专利名称：：产生用于受控核反应的液体微滴的激光纳米颗粒成核空腔的撞击受迫坍塌的系统和方法
技术领域：
：本发明涉及在液体微滴中产生空腔并使空腔坍塌，并且特别涉及对这种對塌的能量加以利用。
背景技术：
：核聚变是指将较轻的原子(氢、氘等)结合从而形成较重的原子的那类反应。对于最轻的原子，由于缺乏屏蔽以及库仑效应的缘故，每核子的结合能是原子序数的急剧递增的函数。因此，将两个氢原子结合(例如)从而形成氦产生了巨量的能量。然而，当聚变前的核子更近地靠在一起时，需要克服的能垒(质子的库仑斥力)是很大的。上述能垒对于氢的较重的同位素氘(一个质子和一个中子)和氚(一个质子和2个中子)而言较小。多个大型政府研究计划(例如美国能源部橡树岭国家实验室的国际热核聚变实验反应堆(ITER))已致力于实现对规模足够大的、最终目的为提供相对清洁且充足的能源的聚变反应的控制。有两种主要的途径(每种分别具有多种细节上不同的产物)用以实现受控的持续核聚变，它们的差异取决于对高t显、高压和高度离子化(即所谓"等离子"态)的反应体积的约束方法。惯性约束聚变(inertialconfinementfhsion)依靠高功率激光冲击靶丸(targetcapsule)，使靶丸的一部分烧蚀(ablate)并在耙丸的燃料部内部产生聚爆冲击波。磁约束聚变依靠强动态磁场来约束和压縮反应体积。至少在美国，对以上两种途径的探索(借助大规模的政府赞助)已进行了将近50年。除了其他国家之外，美国、英国、法国和日本均存在并且正在规划大型固定设施。到目前为止，由所有这些计划取得的最显赫的结果是实现了受控聚变反应。虽然己经实现了长达5秒的持续核反应(具体地说是D-T聚'变)，'但已经i正明根据任何这些方^去均无法获得净育S量(netenergy)。空腔坍塌使得球形空腔坍塌可以实现高的空腔壁面速度(cavitywallvelocity)、高内压和高温。许多最早期的裂变式原子弹的设计都利用了由传统爆炸物的球形装填物所产生的冲击波的球形聚爆。聚变式炸弹则在许多场合下利用来自聚变爆炸的冲击波的球形聚爆。在这两种情况下，通用机理为惯性约束。以上例子在展示了用于能量聚集(energyfocusing)的球形聚爆概念的实用性的同时，还展示了控制和产生这种反应的问题。首先，通过聚爆产生的能量必须超过为启动聚变反应所需的能量。维持核反应所需的输入温度(该温度必然为不确定，其所处的数量级取决于燃料质量、密度等因素)预计为107K的数量级。假设能够取得这样的能量，如果单独的聚爆和靶的规模过大就会失控，则生产简单地是毁灭性的。作为另一极端，如果单独的聚爆和靶的规模非常小，则虽可实现控制，但却牺牲了持续性和产量。该尺寸级别必须介于核弹级(过大)与原子级(过小)之间的某处。同样，由聚变来最终获得可利用的能量，需要简单且廉价的装置来维持大量的反应区域。如果考虑由气体和蒸汽的混合物填充、并在液体中对称坍塌的球形空腔的情况，与扩张的空腔相关的尺寸级别为一至数百微米，而与坍塌空腔相关的尺寸级别为数百至数十纳米。如果保持球形的对称性，则可估算出在空腔的自由坍塌期间可获得的能量。对于绝热理想气体(外加某些空泡动力学)的标度无关率(scalinglaw)的分析例如可得出空泡从约50微米的初始半径、且仅包含与初始半径的平衡状态相关的0.1%气体体积坍塌，会坍塌至半径约500nm，且内部温度为104K的数量级。然而，如果空泡的初始半径仅增加2倍，则所得到的温度的数量级将增大到105K。有科技文献宣称，已通过用声能来驱动空腔聚爆，而利用这种空腔坍塌实现了聚变。例如参见PhysicalReviewE2004;69，TaleyarkhanRP,ChoJS，WestCD,LaheyRT，NigmatulinRI,BlockRC论文"Additionalevidenceofnuclearemissionsduringacousticcavitation"。虽然上述技术与本文所J皮露白勺概念十分不同，但重要的是应注意这种声学惯性约束聚变尚未赢得广泛的可信度。此外，即使承认已确如该文所声称的实现了核聚变，但对于声学系统而言，由于受到波长必须远大于空腔半径的要求的限制、且由于输入至变频器(transducer)的功率的提高受到固有的非线性声传播饱和度(nonlinearacousticpropagationsaturation)的限制，因此功率的扩大和规模的扩大均在本质上难以实现。微滴碰撞及具有空腔的微滴被超高压推动到极高速度的液流的形成和使用在产业内是公知的。例如，这种液流被用来清洁表面尘垢、污物和锈蚀，并用来移除例如漆之类的涂层。一些研究者已经注意到，对于这些应用来说，非稳定流比稳定流更有效。在非稳定流的应用中，液流被分散成小团或滴。例如参见通过引用结合在本申请中的美国专利第3,983,740号。本
技术领域：
中的现有技术受多种缺陷的困扰，这些缺陷包括(但不限于)需要使用例如高频超声波发生器之类复杂的驱动器来引发形成小团或微滴。此外，在没有驱动器的情况下，其他现有技术的装置不适用于这种应用，原因在于将液流分裂成微滴所需的距离长到使得液流雾化成为雾而不是形成微滴。通过高速液体微滴(其产生方法将在下文中说明)在硬质靶表面上的撞击可导致极大的压力值。形成这种微滴碰撞的最初目的是将动物细胞生物反应器获取液(harvestliquor)中的病毒灭活，以生产注射用药物(parenteralpharmaceutical)。为了进一步增大撞击时液滴内的内压，在微滴内部设置充有气体的空腔，使得坍塌空腔的极高的聚爆压力能够叠加到没有空腔的微滴的撞击峰值压力上。于是挑战又变为如何在被喷嘴高压室中的超高压力驱动的超高速微滴内部产生空腔。已有人提出一种在微滴中形成蒸汽空腔的方法，这种方法是将在lbar条件下极易挥发的液态丙垸或丁烷的极小(微米级)微滴的乳液剧烈地混入水中。强力的混合将使水中的丙烷在Pn-Pmi^g时饱和。选定的液态点必须在水的高压压力的临界点之上。然而，上述乳液技术的缺点在于，缺少对产生空腔的定时及尺寸的控制，上述空腔在射流离开高压喷嘴时随着压力减小而开始从基质液体(hostliquid)内的乳化相微滴形成。此外，这种空腔整个体积含有蒸发出的挥发性化合物，且其随后的坍塌可能因内部如此大量的蒸汽的缓冲效果而被减弱。
发明内容本发明为一种用于引起液体微滴中的蒸汽空腔受迫坍塌的新型的装置、系统和方法。示例性的装置可具有用于将纳米颗粒注入液体中的注入装置，或者所述示例性装置可以使用预先混合的液体。高压室和一个或多个喷嘴可喷射一个或多个包括液体和纳米颗粒材料的射流。可通过将该射流分裂来产生微滴。照射装置使微滴曝露在电磁波下，以通过加热纳米颗粒而在微滴中产生空腔并使空腔扩张。微滴与合适的(例如固态的)靶相撞以加剧微滴内部的空腔坍塌。照射和相撞被定时，以增大空腔坍塌的聚爆能量。在可选的实施例中，可将核反应的燃料引入到在微滴内形成的空腔中。可利用聚爆能量来驱动空腔内的核反应。由核反应产生的中子可被捕获并用以提供热能。重要的是应注意到，本发明并非旨在被限制到必须满足本发明的任何一个或多个具体描述的目的或特征的系统或方法。同样重要的是应注意到，本发明不限于本文中所描述的示例性实施例或主要实施例。由本领域普通技术人员作出的多种变型以及替换均被视为落入仅由所附权利要求及其法定的等效方案所限定的本发明的保护范围之内。通过阅读以下参照附图所作的详细说明，将能更好的理解本发明的上述和其他的特征及优点图1为根据本发明一个示例性实施例的用于引起液体微滴内的空腔受迫坍塌的示例性系统的方框图2为示出根据本发明的用于引起液体微滴内的空腔受迫坍塌的方法的示例性实施例的流程图；且图3为示出根据本发明的用于驱动因液体微滴坍塌而引起的聚变反应的示例性实施例的流程图。具体实施例方式本文公开的本发明在于两种不同技术的结合。第一种技术涉及在液体中产生时间、空间及能量受控的空腔。第二种技术涉及例如在共同待决的、通过引用完全地结合在本文中的美国第11/075,833号专利申请中所公开的产生小的高速微滴的技术。通过结合这两种技术，能够在高速微滴内引发出空腔，这些空腔的初始产生时刻被精确定时、并扩张到优选的半径。当这些包含空腔的微滴与靶碰撞时形成强压縮波，随后这种压縮波迅速传播到液滴内部。沿压縮波横向呈现出的巨大的正压力将迫使空腔迅速地惯性坍塌，从而驱动空腔比自然发生的坍塌更为剧烈地坍塌。借助包含空腔成分的合适的材料，可在空腔坍塌过程中产生能量以驱动例如核聚变反应。可通过由喷嘴阵列形成的多个射流，来提高由单个射流形成的、超过lMHz的微滴碰撞率。因为每个微滴可包含多个空腔，因此易于实现规模的扩大。现公开对上述过程的每个步骤的技术说明。微滴的产生参照图1、图2和图3，其详细示出了在R.CDean,Jr等人的名称为"MethodandApparatusforFormingHigh-SpeedLiquidDroplets(用于形成高速液体微滴的方法和装置)"的美国第11/075,833号专利申请中的微滴产生系统100的一个示例，可用微滴产生系统100来实施本发明。本发明的一个示例性实施例提供一种用于在微滴中产生及控制空腔的方法(方框202、302)，所述微滴是例如由通过引用结合在本文中的、名称为"MethodandApparatusforFormingHigh-SpeedLiquidDroplets"的美国第11/075,833号专利申请的微滴产生及激励装置来产生的。纳米颗粒材料源102提供纳米颗粒材料103的来源，纳米颗粒是以在水被压縮之前混合入水中的液体悬浮物的形式来供给的。纳米颗粒的直径为10-lOOnm且为规则或不规则的任意形状，纳米颗粒可为金或其他材料，并随后与来自液体源104(方框204、304)的液体流105混合，以提供包含纳米颗粒的混合液体流107。从高压室108以20ksi(140MPa)-180ksi(1.3GPa)的压力喷射一个或多个高速液体射流(通常其直径为50-100(Vm，行进速度在500-1500m/s之间)。上述液体压力可以由公知的(例如由FlowInternational,Inc.制造的)超高压泵106产生，或者由电动机或内燃机(例如柴油机)所驱动的增压器产生。将包含纳米颗粒的高压液体供给至高压室和一个(多个)喷嘴108。并排操作的喷嘴108的数目范围可为1-5000或更多。喷嘴的口径范围可为l-1000um或更大。当射流离开(多个)喷嘴108之后，由于众所周知的Rayleigh、项々!J乂3、"鬼/l、《S定力兄豕IIIJ*7|处牙」Wti刀-农P乂一迁中EPJ1观Y问1丄4、刀不EZUO、306)。参见J.W.S.Rayleigh，Lord所著"TheTheoryofSound(声音理论)"(Dover,NewYork,1945)。由此形成的微滴114的直径约为射流直径的两倍，并且相隔的间距约为射流直径的四倍。当这些微滴114撞击合适的(例如固态的)表面112时，微滴114可在被撞击的基底上产生峰值压力，该峰值压力为向喷嘴108供液的高压室中压力的10-20倍(方框206、306)。微滴的撞击118在微滴114内部产生压縮波，该压縮波的峰值压力可以与被撞击的基底上的峰值压力处于相同的数量级。在特定情况下，高压室108中的高压压力为25ksi(170MPa)，产生的射流的速度为580m/s，并且由直径约75pm的射流所形成的微滴的直径为114150(im。液滴通过频率(dr叩-passingfrequency)约为lMHz，淑滴通过频率是由单股射流形成的微滴撞击到基底上的频率。根据Rosenblatt等人的数值分析，所产生的峰值压力约为喷嘴高压压力的15倍，即375ksi(2.6GPa)。参见A.G.Evans、Y.M.Ito禾卩M.Rosenblatt的论文，JournalofAppliedPhysics,51,2473(1980)。该压力已被证明高得足以从钢制基底(例如航空母舰的甲板)上凿开材料。空腔的激光激励纳米颗粒成核如前所述，在先前存在的、被压縮性的压力波驱动至坍塌的蒸汽/气体空腔内部，理论上可以达到非常高的压力。用于产生这种空腔的唯一的现有技术(过热乳液)具有缺乏控制并且自身会减缓坍塌的缺陷。所需要的是一种可靠的装置，用以将恰当尺寸、恰当数值密度的气体/蒸汽空腔，在恰当的瞬间及时成核，使得这些空腔优化地易于被压縮波驱动而坍塌(上述压縮波是由微滴撞击在靶上产生的)。在本部分介绍一种用于这种受控成核的方法。在诸如光学领域(参见CanfieldBK,KujalaS,JefimovsK，TurunenJ,KauranenM的"Linearandnonlinearopticalresponsesinfluencedbybrokensymmetryinanarrayofgoldnanoparticles",OpticsExpress2004;12:5418-5423)、无破坏测试(参见NatoliJ画Y,GallaisL,BertussiB,DuringA，Co讓andreM的"Localizedpulsedlaserinteractionwithsubmicronicgoldparticlesembeddedinsilica:amethodforinvestigatinglaserdamageinitiation"，OpticsExpress2003;11:824-829)、生物医学成像(参见ZharovV，LapotkoD的"Photothermalsensingofnanoscaletargets",ReviewofScientificInstruments2003;74:785-788)以及涉及选择性细胞死亡的各种医疗处置方案(参见HmtmannG,RadtB,SerbinJ,LangeBI，BimgruberR的"Highprecisioncellsurgerywithnanoparticles"，MedicalLaserApplication2002;17:9-14)等不同领域，育巨量源110(例如激光源)与微米和纳米尺寸的颗粒的相互作用近来已受到很大的关注。当被可见的激光脉冲照射时，15nm金颗粒(HUttmami等人，2002)以及250nm、100nm、40nm、10nm和2nm金颗粒均表现出在细胞的悬浮液中形成微泡型空腔(microbubblecavity)。在凝胶中进行的实验已显示，激光、纳米颗粒和声学的结合可以降低惯性空化(inertialcavitation)的临界值。对于给定的声压，成核及实现惯性空化所需的激光强度与仅有激光/纳米颗粒的情况相比降低了几乎两个数量级；反之，对于给定的最小激光脉冲强度，在凝胶中产生惯性空化所需的声压减小到原量的约五分之一(参见FarnyC、WuT、HoltR、MurrayT和RoyR的"Nucleatingcavitationfromlaser-illuminatednano-particles",AcousticsResearchLettersOnline2005;6:138-143)。在此为示范目的概括地提供用以产生空腔的方法。可以在WuT所著的"Bubblemediatedfocusedultrasound:nucleation,cavitationdynamicsandlesionprediction"(PhDThesis,BostonUniversity,DepartmentofAerospaceandMechanicalEngineering,June,2006)中找到描述空腔产生的过程的理论模型。使来自光能量源110的光(通常为处于可见光谱内的激光)的短脉冲(持续时间为ps至ns)入射到半径为Rs的金属颗粒(包含在液体微滴中的纳米颗粒)上，使得光学尺寸参数kRs的数量级为0.1至l;此处k:co/c为光波数目，其中0)=频率(弧度/秒)，0=光速。广泛的共振吸收引起颗粒被迅速加热，这些颗粒转而迅速加热颗粒球体周围的液体。围绕球体的液体薄层过热，最终形成蒸汽毯(vaporblanket)。在超过临界激光强度时会发生爆炸性汽化，从而在微滴114中形成约为纳米颗粒103的初始尺寸100倍的空腔116。例如，计算表明，对于半径约为50nm的金球体，使用持续时间为5ns、能量通量小至150mJ/cr^的532nm入射激光脉冲，可以得到扩张100倍的水蒸汽空腔。通过增大激光能量可增大最后得到的空腔116的扩张率。尽管以上就使用光能(激光)作为加热、形成并扩张微滴空腔的能量源tfj'l育f兀;ra处J牛厌"力，1B込/l、疋"J斗、厌W口.、j卩R疋。'ij/y乂w，目6里i7哀1丄Uwj括任意类型的振荡能量源，例如像可在无线电波和微波应用中找到的电能能量源，以及例如像可由波动磁场(fluctuatingmagneticfield)提供的磁能能量源。举例来说，波动磁场可以加热微滴中的小导电颗粒。、丄f丄LBh"1,1—、,Ar*,I--TmIA"/tt^"上">^nA^丄工l1,'f、a1^n_Lj"^rrnP^A"丄[=|门、/人+门日二^o/it，a卜i工f、ru《Hj^a卩口w:j丄。工'j乂jjx/x^工hj丄/j工wjr;j口ij^i一iyjzl主要由蒸汽和少量气体构成的空腔116开始自由坍塌(方框210、310)，也就是说，枬塌是由空腔壁两侧的静压差驱动的。在例如空腔116的撞击点118处的坍塌极快，最后的速度接近液体声速。在撞击点118处的这种坍塌是由周围的液体压力以及涌入液体的惯性驱动的，并且传统上将发生这种坍塌的空腔116称为"惯性空腔(inertialcavities)"。Rayleigh是最先考虑到液体中空隙的坍塌的，并且可以证明，即使上述激光纳米颗粒成核的空腔也可以像Rayleigh空腔一样坍塌，直到空腔寿命终结为止(方框212、312)。由撞击液滴内部的空腔成核产生的能量激光成核空腔的自由坍塌不够剧烈，不足以引发聚变。然而，在撞击被精确定时，从而与其他自由空腔坍塌的初始阶段相一致的微滴内部，强压縮波的额外贡献能够以下文所述的方式产生必要的坍塌能量。设想在某一瞬间朝向靶行进的包含一纳米颗粒的单个微滴。使激光脉冲在这一相同的瞬间入射到该微滴上，从而成核出一个空腔，该空腔在100ns数量级的某一段时间内成长到空腔初始尺寸的约100倍。在激光脉冲与撞击之间的时间段，空腔116应当成长到空腔的最大尺寸并且恰好刚开始坍塌，使得撞击压力波到达空腔116的时刻与空腔的坍塌阶段的开始时刻一致。撞击点118处的空腔坍塌能量由于强大的脉冲式压縮波而大幅增加，并且最后形成的峰值内部压力和温度可以超过为进行空腔内部的燃料的聚变反应所需的压力和温度。控制和定时对于优化坍塌能量118是必要的。空泡动力学模拟实验表明，存在着脉冲压力波(压縮波)到达的最佳时间，其使得坍塌118的速度最大化，由此而使空腔的内含物的压縮和加热最大化。参见MossWC,ClarkeDB,WhiteJW，YoungDA的"Sonoluminescenceandtheprospectsfortable-topmicro-thermonuclearfUsion"，PhysicsLettersA1996;211:69-74。因此，使微滴撞击在适当的靶112上，这一撞击产生压縮波从而导致空腔坍塌，这必须发生在相对于空腔半径演变的某一精确的时刻。乂乂a米，力、jm^日汉口、j义:r^;tg;^口、j》u。、j而要起、h不宥i^、"乂大"。力、j:^mi;3乂T》口、j间的精确控制。这种控制是通过用激光辐射(脉冲或CW)照射在与悬浮于基质微滴液体中的金属纳米颗粒相关的微滴上来提供的。对导致蒸汽形成的纳米颗粒的迅速(ns)加热所进行的定时既可通过相对于在固定的空间位置形成的微滴来定时激光脉冲的方式进行、也可通过沿微滴速度轴线改变CW激光束的空间位置的方式进行。如果必要，可将微滴轴线的长度延伸至数米(参见美国第11/075,833号专利申请)。激光能量密度将决定所生成的空腔的最大半径。微滴尺寸、微滴速度和激光能量的特定组合可使坍塌能量优化。燃料构想至此，在本文中披露的实施例传授了在撞击点118处获得远超过那些通过被动坍塌可取得的能量的空腔坍塌能量的能力。参照图3，以下的实施例利用坍塌能量来引发核聚变反应(方框312)。虽然存在多种变例，但最通用且能量最小的反应如下D+T—4He(3.56MeV)+n(14,03MeV)(1)D+D—3He(0.82MeV)+n(2,45MeV)(2)D+D—T(1.01MeV)+p(3.02MeV)(3)D+3He—4He(3.6MeV)+p(14.7MeV)(4)其中D为氘、T为氚、n为中子并且p为质子，在圆括号中给出的是每个成分的反冲动能(recoilkineticenergy)。对于可达到的等离子体温度而言，具有最高反应率的反应为D-T反应(1)，其后为D-D对反应(2)、(3)。因此，实施例可以利用引发D-T反应和D-D反应的燃料。以下为核燃料的内含物的几个有益的且可优化的实施例的变例(方框304)。1.微滴材料作为燃料。在此实施例中，微滴基质液体蒸汽自身用作燃料。通过上述方法产生的空腔116可以包含由激光能量、液体源104的材料特性(蒸汽压力、表面张力、粘度)、纳米颗粒102的尺寸和微滴114的尺寸来决定的一定量的基质液体蒸汽。因此，在这种最简单的情况下，液体源104可以本身就是可聚变材料或包含可聚变材料。氘化水(所谓的重水)是一个选择。氘化溶剂(由于其在液相色谱中的使用而易于获得)可能是有利的，这是因为能够通过选择蒸汽压非常低的液体(例如気化甲苯)来使得坍+旦、/^々雲息，1、乂b—口六h六+與+旦六n六dh^r7A^imzv^:、、^，Trr台匕4^+士irr^72.溶解在基质液滴中的气体作为燃料。在此实施例中，使用的微滴104是低蒸汽压材料，少量的氘或氘/氚气体已经溶解在所述材料中。当空腔U6形成及扩张时，溶解的燃料气体会扩散到空腔114中，部分可燃气体会在坍塌118发生时发生反应。可利用水作为液体源104，不过也可利用其他液体而不脱离本发明的范围。3.纳米颗粒作为燃料载体。此实施例使用包含或埋入氘或気/氚气体的中空的或多孔的纳米颗粒102。使用低蒸汽压微滴基质，形成的空腔的坍塌118会聚在纳米颗粒上，能够在颗粒自身内启动次级会聚压縮波(secondaryconvergingcompressionwave)。4.上述实施例1-3的组合。上述实施例的任何组合或上述实施例的任何部分的组合可能是有利的。例如，可以通过将使用低蒸汽压氘化液体源104与包含纳米球体102的中空的T或D-T组合，来得到更为剧烈的坍塌118。能量提取构想一旦核聚变反应和/或自维持聚变(self-sustainingfbsion)反应己实现(方框312)，即可随后利用核反应产生的能量。上述的反应实施例(1、2)表明，大部分能量可通过所产生的中子而以动能形式被传递出。在传统的激光惯性约束聚变(ICF)中使用的一个实施例可以是，以金属"毪"来围绕反应区域，该金属毯将会捕获中子并将中子的动能转化为热能(方框314)，该热能可随后用于产生蒸汽(方框316)，该蒸汽则传统上可通过本领域技术人员公知的技术转换为电(方框318)。我们可以将能量提取构想划分为两个额外的实施例。在第一实施例中，撞击靶本身还用作中子吸收/热交换介质。在第二实施例中，中子吸收器/热交换器113可以与固态耙112上的微滴撞击反应位置隔开一定距离(lm以上)。碰撞靶/中子吸收器/热交换器的结合1.圆筒盖状(cylindricalcap)碰撞靶上文说明了高速微滴如何必须撞击合适的且硬度适当的靶112以便产生驱动空腔坍塌的压縮波。但除了微滴撞击的区域之外，"硬质"撞击靶不需要为平面。正圆柱体(其如果由诸如不锈钢之类高密度金属制成，则具有沿轴线钻出的孔以便为微滴喷嘴108i且/卄X门AAAA飾tU"、"Frr曰口Tf^县4夂frh、〉吝；+!6h、/Ain玄l[T7:!3夂;t旦/卄究壬口壬n;Hi./H二递。撞击靶可以是固定的，也可用平移(左右和/或上下)方式或转动方式运动。耙或靶表面还可以包括冰或其他冻结的液体，硫磺，蜡，包含或不包含固体混杂物的聚合物涂层，类似硅橡胶和胶原凝胶的自修复材料，借助物理力、磁力或电性力(electricalforce)涂覆并保持在旋转盘上的固体颗粒，以及包括金属、粘土或石墨的薄片材料。2.流动的撞击靶"硬质"撞击靶112可以不必是固态，即撞击靶112可以是液态。如果液态金属(例如汞)处于连续流动状态，其表面可被液滴撞击，从而在液滴中产生所需的压縮波。流动的汞也可在随后实现所期望的中子捕获，从而将汞加热。由此传递的能量可随后通过本领域技术人员公知的技术而被提取并被转换成电或其他形式的能量。同样基本有效、较廉价且毒性小得多的液态金属例如但不限于Sn、Al、Cu、Li、Hg、Gd、Bi、Pb和Zn以及它们与其他金属的合金。虽然汞具有中等的中子捕获截面，但例如钆具有非常高的截面。此外，钆已被用作溶液中的悬浮液，用以提供MRI对比。可以想象的是，基质工作液体中的Gd悬浮液可提供热传导性能与(非常)高的中子捕获截面的理想结合。液态金属不会被消耗。此外，本发明设想使用的液态金属的其他等效替代物，包括但不限于冰或其他类似液态金属的冻结的液体，硫磺，蜡，包含或不包含固体混杂物的聚合物涂层，类似硅橡胶和胶原凝胶的自修复材料，借助物理力、磁力或电性力涂覆并保持在旋转盘上的固体颗粒，以及类似金属、粘土或石墨的薄片材料。3.低吸收撞击靶/远距离的中子吸收器如果附近的金属物体会由于过快吸收高能量的中子而被破坏，如激光ICF(惯性约束核聚变)据信就很可能如此，则撞击耙本身不可以用作中子吸收器/热交换器。因此，可以使用较远距离(lm以上)的中子吸收器/热交换器。非常可能的是，吸收器可以例如为固态的不锈钢或充满流动的液态吸收体(例如上文论述的Gd悬浮液)的钢容器。在后一种情况下，该撞击靶本身可能必须为自修复的，或者是可迅速更换且较廉价的(可以实现重复的MHz微滴撞击速率)。4.自修复撞击靶上文所述的流动的撞击固态靶112可以在本处语境(context)下用作自修复撞击靶。然而，在此情况下，可以将撞击固态靶112i1X'l不逃译,J只B勺、口、JT丁H^CMX锁LHJ，WI义1守"W;^取勺、'Kj，7rJzL'l又《守丁亇B匕y夕行进到较远处的吸收器。5.转动的撞击靶在这种情况下，也可以应用转动的撞击靶U2，使得每个新的液滴能够撞击新的表面。同样地，在此实施例中，撞击靶材可以被选择为具有小的中子捕获截面。靶也可以旋转通过某种"镀液(bath)"或材料以"再涂覆"或"更新"其撞击表面。6.相撞的液滴通过使相对的两个相同的微滴彼此撞击可使撞击的能量翻倍。然而，每个液滴内的物理事件(physicalevent)不从撞击在固定靶上的液滴变化。这种相撞的微滴串的设计可用两个喷嘴来实现，或者甚至可利用相对对准的喷射头实现多个相撞的微滴串。通过沿射流轴线简单的平移可以实现撞击定时(进而实现撞击定位)，并且在任何情况下，在微滴平均间隔的+/-4倍的范围之内是不确定的。因为微滴会在任一事件中被破坏，这种液滴作为撞击靶的设计解除了改变(changeout)靶的需求。相撞的微滴可以为远距中子吸收器实施例的一部分，但也可将微滴本身作为吸收器来使用。重液滴作为吸收器将是优选的。7.多个液体射流为了最终实现得失相当及扩大规模的目标，可以使用多个微滴形成液体射流，每个射流包含用于形成空腔的纳米颗粒核、对每个射流进行电磁照射的装置、及用于每个射流的合适的燃料/撞击靶。对于大型的商业发电厂，可能要求在一个装置中具有数百万个这种射流，其中多个喷嘴108共用一个喷射头，多个喷射头共用一个泵，最后运行多个泵。由本领域普通技术人员做出的多种变型以及替换均被视为落入仅由所附权利要求书及其法定等效方案所限定的本发明的保护范围之内。权利要求1.一种用于引起包含纳米颗粒的液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，所述方法包括如下动作产生包括液体和纳米颗粒材料的至少一个增压液体射流；引起所述包括液体和纳米颗粒材料的至少一个增压液体射流分裂，由所述射流的分裂产生包含液体和纳米颗粒材料的多个微滴；利用能量照射所述微滴，以在所述微滴内产生空腔并使所述空腔扩张，并引起所述微滴与靶相撞而使所述微滴内的空腔坍塌，其中所述照射和所述相撞被定时以增大所述空腔坍塌的聚爆能量。2.如权利要求l所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述微滴的撞击产生引起所述空腔坍塌或有助于所述空腔坍塌的内部压縮波。3.如权利要求1所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中利用能量照射所述微滴以在所述微滴内产生空腔扩张，使得所述微滴中的所述纳米颗粒吸收所述照射能量，其中所述方法还包括通过调节被所述纳米颗粒材料吸收的照射能量的能量密度以及从照射到微滴相撞的时间，来控制所述空腔在坍塌前的半径。4.如权利要求1所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述照射能量包括光子。5.如权利要求4所述的方法，其中所述能量包括激光能量。6.如权利要求1所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中在所述空腔坍塌的中心处的温度引起至少一个核子聚变反应。7.如权利要求1所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述多个微滴为一串微滴流。8.如权利要求1所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述靶为液态金属。9.如权利要求8所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述液态金属包括汞。10.如权利要求8所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述液态金属选自包括Sn、Al、C8u、Li、Hg、Gd、Bi、Pb和Zn的组以及该组的合金。11.如权利要求l所述的用于液体微滴中的空腔受迫坍塌的方法，其中所述耙选自包括以下材料的组冰或其他冻结的液体，硫磺，蜡，具有或不具有固体混杂物的聚合物涂层，类似硅橡胶和胶原凝胶的自修复材料，借助物理力或磁力或电性力涂覆并保持在旋转盘上的固体颗粒，以及包括金属、粘土或石墨的薄片材料。12.—种用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，所述装置包括注入装置，用于将纳米颗粒注入液体中；一个或多个喷嘴，其喷射包括液体和纳米颗粒材料的增压液体射流，并通过分裂所述射流而产生多个微滴；照射装置，其将所述微滴曝露在能量下，以在所述微滴中产生空腔并使所述空腔扩张；以及靶，其与所述微滴及所述微滴的坍塌空腔相撞而引发空腔聚爆能量，其中所述照射和相撞被定时以增大所述空腔坍塌的聚爆能量。13.如权利要求12所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中所述微滴与所述靶的相撞产生有助于所述空腔坍塌的强压縮波。14.如权利要求13所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中所述微滴中的纳米颗粒材料吸收所述照射能量；且其中所述照射装置通过调节所发射的、并从而被所述微滴中的纳米颗粒材料吸收的能量的能量密度，来控制所述空腔在坍塌前的半径。15.如权利要求13所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中所述照射能量包括光子。16.如权利要求15所述的装置，其中所述光子包括激光能量。17.如权利要求12所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中在所述空腔坍塌的中心处的温度高于107K。18.如权利要求12所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中所述多个微滴为一串微滴流。19.如权利要求12所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中所述靶包括液态金属。20.如权利要求12所述的用于引起液体微滴中的空腔受迫坍塌的装置，其中所述耙选自包括以下材料的组冰或其他冻结的液体，硫磺，蜡，具有或不具有固体混杂物的聚合物涂层，类似硅橡胶和胶原质凝胶的自修复材料，借助物理力或磁力或电力涂覆并保持在旋转盘上的固体颗粒，以及类似金属、粘土或石墨的薄片材料；并且其中所述靶还选自包括固定靶和移动靶的组。21.—种用于由包含纳米颗粒的液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的方法，所述方法包括如下动作产生包括液体和纳米颗粒材料的至少一个增压液体射流；引起所述包括液体和纳米颗粒材料的至少一个增压液体射流分裂，由所述射流的分裂产生各自包含液体和纳米颗粒材料的多个微滴；利用能量照射所述微滴，以在所述微滴内产生空腔的扩张，以及引起所述微滴与合适的靶相撞，以使所述微滴内的空腔坍塌，其中所述照射和所述相撞被定时以引发聚爆能量来驱动所述空腔内的核燃料的核反应。22.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，还包括捕获所述核反应产生的中子的动作。23.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，还包括下述动作提取由所述聚变反应产生的热能。24.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，其中形成所述空腔的所述液体的蒸汽提供用于所述聚变反应的燃料。25.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，其中所述纳米颗粒材料提供用于所述聚变反应的燃料。26.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，其中溶解在所述液体中的气体提供用于所述聚变反应的燃料。27.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，其中所述靶为液态金属。28.如权利要求21所述的用于驱动核聚变反应的方法，其中所述耙选自包括以下材料的组冰或其他类似液态金属的冻结的液体，硫磺，蜡，具有或不具有固体混杂物的聚合物涂层，类似硅橡胶的自修复材料，借助物理力或磁力或电力涂覆并保持在旋转盘上的固体颗粒，以及类似粘土或石墨的薄片材料。29.—种用于由液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的装置，所述装置包括注入装置，用于将纳米颗粒注入液体中；高压室及一个或多个喷嘴，其喷射包括液体和纳米颗粒的增压液体射流并且产生微滴，所述微滴构造成具有含有用于核反应的燃料的空腔；照射装置，用于将所述微滴曝露在能量下，以在所述微滴中产生空腔并使所述空腔扩张；以及革巴，用于与所述微滴相撞以使所述微滴中的空腔坍塌，其中所述照射和相撞被定时以引发聚爆能量来驱动所述空腔内的燃料的核反应。30.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的装置，还包括捕获装置，用于捕获所述核反应产生的中子。31.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空的穴坍塌来驱动聚变反应的装置，还包括能量提取装置，用于提取所述聚变反应产生的热能。32.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的装置，其中形成所述空腔的所述液体的蒸汽提供用于所述聚变反应的燃料。33.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的装置，其中所述纳米颗粒材料提供用于所述聚变反应的燃料。34.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的装置，其中溶解在所述液体中的气体提供用于所述聚变反应的燃料D35.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空腔的坍塌驱动来聚变反应的装置，其中所述靶为液态金属。36.如权利要求29所述的用于由液体微滴中的空腔的坍塌来驱动聚变反应的装置，其中所述靶选自包括以下材料的组冰或其他冻结的液体例如液态金属，硫磺，蜡，具有或不具有固体混杂物的聚合物涂层，类似硅橡胶的自修复材料，借助物理力、磁力或电力涂覆并保持在旋转盘上的固体颗粒，以及类似金属、粘土或石墨的薄片材料。全文摘要一种装置(100)、方法(200/300)和系统，用于引起在液体微滴(114)内形成的空腔(116)受控坍塌，其中增压射流(109)包含液体(104)和纳米颗粒材料(102)，且燃料可能由射流(109)的分裂而产生微滴(114)。液体微滴(114)由能量(110)照射，以通过包含在微滴(114)内的纳米颗粒(102)的照射(110)，来产生形成于微滴(114)内的空腔(116)并使空腔(116)扩张。微滴(114)与靶(112)相撞(118)而使得微滴(116)内的空腔坍塌。照射和相撞被定时，以增大空腔坍塌的聚爆能量。聚爆能量和空腔中的燃料可被用于激发和维持聚变反应(113)。文档编号H05H6/00GK101682980SQ200880018238公开日2010年3月24日申请日期2008年4月4日优先权日2007年4月4日发明者R·格林·霍尔特,小罗伯特·C·迪安,罗纳德·A·罗伊申请人:协同创新公司