CN116034629A

CN116034629A - 轨道约束聚变装置

Info

Publication number: CN116034629A
Application number: CN202180054344.9A
Authority: CN
Inventors: 罗宾·兰特里; 布赖恩·赖尔登
Original assignee: Avalanche Energy Design Co
Current assignee: Avalanche Energy Design Co
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2023-04-28
Also published as: AU2021336896A1; CA3190754A1; US20230140886A1; EP4208881A2; WO2022051514A3; US20220375628A1; WO2022051514A2; EP4208881A4; US11568999B2; IL300751A; MX2023002448A; SA523442765B1; US20240347217A1; US11948697B2; KR20230058654A; JP2023540148A

Abstract

本发明描述了用于产生轨道约束聚变反应的系统、装置和方法。轨道约束聚变装置可以包括限定装置的纵向轴线的阴极内电极。该内电极可以包括发射器材料。该轨道约束聚变装置可以包括阳极外电极，该阳极外电极与纵向轴线同心，并且在内电极和外电极之间限定了腔室。该轨道约束聚变装置还可以包括多个磁场发生器，多个磁场发生器相对于纵向轴线同轴布置。多个磁场发生器可以被配置成在腔室中形成平行于纵向轴线的磁场。

Description

轨道约束聚变装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年9月2日提交的、名称为“受控链式反应核聚变装置”(Controlled Chain-Reaction Fusion Device)的美国临时专利申请63/073812的权益，其全部内容通过引用的方式结合于此。

背景技术

核聚变是两个或多个轻原子结合形成一个或多个重原子的反应。由于质量亏损，当比铁-56或镍-62轻的元素聚变时，能量被释放，如E＝mc²所描述的。当两个或多个原子核克服正原子核之间排斥的静电力所产生的库仑势垒，使原子核在空间上接近时，核聚变开始。聚变是量子隧穿的结果，允许原子核结合成核素聚变产物，并且伴随着聚变能量的释放。

一种称为热核聚变的产生聚变反应的方法，包括：将燃料原子加热至电离温度以上，增加离子密度和离子的热动能，使燃料原子核聚变。相比之下，轨道约束聚变包括：通过将离子的动能增加至碰撞会导致核聚变的程度来加速离子，以引发核聚变。

聚变长期以来一直是一种有吸引力的能量来源，因为反应不会产生温室气体，没有持久的放射性废物，扩散风险低，没有堆芯熔毁风险，并且所需的元素广泛可用，几乎取之不尽。尽管自核聚变背后的物理理论框架形成以来，核聚变一直是一个重要的研究工作和投资的主题，但启动、控制和维持聚变反应以产生有用的能量的方法仍然难以捉摸。为了解决电子碰撞损失带来的限制，聚变研究集中于热核聚变。因此，聚变反应器的发展一直以等离子体约束技术(plasma confinement technologies)为主，以容纳“热”等离子体，即电子和离子在约1亿开尔文的平均温度下处于热平衡的等离子体。受控热核聚变包括：将热等离子体维持在足以产生正的净能量输出的密度和约束时间，这对核聚变的成功实施构成了根本性挑战。

目前，磁约束和惯性约束是实现受控热核聚变的主要研究目标。惯性约束和磁约束方法的研究通常包括国际研究工作和多机构的协作研究工作，这导致了大型设施、超过数十亿美元的资本投资和数十年的设计周期。在技术层面上，此类项目仍在与等离子体不稳定性、材料限制和低能量产额作斗争。目前还没有聚变反应器达到收支平衡的条件。至少出于这些原因，需要能够实现净能量增益、占用空间更小的等离子体聚变装置，这些装置可以由个人或单个实体而非联合体或政府规模的组织来建造和维护。

发明内容

提供该发明内容是为了以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下面的详细说明中进一步描述。本发明内容不旨在识别所要求保护主题的关键特征，也不旨在用作确定所要求保护主题的范围的辅助。

本申请描述了用于产生轨道约束聚变反应的系统、装置和方法。轨道约束聚变装置可以包括限定装置的纵向轴线的阴极内电极。该内电极可以包括发射器材料。该轨道约束聚变装置可以包括阳极外电极，该阳极外电极与纵向轴线同心，并且在该内电极和该外电极之间限定腔室。该轨道约束聚变装置还可以包括多个磁场发生器，该多个磁场发生器相对于纵向轴线同轴布置。该多个磁场发生器可以被配置成在腔室中形成平行于纵向轴线的磁场。

在一些实施例中，内电极和外电极是围绕纵向轴线对称的、旋转的固体，并且当通电时可以成形为在腔室中形成大致对数的静电场。内电极的特征在于：沿纵向轴线的长宽比大于1。外电极沿纵向轴线的长度可以大于内电极的最大直径。外电极可以包括相对于纵向轴线横向设置的第一阳极壳和第二阳极壳，以及设置于第一阳极壳与第二阳极壳之间并将其电隔离的介电绝缘体。

在一些实施例中，磁场的特征在于：磁场强度超过霍尔截止条件(Hull cut-offcondition)，以在腔室内围绕内电极的轨道路径中捕获电子。多个磁场发生器可以是永磁体，或包括永磁体。多个磁场发生器可以是电磁体，或包括电磁体。轨道约束聚变装置还可以包括与内电极电联接的高压电源，并且在约50kV直流至约4.0MV直流的范围内运行。内电极可以限定第一端部和第二端部。轨道约束聚变装置还可以包括第一介电绝缘体和第二介电绝缘体，该第一介电绝缘体与第一端部机械联接并将第一端部与外电极隔离，该第二介电绝缘体设置于第二端部和外电极之间的腔室中并将第二端部与外电极隔离。第一介电绝缘体可以限定绝缘腔，并且可以将高压电源与外电极电隔离。

在一些实施例中，外电极限定孔，使孔对齐以限定注入轨迹，该注入轨迹对应于内电极周围的具有给定的质量电荷比的离子进入稳定椭圆轨道的俯仰角。离子可以是但不限于质子(m/z＝1)、氘离子(m/z＝2)、氚离子(m/z＝3)、锂-6离子(m/z＝6)或硼-11离子(m/z＝11)。外电极可以进一步限定与腔室和外部环境流体联接的端口。该端口可以被配置成与真空系统流体联接。发射器材料可以设置于内电极上或集成于内电极中。当内电极通电时，发射器材料可以被配置成将电子注入至腔室内。发射器材料可以是或包括热离子发射器材料。

在一些实施例中，轨道约束聚变装置还包括像电流装置，该像电流装置与外电极电联接，并被配置成从围绕内电极运动的多个带电粒子产生电能，该多个带电粒子表现出与纵向轴线对齐的谐波轴向运动。该轨道约束聚变装置还可以包括设置于外电极或内电极中的流体导管。该轨道约束聚变装置的特征可以在于：数十厘米的物理尺寸。在一些实施例中，轨道约束聚变装置与电力系统电联接，该电力系统被配置成从装置接收电力或加热的冷却剂。

在上述聚变装置中产生轨道约束聚变能的方法可以包括：将内电极通电至约50kV直流至约4.0MV直流的电压，从而在内电极和外电极之间形成对数静电场，并且将多个电子注入腔室内。该方法可以包括：将燃料离子的束以与内电极的表面相切的角度注入腔室内，使燃料离子与静电场相互作用，并且进入内电极周围的椭圆轨道。该方法还可以包括：使用多个磁场发生器产生与纵向轴线对齐的磁场，磁场的特征在于：对应于霍尔截止条件的强度，并且将电子重定向回到内电极。

在一些实施例中，该方法还包括：使冷却剂流过流体导管，通过与外电极接触来加热冷却剂，并且使用加热的冷却剂来发电。该方法还可以包括：使用电荷图像电路向外电极施加射频(radio-frequency，RF)电压信号，其中，射频电压信号的频率对应于腔室中的带电粒子沿与纵向轴线对齐的方向的振荡。该方法还可以包括：使用电荷图像电路生成射频电流，并且使用射频-直流整流器电路从射频电流生成直流电流。

附图说明

当结合附图时，通过参考下面的详细说明，本发明的上述方面和许多伴随的优点将变得更容易领会，并更好地理解，其中：

根据本申请的一些实施例，图1为示出用于使用轨道约束反应器装置产生能量的示例系统的示意图。

根据一些实施例，图2A为示出结合两部分的外电极的示例反应器装置的示意图。

根据一些实施例，图2B为示出结合单部分的外阳极的示例反应器装置的示意图。

根据一些实施例，图2C为示出在四分之三截面中结合两部分的外阳极的示例反应器装置的示意图。

根据一些实施例，图3为示出示例离子注入系统的示意图。

根据一些实施例，图4为示出示例反应器装置和磁场发生器配置的示意图。

根据一些实施例，图5为示出发射的电子和轨道离子相互作用的端视图表达的示意图。

根据一些实施例，图6为示出三个关键设计点在125keV平均电子温度下的示例轨道约束反应器装置的反应速率(纵坐标)和密度(横坐标)的曲线图。

根据一些实施例，图7为示出使用轨道约束反应器装置产生能量或中子的示例过程的框图。

除非另有规定，在各个视图中，相同的附图标记表示相同的部件。在适当的情况下，并非所有元素的实例都必须被标记，以减少附图中的混乱。附图不一定是按比例绘制的，而是强调说明所描述的原理。

具体实施方式

虽然已经示出和描述了说明性实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变。

简介：

轨道离子约束的概念于1923年在金登阱(Kingdon trap)中被首次提出。金登阱由细的中心导线、外圆柱形电极和两端的隔离端帽电极组成。在导线和电极之间施加的静态电压导致它们之间的径向对数电势。离子以围绕中心导线的有限角动量被存储，并且装置中施加的电场允许在相对较长的时间段内稳定的离子轨迹。奈特阱(Knight trap)是金登阱的一种变体，它修改了外电极，以将离子约束在围绕阱圆柱轴线的轨道上，并且进行谐波轴向运动。谐波轴向运动是受限离子的电荷质量比(Z/m)的特征，并且可以通过像电流射频(radio frequency，RF)来测量，其中不同质量的离子的组合产生使用傅里叶变换技术解卷积的卷积射频信号。轨道阱(orbitrap)是奈特阱几何结构的改进，它消除了离子径向运动和轴向运动之间的交叉联接项，从而产生了高度灵敏的质谱仪。

金登阱、奈特阱和轨道阱代表通过质量来探测和区分离子的敏感仪器，但它们本身无法从核聚变中提取能量或中子。该限制至少部分归因于诸如压力、温度、静电场强度、磁场强度、离子密度或空间电荷、离子能量分布等运行参数。此外，离子质量传感器将离子与离子源隔离，离子源通常是使用等离子体质谱系统(例如，电感联接等离子体质谱(ICP-MS))中的分析物所形成的电离等离子体，其中离子不是合适的聚变燃料。相反，电极之间的空间保持没有电子，这至少部分用于通过降低离子密度并增加谐波轴向运动来提高仪器的灵敏度，以提高信号分辨率。因此，轨道约束聚变装置意味着与轨道阱质量传感器的结构和运行的显著偏离，而非修改运行参数或包括一个或多个离散结构元件以增加新功能。

例如，基于轨道约束的核聚变装置通过激发轻离子之间的聚变事件以形成重离子来产生能量。用聚变反应速率常数“k”来描述，轨道约束聚变包括在大约一秒或多秒的相对长的时间段内将燃料和反应产物离子约束在一起，并且将相对较长的粒子轨道距离限制在约1×10⁸cm。以这种方式约束离子有助于增加能量传递散射事件的数量，达到更可能发生聚变反应的程度，如下面的碰撞截面所描述的。轨道离子约束可以实现离子约束次数、距离和能量以引发核聚变。与其他离子阱设计相比，金登/轨道阱质量传感器可以实现约2×10¹⁰atoms/cm³(微粒数量/立方厘米)的相对较高的空间电荷，但无法实现轨道约束反应器装置中产生的约1×10¹²-1×10¹⁵atoms/cm³的空间电荷。

相比之下，轨道约束聚变反应器通过引导和约束轨道中的电子以及中心电极周围的离子来增加离子空间电荷。至少部分通过屏蔽离子-离子排斥，通过电子注入空间电荷可以抵消正的离子空间电荷，增加可实现的离子密度。电子约束可以通过与用于离子约束的物理机制不同的物理机制来促进，作为提供装置中离子和电子轨道的独立控制的方法，从而改进反应器控制并提高反应器效率。示例性地，如在磁控管型(magnetron-type)磁场发生器中那样，可以产生与轨道约束反应器的纵向轴线平行的磁场，该磁场超过霍尔截止条件，在与磁场方向正交的方向上弯曲电子轨迹，并且由此在与轨道离子相同的方向上诱导电子围绕中心电极的弯曲磁控管型运动，从而减少离子的束和/或聚变等离子体的双流不稳定性，并且减少归因于电子-离子碰撞的损失。

聚变反应器装置的运行窗口可以至少部分地根据等离子体密度、温度和约束时间(nTτ)的聚变三重积(fusion triple product)来确定。作为品质因数，三重积描述了聚变反应在产生净正能量的同时可控且可重复发生的条件，这被称为劳森判据(Lawsoncriterion)。密度、温度和约束时间可以通过反应器装置的运行参数来控制。例如，增加从燃料离子源进入聚变反应器的离子通量可以增加等离子体密度，而增加静电场强度可以通过将离子加速到更高的平均速度来增加温度。这些参数是联接的，使得增加一个参数可以影响另一个参数。例如，增加等离子体密度可以增加碰撞损失，并且可以减少离子撞击反应器表面时的约束时间。三重积可以用于导出反应器装置的静电场强度、磁场强度、离子通量和电子通量参数。

通过这种方式，反应器条件可以达到核聚变产生净正能量的程度。在一说明性示例中，燃料离子在内电极和外电极之间被切向注入，并且进入具有足够能量的静电场内，以假设围绕内电极的稳定椭圆轨道。在椭圆轨道上，带正电的燃料离子向负的内电极加速，将势能转化为动能，直到到达椭圆轨道的近地点。到达近地点后，燃料离子减速，同时远离负的阴极电势并储存势能，直到到达椭圆轨道的远地点。燃料离子在约一秒钟的时间段内在反应器中完成数百万次这样的轨道运行。此外，离子椭圆轨道可以与其他离子的椭圆轨道相交数百万次，这增加了相对不太可能的聚变事件发生的概率。最终，在碰撞轨道的轨迹上的燃料离子之间发生聚变事件，释放出聚变反应产物，包括但不限于带电粒子(α、氦-3、质子、氚等)、辐射和热能。

在聚变事件之后，一部分聚变反应带电粒子碰撞电极，将动能转化为热量，并且将热量散发到装置中。此外，未反应的燃料离子最终碰撞带负电的电极，进一步加热装置。反应器中的冷却通道可以提取热量，这些热量可以通过热力循环来用于发电(例如，通过塞贝克(Seebeck)热电发电机装置或热交换器系统)。剩余的聚变反应产物粒子在负的阴极势阱周围呈现稳定的轨道。聚变产物的速度比燃料离子更快，也绕着内电极运行，可以通过拉塞福上散射(Rutherford upscattering)相互作用将动能传递给燃料离子。在多次离子-离子散射碰撞后，聚变产物与反应器内表面碰撞，产生额外的热量。上散射的燃料离子遵循圆形轨道，这提高了有效离子温度、聚变等离子体的反应性和整体聚变反应速率。通过这种方式，轨道约束反应器装置可以以净正能量输出来维持核聚变，从而可以在紧凑的占用空间内被用于发电。

聚变反应物理原理：

以下对轨道约束反应器装置的原理的论述不旨在限制本申请的范围。例如，虽然对聚变反应的论述将集中于氘-氘聚变，但可以设想的是，这些原理同样适用于其他聚变反应，包括但不限于质子-硼11聚变和氘-氚聚变。

此外，可以设想的是，聚变反应可以通过多个步骤被进一步增强，由此第一聚变反应直接在装置中用作的燃料离子源，例如，通过产生高能α粒子和氚的放热步骤中锂-6的中子活化。通过这种方式，两种或多种物质(包括但不限于中子、质子、氘、氚、氦-3、锂-6或硼-11)的聚变产生了动能提高的聚变产物。聚变产物可以与燃料离子碰撞，通过上散射传递动能，从而促进燃料离子达到具有链式反应势能的温度。在氘-氘(deuterium-deuterium，D-D)聚变的背景下，反应大致同样可能地遵循以下任一路径：

α粒子聚变产物和燃料离子之间的上散射通过以下碰撞上散射反应来描述：

等式(3)表示氘的碰撞上散射到氘可以引起等式(1)中的类型的后续反应的能量。

具有氦-3-＞氘上散射路径的氘-氘(D-D)聚变的链式反应等式描述如下，参数定义见表1：

上散射氘电流和能量分布由等式(4)确定。由上散射氘电流(ID)产生的聚变事件的数量定义如下：

I_D-Dfusion＝n_DI_Dσ_D-Dfx_D (5)

表1：等式4-6的参数定义

在一些实施例中，轨道约束聚变反应器以氦-3(或替代燃料的α粒子)电流到正电极的聚变反应的比大于一(例如，k_(氘-氘(D-D)“聚变”)＞1)的方式运行。通过这种方式，在考虑碰撞和其他损失机制(如轫致辐射(Bremsstrahlung radiation)和/或约束损失)后，可以实现额外的能量输出。

虽然本申请在工艺描述中侧重于氘-氘聚变，但作为静电离子约束装置，反应器也能够与任何聚变燃料一起运行，同时施加磁场用于电子约束。通常，较高的燃料离子能量和反应产物能量意味着带正电的粒子约束的电场强度较高，但应当理解，电子注入和拉塞福上散射的物理原理同样适用于激发各种燃料离子类型的额外核聚变，用于产生能量和产生中子。

氘-氘和氘-氚可以作为聚变燃料用于产生高通量中子，并且释放平均能量为2.45MeV(50％分支概率)的中子。氘-氚燃料产生平均能量为14.1MeV的高穿透性的中子。氘-氦3聚变产生4MeV的α粒子和高能质子(14MeV)，其可以用作高能量质子束源。质子-硼11聚变产生三个平均能量为2.9MeV的α粒子。这样的α粒子可以被约束在轨道约束反应器中，将额外的离子向上散射至聚变能量，并且用于提高聚变产额。上述聚变燃料中的任何一种都可以用于产生能量或用作中子源，用于成像或产生有价值的同位素。

在一些实施例中，轨道约束反应器产生等离子体，其中粒子的特征在于：停止距离大于1E8cm，并且平均产生时间(Λ)约为1s。停止距离和平均产生时间的原理将在以下段落中详细描述。

在本申请的上下文中，停止距离描述了粒子由于与物质的相互作用(如通过与等离子体中的其他粒子碰撞)而损失能量的距离。等离子体中离子的停止距离简要总结如下：

其中，

表2：等式7-10的参数定义

停止距离受到等离子体中存在的电子数(n_e)和等离子体电子温度(T_e)的强烈影响，这反映在参数x和hw_pe的定义中。电子温度与从发射涂层发射的电子的电子速度(V_e)的平方成正比，电子速度(V_e)的平方由玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)K_b缩放：

在10000eV的电子温度以上、特别是对于低于500keV的离子能量，停止功率显著降低。

如前所述，轨道约束装置可以至少部分地通过由碰撞能量传递加速离子来运行。如本领域技术人员所理解的，特定碰撞的概率由碰撞截面来描述。从氦-3粒子上散射氘离子的截面由拉塞福微分散射等式(Rutherford differential scattering equation)来控制：

表3：等式12的参数定义

碰撞能量通过全角散射(full-angle scattering，FAS)方法从氦-3传递到氘离子，总结为以下等式：

碰撞参数定义为：

其中，q为粒子的电荷，ε_o为真空介电常数，m_ij为减少的质量，v_ij＝|v_i-v_j|为两个粒子之间的相对速度。最大碰撞参数设置为如下所示的德拜长度(Debye length)：

其中，k_B为玻尔兹曼常数，q_e为电子电荷，n_e和n_j为电子和离子种类(j)数量密度，T_e和T_i为电子和粒子种类温度，z_j为离子种类电荷。

总的拉塞福截面定义为：

并且，拉塞福散射事件的数量可以通过以下来定义：

N＝σ_Rv_ijn_jdt lnΛ (16)

其中，dt为时间步长，lnΛ为公知的库仑对数(Coulomb logarithm)，其定义为：

单个拉塞福事件的概率定义为：

P_R＝σ_Rv_ijn_jdt (18)

碰撞算子通过计算无量纲路径长度s来起作用，其定义为：

基于微分拉塞福散射等式和碰撞算子，绝大多数上散射事件本质上都是小角度(＜1keV)。因此，将氘燃料离子上散射到聚变能量需要一段时间内多次碰撞。

自维持碰撞上散射聚变链式反应的反应速率遵循指数标度律e^(k-1)t/Λ，且链式反应乘数因子k≥1时，t为经过时间，Λ为平均产生时间：

e^(k-1)t/Λ (20)

当k＜1时，反应被视为是亚临界的，并且反应速率随时间降低。当k＞1时，反应被视为是超临界的，并且反应速率随时间增加。当k＝1时，反应被视为是关键的，并且反应速率随时间稳定。除了当k＝1时的稳态值，平均产生时间Λ确定反应进行的速度。平均产生时间与等离子体中氦-3的停止距离成比例。

对于与等离子体中的自由电子处于热平衡的氘离子(T_i＝T_e)，增加电子温度和/或电子密度会增加电子和离子之间的能量传递比，直到氘离子速度开始与氦-3速度匹配，超过该速度，则能量传递比降低。

轨道约束反应器的运行：

与热核聚变不同，轨道约束反应器将离子限制在具有非麦克斯韦能量分布(non-Maxwellian energy distributions)的限定能量的轨道中。因此，以反应/秒为单位的聚变反应速率(称为“dn/dt”)受限于循环束聚变物理，由以下表达式来描述：

其中，σ为给定能级的氘束截面，S为相互作用面积，f_{recirculation}为再循环频率，N为反应器中燃料离子的数量。对于圆柱形金登/轨道阱型配置来说，关键参数是内阴极柄半径r_i、外阳极内表面半径ro以及最后的反应器的长度1。相互作用面积(S)和再循环频率(f_{recirculation})定义为：

S＝(r_o-r_i)l (22)

其中，v_i为给定能量的氘离子速度。反应器中的总空间电荷是固定的限值。因此，随着受约束的聚变反应带电粒子(如氦-3)的数量增加，总燃料离子的数量减少，以补偿和维持空间电荷限值。在一些实施例中，通过进入反应器的燃料离子通量来控制燃料离子浓度。可以参与聚变反应的氘离子的数量定义为：

N＝N_ion-N_Helium3 (24)

N_ion＝Vn_i (25)

其中，N_ion为从反应器体积(V)和极限离子数量密度n_i获得的反应器中的空间电荷限制的离子数。反应器中存在的氦离子的数量定义为N_Helium3，其中dn/dt为反应速率，0.5表示氘氘(DD)聚变对于氦-3，+2电荷的Z_Helium3的50％的反应可能性，并且平均产生时间为1秒。

氦-3反应产物可以将动能传递至氘燃料离子，从而增加聚变截面，代表反应概率。随着反应器中氦-3离子的数量增加，氘离子的总数必须减少，以保持空间电荷限值，这一事实抵消了这一点。在链式反应的情况下，等式(20)中的k因子(k-factor)可以根据聚变反应性和燃料离子总数的梯度来评估，如下所示：

其中，分子

描述了氦-3上散射的给定时间间隔之后的聚变截面和总燃料离子。最初，在反应器启动期间，聚变反应和氦-3离子的数量低，N也减少。相反，随着氘离子获得能量以及反应性的增加，聚变截面的梯度高。取决于初始离子密度，k因子可以以大的值开始，并且随着燃料离子获得能量，反应速率增加。最终，随着运行期间氦-3的数量增加，当聚变截面的增加被可用燃料离子的减少抵消时，将达到稳态条件(k＝1)。反应器中的稳态条件为聚变燃料反应性的复杂函数，因为上散射、进入装置的离子燃料通量以及将能量从等离子体中转移出去并导致离子损失能量(下散射、壁碰撞、中心电极碰撞、辐射等)的多重损失机制导致离子能量增加。在k因子近似等于1(“临界”运行)时，反应速率和功率输出随时间基本稳定。通过调整反应器运行可以保持稳定运行，使得如果反应器输出降至目标功率以下，则重置运行参数以提供高于1的k因数(“超临界”运行)，而如果反应器超过目标功率，则重置运行参数以提供低于1的k因子(“亚临界”运行)。

关于电子注入，可以理解，如果磁场强度超过霍尔截止条件，磁场可以使发射的电极朝阴极弯曲，从而避免电极之间的电弧。对于给定电压，满足霍尔截止条件的磁场强度由以下表达式来定义：

其中，B_c为临界磁场，m为电子的质量，e为电子电荷(绝对值)，V为施加在间隙上的电压，c为光速，d^*是几何因子，其定义如下：

关于从离子的谐波轴向运动中直接提取能量，受约束的聚变反应产物和燃料离子之间的散射事件赋予反应器中离子的轴向动能和谐波轴向运动。轴向运动的频率为离子的电荷质量比(Z/m)的特征。射频(Radio-Frequency，RF)能量可以以特定频率施加至外电极，以通过电荷像电流选择性地提取轴向运动能量，通过该反向过程，质量传感器检测由离子的谐波轴向运动产生的质量特定的(mass-specific)射频(RF)信号。

将异相射频(RF)信号施加到外电极允许离子的谐波轴向运动被去激励。当聚变产物和燃料离子之间发生碰撞时，一些碰撞能量被传递至轴向运动。当燃料离子和反应产物在外电极的两个半部之间轴向振荡时，施加到外电极的射频(RF)可以被用于选择性地从燃料离子、反应产物或两者中提取能量。交流(AC)充电像信号也可以被整流为直流(DC)电流，以为诸如电池的能量存储装置充电或为电负载供电。

轴向振荡的频率为离子质量电荷比的特征，并由以下等式来确定：

其中，ω为以弧度每秒为单位的频率，q为离子的电荷，m为离子的质量。由轴向离子运动引起的像电流信号(I)由以下表达式来确定：

其中，N为离子的数量，Δz为轴向运动的大小，λ(r)取决于阱的几何结构(λ(r)≈外半径)，并且为阱半径的函数。

轨道约束反应器系统的论述：

本文描述了用于使用轨道约束聚变反应产生能量和/或放射性同位素的系统和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下、或使用其他方法、部件、材料等来实践本文所描述的技术。在其他情况下，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免混淆某些方面。

在本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各处的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。

根据本申请的一些实施例，图1为示出用于使用轨道约束反应器装置105产生能量的示例系统100的示意图。示例系统100包括多个反应器装置105，其由(一个或多个)燃料离子源110提供燃料离子并由(一个或多个)电源115提供电力，多个反应器装置105与(一个或多个)热发生器120热联接，并且与发电机125电联接，每个反应器装置105都连接至分配系统130。应当理解，虽然示例系统100描述了多反应器系统，但是可以设想使用单个轨道约束反应器装置105的应用，例如，用于便携式发电系统和/或移动式发电系统。如前几部分所述，示例系统100可以作为无碳电力应用于产生同位素、热量和/或电力，为大型民用电动垂直起降(eVTOL)和电动飞机提供动力，为军用电动垂直起降(eVTOL)提供动力，为尺寸从小船到巨轮的船舶产生船载动力和电力推进。

(一个或多个)燃料离子源110可以是不同类型的离子源，或包括不同类型的离子源，其能够产生燃料离子，并将其供应给需要能量的示例系统100，用于轨道捕获和随后的聚变。作为非限制性示例，示例系统100还可以用于便携式发电、机器人底盘和/或外骨架发电、移动发电、辅助动力单元(auxiliary Power Unit，APU)发电、远程位置处的分布式发电和/或远程位置处的电信通信塔发电。作为非限制性示例，示例系统100还可以用于电动车辆、小型电动垂直起降(eVTOL)和电动飞行器、本地或区域电网、并网存储(grid-connectedstorage)、远程和前沿工作基地发电、集装箱化移动发电和数据中心备用发电的范围扩展。这样，示例系统100可以根据其集成至的系统的类型来扮演从基本负载发电机到峰值发电机的角色。

示例系统100可以启动和/或维持核聚变，并且可以通过前面描述的碰撞上散射机制来增强聚变。启动自维持聚变反应可以包括一个或多个轨道约束反应器装置105从(一个或多个)电源115汲取能量的亚临界(例如，k＜1)运行的时段。在一些实施例中，每个轨道约束反应器装置105与(一个或多个)电源115电联接。在一些实施例中，轨道约束反应器装置105的子集与(一个或多个)电源115电联接，并且启动可以包括级联的方法或交错的方法。为此，示例系统100可以包括电力电子设备和互连系统，使得第一轨道约束反应器装置105-1与(一个或多个)电源115电联接，在启动期间从(一个或多个)电源115汲取功率。当第一轨道约束反应器装置105-1达到临界(k＝1)并产生净正能量时，电联接至第一轨道约束反应器装置105-1的示例系统100的一个或多个轨道约束反应器装置105可以汲取功率以初始化启动。通过这种方式，可以减少从外部源汲取的功率，有助于在没有建立的发电能力的区域中部署示例系统100。也即是说，在响应时间很重要的应用中，每个轨道约束反应器装置105可以单独地连接至(一个或多个)电源115，并且可以各自结合控制系统以并行启动或基本上同时启动。

(一个或多个)燃料离子源110可以包括一种或多种类型的离子源，这至少部分取决于示例系统100的应用。如在前面部分中更详细描述的，示例系统100可以应用于同位素生成、发电和/或发热以及其他可预见的用途。通过这种方式，(一个或多个)燃料离子源110可以是质子、氘、氚、氦-3、锂-6或硼-11的源，或包括但不限于质子、氘、氚、氦-3、锂-6或硼-11的源。由于每个轨道约束反应器装置105在运行期间使用注入至聚变等离子体中的燃料离子源来运行，示例系统100包括与(一个或多个)燃料离子源110可操作地联接的每个轨道约束反应器装置105。产生离子的方法包括但不限于离子源的电磁电离、诸如中子捕获、热离子发射、场效应发射等核反应，如本领域技术人员所理解的。

如参考图2-4更详细地描述的，示例系统100中的每个轨道约束反应器装置105可以维持临界聚变反应(例如，k≈1)，并且可以从聚变等离子体中提取能量。能量可以被提取为由离子和电子碰撞至暴露于等离子体的内表面之内所产生的热能。这种热能可以通过将(一个或多个)轨道约束反应器装置105与热交换系统流体联接并应用一种或多种技术来传递，以从由此得到的热量中得到电能。例如，在反应器运行温度可以维持在约1000K的情况下，冷却剂可以利用热量产生功循环通过轨道约束反应器装置105的一个或多个部件。通过这种方式，热发生器120可以是包括但不限于压缩机、涡轮、涡轮机械和/或热电发电机的系统，或包括但不限于压缩机、涡轮、涡轮机械和/或热电发生器的系统，以及用于将热量从(一个或多个)轨道约束反应器装置105传导到热发生器120的液体传热系统。额外地和/或可替代地，热发生器120还可以包括使用至少一部分热能作为热源的加热系统。

在一些实施例中，示例系统100包括(一个或多个)发电机125以从(一个或多个)轨道约束反应器装置105直接捕获电能。如之前的部分所述，再循环离子等离子体中的碰撞能量传递导致与电极之间施加的电场正交的离子的轴向谐波运动。轴向运动的频率可以在射频(RF)范围内，并且可以是离子的质量电荷比的特征。这样，(一个或多个)轨道约束反应器装置105可以通过主动阻尼离子的轴向谐波运动来提取电力，并且由此产生的功率可以通过作为发电机125的一部分的电力电子设备转换成有用的电力。在一些实施例中，发电机125包括一个或多个部件系统，以从源自(一个或多个)轨道约束反应器装置105汲取的射频(RF)功率来输出直流电流和/或交流电流。例如，发电机125可以包括射频-直流(RF-to-DC)整流器系统，使得示例系统100可以用于在使用多电池组、液态金属电池等的网格存储(grid storage)中存储电力。

额外地和/或可替代地，示例系统100通过(一个或多个)燃料离子源110的选择和/或运行参数来运行，以产生用于一个或多个目的的中子。通过这种方式，示例系统100可以与用于在应用中使用中子的系统可操作地联接，应用包括但不限于放射性同位素的形成、氢气的生产、核废物的处理、通过锂的中子轰击制造氚、核裂变燃料的增殖、包括中子频谱学学和/或中子成像和/或中子活化分析的材料分析、通过中子辐照进行的材料处理、材料检测、医学成像、包括中子捕获治疗和/或测试材料和部件的中子束治疗的医学治疗，或科学研究中的其他用途，如本领域技术人员所理解的。

在一些实施例中，示例系统100包括应用于多种用途之一的一组或多组轨道约束反应器装置105。例如，一个或多个轨道约束反应器装置105可以用于产生热量，一个或多个轨道限制反应器装置105可以用于产生电力，并且一个或多个轨道约束反应器装置105可以用于产生中子。在一些实施例中，单个轨道约束反应器装置105可以用于产生热量和电力、热量和中子或其组合。通过运行参数、(一个或多个)燃料离子源和(一个或多个)轨道约束反应器装置105的内部结构的选择，促进了应用中的这种多功能性，如下面参考图2A-6所描述的。

图2A-2C示出了示例反应器装置200，其包括用于产生和维持核聚变以及用于提取能量的内部结构，如参考图1所描述的，图2A和图2B以截面描述了示例反应器装置200，并且集中于不同的内部结构以简化描述并使可视化说明更清晰。然而，应当理解，除了在物理上不可能包含的结构之外，示例反应器装置200包括图2A、图2B和/或图2C中所描述的结构。

根据一些实施例，图2A为示出结合两部分的外电极210的示例反应器装置200的示意图。示例反应器装置200是图2的轨道约束反应器装置105的示例，其被配置成能够通过阻尼聚变等离子体中离子的谐波轴向运动来提取电能。示例反应器装置200包括阴极内电极(205)、阳极外电极(210)、(一个或多个)磁场发生器(215)、高压电源(220)和辐射屏蔽(225)。

示例反应器装置200被配置成使用在内电极205和外电极210之间产生的聚变等离子体来产生能量。为此，内电极205限定了示例反应器装置200的纵向轴线230。外电极210又与纵向轴线230同心设置，其内径大于内电极205的外径，从而限定了内电极205和外电极210之间的偏移。通过这种方式，电极布置在内电极205和外电极210之间限定了腔室235。在运行期间，在腔室230中产生聚变等离子体，并且通过电场和磁场的组合应用将其维持在临界状态或接近临界状态。

在一些实施例中，内电极205与高压电源220电联接，并且被配置成在内电极205和外电极210之间产生静电场。内电极205可以是发射器材料240，或包括发射器材料240，使得内电极205充当自由电子源。发射器材料240可以设置为导电芯上的发射涂层。通过这种方式，发射器材料240被配置成当内电极205被激励和/或被加热时将电子注入腔室235。发射器材料240可以是具有在聚变反应特征温度下的热离子发射特性的耐火材料，或包括具有在聚变反应特征温度下的热离子发射特性的耐火材料。发射器材料240可以通过光电发射、热离子发射或场发射来表征高电子发射特性。发射器材料240可以是钨、钍化钨、氧化钡(例如，Ba-O)、六硼化镧(LaB₆)、六硼化铈(CeB₆)以及它们的混合物、合金、复合物或组合，或包括钨、钍化钨、氧化钡(例如，Ba-O)、六硼化镧(LaB₆)、六硼化铈(CeB₆)以及它们的混合物、合金、复合物或组合。在示例反应器200的上下文中，光电发射是指响应于高能光子(如由聚变等离子体产生的光子)的照射而将电子发射至腔室235中的材料。

发射器材料240被配置成至少部分地由于内电极205相对于外电极210的定向而发射近似正交于纵向轴线230的电子。这样，如参考图5更详细地描述的，内电极205被定向成最小化由于与轨道离子的碰撞而导致的停止功率损失。有利的是，通常从内电极205注入电子，并且通过磁场发生器215产生的洛伦兹力(Lorentz force)沿轨道离子的相同方向弯曲电子轨迹，可以将电子和离子之间的相互作用长度增加至约1×10⁸cm的距离，并可以增加聚变反应的概率(例如，如特定相互作用和/或反应的截面所描述的)。有利的是，通过这种方式注入电子减少了空间电荷效应，并且允许聚变等离子体变得比单独使用静电离子约束更稠密。

例如，在高于约1000K的提高的温度下，发射器材料240将电子发射至腔室235内，从而减少空间电荷效应并使等离子体密度超过静电离子约束所提供的密度。内电极205可以与一个或多个加热系统可操作地联接，以提高发射器材料240的温度。提高的温度可以通过多种方法和系统来产生，包括但不限于电阻加热、感应加热和/或通过运行期间的电子和离子轰击。应当理解，发射器材料240可以在低于1000K的温度下(如在示例反应器装置200的运行温度下)产生显著的电子电流。

如前所述，可从示例反应器装置200获得的离子密度和由此得到的功率由绕内电极205(N)运行的离子的数量来决定。通过从内电极205发射电子以抵消空间电荷限值，可以增加离子的数量。通过施加满足或超过霍尔截止条件的轴向磁场，电子可以被约束在反应器中一段时间，并且像用于电子约束的磁控管一样工作。当受到约束时，电子以降低电子阻力(electron drag)的速度移动，并且停止燃料和反应产物离子上的功率，从而减少电子的离子动能损失，并且增加反应器中的聚变反应速率和功率。

(一个或多个)磁场发生器215可以相对于纵向轴线230以同轴布置来设置。通过这种方式，(一个或多个)磁场发生器215被配置成在腔室235中形成基本上平行于纵向轴线230的磁场。(一个或多个)磁场发生器215可以是电磁体、永磁体或其组合，或包括电磁体、永磁体或其组合。(一个或多个)磁场发生器215可以施加强度范围从0.01特斯拉到10特斯拉的磁场。(一个或多个)磁场发生器215因此可以用作磁控管，产生强度超过用于给定聚变反应的霍尔截止条件的磁场。如前所述，用于超过霍尔截止条件的磁场强度以及(一个或多个)磁场发生器215的运行参数对于每种类型的聚变反应都是特定的。此外，磁场强度可以用作控制变量，以在运行时调节示例反应器装置200的k因子，如参考图4更详细地描述的。

在一些实施例中，内电极205和外电极210是旋转的固体，并且成形为围绕纵向轴线230对称。在这种情况下，“旋转的固体”描述了围绕一个或多个旋转的轴对称的形状，例如，由二维形状定义，该二维形状在横切轴的平面中围绕轴对称。在一些实施例中，电极205和210为结合孔、口、导管或围绕纵向轴线230非旋转对称的其他特征的旋转的固体，如下面更详细地描述的。

通过这种方式，当通电时，电极205和210成形为在腔室中形成基本上对数的静电场。如前所述，对数静电场是指在电极205-210之间产生的电场，内电极205用作负阴极，外电极210用作正阳极，其中外电极210和内电极205之间的电场强度呈对数增加，参照电场的正负约定。

在一些实施例中，内电极205的特征在于：沿纵向轴线230的长宽比大于一。在本文中，术语“长宽比”描述了与纵向轴线230对齐的第一特征尺寸和与纵向轴线230正交对齐的第二特征尺寸的比。例如，在内电极205是以取决于轴向位置的径向尺寸(例如，r＝f(z))为特征的旋转的固体的情况下，大于一的长宽比描述了内电极205的长度大于内电极205最宽点的结构。这样，内电极205可以沿纵向轴线230限定轴向轮廓，该轴向轮廓包括一个或多个宽度较大的区域和一个或多个宽度较窄的区域。例如，内电极205可以限定与纵向轴线230对齐的横向轮廓，并且在每个端部处包括锥度，使得内电极205的宽度在端部之间比在端部处更宽。

在一些实施例中，外电极210沿纵向轴线230的长度245大于内电极205的最大直径。例如，外电极210可以是围绕纵向轴线230旋转的固体，并且可以围绕纵向轴线230限定负空间，该负空间与内电极205一起限定腔室235。在该示例中，外电极210沿长度245不接触内电极205，如图2A-3所示。

外电极210可以包括一个、两个或多个壳，壳可以用于激发或阻尼平行于纵向轴线230的离子的谐波轴向运动。在一些实施例中，外电极包括相对于纵向轴线230横向设置的两个阳极壳210-1和210-2。如前所述，阳极壳210-1和210-2可以是围绕纵向轴线230对称的、旋转的固体。在本文中，短语“横向设置”是指阳极壳210-1和210-2沿纵向轴线230布置在示例反应器装置200中的不同位置和/或非重叠位置处。在一些实施例中，阳极壳210-1和210-2通过像电流电路250连接。在一些实施例中，介电绝缘体255设置在阳极壳210-1和210-2之间并将其电隔离。

在一些实施例中，内电极205和外电极210通过第一介电绝缘体260和第二介电绝缘体265彼此电隔离。第一介电绝缘体260可以与内电极205的第一端部270机械联接，并且可以将高压电源220与外电极210电隔离。第二介电绝缘体265可以设置在内电极205的第二端部275和外电极210之间的腔室235中，并且可以将第二端部275与外电极210电隔离。第一介电绝缘体260可以限定绝缘腔280。高压电源220可以至少部分地设置在绝缘腔280内。

高压电源220可以是直流电压源，或包括直流电压源，包括但不限于范德格拉夫(Van de Graaff)源、佩莱龙(Pelletron)源或固态功率开关发电机。在一些实施例中，高压电源220与内电极205电联接，并且在约50kV直流至约4.0MV直流的范围内运行。由于内电极205既作为要注入腔235内的电子源，又作为用于将离子捕获到内电极205周围的轨道中的静电场源，所以在示例反应器装置200的一个或多个运行阶段期间，由高压电源220施加到内电极205的电压可以是动态的。例如，施加到轨道离子上的电子通量和力可以与施加的电压成比例地缩放。这样，施加的电压可以是如反应器装置200的控制参数。此外，施加的电压可以基于至少部分地注入至腔室235中的离子的类型而变化。如前所述，施加到围绕内电极205的轨道中的离子的力是电荷质量比的函数，使得施加的电压可以随燃料离子质量、燃料离子电荷或其组合而变化。

通过这种方式，高压电源220可以从约50kV直流至约4.0MV直流、约50kV直流至约3.9MV直流、约50kV直流至约3.8MV直流、约50kV直流至约3.7MV直流、约50kV直流至约3.6MV直流、约50kV直流至约3.5MV直流、约50kV直流至约3.4MV直流、约50kV直流至约3.3MV直流、约50kV直流至约3.2MV直流、约50kV直流至约3.1MV直流、约50kV直流至约3.0MV直流、约50kV直流至约2.9MV直流、约50kV直流至约2.8MV直流、约50kV直流至约2.7MV直流、约50kV直流至约2.6MV直流、约50kV直流至约2.5MV直流、约50kV直流至约2.4MV直流、约50kV直流至约2.3MV直流、约50kV直流至约2.2MV直流、约50kV直流至约2.1MV直流、约50kV直流至约2.0MV DC、约50kV直流至约1.9MV直流、约50kV直流至约1.8MV直流、约50kV直流至约1.7MV直流、约50kV直流至约1.6MV直流、约50kV直流至约1.5MV直流、约50kV直流至约1.4MV直流、约50kV直流至约1.3MV直流、约50kV直流至约1.2MV直流、约50kV直流至约1.1MV直流、约50kV直流至约1.0MV直流、约50kV直流至约0.9MV直流、约50kV直流至约0.8MV直流、约50kV直流至约0.7MV直流、约50kV直流至约0.6MV直流、约50kV直流至约0.5MV直流、约50kV直流至约0.4MV直流、约50kV直流至约0.3MV直流、约50kV直流至约0.2MV直流，包括其分数或插值。例如，在一些实施例中，高压电源220向内电极205施加约650kV直流的负电压。在这种情况下，术语“约”用于表示所述值的10％以内的值。例如，约650kV的所述值用于表示从585kV直流至715kV直流的值。应当理解，这些值是以大小给出的，而不考虑极性。例如，内电极205可以相对于外电极210被负偏移，使得由高压电源220提供给内电极205的施加电压是负的。

辐射屏蔽225可以是示例反应器装置200的结构元件或额外的材料，或包括示例反应器装置200的结构元件或额外的材料，包括但不限于铅屏蔽或钨屏蔽、水池等。示例反应器200可以至少部分地被辐射屏蔽225包围，使得辐射屏蔽225可以用于吸收和降低潜在的有害辐射。虽然核聚变产生很少甚至不产生持久的放射性副产物，但可以产生高能粒子，并且可以穿过示例反应器装置200的物理外壳。这样，辐射屏蔽225可以是至少部分基于示例反应器装置200的运行模式而选择用于吸收可预见的高能粒子的材料，或包括至少部分基于示例反应器装置200的运行模式而选择用于吸收可预见的高能粒子的材料。例如，在示例反应器装置200被配置成产生医用放射性同位素的情况下，辐射屏蔽225可以被结构化成吸收高能中子。

根据一些实施例，图2B为示出结合单部分的外阳极205的示例反应器装置200的示意图。如图2A所示，示例反应器装置包括内电极205、外电极210、磁场发生器215、高压电源220和辐射屏蔽225。在图2B中，示例反应器装置200被示出为包括(一个或多个)流体导管285、(一个或多个)孔290和(一个或多个)端口295。虽然示例反应器装置200的论述集中于包括两部分的外电极210的配置，但示例反应器装置200也可以包括单部分的外电极210，如图2B所示。可以设想，(一个或多个)流体导管285、(一个或多个)孔290和/或(一个或多个)端口295可以包括于任一配置中，以及具有更多部件的其他电极配置中。

(一个或多个)流体导管285可以集成至内电极205、外电极210、辐射屏蔽225或其组合内。如图所示，(一个或多个)流体导管285在外电极210内限定一个或多个通道。通过这种方式，(一个或多个)流体导管285可以限定穿过外电极210的一个或多个冷却剂回路，冷却剂可以流过回路。冷却剂继而可以将热量从示例反应器装置200中带走，并且可以通过示例反应器装置200外部的热交换器将热量传递至工作流体内，以驱动图1的(一个或多个)热发生器120。类似地，(一个或多个)流体导管可以直接、或通过热交换器与热电发电机、涡轮和/或涡轮机械联接，从而可以去除在示例反应器装置200内部产生的热量。有利的是，(一个或多个)流体导管285既可以从示例反应器装置200提取可用能量，也可以用于控制运行参数。在一说明性示例中，设置在内电极205内部的(一个或多个)流体导管285可以用于调节来自发射器材料240的热离子发射，因为从内电极205去除的热量调节温度，而温度又影响热离子发射。

冷却剂可以是可流动液体，或包括可流动液体，其在高于示例反应器装置200的运行温度的温度下表现出向气体的相变(phase transition)，并且在低于示例反应器装置200的运行温度的温度下表现出向固体的相变。例如，在腔室235中的聚变等离子体的运行温度可以为约1000K的情况下，(一个或多个)流体导管285可以被配置成接收冷却剂，包括但不限于熔融盐、高压水、超临界二氧化碳或如参考图1所述的其他冷却剂系统。

(一个或多个)孔290可以被限定于外电极210中的一个或多个点处，使得示例反应器装置可以与离子源可操作地联接，如参考图3更详细地描述的。(一个或多个)孔290可以基本上是线性的，并且可以通过真空密闭的机械联接联接至离子源，例如，利用插在离子源和腔室235之间的闸板、闸阀和/或一个或多个差分真空台，使得可以以精确的注入轨迹将离子可控地注入腔室235。为此，(一个或多个)孔290可以限定相对于限定注入轨迹的纵向轴线230的对齐。注入轨迹又可以对应于内电极205周围的具有给定的质量电荷比的离子进入稳定椭圆轨道的俯仰角。在这种情况下，术语“进入……的俯仰角”描述了带正电的离子沿孔290的对齐在三维空间中相对于纵向轴线230所取的角度，其中该角度对应于可能导致将离子捕获在内电极205周围的椭圆轨道中的轨迹。如前所述，喷射点、动能和进入俯仰角可以各自取决于燃料离子的质量电荷比，从而可以基于使用计算机模拟的目标应用精确地确定注入参数。在说明性示例中，离子可以包括质子(m/z＝1)、氘离子(m/z＝2)、氚离子(m/z＝3)、锂-6离子(m/z＝6)或硼-11离子(m/z＝11)。

外电极210还限定了延伸穿过外电极210并进入腔室235内的(一个或多个)端口295。(一个或多个)端口295可以与示例反应器装置200外部的真空系统流体联接，该真空系统可以用于在内电极205和外电极210之间创建和维持真空环境。可以通过一个或多个端口295创建实质真空条件，例如，在1×10¹⁰atoms/cm³至1×10¹⁶atoms/cm³(对应于约50微帕至50帕)的数量密度下。有利的是，由此产生的真空可以提高反应效率，减少与在运行期间扩散至腔室235中的杂散气体原子的碰撞损失。

就三重积品质因数而言，更高的数量密度意味着腔室235中的磁场更高，允许更高的电子通量抵消空间电荷效应，同时将温度和约束时间保持在与预期聚变工况的目标相对应的范围内，如参考图7更详细地描述的。为此目的，示例反应器装置200以约1×10¹¹atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³、约1×10¹²atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³，约1×10¹³atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³、约1×10¹⁴atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³、约1×10¹⁵atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³、约1×10¹⁶atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³、约1×10¹⁷atoms/cm³至约1×10¹⁸atoms/cm³的数量密度来运行，包括其分数或插值。例如，示例反应器装置200可以在约1×10¹³atoms/cm³至约1×10¹⁵atoms/cm³的范围内运行，以保持来自示例反应器装置200的净正能量输出。

根据一些实施例，图2C为示出在四分之三截面中结合两部分的外阳极210的示例反应器装置200的示意图。图2C中的截面图旨在说明示例反应器装置200关于纵向轴线230的旋转对称性。如参考图2A和图2B所描述的，示例反应器装置200和诸如内电极205、外电极210、磁场发生器215和腔室235的组成元件。

根据一些实施例，图3为示出示例离子注入系统300的示意图。示例离子注入系统300被示出为没有示例反应器装置200的其他部件，但应当理解，所描述的元件表示与示例反应器装置200联接的示例燃料离子源110的部件，其被配置成将离子注入腔室235内。示例离子注入系统300包括离子源305和束光学器件310，以形成离子315并将离子315注入腔室235内。

离子源305被示出为基于等离子体的离子源，如双等离子体管、电子回旋共振装置、微波诱导等离子体装置、电感联接离子源或产生富离子等离子体的其他装置配置。在一些实施例中，离子源305包括双等离子体管。在双等离子体管的说明性示例中，离子的束由被约束在阳极和阴极之间的中空腔室中的等离子体产生。使用诸如单透镜(Einzel lens)的束光学器件310对离子315进行加速、准直、成形和/或聚焦。例如，为了产生质子束，含氢源气体可以在等离子体中被解离，并且氢离子的束随后可以由提取器网格提取、成形、准直并引导至孔290内。基于离子源气体的选择，类似的方法可以用于形成较大的离子的束。在一些实施例中，离子315通过孔290注入腔室235内，其轨迹可能导致离子315被捕获在围绕内电极205的轨道320中，如参考图2A和图2B更详细地描述的。轨迹可以对应于与内电极的表面相切的角度。切向角可以提高捕获效率，并且可以将离子315聚结至轨道320内。

虽然使用了术语“光学器件”，但应当理解，束光学器件310的部件通过施加电场来运行，以将离子315形成束，并且通过孔290将离子的束315重定向至腔室235内。类似地，虽然图3仅示出了沿着纵向轴线230穿过示例反应器装置200的截面的一部分，但应当理解，在所示的示例性配置中，外电极210和内电极205是围绕纵向轴线230对称的、旋转的固体。

根据一些实施例，图4为示出示例反应器装置200和示例磁场发生器215配置的示意图。如参考图2A和图2B更详细地描述的，可以在示例反应器装置200中实现示例磁场发生器215配置。示例磁场发生器215配置包括磁场发生器215，其围绕腔室235设置以在腔室235内产生基本上平行于纵向轴线230的磁场405。

磁场发生器215可以围绕腔室235来布置，使得在腔室235内磁场405的极性与纵向轴线230对齐。在一些实施例中，磁场405可以以第一极性被定向，使得根据施加至电子的洛伦兹力，从内电极205发射的电子被迫在与正离子相同的方向上轨道运行。在一些实施例中，磁场405可以以与第一极性近似相反的第二极性被定向，使得从内电极205发射的电子被迫在沿与正离子相反的方向上轨道运行。

例如，在更强的磁场强度下，超过霍尔截止条件，发射至腔室235内的电子被快速地强制返回至内电极205，从而避免了电极205和210之间的短路，并且减少了空间电荷效应，从而允许聚变等离子体的致密化。相比之下，在较弱的磁场强度下，电子可以在不从外电极210偏转的情况下被发射，并且可以导致在聚变等离子体中形成短路或电弧。为了将聚变等离子体保持在聚变三重积的目标范围内，用于在腔室235内围绕内电极205的轨道路径中捕获电子的磁场405可以以约0.01特斯拉至约10.0特斯拉、约0.01特斯拉至约9.0特斯拉、约0.01特斯拉至约8.0特斯拉、约0.01特斯拉至约7.0特斯拉、约0.01特斯拉至约6.0特斯拉、约0.01特斯拉至约5.0特斯拉、约0.01特斯拉至约4.0特斯拉、约0.01特斯拉至约3.0特斯拉、约0.01特斯拉至约2.0特斯拉、约0.01特斯拉至约1.9特斯拉、约0.01特斯拉至约1.8特斯拉、约0.01特斯拉至约1.7特斯拉、约0.01特斯拉至约1.6特斯拉，约0.01特斯拉至约1.5特斯拉，约0.01特斯拉至约1.4特斯拉，约0.01特斯拉至约1.3特斯拉，约0.01特斯拉至约1.2特斯拉，约0.01特斯拉至约1.1特斯拉，约0.01特斯拉至约1.0特斯拉，约0.01特斯拉至约0.9特斯拉，约0.01特斯拉至约0.8特斯拉，约0.01特斯拉至约0.7特斯拉，约0.01特斯拉至约0.6特斯拉、约0.01特斯拉至约0.5特斯拉、约0.01特斯拉至约0.4特斯拉、约0.01特斯拉至约0.3特斯拉、约0.01特斯拉至约0.2特斯拉、约0.01特斯拉至约0.1特斯拉、或约0.01特斯拉至约0.05特斯拉的速度施加，包括其分数或插值。

根据一些实施例，图5为示出图2的示例反应器装置200的端视图表达的示意图，其描述了发射的电子505和轨道离子510的轨道路径。所示的轨道路径并非按比例绘制的，而是旨在说明示例反应器装置200的运行的概念。应当理解，由箭头指示的形状、相对尺寸和轨道路径是说明性的且非限制性的。

如参考图2更详细地描述的，在示例反应器装置200的运行期间，离子510在内电极205和外电极210之间被切向注入，并且进入具有足够能量的静电场，以围绕内电极205呈现稳定的椭圆轨道。在椭圆轨道520期间，离子510朝向负偏移的内电极205加速，将势能转换为动能，直到到达椭圆轨道520的近地点。在到达近地点之后，离子510减速，同时远离负阴极电势并存储势能，直到到达椭圆轨道520的远地点。离子510可以在约一秒的时间段内在反应器中完成数百万个椭圆轨道520。此外，椭圆离子轨道520可以表现出围绕中心阴极205的拱向进动，使得离子510的椭圆轨道520可以与其他离子510的椭圆轨道交叉多达数百万次，并且超过数百万次，这增加了发生相对不太可能的聚变事件525的概率。最终，在重叠轨道轨迹中的离子510之间的碰撞导致聚变事件525，释放聚变反应产物，包括但不限于带电粒子(α、氦-3、质子、氚等)、辐射和热能。

包括发射器材料240的内电极205将电子505注入腔室235内。通过与磁场405的相互作用，电子505被弯曲至围绕内电极205的部分轨道内，最终返回内电极205。在一些实施例中，发射器材料240是各向同性的发射体，使得电子在所有径向方向上基本相等地被发射，这被多个电子轨道路径515证明。结果，电子505对腔室235中的离子510密度的影响可以围绕内电极205基本上均匀。有利的是，保持围绕内电极205的基本对称的电子505分布可以减少等离子体中的自组织，这可以抑制核聚变、诱发电弧失控或引入其他运行问题。

根据一些实施例，图6为示出示例轨道约束反应器装置105的反应速率(纵坐标)和离子密度(横坐标)的曲线图600。曲线图600示出了不同的运行状态605，其特征在于：不同的离子密度(以atoms/cm³测量)和反应速率(以每秒聚变事件测量)沿描述示例装置105的说明性运行窗口的运行曲线610来绘制。应当理解，参考示例反应器装置200描述的细节(如运行参数、内部结构和材料配置)可以被配置成使得示例系统100在一个或多个运行状态605中运行。如参考图1更详细地描述的，运行状态605对应于不同的应用。例如，曲线图600包括第一状态605-1，其中示例装置105作为中子发生器来运行，例如，应用于基于中子成像的中子发生器。第二状态605-2描述了作为高通量中子发生器来运行，例如，用于医用同位素生产的高通量中子发生器。第三状态605-3描述了作为紧凑型电源来运行，由此反应速率和离子密度高到足以从示例装置105产生净正能量。

如参考图1-5更详细地描述的，运行状态605并非离散的，而是作为示例包括于运行曲线610的范围内，以说明对于给定的条件集合，反应速率对离子密度的依赖性。例如，运行曲线610可以描述针对给定电子温度、运行压力、磁场强度等的离子密度和反应速率之间的关系。对于曲线图600，运行曲线610描述了在125keV平均电子温度下运行的示例装置105的反应速率和离子密度的值。

曲线图600示出了示例装置105可以作为中子源和/或作为电源来运行，但是不同的运行状态605可以涉及不同的运行参数和配置。在结构上，专用的中子发生器装置可以排除用于从聚变等离子体提取功率的一个或多个部件，包括但不限于像电流电路250、介电绝缘体255或复合外电极壳210-1和210-2。曲线图600还示出了离子密度对离子温度的影响，以及离子密度和离子温度如何与再循环频率和聚变截面(σ)相互关联，如参考上述理论介绍更详细地描述的。

有利的是，对应于第三运行状态605-3，超过1kW的净聚变功率可以由具有约10cm的腔室尺寸的示例装置105来产生。腔室尺寸可以由一个范围来描述，在该范围内示例装置105以参照图6所描述的来运行。例如，与内电极的半径相对应的内半径可以从约0.1cm至约40.0cm。然而，随着内半径的减小，从发射器材料240注入腔室235的电子通量和/或电子数量也可能减小，使得设计接近金登阱，由于表面面积减小，其电子发射受到约束，因此各给定时间段内可发生的聚变事件的数量不会产生净正能量输出。相比之下，在内电极205和外电极210之间的距离相对较小的情况下，诸如与内电极205的离子碰撞、轫致损失(Bremstrahlung losses)以及与外电极210的电子电弧或短路的损失机制变得显著，从而降低了聚变反应速率。通过这种方式，内电极的半径范围可以从约0.1cm至约40.0cm、约0.1cm至约30.0cm、约0.1cm至约20.0cm、约0.1mm至约15.0cm、约0.1cm至约10.0cm、约0.1cm至约9.5cm、约0.10cm至约9.0cm、约0.1cm至约8.5cm、约0.1cm至约8.0cm，约0.1cm至约7.5cm、约0.1cm至约7.0cm、约0.1cm至约6.5cm、约0.1cm至约6.0cm、约0.1cm至约5.5cm、约0.1cm至约5.0cm、约0.1cm至约4.5cm、约0.1cm至约4.0cm、约0.1cm至约3.5cm、约0.1cm至约3.0cm、约0.1cm至约2.5cm，约0.1cm至约2.0cm、约0.1cm至约1.5cm、约0.1cm至约1.0cm或约0.1cm至约0.5cm，包括其分数和插值。

类似地，外电极210的尺寸类似地由一个范围来表征，在该范围内示例装置105以参照图6所描述的来运行。例如，对应于面对腔室235的外电极210的半径的外半径可以从约1cm至约20cm。随着外半径减小，进入外电极205的电子通量可以增加，从而减轻了电子注入对空间电荷的影响，降低了离子密度，并且使装置在运行曲线610上向左移动。类似地，当外半径增加时，随着腔室235和磁场发生器215之间的距离增加，维持离子和电子的紧凑轨道所需的能量增加。通过这种方式，外电极的半径范围可以从约1cm至约100cm、约1cm至约90cm、约1cm至约80cm、约1cm至约70cm、约1cm至约60cm、约1cm至约50cm、约1cm至约40cm、约1cm至约30cm、约1cm至约20cm、约1cm至约19cm、约1cm至约18cm、约1cm至约17cm、约1cm至约16cm、约1cm至约15cm、约1cm至约14cm、约1cm至约13cm、约1cm至约12cm、约1cm至约11cm、约1cm至约10cm、约1cm至约9cm、约1cm至约8cm、约1cm至约7cm、约1cm至约6cm、约1cm至约5cm、约1cm至约4cm、约1cm至约3cm或约1cm至约2cm，包括其额分数和插值。

根据一些实施例，图7为示出使用轨道约束反应器装置产生能量或中子的示例过程700的框图。示例过程700的框表示可以由计算装置自主地(例如，无需人工干预)实现的操作。计算装置可以是可操作地与轨道约束反应器装置(如图2A、图2B和图2C的示例反应器装置200)的部件联接的控制电路，或包括可操作地与轨道约束反应器装置(如图2A、图2B和图2C的示例反应器装置200)的部件联接的控制电路，使得示例过程700的操作可以在定时、频率和/或大小方面被动态控制，作为保持腔室235中核聚变的临界性(例如，k≈1)的控制方案的一部分。因此，应当理解，图7中所示的一些操作可以被省略、重新排序和/或重复，示例性地，这取决于示例反应器装置200的目标应用。

在框705，示例过程700包括激励内电极205。例如，由高压电源220施加至内电极205的电压可以从50kV直流至约4.0MV直流，包括其分数，如参考图2A更详细地描述的。激励内电极205用于将离子捕获至围绕纵向轴线230的椭圆轨道内，如参考图5更详细地描述的，并且还用于通过场发射增加来自发射器材料240的电子发射。加热内电极205可以通过热离子发射增加来自发射器材料240的电子发射。通过电阻加热元件或通过发射器材料240的电阻加热，加热可以是主动的，或者通过与内电极205的电子和离子碰撞，加热可以是被动的。

在框710，示例过程700包括将离子注入腔室235内。如参考图3更详细地描述的，离子315可以以与内电极的表面相切的角度注入至腔室235内。切向角的注入可以使离子与静电场相互作用，并且进入围绕内电极205的轨道320。注入离子可以是间歇过程或连续过程，作为在示例反应器装置200的运行期间通过管理离子能量和总体参数来维持临界性的一部分。在一些实施例中，离子注入可以作为闭环控制系统的一部分的控制变量来操纵。

在框715，示例过程700包括在腔室235中产生磁场405。磁场405可以由磁场发生器215来产生，磁场发生器215与纵向轴线230对齐，使用磁场发生器215的布置在腔室235中产生磁控管。作为在腔室235中捕获电子的一部分，磁场405可以通过对应于霍尔截止条件的强度来表征，霍尔截止条件将电子重定向回到内电极205。如参考图5更详细地描述的，电子轨道515可以是部分的，使得电子可以形成基本上圆形的轨道，该轨道不会使围绕内电极205的电路完整，尽管可能出现完整的电子轨道。

在一些实施例中，示例过程700可以可选地包括使冷却剂流过导管285。在示例反应器装置200中的功率消耗产生热量的情况下，流过导管285的冷却剂可以从聚变反应中提取热能，并且可以用作控制参数以维持稳定的反应器运行。如参考图1更详细地描述的，从示例反应器装置200移除的热量可以使用热电发电机、涡轮等转换成电力，或者可以用于通过与热交换器联接进行加热。在一些实施例中，冷却剂可以是在升高的温度和/或压力下(如高达且包括1000K)为液体的材料，或包括在升高的温度和/或压力下(如高达且包括1000K)为液体的材料。

作为图1的示例系统100的上下文中的发电的一部分，示例过程700可以可选地包括在框725处向外电极210施加射频(RF)电压信号。可以通过向像电流电路250施加射频(RF)电压来衰减轨道离子的轴向谐波运动。通过这种方式，电力可以直接从聚变等离子体中提取，并且可以通过电力电子设备(包括但不限于逆变器或整流器)转换成可用电力。

这样，使用从示例装置提取的热能和电能，示例过程700可以可选地包括在框730处将能量转换为电力。例如，在示例反应器装置200作为电源运行的情况下(例如，图6的第三运行状态605-3)，示例装置200的净聚变功率可以被转换为电力，用于分配至电网和/或用于存储在电容器、电池、抽水蓄能器等中。相反，在示例反应器装置200作为中子源运行的情况下，可以省略框725的直接发电，并且示例反应器装置200可以在不连接至热发生器120的情况下运行。

以上解释的过程是根据计算机软件和硬件来描述的。所描述的技术可以构成体现在有形或非瞬时机器(例如，计算机)可读存储介质中的机器可执行指令，当由机器执行时，将使机器执行所描述的操作。此外，这些过程可以体现在硬件中，如专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或其他。

有形机器可读存储介质包括以机器可访问的非暂时形式提供(即，存储)信息的任何机制(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一组或多组处理器的任何装置等)。例如，机器可读存储介质包括可记录介质/不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备等)。

本发明所示实施例的上述描述(包括摘要中所描述的内容)并不旨在穷尽所公开的精确形式，或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实施例和示例，但如相关领域技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种修改。

根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。以下请求保护内容中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由以下请求保护内容确定，这些请求保护内容将根据请求保护内容阐明的既定理论进行解释。

Claims

1.一种轨道约束聚变装置，包括：

阴极内电极，所述阴极内电极限定所述装置的纵向轴线，所述内电极包括发射器材料；

阳极外电极，所述阳极外电极与所述纵向轴线同心，并且在所述内电极和所述外电极之间限定腔室；和

多个磁场发生器，所述多个磁场发生器相对于所述纵向轴线同轴布置，并且被配置成在所述腔室中形成平行于所述纵向轴线的磁场。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述内电极和所述外电极为围绕所述纵向轴线对称的、旋转的固体，并且当通电时，所述内电极和所述外电极构造为在所述腔室中形成大致对数的静电场。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述内电极的特征在于：沿所述纵向轴线的长宽比大于1，并且其中，所述外电极沿所述纵向轴线的长度大于所述内电极的最大直径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述外阳极包括：

第一阳极壳和第二阳极壳，所述第一阳极壳和所述第二阳极壳相对于所述纵向轴线横向设置；和

介电绝缘体，所述介电绝缘体设置于所述第一阳极壳和所述第二阳极壳之间，并将所述第一阳极壳和所述第二阳极壳电隔离。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述磁场的特征在于：磁场强度超过霍尔截止条件(Hullcut-off condition)，以在所述腔室内围绕所述内电极的轨道路径中捕获电子。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述多个磁场发生器包括永磁体。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述多个磁场发生器包括电磁体。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：高压电源，所述高压电源与所述内电极电联接，并且在约50kV直流至约4.0MV直流的范围内运行。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述内电极限定第一端部和第二端部，所述装置还包括：

第一介电绝缘体，所述第一介电绝缘体与所述第一端部机械联接，并且将所述第一端部与所述外电极隔离；和

第二介电绝缘体，所述第二介电绝缘体设置于所述第二端部和所述外电极之间的所述腔室中，并且将所述第二端部与所述外电极隔离。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一介电绝缘体限定绝缘腔，并且将所述高压电源与所述外电极电隔离。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述外电极限定孔，使所述孔对齐以限定注入轨迹，所述注入轨迹对应于所述内电极周围的具有给定的质量电荷比的离子进入稳定椭圆轨道的俯仰角。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述离子为质子(m/z＝1)、氘离子(m/z＝2)、氚离子(m/z＝3)、锂-6离子(m/z＝6)或硼-11离子(m/z＝11)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述外电极还限定与所述腔室和外部环境流体联接的端口，所述端口被配置成与真空系统流体联接。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述发射器材料设置于所述内电极上或集成于所述内电极中，并且其中，当所述内电极通电时，所述发射器材料被配置成将电子注入至所述腔室内。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述发射器材料包括热离子发射器材料。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：像电流装置，所述像电流装置与所述外电极电联接，并且被配置成从围绕所述内电极运动的多个带电粒子产生电能，所述多个带电粒子表现出与所述纵向轴线对齐的谐波轴向运动。

17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：流体导管，所述流体导管设置于所述外电极或所述内电极中。

18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置的特征在于：数十厘米的物理尺寸。

19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置与电力系统电联接，所述电力系统被配置成从所述装置接收电力或加热的冷却剂。

20.一种在聚变装置中产生轨道约束聚变能的方法，其中，所述聚变装置包括：

多个磁场发生器，所述多个磁场发生器相对于所述装置的所述纵向轴线同轴布置，所述多个磁场发生器被配置成形成磁控管；并且

其中，所述方法包括：

将所述内电极通电至约50kV直流至约4.0MV直流的电压，从而在所述内电极和所述外电极之间形成对数静电场，并且将多个电子注入所述腔室内；

将燃料离子的束以与所述内电极的表面相切的角度注入所述腔室内，使所述燃料离子与所述静电场相互作用并进入所述内电极周围的椭圆轨道；并且

使用所述多个磁场发生器产生与所述纵向轴线对齐的磁场，所述磁场的特征在于：对应于霍尔截止条件的强度，并且将所述电子重定向回到所述内电极。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述聚变装置还包括：流体导管，所述流体导管形成于所述内电极或所述外电极中，所述方法还包括：

使冷却剂流过所述流体导管；

通过与所述外电极接触来加热所述冷却剂；并且

使用加热的所述冷却剂来发电。

22.根据权利要求20或21所述的方法，还包括：

使用电荷图像电路向所述外电极施加射频(radio-frequency，RF)电压信号，其中，所述射频电压信号的频率对应于所述腔室中的带电粒子沿与所述纵向轴线对齐的方向的振荡；

使用所述电荷图像电路生成射频电流；并且

使用射频-直流整流器电路从所述射频电流生成直流电流。