專利名稱:受控聚變反應方法及系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從受控聚變反應中提取能量的方法和系統。
技術背景
廣泛認識到的是受控聚變提供潔凈而又充足的能源。然而，盡管投入了上億美元，但在 引起有效的自持聚變反應方面僅取得了有限的成功。所有先前的方法都受到了三個主要因素 的限制
(a) 僅利用了單個的能量提取裝置。
(b) 大量工作已經集中在了間接驅動反應上，尤其是利用大型激光器作為驅動器，而不 是集中于直接驅動X射線驅動反應上。
(c) 流體力學不穩(wěn)定性是嚴重問題。這會在靶芯塊壓縮不夠均勻時發(fā)生。它引起局部熱 量不均勻，反過來該不均勻又引起局部冷卻。這導致燃料的不對稱燃燒。
可以通過兩種主要方式來從聚變反應提取能量熱方式和電方式。熱提耳又是幾乎每個電 力廠里所用的朗肯熱循環(huán)的直接應用。在該處理中，冷卻劑被加熱，被加熱的冷卻劑用于轉 動渦輪機，而渦輪機用于轉動發(fā)電機。該處理具有55。/。的標稱效率。
直接從熔融等離子體提取電力是可能也是實用的。這已經得到多次證實，并且其是具有 大約85。/。的效率的處理。該技術相對于現有技術的聚變發(fā)電系統的缺點在于它產生了高壓直 流電(DC)。高壓直流電難以處理，并且更重要的是，其不適于長距離電力傳輸和配電。它 不能像交流電(AC)那樣能夠容易或者有效地轉換。
流體力學不穩(wěn)定性是每個聚變發(fā)電系統的設計者所面對的主要問題。正式上稱為瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylo)不穩(wěn)定性，它由燃料芯塊的不均勻壓縮引起。壓縮上超過1%的不均 勻度導致能量向外涌出并使靶芯塊局部致冷的"噴射"形式。當前的激光驅動聚變系統利用多 個射束(相當于一個系統中192個)以試圖對燃料芯塊提供足夠均勻的壓縮。
期望提供一種從受控聚變反應中提取能量的方法，其中，既提取熱能量，也提取高壓直
流能量。
期望將提取的高壓直流能量能夠用作維持受控聚變反應的能量源。 還期望設計從受控聚變反應中提取能量的系統，利用流體力學穩(wěn)定性實現燃料芯塊的高 均勻壓縮。
發(fā)明內容
本發(fā)明的一個實施方式提供了一種從受控聚變反應中提取能量的系統。該系統包括用于 容納聚變靶材料的中央靶室。在所述靶室周圍設置了多個能量驅動器，以便向靶室中的聚變 靶材料提供能量，以啟動該材料的受控聚變反應，使得以聚變等離子體和熱量的形式釋放能 量。提供了用于從所述聚變反應提取能量的多個裝置，并且包括從所述聚變等離子體提取高 壓直流電力的裝置；以及從所述中央靶室提取熱能的裝置。
前述實施方式通過既提取高壓直流能量又提取熱能而提高了聚變發(fā)電系統的效率。
本發(fā)明的另一個實施方式提供了用于從受控聚變反應提取能量的系統，其中，通過能量 存儲裝置對所述多個能量驅動器提供電力。所述能量存儲裝置從第一電源接收電力并提供啟 動(start-up)電力和補充(make-up)電力，而第二電源通過從所述聚變等離子體提取的高 壓直流電力獲得能量。所述"啟動電力"是啟動所述聚變反應需要的總能量，而"補充電力"是為 維持聚變反應的操作而從第二電源添加的能量。
前述實施方式通過利用從所述聚變反應提取的高壓直流電力作為用于驅動聚變反應的能 量驅動器的電力源實現了較高的效率。這意味著驅動所述聚變反應所述需要的多數能量從(先 前的)聚變反應自身得到。
本發(fā)明的另一實施方式提供了一種用于從受控聚變反應提取能量的系統，其中，所述多 個能量驅動器中的每一個能量驅動器都包括一體裝置(unitary apparatus )。所述一體裝置既 (a )產生用于使所述聚變把材料進行所述受控聚變反應以便產生聚變等離子體和熱量形式的 能量釋放的X射線脈沖，又(b)產生同時加熱所述聚變靶材料的RF能量。
本發(fā)明的前述實施方式能夠產生X射線驅動脈沖的同時產生RF加熱脈沖而不降低效率。 這使得能夠無需附加費用并且無能量損失地利用RF加熱來提高聚變發(fā)電系統的效率。
8本發(fā)明的另一實施方式提供了一種聚變發(fā)電系統，切趾結構與各能量驅動器相關聯，用 于使所述X射線脈沖的波前整形為從所述聚變靶材料看去是凹入的。
本發(fā)明的前述實施方式通過所述切趾濾波器校正了引起瑞利-泰勒流體力學不穩(wěn)定性的 波前誤差。由于所述把芯塊是球形，所述切趾濾波器用于將所述壓縮波前的形狀改變?yōu)榘霃?與所述靶的半徑匹配的非常凹的表面。由此，所述波前"環(huán)繞"所述靶的一個面，并提供了耙 的完全均勻的壓縮。
利用切趾濾波器校正所述壓縮波前的直接利益在于減小了用于照射所述靶的射束的數
量。替代加利福尼亞的勞倫斯利弗摩爾實驗室(Lawrence Livermore lab)的國家點火裝置 聚變反應堆(National Ignition Facility Fusion Reactor)寸吏用的192個射束，本發(fā)明的當前 實施方式可以允許利用所述少得多的射束，例如6個。這直接減小了反應堆的成本和大小， 同時增加其可靠性。
圖1是受控核聚變產生能量的反應堆的簡化的立體圖；
圖2A和2B是圖1的反應堆的截面圖，圖2A示出了圖1中"FIG. 2A-FIG. 2A"所指示的
截面，而圖2B示出了圖1中"FIG. 2B-FIG. 2B"所指示的截面；
圖3是圖1的反應堆系統的能量流的框圖，示出了比圖1更簡化的反應堆；
圖4A和圖4B分別是基本受激X射線發(fā)射器(SXE)能量驅動器的簡化端和側截面；
圖5A是用于圖4A和圖4B的SXE的柵極和相位匹配網絡的立體圖；
圖5B是圖5A的柵極和相位匹配網絡的視圖，其示出了該圖中"FIG,5A- FIG,5A"所指示
的截面；
圖5C是圖5A的相位匹配網絡的示意圖；
圖6是入射到切趾濾波器上的平面波前和通過該濾波器所產生的被校正波前的截面圖；
圖7是圖4的SXE的電容增強版的立體圖；
圖8是沿電子耦合變壓器的長度的截面圖；
圖9示出了圖8的電子耦合變壓器的典型波形；
圖10是沿組合SXE-虛陰極振蕩器(Vircator)驅動器的長度的截面圖； 圖11是沿圖10的虛陰極振蕩器RF頭的長度的部分截面圖； 圖12是沿組合SXE-磁絕緣振蕩器(MILO)驅動器的長度的截面圖； 圖13是沿圖12的磁絕緣振蕩器RF頭的長度的部分截面圖；圖14是沿圖12的磁絕緣振蕩器RF頭中使用的漂移管的長度的部分截面圖，并且圖14B 是圖14A中標有"FIG,14B"的畫圏區(qū)域的放大圖。
具體實施方式
在這些優(yōu)選實施方式的說明的結尾給出了附圖標號的列表、其相關部件以及該部件的優(yōu) 選材料。在附圖標號的列表后面完整地列舉了參考文獻，在本說明中，例如，以如下形式給 出作者"Nakai"的簡化的參考文獻(Nakai文獻)。
優(yōu)選實施方式的主要原理
結合圖1 -3描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的主要原理。
圖1是通過受控核聚變產生能量的反應堆。該系統包括中央靶室或者區(qū)域10。 一系列的 六個或者更多個的能量驅動器12對稱成對地設置在該中央靶區(qū)域的周圍。對稱能量驅動器 12關于芯塊位置22對稱地設置，使得共同產成優(yōu)選地很好的球面波前入射到位置22處的靶 聚變芯塊上。能量驅動器以高頻率產生X射線，其對稱地壓縮靶以啟動并維持聚變反應。能 量驅動器優(yōu)選地為受激X射線發(fā)射器(SXE: Stimulated X-ray Emitter),如本發(fā)明人的美國 專利4,723,263中的發(fā)明首先描述的。在優(yōu)選的實施方式中，所述SXE驅動器裝有RF產生 裝置，其提供同時發(fā)生的RF能量脈沖以向反應提供附加熱量。這在圖10-13的討論中進一 步描述。
參考圖1-3,在中央輩巴區(qū)域10的周圍設置了多個能量提取錐(Energy Extraction Cone)
14。這些錐都是真空系統的一部分。它們都包含有產生用于驅動SXE能量驅動器(SXE Energy Driver) 6的高電壓直流電輸出的能量收集柵極46。能量提取錐14可以以其他形狀 形成，例如柱體。下面詳細討論圖3的討-淪中給出的處理。
圖1-3的系統包括了第二能量提取裝置，其適當地可以是標準蘭金循環(huán)熱回路(Rankine Cycle Thermal lo叩)。冷凍劑通過輸入管18被引入內部熱交換子系統24，通過熱交換器24 循環(huán)，然后經由管20從反應堆出來。受熱冷凍劑用于驅動渦輪，其反過來驅動發(fā)電機以進行 發(fā)電。該電的大部分可以用來提供給外部能量柵極。小部分用于給系統提供所謂的補充電力 以補償某些低效率的HVDC能量提取錐14。燃料芯塊注入系統16用于向反應堆注入聚變靶 芯塊。在實際系統中，芯塊注入器16豎直朝向，如圖2B所示。
圖2A-2B示出了主要的內部和外部部件及其幾何關系。在圖2A中，可以看到反應堆的 截面。能量驅動器12和能量提取錐14的設置是清楚可見的。反應堆的內部結構也是可見的，其在圖2B中詳細示出。反應堆室壁是最外層，如10處所示，其為內部結構提供了支撐 結構，并且是真空封裝。盡管被描述為球體，其他形狀也可以成功應用。室的形狀對該系統 的功能性沒有影響。
緊接的最內層由磁約束線圈(magnetic confinement coil) 30組成。這些線圈產生了約 束聚變等離子體并使其不與襯墊(liner) 28和其他內部結構接觸的強磁場。由所述磁約束線 圈30產生的磁場具有對應于能量提取器錐和SXE能量驅動器的位置的孔徑(低場區(qū)域)。
緊接著的最內層是冷凍劑通道層(熱交換器)24。冷凍劑通過冷凍劑入口 18進入該結 構，通過冷凍劑通道24循環(huán)并經由冷凍劑出口 20以過熱狀態(tài)出來。該過熱冷凍劑用于對渦 輪機和發(fā)電機提供電力以進行發(fā)電。這樣看，芯塊注入器16可以沿其適當的垂直方向看到。
圖3是圖1的反應堆系統的能量流的框圖。示出了兩個能量提取回路。熱回路由熱冷凍 劑入口 18、熱冷凍劑出口 20和冷凍劑通道層(熱交換器)24組成。在以上圖2的討論中描 述了該回路的操作。高壓直流電提取回路由提取器錐14、提取器柵極46、直流電回路(DC return ) 48、能量存々者和電力i周節(jié)裝置(Energy Storage and Power Conditioning means) 38、脈沖調制器34及其兩個同步輸出(a) 36， HVDC到SXE能量驅動器12,和(b)32, 磁約束線驅動信號。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的基本原理是利用直接提取高壓直流電驅動SXE 能量驅動器。SXE在高壓直流電下運行，因此它直接與能量提取錐14的直流電輸出兼容。 4是取的能量用于對能量存儲裝置38進行再充電。能量存儲系統作為示例可以利用電容存儲裝 置或者電感存儲裝置或者兩者都用。利用電容存儲是該系統的本部分的優(yōu)選實施方式。能量 存儲和電力調節(jié)子系統38具有第二能量輸入40,其^吏得來自外部源(例如，42、 44)的電 力能夠應用到該系統。外部源42可以是如下所述的電子耦合變壓器，而外部源44是高壓直 流電源。來自第二能量輸入40的電力用于系統啟動，還在運行期間提供補償電力。這是用于 補償所述HVDC提取回路中的低效率損耗。
圖4A和圖4B是基本SXE能量驅動器的截面圖，其可以用作圖1中的能量驅動器12。 圖4A是端部圖，而圖4B是側面圖。這些圖中可見的有陽極64、柵極66和陰極68。 SXE 為三極電子管。它具有新穎的電子槍結構，包括陰極68和柵極66。這些元件的物理并列 (physical juxtaposition)使得它形成圓形波導管。圓形波導管支持總是以光速("c")傳播的 橫電模式(TEM: Transverse Electric Mode )。該屬性對SXE的功能是關鍵的，因為它確保 了電子束，如箭頭所示，以光速掃過陽極，因此波前的相速度和群速度匹配。這被稱為衰減 行波(Collapsing Traveling Wave )。這在X射線形成處理中是重要的，因為它確保了射束形 成的X射線總是在高離子化區(qū)傳播，因此不被自吸收處理所吸收。柵極結構(圖5中詳細討論的)是高度對稱的。這確保了朝向陽極衰減的波是極其對稱
的。結果，當電子撞擊陽極時，它們造成了高度離子化的韌致輻射(Bremstrahll。ng)區(qū)域。 還在這樣的高度離子化區(qū)域中出現大量二級電子。陽極充滿了激光材料。韌致輻射電子撞擊 激光材料的原子，由于韌致輻射電子處于遠遠比該原子K電子層離子勢能高的能量，韌致輻 射電子完全離子化了該原子。作為結果的再生級聯(repopulation cascade)導致原子從各電 子層釋放電子。電子過剩確保該處理發(fā)生得非常迅速。隨后發(fā)生級聯反應。輻射開始是各向 同性的。但隨著它沿著陽極的長度前進，離軸輻射通過容器壁(abode)進行抑制或者用于 離子化其他原子。所有這些都發(fā)生在以"c"沿著陽極掃過的離子化區(qū)。所得到的射束通過陽極 在幾何上進行準直，并大部分由K層電子組成，以及L層電子和M層電子(當他們存在時)。
現在參考圖5A、 5B和4A，這些圖示出了圖4A和4B的SXE的柵極和相位匹配網絡的 細節(jié)。圖5A示出了整個柵極-相位匹配網絡和柵極絕緣的細節(jié)。這兩個元件實際上是單一結 構的部分。圖5B示出了優(yōu)選的柵極張緊和絕緣裝置的細節(jié)。圖5C示出了相位匹配網絡的電 示意圖。柵極的設計要求對所有帶有行波電子槍(TWEG: Traveling Wave Electron Guns ) 的管子是公共的。不管管子設計成什么等級或者電力級別，以下特征是共同的并且必須為了 行波電子槍的運行而存在。
行波電子槍(TWEG)是獨特的結構，因為它使用了封閉并列的柵極66和陰極68來形 成支持橫電模式(TEM)圓形波導管結構。圓形波導管中的橫電模式總是以光速("c")傳播。 TWEG的這個方面造成了它極其快速的上升時間(每英尺或者30.48 cm的槍長一納秒)。
柵極還用于產生從陰極提取電子的電場以及控制這些電子的流。這是通過選擇性地相對 于陰極偏置4冊極來實現。通過管子的適當偏置可以實現切換以及調制功能。
當設計TWEG結構的柵極時存在幾個必須滿足的關鍵條件。它們是 (1)柵極-陰極間隔必須在整個柵極的長度上恒定。這通常通過將柵極置于高張力下或 者將其用剛性結構建造來實現。
(2 )柵極中的元件數量必須足夠高，以確保柵極-陰極區(qū)域中恒定和均勾的電場。 (3)在柵極結構的任何地方都必須不存在毛刺(bur)的尖銳邊緣。單個的元件可以是 圓的、扁平的或者是高縱橫比的橢圓形狀。所有邊緣必須是完全切成圓角的。在本文中，完 全切成圓角的意思是所述邊緣具有等于材料厚度的一半的半徑；完全切成圓角的示例在圖14 中的125處可見。
這些設計規(guī)則的實際實現是由正在建造的柵極尺寸確定。柵極可以由單件制成，或者更 一般地由通過兩端130、 132上的安裝環(huán)所限制的一序列的單個元件制成，并設置有適當的
12電絕緣體136、 140以防止電弧放電，以及在柵極結構上保持張力的裝置。在所示的優(yōu)選實 施方式中，各柵極元件設置有強力彈簧146 、墊圏148和螺帽150形式的張力裝置。各柵極 元件的螺帽用扭矩扳手緊固以確保所有元件上的均勻張力。
通過連接到柵極的輸入端的相位匹配網絡134、 136電連接到柵極。相位匹配網絡由一 序列完全等長(通常公差為+/-0.0005" (+/-12微米))的線134組成。相位匹配網絡的各 線在離兩個相鄰的柵極元件等距離的點處連接到下柵極支撐環(huán)132。在柵極支撐環(huán)周圍對稱 地i殳置有多個相位匹配網絡線。
相位匹配網絡線的另一端連接到公共接頭元件136上。它在一端具有數量等于相位匹配 網絡線的數量的多個洞，而在相對端只有一個洞。將線附接到該洞并到達柵極真空饋通。該 線為通過鵠極惰性氣體焊接(TIG: Tungsten-Inert Gas)法適當焊接或熔焊的銀。TIG熔接 是優(yōu)選的，但并不總是可用的。
該相位匹配網絡的目的是確保柵極的整個基座同時以優(yōu)選的皮秒(picosecond )范圍內 的精度響應于控制信號。這導致在TWEG結構中傳播的高度對稱的波。當柵極通過相位匹配 網絡接地時，形成輻射方向上對稱衰減行波，并且該行波沿著TWEG結構的長度傳播。這是 地電壓的波，并且它具有使得能量能夠存儲在柵極-陰極間隙中并且還使能量對柵極可用的效 果，以便傳播到陽極，導致該信號的輸送。
流體力學不穩(wěn)定性原因及補救
圖6示出了切趾濾波器的工作原理，其中用箭頭示出波前移動。任何聚變系統的優(yōu)化性 能都取決于創(chuàng)建燃料靶芯塊的完全對稱的壓縮。本發(fā)明的能量驅動器12 (圖1 )提供了對稱 照射靶的手段。如果入射到靶上的波前60為半徑與靶芯塊的半徑匹配的凹入的幾何結構，則 可能在燃料靶芯塊上創(chuàng)建幾乎是完全對稱的壓縮波前。這是必須要最小化瑞利-泰勒不穩(wěn)定性 的理由，如果足夠嚴重的話，該不穩(wěn)定性能夠導致燃料芯塊以不均勻的方式加熱，因此不能 激起聚變反應。
如果有必要，可以對稱成對地添加能量驅動器12以增加壓縮波前的均勻性。幾何方面的 因素確定了添加的驅動器的數量。如果六個驅動器不夠，下一步優(yōu)選的是12個驅動器，接著 是14個驅動器，優(yōu)選地接著是20個驅動器。其他數量的能量驅動器也是可能的。
圖6的切趾濾波器58由置于射束路徑中的厚度變化的實物構成。截面厚度與靶的半徑 匹配。在優(yōu)選的實施方式中，這些濾波器由被沉積用來形成期望的截面的薄膜材料制成。材 料的選擇由聚變燃料組合的能量驅動要求確定。在氘-氚反應(Deuterium-Tritium reaction)的情況下，這是在250與350電子伏特之間，然后可以使用諸如鋰(Lithium )、鈹(Beryllium )、 硼(Boron)或者碳(Carbon)等非常低的原子序數的物質。諸如氫-硼的鋰-硼的較高能 量反應使用可能具有鎂、鋁或硅的這些材料。重要的是濃密物質的原子序數沒有高到發(fā)生顯 著吸收的程度。應當注意的是切趾濾波器將產生一些散射線，但這在本發(fā)明中不成問題。
聚變反應的處理的基本原理是燃料靶材料的壓縮期間發(fā)生的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性(RTI) 的最小化。對于球形靶幾何結構，理想的壓縮波前是在直徑上完全對稱地減小的同心球面波。 在受控聚變反應的實用設備中，這是極難實現的。
重要的是在諸如波帶片的元件形式中的衍射光學技術也能用于校正波前。波帶片在光學 科學中是眾所周知的。光譜的軟X射線部分的延伸是簡單的并且已經有文獻報導過。
直接X射線驅動聚變與激光慣性約束聚變
聚變反應堆的設計者面對的挑戰(zhàn)是如何對聚變把實現相似的對稱壓縮。各種各樣的解決 方案已經形成了無數的反應堆幾何結構。這里的討論集中在將燃料芯塊用作聚變靶材料的特 定情況的系統。這種類型的系統稱為慣性約束("ICF")系統。對所有ICF系統共同的是將驅 動器能量作為聚合系列的合成同步能量束呈給靶。能量束的合成同步波前近似于扁平球面貝 殼。通常，使用的能量束越多，約束越好(或者越是球面形狀)。這可以在最成功的系統具有 最多數量的射束的激光驅動聚變的區(qū)域中最清楚地看到。諸如NOVA激光器的系統高達50 個射束。勞倫斯利弗摩爾實驗室(LLNL)的新國家點火裝置(NIF)具有192個同步射束， 并且具有遠比先前的系統(例如NOVA (LLNL)、 OMEGA (LLNL)和GEKKO (日本)) 好的約束。
ICF的基本原理描述如下 (1 )約束次數，
(2) 燃燒份額，以及
(3) 靶壓縮聚爆的需要。
典型的直接驅動ICF靶的聚爆過程大致分成三個階段初始階段、加速階段和減速階段。 (本發(fā)明利用直接驅動系統)。在初始階段，第一沖擊波在燃料芯塊中傳播，并且芯塊中的流 體主要通過該沖擊波加速。外(或者燒蝕)殼在第二階段向內燒蝕性地加速。然后，在減速 階段緩慢地壓縮燃料。在初始階段，由于激光照射不均勻性導致的初始特征隨著原始靶表面 的粗糙度引起靶表面上的微擾。在激波在燃料芯塊的內表面上爆發(fā)之前，這些微擾伴隨著波 紋激波傳輸(rippled shock propagation),并且還伴隨著故波稀疏波傳播(rippled rarefaction
14propagations主要由于第二 (加速)階段中的R-T不穩(wěn)定性導致的在外表面形成的微擾然 后被饋通到內表面上。(Nakai文獻)
在所提到的NIF裝置中，利用192個激光束來產生1.8兆焦耳的能量并消耗500太拉瓦 (TeraWatt)的電力，其中30千焦耳最終作為X射線轉換為耙燃料芯塊中的氘-氣燃料。當 點火并成功燃燒時，燃料可能產生大約比輸入能量多600到1,000倍的能量。這會產生幾乎 每平方厘米1,000太拉瓦的強烈的X射線通量。
NIF裝置內的大量射束使得激光照射具有比所提到的NOVA裝置更接近于均勻的X射線 場。然而，由于由激光束直接加熱的熱點(hot spot)和通過激光孔散失熱量的冷點的原因， 還會存在基本的不對稱性。因為點火依賴于對芯塊的平穩(wěn)的X射線照射，靶設計都側傾向于 通過適當的定位激光加熱的熱點、調節(jié)包含芯塊的黑體輻射空腔的精確長度并修正激光脈沖 強度來使X射線通量中的不對稱性減小到小于百分之一。與本發(fā)明的接觸X射線驅動系統相 反，黑體輻射空腔用于間接驅動系統。
假設激光驅動ICF的機制在于在黑體輻射空腔柱體壁處吸收光，其將激光轉換成軟X射 線。黑體輻射空腔由高原子序數材料(例如金)制成，其最大化X射線的產量。這些X射線 被迅速吸收，并通過設置成使輻射驅動熱波散射到黑體輻射空腔的壁中由所述壁重新發(fā)射。 大部分X射線最終流失到壁中， 一些流出激光入射孔，而其他的被黑體輻射空腔的中心處的 靶芯塊吸收并驅動其聚爆。通常耦合到芯塊的能量少于總能量的1/2,或者對于發(fā)電廠激光加 熱黑體輻射空腔來說大約為0.2。因此，與直接驅動相比，用于間接的耦合相對弱。(Rosen 文獻)
間接驅動在向芯塊耦合能量方面比直接驅動效率更低，因為要轉換成黑體輻射空腔內的 X射線。然而，間接驅動對射束強度中的變化和流體動力學不穩(wěn)定性的敏感性要差。直接驅 動靶和間接驅動靶的點火閾值大約相同。然而，計算的增益在直接驅動靶中大約為大于2的 系數。
X射線溫度的選擇對于聚爆和隨后的點火反應是至關重要的，因為它規(guī)定了形成芯塊外 部燒蝕層的材料，如果該層足夠平滑并且在X射線中均勻照射過，其燒蝕會以大約每秒400 公里的速度(大于光速的千分之一)向內有效地推進并造成開始聚變反應所需要的壓力和溫 度。(Haan文獻)
最小化瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的關鍵問題之一在于X射線通量與燒蝕體表面之間的相互作 用。在高通量下，材料的燒蝕也會帶走不斷增加的微擾。還可以通過使芯塊層盡可能的平滑 來最小化初始微擾。激光等離子體不穩(wěn)定性和流體力學不穩(wěn)定性對點火是互補的威脅，并且有意將靶設計成使這兩個威脅大致平衡。要求較高激光強度較高溫度惡化了激光等離子體不 穩(wěn)定性但最小化了流體力學不穩(wěn)定性。反過來，低溫最小化了激光等離子體不穩(wěn)定性但擴大 了流體力學不穩(wěn)定性。結果，設計者得出低和高X射線溫度邊界，對于特定情況的氘-氚燃料 為大約250電子伏特和350電子伏特，超出該邊界，則有效的聚爆和點火就很難獲得優(yōu)化條
件。其他燃料具有更高的能量要求。
由激光直接驅動的和由X射線驅動的聚爆的動力學之間的基本區(qū)別在于激光器以相對低 的電子密度n(其對應于該激光器的波長的臨界電子密度)吸收，而X射線以固態(tài)物質密度 被更深地吸收進靶內，當被X射線通量離子化時其處于非常高的電子密度。因此，即使激光 是1/3 mm的光，典型的X射線吸收區(qū)域具有幾乎大100倍的電子密度。
為了實現慣性約束足以實現熱核燃燒的條件，聚爆燃料芯塊在高密度和溫度下被壓縮。 在實驗室中，需要驅動器將能量傳給芯塊以實現聚爆。在實驗室中存在三種可考慮用于ICF 的驅動器
(1 )高功率激光器，
(2) 加速的重離子，以及
(3) 由脈沖動力機(pulsed power machine)生成的X射線。
我們將燒蝕速度限定為r Vabl 5dml。我們預期直接和間接驅動之間的Vabl存在滿階的 幅度差。通過整體上較好的耦合[階的卞(0.8)(0.1) = 8%而間接驅動為(0.2)(0.2) = 4%],直 接驅動比間接驅動在增益方面和更小的驅動器方面都具有優(yōu)勢，但它受到RT不穩(wěn)定性的挑 戰(zhàn)。(Barnes文獻)
壓力P按照11丁加1/312/3縮放。通過該縮放，我們預期直接驅動和間接驅動之間的壓力差 的系數大約為5，甚至在相等的能量通量時為1015W/cm2，在1/3 mm激光具有大約90 MB 的壓力，而X射線產生大約400MB的燒蝕區(qū)域壓力。利用較高的耦合效率耦合的直接X射 線驅動可獲得的高壓使其成為一種更可期望的備選。到目前為止直接X射線驅動還沒有被選 作大規(guī)模實驗的原因之一是不能獲得適當的驅動器。
為了實現ICF的條件，靶具有填充有氘氚(DT)氣體的低密度(^ 1 mg/cm3)等克分子 混合物的球形殼。球形殼由外部燒蝕體和凍結的或者液態(tài)的DT內部區(qū)域構成。來自驅動器 的能量被釋放給被加熱并膨脹的燒蝕體。當燒蝕體膨脹時，殼的其他部分被向內推動以使動 量守恒。芯塊表現為一個球形的、燒蝕驅動的火箭。當芯塊聚爆時，壓縮波加熱了中心區(qū)域。 電子傳導和輻射損耗則使中心區(qū)域致冷。需要30-40:1的燃料聚焦率和10 KeV的中心燃料 溫度，使得從DT的熱核燃燒沉積的a粒子能夠克服傳導和輻射損耗，并且能夠生成自保持
16燃燒波。
不對稱的聚爆會使可用的能量更少地被壓縮。假設可用的能量是這樣的在峰值燃料壓 縮處可容許對稱性上的25%的偏差，則對稱性上小于1。/。的偏差在預壓縮芯塊中是可以接受
的。(Barnes文獻)
前述討論解釋了靶聚爆物理學的動力學、直接驅動和間接驅動方案的相對效率和權衡以 及瑞利-泰勒流體力學不穩(wěn)定性(RTI)的影響。先前的工作集中在提高激光照射的均勻性上， 以最小化RTI的影響。我們注意到， 一旦點燃料芯塊被點火，直接驅動和間接驅動聚變系統 之間就沒有區(qū)別了。
由于激光器是最普遍的高能驅動源，它們已經是大多數研究的焦點。已經使用了重離子 束，但這些系統有效性比激光驅動系統差。已經利用X射線驅動完成了少量工作。這大部分 是用Z箍縮(Z- pinch)或者等離子體聚焦驅動器實現的。這些系統中的任何一個都證明了 實際上直接驅動的X射線聚變過程的可靠性或者效率。
美國專利4,723,263的受激X射線發(fā)射器(SXE )是唯一適于解決驅動器和RTI問題的。 該系統有效地縮放為驅動聚變反應需要的尺寸。如果我們取NIF值為30千焦耳的X射線通 量作為驅動聚變反應必須的值，則我們能夠相應地縮放SXE系統。
如果我們使用6個驅動器，則各驅動器僅需要產生5千焦耳。12個驅動器縮放為2.5千 焦耳能量，而20個驅動器縮放為1.5千焦耳能量。下面示出了產生(例如)2.5千焦耳能量 的SEX驅動器需要滿足的條件。
早期對SXE的研究表明其轉換效率為10%。因此，要實現2.5千焦耳的輸出，需要每個 驅動器具有25千焦耳的DC輸入。假設我們以500KV運行一英尺(30.48 cm )直徑的SXE， 我們獲得驅動器的每縱尺大約3.5千焦耳的能量。還假設我們需要20納秒的X射線脈沖； 這意味著需要20英尺長的SXE ( 6.1米長)。因此20英尺長的(6.1米長)SXE能夠具有7 千焦耳的X射線輸出。因此，該驅動器實際上可以用于6驅動器配置中。使用20英尺的驅 動器得到3，600平方英尺(335平方米)的密集型系統"腳印(footprint)"，并占據邊長60 英尺的立方體(216,000立方英尺或者6,116立方米)。這種系統足夠的密集，可以用于海事 應用，例如在航空母艦或者其他主要的海軍艦艇中，或者專用的水上發(fā)電站中。
除了要考慮到RTI問題，這是非常有吸引力的。SXE在其輸出脈沖中產生微小的平面波 前。在6驅動器配置中，明顯的是RTI可能會導致不能進行成功的反應。
然后，如果我們原意接受較小的效率損失，可以將切趾濾波器引入X射線束，如上面結 合圖6所討論的。如這里所使用的，"切趾濾波器"是指具有中心比邊緣更密集的透射剖面的
17準光學元件，具有 一 些從邊緣到中心再到邊緣的受控關注功能(controlled attention function )。這將是相當于光帶激光器通常使用以控制波前形狀的切趾濾波器的X射線。SXE 的濾波器將被用來產生凹入的波前。通過提高壓縮波前的均勻性，凹入的波前的對稱組件對 抑制RTI非常有益。在配置中使用多于6個驅動器(例如12、 14、 20個或者更多的驅動器) 提供了提高壓縮波前的均勻性的潛能。利用切趾濾波器的優(yōu)點在于最小化了所需要的驅動器 的數量，這降低了系統的總成本和復雜性并提高了系統的可靠性。
這個概念也可以擴展到光驅動聚變系統中。然而，即使有直接X射線驅動的這些優(yōu)點， 特別是在考慮到快速反應類型的過程時，在確定要提高性能的同時X射線驅動的優(yōu)點否定了 光驅動系統中的使用。
盡管利用可變密度體作為切趾濾波器被認為是優(yōu)選的實施方式，但注意到，可以利用衍 射光學技術來構造用于軟X射線帶的切趾濾波器。衍射光學的典型形式是波帶片。該器件利 用菲涅耳波帶(Fresnel zones)來修改波前。目前這種衍射濾波器比可變密度型切趾濾波器 更難以制造。
SXE的能量存儲增強
圖7示出了利用直接集成到其結構中的能量存儲電容器70來增強的SXE的立體圖。與 受控聚變反應相關的最難的問題之一是在非常短的時間內使足夠多的能量進入反應中。必需 將30千焦耳的X射線量級的能量在幾納秒內傳送進入靶中。假設電流以光速或者接近光速 (等于接近每納秒一英尺(30.48 cm ))傳播，并且這樣做的時間只有幾納秒，顯然能量存儲 裝置必需接近于能量傳送的裝置。
在圖4的SXE驅動器12的設計中的問題，通過如圖7所示向SXE的外表面添加同軸 電容器而得以解決。SXE的外表面是陰極68的外表面，因此它提供了一個非常大的低感應 系數的連接手段。該電容器的全部內表面以相似的電接觸方式連接到陰極。然后電容器纏繞 在SXE上，直到它具有合適的直徑，以提供存儲反應需要的能量所需要的電容。
應當注意，陰極-柵極的極間空間是電容器本身，并存儲相當多的能量。三英寸(75mm) 直徑結構存儲每英尺(30.48 cm)大約200皮法拉(picofarad )。如果在500,000伏特下運 行，兩英尺(61 cm )直徑的裝置存儲每英尺(30.48 cm1.6納法拉(nanofarad ),并且在陰 極-柵極的極間空間存儲大約4千焦耳。因此，同軸電容器只需要添加一千焦耳以滿足聚變反 應的要求。將該增強的存儲裝置包括在本發(fā)明的優(yōu)選形式中的原因是為了進行大規(guī)模的商業(yè) 發(fā)電。如果計劃進行"快速聚變"反應，它也可以使用較短的能量驅動器12。在X射線脈沖寬度和能量上的權衡顯示了該增強的可能需求。 電子耦合變壓器
圖8示出了電子耦合變壓器的截面圖。電子耦合變壓器(ECT, Electron Coupled Transformer )是SXE衍生出的新型電子管。ECT是脈沖放大裝置。它利用了與SXE相同 類型的電子槍(即，陰極68和柵極66 )。區(qū)別在于陽極64的設計和安裝上。
在SXE中，陽極總是空的，并且填充有激光物質。輸入端(圖8的左下)總是連接到地。 本發(fā)明的發(fā)明人認識到基本SXE結構與一類稱為"線性加法器變壓器(Linear Adder Transformer)"的高速變壓器非常相似。在這些裝置中，次級線圈是一端連接到地而另一端 作為高電壓輸出端子的"管(stalk)"。 一系列的螺旋管形(Toroidal)次級線圈堆疊在該管上。 這些順次脈沖，使得脈沖之間的時間等于脈沖沿著該管的傳播時間。各次級線圏脈沖都加入 次級線圈中的能量(電壓)。
磁線性加法器變壓器的缺點在于螺旋管形主線圏會進入飽和狀態(tài)并且如果用太大的脈沖 驅動它們會使場衰減。這限制了從這種類型的變壓器提取能量的量。
本發(fā)明的發(fā)明人認識到線性加法器變壓器與SXE之間存在極大的相似性。二者都結合了 "管"。兩者都使用了順次驅動機制，但SXE由于其冷陰極的大電流處理能力具有大得多的電 流處理能力。在早期的SXE實驗中，陽極的兩端都接地，因此不能看到高電壓。2006年后 期進行了一次實驗，其中一個版本的SXE構造成只有一端接地，而使另一端高度絕緣。在該 測試中使用了固態(tài)陽極64 (圖8)。將脈沖輸入陰極并測量陽極輸出。線性加法器變壓器與 ECT之間的最終區(qū)別在于在線性加法器變壓器中，主線圈是單獨的截然不同的實體。結果， 得到的脈沖具有"樓梯(staircase)"前緣。ECT在其優(yōu)選實施方式中具有連續(xù)的主線圈(陰 極)，因而對其脈沖具有平滑的前緣。由于沒有磁芯，ECT比線性加法器輕得多。100KV 100KA ECT重量小于200磅(90.7千克)。
圖9示出了前述測試的結果。輸入脈沖86和輸出脈沖84用同樣的分壓器在高速振蕩器 (Oscillator )上測量。輸出脈沖比輸入脈沖大數倍，因此證實了 ECT的操作概念。
ECT的巨大能量處理能力給予了電源設計的一些選擇。基本的選擇是
用于各驅動器12 (無論使用多少個)的單個獨立電源34、 38 (圖3),利用各電源中的 高精度時延發(fā)生器使各驅動器同步。
兩個大電源34、 38 (圖3),驅動器12總數的每一半各用一個，利用一個單個時延發(fā)生 器使這兩側同步。通過類似于相位匹配網絡134、 136 (圖5A-5C)的網絡分配高電壓，其中，控制傳輸 線36的長度以確保驅動器12的同步。
用于驅動整個系統的單個大電源34、 38。通過類似于相位匹配網絡134、 136(圖5A-5C) 的網絡分配高電壓，其中，控制傳輸線36的長度以確保驅動器12的同步。
盡管理論上是可能的，但上述笫3項的設計就幾何結構和安全原因來說是不實用的。高 壓傳輸線36 (圖3)將會非常長，并且會存在電弧放電的風險。
上述第2項的設計更實用一些，但仍然有較長的傳輸線36 (圖3)。然而，它確實有減 小的系統復雜性并因此有較高的可靠性的優(yōu)點。ECT42和脈沖調制器38設計會處理通過該 設計所強加的負載。
上述第1項的設計是最復雜的，但在某些方面來說是最容易實現的。用于各驅動器12 的單個電源34、 38將會具有"適中的尺寸"。非常好的是從電源34、 38到驅動器12的高壓 傳輸線36將會極其短。各電源34、 38需要通過其自己的時延發(fā)生器來控制，并且存在必需 的調節(jié)處理，使所有驅動器12在時間上同步。
注意到，也可以通過機械手段使各驅動器12同步。這樣，高壓輸入線36的物理長度可 以進行小量(調小數英寸或毫米)調節(jié)以實現各驅動器12的時間同步。
再參考圖8,可以看到ECT在形式上幾乎與SXE (圖4)相同，但尺寸、陽極和輸出是 不同的。在優(yōu)選實施方式中，ECT被包裝在玻璃真空封套76內。在輸出端存在堅固的高壓 絕緣體80,其提供了與外界的恒定的電阻抗連接。柵極和陰極信號分別通過饋通74和72 饋入。整個裝置包裝在鉛輻射屏78中以容納形成的橫向輻射場。屏78的厚度是陰極電壓的 函數，并且通過傳統的手段來計算以確定輻射的安全屏蔽。
注意到，在帶有ECT的"能量存儲增強的SXE"中利用上述同軸電容器能量增強方案既是 可能的也是實用的。這會是一種便利方法，使得附加能量對于極高功率應用的ECT是可用的。
組合SXE和RF能量驅動器
圖10示出了組合了 RF生成裝置的SXE,而圖11示出了 RF生成裝置。具體地，通常 稱為虛陰極振蕩器(Vircator: Virtual Cathode Osc川ator )的單獨的管子安裝到圖11中的 SXE的輸出(所示的右端)端上。在該配置中，利用電子耦合變壓器(ECT)原理來使用由 SXE處理產生的高壓脈沖，并將其直接應用到虛陰極振蕩器的陰極90上。虛陰極振蕩器本 體形成了當陰極點燃時會振蕩的共振腔98 。柵極92控制虛陰極振蕩器的點火。從SXE的柵 極的輸出端子142獲得控制信號，該端子位于遠離相位匹配網絡的相對端。作為SXE的柵極的行波作用的結果，將觸發(fā)脈沖順次應用于虛陰極振蕩器。陰極和柵極在其中心包含X射 線脈沖傳播通過的孔徑。
前述系統的新穎性在于，它組合了兩種鮮為人知的技術，即，直接X射線驅動和RF加
熱，以便實現提高的系統效率。這個概念是實用的，因為SXE會產生高壓直流脈沖，不管是 否使用它。然而，如果沒有應用RF加熱器，然后SXE的輸出接地，并且不產生高壓直流電 脈沖。然后電能使系統處于地回路中的電流脈沖的形式。但是，因為HVDC脈沖是可用的， 利用它是有意思的，特別是因為利用它對X射線輸出沒有影響。
圖11示出了虛陰極振蕩器RF頭的截面圖?；驹顷帢O90、柵極92、網格陽極(mesh anode) 94、共振腔98以及輸出窗96。驅動脈沖直接來自SXE 12的陽極，其通過陰才及饋 通102直接附接到虛陰極振蕩器陰極上。虛陰極振蕩器通過來自SXE柵極142的輸出信號 觸發(fā)。當觸發(fā)了虛陰極振蕩器時，通過共振腔98中的振蕩形成RF能量脈沖串。該能量具有 由腔98的尺寸確定的語分布。通常，該能量在200 MHz與2.5 GHz之間。該能量通過輸出 窗96從虛陰極振蕩器輸出，并進入靶室10。虛陰極振蕩器是能夠集成到SXE 12以提高系 統工作性能的一種RF源。虛陰極振蕩器的陰極90在其中心具有孔徑93, X射線脈沖通過 該孔徑93從SXE傳遞到靶室10中。
圖12示出了在SXE的輸出(所示的右端)端組合了磁絕緣線性振蕩器(MILO: Magnetically Insulated Linear Oscillator )的SXE的截面圖。MILO是另 一種熟知的高功率 RF源，類似于虛陰極振蕩器。顯著差別在于它能夠比虛陰極振蕩器產生高得多的頻率。在結 構上，主要區(qū)別在于結合了圖14A的漂移管122以及替代虛陰極振蕩器的平面陰極90和柵 極92而使用了行波電子槍(TWEG)。還有共振腔98，其尺寸與漂移管122 (圖14A)的尺 寸一起確定輸出范圍。傳統的MILO裝置具有300 MHz到3.5 GHz之間的輸出。本發(fā)明的發(fā) 明人已經在實驗上驗證了通過將柵格表面置于漂移管122 (圖14A)的內部面上，如圖14B 所示，可以產生比從滑膛漂移管122獲得頻率高得多的RF。該RF源是由史密斯-珀塞爾 (Smith-Purcell)效應造成的，該效應描述了相對論電子束與柵格表面123的相互作為。太 赫茲(THz)的輸出是可能的。該柵格表面可以由許多方法形成。間隔、面角和柵格幾何結 構對于實現的頻率都是決定性的(圖14B)。已經確定漂移管柵格的優(yōu)選實施方式是內螺紋， 如圖14A和14B所示。通過改變螺紋參數來改變輸出頻率。漂移管125的端部被切成圓角 以最小化共振腔98內部不需要的電場微擾的形成。
SXE-MILO驅動器的平衡與SXE-Vircator相同。實際上，RF頭-Vircator和MILO -可 以相互交換。由于在SXE-Vircator的情況下，MILO的TWEG具有X射線穿過的空的中心。從TWEG輸出的電子被漂移管122壓縮，并在共振腔98中振蕩。
聚變發(fā)電系統效率
基于SXE的聚變發(fā)電系統具有比所有其他聚變發(fā)電系統高得多的效率。這是由于兩個因
素
(1 )直接X射線驅動比任何間接方法內在地更有效。 (2)多種方式的能量4是取。
讓我們考慮什么是聚變過程的基本效率決定因素。我們首先考慮啟動聚變反應需要的能 量的量。 假設
W=輸入到驅動器的功率，(NIF = 400太瓦；SXE = 50兆瓦)
X=產生X射線需要的能量(NIF=I.5兆焦耳，SXE=50千焦耳)
Y=驅動反應需要的X射線的量(25千焦耳；各種情況下)
Z-聚變的總能量輸出，(輸入能量的1000倍；各種情況下)
T=反應燃燒時間(5赫茲重復頻率=200毫秒；各種情況下)
我們現在可以做出以下陳述X>Y，并且對于一個實用的系統，Z X
在NIF的情況下，乂=1.5兆焦耳，而丫 = 25千焦耳(對于D-T反應)。根據研究者，在
NIF處，燃料芯塊的完全燃燒將產生"輸入它[靶]的能量量的600倍到1000倍之間的能量" (Haan參考文獻)。Haan博士沒有告訴我們他是否指的是激光功率輸入或者X射線輸入。
如果他指的是1.5兆焦耳的激光功率輸入，這將與1.5吉焦耳(GigaJoule)有爭議，如果他
指的是X射線輸入，則25千焦耳輸入將產生25兆焦耳的輸出。
NIF基本設計要求芯塊注入速率為5芯塊每秒，因此假定等離子體有效壽命是200毫秒
是合理的。
NIF系統要求大約400太瓦的功能(4X10"瓦)來實現該目標。如果我們使用25千焦 耳的實際X射線輸入，輸出為25兆焦耳，輸出值乘以燃燒時間等于5兆瓦。消耗400太瓦 產生5兆瓦輸出的系統具有0.00015%的效率。如果我們要將作為倍增器的激光器的輸入功 率用來替代X射線輸入功率，輸出將只僅僅大約為250吉瓦。在任何情況下，當與巨大的輸 入功率要求(400太瓦)相比時，很清楚的是，NIF只是該處理中的一步，而不是應當實現 無損耗狀況的系統。
現在讓我們來考慮基于SXE的利用了與上述分析的NIF同樣的D-T反應以及燃料芯塊
22的系統。我們先前示出了 D-T聚變反應產生200毫秒時間的每芯塊2.5x 108瓦(250吉瓦) 的能量。SXE驅動系統將消耗25兆焦耳，以200毫秒時間被算出是(2.5 x 108) x (2 x 1CT1)= 5x107瓦或者500兆瓦。
消耗500兆瓦產生同樣的250吉瓦的系統的效率為500 % (輸出/輸入=效率)。我們將 蘭金循環(huán)損耗考慮進來并產生250。/。的效率。
前述計算沒有考慮本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的最重要的特性之一同時使用直接提取高壓 直流電力以運行SXE驅動器(其運行于高壓直流電)。直接提取處理已經證實了大約85%的 效率。這意味著從熱輸出中抽取500兆瓦的15% (75兆瓦)，留下249吉瓦以上可以輸出給 功率柵極。該特性使得海事應用的SXE系統針的應用成為實際，因為該系統的尺寸足夠小， 以允許結合于具有100英尺(30.5米)或者更長的船梁的任何船只上。該分析還表明本申請 中描述的基本設計系統不只是能夠超越無損耗條件。
替代能量驅動器
本發(fā)明不限于將SXE及其衍生物用作X射線源，以提供啟動聚變反應的能量。現有技 術中存在一種稱為等離子體聚焦裝置(Plasma Focus device)的裝置。這是具有與SXE結 構不同的電子管。它能夠產生直接驅動聚變應用的能量級的強X射線脈沖串。它有幾個不利 的方面，使得它不如SXE用作聚變驅動器。
等離子體聚焦不產生SXE會產生的X射線準直射束。這是不理想的，因為需要將能量 聚焦在靶上。SXE產生恰當直徑的準直射束。等離子體聚焦需要二維上呈曲面的離軸反射器。 該反射器可以用于使射束準直或者使其集中在靶芯塊上。射束質量是這樣的，它需要利用本 發(fā)明的優(yōu)選實施方式的切趾濾波器將波前校正為有用的形狀。
等離子體聚焦不產生如SXE會產生的同時產生的高壓直流輸出脈沖。這是一個缺點，因 為它意味著外部加熱或者壓縮技術需要獨立的電源，并且會嚴重降低聚變反應堆的效率。(Gai 文獻)
附圖標號
附圖標號的以下列表有三列。第一列是附圖標號；第二列具體指明與附圖標號相關聯的 部件；而第三列指出該部件的優(yōu)選材料(如有)。
標號列表 優(yōu)選材料 10 靶室 不銹鋼
2312SXE的X射線驅動器(6處)各種各樣
14能量提取錐(6處)各種各樣
16把芯塊注入器各種各樣
18熱冷卻劑入口不銹鋼
20熱冷卻劑出口不銹鋼
22把芯塊位置無
24冷卻劑通路道層無
28襯墊耐熔金屬
30磁約束線圈銅
32,茲約束驅動無
34脈沖調制器電子裝置
36連接到SXE驅動器的高壓直流電子裝置
38能量存儲及電力調節(jié)電子裝置
40啟動及補償電力電子裝置
42電子耦合變壓器各種各樣
44高壓直流電源電子裝置
46直流提取裝置柵極耐熔金屬
48'能量存儲的高壓直流循環(huán)無
56平面波X射線
58切趾濾波器各種低z材料
60校正的波前x射線
62衰減行波電子
64陽極耐熔金屬；高Z材料(
66柵極耐熔金屬
68陰極石墨(優(yōu)選實施方式)
70同軸電容器電介質/金屬層
72陰極饋通陶瓷和金屬
74柵極饋通陶瓷和金屬
76玻璃真空封套玻璃(陶瓷、不銹鋼)
78輻射屏鉛80陽極輸出絕緣體陶瓷
84ECT輸入波形無
86ECT輸出波形無
90虛陰極振蕩器陰極石墨
92虛陰極振蕩器柵極耐熔金屬
93虛陰極振蕩器陰極中的孔徑無
94陽才及網+各耐熔金屬
96輸出窗RF透明低Z陶瓷
98共振腔不纟秀鋼或銅
■安裝法蘭不銹鋼
102陰極饋通陶瓷和金屬
104陰極支撐件耐熔金屬
106柵極饋通陶瓷和金屬
108柵極支撐件耐熔金屬
110吸氣泵無
112吸氣泵々貴通陶瓷和金屬
114MILO陰才及石墨
116MILO陰極支撐件耐熔金屬
118MILO柵極耐熔金屬
120MILO柵極支撐件耐熔金屬
122漂移管耐熔金屬
124漂移管支撐件陶瓷
125漂移管的切成圓角的端部耐熔材料
126內部陽極絕緣體陶瓷
128柵極絕緣體陶瓷
130上柵極支撐環(huán)不銹鋼
132下柵極支撐環(huán)不銹鋼
134相位匹配網絡線不銹鋼
136相位匹配網絡連接器不銹鋼
138內部陽極絕緣體陶瓷140相位匹配網絡端絕緣體陶瓷
1424冊極輸出端子耐熔金屬
144連到柵極饋通的線陶瓷和金屬
146柵極張力彈簧不銹鋼
148墊圏不銹鋼
150六角螺母不銹鋼
152相位匹配網絡絕緣體陶瓷
參考文獻
以下參考文獻在說明書中以簡化形式進行了引用。例如，對于作者"Nakai"的簡化文獻引 用成以下形式(Nakai文獻)。
"On Target Designing for Ignition", Steven Haan， Lawrence Uvermore, Science & Technology Review, July/August, 1999
"The Physics Issues That Determine lnertial Confinement Fusion Target Gain and Driver Requirements: A Tutorial", Mordecai D. Rosen, Lawrence Uvermore National Laboratory, Uvermore, California 94550 12 November 1998, Physics of Plasmas, Vol. 6， No. 5.
"Convergent Hydrodynamics of lnertial Confinement Fusion Implosions", C. W. Barnes, l_l_NI_ Physics Division 132 Progress Report 1997-1998
"Fundamental Experiments on Hydrodynamic Instability in Direct Drive Laser Fusion at Gekko XII", M. Nakai, Institute of Laser Engineering, University of Osaka, Japan.
"Production of Fast Neutron with a Plasma Focus Device", Moshe Gai, Laboratory for Nuclear Science at Avery Point, University of Connecticut, 5 May 2006
前面描述了既提取高壓直流能量又提取熱能的聚變發(fā)電系統。在一個實施方式中，提取
的高壓直流能量能夠用作維持受控聚變反應的能量源?？梢岳们兄簽V波器對到達燃料芯塊 的驅動能量波前進行整形來實現將驅動能量集中到靶芯塊上的高流體力學穩(wěn)定性。
盡管通過例示的方式針對具體實施方式
對本發(fā)明進行了描迷，但對于本領域的技術人員 來說可以做出許多修改和變更。因此，應當理解，所附權利要求
是要覆蓋落入本發(fā)明的真正 范圍和精神內的所有這樣的修改和變更。
權利要求
1、一種用于從受控聚變反應提取能量的系統，該系統包括
a)用于容納聚變靶材料的中央靶室；
b)多個能量驅動器，其設置在所述靶室的周圍，以便向所述靶室中的聚變靶材料提供能量，以啟動所述材料的受控聚變反應，使得以聚變等離子體和熱量的形式釋放能量；
c)用于從所述聚變反應提取能量的多個裝置，包括
i)從所述聚變等離子體提取高壓直流電力的裝置；以及
ii)從所述中央靶室提取熱能的裝置。
2、 根據權利要求
1所述的系統，其中，所述多個能量驅動器中的各個能量驅動器都產生 X射線脈沖，用于使所述聚變靶材料進行所述受控聚變反應。
3、 根據權利要求
1所述的系統，其中，所述多個能量驅動器中的各個能量驅動器都包括 一體裝置，所述一體裝置產生以下兩者a) X射線脈沖，用于使所述聚變靶材料進行所述受控聚變反應以便產生聚變等離子體和 熱量形式的能量釋放；以及b) 加熱所述聚變靶材料的RF能量。
4、 根據權利要求
2所述的系統，該系統還包括切趾結構，其與所述多個能量驅動器中的 各個驅動器相關聯，用于使所述X射線脈沖的波前整形為從所述聚變把材料看去是凹入的。
5、 根據權利要求
3所述的系統，該系統還包括切趾結構，其與所述多個能量驅動器中的 各個驅動器相關聯，用于使所述X射線脈沖的波前整形為從所述聚變靶材料看去是凹入的。
6、 根據權利要求
1、 2、 3或4所述的系統，其中，所述多個能量驅動器通過能量存儲 裝置供電；所述能量存儲裝置從以下各處接收電力a) 提供啟動電力和補充電力的第一電源；以及b) 通過從所述聚變等離子體提取的高壓直流電力獲得能量的第二電源；其中，所述啟動電力是啟動所述聚變反應需要的總能量，而所述補充電力是為維持所述 聚變反應的操作而從所述第二電源添加的能量。
7、 根據權利要求
1、 2、 3、 4或5所述的系統，其中，所述多個能量驅動器中的各個能 量驅動器都利用以下各項中的任何一種或者其組合構成的X射線源氣體氧、氮、氖、氬、 氪、氡、鉍、、汞和鈾。
8、 根據權利要求
1、 2、 3、 4或5所述的系統，其中，所述多個能量驅動器中的各個能量驅動器都具有大約200電子伏特到100千電子伏特之間的X射線驅動能量。
9、 根據權利要求
1、 2、 3、 4或5所述的系統，其中，所述多個能量驅動器中的各個能 之間的任何元素。
10、 根據權利要求
1所述的系統，其中，所述多個能量驅動器中的各個能量驅動器都包 括具有柱形三極電子管的X射線源，所述電子管具有沿著其主軸的空心陽極以及徑向上與所 述陽極隔開的柵極和陰極，所述X射線源被設計成使得所述柵極和所述陰極之間的關系形成 支持橫電模式的圓形波導管；所述各能量驅動器設計成a )所述陰極和柵極形成產生徑向上對稱的衰減行波的行波電子槍，所述衰減行波沿著所 述各能量驅動器的直線軸以光速傳播并且處于橫電模式；b) 徑向上對稱的衰減行波以光速沿所述陽極掃過，并且具有足夠的能量，使得電子穿透 所述陽極的壁并形成韌致輻射和電子帶，所述帶以光速沿著所述陽極的內部中空的空間如同 波前一樣掃過；所述陽極的內部空間填充有激光介質，所述激光介質被掃過的韌致輻射和電 子帶波前完全離子化；以及c) 所述掃過的韌致輻射和電子帶波前的能量通過所述陰極的分布式極間電容中包含的能 量泵出或者來自分布式極間電容和柵極中包含的所述能量以及來自外部能量存儲裝置。
11、 根據權利要求
10所述的系統，其中，所述外部能量存儲裝置包括同心纏繞在所述陰 極的外表面上的同軸電容器。
12、 根據權利要求
10所述的系統，其中，所述掃過的韌致輻射和電子帶波前的能量通 過所述陰極的分布式極間電容中包含的能量以線性形式泵浦或者來自分布式極間電容和柵極 中包含的所述能量以及來自外部能量存儲裝置。
13、 根據權利要求
10所述的系統，其中a)所述X射線源還在所述陽極的輸出端產生高壓脈沖；以及b )所述高壓脈沖用于通過RF生成裝置產生RF脈沖，所述RF生成裝置包括共振腔和 附接到所述X射線源的陽極的輸出端的電子槍，以便產生與所述X射線脈沖一致的相位相干 的RF能量脈沖串。
14、 根據權利要求
6所述的系統，其中，所述第一電源利用電子耦合變壓器產生與所述 第二電源產生的電力兼容的高壓脈沖，并加到所述第二電源產生的電力中。
15、 根據權利要求
14所述的系統，其中，所述電子耦合變壓器包括a)柱形三極管電子管，所述電子管具有沿著其主軸的實心陽極以及徑向上與所述陽極隔開的柵極和陰極，所述電子耦合變壓器被設計成在所述輸出端子測量的電壓根據所述掃過的 電子束上升；其中i) 所述陰極和柵極形成產生徑向上對稱的衰減行波的行波電子槍，所述衰減行波沿著所 述各能量驅動器的直線軸以光速傳播并且處于橫電模式；ii) 徑向上對稱的衰減行波以光速沿所述陽極掃過，并且具有足夠的能量，使得電子穿透 所述陽極的壁并形成韌致輻射和電子帶，所述帶以光速沿著所述陽極如同波前一樣掃過；b )所述陰極和柵極形成產生徑向上對稱的衰減行波的行波電子槍，所述衰減行波沿著所 述結構的直線軸以光速傳播并且處于橫電模式；c)徑向上對稱的衰減行波以光速沿所述陽極掃過，并且將其能量蓄存在所述陽極上；以及d )所述電子耦合變壓器的能量通過所述陰極的分布式極間電容中包含的能量泵出或者來 自分布式極間電容和柵極中包含的所述能量以及來自外部能量存儲裝置。
16、 根據權利要求
15所述的系統，其中，所述外部能量裝置包括同心纏繞在所述陰極 的外表面上的同軸電容器。
17、 根據權利要求
15所述的系統，其中，所述電子耦合變壓器的能量通過所述陰極的 分布式極間電容中包含的能量以線性形式泵出或者來自分布式極間電容和柵極中包含的所述 能量以及來自外部能量存儲裝置。
18、 根據權利要求
10所述的系統，其中，所述多個能量驅動器的各驅動器的RF生成裝 置包括在所述電子槍的陰極中具有中心孔徑的虛陰極振蕩器，所述中心孔徑使得X射線脈沖 能夠穿過前述陰極。
19、 根據權利要求
10所述的系統，其中，所述多個能量驅動器的各驅動器的RF生成裝 置結合了形成了在所述電子槍的陰極中具有中心孔徑的磁絕緣線性振蕩器的漂移管，所述中 心孔徑使得X射線脈沖能夠穿過前述陰極。
20、 才艮據權利要求
17或19所述的系統，其中，所述RF生成裝置在通過所述能量驅動 器的內部互聯元件啟動所述X射線脈沖以后自動順序觸發(fā)。
21、 根據權利要求
19所述的系統，其中a)所述漂移管在所述管的內表面上具有周期性的柵格幾何結構； b )所述柵格幾何結構的周期和形狀以及所述入射電子束的能量決定所述磁絕緣線性振蕩 器的RF輸出頻譜；以及c)所述電子束的能量大于100,000電子伏特。
22、 根據權利要求
20所述的系統，其中a) 所述漂移管在所述管的內表面上具有周期性的柵格幾何結構；b) 所述柵格幾何結構的周期和形狀以及入射電子束的能量決定所述磁絕緣線性振蕩器的RF輸出頻譜；以及c) 所述電子束的能量大于100,000電子伏特。
23、 一種用于從受控聚變反應提取能量的方法，該方法包括a) 提供用于容納聚變靶材料的中央耙室；b) 設置多個能量驅動器在所述靶室周圍，以便向所述靶室中的聚變靶材料提供能量，以啟動所述材料的受控聚變反應，使得以聚變等離子體和熱量的形式釋放能量；c) 提供用于從所述聚變反應提取能量的多個裝置，包括i) 提供從所述聚變等離子體提取高壓直流電力的裝置；以及ii) 提供從所述中央靶室提取熱能的裝置。
24、 根據權利要求
23所述的方法，其中a) 所述多個能量驅動器中的各個能量驅動器都產生X射線脈沖，用于使所述聚變靶材料進行所述受控聚變反應；以及b) 所述方法還包括通過切趾結構使所述X射線脈沖的波前整形為從所述聚變靶材料看去是凹入的。
25、 一種用于生成高壓脈沖的電子耦合變壓器，該電子耦合變壓器包括a) 柱形三極電子管，所述電子管具有沿著其主軸的實心陽極以及徑向上與所述陽極隔開的柵極和陰極，所述電子耦合變壓器被設計成在所述輸出端子測量的電壓根據所述掃過的電子束上升；其中i)所述陰極和柵極形成產生徑向上對稱的衰減行波的行波電子槍，所述衰減行波沿著所述各能量驅動器的直線軸以光速傳播并且處于橫電模式；b) 徑向上對稱的衰減行波以光速沿所述陽極掃過，并且具有足夠的能量，使得電子穿透所述陽極的壁并形成韌致輻射和電子帶，所述帶以光速沿著所述陽極如同波前一樣掃過；b )所述陰極和柵極形成產生徑向上對稱的衰減行波的行波電子槍，所述衰減行波沿著所述結構的直線軸以光速傳#"并且處于^f黃電;f莫式；c) 徑向上對稱的衰減行波以光速沿所述陽極掃過，并且將其能量蓄存在所述陽極上；以及d )所述電子耦合變壓器的能量通過所述陰極的分布式極間電容中包含的能量泵出或者來自分布式極間電容和柵極中包含的所述能量以及來自外部能量存儲裝置。
26、 根據權利要求
25所述的系統，其中，所述外部能量裝置包括同心纏繞在所述陰極的外表面上的同軸電容器。
27、 根據權利要求
25所述的系統，其中，所述掃過的波前的能量通過所述陰極的分布式極間電容中包含的能量以線性形式泵出或者來自分布式極間電容和柵極中包含的所述能量以及來自外部能量存儲裝置。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于從受控聚變反應提取能量的系統。該系統包括用于容納聚變靶材料的中央靶室。在所述靶室周圍設置了多個能量驅動器，以便向靶室中的聚變靶材料提供能量，以啟動該材料的受控聚變反應，使得以聚變等離子體和熱量的形式釋放能量。提供了用于從所述聚變反應提取能量的多個結構，并且包括從所述聚變等離子體提取高壓直流電力的裝置；以及從所述中央靶室提取熱能的裝置?？梢酝ㄟ^從所述聚變反應提取的高壓直流電力向能量驅動器提供電力。能量驅動器可以利用切趾濾波器向用于引起聚變反應的驅動能量的波前提供期望形狀，以避免流體動力學不穩(wěn)定性。
文檔編號G21B1/00GKCN101496111SQ200780028128
公開日2009年7月29日 申請日期2007年5月30日
發(fā)明者柯蒂斯·比恩巴赫 申請人:柯蒂斯·比恩巴赫導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan