通过聚焦会聚的燃料粒子束使能量集中而产生的持续性聚变

摘要

一种用于引发热核聚变反应的热核反应系统，其包括反应室和多个粒子束发射器。该粒子束发射器空间上围绕反应室的共聚焦区域而支承并朝该共聚焦区域取向。该粒子束发射器使至少一种热核燃料类型例如氢或氘的赋能粒子加速进入反应室作为会聚于共聚焦区域的多束粒子束。当高能粒子束会聚于共聚焦区域时，得到的等离子体球足够密实且足够热，从而引发热核聚变反应，然后通过伴随聚变反应的能量释放使其持续进行。任选地，激光束或其他能量输入设备还可围绕并朝向共聚焦区域取向以使高能激光束指向等离子体球，从而协助引发聚变反应。

说明书

本申请为于2012年2月22日提交的第13/402,111号申请的部分继续 申请案，该申请要求于2011年6月10日提交的第61/495481号美国临时 申请的优先权，各申请的全部内容在此通过参引的方式纳入本文。

领域

本发明的实施方案涉及应用物理学，更具体地，涉及通过聚焦会聚的 燃料粒子束使能量集中而产生持续性聚变的系统和方法。

简介

聚变能通常是指通过核聚变反应产生的能量。在一类许多恒星（例如 太阳）内自然存在的聚变反应中，两个轻原子核融合在一起形成更重的原 子核，通过这种方式，释放大量的能量。在某些文章中，聚变能还指由聚 变源产生净有效能量，类似于使用术语“水电能”描述由水驱动涡轮机产 生净有效能量。大多数针对聚变能站的设计研究是基于聚变反应的可控发 生以产生用于驱动一个或多个涡轮发生器的蒸汽。

迄今为止，已达到输入能效率为65%的16.1兆瓦（21,600hp）的峰 值聚变能。超过10MW（13,000hp）的聚变能也已能持续0.5秒以上。目 前设计的目标在于，持续的聚变能输出为输入能的10倍。例如，50MW 输入能的目标是产生持续许多分钟的500MW输出能。应理解，这些数字 仅为说明性的。

概述

根据一个方面，提供一种用于引发热核反应的热核反应系统。所述热 核反应系统可包括反应室、空间上围绕反应室的共聚焦区域而支承并朝该 共聚焦区域取向的多个粒子束发射器、以及用于为供应的至少一种热核燃 料类型赋能的燃料喷射器。所述多个粒子束发射器可与燃料喷射器和反应 室呈流体连通，以接收来自燃料喷射器的至少一种热核燃料类型的赋能粒 子（energized particle）并且使至少一种热核燃料类型的赋能粒子作为多 束会聚于共聚焦区域的粒子束加速进入反应室以引发热核反应。

在某些实施方案中，至少一种热核燃料类型的赋能粒子中的至少一些 可处于高能等离子态。

在某些实施方案中，多个粒子束发射器中的至少一个可包括粒子束 管，所述粒子束管至少部分由熔融温度显著高于处于高能等离子态的赋能 粒子的平衡温度的材料组成。在某些实施方案中，粒子束管至少部分由包 含高熔点材料和另一种材料的两种材料组成，并且其中粒子束管的内圆柱 表面涂覆有一层高熔点材料。在某些实施方案中，高熔点材料包括钨或石 墨。

在某些实施方案中，粒子束管可具有第一端部，其与燃料喷射器呈流 体连通以用于接收从燃料喷射器供应的至少一种热核燃料类型；和第二端 部，其与反应室呈流体连通以用于将多束粒子束射入反应室。在某些实施 方案中，第二端部部分延伸至反应室内。

在某些实施方案中，多个粒子束发射器中的至少一个可包括用于产生 电磁场的电磁系统，以向粒子束管内处于高能等离子态的赋能粒子提供径 向约束和轴向加速。

在某些实施方案中，所述电磁系统可包括电压源（voltage supply）， 其与粒子束管电连接且配置为在贯穿第一端部和第二端部的粒子束管的 导电外圆柱部分产生初级电流，所述初级电流用于感生通常在处于高能等 离子态的赋能粒子中轴向流动的次级电流。所述次级电流可用于在导电外 圆柱部分产生向内的径向力场，以使处于高能等离子态的赋能粒子趋向粒 子束管的中心轴并使处于高能等离子态的赋能粒子向第二端部加速。

在某些实施方案中，所述电磁系统还可包括多个电磁线圈，所述电磁 线圈沿着粒子束管的至少一部分与粒子束管呈轴向对齐并且在其外部支 承且对其紧密围绕。所述多个电磁线圈可用于在粒子束管内产生轴向磁 场，以向粒子束管内处于高能等离子态的赋能粒子提供附加的径向约束。

在某些实施方案中，热核反应系统还可包括气体收集罐，其在闭路循 环中与反应室和燃料喷射器流体连接，以将提取自反应室的未燃烧的热核 燃料粒子输送至燃料喷射器。在某些实施方案中，所述气体收集罐通过支 承于反应室上部的气体出口与反应室流体连接。在某些实施方案中，所述 气体收集罐通过加热至至少1800℃的循环系统与燃料喷射器流体连接以 使提取自反应室的未燃烧的热核燃料粒子在输送至燃料喷射器的过程中 保持等离子态。

在某些实施方案中，热核反应系统还可包括多个空间上围绕反应室支 承并与反应室光连接的点火激光器。所述多个点火激光器的每一个可指向 共聚焦区域以产生并射出多束激光束，所述多束激光束与多束粒子束会聚 于共聚焦区域以协助引发热核反应。

在某些实施方案中，反应室的内壁涂覆有基本上围绕内壁并由高熔点 材料形成的一层内壁层以为反应室提供隔热和隔绝γ-射线。在某些实施 方案中，所述高熔点材料可为钨、石墨或碳化钽铪（Ta₄HfC₅）。

在某些实施方案中，从多个粒子束发射器中的至少另一个射出的赋能 粒子可处于带电状态。

在某些实施方案中，反应室还可包括接收供应的低压气体进入反应室 的气体入口，在到达共聚焦区域之前，所述低压气体与处于带电状态的赋 能粒子可起反应以中和所述处于带电状态的赋能粒子。

在某些实施方案中，热核反应系统还可包括至少一个粒子会聚元件， 使处于带电状态的赋能粒子聚焦于反应室的共聚焦区域。

在某些实施方案中，多个粒子束发射器可以三维空间取向围绕反应室 支承。在某些实施方案中，所述三维空间取向基本上为球形。在某些实施 方案中，所述三维空间取向在至少三个相互正交的平面上基本对称。在某 些实施方案中，所述多个粒子束发射器与共聚焦区域大约等距。

在某些实施方案中，至少一种热核燃料类型可为氢的同位素。

在某些实施方案中，燃料喷射器被配置为使至少两种热核燃料类型的 粒子赋能，且多束粒子束的每一束被配置为接收至少两种热核燃料类型的 赋能粒子，且所述多束粒子束包含至少两种热核燃料类型的赋能粒子的混 合物。在某些实施方案中，所述至少两种热核燃料类型可为氢-1和氢-2。

根据另一方面，提供一种引发热核反应的方法。所述方法包括提供至 少一种热核燃料类型，使供应的至少一种热核燃料类型赋能以提供至少一 种热核燃料类型的赋能粒子，使至少一种热核燃料类型的赋能粒子作为指 向反应室共聚焦区域的多束粒子束加速进入反应室，以及会聚所述多束粒 子束于共聚焦区域以引发热核反应。

在某些实施方案中，至少一种热核燃料类型的赋能粒子的至少一些处 于高能等离子态。

在某些实施方案中，所述方法还包括产生电磁场以为处于高能等离子 态的赋能粒子提供径向约束和轴向加速进入反应室。在某些实施方案中， 产生电磁场包括感生通常轴向流过处于高能等离子态的赋能粒子的次级 电流。在某些实施方案中，产生电磁场还包括在处于高能等离子态的赋能 粒子内形成轴向磁场以提供附加的径向约束。

在某些实施方案中，所述方法还包括从反应室中提取未燃烧的热核燃 料粒子，以及使提取自反应室的未燃烧的热核燃料粒子再循环以加速进入 反应室中。在某些实施方案中，所述方法还包括在再循环过程中使提取自 反应室的未燃烧的热核燃料粒子保持等离子态。

在某些实施方案中，至少一种热核燃料类型的赋能粒子的至少一些处 于带电状态。

在某些实施方案中，所述方法还包括向反应室提供供应的低压气体， 在到达共聚焦区域之前，所述低压气体与处于带电状态的赋能粒子可起反 应以中和处于带电状态的赋能粒子。

在某些实施方案中，所述方法还包括使处于带电状态的赋能粒子聚焦 于反应室的共聚焦区域。

在某些实施方案中，所述方法还包括向反应室提供并产生多束激光 束，并使所述多束激光束与多束粒子束会聚于共聚焦区域以协助引发热核 反应。

在某些实施方案中，所述至少一种热核燃料类型可以为氢的同位素。

在某些实施方案中，所述方法还包括提供至少两种热核燃料类型，使 供应的所述至少两种热核燃料类型赋能以提供至少两种热核燃料类型的 赋能粒子，以及使所述至少两种热核燃料类型的赋能粒子作为多束粒子束 加速进入反应室。在某些实施方案中，所述至少两种热核燃料类型可为氢 -1和氢-2。

附图说明

下文将仅以示例的方式参考如下附图对各个实施方案进行详细描述， 其中：

图1为热核反应系统的示意图；

图2为示例性粒子束发射器的示意图；

图3为与已有核反应堆设计结合的热核反应系统的示意图。

应理解，参考附图仅旨在说明，并非意欲以任何方式限制下文所描述 的实施方案的范围。为使说明简单明了，图中示出的元件不必按比例绘制。 为清楚起见，某些元件的尺寸可相对于其他元件扩大。此外，如果认为合 适，图中可以重复附图标记以表示相应或相似元件。

具体实施方式

应理解，阐述大量的具体细节旨在提供对本文所述示例性实施方案的 全面理解。然而，本领域的普通技术人员应理解，本文所述的实施方案无 需所述具体细节也可以实施。在其他例子中，为易于理解本文所描述的实 施方案，未详细描述已知的方法、步骤和元件。此外，本说明书不应被理 解为以任何方式限制对本文所述实施方案的范围，而应理解为仅对本文所 描述的各个实施方案的实施方式的描述。

聚变反应速率

按照目前的理解，聚变反应通过使两个或多个原子核彼此足够接近从 而使其残余强力（residual strong force）（即核力）发挥作用以将该两个 或多个原子核拉在一起并形成一个更大的原子核而实现。当两个“轻”核 融合时，通常的结果是形成质量比原来两个核的质量之和略小的单核。该 情况下，单个融合的核与原来两个原子核之间的质量差按照众所周知的质 量-能量守恒方程作为能量释放出，

E＝mc²·          (1)

但是，如果是两个质量足够大的“重”核融合在一起，则得到的单核 的质量会大于反应物的原始质量之和。该情况下，根据方程(1)，需要来 源于外部的净输入能量来引发该聚变反应。一般而言，“轻”核和“重” 核的分界线为铁-56。原子量大于铁-56原子量的，能量将通常由核裂变反 应释放；原子量小于铁-56原子量的，能量通常由核聚变反应释放。

两个原子核的聚变通常受到该两个原子核的共用电荷之间、特别是原 子核中含有的质子的净正电荷产生的静电斥力的对抗。为了克服该静电力 （有时称作“库仑势垒”），通常需要某些外部能量源。提供外部能量源 的一种方式是加热反应物原子。这种方式还具有夺去原子的电子而使原子 呈裸核的额外优势。通常，原子核和电子形成等离子体。

由于给原子核提供足够的能量以克服静电斥力所需的温度随总电荷 而变化，因此氢（具有最少核电荷的原子）倾向于在最低温度下反应。氦 也具有极低的单位核子质量，因而作为可能的聚变产物也是能量上有利 的。因此，大多数聚变反应均基于结合氢的同位素（氕、氘、或氚）而形 成氦的同位素，例如³He或⁴He。

以σ表示的反应截面为随两种反应物原子核的相对速率而变的聚变 反应可能性的量度。如果反应物原子核具有速率分布，如所预期的等离子 体内部的热分布一样，那么可以使用横截面与速率的乘积的分布的平均 值。就单位时间单位体积的聚变而言的反应速率可定义为<σν>乘以反应 物原子的数密度的乘积。因此，对于一种反应物，反应速率等于：

${\left(\frac{1}{2}n\right)}^2<\mathrm{\sigma v}>,---\left(2a\right)$

其中n表示单一反应物原子的数密度，对于两种不同的反应物，反应速 率等于：

f＝n₁n₂<σv>，     (2b)

其中n₁表示第一种反应物原子的数密度，n₂表示不同于第一种反应物的 第二种反应物原子的数密度。

乘积<σν>从室温下的接近于零显著增加至温度下的10-100keV （2.2-22fJ）。对于相近的等离子体密度，氘-氚（D-T）会受益于最低的 点火温度。其他可能的聚变循环（fusion cycle）包括质子-质子（p-p）聚 变循环（其为恒星例如太阳提供主要的聚变能）、氘-氘（D-D）聚变循 环、质子-硼（p-¹¹B）循环、氘-氦（D-³He）循环以及氦-氦（³He-³He） 循环。然而，所述其他聚变循环通常需要更大的点火能量，并且在有些情 况下，取决于³He（地球上相对稀缺）。

氘-氚燃料循环

目前，用于聚变能的一种核反应为氘-氚燃料循环，其可表示为：

其中，表示氘原子，表示氚原子，表示氦原子，且表示自由 中子。氘（也称作“氢-2”）为天然存在的氢的同位素，因此，是普遍可 得的。氚（也称作“氢-3”）为氢的另一种同位素，但因其约12.32年的 相对短的放射性半衰期而以少量或可忽略的量天然存在。因此，氘-氚燃 料循环需要合成充分供应量的待用于聚变反应中的氚原子。由锂原子合成 氚的两种可能的反应包括：

或者

⁶Li反应为放热反应，以释放热量的方式向反应堆提供少量能量增量。 另一方面，⁷Li反应为吸热反应，因而需要能量，但不消耗反应物中子。 至少一些⁷Li反应可用于置换因与其他元素反应而损失的中子。在两种锂 反应中，反应物中子可由以上方程式(3)表示的D-T聚变反应提供。大多 数反应堆设计均利用天然存在的⁶Li和⁷Li锂异构体的混合物。

D-T燃料循环通常存在一些限制。例如，D-T燃料循环会产生大量的 中子，其在反应堆结构中诱发放射性并对材料设计施加显著限制。仅约 20%的聚变能产额以带电粒子的形式出现，其余的聚变能作为中子提供， 这会限制直接能量转化技术可应用的程度。使用D-T聚变能还依赖于可 获得的锂源，其含量不如氘源充足，并且由于基于锂的电池和其他相关技 术的生产的增加，因此对锂的需求不断增长。而且，D-T燃料循环的另一 个限制在于其需要处理放射性同位素氚。与氢类似，氚难以包封，并且其 会以一定的量从反应堆中渗漏。

恒星内发生的质子-质子链式反应

作为D-T燃料循环的替代，质子-质子链式反应是在大小与太阳大致 相同或更小的恒星内自然发生的过程。质子-质子链式反应是几种这样的 聚变反应之一：通过该反应，大小与太阳相同或更小的恒星将氢转化为氦。 但是，与D-T燃料循环不同，质子-质子链式反应不会通过产生中子而诱 发放射性。

一般而言，当反应物质子的温度（即动能）高到足以克服其相互静电 或库仑排斥时，发生质子-质子聚变。虽然目前认为，质子-质子链式反应 为给太阳和其他恒星提供燃料的主要热核反应，但起初认为太阳的温度太 低而无法克服库仑势垒。然而，随着量子力学的发现和发展，现假定，反 应物质子通过静电排斥势垒的隧道效应（tunneling）使质子-质子链式反 应可在比所允许的常规预测的更低温度下发生。

在质子-质子链式反应中多个步骤的第一步包括两个质子聚变为氘， 在此过程中释放出正电子、中微子和能量，同时一个反应物质子β衰变为 中子。质子-质子链式反应的这一步表示如下：

其中，每个表示质子，表示产物氘原子，e⁺表示正电子，v_e表示中 微子。质子-质子链式反应的该第一步极慢，这不只是因为质子必须量子 隧穿通过其库仑势垒，还因为该步骤取决于弱的原子相互作用。举例说明 该反应的速率，太阳中产生氘的现象已经罕见到以至于考虑到太阳核心的 现有条件下，氢的完全转化也需要超过10¹⁰（100亿）年。太阳之所以仍 然发光，就是因为该反应的缓慢特性；如果该反应进行得快些，根据理论， 很久以前太阳就会把氢耗尽。

质子-质子链式反应的下一步中，正电子被电子极快速湮没，并且正 电子和电子结合的质量能量按照如下方程转化为两个γ射线和能量：

e⁺+e^-→2γ+1.02MeV,       (7)

其中，每个γ表示伽马射线。随后，质子-质子链式反应第一步产生的氘 原子与另一个质子按照如下方程融合产生氦的轻同位素（即³He）、另一 个伽马射线和能量：

对于约10-14MK（兆开尔文）的温度范围，在质子-质子链式反应的 最后一步中，氦的两个轻同位素按照如下方程融合在一起生成⁴He同位 素、两个质子和能量：

将方程(8)和(9)表示的反应步骤结合起来并略去中间产物，得到如下 方程给出的总质子-质子反应：

在太阳中，约86%的聚变以方程(10)表示的路径发生，剩余的14%则归 因于在超过14MK的温度下主要发生的其他聚变反应。

将会聚离子束用于聚变的尝试至今仍未获得成功。一个原因是，接近 中心区域时具有相同电荷的粒子之间的排斥力使得难以达到足够的密度 浓度。优选整体呈中性且“类胶状”的等离子束，并且可以通过在闭合电 路中直接施加电流来产生和包封该等离子束。因此，预期会在实验室中出 现连续的微级闪电（micro-level lightning bolt）（箍缩的高电流等离子束）， 其类似于自然中形成闪电的方式。可对多个高速微级闪电进行配置以会聚 在共聚焦区域，伴随着导致连续聚变的剧烈热碰撞。

首先参见图1，图1示出了依照本文所描述的至少一个实施方案的热 核反应系统100的示意图。热核反应系统100包括反应室110、燃料喷射 器120和多个能产生多束由至少一种热核燃料粒子组成的粒子束135的粒 子束发射器130。所述粒子束发射器130空间上围绕反应室110而支承并 与反应室110呈流体连通，使得在热核反应系统100的运行过程中，粒子 束发射器130将多束粒子束135射入反应室110中。如下文进一步讨论的， 多束粒子束135被导入反应室110中，其中所述多束粒子束135以如下方 式相互作用：在反应室110内引发热核反应，该热核反应至少在某些情况 下是连续的（或伪连续的）且自持的。

粒子束135可全部或者在某些情况下仅部分由以等离子态存在的高 能粒子组成。如果粒子束135不是全部由等离子体粒子组成，则粒子束 135内的非等离子体粒子可能保留净电荷，例如因离子化过程中的电子损 失而保留正电荷。在某些实施方案中，粒子束135内的非等离子体粒子会 在从粒子束发射器130发射出去后在反应室110内中和。或者，在某些实 施方案中，粒子束135内的非等离子体粒子会在反应室110中保留其净电 荷。这两种情况均可用于热核反应系统100的设计。然而，利用至少部分 含有带电的非等离子体燃料粒子的粒子束135的一个缺点在于，任意两个 带电粒子之间通常存在的静电斥力。由于静电斥力，更难在反应室110 内获得足够高密度的燃料粒子以引发并保持热核反应。通过中和反应室 110内的任意带电非等离子体燃料粒子并由此消除粒子束135中燃料粒子 之间的静电斥力，通常更容易在反应室110内获得热核聚变所需的粒子密 度。

在某些实施方案中，粒子束135可通过离子化由燃料喷射器120提供 的供应的至少一种热核燃料粒子而产生。离子化后，粒子束发射器130 内的带电粒子随后向反应室110加速。为了中和粒子束135中的任何带电 非等离子体粒子，例如，将供应的低压反应气体通过合适的气体入口泵入 或以其他方式提供至反应室110内，以使粒子束135中的单个带电粒子在 反应室110内与中和的气体反应并消除任何残留电荷。

如图1所示，每束粒子束135均指向反应室110的共聚焦区域140。 可通过以任何合适的三维空间取向将粒子束发射器130围绕反应室110 进行配置，而使粒子束135指向共聚焦区域140。例如，粒子束发射器130 可以基本球形配置围绕反应室110或以其他方式配置以使粒子束发射器 130与共聚焦区域140基本上等距。或者，粒子束发射器130可在至少三 个不同的平面上基本对称地配置（例如，如Cartesian坐标系所定义的）， 所述平面在某些情况下可以相互正交。然而，粒子束反射器130的其他三 维空间取向也可以。

在某些实施方案中，在粒子束135的路径上可以提供会聚元件150 以协助将粒子束135导向共聚焦区域140。虽然图1中仅明确地示出会聚 元件150的一个实例，但在某些实施方案中，热核反应系统100中还可以 包括额外的会聚元件。所包括的每个会聚元件150可与单独一束粒子束 135相关，或者与两束或多束粒子束135相关。

在某些实施方案中，粒子束135包含至少一些带电非等离子体燃料粒 子，一些会聚元件150可使用磁透镜来实施。例如，磁透镜可由几个配置 为四极、六极或一些其他合适的配置的电磁线圈构成。当给电磁线圈通电 时，得到的四极或六极磁场具有通常使通过磁场的带电粒子偏转的凸形。 偏转量可基于磁场强度而控制，磁场强度可通过改变供给电磁线圈的电流 而控制。通过该方法，可有效地利用磁透镜使粒子束135聚焦或以其他方 式会聚于共聚焦区域140。

或者，一些会聚元件150可使用配置为带电粒子束的聚焦元件的静电 透镜来实施。例如，在某些实施方案中，静电透镜可以是Einzel透镜、 圆柱透镜、孔隙透镜或四极透镜。在某些实施方案中，会聚元件150可以 是磁透镜和静电透镜的结合。

如果粒子束135全部或几乎全部由等离子体燃料粒子组成，则静电透 镜或磁透镜通常不适用于实施会聚元件150，这是因为等离子体粒子整体 呈电中性的且因此通常对电磁场不响应。但是，仍可以改变以全部或几乎 全部等离子态存在的中性粒子束的路径并由此使粒子束135聚焦于共聚 焦区域140。以下参考图2详细描述实现该结果的一个示例性配置。

反应室110的内表面可涂覆有合适的绝缘材料以吸收反应室110内发 生的热核反应过程中产生的任何高能伽马射线。通常具有不同热性能和电 性能的不同材料可用于涂覆反应室110的内表面。例如，熔点和吸热能力 可为选择合适的涂层材料的两个相关考虑。由于在某些实施方案中还可将 冷却液（未示出）施用于反应室110的内表面，因此对于涂层材料的另一 个相关考虑可为其与所用的特定冷却液的化学反应性。可优选通常对冷却 液不具有活性的涂层材料。在某些实施方案中，可将核石墨或石墨烯、钨 或熔点等于或大于石墨和钨的熔点的其他材料用于涂覆反应室110的内 表面的材料。

将粒子束135会聚于共聚焦区域140导致存在于共聚焦区域140的粒 子密度增加。如果粒子密度增加至足够高的水平，则在共聚焦区域140 附近产生等离子体球145，且该等离子体球145具有足够高的温度从而在 反应室110内引发热核聚变反应。例如，等离子体球145的密度可与太阳 中心所发现的密度相当（即高于160,000kg/m³）。通过会聚足够大量的 粒子束135（每束粒子束135均由以足够的动能加速的热核燃料粒子组 成），在反应室110内可达到使热核反应持续进行的所需粒子密度。在没 有存在于恒星中的重力效应贡献的情况下也可以得到所述结果，所述重力 效应有助于恒星及类似环境中自然发生的热核反应持续进行。更确切地 说，通过加速和会聚粒子束135于共聚焦区域140而在反应室110中实现 粒子和能量汇集。

任选地，可将向反应室110内额外供应的输入能量导向共聚焦区域 140以协助点燃等离子体球145并由此引发热核反应。因此，在某些实施 方案中，多个激光器160可在空间上围绕反应室110而配置，如粒子束发 射器130一样，指向接近反应室110中心的共聚焦区域140。160可产生 并发射多束也会聚于共聚焦区域140的激光束165。在某些实施方案中， 由例如玻璃纤维制成的激光导管（未示出）可以一定深度延伸至反应室 110内以引导激光束朝向共聚焦区域140。

在替代性实施方案中，替代激光器160或除激光器160之外的附加能 量输入设备（未示出）也可用于点燃等离子体球145以协助引发热核反应。 仅出于方便而非限制性的，图1仅清楚地示出一个激光器160，但可使用 超过一个激光器或其他附加能量输入设备。此外，可包括任何数量的激光 器160，且其可以任何合适的配置方式空间围绕反应室110配置以容纳所 需数量的激光器160。

在某些实施方案中，由在共聚焦区域140或该区域附近发生的热核聚 变反应产生的能量足以使等离子体球145保持在足够高的温度，该温度使 得可引发连续并持续进行的热核反应而不使用附加能量输入设备（如激光 器160）。因此，在某些实施方案中，热核反应系统100可省去激光器160 或其他附加能量输入设备，并且，会聚经加速至足够动能的足够量的粒子 束135本身就足以点燃热核聚变反应并使其持续进行。

然而，会聚粒子束135本身可能不足以点燃等离子体球145并引发热 核聚变反应。因此，在某些实施方案中，最初可使用激光器160或其它附 加能量输入设备直至在反应室110内已引发热核聚变反应，但其后所述激 光器160或其他附加能量输入设备停用。该情况下，因粒子束135的会聚 而发生的粒子碰撞所产生的热足以使反应器110内的连续热核反应持续 进行，无需受益于由激光器160或其他附加能量输入设备供应的额外输入 能量。

在某些实施方案中，用启动电感器（未示出）引发所述聚变反应。所 述启动电感器通过共聚焦区域140连接粒子束发射器130。所述电感器可 仅仅是中空的金属（例如铜）管或非金属（例如石墨）管。有些电感器可 容纳指向共聚焦区域140的粒子束135，而其他电感器可容纳随聚变产物 射出的粒子束。所述启动电感器用于建立碰撞/穿透燃料粒子束以会聚于 其最终的箍缩配置（pinched configuration）的初始边界条件。然后，给 这些启动电感器施加电压和电流，当启动电感器因焦耳热而熔融和/或汽 化时，从共聚焦区域140开始，粒子束135迅速地变为在共聚焦区域140 相互碰撞和穿透的导电闪电。

在某些实施方案中，聚变室内的等离子体球145可包含在强磁场内， 该磁场由通过粒子束135和等离子体球145中心的多股直的会聚的电流所 产生。

确定热核反应系统100的特定参数通常包括详细的分析计算、计算机 模拟和微调聚变点火试验。例如，应当被确定的特定参数包括粒子束135 的数量、密度、温度、尺寸和速率，以及粒子束发射器130与共聚焦区域 140之间的间距，以及反应室110的涂层材料的厚度。此外，如果热核反 应系统100包括激光器160，那么还应确定激光器160和激光束165（和/ 或其他附加能量输入设备）的数量、频率和尺寸，以及任意激光导管（如 提供）与共聚焦区域140之间的距离。在热核反应系统100的不同的实施 方案中，本文所描述的元件可以有不同的组合和配置。

现参考图2，其示出了示例性粒子束发射器200的示意图，该粒子束 发射器200可用于实施根据至少一个实施方案的图1所示的任意或全部粒 子束发射器130。粒子束发射器200包括具有第一端部212、第二端部214 和内表面（未示出）的中空圆柱粒子束管210。粒子束管210可由熔融温 度显著高于容纳在粒子束发射器200内的高能等离子体或离子化粒子的 平衡温度的导电材料组成。在某些实施方案中，粒子束管210可由熔融温 度超过1,800℃的材料或组合物形成。或者，粒子束管210的内表面可涂 覆有熔融温度为1,800℃或更高的材料或组合物。用于形成或涂覆粒子束 管210内表面的合适材料的实例包括，但不限于，钨和石墨。在某些实施 方案中，粒子束管210可由内表面涂覆有一层碳化钽铪（Ta₄HfC₅）（熔 点为约4200℃）或熔点通常高于碳基材料例如石墨烯的其他化合物的中 空石墨烯圆柱组成。

在图2所示的示例配置中，粒子束管210的第一端部212与燃料喷射 器（例如图1所示的燃料喷射器120）呈流体连通以接收包含至少一种热 核燃料粒子的等离子体220。例如，等离子体220可包含或的粒子 或一些其他类型的热核燃料粒子。等离子体220通常可由燃料喷射器在较 高的压力和温度下提供至粒子束管210。为了将供应的等离子体220提供 至粒子束发射器200，燃料喷射器可通过加热和/或离子化过程使内部供应 或单独的外部供应的热核燃料粒子在等离子体220被粒子束管210的第一 端部212接收之前转化为等离子态。

粒子束管210的第二端部214位于第一端部212的对侧且可与反应室 110（图1）呈流体连通。这使得粒子束发射器200能够向反应室110发 射相应的一束粒子束135（图1）。在某些实施方案中，第二端部214的 至少一部分部分地向反应室110内延伸所需深度。第二端部214的延伸深 度可以根据应用而变化，以符合热核反应系统100（图1）的设计和/或性 能标准。然而，应保持每个粒子束管210的第二端部214与共聚焦区域 140（图1）之间的最短距离以在反应室110内主要的极端运行条件下确 保粒子束发射器200安全运行。如上所讨论，需要进行设计计算、计算机 模拟和微调聚变点火试验以确定热核反应系统100的实施方案的设计参 数。

粒子束发射器200还可包括用于产生电磁场（未示出）的电磁系统 230以利用“箍缩”概念的变型（有时也称作“Z-箍缩”概念）在粒子束 管210内为等离子体220提供径向约束和线性加速。根据箍缩概念，流过 等离子体的电流与感生的（和/或外部施加的）磁场之间的相互作用在与 流过等离子体的电流方向正交的方向上造成等离子体向内压缩。实际上， 通过感生与粒子束管210的中心轴216方向平行流动的轴向电流，等离子 体220的作用某种程度上类似于多条载有电流的导线，其中每条导线均载 有朝向相同轴向方向的电流。因此，等离子体“导线”各自均被相互作用 的Lorentz力拉向彼此，总的结果是，等离子体220朝着粒子束管210的 中心轴216向内收缩，等离子体220在粒子束管210内聚集。随着等离子 体220向内收缩和聚集，等离子体220的密度增加；密集的等离子体能够 产生密集的磁场，使作用于等离子体220的向内的力增加，并使等离子体 220在中心轴216附近进一步压缩和聚集。

为了实现等离子体220的箍缩，电磁系统230还可包括电压源232， 其与粒子束管210电连接并配置为产生在粒子束管210的中空圆柱部分流 动的初级电流234。例如，电压源232可在第一端部212和第二端部214 之间产生电势差，以使初级电流234围绕中空圆柱部分的全部或基本上全 部外围于第一端部212和第二端部214之间流动。与初级电流234相对应 的磁场感生次级电流236，其通常在等离子体220内轴向流动并产生上述 Z-箍缩效应。

当初级电流234的参数（例如频率和振幅）得到合适地控制时，次级 电流236与初级电流234所对应的磁场相互作用以在粒子束管210内产生 径向力场238。径向力场238通常向内指向中心轴216。径向力场238将 使任何存在于粒子束管210中的等离子体220趋向中心轴216。随着等离 子体220密度的增加，产生的压力梯度使等离子体沿着中心轴216线性加 速。位于第一端部212的压力阀或类似物（未示出）防止等离子体220 流回燃料喷射器，并驱使等离子体220以较高的速度向第二端部214流动， 等离子体220在第二端部214从粒子束发射器200射出，作为一束粒子束 135进入反应室110内。粒子束135的出口速度可根据电磁箍缩过程中等 离子体220所经历的压力梯度而控制：等离子体220所经历的压力梯度越 大，粒子束135的出口速度越高。

在某些实施方案中，电压源232可与包含于每一对相对的粒子束发射 器130中的粒子束管210连接。如本文所使用的，当将粒子束发射器130 在共平面上定向为相距约180度从而使一对粒子束发射器130沿着线性轨 迹基本上彼此相对时，两个粒子束发射器130可理解为彼此相对。因此， 当粒子束135从粒子束发射器130射出且等离子体球145被点燃时，在每 一对相对的粒子束发射器130与电压源232之间通过粒子束135和等离子 体球145形成闭合电环。电压源232（或可替代地为其他合适的电压源） 也可与多对相对的粒子束发射器连接以形成多个相对应的闭合电环。

最初由电压源232供给的高压可用于使包含于形成闭合电环的一部 分的一对相对粒子束发射器130中的各燃料粒子带电。在某些实施方案 中，燃料粒子最初在进入一对相对的粒子束发射器130的第一端部212 时处于较低的温度（例如约300°K）。作为对所施加高压的响应，燃料粒 子会转变为等离子体220，并随后形成使等离子体220向中心轴216箍缩 的次级电流236。由于闭合电环，在粒子束管210内会产生箍缩，并且随 着粒子束135向前移动并会聚于共聚焦区域140，箍缩还会继续，由此进 一步增加等离子体球145内的粒子密度。可保持最初施加的高压或在这之 后减至最小保持电压，从而提供所需恒定水平的电流，从而达到相互碰撞 的成对粒子束135的中心轴216周围所需的能量聚集水平。然而，需要保 持足够的电流以使闪电的形式的粒子束箍缩至所需大小。粒子束在离开其 发射器后不久因电流引起的焦耳热而变为等离子体和闪电。包含于闭合电 环中的粒子束135的对数也可发生变化以在共聚焦区域140因粒子束135 的聚焦而产生所需的能量聚集水平。

在某些实施方案中，使用足够大的DC电流使粒子束135箍缩为连续 的闪电。在其他实施方案中，使用足够大的AC电流代替DC电流以在减 小的能量输入成本下形成闪电。可优化AC参数（例如强度、频率和相位 角）以使基于计算机模拟和测试结果的聚变反应速率最大化。例如，在多 个闪电中的AC电流的相位角可设置为在指向共聚焦区域140的粒子束 135内产生冲击波，从而使等离子体球145处的能量聚集最大化。在某些 实施方案中，电磁系统230还包括多个沿着粒子束管210的至少一部分围 绕中心轴216轴向排列的电磁线圈240。电磁线圈240用于在粒子束管210 内产生轴向磁场（未示出），该轴向磁场给粒子束管210内的等离子体 220提供额外径向约束。因此，随着等离子体220沿着中心轴216被压缩， 等离子体220的稳定性提高（下文将进一步讨论）。电磁线圈240通常可 围绕着粒子束管210，并且通常可位于与粒子束管210极为接近的地方。 在某些实施方案中，粒子束管210的外部支承电磁线圈240，但电磁线圈 240可通过合适的热绝缘和/或电绝缘设备（未示出）而与粒子束管210 分离。在粒子束发射器200内包含电磁线圈240是任选的，并且在有些情 况下，取决于用于特定聚变反应堆设计的粒子束135所需的速率。

替代地或另外地，粒子束发射器200还可包括外磁铁250以给粒子束 管210内的等离子体220提供额外径向约束。外磁铁250可包括永磁铁或 电磁铁，并且可以提供所需磁场和所需额外约束的任何合适的排布方式配 置。例如，外磁铁250相对于粒子束管210的位置可以是固定的，或者外 磁铁250可以相对于粒子束管210可移动地固定，以便围绕粒子束管210 可移动。因此，由外磁铁250产生的磁场可以是静态的或随时间变化的。

在某些实施方案中，粒子束发射器200可包括一对可围绕中心轴216 旋转的永磁铁或电磁铁。由外磁铁250围绕中心轴216旋转产生的随时间 变化的磁场还可用于感生在通常沿轴向（即平行于中心轴216）流动的等 离子体220内的次级电流236。为使外磁铁250围绕中心轴216旋转，可 将其附着于粒子束管210或以其他方式由粒子束管210支承。或者，外磁 铁250可由靠近粒子束管210的外部支承系统（未示出）支承。

在某些实施方案中，外磁铁250可包括多于一对永磁铁或电磁铁。每 对永磁铁或电磁铁可使用与上述支承方式类似的配置方式支承在粒子束 发射器200内。每对永磁铁或电磁铁的排布可相同或彼此不同。例如，距 离中心轴216的径向距离可相同或对与对之间不同。因此，至少一对永磁 铁或电磁铁与至少另一对以不同的径向距离而与中心轴216空间相隔。或 者，每对永磁铁或电磁铁可相对于中心轴216具有相同的径向距离。

在不同的实施方案中，外磁铁205的轴向长度和位置可以变化。例如， 在某些实施方案中，外磁铁250可横跨粒子束管210的整个轴向长度或几 乎整个轴向长度（此排布仅为说明的目的示于图2）。或者在某些实施方 案中，两个或多个被气隙隔开的外磁铁250可沿着粒子束管210的长度轴 向对齐排布。在此情况下，轴向对齐的外磁铁250之间的气隙宽度可以近 似相等。例如，两个或三个或任意其他合适数量的外磁铁250可以横跨粒 子束管210的轴向长度。

在某些实施方案中，粒子束发射器200用由氢气和氘气组成的热核燃 料混合物运行。氢气和氘气在燃料喷射器（例如燃料喷射器120）中加热 以从氢原子核和氘原子核中离解出电子，直至氢气和氘气完全或几乎完全 以其等离子态存在，由此形成等离子态220。通常，这将涉及将燃料喷射 器内的热核燃料混合物加热至1800℃或更高的温度。一旦被加热，氢和 氘等离子体的混合物即从燃料喷射器被供给至粒子束管210的第一端部 212。在粒子束管210内，由电磁系统230产生的初级电流234在等离子 体220内感生次级电流236。如上所述，得到的电磁场向第二端部214的 等离子体220提供径向约束和轴向加速。

为了加热氢气和氘气，在某些实施方案中，燃料喷射器可包括通过至 少一个高温炉进料的多个燃料通道。将氢气和氘气通过燃料通道泵送（每 个燃料通道仅可容纳两种气体中的一种），其中，由高温炉辐射出的热量 将氢气和氘气加热至所需温度。为了耐受高温炉产生的热量，每个燃料通 道可由具有极高熔点例如远高于1800℃的材料或材料组合物组成。例如， 如上所述，石墨和钨为用于燃料通道的合适材料的一些非限制性实例。

或者，在某些实施方案中，氢气和氘气可在燃料喷射器内混合在一起 并通过其它机理或方法通过加热转化为其等离子态。例如，氢气和氘气的 混合物可在通过燃料喷射器向粒子束发射器200输送的过程中经受高频 电磁波。由高频电磁波施予的能量可用于使泵入的氢气和氘气的动能增加 至足够高的水平。通过高频电磁波的加热类似于在某些现有的托克马克机 （tokamak machine），例如ITER中进行的加热。此外，燃料喷射器还 可由具有极高熔点例如远高于1800℃的材料或材料组合物形成或涂覆。 石墨、钨和碳化钽铪（Ta₄HfC₅）提供用于燃料喷射器的合适材料的非限 制性实例。

图2所示的示意性配置仅为说明性的，其他配置也可用于产生粒子束 发射。例如，每个粒子束发射器200可包括多个粒子束管（类似于粒子束 管210），且每个粒子束管都能将其中一束粒子束135射入反应室110内。 换言之，在某些实施方案中，粒子束发射器200能够将多束粒子束135 射入反应室110内。

现参考图1和图2，在某些实施方案中，一个或多个粒子束管（例如 粒子束管210）可延伸至反应室110内一定的距离，以给粒子束135提供 （额外的）方向性的引导，从而增加其与粒子束135中其他单独的粒子束 在共聚焦区域140的会聚。然而，应保持每个粒子束管210的第二端部 214与共聚焦区域140之间的最短距离，以确保在反应室110内的极端运 行条件下粒子束发射器130的安全运行。

在某些实施方案中，两对或三对正交的粒子束发射器130的配置可用 在圆柱形反应室110内，从而产生三维无干扰磁场以使等离子体球145 包含在共聚焦区域140内。在其他实施方案中，多组正交粒子束发射器 130对的复杂配置可用在球形聚变室中，从而通过汇聚增加能量聚集，并 提高等离子体球145的稳定性。

还可对粒子束管210的第二端部214进行改进，使其具有指向所需方 向的平缓而光滑的弯曲。可控制第二端部214的曲率为使接近第二端部 214的初级电流234的方向稍微改变或偏离。因此，由与初级电流234相 关的磁场感生的次级电流236也因初级电流234与次级电流236之间的耦 合而弯曲或偏离至相同的所需方向。接着，次级电流236的偏离以这样一 种方式使粒子束管210内的磁场发生改变：从粒子束管210发射出的高能 粒子聚焦并会聚在共聚焦区域140。如上所述，粒子束发射器200的所述 替代性验证可用作会聚元件150的替代性选择或除会聚元件150之外还可 使用粒子束发射器200。

如上所述，确定热核反应系统100的具体参数将涉及详细的分析计 算、计算机模拟和微调聚变燃烧试验。例如，应被确定的具体参数包括粒 子束管210的厚度和直径，初级电流234和次级电流236各自的强度，由 电磁线圈240和/或外磁铁250产生的磁场的强度和构造，以及粒子束管 210与共聚焦区域140之间的间隔距离。

热核反应系统100可使用一种或多种合适的热核燃料粒子作为一个 或多个已知聚变反应路径的一部分而运行。例如，热核反应系统100可使 用氘、氚和锂来实施如上所述的氘-氚反应循环。在某些实施方案中，热 核反应系统100使用和的结合来实施同样如上所述的质子-质子聚 变循环。当为质子-质子聚变循环中的主能量源时，粒子被用于在 的参与下产生足够量的中间产物但如上所述，也可由于量子 隧道效应和较弱的相互作用以缓慢的过程转化为

用于这种质子-质子反应的和热核燃料粒子的供应几乎是无穷 无尽的，这是因为地球上大约每6,500个氢原子中就有1个是氘原子，并 且和均可容易地从海水中提取。在某些实施方案中，一加仑海水将 提供相当于约300加仑汽油的能量输出。

现参考附图3，示出根据至少一个实施方案的与现有核裂变反应堆设 计（例如CANDU设计）结合的热核反应系统的示意图。在该示例性实 施方案中，热核反应系统（例如图1所示的热核反应系统100）中引发连 续的质子-质子聚变反应，并在分离设备310中从海水中提取氢和氘热核 燃料粒子。

除去杂质后，含有氘化水（有时称作HDO）的海水和H₂O进入分离 设备310，其中和与O₂分离。接着，由分离设备310产生的和气体进入燃料喷射器320（其可类似于或相当于本文如上参考图1所描述 的燃料喷射器120），其中和气体被加热以形成待提供至一个或多 个粒子束发射器330（其可类似于或相当于本文如上参考图2所描述的粒 子束发射器200）的热核燃料粒子的等离子体。

如上所述，粒子束发射器330会向反应室340的共聚焦区域335发射 出由热核燃料粒子组成的粒子束，产生足以引发且至少在有些情况下使连 续的（或伪连续的）热核聚变反应持续进行的密度和温度条件。

主冷却系统350使用水（或任何其他合适的冷却液）吸收至少一些通 过反应室340内发生的热核聚变反应产生的热量。主冷却系统350还连接 至一个或多个蒸汽发生器360；从蒸汽发生器360输出的蒸汽可用于驱动 涡轮和发电机（未示出）发电。

与现有核反应堆设计结合可使设计和制造整个聚变反应堆的时间最 小化。例如，现有的CANDU反应堆可根据本发明热核反应系统的实施 方案通过如下方式改进：用聚变反应室代替排管式（Calandria）裂变反 应堆芯、移除燃料棒束和燃料装料机、用简单的压力管代替燃料通道组件、 围绕聚变室安装粒子束发射器、用普通的水代替用于CANDU设计的重 水（因为没有需要调节的中子）、用气体收集罐370代替重水蓄压器以及 装入分离设备310。

气体收集罐370用于收集未反应的热核燃料粒子和聚变反应产物，这 是因为并非所有注入反应室的和粒子均会经历与其他反应物粒子 的聚变反应。在某些实施方案中，气体收集罐370可基于不同燃料粒子的 的相对浮力运行。例如，热核反应中的反应物燃料粒子（例如，所述和 粒子）一方面与聚变反应的产物粒子（例如，He粒子）之间的密度存 在较大的差异，另一方面，与冷却液的之间的密度也存在较大的差异。因 此，较轻的气体粒子通常因浮力效应而穿过冷却液向上流动，导致较轻的 气体在气体收集罐370的上部聚集。较重的冷却液相应地向气体收集罐 370的下部聚集。

为了从较重的冷却液中分离出较轻的气体粒子，气体收集罐370在上 部可包括排气阀或其他外部供给装置（external feed），通过所述装置可 连续泵入气体。由于较轻的气体作为与流过主冷却系统的冷却液的混合物 存在，因此一些气体在冷却液流过主冷却系统的一个循环之后可能仍未被 收集。但是，随着在其他循环过程中冷却液被连续泵入主冷却系统，未被 收集的气体最终会被气体收集罐370收集。

气体收集罐370中收集的未反应的气体和聚变产物可随后被输入分 离设备310以再利用。除未反应的气体和聚变产物外，少量接近中心区域 的冷却水会因反应室340内发生的热核聚变反应产生的热量而离解为H₂、 D₂和O₂。如果冷却水离解为H₂、D₂和O₂，则该H₂、D₂和O₂将被气体 收集罐370收集并移至分离设备310，沿着与图3所示的H₂、D₂和He 气体相似的路径。

在某些实施方案中，气体收集罐370可通过安装至少一个压力阀而改 进，以实现附加的功能，即冷却水蓄压器。对气体收集罐370的这一改进 能够使气体收集罐370控制和达到通过主冷却系统泵入的冷却液的所需 压力水平。

为了保持燃料粒子循环中所需的浓度水平，以优化热核反应系统 的性能，可以从分离设备310中移出一定量的气，伴随着移出O₂和 He气。所需的浓度水平可通过详细的设计计算确定；浓度越高， 热核反应系统的聚变能输出越高。

在某些实施方案中，从气体收集罐370收集的未反应的燃料粒子可在 闭路循环中与新供给的相同或不同类型的燃料粒子混合在一起。例如，从 气体收集罐370收集的氢-1的粒子或氢-1和氢-2的混合物可与新供给的 氢-1或氢-1和氢-2的混合物混合在一起。但是，该实例为非限制性的。 收集的燃料粒子和新燃料粒子得到的闭路循环可包括一个或多个分离设 备（例如，图3的分离设备310）、一个或多个燃料喷射器（例如，图1 的燃料喷射器120）和多个粒子束发射器（例如，图2的粒子束发射器200）。 闭路循环的最低运行温度可通过本文所述的反应室110内发生的热核聚 变反应所产生的热量保持在1800℃或更高。结果是，用于推进热核聚变 反应的燃料粒子基本上连续保持在等离子态，而无需在将燃料粒子供给至 粒子束发射器以用于在反应室110中再次发射之前将燃料喷射器中的燃 料粒子再次加热为等离子体。

如上所述，热核反应系统100优选使用和的结合以实现质子- 质子聚变循环。然而，未来一代的核聚变反应堆也能够使用其他元素—— 例如He、B、Li、C、Ne、O等的同位素——作为热核燃料。理论上，可 设计一系列聚变反应以使从聚变反应路径的能量输出最大化（例如，聚变 反应可设计为具有聚变路径H→He→C→Ne→O→Si）。

在某些实施方案中，海水可被纯化以除去沙子、盐或其他杂质，并作 为热核燃料源通过至少一个燃料喷射器供给至部分或全部参照图2所示 的粒子束发射器200。纯化的海水可在至少一个燃料喷射器中或随后在粒 子束发射器中进行加热。对纯化的海水进行加热将导致水分子离解为O₂、 H₂和D₂气体，并且在具有充足热量的热源的情况下，至少一部分H₂和 D₂气体因升温而进一步转变为等离子体。因此，在某些实施方案中，纯 化的海水通过在至少一个燃料喷射器内或随后在至少一个粒子束发射器 200内加热而自动分离为不同类型的热核燃料。因此，至少在有些情况下， 不需要额外的分离设备来提供热核反应系统100中所使用的热核燃料。

在某些实施方案中，将含0.01%氘粒子且在聚变室内变为氧和氢同位 素的等离子体混合物的普通水用作聚变反应的燃料。在其他实施方案中， 使用加入重水的普通水以增加聚变能。重水的浓度水平决定产生的聚变能 水平，重水的浓度越高，氘粒子的浓度越高，因此能量输出也越高。在这 些实施方案中使用氧气粒子的目的是(1)包含在低温下呈液体形式的氢同 位素以方便处理以及(2)促进有效碰撞并因此促进聚变室聚焦区域中氢同 位素的聚变作为由重核组成的电阻壁（resistive wall）。

在某些实施方案中，加入重元素（例如水中的氧、空气中的氮、海水 中的Na/Cl或金属元素）作为催化剂以加速聚变反应，其通过用作电阻壁 以促进共聚焦区域中的有效热碰撞。

虽然以上描述提供了实施方案的实施例，但应理解，在不背离所描述 实施方案的实施精神和原则的前提下，容易对所描述实施方案的一些特性 和/或功能进行改进。因此，上文已描述的内容本意仅为说明性的，而非 限制性的。