一、惯性静电约束
惯性静电约束（IEC）是一种聚变能源技术，它与常规的磁约束聚变（MCF）技术不同，主要依靠电场而非磁场来约束等离子体。IEC技术的一个关键优势是它能够直接将燃料加速到聚变所需的条件，避免了MCF技术在加热过程中的能量损失。
在电场中，等离子体中的带负电的电子和带正电的离子会朝相反方向移动，因此需要巧妙地设计电场，使得这两种粒子能够保持接近。在大多数惯性静电约束（IEC）设计中，通过让电子或离子穿越一个电势较低的区域——我们称之为"势阱"——来实现这一点。一旦粒子穿越过势阱，电势会降低，粒子由于惯性作用继续向前移动。当来自不同方向的离子在低势能区域相遇并发生碰撞时，就有可能引发聚变反应。由于是电场中的有序运动为聚变提供了必要的能量，而不是等离子体内部的随机碰撞，所以整个等离子体不需要达到很高的温度，这使得IEC系统能在比磁约束聚变（MCF）设备更低的温度和能量水平下运行。
熔断器是一种结构相对简单的IEC装置，它由两个同心的金属丝制成的球形网格组成。当这些网格被施加高电压时，中间的燃料气体会被电离。两个网格之间的电场会加速这些离子向内移动，当离子穿过内层网格，进入电势较低的区域时，它们会继续向中心移动。如果这些离子与其它离子相撞，就可能发生聚变。如果未能发生聚变，离子将离开反应区，返回到充电区域，并在那里获得新的加速，再次向内移动。这个过程与碰撞束聚变的原理相似，不过碰撞束聚变装置是直线形的，而不是球形的。还有一些其他的IEC设计，比如polywell的设计，在创建势阱的场的配置上有很大的不同。
一些详尽的理论研究已经指出，IEC方法可能会遇到一些能量损失的问题，这些问题在燃料被均匀加热或达到所谓的"麦克斯韦分布"时不会出现。这些能量损失似乎比聚变反应的速率还要高，这意味着IEC设备可能永远无法实现能量的净增益，也就无法用于发电。当使用的燃料原子质量增加时，这些能量损失机制会更加显著，这表明即使使用无中子聚变燃料，IEC方法也可能没有优势。不过，这些批评是否适用于所有特定的IEC设备，仍然是一个有待进一步探讨的争议话题。
二、原理和过程
对于离子在电场中每加速一伏特，其动能增益对应于温度增加11,604开尔文（K）。例如，一个典型的磁约束聚变等离子体是15千电子伏特（keV），相当于170兆开尔文（MK）。一个带有一个电荷的离子可以通过在15,000伏特的势差中加速达到这个温度。这种电压在常见的电气设备中很容易实现；典型的阴极射线管就在这个电压范围内运行，这是一种早期的显示技术，现在已经很少使用。
在熔断器中，电压降是通过一个线笼来实现的。然而，由于大多数离子在发生聚变之前就落入笼中，因此会发生高传导损失。这是当前熔断器无法产生净功率的主要原因。
三、技术发展历程与应用
20世纪30年代
马克·奥利芬特（Mark Oliphant）在卡文迪许实验室改进了科克罗夫特（Cockcroft）和沃尔顿（Walton）的粒子加速器，通过核聚变的方式制造了氚（tritium）和氦-3（helium-3）。
20世纪50年代
吉姆·塔克（Jim Tuck）和其他两位来自洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员在1959年的一篇论文中首次进行了理论探讨。这个想法最初是由他们的一位同事提出的。该概念提出在正电荷构成的“笼子”里捕获电子，然后这些电子会加速离子，直至它们达到聚变所需的条件。
同时，其他一些概念也在发展之中，这些概念后来与惯性静电约束（IEC）技术领域相结合。其中之一就是约翰·D·劳森（John D. Lawson）在1957年于英国提出的劳森准则（Lawson criterion）。这一准则为那些利用热的麦克斯韦等离子体云进行聚变的发电厂设计设定了最低标准。还有哈罗德·格拉德（Harold Grad）领导的团队在库朗特研究所（Courant Institute）于1957年进行的研究，他们研究了电子在双锥形磁场（biconic cusp）中的行为。双锥形磁场装置由两个相同的磁极（比如都是北极）相对而置，电子和离子可以在这两个磁极之间被捕获。
20世纪60年代
在研究真空管的过程中，菲尔·法恩斯沃斯（Philo Farnsworth）注意到电荷会在管的某些区域积聚。现在，我们称这种现象为多普勒效应（multipactor effect）。Farnsworth推断，如果离子浓度足够高，它们就能相互碰撞并发生聚变。1962年，他申请了一项专利，这项设计利用正电荷的内笼来集中等离子体，目的是实现核聚变。在这段时间里，Robert L. Hirsch加入了他的实验室，并开始了后来被称为熔断器（fusor）的设备的研发。Hirsch在1966年为这一设计申请了专利。Hirsch的机器直径为17.8厘米，在其上施加了150千伏的电压降，并使用离子束来帮助注入材料。
与此同时，1963年，Lyman Spitzer发表了一本关键的等离子体物理教科书。Spitzer将理想气体定律应用到电离等离子体上，发展了许多用于模拟等离子体的基础方程。与此同时，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的Richard F. Post小组开发了磁镜理论和直接能量转换技术。磁镜类似于双锥形尖点，只不过磁极是相反的。
20世纪80年代
在1980年，Robert W. Bussard开发了一种新型的聚变装置，即熔断器（fusor）和磁镜的混合体，被称为 "polywell"。这个概念是利用磁场来约束非中性等离子体，以此吸引离子。这个想法之前在俄罗斯由Oleg Lavrentiev提出过。Bussard为这个设计申请了专利。
20世纪90年代
在90年代初期，Bussard和Nicholas Krall发表了他们的理论和实验结果。 作为回应，麻省理工学院（MIT）的Todd Rider在Lawrence Lidsky的指导下，开发了 "polywell" 设备的通用模型。Rider认为该设备存在局限性。同年，即1995年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的William Nevins对 "polywell" 提出了批判。Nevins指出，粒子会积聚角动量，导致致密的核心降解。
90年代中期，Bussard的出版物激发了威斯康星大学麦迪逊分校和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发熔断器的热情。麦迪逊的设备最早建于1995年。伊利诺伊大学的George H. Miley团队制造了一个25厘米的熔断器，使用氘气产生了107个中子，并在1994年发现了熔断器操作的“星形模式”。次年，举办了首届“美日IEC聚变研讨会”，这是IEC研究人员的顶级会议。在欧洲，戴姆勒-克莱斯勒航空航天公司开发了一种商业中子源的 "polywell" 设备，名为FusionStar。90年代末，业余爱好者Richard Hull开始在家中制造业余熔断器。1999年3月，他达到了每秒10^5个中子的中子产生率。Hull 和 Paul Schatzkin 于1998年创建了fusor.net网站。 通过这个开放的论坛，一群业余聚变爱好者使用自制的熔断器进行核聚变实验。
21世纪初
尽管在2000年展示了一个密封反应室在高输入功率下7200小时运行而没有退化的能力，并且具有自动化控制，FusionStar项目还是被取消了，随后成立了NSD有限公司。NSD有限公司进一步开发了球形FusionStar技术，将其转变为一个具有更高效率和更高中子输出的线性几何系统，该公司在2005年更名为NSD-Fusion GmbH。
Alex Klein开发了一种结合了 "polywell" 和离子束的新型装置。 利用加博透镜技术，Klein博士尝试将等离子体聚焦成非中性云以实现聚变。他创立了FP generation公司，该公司在2009年4月从两个基金公司筹集了300万美元的资金。该公司开发了MIX和大理石机器，但后来因技术挑战而关闭。
为了回应Rider的批评，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员提出，等离子体振荡可能达到局部热力学平衡；这促进了POPS和Penning 陷阱机器的开发。与此同时，麻省理工学院的研究人员对熔断器在太空推进和为太空飞行器提供动力的潜力产生了兴趣。具体来说，研究人员开发了具有多个内笼的熔断器。2005年，Greg Piefer创立了凤凰核实验室（Phoenix Nuclear Labs），旨在将熔断器发展为用于大规模生产医用同位素的中子源。
Robert Bussard在2006年开始公开讨论 "polywell"。 在2007年因多发性骨髓瘤去世之前，他试图激发人们对这项研究的兴趣。他的公司在2008年和2009年从美国海军筹集了超过1000万美元的资金。
21世纪10年代
Bussard的出版物激励了悉尼大学在2010年开始研究 "polywell" 中的电子捕获。该团队探索了理论，模拟了装置，构建了装置，测量了捕获效果并进行了模拟。这些机器都是低功率和低成本的，并且都具有较小的β比率。2010年，Carl Greninger成立了西北核联盟。2012年，Mark Suppes因其熔断器而受到关注。Suppes还测量了 "polywell" 内的电子捕获。2013年，George H. Miley出版了第一本IEC教科书。
21世纪20年代
Avalanche Energy是一家获得5100万美元风险投资和国防部资金支持的初创公司，专注于开发一种小型、模块化且输出功率为5千瓦的聚变电池。他们的目标是为这种设备实现高达600千伏的电压输出。该公司采用Orbitron概念，通过静电（磁控管增强）技术，在高真空环境（压力小于10^-8托）中限制离子的运动，其中阴极旋转并被一个或两个由电介质隔开的阳极壳所环绕。技术挑战包括解决真空和电介质的击穿问题以及绝缘体表面的闪络现象。为了实现这一目标，公司还设计了永磁体或电磁铁磁场发生器，同轴地围绕阳极布置，以产生超过Hull截止条件的磁场强度，范围在50至4000千伏之间。聚变反应的候选离子包括质子、氘、氚、锂-6和硼-11。Avalanche Energy在实现其技术目标方面取得了进展，最近成功测试了一个300千伏的套管。
参考链接：
- https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/129867/1237644263-MIT.pdf?sequence=1
- https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/29869/31763419-MIT.pdf?sequence=2
- http://large.stanford.edu/courses/2022/ph241/dayton1/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_electrostatic_confinement
- https://iec.neep.wisc.edu/overview.php
- http://large.stanford.edu/courses/2018/ph241/gao2/