本发明涉及一种用于起动和控制核聚变反应的装置（以下简称为“超导接合器”），特别是为起动和控制氢（或，同位素）等离子体中核聚变反应，以便提供一种实际上非放射性的，可以使用的功率输出，例如，热电厂的功率输出。

本发明装置的运行，基本上根据两种物理性能。第一个性能是，众所知的并涉及装置中超导材料的磁性行为。第二个性能为本发明人所发现而涉及通常围绕超导线圈形成的，反应和感应电能的集积和储存。该超导线圈是由一个开关电源控制，在氢（或同位素）等离子体中放电，以便起动，实质上非放射性的，具有可靠功率输出的受控核反应，它可以用来装备一个相对地来说不昂贵，而在技术和环境上可接受的热电厂。

超导性是由荷兰物理学家H、K奥纳（HeiKe  Kamerlingh  Onner）在1911年首先发现的，他指出：在极低温度时某些金属可能没有任何种电阻而导电。

图1表示正常的和超导金属的电阻随温度的变化。多数金属的电阻是连续地变化。但是，超导金属在一定临界温度“Tc”时，出现突然的变化，使其电阻实际上变为零。图2表示由导线所制成的超导线圈1，置于杜瓦瓶2里，浸没在液体氦中3。该导线可以由开关4短路。随着所说开关4打开和第二开关5关闭，由电流6所提供的电源“i”，在室温下就通过正常的铜导体7，流过所说的线圈1。

在这种条件下电流“i”通过所说的超导线圈1并产生磁场“H”，该磁场能由处于所说杜瓦瓶2外面的磁针8检测出来。接着关掉所说开关4并打开开关5，这样所说的超导线圈1就被短路，而由电源6来的电流“C”就停止。但是，可以看出，磁针仍然呈现原来那样相同的偏转，尽管实事上电源6已经断开，还是检测到所说电流“i”通过所说的超导线圈1流动。该电流“i”现在称为“持续电流”，保持恒定达数小时，没有引起磁针8偏转的任何改变，直到保温瓶2中的液态氦3完全蒸发，实验上证明：超导线圈1一点也不出现任何电阻。

实事上，对这些超导材料，除了温度“T”和外磁场“H”外，还应该考虑到由其磁感应“B”表示的超导体内部的磁场。这三个变量（“T”、“H”、“B”）在苗卡完座标中，确定了一个限定的临界表面区域，如图3所示，它将在所说表面下方的无阻抗“超导性”区域与处于所说表面上方的“正常电阻”区域分开来。

图4表示在感应平面“B＝0”的情况下，图3临界表面的断面表示为一个近抛物线的曲线，该曲线将所说的金属为超导体的区域与正常的导体区域划分开。在图4中，在“临界点”“Tc”下，很小的磁场“H”就足以毁坏，在某些材料中可能呈现的“超导传导性”。不同材料之间临界点温度的变化，汞是4.1°K、镉为0.56°K、镍为9.0°K等等。在这些条件下，低于“Tc”温度小的减少，例如M，纵使有磁场“H”存在，该金属也将维持其超导性，只要磁场保持在其临界值之下，现在临界值是“Hc”。

另一方面，所说的临界值“Hc”沿轴T＝0°K上的位置也随材料而变化，这些值对于汞、镉和镍分别是400、30和1，700 奥斯特。因此，与垂直线“MPN”相应的等温线，可以表示成图5所示那样的“H×B”图，其中，对于“H＜Hc”来说，超导体完全容易排开内磁场，就是说，“B＝0”并成为一种良好的抗磁性材料，如图6a所示。对于“H＝Hc”就是说，当外磁场“H”等于临界磁场值“Hc”时，正常相和超导相两者可以共存（图5中的破折线）。当“H＞Hc”，超导恢复到其正常的电阻状态，这里“B＝H”如图5所示（45°倾斜的直线）和图6b所示。换句话说，在超导球内，磁场被材料排开（图6a），而这种效应叫作梅斯纳效应。但是如果磁场增强直到比临界场“Hc”更大，它穿过该材料并毁坏其超导性（图6a和b）。

再参见图4，考虑矩形“ABCD”并假设一个空心的超导球，最初位于点“A”如果该球沿所说矩形从“A”到“B”到“C”到“D”移动，然后沿另外的路线，即从“A”到“D”到“C”到“B”运动，其磁性行为将如下：在线段“AB”温度将降低，具有零的外磁场。而当球通过“Tc”时其电阻就变为零。在线段“BC”上围绕该球的磁场，将由零增加到某个比其临界值小的值“C”。由于该球现在处于超导状态，外磁场的增加，就由该球表面上超导电流减小所补赏而磁通就不能透过该球，它的作用就象一种理想的抗磁材料。这就造成磁力线绕球的赤道聚集，因为很容易通过合适的装置探测出来。在下一个线段“CD”，球将以具有常数值的外磁场加热从“C”到“D”，这样，表面上超导电流将逐渐消失。当它沿着从“C”到“D”的路径，通过点p时，球的超导条件被破坏，而外磁场在该点上透过该球，而在点“D”内，外磁场有相同的值，即“B＝H”。

现在参照图1的上面部分，从图中可见，当球从“A”到“D” 沿路径“ABCD”移动时，实际球发生的情况。现在，当球沿另一路径移动，即沿“ADCB”从A至B移动，当它到达点“B”时，根据该球的物理性能，即是说，球是空心的还是实体的有两种可能的选择。如果球是空心的则表现如下：在线段“AD”，当外磁场从“A”增强至“D”时，磁力线将穿过该空心金属球;在有恒定的磁场中，当它的温度从点“D”降到点“C”时，在它通过临界温度点“P”时，该球就具有超导性。但是，由于外磁场没有改变，在这些条件下不可能期望有新的磁效应。然而，由于现在空心球的导电性处在较高的值（或，其电阻为零），该球的磁性将与外磁场从点“C”降到点“B”时的情况不同，在点B处磁场强度为零。实际上，由于磁力线易于背离金属，这种磁性的改变受到保持在球面上的感应电流所补赏。因此，点“B”相应于一种与磁偶极子相似的情况，其作用类似一个磁棒，就如图7中心部分可看到的。在这种情况下，当沿“ADCB”路径移动时，在点B处该球的电阻为零而磁感应将处于峰值，就是说一个非零的强磁场。但是如果该球是实心的，其表现状态如下：沿线段“AD”，当外磁场从“A”到“D”增加时，磁力线将穿透实心金属球;当在具有恒定值的磁场中从点“D”冷却到点“C”时，该球就成为超导性的，但是当其通过临界温度点“P”时磁通并不保留在金属球体内部，因为磁通完全从此处被排斥开，如象前面图6（a）所见到的。因此，当外磁场从点C降至点B时，由于该球没有任何磁通，它在点B处就不表在为磁偶极子（如象以前提到的情况）。这就是说，当球成为超导时它同时排开磁通，就像能够更好地从图7的下部分所看到的情况。因此，要更好的了解这个称为“梅斯纳效应”的物理形象，除了有电阻为零外，超导情况也出现磁效 应，就是说它的磁感应消失也成为零。

现在可由图8解释用磁场阻塞电流的现象。图8a表示一个弱磁场，例如图4的垂直线“MN”的线段“MP”的情况，一个超导体部件跨越这部分时，电流通过它而没有任何由于电阻所造成的能量损失。图8（b）表示一个很强的磁场，例如，图4的垂直线“MN”的线段“PN”部分，超导性遭到破坏。就是说，磁场线失去了它们的排列与均匀性，从而引起电流中能量损失。图9表示一个小电流通过一个由超导体缠绕的线圈1，在构成该线圈的铁芯2的可磁化金属中产生一个磁场。现在，这个磁场就能够控制超导棒3上的大通量的电流，因为当受到一个磁场具有超过其临界点的值时（图4垂线“MN”上的P点），它就停止导电，这样，它就构成一个每秒开关电路达数百次也不发热的“超导接合器”开关。

本发明装置采用的第二个性能称为反应和感应电能的集积和储存，该电能通常是绕超导线圈形成的。这个性能可以从下面装置的工作说明得到更好的理解。

图10表示一个由具体端头20和21的电源19供电的予热电路。予热电流“i”沿所说的予热电路的开头部份21，流动，由变阻器10所控制。该电流“i”通过由超导材料构成的元件18流动，该元件有接头1和2，而当一按钮开关22没有按下时，电流也通过一个装有氢（或同位素）等离子体的管状构件12。管状构件12设有接头2和3。所说管状构件12限制所说的等离子体通过由超导材料构成的第2个线圈，该线圈通过一连接到第一电源19端头20的开关8由第2个电源11供电。由超导材料构成的器件18通过它的转动插入在由低剩磁通的铁磁性材料构成的极性元件15的空隙中， 该极性元件上绕有大量用超导体材料构成的线圈16，它用来集积和储存一定量的反应和感应能量，如上所述。

当按钮开关22压在关上触点4和5时，发生这种反应和感应能量的集积和储存。这样，在很短的时间周期中“△t1”电流“i2”就通过所说的超导线圈16，该线圈16然后就集积了一定量的能量，它可以用下式来表示：

E＝1/2×L×i2此处L的单位是享利是所说线圈的总电感，“i2”单位是安培而E的单位为“瓦/秒”（或焦耳）。然而，在这个很小的时间周期“△t1”期间中，由于上述元件18磁阻塞性能，在几个微微秒之后，它就不成为一个超导体而将阻塞住所说予热电流“i”的流通。此时，所说的能量“E”就集积在所说超导线圈16的回路中，该回路包括有接头2和3的部份，这部份是处于由所说第2超导线圈14所包围的管状构件12上，该管状构件12装有氢（或同位素）等离子体。

但是，在这个很小的时间周期“△t1”的最后时刻（这个时间周期的数量级为几个微微秒），在所说线圈16之内集积的能量“E”的“量子”被迫流动，因此导致等离子体中温度的升高，也许超过几百万度（°K），随着在该内部原子结构的隧道中会产生难以置信的压力升高的同时，就产生具有功率输出，而实际上没有任何放射性的氢（或同位素）的核聚变。

当聚变发生时，阻塞予燃电流“i”的磁通就停止，因为构件18在另一时间周期“△t2”之后，将再度成为一个超导体，“△t2”也是很小的，与所说第1时间周期“△t1”（几个微微秒数量级）是可比较的。现在，假定按按钮开关22使端点4和5闭合，短路。 对于新的时间周期“△t3”、“△t4”、“△t5”等等，上面的说明，上面的说明，可反复进行，其中在每一个“△t2k-1”周期之内，将发生热核聚变反应，而在下次“△t2k”周期之内，将不发生热核聚变反应。因此，以很高的频率进行着一系列开关小的热核反应。能够进行这种方法的控制，例如，以更小的频率，通过开关该装置的主电源19来达到。能得到方便和安全的最后结果，例如，对于核聚变热核电站提供电源输入。

本发明者所发现的第二种性能，涉及表示在图10超导线圈16中集积，能定量的能量“E”，随后，几乎立即通过具有高峰值电流的形式传送所集积的能量。此第二种性能实际上是一种新的，以使人惊奇的方式加热管状构件中的等离子体，以便产生热核反应，这也是由于磁约束（“收缩”效应）的结果，如图11所示，称之为“零功率热核装置收缩”机器，它具有线性结构。按照该图，部份a、b和d表示在所采取的线性结构之内，约束等离子体密度增加的序列，开始是图11（a）的辉光放电管，而其结束是表示在图10上的实施例。该图10表示为所说的管状构件12在它的两端有终端2和3而且在此，围绕着所说管状构件的第二个超导线圈表示线圈4和5是导致限制等离子体的磁约束的主要手段。图11的部份d1和e1表示通过图上部1和下部2的磁约束线圈。所以，上述方法，使用一种限制高密度等离子体的线性结构装置，它被按照本发明的“超导结合器”所启动，以便提供一种如上所述的，可控的热核反应。

众所周知在已有技术中，当使用磁场限制等离子体时，是在等离子体上加以压力，称之为磁约束。等离子体的压力和磁场压力（磁场收缩）之间的商称为“φ”。对于一个限制的等离子体来说，这个商 “φ”可能由零变到1。用来控制聚变的等离子体分属两大组：高“φ”（φ＞0.5）和低“φ”（0＜φ＜0.2）。限制装置可分为两种：开端或闭端。后者通常有环形的形状，如图12所示，这里“k为大半径而“a”是小半径，它们的商“R/a”称为“环形比”。具有这种形状的磁限制装置是托卡马克（ToKAMAK），它是五十年代末在苏联研制出来的。为了得到被控制的聚变，可以说作为未来聚变反应的核心问题，已对托卡马克付出多于15年以上的努力。

在一个如图10所示的开端结构中，对于管状件12来说，磁力线与园筒管的长度（几何轴）平行，如图13所示。在没有磁场出现时，带电粒子（离子）随着所带正电荷（阳离子）或负电荷（阴离子）不同象图13a所示那样沿直线任意地行动。因此，当受到一个均匀磁场影响时，就使粒子环绕磁力线沿螺旋形路径运动，而这种运动将由于粒子的极性成顺时针或逆时针方向。

在磁约束期间，用于聚变中的等离子体的密度值，典型的是每立方米1020至1022粒子分子。因此，这样的等离子体比正常条件下的气体是更稀薄的，正常条件下气体的密度约为每立方3×1025分子。在高温时，例如，在一个用氘（一个包含有一个“质子”和一个“中子”的原子核氢的较重同位素）或用氘（氢的超重同位素，含有两个“中子”和一个“质子”的原子核）来工作的聚变反应堆中，为了获得聚变，每立方米1021个粒子的平均密度，就表示近14个大气压的压力。尽管，低的密度，但对于这样高的压力来说，对应着高的等离子体温度。而这就是必须由磁场来约束压力。

另一个要由等离子满足的条件被称为“劳森判据”，它建立于1957年。该判据被表达成“n×乙”的不均匀度，这里“n” 是等离子体的密度（每立方米的个数）而“乙”是时间（秒），它是有一定密度和一定温度的等离子体，必须受磁场约束以便核聚变产生的能量，至少足以补赏最初供给该等离子体的能量的时间间隔。因此，它是能量的约束时间，在此时间内等离子保持它的能量，而不是等离子体的持续时间。“乙”对应着等离子体中能量的平衡，它是总储存能量与供给等离子体的能量之间的商。对一个聚变反应堆来说，上面限定的积“n×乙”必须至少有如下值：在涉及气和气（D.T）的反应中，必须是“n×乙≥3×1020秒/米3”而这种反应将发生在温度至少为100，000，000°K中。如果核反应涉及气和气（DD）这个乘积的值必须是“n×乙≥1022秒/米3”而温度将至少达到500，000，000°K。

图14概括了“点火临界温度计算的情况”，它是使这些聚变反应得以自行维持所需的最低值。应该注意到：在这个“临界点火温度”以下，辐射时所损失的能量的数量，比由聚变反应所产生的能量的数量更大。图15表示，按照通常的意见，所考虑的聚变反应像是用在核聚变反应堆中一样。图15a、15b、15c、15d用数量说明在各种核反应中所产生的能量并且它们也指明在每种情况下的最终产物。应该注意到所用单位“Mev”是“兆电子伏”而“Lev”等于“1.6×1010焦耳，而最终结果是以“KWH/g”给出，即所用燃料的“每克千瓦小时”。

图13b所描述的情况发生在等离子体的粒子之间没有碰撞的情况。当发生碰撞时，粒子路径的曲率中心，可能由一条磁力线移向另一条，而这些粒子可能逃开磁场所产生的约束。粒子从一个场向另一个场移动的这种逐渐逃离过程称为扩散。当磁场不均匀时，也会发生 扩散。在这种情况下，粒子并不沿着，具有恒定半径的螺旋形路径移动，该半径开始反比于磁场强度变化。这种情况导致带电粒子沿磁力线偏转，并有可能达到管状件的壁，如图16所示。

另外，离子和电子以相反方向偏斜产生局部的电场和磁场。其结果是等离子体作为一个整体小磁场强度处偏离，甚至于到达容器的壁。图16a表示正电荷粒子在均匀磁场内的运动。图16b表示所说粒子在非均匀磁场内的运动。上述这两种情况，磁场都垂直于纸面（由纸面出来）。因为在图16b上，下方矩形内的场较强，因此正电荷粒子向右偏离，而负电荷粒子向相反方向偏离。对控制的另一个天然阻碍是等离子体缺乏稳定性。这种缺乏稳定性可能有两种类形：磁流体的（或宏观的）或微观的。前者，浸在磁场中的等离子体是不稳定的，并有可能受到干扰，就是说，一旦将它从一种平衡状态移开，干扰很快增强，则等离子体作为一个整体可能受到破坏。后者，小的（与等离子体的体积比）和局部的微观不稳定，并不导致完全失去控制。但造成等离子体内部密度和电场的起伏（干扰作用）。以及等离子体中粒子和能量的流量增加（扩散率增加）。

在这种情况下，并以“劳森判据”为基础，按照乘积“n×乙”必须高于1020和1021秒/米3之间的予定最小值的要求，或者更精确地说，如上面讨论的“n×乙≥3×1020秒/米3”的要求，则用很高密度“n”的等离子体和很短的约束时间“乙”来工作是必要的，这就阻碍了托卡马克型机器的应用（低密度“n”的等离子体的应用），而使得具有开端的，如图10所示管状构件12所用的，并由图11d和11e说明的，采用具有高密度又更简单的磁系统来约束等离子体，类似于“零功率热核装置收缩”型式。

事实上，涉及干扰等离子体聚变的，缺乏稳定性的多数问题，在“托卡马克”型的闭式结构机器中，是由磁场出现弯曲所引起的。前面已说到，具有开端的、线结构的，如图10所示的核聚变反应堆，有一个与用来约束反应和感应能量“E”的磁场17分离的，由第二超导线圈产生的很均匀的磁场。为了将等离子体的压力约束在这样高的密度下，需要采用很强的磁场（在图10中由超导线圈14提供）以及用极高峰值电流所引起的等离子体极高加热，由于这样高的电流作用，将促使极高的电子流穿过其原子结构，这是在上面讨论过的热核反应开关顺序很小的变化时间周期“△t2k-1”的最后部份分期间内进行的。

“超导结合器”就迫使这样极高的电子流通过所说的图10中的管状构件12之内的等离子体13的原子结构流动。但是，这种流动只是在时间周期“△t2k-1”的很短的最后部份进行，在所说的时间周期最后部份期间，在超导线圈16所集积的只是相当少量的反应和感应能量“E”。

如上所述，小的热核反应的这个开关序列的频率是极高的，但这个过程由开关“超导结合器”的主电源19，以较小的频率来控制，以安全方便的方法来获得所希望的最终结果。

上述的一系列的小热核反应，用来控制如上所述的所集积的少量的能量“E”，以便迫使极强的电子流通过等离子体的内部原子结构流动，将引起等离子体压力极高地增加，将使原子核通近而足以引起它们的聚变。正如，可从图15所示的各种情况可看到的，产生氦原子并释放能量。

应该注意到：上面所说明的过程表明BCS理论（Barden，J.& Cooper，L.N&  Schrieller，I.R）的逆运转，这种理论作为超导性的微观理论在1957年提出来的，它们的创造者因此获得1972年的诺贝尔物理奖。事实上，说明在传统材料中超导性的起始点，以及从电子行为的观点出发，来看超导体和普通金属之间的差异。这个理论表明，在某些情况下，尽管由于它们的负电极性产生排斥，而在金属电子之间可能存在有吸引的干扰。一个电子迁移，由于它的负电荷，通过由正离子所形成的晶格点阵时，就引起正离子的位移，使其偏离它们通常的位置。这种结果与电子对之间呈现吸引力的现象密切相关，这样的电子对称为“协同对”这是根据BCS理论来解释超导性的基础，该理论认为：当一种材料电子的吸引力超过电子的动力时，这种材料就成为超导体（见图3）。而在普通金属中，电子形成一种气态（量子化的气态），在超导材料中它们形成结合对。电子的量子特性，避免在电子对气体中，产生超导性的条件。

按照量子物理学的基本定律认为：这些电子对不应该能独立地运动。这些定律最令人惊奇的论断之一是，所有的协同对应以相同的速度运动。

由此可以导出一个重要的结论：超导条件是一种相干的条件，在这里，所有的电子配对以同速度运动。在正常金属中，当绝大多数电子在相同方向运动时就形成电流。

一个电子碰撞一个污染物，一个缺陷或撞击由温度引起的紊乱（混乱），改变了方向和速度，只有一种限制：它必须遵守泡利的不相容原理，即不可能有多于两个以上的电子处于相同的状态。具有相反电荷的电子和离子互相吸引。因此，当一个电子通过固体态的晶体点阵运动时，或被迫通过其上运动时，像本发明中一样，以很高的速 度通过氢（或同位素）等离子体的原子结构时，它吸引结构中的离子，使其离开了相对平衡的位置而被位移。由于这些离子是由原子核构成的，所以，它们是有一定惯性的重粒子。这意味着，由于电子的快速运动，使得离子彼此靠的更紧密。而电子的快速运动是由于集积在如上所述图10超导线圈16中的能量E，快速释放所引起的。但是，它们在等离子体中，留下了一由它们的初始位置，导致的位移所产生的一条“路径”。此“路径”将形成通道或者其它的电子更容易通过，由于它将简单的跟随第一个电子所留下的路径，正如图18所示。所以，当材料的晶体结构冷却时，本发明处理某种现象是和在超导情况中的BCS理论相类似的。

尽管，在强烈地加热等离子体时，电子成对的性质是相同的。而等离子体的加热是由于以上描述电子的快速释放所引起的，其迫使形成图17所示的隧道，以便引起原子的元素彼此接近并融合释放能。然而，有可能吸引干涉比发生离子位移所引起的干涉更强，作为其它磁源相干或在所说等离子体中离子同电子电荷转移的后果而产生的。

值得注意，在三种不同的状况中，使用了超导体，如图10所示，（a）在超导线圈16中;（b）在磁芯的空气隙缝中18;和（c）作为超导线圈14围绕着管状构件，其将以磁场约束氢（或同位素）等离子体13，把等离子体限制在那。对于第一种和第二种应用（16和18），推荐使用自1986年发展的超导陶瓷材料，因为在这两种情况中，不需要高的超导电流。事实上，通过在超导线圈16中缠绕线圈的数目，可能增加集积的能量，并且通过超导体18的电流“i”恰是等离子体的予点火电流。然而，超导体线圈14应当由传统的超导材料（或陶瓷）所制造，以便提供等离子体最好的磁约束场。除此 之外，在前两种情况中：超导线圈16和超导体18，陶瓷超导材料不是在超导条件中就是在正常的条件中，具有良好的性能，这对于更精确地控制等离子体13中的放电是十分方便的。