局部能量集中的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于产生非常高的局部能量的方法及设备。具体地说，尽管并非唯一地涉及产生高得足够引起核聚变的局部能量。
【背景技术】
[0002]多年来，核聚变发电的开发已成为投资大量时间和金钱的领域。此投资已以高成本大量集中在开发大规模核聚变反应堆上。然而，存在预见更简单和便宜得多的用于制造核聚变的机制的其它理论。本发明感兴趣的是伞式概念“惯性约束核聚变”，其使用机械力(例如冲击波)将能量集中并聚集到非常小的体积(volume)。
[0003]对惯性约束聚变的各替代方法的潜在的大部分信心来自于对一种称为声致发光的现象的观察。在用特定频率的超声波激发包含合适大小的气泡的液体时发生此现象。压力波引起气泡扩张，并随即剧烈地坍塌；这个过程通常被称为惯性空化。气泡的迅速坍塌导致不均衡压缩，该不均衡压缩引起内容物升温至使其发光的程度[Gaitan，D.F.,Crum, L.A.、Church, C.C.以及 Roy, R.A.，美国声学学会，91 (6)，3166-3183 六月(1992)]。已进行了各种努力来加剧这个过程，并且有团体已经声称观察到核聚变[Taleyarkhan，R.P.、West, C.D.、Cho, J.S.、Lahey, R.T.、Nigmatulin, R.1.以及 Block, R.C.，科学，295 (5561)，1868-1873三月(2002)]。然而，尽管已进行了大量的努力[Shapira，D.以及Saltmarsh，Μ.，物理评论快报，89 (10)，104302九月(2002)]，但观察到的结果仍未被证实或得以重现。这不是唯一提出的已由坍塌的气泡引起发冷光的机制；但是，它是最具文件证明的。也已从由强大的冲击波造成的坍塌的气泡观察到了发冷光[Bourne，N.K.以及Field，J.E.，皇家学会哲学汇刊伦敦系列A-数学物理和工程科学，357 (1751)，295-311 二月(1999)]。这是第二种机制，即:利用冲击波的气泡坍塌，本发明涉及该机制。
[0004]在US 7445319中已经提出将以非常高的速度(?lkm/s)移动的球状水滴射向坚硬的目标，以生成强烈的冲击波。这种冲击波能够用于使已在该水滴内成核并随后在其内扩张的气泡坍塌。上述专利期望核聚变在该坍塌的气泡内发生。之前已实验性地并以数据方式研究了通过高速液滴撞击在表面上而生成冲击波的机制，且已很好地记录了该机制(包括本专利发明人之一的成果[Haller, K.K.、Ventikos, K、Poulikakos, D.以及Monkewitz, P.应用物理杂志，92 (5)，2821-2828九月(2002)])。即使基本的物理机制类似，但由于其不使用高速液滴撞击，所以本发明与US7445319不同。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供上述技术的替换方案，且还可具有其它应用。当从本发明的第一方面来看时，其提供了一种产生局部能量集中的方法，包括:
[0006]制造至少一个冲击波，其传播通过非气态介质，以首先入射到该介质内的聚焦流体袋(focusing pocket of fluid)上；
[0007]其中，聚焦流体袋相对于介质内的不同大小的目标气体袋放置，并设置成为目标气体袋屏蔽最初的冲击波，以便入射到聚焦流体袋上的冲击波集中随后入射到目标气体袋上的冲击波强度。
[0008]本发明还扩展至一种产生局部能量集中的设备，包括:
[0009]非气态介质，其内具有聚焦流体袋和不同大小的目标气体袋；
[0010]用于制造至少一个冲击波的装置，其通过上述非气态介质，以首先入射到上述聚焦流体袋上；
[0011 ] 其中，聚焦流体袋相对于介质内的目标气体袋放置，并设置成为目标气体袋屏蔽最初的冲击波，以便入射到聚焦流体袋上的冲击波集中随后入射到目标气体袋上的冲击波强度。
[0012]本领域技术人员已知的是，通常，非气态介质中的冲击波与该介质中的不同成分的流体袋(“气泡”)之间的相互作用能够生成非气态介质的高速横向喷流，横向喷流移动穿过气泡，撞击下风方向的气泡壁。导致众所周知的这是当存在形成在表面上的微气泡而生成冲击波时该表面空化损伤问题的机制之一。然而，根据本发明，各发明人已意识到，能够适当地调整并利用此自然发生的现象来产生非常高的局部能量集中，该局部能量集中能够如将在随后解释的那样用于例如产生核聚变。
[0013]在聚焦流体袋坍塌期间形成的喷流现象引起各种物理机制，这些物理机制导致在目标气体袋中聚集非常大的能量。这些机制之一是当喷流撞击聚焦流体袋的下风侧时，动能从喷流简单转移制造各种高速和/或高压现象，例如，制造可超过10倍的入射冲击波的压力的向外移动的冲击波。然后，更剧烈的冲击波与目标气体袋相互作用，压缩并加热目标气体袋。如将理解的，这比在不存在聚焦流体袋的情况下冲击波仅仅入射到目标气体袋上能够在目标气体袋中获得更大的压力和温度。
[0014]根据本发明，聚焦袋和目标袋被设置为通过为目标气体袋屏蔽最初的冲击波，以便介质中的冲击波在入射到目标气体袋上之前入射到聚焦流体袋上。这使得聚焦流体袋能够从最初的冲击波产生更剧烈的冲击波，然后入射到目标气体袋上。在一组实施例中，屏蔽物可仅包括聚焦流体袋本身，即，聚焦袋被设置为至少部分地为目标气体袋屏蔽非气态介质中的冲击波。在一个典型的实施例中，目标袋从最初的冲击波的入射方向放置在聚焦袋的对侧。尽管聚焦袋和目标袋的相对大小并不重要，但将意识到，当聚焦流体袋的尺寸大于目标气体袋的尺寸时，该屏蔽是最有效的。
[0015]通常，在本发明的一些实施例中，只要聚焦袋和目标袋是不同尺寸的，它们的相对大小就不重要，然而，在一组实施例中，聚焦流体袋的尺寸大于目标气体袋的尺寸，即，聚焦流体袋具有较大的体积。发明人已认识到这有利于为目标气体袋屏蔽最初的冲击波，然而总的来说这也是有利的，因为其允许较大的体积以及因此通常还允许较大的投影面积呈现给最初的冲击波。这比目标气体袋的尺寸等于或大于聚焦流体袋的尺寸的情况能够更多地利用来自最初的冲击波的能量，然后该能量被加强以入射到目标气体袋上。
[0016]优选地，聚焦流体袋的直径至少为目标气体袋的直径的1.5倍，例如，2倍，例如，3倍，例如，5倍。聚焦流体袋和目标气体袋的直径的列举未必意味着气泡是球状的或横截面是真正的圆形的。如果聚焦流体袋和目标气体袋中的一个或两个不是球状的或横截面不是圆形的，则直径指的是袋形的等效尺寸，例如，包围该袋的最小的球体的直径。
[0017]如上所述，本发明具有许多优势，这些优势可以仅用单一的聚焦袋和目标袋来实现。然而，发明人已经设计了许多不同的实施例，在这些实施例中提供了许多的聚焦袋和/或目标袋。在一组实施例中，该设备和方法包括多个聚焦流体袋。提供多个聚焦流体袋增加体积和面积，最初的冲击波的能量入射到该体积和面积上，因此能够从冲击波获得更大的能量以用于增强到目标气体袋上的冲击波。此外，如下所述，这能够允许将许多最初的冲击波的能量利用并集中到一个或多个目标气体袋上。
[0018]多个聚焦流体袋还可以放置为遮住目标气体袋。考虑目标气体袋放置在离入射冲击波的两个聚焦流体袋的相对侧上，并且将目标袋置于该两个聚焦袋中央。尽管在该两个聚焦袋之间有间隙，通过该间隙目标袋可以“看见”入射冲击波，但是目标袋不会被入射到该两个聚焦袋上的最初的冲击波撞击，因为在该两个聚焦袋之间反射的稀薄机制屏蔽了目标袋。或者说，该两个聚焦袋之间的通道的形状使入射的冲击波严重变弱；正是该两个聚焦袋之间的区域的设计产生了屏蔽作用，而未必是袋的自身形状或位置的直接结果。因此，目标袋不是由最初的冲击波而是由更强的二次冲击波产生坍塌的，所述更强的二次冲击波由两个聚焦袋的坍塌产生。这些二次冲击波的强度的增加显著提高了目标气体袋的坍塌，同时这些二次冲击波具有两组相互作用的冲击波，一组来自每个的聚焦袋，从而增加产生的压力和温度。将认识到，如果两个聚焦袋连接在一起，例如，以如下所述的哑铃的形状连接在一起，则目标气体袋的相似的屏蔽物也可以通过两个聚焦流体袋来实现。
[0019]在一组实施例中，多个聚焦流体袋相对于彼此放置，以便一个聚焦流体袋的中心与其相邻的聚焦流体袋的中心隔开小于该两个相邻的聚焦流体袋中的较大直径的2倍。优选地，间距小于该两个相邻的聚焦流体袋中的较大直径的1.5倍，例如，小于直径的1.2倍。当存在多于两个的聚焦流体袋时，聚焦流体袋的间距相对于最相邻的聚焦流体袋来判断，SP，所有的多个聚焦流体袋没必要同时这么接近。
[0020]还想到了具有多于两个聚焦流体袋的实施例，例如具有聚焦流体袋阵列的实施例。如已经讨论的两个聚焦袋的情况，这些可以全部设置为屏蔽目标气体袋，和/或它们可以仅用于提供多个冲击波，该多个冲击波使来自冲击波的更大的能量能够用于增强作用到目标聚焦袋上的冲击波。多个聚焦流体袋(包括具有两个聚焦袋的情况)例如呈阵列可以相对于目标气体袋设置，以便合成的冲击波同时入射到目标气体袋上，该合成的冲击波来自最初的冲击波入射到聚焦流体袋上后的坍塌。这种设置使入射到目标气体袋上的全部汇聚冲击波的强度最大化，从而使压缩气体体积的压力和温度最大化。可选地，多个聚焦流体袋可相对于目标气体袋设置，以便合成的冲击波在不同时间入射到目标气体袋上。这可以用于延长合成的冲击波入射到气囊上，例如以帮助在气体体积内建立持续的反应。
[0021]和被设置以调整合成冲击波入射到目标气体袋上的时间一样，多个聚焦流体袋还可以被设置以调整全部合成冲击波的形状。例如，多个聚焦流体袋可以相对于目标气体袋设置，以便当全部合成冲击波入射到目标气体袋上时在某种程度上符合目标袋的形状。这可以产生更强的更剧烈的目标袋的坍塌。
[0022]在包括多个流体气囊的一组实施例中