CN102714062A - 核聚变靶材、核聚变装置以及核聚变方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于，能够以比较高的效率引发核聚变反应并且能够使装置小型化。本发明的核聚变装置（1）具备：包含含有氘或者氚的靶基板（7a）及层叠于靶基板（7a）上且含有氘或者氚的薄膜层（7b）的核聚变靶材（7）、容纳核聚变靶材（7）的真空容器（5）、朝着核聚变靶材（7）的薄膜层（7b）照射连续的2个第1及第2脉冲激光（P1,P2）的激光装置（3），第1脉冲激光（P1）的强度小于第2脉冲激光（P2）的强度，并且，被设定为能够从靶基板（7a）剥离薄膜层（7b）的值。
Description
技术领域
本发明涉及利用激光的核聚变靶材、核聚变装置以及核聚变方法。
背景技术
一直以来，探讨了为了使用小型而且廉价的装置来高控制地使核聚变发生而利用激光的技术。再有，根据近年来的研究，能够期待由利用激光装置的核聚变反应而大幅度地提高中子发生效率，利用这样的核聚变反应的中子的发生方法与核裂变反应相比较，作为一种更安全的方法而被期待。
作为利用激光的核聚变发生方法的现有例子，众所周知有以下所述非专利文献1以及以下所述专利文献1所记载的例子。在以下所述专利文献1所记载的方法中，将激光瞬间照射于将被氘置换的塑料涂布于迈拉（Mylar）等的薄膜而形成的照射构件上从而产生高能量的氢原子核，将该氢原子核照射于从照射构件离开规定距离左右进行配置的靶构件上从而引发核聚变反应。另外，在以下所述非专利文献1所记载的方法中，连续地使规定的时间间隔（300psec）的2个激光脉冲入射到将被氘置换的聚乙烯（C2D4）x成膜于铝板上进行制作的靶材上从而引发核聚变反应。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2002-107494号公报
非专利文献
非专利文献1：G.Pretzler,et al.,“Neutron production by 200 mJultrashort laserpulses”,Physical Review E,Volume 58,Number 1,TheAmerican Physical Society,July 1998,p.1165-1168
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在以上所述的非专利文献1所记载的核聚变发生方法中，因为在由2个激光脉冲当中的第1个激光脉冲对靶材进行等离子化之后，由第2个激光脉冲对等离子中的离子实施高温化从而引发热核聚变，所以为了将等离子中的离子浓度调整到最适当值来有效地使热核聚变反应发生，比较大能量的激光成为必要。另外，在以上所述的专利文献1所记载的核聚变发生方法中，不能够充分地获得能量效率。其结果，在两个方法中，存在难以以高能量效率使核聚变反应发生的趋势。
因此，本发明是有鉴于所涉及的问题而完成的发明，其目的在于，提供一种能够以比较高的效率引发核聚变反应而且能够使装置小型化的核聚变靶材、核聚变装置以及核聚变方法。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的核聚变靶材是一种用于照射激光来使核聚变反应发生的核聚变靶材，具备：第1靶层，含有氘或者氚且具有第1膜厚；第2靶层，层叠于第1靶层上，含有氘或者氚且具有比第1膜厚薄的第2膜厚。
或者，本发明的核聚变装置具备上述的核聚变靶材、容纳核聚变靶材的真空容器、以及朝着核聚变靶材的第2靶层照射包含连续的2个第1及第2脉冲光的激光的激光照射部；第1脉冲光的强度小于第2脉冲光的强度，并且，被设定成能够从第1靶层剥离第2靶层的值。
或者，本发明的核聚变方法是一种用于照射激光来使核聚变反应发生的核聚变方法，具备：在真空中配置核聚变靶材的步骤，该核聚变靶材具备第1靶层和第2靶层，第1靶层含有氘或者氚且具有第1膜厚，第2靶层层叠于第1靶层上，含有氘或者氚且具有比第1膜厚薄的第2膜厚；朝着核聚变靶材的第2靶层照射包含连续的2个第1及第2脉冲光的激光的步骤；第1脉冲光的强度小于第2脉冲光的强度，并且，被设定成能够从第1靶层剥离第2靶层的值。
根据这样的核聚变靶材、核聚变装置或者核聚变方法，通过在真空中配置包含含有氘或者氚的第1以及第2靶层的两层的核聚变靶材并朝着薄膜层即第2靶层照射第1脉冲光，从而能够从第1靶层剥离第2靶层。其后，因为通过隔开规定的时间间隔将与第1脉冲光连续的第2脉冲光照射于第2靶层，从而能够朝着离开规定距离的第2靶层充分加速从第1靶层发生的离子束，所以能够将高能量的离子束照射于第1靶层。其结果，能够在第1靶层附近以高效率使核聚变反应发生，并且也可以提高中子的发生效率。总之，通过采用包含两层的靶层的靶材从而装置的小型化也变得容易。
发明的效果
根据本发明，能够以比较高的效率引发核聚变反应并且能够使装置小型化。
附图说明
图1是表示本发明的优选的一个实施方式所涉及的核聚变装置1的构造的概略构成图。
图2是表示图1的核聚变装置中的核聚变反应的引发状态的概念图。
符号的说明
1…核聚变装置、3…激光装置（激光照射部）、5…真空容器、7…核聚变靶材、7a…靶基板（第1靶层）、7b…薄膜层（第2靶层）、P1…第1脉冲激光（第1脉冲光）、P2…第2脉冲激光（第2脉冲光）。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明所涉及的核聚变装置以及核聚变方法的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在附图的说明中，将相同符号标注于相同或者相当的部分，省略重复的说明。另外，各个附图是为了便于说明而制作的图，以特别强调所说明的对象部位的方式进行描绘。因此，图面中的各个构件的尺寸比例并不一定与实物相一致。
图1是表示本发明的优选的一个实施方式所涉及的核聚变装置1的构造的概略构成图。该核聚变装置1是一种用于由激光的照射引发核聚变反应而生成中子的装置，具备照射激光的激光装置（激光照射部）3、将内部维持为真空状态的真空容器5、容纳于真空容器5内的核聚变靶材7。
激光装置3是一种如下所述装置：能够照射脉冲宽度为100fs左右的超短脉冲激光，作为激光介质，可以列举例如钛蓝宝石（Ti-sapphire）结晶，内置有束分割部及脉冲延迟部和束结合部等。另外，激光装置3被构成为可以以规定的时间间隔（例如数100ps间隔）连续地照射超短脉冲激光。该激光装置3以朝着真空容器5内的核聚变靶材7照射超短脉冲的方式进行配置。
核聚变靶材7成为包含靶基板（第1靶层）7a和层叠于靶基板7a上的薄膜层（第2靶层）7b的两层构造，靶基板7a以使薄膜层7b侧的面朝着激光装置3侧的方式被支撑。
该靶基板7a为含有氘或者氚的膜厚数百μm~约1mm的平板状的固体材料，固体材料中的氢被氘或者氚置换。例如，作为靶基板7a的材料，使用用氘置换将聚乙烯（C8H8）x作为代表的塑料等的含有碳以及氢的有机材料中的氢的被氘置换的聚乙烯（C8D8）x。
层叠于上述组成的靶基板7a上的薄膜层7b为含有氘或者氚且具有比靶基板7a薄1μm以下的膜厚的金属薄膜，并使氘或者氚吸留于金属薄膜中。例如，作为薄膜层7b，使用容易吸留氢的钛或钯等的重金属，在以数nm~数十nm的膜厚将这样的重金属蒸镀于靶基板7a上之后，通过吸留氘，从而形成薄膜层7b。
在此，可以使靶基板7a以及薄膜层7b中含有氘或者氚的任意一种，也可以以适当的比例含有两者。
接着，对上述的核聚变装置1中的核聚变反应的引发顺序进行详述，并且对使用本实施方式所涉及的激光的核聚变方法进行说明。
首先，准备核聚变装置1，在以相对于激光装置3的激光照射方向使薄膜层7b相对的方式将核聚变靶材7配置于真空容器5内之后，直至规定的真空度为止对真空容器5的内部实施抽真空。
其后，从激光装置3将脉冲宽度为100fs左右的第1脉冲激光照射于核聚变靶材7的薄膜层7b。再有，紧接着这之后，从激光装置3将与第1脉冲激光隔开规定时间间隔地连续且脉冲宽度为100fs~1ps左右的第2脉冲激光照射于核聚变靶材7的薄膜层7b。在此，为了在薄膜层7b中生成超前等离子体（preplasma），第2脉冲激光也可以包含预脉冲激光（pre-pulse laser）。
此时，第1脉冲激光的强度被设定为1015W/cm2的指令值，第2脉冲激光的强度被设定为1018W/cm2的指令值，第1脉冲激光的强度与第2脉冲激光的强度相比足够小。该第1脉冲激光的强度被调整为薄膜层7b从靶基板7a剥离并且薄膜层7b的材料不发生等离子化的程度的强度。另外，第1脉冲激光与第2脉冲激光的时间间隔作为薄膜层7b从靶基板7a剥离且飞行1~10μm左右的距离的程度的值而被设定为数100ps。即，在本说明书中，所谓“连续的2个脉冲光”，是指具有薄膜层7b从靶基板7a剥离且飞行1~10μm左右的距离的程度的时间间隔的2个脉冲光。
图2是表示核聚变装置1中的核聚变反应的引发状态的概念图。如以上所述，通过设定第1脉冲激光P1以及第2脉冲激光P2的强度以及时间间隔从而在照射了第1脉冲激光P1之后，薄膜层7b立即从靶基板7a剥离，其后在薄膜层7b与靶基板7a的距离D1成为1~10μm左右的时机将第2脉冲激光P2照射于薄膜层7b。其结果，对应于第2脉冲激光P2照射到薄膜层7b而在薄膜层7b中生成氘离子I，该氘离子I在薄膜层7b与靶基板7a之间被充分加速从而与靶基板7a发生冲突。对应于此，在靶基板7a内部的氘与离子I之间引发DD核聚变反应，其结果，所生成的中子N朝着真空容器5的外部放出。
还有，为了充分加速氘离子，第2脉冲激光P2的照射时机优选为距离D1成为1μm以上的时机，并且，优选为距离D1成为10μm以下的时机，以使氘离子扩散而到达靶基板7a的氘离子的密度不降低。
根据以上说明的核聚变装置1以及使用其的核聚变方法，通过将包含含有氘或者氚的靶基板7a以及薄膜层7b的两层的核聚变靶材7配置于真空容器5中并朝着薄膜层7b照射第1脉冲激光，从而能够从靶基板7a剥离薄膜层7b。其后，因为通过隔开规定时间间隔将与第1脉冲激光连续的第2脉冲激光照射于薄膜层7b从而能够朝着离开规定距离的靶基板7a充分加速从薄膜层7b发生的离子束，所以能够将高能量的离子束照射到靶基板7a上。其结果，能够在靶基板7a内部以高效率使核聚变反应发生，并且对应于该核聚变反应的中子的发生效率也提高。总之，因为通过采用将由两层构成的核聚变靶材7配置于真空容器5内的构成，从而不需要如现有那样的大规模的加速器和原子炉，所以装置的小型化也变得容易。
特别是根据本实施方式，因为使具有指向性的离子束在靶材中充分加速并与靶材冲突从而引发核聚变，所以在低激光能量的条件的情况下，与使用现有的激光的热核聚变相比较，相对于投入能量能够发生更多的中子，并且能够达到高能量效率。
在此，靶基板7a因为是含有氢的固体材料中的氢被氘或者氚置换的靶基板，所以真空容器5内的靶基板7a的配置构造被简化，并且薄膜层7b层叠到靶基板7a也变得容易。再有，薄膜层7b因为是吸留氘或者氚的金属薄膜，所以层叠到靶基板7a的层叠工艺也变得容易。因此，作为整体，核聚变靶材7的制造工序以及组装到核聚变装置1中的工序被单纯化。
还有，本发明并不限定于以上所述的实施方式。作为核聚变靶材7的材料，也可以使用其它的材料。
例如，作为靶基板7a，也可以使用冻结重水（D2O或者T2O）而固化了的重水块。在此情况下，在形成薄膜层7b的时候，以重水不溶解的方式在充分进行了温度管理的环境中蒸镀并形成薄膜层7b。另外，在照射用于引发核聚变的激光中也同样在进行了温度管理的环境中进行。
另外，作为薄膜层7b，使用薄膜状的被氘置换的聚乙烯（C8D8）x等的固体材料中的氢被氘或者氚置换的薄膜层，也可以使用将该薄膜层叠于靶基板7a上的薄膜层。
另外，作为本实施方式的应用例，能够实现离子加速装置。该离子加速装置，使基本构成与核聚变装置1相同，仅对核聚变靶材7的靶基板7a的构成构件进行了更改。即，使靶基板7a的材料为不包含氘或者氚的膜状构件、例如膜厚约10μm的有机薄膜，并将使吸留氘的钛的薄膜层7b层叠于该有机薄膜上的构件作为靶材使用。根据这样的离子加速装置，能够通过将包含第1脉冲激光和第2脉冲激光的双重脉冲激光照射于靶材，从而从薄膜层7b朝向外部使加速离子发生。
在此，第1靶层优选为含有氢的固体材料中的氢被氘或者氚置换的层。在此情况下，第1靶层的配置构造被简化，并且第2靶层的层叠也变得容易。
另外，第2靶层优选为吸留氘或者氚的金属薄膜。如果采用该构成，则层叠到第1靶层上的层叠工艺变得容易。
再有，第2靶层优选为含有氢的固体材料中的氢被氘或者氚置换的层。如果采用该构成，则第2靶层层叠到第1靶层上的层叠工艺变得容易。
产业上的利用可能性
本发明可以将利用激光的核聚变靶材、核聚变装置以及核聚变方法作为使用用途，并能够以比较高的效率引发核聚变反应，而且能够使装置小型化。
Claims (6)
1.一种核聚变靶材，其特征在于：
是用于使核聚变反应发生的核聚变靶材，
具备：
第1靶层，含有氘或者氚且具有第1膜厚；
第2靶层，层叠于所述第1靶层上，含有氘或者氚且具有比所述第1膜厚薄的第2膜厚。
2.如权利要求1所述的核聚变靶材，其特征在于：
所述第1靶层为含有氢的固体材料中的氢被氘或者氚置换的层。
3.如权利要求1或者2所述的核聚变靶材，其特征在于：
所述第2靶层为吸留了氘或者氚的金属薄膜。
4.如权利要求1或者2所述的核聚变靶材，其特征在于：
所述第2靶层为含有氢的固体材料中的氢被氘或者氚置换的层。
5.一种核聚变装置，其特征在于：
具备：
权利要求1~4中的任意一项所述的核聚变靶材；
容纳所述核聚变靶材的真空容器；以及
朝着所述核聚变靶材的第2靶层照射包含连续的2个第1及第2脉冲光的激光的激光照射部，
所述第1脉冲光的强度小于第2脉冲光的强度，并且，被设定为能够从所述第1靶层剥离所述第2靶层的值。
6.一种核聚变方法，其特征在于：
是用于使核聚变反应发生的核聚变方法，
具备：
在真空中配置核聚变靶材的步骤，该核聚变靶材具备第1靶层和第2靶层，所述第1靶层含有氘或者氚且具有第1膜厚，所述第2靶层层叠于所述第1靶层上，含有氘或者氚且具有比所述第1膜厚薄的第2膜厚；以及
朝着所述核聚变靶材的第2靶层照射包含连续的2个第1及第2脉冲光的激光的步骤，
使所述第1脉冲光的强度小于第2脉冲光的强度，并且，将所述第1脉冲光的强度设定为能够从所述第1靶层剥离所述第2靶层的值。
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