核聚变装置及方法

本申请对标题皆为“核聚变装置”、于2020年4月23日提交的“63/014,405号美国临时专利申请”(U.S.Provisional Application No.63/014,405)以及于2020年9月30日提交的“63/085,157号美国临时专利申请”(U.S.Provisional Application No.63/085,157)提出优先权要求，而且通过引用将所述美国临时专利申请并入本申请。

技术领域

本文中描述的实施例一般涉及核聚变，尤其涉及促进本会由于离子弹性散射而耗损的的能量的回收的装置及相关方法。

背景技术

当某种的两个离子以足以克服库仑排斥力的能量相互碰撞，而且以大约10

大多数聚变试验试图将等离子体加热至所需温度，以便让随机离子碰撞导致聚变反应。所述涉及的高温需要等离子体的约束(磁约束、惯性约束、静电约束、或彼等之结合)，以保护装置免受内部热等离子体的损害。约束及维持热等离子体是一项尚未导致受控可持续聚变反应的艰巨任务。一种替代方法是通过电势加速离子，这种替代方法只需数十或数百kV(千伏)的中等电压。然而，以下评论的某些基本障碍被认为会在此类“运动学的”布置中阻止净能量增益。在目前的语境中，术语“运动学的”是指不处于热平衡的(即“非热能的”)、而且涉及具有大于环境温度的能量的粒子的系统。

一个为什么运动学的方式行不通的示例通常是考虑荷能离子束撞击固体靶。由于与所述靶中的原子之间的平方距离相比，聚变截面太小(大约小10,000

即使是在没有电子存在的构型中，快离子有更大的机会足够接近地撞击另一离子以便弹性散射，但不是正面碰撞而导致聚变。弹性散射的所述离子将它们的动能重新分布在它们之间，引起级联过程而迅速导致热能化，即：初始能量损失予热能。热能化只有两种可能的结果：(i)热能导致总体温度足以维持聚变，将所述装置引入等离子约束装置类别(此处未讨论)；或(ii)所述温度低于聚变温度，而在这种情况下，由于热力学定律，所述损失予热能的能量完全无法回收，因而阻止净能量增益。换句话说，除非形成非常热的等离子体，必须花费比由极少数聚变成功的离子产生的任何增益多得多的能量，对未能聚变成功的离子进行加速。

另一示例为聚变反应器装置–一种利用静电势来实现聚变反应的最简单装置，虽然其到目前为止，尚未证明有净正增益。

值得注意的是，实现聚变的任务并不困难；聚变反应器是一种可以在家或在车库里建造的简单装置。聚变反应器在商业上作为中子源使用。困难而仍未解决的任务是进行可通过净能量增益自我供给的可持续聚变反应。典型聚变反应器装置中的能量耗损，比所产生的聚变能量大五个数量级。

典型聚变反应器装置不属于运动聚变方法类别。相反地，聚变反应器装置更正确地归类为“惯性静电约束”(Inertial Electrostatic Confinement,IEC)装置–一种还是使用由静电场(而不是磁场)屏蔽外部设备的热等离子体的装置。聚变反应器是“惯性静电约束”(IEC)装置的原因是，它们共享相同的能量热能化基本通道。当所述聚变反应器装置中的离子从外壁向中心飞时，这些离子由静电偏置加速。在中心，所述离子的平均动能足够大，可经受聚变。当到达中心时，从外壁向中心加速的两个冷离子具有相同的能量。它们有机会相互碰撞及引起聚变，但它们也有更大的机会弹性散射以及将它们的能量重新分布在它们之间。

当两个粒子弹性散射时，它们通常会重新分布它们的能量。即使对于具有相同初始能量的相同粒子也是如此，这可以在台球桌上直观到：例如，两个具有相同速度的相同台球有可能以“其中一个停下来，另一个以双倍的能量飞开”的方式碰撞。所述过程正好与一台球撞击一静止的台球相反。由弹性散射引起的能量重新分布导致热能化。

相同的基本障碍适用于其他试图通过加速离子束来实现可持续聚变的构型。除了经常引述的、因内部静电压力引起的离子束散焦问题之外，相同的过程造成的弹性散射开来、带走它们的能量的离子的数目，比导致聚变、阻止净能量增益的少数几个离子的数目多得多。

发明内容

在一个创新方面，一种聚变反应器具有维持深真空的真空室。第一离子束及第二离子束在活性空间内依次沿着第一路径及第二路径定向。在每一个别离子束的每一路径内的点，每一离子束具有每一离子束内的离子的基本均匀能量及具有每一离子束内的离子的基本均匀速度矢量。所述第一离子束及所述第二离子束在所述活性空间中的反应区内实质相互正面碰撞，而所述第一离子束的离子的能量与所述第二离子束的离子的能量的比等于各自的离子质量的反比。所述第一离子束及所述第二离子束的散射离子的能量被回收，而且冷离子从所述活性空间排空。

另一个创新方面是针对核聚变反应器，该反应器包括真空室，所述真空室界定内部，并用于维持所述内部中的深真空。所述反应器进一步包括至少一个离子注入口、离子激励电路以及所述内部内的活性空间。所述活性空间包括离子束聚焦装置，该离子束聚焦装置包括多个电极，所述多个电极布置成使得第一离子束及第二离子束在每一个别离子束的每一路径内的点，具有每一离子束内的离子的基本均匀能量及具有每一离子束内的离子的基本均匀速度矢量，以及在所述活性空间中的反应区内实质相互正面碰撞。每一离子束通过所述至少一个离子注入口获得，而所述第一离子束的离子的能量与所述第二离子束的离子的能量的比等于各自的离子质量的反比。

第一能量回收电极与所述离子激励电路耦合，而且根据所述第一离子束的电荷及能量正向偏置。所述第一能量回收电极用于所述第一离子束的散射离子的动能转移到所述离子激励电路，从而产生待从所述活性空间排空的冷离子。

附图说明

结合附图考虑以下有关本发明的各个实施例的详细描述，当可更全面地理解本发明。

图1为一简化原理图，其显示根据一些实施例的示例性核聚变装置的一部份，该示例性核聚变装置的进一步细节在下述附图中显示。

图2为一简化原理图，其显示根据第一类实施例的核聚变装置的一些示例性方面，在该第一类实施例中，离子束沿着主轴线朝向反应区。

图3为一简化原理图，其显示根据一些实施例的核聚变装置，在所述一些实施例中，离子储存环被布置成在反应区中以180°横越其本身。

图4为一简化原理图，其显示根据一些实施例的核聚变装置的一部份，在所述一些实施例中，离子束沿着叶型路径定向，使得所述离子的向前及向后方向空间分离。

图5为一简化原理图，其显示根据一些实施例的双物种核聚变装置，该双物种核聚变装置使用与图4中描绘的叶型环相似的两个叶型环。

图6为一简化原理图，其显示根据一些实施例的双物种核聚变装置，该双物种核聚变装置使用两个离子储存环。

图7为一简化原理图，其显示根据一些实施例的双物种核聚变装置，该双物种核聚变装置具有多个完全包含在所述装置的活性空间内的储存环。

图8为一简化原理图，其显示一示例性电路，该示例性电路可适配用于各种不同实施例，包括根据一些实施例的电极及它们与离子激励部份的连接。

虽然本发明可顺从各种修改及替代形式，但其细节已在附图中以示例的方式显示，而且将详细描述如下。然而，应该理解的是，详述的意图并不是将本发明限制于所描述的特定实施例。相反地，详述的意图在于覆盖属于所附权利要求书定义的本发明范围内的所有修改、等同物及替代物。

具体实施方式

所述实施例的一个方面旨在提供一种布置，用于有效回收由运动聚变反应器中的弹性散射离子带走的大部份能量。

以下详细描述在本质上仅仅是起示例性作用，而且并未意图限制本申请中所描述的实施例及所描述的实施例的用途。本文中使用的词“示例性”或“说明性”的意思是“作为一示例、例子或说明”。此中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施例并不一定要解释成优选于或优于其他实施例。以下描述的所有实施例是示例性实施例，提供所述示例性实施例之目的在于使本领域技术人员能够实践所述揭示，而且并非旨在限制所附权利要求书的范围。此外，没有意图使本申请受在前面的技术领域、背景技术、简要内容说明或以下的具体实施方式部份中呈现的任何明示或默示理论的约束。

此外，为提供对发明主题的多方面的进一步理解而包括在此的附图，被并入本说明书并构成本说明书的一部份，这些附图说明本发明的实施例，而且与说明书共同解释本发明的主题的原理。它们的目的是作为示例性图解，用于使本领域技术人员能够实践所述揭示，而且并非旨在限制任何潜在的权利要求的范围，除非此类限制在分别的权利要求中明确阐述。

说明书中使用的某些术语

真空室是维持深真空的容器。关于这一点，深真空是其任何残留微粒的平均自由程比所述真空室的维度大的真空。所述聚变反应只是包含在靠近所述真空室的中心的小反应区中。

反应区是碰撞离子束重叠以允许正面撞击的区域，而且是聚变反应发生的区域。所述反应区由所述离子束重叠区域界定，在此处，所述离子束的动能足以让聚变反应发生。

活性空间是所述真空室内的3D(三维)区域，其包括所述反应区以及通常围绕至少部份的反应区的较大区域，并包括在聚变反应器操作期间荷能的(非冷，或“热”)定向离子束及散射离子存在的区域。所述活性空间不一定有严格定义的边界。在一些实施例中，所述活性空间的范围可能通常与能量回收电极的位置相对应，而在其他实施例中，相对于所述能量回收电极，所述活性空间的范围可能是内部或外部。

主轴线是所述反应区中的碰撞离子束沿着它对齐的轴线。

离子注入口是准许离子束从离子源进入所述活性空间的小孔或其他结构。

离子收集口是准许已经通过所述反应区的未反应离子或未散射离子的离子束退出所述活性空间的小孔或其他结构。根据各种实施例，退出所述活性空间的所述离子束可能定向重新进入所述活性空间，或所述离子束可能回收其能量。

设计偏移角是偏斜角，其可能为零度或具有小值，以便分离如以下定义的一些基本设计中的离子注入器及收集器接口。

加速电极是一种形状基本为柱体或圆环、定向基本与“主轴线”同轴的电极，其负向偏置，从而提供静电场以激励离子。

能量回收电极是一种以近似于反应区的离子的能量乘以它们的电荷正向偏置的电极，而且其位于散射离子的路径上，(在一种实施例中)以基本完整立体角围绕反应区或覆盖所述立体角的基本部份，而大多数离子在该基本部份散射。所述能量回收电极可能足够多孔，以允许冷离子排空。排空效率优选足以防止大量散射后离子再次向反应区加速。在一些实施例中，所述电极可能有许多部份相互偏置，以改善能量回收效率。

冷离子或慢离子是具有的动能少于反应区中的“快”或“加速”离子的动能的0.1％的离子。所述加速离子具有的能量在数以十计或数以千计的keV(kilo-electron-volts)(千电子伏特)范围内。具体的值(方程式1b中的E

防止碰撞离子的能量重新分布

根据一些实施例，本发明的核心方法是基于特定碰撞事件的质心(CM)参考系中不存在能量重新分配的认识。质心(CM)参考系中的弹性散射时间导致两种粒子改变它们的飞行方向，但不是它们的能量。散射离子朝与它们的初始路径成任意角度χ的相反方向飞开，但它们的能量保持与它们的初始能量相等。这个特性用于多种实施例，以便在所述散射离子的能量被热耗损之前，帮助回收他们的能量。

根据一些实施例，如以下详述那样，对于大多数的离子碰撞而言，所述实验室(装置)参考系基本上与所述质心(CM)参考系重合。利用这个原理，所“浪费”的散射离子的动能保持明确定义的值，而且因此可通过用静电势来减慢它们的速度来回收，使得所述能量返还到最初从那里抽取能量来加速那些离子的电路中。值得注意的是，这些实施例解决的一个基本障碍并不是所述散射离子本身的浪费，而是它们所携带的能量的浪费。

所述质心(CM)参考系与大多数离子碰撞的实验室参考系重合帮助实现所述能量回收，因为否则所述散射离子将具有广谱的不同能量，以有限数量的电极防止它们减速。

为了所述装置参考系充当所述质心(CM)参考系，所述碰撞必须基本上是正面地碰撞，而所述碰撞离子能量E

碰撞角度＝180° (方程式1a)

E

根据一些实施例，这些条件可以通过准备两个离子束(其形式可以是类似授予Russell的美国专利U.S.Pat.No.5,152,955，或“第8届国际核工程大会(2000)正式记录”上记载的、Alessandro Ruggiero发表的“用于核聚变的质子-硼碰撞束”(Proton-BoronColliding Beams for Nuclear Fusion)中描述的储存环)达到，所述揭示通过提及并入本文，除了所述两个离子束具有校准良好能量、遵循“方程式1b”，而且优选在反应室的中心正面地碰撞之外。

关于这一点，离子束的校准良好能量的意思是，该离子束内的大多数(优选几乎全部)离子具有基本(即：在可行的范围内)均匀能量及具有沿着所述离子束的路径上的基本均匀速度矢量。例如，在一个此类实施例中，所述校准良好能量可能有能量分布及大约1ppm的速度矢量分布。

离子能量可以通过沿着离子束路径施加适当的加速电压来控制。离子聚焦可以通过沿着离子束路径布置适合适合构型的聚焦电极或磁铁来控制。所述碰撞(“反应”)区的空间尺寸可以通过使用已知的合适技术或未来可能出现的其他合适技术，以低强度或中强度磁场偏转及弯曲离子束轨道来界定。关于这一点，低强度或中强度磁场是其强度可通过使用永久磁铁来产生的磁场(不论所述磁场实际上如何产生)。例如，可以使用大约0.1T-0.3T的磁场。

碰撞角度与180°的任何偏离快速破坏质心(CM)参考系的独特特性，允许能量重新分布，从而使回收所述散射粒子的能量的任务更为困难(如果不是使之成为不可能)。因此，在这些实施例中，为了正面地碰撞，碰撞角度尽可能保持在180°。例如，每一离子束可能调整为其标称离子束方向的0.1°内。在其他示例中，所述离子束方向可动态调整(例如使用电场、使用微致动器、或使用比如这些技术的结合)，以瞄准离子束发射器。可使用控制系统以动态调整离子束方向，从而使反应器的功率输出最大化。

其他能量回收特征

以上的方程式1a及1b提供条件，让所述散射后离子具有的能能量基本上与它们的初始能量相同，从而为它们的能量的回收奠定基础。可通过将电极置于这些离子的、以等于它们的能量乘以它们的电荷的正电势偏置的路径上来实施实际的能量回收。可以通过让所述离子以法向(或接近法向)角度趋近所述能量回收电极，进一步改进这样的能量回收布置：

能量回收入射角＝90°(方程式2)

在没有这种布置的情况下，如果离子以除了法向角以外的角度趋近所述电极，则该离子被反射回去，除非所述电极足够欠偏置。如果所述电极欠偏置，所述离子不被反射回去，但与其切向运动有关的能量的一部份未回收。如以下更详细描述那样，方程式2有助于实现直接的能量回收构型。

同物种及双物种反应

如果两个离子物种相同，设计问题简化为维持具有精确相同能量的离子的正面碰撞。这种简化的成本是可容许核反应的范围更窄，比如D–D(氘–氘)、T–T(氚–氚)、或无中子

这些反应(尤其是D–D(氘–氘)反应)具有显著更小的聚变截面σ

上述的设计原则，可通过许多不同的装置几何结构实现。以下描述各种实施例，以单物种实施例为开始，该单物种实施例对传统聚变反应器装置的几何结构进行了改进。此外，以下根据其他实施例描述不同的同物种反应器几何结构及双物种反应器几何结构。

图1为一简化原理图，其显示关于以下各节中描述的各种实施例的某些基本方面。如图中所示，真空室101维持深真空，该深真空可通过使用合适的排空系统(图中未显示)来建立及维持，排空系统可能包括真空泵及合适的管道系统。真空室101内亦包含活性空间114，反应区106、离子源105与105’、以及能量回收电极104与104’位于在活性空间114内。

离子源105与105’可通过使用以相对于反应区106的正加速电压+VA1及+VA2维持的电极实施，以依次产生离子束能量为方程式1b指定的能量的离子束102与102’。

在反应区106中经历弹性散射的离子遵循类似103或103’的散射路径。能量回收电极104与104’维持于正加速电压+VA1及+VA2，以沿着散射路径103或103’回收所述散射离子的动能，所述散射离子随后被所述排空系统从活性空间114移除。

值得注意的是，由于所述装置(包括能量回收电极104与104’)为3D(三维)结构，散射离子路径103及103’可能在所述原理图的平面之外，也就是说它们可以处于3D(三维)空间的任何角度。

未经历弹性散射的离子继续在它们各自的路径102或102’上。在一些实施例中，这些离子也基本上完全减速，而在其他一些实施例中，这些未散射离子循环回到所述活性空间114.此外，在所述未散射离子被减速的实施例中，所产生的冷离子也在一些实施例中从所述活性空间移除，或在另一些实施例中，所产生的冷离子未被移除，而通过允许它们再次向所述反应区加速而再次使用。在任何构型中，与这些未散射离子相关的能量损耗最小化，不论所述离子是否再次使用，因为用于它们的加速的能量即不回收也不再次使用。磁场B在图中显示为与这个示例中的原理图的平面垂直，在反应区106中以促进正面碰撞(方程式1a)的方式弯曲所述离子束的路径。

“基本设计I”的实施例

“基本设计I”包括改进的传统聚变反应器装置，不像传统的聚变反应器装置，所述改进的传统聚变反应器装置在深真空状态下运行，而且配备了如以下详述的某些设计元素。“基本设计I”用于以下述方式集中离子在坐标及速度空间的分布：(i)充分增加在反应区中相同能量正面碰撞的概率；(ii)有效地将散射至与所维持的1D(一维)空间分布不一致的角度的离子排空；以及(iii)有效地收集此类散射后离子的动能，并在热能化发生之前，将所述动能返还所述电路。在“基本设计I”中，这种反向能量转移成为可能，是通过限制大多数碰撞为只是相同质量、相同能量离子的正面碰撞实现，藉由这种限制，可精确地在狭窄公差范围内知道散射粒子的能量。

值得注意的是，传统的聚变反应器设计缺乏基本上完全恢复所述散射后离子能量并从而避免热能化的能力。因此，根据“基本设计I”的装置的运行与已知的聚变反应器装置的运行差异显著，后者在中心区域有高温等离子体。与此相反，“基本设计I”以狭窄、高度非热能量及速度分布取代此类高温等离子体。

此外，已知的聚变反应器装置由于热离子撞击加速电极而遭受能量损耗，而“基本设计I”实际上消除此第二个关键能量损耗渠道，因为所述离子的1D(一维)路径并不穿越所述轴向对称加速电极。

图2为一简化原理图，其显示根据“基本设计I”的实施例。在这个示例中，所述装置的优选形状呈球形围绕反应区206。离子注入口207与208中至少一个与冷离子注入器(图中未显示)有关，它们位于或靠近所述装置的磁极，基本上与主轴线210共轴。所述冷离子注入器供应与所需的空间及速度分布的1D(一维)性质一致的初始离子密度。从所述两个相对的磁极进入活性空间214的冷离子，通过由负向偏置加速电极205产生的静电引力，在中心处沿着主轴线210向反应区206加速。

在正面碰撞时或在错过碰撞时，非反应及未散射离子(其大多数)沿着主轴线210离开反应区206，由于能量回收电极204与加速电极205之间的电势差产生的电场而加速，并在它们到达能量回收电极204的对面时将能量传递回所述电路。

大多数未散射或弹性散射至够小角度的离子，由两个离子收集口211与212收集。在图2中描绘的示例中，所述离子收集口211与212与对面的离子注入口207与208重合，因此允许所收集的离子再次加速返回反应区206。

经历弹性散射的离子沿着类似210’的路径离开反应区206，而且其初始速度v

围绕反应区206的能量回收电极204，以几乎但非完全降低到达能量回收电极204的离子的能量并允许冷离子通过能量回收电极204(以便由冷离子排空系统209收集)的方式，相对于加速电极205正向偏置。在一些实施例中，能量回收电极204具有离子渗透结构(例如网格或穿孔)，以准许冷离子通过冷离子排空系统209从活性空间214排空。

其一部份以弧形示意性地显示的冷离子排空系统209可能包括维持真空的系统；它可能包含一个或多个负向偏置俘获电极(图中未显示)，以便通过供应电子重组正离子，并从而将所述离子转化为中性原子(例如氘或氦-3)，由所述真空系统进一步移除。冷离子排空系统209可能进一步包括以钯制成的电极，这些电极适当地偏置以吸收氘或氚，以便防止冷离子发射回活性空间214内。冷离子排空系统209可能使用任何合适结构或技术，比如涡轮分子结构、扩散结构或致冷结构。

在一个实施例中，真空室201可能包含一些设计用于吸引及吸收经过能量回收电极204的任何离子、以及阻止它们向活性空间214的中心二次发射的元素。此类元素可能包括钯或其他吸波材料；或它们可能包括一稍微相对能量回收电极204负向偏置的电极(比如冷离子排空系统209的弧)，以便吸引及吸收通过能量回收电极204的任何离子。这个电极可能以钯制成或为结合好处而含有钯或其他吸波材料。

因此，本实施例的描述集合结构为以任何角度弹性散射的离子满足方程式1a与1b以及方程式2。

在其他一些实施例中，能量回收电极204可能通过在冷离子减速之后吸收所述冷离子(而不是准许它们通过然后排空)，执行冷离子排空系统209的全部或部份功能。在这些实施例中，可能将能量回收电极204制成坚固(不渗透)，优选以具有对相关离子物种的高吸收效率的材料制成。如果是氘(D)或氚(T)氢同位素，材料的自然选择是钯。电极204可能仍需要进行分段，以便根据方程式4不同地欠偏置。

在相关的实施例中，可引入某种构型的偏转磁场B(图2中未显示)干扰从左方及右方进来的离子的路径210，以阻止到处发生离子碰撞，除了靠近活性空间214的中心之外。能量回收电极204的球形可能会因此受到干扰，以维持方程式2代表的法向入射条件。

在其他相关的实施例中，这里描述的一维(1D)聚变反应器装置的工作模式可能类似于传统聚变反应器装置的众所周知的“星型模式”，其关键区别为所述的“星”只有两个尖头，而所述装置的主要部分缺乏等离子体，而且在运行期间维持在深真空水平。

在相关的实施例中，“欠偏置”dE的强度足以阻止低能量散射后离子反射回活性空间214，坚持维持几乎正面碰撞的设计原则。然而，理想的做法是所述散射后离子全都具有相同的能量，技术缺陷导致能量的狭窄分布。具体地说，偏离正面碰撞条件Eq.1a角度δ导致所述散射后离子具有的能量稍微高于及稍微低于初始能量。最坏的情况(最大能量偏差dE)因以直角散射的离子而发生。在这种情况下，能量过剩/不足为：

dE(90°)＝2E

其中E

由于大多数库伦散射发生于小散射角度(详见以下讨论)，而且由于在小散射角的能量过剩/不足dE较少，靠近主轴线210处的能量回收电极204区域可能欠偏置更少量，以便限制此类损耗。在一些实施例中，能量回收电极204可能分段以实现这个目标，每一段欠偏置dE

净能量增益可行性评估

如以上所述，氘–氘(D–D)反应(作为其他单物种反应)与氘–氚(D–T)反应相比，前者有显著的参数缺点：前者的反应截面(即反应概率)比后者低27倍，需要比后者大约大8倍的电压，而且其聚变能量产额比后者低4.9倍。在有利方面的是较简单的单物种装置设计。如以上所述，计算结果表明，能量增益可超过损耗，即使是在氘–氘(D–D)“基本设计I”反应器中也是如此。然而，预期随后描述的氘–氚(D–T)设计的增益/损耗比率比前者显著更好。

首先，估计由于在图2描绘的反应器中偏离正面碰撞而造成的能量损耗dE。详细考虑所述库伦散射过程。

从技术角度看，对面离子束中的大多数离子保持未散射。在形式上，真空中的库仑力的远程性质使每个离子散射，虽然是散射至小角度。出于本说明书的技术目的，所述“未散射”离子是那些在通过反应区时不偏离太多(以便还是能够撞击离子收集口211或212的区域)的离子。

在图2描绘的“基本设计I”中，这些离子被准许反射回并再次向反应区206加速，多次试图进行聚变反应，直到它们从所述证明碰撞轨迹散射开(最为可能)为止，导致一些能量损耗，或经历聚变而导致能量增益。特定尺寸的装置的增益/损耗(G/L)平衡可以估计。在以下关于此类估计的说明性示例中，所选择的尺寸是为了方便说明，而且并不是以任何对本主题的范围施行必要限制的形式提出。

可以假设，在30cm直径的活性空间214中的离子收集口211及212中的每一个的直径为5mm。此外，在这个示例中，所述加速电极偏置E

因此，未散射离子是以少于α＝sin

所述净能量平衡的积极方面是，由成功的氘–氘(D–D)聚变反应释放的能量产额E

在所述截面σ

散射的大多数离子散射至小角度χ。这些离子的能量损耗dE可以计算为：

dE(χ)＝2E

对于以χ＝1°的角度散射的离子，其产生dE≈E

假设η为聚变能量回收的效率，在增益方面，能量平衡有η×σ

G/L＝ησ

这证明所述装置的技术可行性。分母中有因数2，是由于所述聚变反应涉及一对离子。

氘–氘(D–D)反应有更高的实用η值，这是由于63％的聚变产额被荷電粒子带走(氘–氚(D–T)反应只是20％的聚变产额被荷電粒子带走)，这允许直接能量转化。

离子束散焦评估

1.由于初始离子温度而散焦

假设冷离子注入器207与208的温度为T，离子的热运动的法向分量大约为v

从离子注入器207、208至反应区206的飞行时间大约为t＝(R

2.内部库伦散焦

对加速离子束聚变反应器的通常批评是，由于内部库仑排斥力，为实现一定的大能量输出而必要的离子束密度导致离子束自散焦。能量输出可能会受到此因素及其他因素的限制。在这里，重点是限制损耗，而不是提高增益。主要目标在于提供具有净正能量输出的聚变装置，尽管单一装置可能很小，而且不一定要达到发电站的规模。然而，只要遵循本揭示教导的设计原理，所述能量输出可以通过添加额外的离子束聚焦元件或通过其他手段来扩大。

“基本设计IB”的实施例

在“基本设计IB”的实施例中，提供类似“基本设计I”的聚变反应器，除了为使离子注射与未散射冷离子回收分离，其离子收集口211与212是与离子注入口207与208分开的开口之外。可以通过偏转磁场改变所述离子的路径，以便将每一离子束对准相应的离子收集口211与212。这允许所述冷离子注入器具有更复杂的设计，以便更好地将冷离子聚焦于通过所述注入口朝向反应区206。“基本设计IB”优选具有更有效的冷离子排空系统209，以防止所收集的离子在不同于离子注入口207与208的位置重新进入活性空间214，从而维持几乎正面碰撞的设计原则。

“基本设计II”的实施例

根据相关种类的实施例的“基本设计II”在图3中显示。“基本设计II”包括真空室301，真空室301包含活性空间314、反应区306、加速电极305、能量回收电极304、离子束302及散射离子路径303，它们在原理上与以上参考图1及图2描述的类似部件相似。“基本设计II”实施例的区别特征是布置成在反应区306中以180°横越其本身的8-型离子储存环316。储存环316促使离子束302通过离子束注入口307与308及离子束收集口311与312进入及退出活性空间314。在“基本设计II”的一些实施例中，离子束收集口311与312可能依次与对面的离子束注入口308与307重合，或可能分别提供作为能量回收电极中的附加口(“基本设计IIB”)。

在一些实施例子中，在离子束注入口307与308及离子束收集口311与312处的离子束能量显著小于反应区306中的那些离子束能量；因此，通过所述口307、308、311、312的离子束可视为冷离子束。离子束302的加速通过活性空间314内的、由加速电极305与能量回收电极304之间的电偏置产生的电场实现。

值得注意的是，由于所述装置(包括能量回收电极304)为3D(三维)结构，离散离子路径303可能在所述原理图的平面之外，也就是说它们可以处于3D(三维)空间的任何角度。

“基本设计III”的实施例

“基本设计III”可视为图3中描绘的“基本设计II”的变体，除了在“基本设计III”(图中未显示)的一些实施例中，所述能量回收电极围绕储存环结构316的大部份或全部，而且相对于后者正向偏置之外。因此，活性空间314包括所述储存环316。在这些实施例中，所述储存环中的离子束的全长可以维持于热反应能量。

在其他实施例子中，处于活性空间314外的储存环316部份中的离子能量可以维持于冷离子能量与热离子能量之间的任何中间值。

“基本设计IV”的实施例

在一些实施例中，“基本设计II”及“基本设计III”通过以两个在反应区306中重叠、具有基本上共线的截面的储存环318取代单一8-型环316。

由于前述2-环设计也适用于双物种反应，以下参考图5对其进行描述。这个种类的单物种实施例在图8中显示。

可使用偏转磁场B来分离所述注入及收集离子束路径。所述离子束可像在“基本设计II”中那样进入及退出活性空间314，或像“基本设计III”中那样完全包含在所述活性空间内。在各种不同的实施例中，离子束能量可能在所述活性空间之外，具有除了E

多物种核反应

如以上所述，由于所述较高截面、较高聚变产额及所需能量较低，对于实现有利的增益/损耗比率而言，与单物种聚变反应相比，所述氘–氚(D–T)反应提供大量优势。其他双物种反应可能提供这些优势及其他优势。在下文中，所述D及T符号依次用于表示一般较轻及较重的离子，以所述氘–氚(D–T)反应作为优选示例。

在下文中，揭示所述聚变反应器式“基本设计I”及储存环式“基本设计II-IV”的双物种版本。

基于聚变反应器式构型的双物种实施例

搁置所述离子注入及所述散射离子回收的细节，所述基于聚变反应器式构型准许稳态一维相空间分布，在这种分布中，两个离子物种沿着主轴线振荡，而且由方程式1a及1b设置的条件仍然获得满足。

根据方程式1b，所述反应区中的较重离子的动能E

如果所述加速电极与所述外壁之间的电势差E

所述聚变反应器几何结构的一个缺点是，所散射的氚(T)离子损耗它们的动能，而且在活性空间的内部停止，而所散射的氘(D)离子还有能量E

解决这个缺点的一种方法是接受所述残余能量损耗(等于E

作为对这种方法的改进，一些实施例包括以使大多数散射氚(T)离子与大多数散射氘(D)离子空间分离的方式弯曲所述氘(D)及氚(T)离子束的路径的方法。在一种实施例中，这种方法通过施加某种构型的磁场实现，其示例在图4及图5中示意地显示。鉴于所述散射氚(T)及氘(D)离子的分离，位于每个种类的大多数散射离子的路径上的不同能量回收电极促成使每个种类的各自的大多数散射离子减速，以便有效地回收它们的能量。所述不同能量回收电极中的每一能量回收电极可以维持于对应于每个种类的有待回收的散射离子各自的能量的合适电压。

由于所述库伦散射中的大多数导致散射至小角度，所述离子的前后振荡运动被一定向流取代，其中氚(T)离子从一侧进入所述反应区，而氘(D)离子从对侧进入所述反应区。这可以通过以不需要额外能量来维持的永久磁铁产生的中强度磁场实现。

图4示意性地显示单物种构型，其中前后振荡运动被叶型路径410取代，使得所述离子的向前及向后路径空间分离。如图所示，这在一个示例中通过将活性空间414布置在使离子路径410向左弯曲的外部磁场B

在这个示例中，提供两个独立的能量回收电极423及424。每一电极423、424具有平面形状以及与对应的冷离子注入器407、408重合的端口(比如小孔)。由于此示例为简化单物种实施例，能量回收电极423及424具有相同电势。然而，在多物种实施例中，所述不同能量回收电极处的电势可能彼此不同。

在图4描绘的实施例中，端口407及408以类似“基本设计I”(图2)的方式，同时扮演离子注入器及离子收集器的角色。

所述总体布置位于真空室401中，其可能包括冷离子排空系统(图中未显示)，该冷离子排空系统在原理及结构上类似前述实施例中描述的那些冷离子排空系统。

图4中显示的特定示例基于平面电容器几何结构的计算机模拟，其中B

图5为原理图，其显示根据一些实施例的双物种核聚变装置。该双物种核聚变装置为所述两个离子物种结合两个叶型环(比如以上参考图4描述的叶型环)，所述两个叶型环彼此相邻布置，以便以所述两个物种被准许在反应区506中正面碰撞的方式重叠。如图中所示，所述反应器包括真空室501。真空室501包含活性空间514，在活性空间514中，两个独立的氘(D)及氚(T)叶型路径510及530各自以在前进方向上从端口507移动至端口508(如图所示，向上)的氘(D)离子有机会与在前进方向上从端口537移动至端口538(如图所示，向下)的氚(T)离子正面碰撞的方式定向。由于以上参考图4描述的偏转磁场B

在图5描绘的实施例中，所述端口507、508、537及538以类似图4及“基本设计I”(图2)的方式，同时扮演离子注入器及离子收集器的角色。

图5示意性地描绘邻近区域520、522、540及542，其中磁场B使离子路径向右弯曲，而在活性空间的其余部份的磁场B

以类似于单物种实施例(图4)中描述的方式，大多数离子不散射，并继续沿着它们各自的叶型路径510、530移动。在反应区506中碰撞的离子偏离它们原来的轨迹，并遵循类似510’及530’的路径。由于所述偏转磁场的存在，路径510’及530’也弯曲；然而，它们仍然是可预测的，而且是散射角χ的特定函数。由于反应区506中维持方程式1a及1b的条件，所述散射离子的初始速度对应于各自的离子热能E

以小角度散射并遵循像510’的路径的大多数散射氘(D)离子到达能量回收电极504(这些离子中的大多数邻近端口508)，将它们大部份能量返还所述电路，经过能量回收电极504，然后被冷离子排空系统(图中未显示)以类似上述单物种设计的方式移除。能量回收电极523以类似能量回收电极504的方式静电地起作用。能量回收电极523可能需要也可能不需要多孔，这是由于散射在反应区中的离子预计不会到达它。相同的描述适用于较重的氚(T)离子的电极533。为了也维持由方程式2设定的条件，电极504可能具有弯曲的形状，比如为了以基本法向角接受每一散射离子轨迹。可以通过使用本领域技术人员所知的技术(比如使用计算机模拟特定装置构型)，确定理想的曲率(为简单起见，图中未显示)。

值得注意的是，由于所述装置(包括能量回收电极504及524)为3D(三维)结构，类似510’及530’的散射离子路径可能在所述原理图的平面之外，也就是说它们可以处于3D(三维)空间的任何角度。

在反应区506中经历散射的较重的氚(T)离子遵循类似路径530’，到达对应的能量回收电极524(在对应于所述较重离子的较低能量E

在相关的实施例中，为了实现较重的氚(T)离子的回收，所述排空系统的一些部份现在位于所述活性空间内(在529处示意性地描绘)。与所述同物种实例一样，优选不允许大量此类离子向加速电极505反射回去，这是由于这些离子将不再遵守由方程式1a及1b设定的条件。实现这一目标的一个实际可行方法是以稍微负向偏置dE’放置电极529，以便吸引及吸收任何经过电极524的氚(T)离子，以及阻止它们向活性空间514的中心二次发射。如在“基本设计I”中所述，电极529可能包含钯或以钯或另一吸波材料制成。在相关的实施例中，相同的技术亦可用于所述活性空间外的冷离子排空系统。

在其他一些实施例中，能量回收电极504及524可能在它们减速之后通过吸收所述冷离子执行所述冷离子排空系统的所有或部份功能，而不是准许所述冷离子通过它们然后被排空。在这些实施例中，可能将能量回收电极504及524制成坚固(不渗透)，优选以具有对相关离子物种的高吸收效率的材料制成。如果是氘(D)或氚(T)氢同位素，材料的自然选择是钯。电极504及524可能仍需要进行分段，以便根据方程式4不同地欠偏置。

与图4相似，加速电极505具有平面形状及精确地位于所述向前及向后的离子束穿过所述平面处的小孔515。可以根据本领域技术人员所知的技术(比如通过计算机模拟)，为任何已知装置构型确定小孔515的位置。

基于储存环构型的多物种实施例

图6显示基于两个离子储存环、以类似用于单物种实例的“基本设计II”的方式起作用双物种实施例。真空室601包含活性空间614、反应区606、加速电极605、用于氘(D)及氚(T)离子的能量回收电极604及624、离子束602及622、以及散射离子路径603即623，它们在原理上与以上参考图3以及图1及图2描述的类似部件相似。这个双物种实施例的区别特征是两个离子储存环616及636替代图3中的8-型储存环316。储存环616及636布置成在反应区606中以180°的角度重叠。它们依次促使离子束602及622携带氘(D)及氚(T)离子通过离子束注入口607与608及离子束收集口611与612进入及退出活性空间614。

在一些实施例中，在离子束注入口607与608及离子束收集口611与612处的离子束能量显著小于反应区606中的那些离子束能量；因此，通过所述口607、608、611、612的离子束可视为冷离子束。离子束602及622的加速通过活性空间614内的、由加速电极605(图中显示为接地)与电极623及633之间的电偏置产生的电场实现。

图6示意性地描绘可选离子束聚焦元件609及629，比如电极、磁铁或其组合，提供所述元件可更好地将离子束聚焦于它们的朝向反应区的路径，图6亦描绘类似的用于出射离子束的可选聚焦元件619及639。

在活性区中与所述原理图的平面正交的磁场B使每一离子束的路径向左弯曲，以便所述离子束重叠区域仅限于反应区606。

以类似于单物种实施例(图3)中描述的方式，大多数离子不散射，并继续沿着它们各自的储存环616、636移动。在反应区606中弹性散射的离子偏离它们原来的轨迹，并遵循类似603及623的路径。由于所述偏转磁场的存在，路径603及623也弯曲；然而，它们仍然是可预测的，而且是散射角χ的特定函数。由于反应区606中维持方程式1a及1b的条件，所述散射离子的初始速度对应于各自的离子热能E

以小角度散射并遵循像603或623的路径的大多数散射离子到达它们各自的能量回收电极604及624(这些离子中的大多数邻近离子束收集口611及612)，将它们大部份能量返还所述电路，经过能量回收电极604及624，然后被冷离子排空系统(图中未显示)以类似上述单物种设计的方式移除。电极623及633可能需要也可能不需要多孔，这是由于散射在反应区中的离子预计不会到达它们。为了也维持由方程式2设定的条件，能量回收电极604及624可能具有弯曲的形状，比如为了以基本法向角接受每一散射离子轨迹。可以通过使用本领域技术人员所知的技术(比如使用计算机模拟特定装置构型)，确定理想的曲率。

由于能量回收电极624的静电势与电极623显著不同，它们之间可能需要足够的技术差距(为简单起见，未在图6中显示)。相同的描述适用于这对电极604及633。可以通过让所述电极不覆盖整个立体角，或通过使所述电极位于所述反应区的不同距离处，引入差距。

“基本设计III”的实施例

“基本设计III”(双物种)可视为图6中描绘的“基本设计II”(双物种)的变体，除了在“基本设计III”(双物种)(图中未显示)的一些实施例中，储存环616与636中的一个或两个可能位于活性空间614外面(与类似所述单物种“基本设计III”)之外。在这些实施例中，所述储存环中的离子束的全长可以维持于热反应能量。在其他实施例中，处于活性空间614外的储存环616与636部份中的离子能量可以维持于冷离子能量与热离子能量之间的任何中间值。

图7显示类似于图6中的双环实施例的实施例，但具有完全包含在活性空间714内的储存环716及736。图7中之数字一般对应于图6中之数字。为了简单起见，图中描绘单物种实施例，而类似布置亦适用于双物种变体。

真空室701包含活性空间714、反应区706以及能量回收电极704。储存环716及736布置成在反应区706中以180°的角度重叠，以便满足方程式1b。所述储存环中的离子能量校准为满足方程式1a。图中未明确显示离子发射或收集口，但可用虚线表示的储存环结构716及736的终端来识别离子发射及收集口。

在活性区中与所述原理图的平面正交的磁场B使每一离子束的路径向右弯曲，以便所述离子束重叠区域仅限于反应区706。

所述未散射离子沿着各自的路径702及722继续移动，在环内循环。在反应区706中弹性散射的离子偏离它们原来的轨迹，并遵循类似703及723的路径。由于所述偏转磁场的存在，路径703及723也弯曲；然而，它们仍然是可预测的，而且是散射角χ的特定函数。由于反应区706中维持方程式1a及1b的条件，所述散射离子的初始速度等于各自的离子热能。所述散射离子沿着类似703及723的路径离开所述活性空间，到达能量回收电极704，然后由于其相对所述储存环716及736(显示为接地)的正向偏置而减速。冷散射离子接着被所述排空系统(图中未显示)移除。

值得注意的是，散射离子路径703及723可能不在所述原理图的平面上，但可能处于3D(三维)空间的任何角度，而所述装置(包括能量回收电极704)为3D(三维)结构。

电路实施例

图8为简化原理图，其显示根据一些实施例的电极及它们与离子激励电路的连接。图中的参考数字一般对应于图2的类似特征的参考数字。像“基本设计I”(图2)一样，离子注入口807及808兼扮离子收集口812及811的角色。所述冷离子通过由电压为V

图8显示关于单离子物种的电极；在涉及多离子束的实施例中，使用附加电压调节器(如851)来调节离子束能量，以遵守方程式1a。

能量回收电极804被显示为分段，如方程式4所规定，每段相对于冷离子收集器811欠偏置由低压电源860产生的电压dE

在正面碰撞时或在错过碰撞时，非反应及未散射离子(其大多数)沿着主轴线810离开反应区806，由于加速电极805与离子收集器811之间的电势差产生的电场而减速，并在它们作为冷(低能量)离子到达离子收集器811时将能量传递回所述电路。因此，沿着路径810前后振荡的离子未从电路中获取电力。

经历弹性散射的离子沿着类似810’的路径离开反应区806，而且其初始速度v

为了更好地说明所述能量回收过程，应注意散射离子携带一定的电流。在散射离子被移除时或之前，由于基尔霍夫(Kirchhoff)定律，它们必然被中和，防止由来自所述排除系统809的电子或可能来自能量回收电极804的电子造成的电荷积聚。这些电子携带相同的电流通过电路的其余部份，完成所述电路。值得注意的是，因这个电流而从所述电路取得的电力很小，这是由于其仅涉及在个位数伏特范围内的小电压(而不是像在数以十计或百计的千伏特范围内的V

附加注释及示例

示例1为一核聚变反应器，所述核聚变反应器包括：界定内部的真空室，所述真空室用于在所述内部中维持深真空；至少一个离子注入口；离子激励电路；一位于所述内部内的活性空间，所述活性空间包括离子束聚焦装置，所述离子束聚焦装置包括多个电极，这些电极布置成引导第一离子束及第二离子束在每一离子束中具有基本均匀能量的离子，以及在每一相应的离子束的每一路径内的点具有基本均匀的速度矢量，并在所述活性空间中的反应区内实质上相互正面碰撞，其中每一离子束通过所述至少一个离子注入口获得，其中所述第一离子束的离子能量与所述第二离子束的离子能量的比等于各自离子质量的反比，以及其中所述多个电极与所述离子激励电路耦合；第一能量回收电极，与所述离子激励电路耦合，所述第一能量回收电极根据所述第一离子束的电荷及能量正向偏置，并用于将所述第一离子束的散射离子的动能传递到所述离子激励电路，从而产生待从所述活性空间排空的冷离子。

在示例2中，示例1的主题包括，其中所述第一能量回收电极位于所述活性空间内。

在示例3中，示例1的主题包括，其中所述第一能量回收电极与所述活性空间共同延伸。

在示例4中，示例1–3的主题包括，其中所述第一能量回收电极包括离子渗透结构以允许所述冷离子通过所述第一能量回收电极。

在示例5中，示例1–4的主题包括，其中所述第一能量回收电极包括离子吸收材料。

在示例6中，示例1–5的主题包括，其中所述第一能量回收电极布置使得所散射的离子以与所述第一能量回收电极正交的角度撞击所述第一能量回收电极。

在示例7中，示例1–6的主题包括，其中所述第一能量回收电极根据所述第一离子束及所述第二离子束的电荷及能量正向偏置。

在示例8中，示例1–7的主题包括，与所述离子激励电路耦合的第二能量回收电极，所述第二能量回收电极根据所述第二离子束的电荷及能量正向偏置，并用于将所述第二离子束的散射离子的能量传递到所述离子激励电路，从而产生待从所述活性空间排空的冷离子。

在示例9中，示例1–8的主题包括，冷离子排空系统用于从所述活性空间移除冷离子。

在示例10中，示例9的主题包括，其中所述冷离子排空系统包括至少一个负向偏置的俘获电极。

在示例11中，示例10的主题包括，其中所述至少一个负向偏置俘获电极包括至少一个钯电极。

在示例12中，示例1–11的主题包括，其中所述离子束聚焦装置进一步包括至少一个磁场源，所述至少一个磁场源用于将所述第一离子束或所述第二离子束弯曲。

在示例13中，示例1–12的主题包括，至少一个离子收集口用于接收所述第一离子束或所述第二离子束的离子，以及促成这些接收到的离子的重新激励。

在示例14中，示例13的主题包括，其中所述至少一个离子收集口与所述至少一个离子注入口位于相同位置。

在示例15中，示例13–14的主题包括，其中所述至少一个离子收集口位于远离所述至少一个离子注入口的位置。

在示例16中，示例1–15的主题包括，位于靠近所述反应区的加速电极，其中所述加速电极负向偏置并用于使所述第一离子束及所述第二离子束向所述反应区加速，以及在所述第一离子束及所述第二离子束的非碰撞离子经过所述反应区时使所述非碰撞离子减速。

在示例17中，示例1–16的主题包括，其中所述活性空间的形状为球形。

在示例18中，示例1–17的主题包括，其中所述离子束聚焦装置包括电场或磁场，以便使所述第一离子束及所述第二离子束沿着相应成圈路径定向。

在示例19中，示例18的主题包括，其中所述离子束聚焦装置建立所述第一离子束及所述第二离子束中的每一离子束各自的成圈路径，所述成圈路径位于所述活性空间内及所述活性空间外，并在所述活性空间内携带热离子及在所述活性空间外携带冷离子。

在示例20中，示例18–19的主题包括，其中所述离子束聚焦装置建立所述第一离子束及所述第二离子束中的每一离子束各自的成圈路径，所述成圈路径位于所述活性空间内。

在示例21中，示例1–20的主题包括，其中所述离子束聚焦装置包括电场或磁场，以便使所述第一离子束及所述第二离子束沿着叶型路径定向，所述叶型路径包括向前方向及向后方向；及其中在向前方向上移动的所述第一离子束与在向后方向上移动的所述第一离子束空间分离，及其中在向前方向上移动的所述第二离子束与在向后方向上移动的所述第二离子束空间分离。

在示例22中，示例1–21的主题包括，其中所述第一离子束包括第一物种的离子，及所述第二离子束包括与所述第一物种不同的第二物种的离子。

示例23为一种用于运行核聚变反应器的方法，所述方法包括：提供一真空室及排空所述真空室，以便在所述真空室的内部维持深真空；使第一离子束及第二离子束在所述真空室中的活性空间内依次沿着第一路径及第二路径定向，在每一个别离子束的每一路径内的点，每一离子束具有每一离子束内的离子的基本均匀能量及具有每一离子束内的离子的基本均匀速度矢量，以及使所述第一离子束及所述第二离子束在所述活性空间中的反应区内实质相互正面碰撞，其中所述第一离子束的离子的能量与所述第二离子束的离子的能量的比等于各自的离子质量的反比；回收所述第一离子束及所述第二离子束的散射离子的能量，从而产生冷离子；以及将所述冷离子从所述活性空间排空。

在示例24中，示例23的主题包括，其中所述回收所述第一离子束及所述第二离子束的散射离子的能量的步骤包括准许所述冷离子通过可渗透的能量回收电极。

在示例25中，示例23–24的主题包括，其中回收所述第一离子束及所述第二离子束的散射离子的能量的步骤包括提供能量回收电极，所述能量回收电极布置使得所散射的离子以与所述能量回收电极正交的角度撞击所述能量回收电极。

在示例26中，示例23–25的主题包括，其中使所述第一离子束及所述第二离子束定向的步骤包括激励多个电极，以及布置更多磁铁沿着相应的路径加速及操纵所述第一离子束及所述第二离子束。

在示例27中，示例23–26的主题包括，其中排空所述冷离子的步骤包括负向偏置至少一个俘获电极。

在示例28中，示例23–27的主题包括，其中使第一离子束及第二离子束在所述活性空间内定向的步骤包括布置至少一个磁场，以弯曲所述第一离子束或所述第二离子束。

在示例29中，示例23–28的主题包括，收集所述第一离子束及所述第二离子束的未反应离子，以及重新激励所接收的离子并使它们朝向所述反应区。

在示例30中，示例23–29的主题包括，其中使所述第一离子束及所述第二离子束在所述活性空间内定向的步骤包括负向偏置以加速电极并布置所述加速电极使所述第一离子束及所述第二离子束的离子向所述反应区加速，以及在所述第一离子束及所述第二离子束的非碰撞离子经过所述反应区时使所述非碰撞离子减速。

在示例31中，示例23–30的主题包括，其中使所述第一离子束及所述第二离子束在所述活性空间内定向的步骤包括沿着所述第一离子束及所述第二离子束中的每一离子束各自的成圈路径操纵所述第一离子束及所述第二离子束。

在示例32中，示例23–31的主题包括，其中使所述第一离子束及所述第二离子束在所述活性空间内定向的步骤包括建立电场或磁场，以便使所述第一离子束及所述第二离子束沿着叶型路径定向，所述叶型路径包括向前方向及向后方向，使得在向前方向上移动的所述第一离子束与在向后方向上移动的所述第一离子束空间分离，及其中在向前方向上移动的所述第二离子束与在向后方向上移动的所述第二离子束空间分离。

在示例33中，示例23–32的主题包括，其中所述第一离子束包括第一物种的离子，及所述第二离子束包括与所述第一物种不同的第二物种的离子。

示例34为一核聚变反应器，其包括：真空室，以便在所述真空室的内部维持深真空；使第一离子束及第二离子束在所述真空室中的活性空间内依次沿着第一路径及第二路径定向的装置，在每一个别离子束的每一路径内的点，每一离子束具有每一离子束内的离子的基本均匀能量及具有每一离子束内的离子的基本均匀速度矢量，以及使所述第一离子束及所述第二离子束在所述活性空间中的反应区内实质相互正面碰撞，其中所述第一离子束的离子的能量与所述第二离子束的离子的能量的比等于各自的离子质量的反比；用于回收所述第一离子束及所述第二离子束的散射离子的能量的装置，从而产生冷离子；以及用于将所述冷离子从所述活性空间排空的装置。

示例35为一种用于实施示例1-22的任何其中之一的方法。

以上实施例旨在说明，而不是限制。附加的实施例在权利要求内。此外，虽然本发明的方面已经参考特定实施例描述，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离如权利要求书定义的本发明范围的情况下，在形式上及细节上对这些实施例进行更改。

相关领域的普通技术人员将认识到，本发明包括的特征可能少于在上述任何单一实施例中说明者。本文中描述的实施例并非意欲作为本发明的各种特征的组合方式的详尽演示。因此，所述实施例并不是相互排斥的特征组合；相反地，本领域普通技术人员所能理解的那样，本发明可包括选自不同单一实施例的不同单一特征的组合。

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