸。

33.根据权利要求26所述的处理方法，进一步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸。

34.根据权利要求30所述的处理方法，进一步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸。

35.根据权利要求31所述的处理方法，进一步包括连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖的步骤。

36.根据权利要求32-34中任意一项所述的处理方法，进一步包括连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖的步骤。

37.根据权利要求24所述的处理方法，进一步包括步骤：

在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸，

连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖，和

引导所述环形束通过所述磁尖的步骤。

38.根据权利要求25所述的处理方法，进一步包括步骤：

在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸，

连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖，和

引导所述环形束通过所述磁尖的步骤。

39.根据权利要求37和38中任意一项所述的处理方法，进一步包括将基本上所有聚变产物离子的轴向能量转换成旋转能量的步骤。

40.根据权利要求39所述的处理方法，进一步包括收集来自环形束的电荷中和的电子作为跟随所述磁尖的磁场线的电子的步骤。

41.根据权利要求40所述的处理方法，进一步包括一旦聚变产物离子的能量被转换成电能就收集所述聚变产物离子的步骤。

42.根据权利要求41所述的处理方法，进一步包括调节从离子能量转换的电能以匹配现有的电力网的步骤。

43.根据权利要求42所述的处理方法，进一步包括在所述真空室内产生静电场的步骤。

44.根据权利要求43所述的处理方法，其中所述静电场具有对应于第一施加的磁场的幅度的幅度。

45.根据权利要求42和43中任意一项所述的处理方法，其中产生静电场的步骤包括以下步骤：

以预定的幅度向真空室施加第一施加的磁场，和

以预定的速度将包括离子的束注入到场反转配置FRC内。

46.根据权利要求45所述的处理方法，进一步包括通过调节所述第一施加的磁场的幅度调节所述静电场的幅度的步骤。

47.根据权利要求45所述的处理方法，进一步包括调节所述第一施加的磁场以控制所述静电场的幅度的步骤。

48.根据权利要求47所述的处理方法，进一步包括在场反转配置FRC内磁性约束多个等离子体离子的步骤。

49.根据权利要求48所述的处理方法，进一步包括在所述静电场内静电约束多个等离子体电子的步骤。

50.根据权利要求47所述的处理方法，其中调节施加的磁场的步骤包括调节所述静电场的幅度。

51.根据权利要求43所述的处理方法，其中产生静电场的步骤包括在场反转配置FRC内在抗磁性方向上旋转等离子体并且由于等离子体电子离开该等离子体而生成多余的正电荷的步骤。

52.根据权利要求51所述的处理方法，其中生成多余的正电荷的步骤包括在等离子体电子上施加洛伦兹力。

53.根据权利要求49所述的处理方法，其中所述磁性约束步骤包括基本上经典包含所述等离子体离子，其中经典包含所述等离子体离子包括在约束结构内包含所述等离子体离子一个大于等离子体的燃烧时间的时间周期。

54.根据权利要求53所述的处理方法，其中所述静电约束步骤包括基本上经典包含所述等离子体电子。

55.根据权利要求53所述的处理方法，进一步包括使等离子体离子在场反转配置FRC内在大半径电子感应加速器轨道上沿轨道运行，其中轨道半径超过造成波动的反常输运的波长。

56.根据权利要求53所述的处理方法，进一步包括旋转等离子体并且产生电流以形成围绕等离子体的磁自场的步骤。

57.根据权利要求56所述的处理方法，进一步包括组合第一施加的磁场和磁自场以形成所述场反转配置FRC磁场的步骤。

58.根据权利要求57所述的处理方法，进一步包括在所述约束结构内生成方位角电场的步骤。

59.根据权利要求58所述的处理方法，进一步包括将所述方位角电场耦合到等离子体离子和电子并且在所述等离子体离子和电子上施加有质动力的力。

60.根据权利要求59所述的处理方法，其中生成方位角电场的步骤包括增加流过通量线圈的电流。

61.根据权利要求48所述的处理方法，进一步包括冷却等离子体电子的步骤。

62.根据权利要求48所述的处理方法，进一步包括将来自静电场的电势能阱的能量传送到聚变产物离子的步骤。

63.根据权利要求62所述的处理方法，其中所述等离子体包括至少两种不同的离子种类。

64.根据权利要求56所述的处理方法，进一步包括加速旋转等离子体到聚变相关的旋转能量的步骤。

65.根据权利要求64所述的处理方法，进一步包括将高能量离子束注入到场反转配置FRC中并且在场反转配置FRC内在电子感应加速器轨道上捕获所述束。

66.根据权利要求46到48或63中任意一项所述的处理方法，其中所述离子束被基本上与第一施加的磁场横向地注入。

67.根据权利要求45所述的处理方法，其中所述离子束被基本上与第一施加的磁场横向地注入。

68.根据权利要求43所述的处理方法，其中产生静电场的步骤包括以对应于约束多个等离子体电子的静电场的幅度施加第一施加的磁场。

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