受控聚变反应方法及系统的制作方法

专利名称:受控聚变反应方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及从受控聚变反应中提取能量的方法和系统。
技术背景
广泛认识到的是受控聚变提供洁净而又充足的能源。然而，尽管投入了上亿美元，但在 引起有效的自持聚变反应方面仅取得了有限的成功。所有先前的方法都受到了三个主要因素 的限制
(a) 仅利用了单个的能量提取装置。
(b) 大量工作已经集中在了间接驱动反应上，尤其是利用大型激光器作为驱动器，而不 是集中于直接驱动X射线驱动反应上。
(c) 流体力学不稳定性是严重问题。这会在靶芯块压缩不够均匀时发生。它引起局部热 量不均匀，反过来该不均匀又引起局部冷却。这导致燃料的不对称燃烧。
可以通过两种主要方式来从聚变反应提取能量热方式和电方式。热提耳又是几乎每个电 力厂里所用的朗肯热循环的直接应用。在该处理中，冷却剂被加热，被加热的冷却剂用于转 动涡轮机，而涡轮机用于转动发电机。该处理具有55。/。的标称效率。
直接从熔融等离子体提取电力是可能也是实用的。这已经得到多次证实，并且其是具有 大约85。/。的效率的处理。该技术相对于现有技术的聚变发电系统的缺点在于它产生了高压直 流电(DC)。高压直流电难以处理，并且更重要的是，其不适于长距离电力传输和配电。它 不能像交流电(AC)那样能够容易或者有效地转换。
流体力学不稳定性是每个聚变发电系统的设计者所面对的主要问题。正式上称为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylo)不稳定性，它由燃料芯块的不均匀压缩引起。压缩上超过1%的不均 匀度导致能量向外涌出并使靶芯块局部致冷的"喷射"形式。当前的激光驱动聚变系统利用多 个射束(相当于一个系统中192个)以试图对燃料芯块提供足够均匀的压缩。
期望提供一种从受控聚变反应中提取能量的方法，其中，既提取热能量，也提取高压直
流能量。
期望将提取的高压直流能量能够用作维持受控聚变反应的能量源。 还期望设计从受控聚变反应中提取能量的系统，利用流体力学稳定性实现燃料芯块的高 均匀压缩。

发明内容
本发明的一个实施方式提供了一种从受控聚变反应中提取能量的系统。该系统包括用于 容纳聚变靶材料的中央靶室。在所述靶室周围设置了多个能量驱动器，以便向靶室中的聚变 靶材料提供能量，以启动该材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能 量。提供了用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，并且包括从所述聚变等离子体提取高 压直流电力的装置；以及从所述中央靶室提取热能的装置。
前述实施方式通过既提取高压直流能量又提取热能而提高了聚变发电系统的效率。
本发明的另一个实施方式提供了用于从受控聚变反应提取能量的系统，其中，通过能量 存储装置对所述多个能量驱动器提供电力。所述能量存储装置从第一电源接收电力并提供启 动(start-up)电力和补充(make-up)电力，而第二电源通过从所述聚变等离子体提取的高 压直流电力获得能量。所述"启动电力"是启动所述聚变反应需要的总能量，而"补充电力"是为 维持聚变反应的操作而从第二电源添加的能量。
前述实施方式通过利用从所述聚变反应提取的高压直流电力作为用于驱动聚变反应的能 量驱动器的电力源实现了较高的效率。这意味着驱动所述聚变反应所述需要的多数能量从(先 前的)聚变反应自身得到。
本发明的另一实施方式提供了一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，其中，所述多 个能量驱动器中的每一个能量驱动器都包括一体装置(unitary apparatus )。所述一体装置既 (a )产生用于使所述聚变把材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和热量形式的 能量释放的X射线脉沖，又(b)产生同时加热所述聚变靶材料的RF能量。
本发明的前述实施方式能够产生X射线驱动脉冲的同时产生RF加热脉冲而不降低效率。 这使得能够无需附加费用并且无能量损失地利用RF加热来提高聚变发电系统的效率。
8本发明的另一实施方式提供了一种聚变发电系统，切趾结构与各能量驱动器相关联，用 于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。
本发明的前述实施方式通过所述切趾滤波器校正了引起瑞利-泰勒流体力学不稳定性的 波前误差。由于所述把芯块是球形，所述切趾滤波器用于将所述压缩波前的形状改变为半径 与所述靶的半径匹配的非常凹的表面。由此，所述波前"环绕"所述靶的一个面，并提供了耙 的完全均匀的压缩。
利用切趾滤波器校正所述压缩波前的直接利益在于减小了用于照射所述靶的射束的数
量。替代加利福尼亚的劳伦斯利弗摩尔实验室(Lawrence Livermore lab)的国家点火装置 聚变反应堆(National Ignition Facility Fusion Reactor)寸吏用的192个射束，本发明的当前 实施方式可以允许利用所述少得多的射束，例如6个。这直接减小了反应堆的成本和大小， 同时增加其可靠性。


图1是受控核聚变产生能量的反应堆的简化的立体图；
图2A和2B是图1的反应堆的截面图，图2A示出了图1中"FIG. 2A-FIG. 2A"所指示的
截面，而图2B示出了图1中"FIG. 2B-FIG. 2B"所指示的截面；
图3是图1的反应堆系统的能量流的框图，示出了比图1更简化的反应堆；
图4A和图4B分别是基本受激X射线发射器(SXE)能量驱动器的简化端和侧截面；
图5A是用于图4A和图4B的SXE的栅极和相位匹配网络的立体图；
图5B是图5A的栅极和相位匹配网络的视图，其示出了该图中"FIG,5A- FIG,5A"所指示
的截面；
图5C是图5A的相位匹配网络的示意图；
图6是入射到切趾滤波器上的平面波前和通过该滤波器所产生的被校正波前的截面图；
图7是图4的SXE的电容增强版的立体图；
图8是沿电子耦合变压器的长度的截面图；
图9示出了图8的电子耦合变压器的典型波形；
图10是沿组合SXE-虚阴极振荡器(Vircator)驱动器的长度的截面图； 图11是沿图10的虚阴极振荡器RF头的长度的部分截面图； 图12是沿组合SXE-磁绝缘振荡器(MILO)驱动器的长度的截面图； 图13是沿图12的磁绝缘振荡器RF头的长度的部分截面图；图14是沿图12的磁绝缘振荡器RF头中使用的漂移管的长度的部分截面图，并且图14B 是图14A中标有"FIG,14B"的画圏区域的放大图。
具体实施方式
在这些优选实施方式的说明的结尾给出了附图标号的列表、其相关部件以及该部件的优 选材料。在附图标号的列表后面完整地列举了参考文献，在本说明中，例如，以如下形式给 出作者"Nakai"的简化的参考文献(Nakai文献)。
优选实施方式的主要原理
结合图1 -3描述本发明的优选实施方式的主要原理。
图1是通过受控核聚变产生能量的反应堆。该系统包括中央靶室或者区域10。 一系列的 六个或者更多个的能量驱动器12对称成对地设置在该中央靶区域的周围。对称能量驱动器 12关于芯块位置22对称地设置，使得共同产成优选地很好的球面波前入射到位置22处的靶 聚变芯块上。能量驱动器以高频率产生X射线，其对称地压缩靶以启动并维持聚变反应。能 量驱动器优选地为受激X射线发射器(SXE: Stimulated X-ray Emitter),如本发明人的美国 专利4,723,263中的发明首先描述的。在优选的实施方式中，所述SXE驱动器装有RF产生 装置，其提供同时发生的RF能量脉冲以向反应提供附加热量。这在图10-13的讨论中进一 步描述。
参考图1-3,在中央輩巴区域10的周围设置了多个能量提取锥(Energy Extraction Cone)
14。这些锥都是真空系统的一部分。它们都包含有产生用于驱动SXE能量驱动器(SXE Energy Driver) 6的高电压直流电输出的能量收集栅极46。能量提取锥14可以以其他形状 形成，例如柱体。下面详细讨论图3的讨-沦中给出的处理。
图1-3的系统包括了第二能量提取装置，其适当地可以是标准兰金循环热回路(Rankine Cycle Thermal lo叩)。冷冻剂通过输入管18被引入内部热交换子系统24，通过热交换器24 循环，然后经由管20从反应堆出来。受热冷冻剂用于驱动涡轮，其反过来驱动发电机以进行 发电。该电的大部分可以用来提供给外部能量栅极。小部分用于给系统提供所谓的补充电力 以补偿某些低效率的HVDC能量提取锥14。燃料芯块注入系统16用于向反应堆注入聚变靶 芯块。在实际系统中，芯块注入器16竖直朝向，如图2B所示。
图2A-2B示出了主要的内部和外部部件及其几何关系。在图2A中，可以看到反应堆的 截面。能量驱动器12和能量提取锥14的设置是清楚可见的。反应堆的内部结构也是可见的，其在图2B中详细示出。反应堆室壁是最外层，如10处所示，其为内部结构提供了支撑 结构，并且是真空封装。尽管被描述为球体，其他形状也可以成功应用。室的形状对该系统 的功能性没有影响。
紧接的最内层由磁约束线圈(magnetic confinement coil) 30组成。这些线圈产生了约 束聚变等离子体并使其不与衬垫(liner) 28和其他内部结构接触的强磁场。由所述磁约束线 圈30产生的磁场具有对应于能量提取器锥和SXE能量驱动器的位置的孔径(低场区域)。
紧接着的最内层是冷冻剂通道层(热交换器)24。冷冻剂通过冷冻剂入口 18进入该结 构，通过冷冻剂通道24循环并经由冷冻剂出口 20以过热状态出来。该过热冷冻剂用于对涡 轮机和发电机提供电力以进行发电。这样看，芯块注入器16可以沿其适当的垂直方向看到。
图3是图1的反应堆系统的能量流的框图。示出了两个能量提取回路。热回路由热冷冻 剂入口 18、热冷冻剂出口 20和冷冻剂通道层(热交换器)24组成。在以上图2的讨论中描 述了该回路的操作。高压直流电提取回路由提取器锥14、提取器栅极46、直流电回路(DC return ) 48、能量存々者和电力i周节装置(Energy Storage and Power Conditioning means) 38、脉冲调制器34及其两个同步输出(a) 36， HVDC到SXE能量驱动器12,和(b)32, 磁约束线驱动信号。本发明的优选实施方式的基本原理是利用直接提取高压直流电驱动SXE 能量驱动器。SXE在高压直流电下运行，因此它直接与能量提取锥14的直流电输出兼容。 4是取的能量用于对能量存储装置38进行再充电。能量存储系统作为示例可以利用电容存储装 置或者电感存储装置或者两者都用。利用电容存储是该系统的本部分的优选实施方式。能量 存储和电力调节子系统38具有第二能量输入40,其^吏得来自外部源(例如，42、 44)的电 力能够应用到该系统。外部源42可以是如下所述的电子耦合变压器，而外部源44是高压直 流电源。来自第二能量输入40的电力用于系统启动，还在运行期间提供补偿电力。这是用于 补偿所述HVDC提取回路中的低效率损耗。
图4A和图4B是基本SXE能量驱动器的截面图，其可以用作图1中的能量驱动器12。 图4A是端部图，而图4B是侧面图。这些图中可见的有阳极64、栅极66和阴极68。 SXE 为三极电子管。它具有新颖的电子枪结构，包括阴极68和栅极66。这些元件的物理并列 (physical juxtaposition)使得它形成圆形波导管。圆形波导管支持总是以光速("c")传播的 横电模式(TEM: Transverse Electric Mode )。该属性对SXE的功能是关键的，因为它确保 了电子束，如箭头所示，以光速扫过阳极，因此波前的相速度和群速度匹配。这被称为衰减 行波(Collapsing Traveling Wave )。这在X射线形成处理中是重要的，因为它确保了射束形 成的X射线总是在高离子化区传播，因此不被自吸收处理所吸收。栅极结构(图5中详细讨论的)是高度对称的。这确保了朝向阳极衰减的波是极其对称
的。结果，当电子撞击阳极时，它们造成了高度离子化的韧致辐射(Bremstrahll。ng)区域。 还在这样的高度离子化区域中出现大量二级电子。阳极充满了激光材料。韧致辐射电子撞击 激光材料的原子，由于韧致辐射电子处于远远比该原子K电子层离子势能高的能量，韧致辐 射电子完全离子化了该原子。作为结果的再生级联(repopulation cascade)导致原子从各电 子层释放电子。电子过剩确保该处理发生得非常迅速。随后发生级联反应。辐射开始是各向 同性的。但随着它沿着阳极的长度前进，离轴辐射通过容器壁(abode)进行抑制或者用于 离子化其他原子。所有这些都发生在以"c"沿着阳极扫过的离子化区。所得到的射束通过阳极 在几何上进行准直，并大部分由K层电子组成，以及L层电子和M层电子(当他们存在时)。
现在参考图5A、 5B和4A，这些图示出了图4A和4B的SXE的栅极和相位匹配网络的 细节。图5A示出了整个栅极-相位匹配网络和栅极绝缘的细节。这两个元件实际上是单一结 构的部分。图5B示出了优选的栅极张紧和绝缘装置的细节。图5C示出了相位匹配网络的电 示意图。栅极的设计要求对所有带有行波电子枪(TWEG: Traveling Wave Electron Guns ) 的管子是公共的。不管管子设计成什么等级或者电力级别，以下特征是共同的并且必须为了 行波电子枪的运行而存在。
行波电子枪(TWEG)是独特的结构，因为它使用了封闭并列的栅极66和阴极68来形 成支持横电模式(TEM)圓形波导管结构。圆形波导管中的横电模式总是以光速("c")传播。 TWEG的这个方面造成了它极其快速的上升时间(每英尺或者30.48 cm的枪长一纳秒)。
栅极还用于产生从阴极提取电子的电场以及控制这些电子的流。这是通过选择性地相对 于阴极偏置4册极来实现。通过管子的适当偏置可以实现切换以及调制功能。
当设计TWEG结构的栅极时存在几个必须满足的关键条件。它们是 (1)栅极-阴极间隔必须在整个栅极的长度上恒定。这通常通过将栅极置于高张力下或 者将其用刚性结构建造来实现。
(2 )栅极中的元件数量必须足够高，以确保栅极-阴极区域中恒定和均勾的电场。 (3)在栅极结构的任何地方都必须不存在毛刺(bur)的尖锐边缘。单个的元件可以是 圆的、扁平的或者是高纵横比的椭圆形状。所有边缘必须是完全切成圆角的。在本文中，完 全切成圆角的意思是所述边缘具有等于材料厚度的一半的半径；完全切成圆角的示例在图14 中的125处可见。
这些设计规则的实际实现是由正在建造的栅极尺寸确定。栅极可以由单件制成，或者更 一般地由通过两端130、 132上的安装环所限制的一序列的单个元件制成，并设置有适当的
12电绝缘体136、 140以防止电弧放电，以及在栅极结构上保持张力的装置。在所示的优选实 施方式中，各栅极元件设置有强力弹簧146 、垫圏148和螺帽150形式的张力装置。各栅极 元件的螺帽用扭矩扳手紧固以确保所有元件上的均匀张力。
通过连接到栅极的输入端的相位匹配网络134、 136电连接到栅极。相位匹配网络由一 序列完全等长(通常公差为+/-0.0005" (+/-12微米))的线134组成。相位匹配网络的各 线在离两个相邻的栅极元件等距离的点处连接到下栅极支撑环132。在栅极支撑环周围对称 地i殳置有多个相位匹配网络线。
相位匹配网络线的另一端连接到公共接头元件136上。它在一端具有数量等于相位匹配 网络线的数量的多个洞，而在相对端只有一个洞。将线附接到该洞并到达栅极真空馈通。该 线为通过鵠极惰性气体焊接(TIG: Tungsten-Inert Gas)法适当焊接或熔焊的银。TIG熔接 是优选的，但并不总是可用的。
该相位匹配网络的目的是确保栅极的整个基座同时以优选的皮秒(picosecond )范围内 的精度响应于控制信号。这导致在TWEG结构中传播的高度对称的波。当栅极通过相位匹配 网络接地时，形成辐射方向上对称衰减行波，并且该行波沿着TWEG结构的长度传播。这是 地电压的波，并且它具有使得能量能够存储在栅极-阴极间隙中并且还使能量对栅极可用的效 果，以便传播到阳极，导致该信号的输送。
流体力学不稳定性原因及补救
图6示出了切趾滤波器的工作原理，其中用箭头示出波前移动。任何聚变系统的优化性 能都取决于创建燃料靶芯块的完全对称的压缩。本发明的能量驱动器12 (图1 )提供了对称 照射靶的手段。如果入射到靶上的波前60为半径与靶芯块的半径匹配的凹入的几何结构，则 可能在燃料靶芯块上创建几乎是完全对称的压缩波前。这是必须要最小化瑞利-泰勒不稳定性 的理由，如果足够严重的话，该不稳定性能够导致燃料芯块以不均匀的方式加热，因此不能 激起聚变反应。
如果有必要，可以对称成对地添加能量驱动器12以增加压缩波前的均匀性。几何方面的 因素确定了添加的驱动器的数量。如果六个驱动器不够，下一步优选的是12个驱动器，接着 是14个驱动器，优选地接着是20个驱动器。其他数量的能量驱动器也是可能的。
图6的切趾滤波器58由置于射束路径中的厚度变化的实物构成。截面厚度与靶的半径 匹配。在优选的实施方式中，这些滤波器由被沉积用来形成期望的截面的薄膜材料制成。材 料的选择由聚变燃料组合的能量驱动要求确定。在氘-氚反应(Deuterium-Tritium reaction)的情况下，这是在250与350电子伏特之间，然后可以使用诸如锂(Lithium )、铍(Beryllium )、 硼(Boron)或者碳(Carbon)等非常低的原子序数的物质。诸如氢-硼的锂-硼的较高能 量反应使用可能具有镁、铝或硅的这些材料。重要的是浓密物质的原子序数没有高到发生显 著吸收的程度。应当注意的是切趾滤波器将产生一些散射线，但这在本发明中不成问题。
聚变反应的处理的基本原理是燃料靶材料的压缩期间发生的瑞利-泰勒不稳定性(RTI) 的最小化。对于球形靶几何结构，理想的压缩波前是在直径上完全对称地减小的同心球面波。 在受控聚变反应的实用设备中，这是极难实现的。
重要的是在诸如波带片的元件形式中的衍射光学技术也能用于校正波前。波带片在光学 科学中是众所周知的。光谱的软X射线部分的延伸是简单的并且已经有文献报导过。
直接X射线驱动聚变与激光惯性约束聚变
聚变反应堆的设计者面对的挑战是如何对聚变把实现相似的对称压缩。各种各样的解决 方案已经形成了无数的反应堆几何结构。这里的讨论集中在将燃料芯块用作聚变靶材料的特 定情况的系统。这种类型的系统称为惯性约束("ICF")系统。对所有ICF系统共同的是将驱 动器能量作为聚合系列的合成同步能量束呈给靶。能量束的合成同步波前近似于扁平球面贝 壳。通常，使用的能量束越多，约束越好(或者越是球面形状)。这可以在最成功的系统具有 最多数量的射束的激光驱动聚变的区域中最清楚地看到。诸如NOVA激光器的系统高达50 个射束。劳伦斯利弗摩尔实验室(LLNL)的新国家点火装置(NIF)具有192个同步射束， 并且具有远比先前的系统(例如NOVA (LLNL)、 OMEGA (LLNL)和GEKKO (日本)) 好的约束。
ICF的基本原理描述如下 (1 )约束次数，
(2) 燃烧份额，以及
(3) 靶压缩聚爆的需要。
典型的直接驱动ICF靶的聚爆过程大致分成三个阶段初始阶段、加速阶段和减速阶段。 (本发明利用直接驱动系统)。在初始阶段，第一冲击波在燃料芯块中传播，并且芯块中的流 体主要通过该冲击波加速。外(或者烧蚀)壳在第二阶段向内烧蚀性地加速。然后，在减速 阶段缓慢地压缩燃料。在初始阶段，由于激光照射不均匀性导致的初始特征随着原始靶表面 的粗糙度引起靶表面上的微扰。在激波在燃料芯块的内表面上爆发之前，这些微扰伴随着波 紋激波传输(rippled shock propagation),并且还伴随着故波稀疏波传播(rippled rarefaction
14propagations主要由于第二 (加速)阶段中的R-T不稳定性导致的在外表面形成的微扰然 后被馈通到内表面上。(Nakai文献)
在所提到的NIF装置中，利用192个激光束来产生1.8兆焦耳的能量并消耗500太拉瓦 (TeraWatt)的电力，其中30千焦耳最终作为X射线转换为耙燃料芯块中的氘-氣燃料。当 点火并成功燃烧时，燃料可能产生大约比输入能量多600到1,000倍的能量。这会产生几乎 每平方厘米1,000太拉瓦的强烈的X射线通量。
NIF装置内的大量射束使得激光照射具有比所提到的NOVA装置更接近于均匀的X射线 场。然而，由于由激光束直接加热的热点(hot spot)和通过激光孔散失热量的冷点的原因， 还会存在基本的不对称性。因为点火依赖于对芯块的平稳的X射线照射，靶设计都侧倾向于 通过适当的定位激光加热的热点、调节包含芯块的黑体辐射空腔的精确长度并修正激光脉冲 强度来使X射线通量中的不对称性减小到小于百分之一。与本发明的接触X射线驱动系统相 反，黑体辐射空腔用于间接驱动系统。
假设激光驱动ICF的机制在于在黑体辐射空腔柱体壁处吸收光，其将激光转换成软X射 线。黑体辐射空腔由高原子序数材料(例如金)制成，其最大化X射线的产量。这些X射线 被迅速吸收，并通过设置成使辐射驱动热波散射到黑体辐射空腔的壁中由所述壁重新发射。 大部分X射线最终流失到壁中， 一些流出激光入射孔，而其他的被黑体辐射空腔的中心处的 靶芯块吸收并驱动其聚爆。通常耦合到芯块的能量少于总能量的1/2,或者对于发电厂激光加 热黑体辐射空腔来说大约为0.2。因此，与直接驱动相比，用于间接的耦合相对弱。(Rosen 文献)
间接驱动在向芯块耦合能量方面比直接驱动效率更低，因为要转换成黑体辐射空腔内的 X射线。然而，间接驱动对射束强度中的变化和流体动力学不稳定性的敏感性要差。直接驱 动靶和间接驱动靶的点火阈值大约相同。然而，计算的增益在直接驱动靶中大约为大于2的 系数。
X射线温度的选择对于聚爆和随后的点火反应是至关重要的，因为它规定了形成芯块外 部烧蚀层的材料，如果该层足够平滑并且在X射线中均匀照射过，其烧蚀会以大约每秒400 公里的速度(大于光速的千分之一)向内有效地推进并造成开始聚变反应所需要的压力和温 度。(Haan文献)
最小化瑞利-泰勒不稳定性的关键问题之一在于X射线通量与烧蚀体表面之间的相互作 用。在高通量下，材料的烧蚀也会带走不断增加的微扰。还可以通过使芯块层尽可能的平滑 来最小化初始微扰。激光等离子体不稳定性和流体力学不稳定性对点火是互补的威胁，并且有意将靶设计成使这两个威胁大致平衡。要求较高激光强度较高温度恶化了激光等离子体不 稳定性但最小化了流体力学不稳定性。反过来，低温最小化了激光等离子体不稳定性但扩大 了流体力学不稳定性。结果，设计者得出低和高X射线温度边界，对于特定情况的氘-氚燃料 为大约250电子伏特和350电子伏特，超出该边界，则有效的聚爆和点火就很难获得优化条
件。其他燃料具有更高的能量要求。
由激光直接驱动的和由X射线驱动的聚爆的动力学之间的基本区别在于激光器以相对低 的电子密度n(其对应于该激光器的波长的临界电子密度)吸收，而X射线以固态物质密度 被更深地吸收进靶内，当被X射线通量离子化时其处于非常高的电子密度。因此，即使激光 是1/3 mm的光，典型的X射线吸收区域具有几乎大100倍的电子密度。
为了实现惯性约束足以实现热核燃烧的条件，聚爆燃料芯块在高密度和温度下被压缩。 在实验室中，需要驱动器将能量传给芯块以实现聚爆。在实验室中存在三种可考虑用于ICF 的驱动器
(1 )高功率激光器，
(2) 加速的重离子，以及
(3) 由脉冲动力机(pulsed power machine)生成的X射线。
我们将烧蚀速度限定为r Vabl 5dml。我们预期直接和间接驱动之间的Vabl存在满阶的 幅度差。通过整体上较好的耦合[阶的卞(0.8)(0.1) = 8%而间接驱动为(0.2)(0.2) = 4%],直 接驱动比间接驱动在增益方面和更小的驱动器方面都具有优势，但它受到RT不稳定性的挑 战。(Barnes文献)
压力P按照11丁加1/312/3缩放。通过该缩放，我们预期直接驱动和间接驱动之间的压力差 的系数大约为5，甚至在相等的能量通量时为1015W/cm2，在1/3 mm激光具有大约90 MB 的压力，而X射线产生大约400MB的烧蚀区域压力。利用较高的耦合效率耦合的直接X射 线驱动可获得的高压使其成为一种更可期望的备选。到目前为止直接X射线驱动还没有被选 作大规模实验的原因之一是不能获得适当的驱动器。
为了实现ICF的条件，靶具有填充有氘氚(DT)气体的低密度(^ 1 mg/cm3)等克分子 混合物的球形壳。球形壳由外部烧蚀体和冻结的或者液态的DT内部区域构成。来自驱动器 的能量被释放给被加热并膨胀的烧蚀体。当烧蚀体膨胀时，壳的其他部分被向内推动以使动 量守恒。芯块表现为一个球形的、烧蚀驱动的火箭。当芯块聚爆时，压缩波加热了中心区域。 电子传导和辐射损耗则使中心区域致冷。需要30-40:1的燃料聚焦率和10 KeV的中心燃料 温度，使得从DT的热核燃烧沉积的a粒子能够克服传导和辐射损耗，并且能够生成自保持
16燃烧波。
不对称的聚爆会使可用的能量更少地被压缩。假设可用的能量是这样的在峰值燃料压 缩处可容许对称性上的25%的偏差，则对称性上小于1。/。的偏差在预压缩芯块中是可以接受
的。(Barnes文献)
前述讨论解释了靶聚爆物理学的动力学、直接驱动和间接驱动方案的相对效率和权衡以 及瑞利-泰勒流体力学不稳定性(RTI)的影响。先前的工作集中在提高激光照射的均匀性上， 以最小化RTI的影响。我们注意到， 一旦点燃料芯块被点火，直接驱动和间接驱动聚变系统 之间就没有区别了。
由于激光器是最普遍的高能驱动源，它们已经是大多数研究的焦点。已经使用了重离子 束，但这些系统有效性比激光驱动系统差。已经利用X射线驱动完成了少量工作。这大部分 是用Z箍缩(Z- pinch)或者等离子体聚焦驱动器实现的。这些系统中的任何一个都证明了 实际上直接驱动的X射线聚变过程的可靠性或者效率。
美国专利4,723,263的受激X射线发射器(SXE )是唯一适于解决驱动器和RTI问题的。 该系统有效地缩放为驱动聚变反应需要的尺寸。如果我们取NIF值为30千焦耳的X射线通 量作为驱动聚变反应必须的值，则我们能够相应地缩放SXE系统。
如果我们使用6个驱动器，则各驱动器仅需要产生5千焦耳。12个驱动器缩放为2.5千 焦耳能量，而20个驱动器缩放为1.5千焦耳能量。下面示出了产生(例如)2.5千焦耳能量 的SEX驱动器需要满足的条件。
早期对SXE的研究表明其转换效率为10%。因此，要实现2.5千焦耳的输出，需要每个 驱动器具有25千焦耳的DC输入。假设我们以500KV运行一英尺(30.48 cm )直径的SXE， 我们获得驱动器的每纵尺大约3.5千焦耳的能量。还假设我们需要20纳秒的X射线脉冲； 这意味着需要20英尺长的SXE ( 6.1米长)。因此20英尺长的(6.1米长)SXE能够具有7 千焦耳的X射线输出。因此，该驱动器实际上可以用于6驱动器配置中。使用20英尺的驱 动器得到3，600平方英尺(335平方米)的密集型系统"脚印(footprint)"，并占据边长60 英尺的立方体(216,000立方英尺或者6,116立方米)。这种系统足够的密集，可以用于海事 应用，例如在航空母舰或者其他主要的海军舰艇中，或者专用的水上发电站中。
除了要考虑到RTI问题，这是非常有吸引力的。SXE在其输出脉冲中产生微小的平面波 前。在6驱动器配置中，明显的是RTI可能会导致不能进行成功的反应。
然后，如果我们原意接受较小的效率损失，可以将切趾滤波器引入X射线束，如上面结 合图6所讨论的。如这里所使用的，"切趾滤波器"是指具有中心比边缘更密集的透射剖面的
17准光学元件，具有 一 些从边缘到中心再到边缘的受控关注功能(controlled attention function )。这将是相当于光带激光器通常使用以控制波前形状的切趾滤波器的X射线。SXE 的滤波器将被用来产生凹入的波前。通过提高压缩波前的均匀性，凹入的波前的对称组件对 抑制RTI非常有益。在配置中使用多于6个驱动器(例如12、 14、 20个或者更多的驱动器) 提供了提高压缩波前的均匀性的潜能。利用切趾滤波器的优点在于最小化了所需要的驱动器 的数量，这降低了系统的总成本和复杂性并提高了系统的可靠性。
这个概念也可以扩展到光驱动聚变系统中。然而，即使有直接X射线驱动的这些优点， 特别是在考虑到快速反应类型的过程时，在确定要提高性能的同时X射线驱动的优点否定了 光驱动系统中的使用。
尽管利用可变密度体作为切趾滤波器被认为是优选的实施方式，但注意到，可以利用衍 射光学技术来构造用于软X射线带的切趾滤波器。衍射光学的典型形式是波带片。该器件利 用菲涅耳波带(Fresnel zones)来修改波前。目前这种衍射滤波器比可变密度型切趾滤波器 更难以制造。
SXE的能量存储增强
图7示出了利用直接集成到其结构中的能量存储电容器70来增强的SXE的立体图。与 受控聚变反应相关的最难的问题之一是在非常短的时间内使足够多的能量进入反应中。必需 将30千焦耳的X射线量级的能量在几纳秒内传送进入靶中。假设电流以光速或者接近光速 (等于接近每纳秒一英尺(30.48 cm ))传播，并且这样做的时间只有几纳秒，显然能量存储 装置必需接近于能量传送的装置。
在图4的SXE驱动器12的设计中的问题，通过如图7所示向SXE的外表面添加同轴 电容器而得以解决。SXE的外表面是阴极68的外表面，因此它提供了一个非常大的低感应 系数的连接手段。该电容器的全部内表面以相似的电接触方式连接到阴极。然后电容器缠绕 在SXE上，直到它具有合适的直径，以提供存储反应需要的能量所需要的电容。
应当注意，阴极-栅极的极间空间是电容器本身，并存储相当多的能量。三英寸(75mm) 直径结构存储每英尺(30.48 cm)大约200皮法拉(picofarad )。如果在500,000伏特下运 行，两英尺(61 cm )直径的装置存储每英尺(30.48 cm1.6纳法拉(nanofarad ),并且在阴 极-栅极的极间空间存储大约4千焦耳。因此，同轴电容器只需要添加一千焦耳以满足聚变反 应的要求。将该增强的存储装置包括在本发明的优选形式中的原因是为了进行大规模的商业 发电。如果计划进行"快速聚变"反应，它也可以使用较短的能量驱动器12。在X射线脉冲宽度和能量上的权衡显示了该增强的可能需求。 电子耦合变压器
图8示出了电子耦合变压器的截面图。电子耦合变压器(ECT, Electron Coupled Transformer )是SXE衍生出的新型电子管。ECT是脉冲放大装置。它利用了与SXE相同 类型的电子枪(即，阴极68和栅极66 )。区别在于阳极64的设计和安装上。
在SXE中，阳极总是空的，并且填充有激光物质。输入端(图8的左下)总是连接到地。 本发明的发明人认识到基本SXE结构与一类称为"线性加法器变压器(Linear Adder Transformer)"的高速变压器非常相似。在这些装置中，次级线圈是一端连接到地而另一端 作为高电压输出端子的"管(stalk)"。 一系列的螺旋管形(Toroidal)次级线圈堆叠在该管上。 这些顺次脉冲，使得脉冲之间的时间等于脉冲沿着该管的传播时间。各次级线圏脉冲都加入 次级线圈中的能量(电压)。
磁线性加法器变压器的缺点在于螺旋管形主线圏会进入饱和状态并且如果用太大的脉冲 驱动它们会使场衰减。这限制了从这种类型的变压器提取能量的量。
本发明的发明人认识到线性加法器变压器与SXE之间存在极大的相似性。二者都结合了 "管"。两者都使用了顺次驱动机制，但SXE由于其冷阴极的大电流处理能力具有大得多的电 流处理能力。在早期的SXE实验中，阳极的两端都接地，因此不能看到高电压。2006年后 期进行了一次实验，其中一个版本的SXE构造成只有一端接地，而使另一端高度绝缘。在该 测试中使用了固态阳极64 (图8)。将脉沖输入阴极并测量阳极输出。线性加法器变压器与 ECT之间的最终区别在于在线性加法器变压器中，主线圈是单独的截然不同的实体。结果， 得到的脉沖具有"楼梯(staircase)"前缘。ECT在其优选实施方式中具有连续的主线圈(阴 极)，因而对其脉冲具有平滑的前缘。由于没有磁芯，ECT比线性加法器轻得多。100KV 100KA ECT重量小于200磅(90.7千克)。
图9示出了前述测试的结果。输入脉冲86和输出脉沖84用同样的分压器在高速振荡器 (Oscillator )上测量。输出脉冲比输入脉冲大数倍，因此证实了 ECT的操作概念。
ECT的巨大能量处理能力给予了电源设计的一些选择。基本的选择是
用于各驱动器12 (无论使用多少个)的单个独立电源34、 38 (图3),利用各电源中的 高精度时延发生器使各驱动器同步。
两个大电源34、 38 (图3),驱动器12总数的每一半各用一个，利用一个单个时延发生 器使这两侧同步。通过类似于相位匹配网络134、 136 (图5A-5C)的网络分配高电压，其中，控制传输 线36的长度以确保驱动器12的同步。
用于驱动整个系统的单个大电源34、 38。通过类似于相位匹配网络134、 136(图5A-5C) 的网络分配高电压，其中，控制传输线36的长度以确保驱动器12的同步。
尽管理论上是可能的，但上述笫3项的设计就几何结构和安全原因来说是不实用的。高 压传输线36 (图3)将会非常长，并且会存在电弧放电的风险。
上述第2项的设计更实用一些，但仍然有较长的传输线36 (图3)。然而，它确实有减 小的系统复杂性并因此有较高的可靠性的优点。ECT42和脉冲调制器38设计会处理通过该 设计所强加的负载。
上述第1项的设计是最复杂的，但在某些方面来说是最容易实现的。用于各驱动器12 的单个电源34、 38将会具有"适中的尺寸"。非常好的是从电源34、 38到驱动器12的高压 传输线36将会极其短。各电源34、 38需要通过其自己的时延发生器来控制，并且存在必需 的调节处理，使所有驱动器12在时间上同步。
注意到，也可以通过机械手段使各驱动器12同步。这样，高压输入线36的物理长度可 以进行小量(调小数英寸或毫米)调节以实现各驱动器12的时间同步。
再参考图8,可以看到ECT在形式上几乎与SXE (图4)相同，但尺寸、阳极和输出是 不同的。在优选实施方式中，ECT被包装在玻璃真空封套76内。在输出端存在坚固的高压 绝缘体80,其提供了与外界的恒定的电阻抗连接。栅极和阴极信号分别通过馈通74和72 馈入。整个装置包装在铅辐射屏78中以容纳形成的横向辐射场。屏78的厚度是阴极电压的 函数，并且通过传统的手段来计算以确定辐射的安全屏蔽。
注意到，在带有ECT的"能量存储增强的SXE"中利用上述同轴电容器能量增强方案既是 可能的也是实用的。这会是一种便利方法，使得附加能量对于极高功率应用的ECT是可用的。
组合SXE和RF能量驱动器
图10示出了组合了 RF生成装置的SXE,而图11示出了 RF生成装置。具体地，通常 称为虚阴极振荡器(Vircator: Virtual Cathode Osc川ator )的单独的管子安装到图11中的 SXE的输出(所示的右端)端上。在该配置中，利用电子耦合变压器(ECT)原理来使用由 SXE处理产生的高压脉冲，并将其直接应用到虚阴极振荡器的阴极90上。虚阴极振荡器本 体形成了当阴极点燃时会振荡的共振腔98 。栅极92控制虚阴极振荡器的点火。从SXE的栅 极的输出端子142获得控制信号，该端子位于远离相位匹配网络的相对端。作为SXE的栅极的行波作用的结果，将触发脉冲顺次应用于虚阴极振荡器。阴极和栅极在其中心包含X射 线脉冲传播通过的孔径。
前述系统的新颖性在于，它组合了两种鲜为人知的技术，即，直接X射线驱动和RF加
热，以便实现提高的系统效率。这个概念是实用的，因为SXE会产生高压直流脉冲，不管是 否使用它。然而，如果没有应用RF加热器，然后SXE的输出接地，并且不产生高压直流电 脉冲。然后电能使系统处于地回路中的电流脉冲的形式。但是，因为HVDC脉冲是可用的， 利用它是有意思的，特别是因为利用它对X射线输出没有影响。
图11示出了虚阴极振荡器RF头的截面图。基本元件是阴极90、栅极92、网格阳极(mesh anode) 94、共振腔98以及输出窗96。驱动脉冲直接来自SXE 12的阳极，其通过阴才及馈 通102直接附接到虚阴极振荡器阴极上。虚阴极振荡器通过来自SXE栅极142的输出信号 触发。当触发了虚阴极振荡器时，通过共振腔98中的振荡形成RF能量脉冲串。该能量具有 由腔98的尺寸确定的语分布。通常，该能量在200 MHz与2.5 GHz之间。该能量通过输出 窗96从虚阴极振荡器输出，并进入靶室10。虚阴极振荡器是能够集成到SXE 12以提高系 统工作性能的一种RF源。虚阴极振荡器的阴极90在其中心具有孔径93, X射线脉冲通过 该孔径93从SXE传递到靶室10中。
图12示出了在SXE的输出(所示的右端)端组合了磁绝缘线性振荡器(MILO: Magnetically Insulated Linear Oscillator )的SXE的截面图。MILO是另 一种熟知的高功率 RF源，类似于虚阴极振荡器。显著差别在于它能够比虚阴极振荡器产生高得多的频率。在结 构上，主要区别在于结合了图14A的漂移管122以及替代虚阴极振荡器的平面阴极90和栅 极92而使用了行波电子枪(TWEG)。还有共振腔98，其尺寸与漂移管122 (图14A)的尺 寸一起确定输出范围。传统的MILO装置具有300 MHz到3.5 GHz之间的输出。本发明的发 明人已经在实验上验证了通过将栅格表面置于漂移管122 (图14A)的内部面上，如图14B 所示，可以产生比从滑膛漂移管122获得频率高得多的RF。该RF源是由史密斯-珀塞尔 (Smith-Purcell)效应造成的，该效应描述了相对论电子束与栅格表面123的相互作为。太 赫兹(THz)的输出是可能的。该栅格表面可以由许多方法形成。间隔、面角和栅格几何结 构对于实现的频率都是决定性的(图14B)。已经确定漂移管栅格的优选实施方式是内螺紋， 如图14A和14B所示。通过改变螺紋参数来改变输出频率。漂移管125的端部被切成圓角 以最小化共振腔98内部不需要的电场微扰的形成。
SXE-MILO驱动器的平衡与SXE-Vircator相同。实际上，RF头-Vircator和MILO -可 以相互交换。由于在SXE-Vircator的情况下，MILO的TWEG具有X射线穿过的空的中心。从TWEG输出的电子被漂移管122压缩，并在共振腔98中振荡。
聚变发电系统效率
基于SXE的聚变发电系统具有比所有其他聚变发电系统高得多的效率。这是由于两个因
素
(1 )直接X射线驱动比任何间接方法内在地更有效。 (2)多种方式的能量4是取。
让我们考虑什么是聚变过程的基本效率决定因素。我们首先考虑启动聚变反应需要的能 量的量。 假设
W=输入到驱动器的功率，(NIF = 400太瓦；SXE = 50兆瓦)
X=产生X射线需要的能量(NIF=I.5兆焦耳，SXE=50千焦耳)
Y=驱动反应需要的X射线的量(25千焦耳；各种情况下)
Z-聚变的总能量输出，(输入能量的1000倍；各种情况下)
T=反应燃烧时间(5赫兹重复频率=200毫秒；各种情况下)
我们现在可以做出以下陈述X>Y，并且对于一个实用的系统，Z X
在NIF的情况下，乂=1.5兆焦耳，而丫 = 25千焦耳(对于D-T反应)。根据研究者，在
NIF处，燃料芯块的完全燃烧将产生"输入它[靶]的能量量的600倍到1000倍之间的能量" (Haan参考文献)。Haan博士没有告诉我们他是否指的是激光功率输入或者X射线输入。
如果他指的是1.5兆焦耳的激光功率输入，这将与1.5吉焦耳(GigaJoule)有争议，如果他
指的是X射线输入，则25千焦耳输入将产生25兆焦耳的输出。
NIF基本设计要求芯块注入速率为5芯块每秒，因此假定等离子体有效寿命是200毫秒
是合理的。
NIF系统要求大约400太瓦的功能(4X10"瓦)来实现该目标。如果我们使用25千焦 耳的实际X射线输入，输出为25兆焦耳，输出值乘以燃烧时间等于5兆瓦。消耗400太瓦 产生5兆瓦输出的系统具有0.00015%的效率。如果我们要将作为倍增器的激光器的输入功 率用来替代X射线输入功率，输出将只仅仅大约为250吉瓦。在任何情况下，当与巨大的输 入功率要求(400太瓦)相比时，很清楚的是，NIF只是该处理中的一步，而不是应当实现 无损耗状况的系统。
现在让我们来考虑基于SXE的利用了与上述分析的NIF同样的D-T反应以及燃料芯块
22的系统。我们先前示出了 D-T聚变反应产生200毫秒时间的每芯块2.5x 108瓦(250吉瓦) 的能量。SXE驱动系统将消耗25兆焦耳，以200毫秒时间被算出是(2.5 x 108) x (2 x 1CT1)= 5x107瓦或者500兆瓦。
消耗500兆瓦产生同样的250吉瓦的系统的效率为500 % (输出/输入=效率)。我们将 兰金循环损耗考虑进来并产生250。/。的效率。
前述计算没有考虑本发明的优选实施方式的最重要的特性之一同时使用直接提取高压 直流电力以运行SXE驱动器(其运行于高压直流电)。直接提取处理已经证实了大约85%的 效率。这意味着从热输出中抽取500兆瓦的15% (75兆瓦)，留下249吉瓦以上可以输出给 功率栅极。该特性使得海事应用的SXE系统针的应用成为实际，因为该系统的尺寸足够小， 以允许结合于具有100英尺(30.5米)或者更长的船梁的任何船只上。该分析还表明本申请 中描述的基本设计系统不只是能够超越无损耗条件。
替代能量驱动器
本发明不限于将SXE及其衍生物用作X射线源，以提供启动聚变反应的能量。现有技 术中存在一种称为等离子体聚焦装置(Plasma Focus device)的装置。这是具有与SXE结 构不同的电子管。它能够产生直接驱动聚变应用的能量级的强X射线脉冲串。它有几个不利 的方面，使得它不如SXE用作聚变驱动器。
等离子体聚焦不产生SXE会产生的X射线准直射束。这是不理想的，因为需要将能量 聚焦在靶上。SXE产生恰当直径的准直射束。等离子体聚焦需要二维上呈曲面的离轴反射器。 该反射器可以用于使射束准直或者使其集中在靶芯块上。射束质量是这样的，它需要利用本 发明的优选实施方式的切趾滤波器将波前校正为有用的形状。
等离子体聚焦不产生如SXE会产生的同时产生的高压直流输出脉冲。这是一个缺点，因 为它意味着外部加热或者压缩技术需要独立的电源，并且会严重降低聚变反应堆的效率。(Gai 文献)
附图标号
附图标号的以下列表有三列。第一列是附图标号；第二列具体指明与附图标号相关联的 部件；而第三列指出该部件的优选材料(如有)。
标号列表 优选材料 10 靶室 不锈钢
2312SXE的X射线驱动器(6处)各种各样
14能量提取锥(6处)各种各样
16把芯块注入器各种各样
18热冷却剂入口不锈钢
20热冷却剂出口不锈钢
22把芯块位置无
24冷却剂通路道层无
28衬垫耐熔金属
30磁约束线圈铜
32,兹约束驱动无
34脉冲调制器电子装置
36连接到SXE驱动器的高压直流电子装置
38能量存储及电力调节电子装置
40启动及补偿电力电子装置
42电子耦合变压器各种各样
44高压直流电源电子装置
46直流提取装置栅极耐熔金属
48'能量存储的高压直流循环无
56平面波X射线
58切趾滤波器各种低z材料
60校正的波前x射线
62衰减行波电子
64阳极耐熔金属；高Z材料(
66栅极耐熔金属
68阴极石墨(优选实施方式)
70同轴电容器电介质/金属层
72阴极馈通陶瓷和金属
74栅极馈通陶瓷和金属
76玻璃真空封套玻璃(陶瓷、不锈钢)
78辐射屏铅80阳极输出绝缘体陶瓷
84ECT输入波形无
86ECT输出波形无
90虚阴极振荡器阴极石墨
92虚阴极振荡器栅极耐熔金属
93虚阴极振荡器阴极中的孔径无
94阳才及网+各耐熔金属
96输出窗RF透明低Z陶瓷
98共振腔不纟秀钢或铜
■安装法兰不锈钢
102阴极馈通陶瓷和金属
104阴极支撑件耐熔金属
106栅极馈通陶瓷和金属
108栅极支撑件耐熔金属
110吸气泵无
112吸气泵々贵通陶瓷和金属
114MILO阴才及石墨
116MILO阴极支撑件耐熔金属
118MILO栅极耐熔金属
120MILO栅极支撑件耐熔金属
122漂移管耐熔金属
124漂移管支撑件陶瓷
125漂移管的切成圆角的端部耐熔材料
126内部阳极绝缘体陶瓷
128栅极绝缘体陶瓷
130上栅极支撑环不锈钢
132下栅极支撑环不锈钢
134相位匹配网络线不锈钢
136相位匹配网络连接器不锈钢
138内部阳极绝缘体陶瓷140相位匹配网络端绝缘体陶瓷
1424册极输出端子耐熔金属
144连到栅极馈通的线陶瓷和金属
146栅极张力弹簧不锈钢
148垫圏不锈钢
150六角螺母不锈钢
152相位匹配网络绝缘体陶瓷
参考文献
以下参考文献在说明书中以简化形式进行了引用。例如，对于作者"Nakai"的简化文献引 用成以下形式(Nakai文献)。
"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压直流能量又提取热能的聚变发电系统。在一个实施方式中，提取
的高压直流能量能够用作维持受控聚变反应的能量源。可以利用切趾滤波器对到达燃料芯块 的驱动能量波前进行整形来实现将驱动能量集中到靶芯块上的高流体力学稳定性。
尽管通过例示的方式针对具体实施方式
对本发明进行了描迷，但对于本领域的技术人员 来说可以做出许多修改和变更。因此，应当理解，所附权利要求
是要覆盖落入本发明的真正 范围和精神内的所有这样的修改和变更。
权利要求
1、一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，该系统包括
a)用于容纳聚变靶材料的中央靶室；
b)多个能量驱动器，其设置在所述靶室的周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；
c)用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括
i)从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及
ii)从所述中央靶室提取热能的装置。
2、 根据权利要求
1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生 X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应。
3、 根据权利要求
1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包括 一体装置，所述一体装置产生以下两者a) X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和 热量形式的能量释放；以及b) 加热所述聚变靶材料的RF能量。
4、 根据权利要求
2所述的系统，该系统还包括切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的 各个驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变把材料看去是凹入的。
5、 根据权利要求
3所述的系统，该系统还包括切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的 各个驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。
6、 根据权利要求
1、 2、 3或4所述的系统，其中，所述多个能量驱动器通过能量存储 装置供电；所述能量存储装置从以下各处接收电力a) 提供启动电力和补充电力的第一电源；以及b) 通过从所述聚变等离子体提取的高压直流电力获得能量的第二电源；其中，所述启动电力是启动所述聚变反应需要的总能量，而所述补充电力是为维持所述 聚变反应的操作而从所述第二电源添加的能量。
7、 根据权利要求
1、 2、 3、 4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能 量驱动器都利用以下各项中的任何一种或者其组合构成的X射线源气体氧、氮、氖、氩、 氪、氡、铋、、汞和铀。
8、 根据权利要求
1、 2、 3、 4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都具有大约200电子伏特到100千电子伏特之间的X射线驱动能量。
9、 根据权利要求
1、 2、 3、 4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能 之间的任何元素。
10、 根据权利要求
1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包 括具有柱形三极电子管的X射线源，所述电子管具有沿着其主轴的空心阳极以及径向上与所 述阳极隔开的栅极和阴极，所述X射线源被设计成使得所述栅极和所述阴极之间的关系形成 支持横电模式的圆形波导管；所述各能量驱动器设计成a )所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所 述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；b) 径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透 所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极的内部中空的空间如同 波前一样扫过；所述阳极的内部空间填充有激光介质，所述激光介质被扫过的韧致辐射和电 子带波前完全离子化；以及c) 所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能 量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。
11、 根据权利要求
10所述的系统，其中，所述外部能量存储装置包括同心缠绕在所述阴 极的外表面上的同轴电容器。
12、 根据权利要求
10所述的系统，其中，所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通 过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵浦或者来自分布式极间电容和栅极 中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。
13、 根据权利要求
10所述的系统，其中a)所述X射线源还在所述阳极的输出端产生高压脉冲；以及b )所述高压脉冲用于通过RF生成装置产生RF脉冲，所述RF生成装置包括共振腔和 附接到所述X射线源的阳极的输出端的电子枪，以便产生与所述X射线脉冲一致的相位相干 的RF能量脉冲串。
14、 根据权利要求
6所述的系统，其中，所述第一电源利用电子耦合变压器产生与所述 第二电源产生的电力兼容的高压脉冲，并加到所述第二电源产生的电力中。
15、 根据权利要求
14所述的系统，其中，所述电子耦合变压器包括a)柱形三极管电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述电子耦合变压器被设计成在所述输出端子测量的电压根据所述扫过的 电子束上升；其中i) 所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所 述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；ii) 径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透 所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极如同波前一样扫过；b )所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所 述结构的直线轴以光速传播并且处于横电模式；c)径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且将其能量蓄存在所述阳极上；以及d )所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来 自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。
16、 根据权利要求
15所述的系统，其中，所述外部能量装置包括同心缠绕在所述阴极 的外表面上的同轴电容器。
17、 根据权利要求
15所述的系统，其中，所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的 分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述 能量以及来自外部能量存储装置。
18、 根据权利要求
10所述的系统，其中，所述多个能量驱动器的各驱动器的RF生成装 置包括在所述电子枪的阴极中具有中心孔径的虚阴极振荡器，所述中心孔径使得X射线脉冲 能够穿过前述阴极。
19、 根据权利要求
10所述的系统，其中，所述多个能量驱动器的各驱动器的RF生成装 置结合了形成了在所述电子枪的阴极中具有中心孔径的磁绝缘线性振荡器的漂移管，所述中 心孔径使得X射线脉冲能够穿过前述阴极。
20、 才艮据权利要求
17或19所述的系统，其中，所述RF生成装置在通过所述能量驱动 器的内部互联元件启动所述X射线脉冲以后自动顺序触发。
21、 根据权利要求
19所述的系统，其中a)所述漂移管在所述管的内表面上具有周期性的栅格几何结构； b )所述栅格几何结构的周期和形状以及所述入射电子束的能量决定所述磁绝缘线性振荡 器的RF输出频谱；以及c)所述电子束的能量大于100,000电子伏特。
22、 根据权利要求
20所述的系统，其中a) 所述漂移管在所述管的内表面上具有周期性的栅格几何结构；b) 所述栅格几何结构的周期和形状以及入射电子束的能量决定所述磁绝缘线性振荡器的RF输出频谱；以及c) 所述电子束的能量大于100,000电子伏特。
23、 一种用于从受控聚变反应提取能量的方法，该方法包括a) 提供用于容纳聚变靶材料的中央耙室；b) 设置多个能量驱动器在所述靶室周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；c) 提供用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括i) 提供从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及ii) 提供从所述中央靶室提取热能的装置。
24、 根据权利要求
23所述的方法，其中a) 所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应；以及b) 所述方法还包括通过切趾结构使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。
25、 一种用于生成高压脉冲的电子耦合变压器，该电子耦合变压器包括a) 柱形三极电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径向上与所述阳极隔开的栅极和阴极，所述电子耦合变压器被设计成在所述输出端子测量的电压根据所述扫过的电子束上升；其中i)所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；b) 径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极如同波前一样扫过；b )所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所述结构的直线轴以光速传#"并且处于^f黄电;f莫式；c) 径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且将其能量蓄存在所述阳极上；以及d )所述电子耦合变压器的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。
26、 根据权利要求
25所述的系统，其中，所述外部能量装置包括同心缠绕在所述阴极的外表面上的同轴电容器。
27、 根据权利要求
25所述的系统，其中，所述扫过的波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。
专利摘要
本发明公开了一种用于从受控聚变反应提取能量的系统。该系统包括用于容纳聚变靶材料的中央靶室。在所述靶室周围设置了多个能量驱动器，以便向靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动该材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量。提供了用于从所述聚变反应提取能量的多个结构，并且包括从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及从所述中央靶室提取热能的装置。可以通过从所述聚变反应提取的高压直流电力向能量驱动器提供电力。能量驱动器可以利用切趾滤波器向用于引起聚变反应的驱动能量的波前提供期望形状，以避免流体动力学不稳定性。
文档编号G21B1/00GKCN101496111SQ200780028128
公开日2009年7月29日 申请日期2007年5月30日
发明者柯蒂斯·比恩巴赫 申请人:柯蒂斯·比恩巴赫导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan