JP2000162352A - 核融合装置 - Google Patents

核融合装置

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JP2000162352A
JP2000162352A JP10335281A JP33528198A JP2000162352A JP 2000162352 A JP2000162352 A JP 2000162352A JP 10335281 A JP10335281 A JP 10335281A JP 33528198 A JP33528198 A JP 33528198A JP 2000162352 A JP2000162352 A JP 2000162352A
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Japan
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pellet
fusion
nuclear fusion
fuel
laser beam
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Pending
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JP10335281A
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English (en)
Inventor
Takashi Okazaki
隆司 岡崎
Takuro Honda
琢郎 本多
Motomasa Fuse
元正 布施
Tetsuya Matsui
哲也 松井
Akira Sasahira
朗 笹平
Hiroshi Kamimura
上村  博
Hiroshi Kitaguchi
博司 北口
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、レーザビーム数を減らして構
造及び運転制御を簡素化できる核融合装置を提案するも
のである。 【解決手段】核融合装置において、核融合燃料を吸蔵し
た固体材料で作製し、固体材料の温度上昇を防止するた
めのコーティング材をコーティングしたペレットと、上
記ペレットに集光する一つあるいは複数のレーザビーム
入射装置とから成り、真空容器内で上記ペレットに上記
レーザビームを集光して高密核融合反応を起こす核融合
装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム数を
減らして構造及び運転制御の簡素化に好適な核融合装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】核融合装置は、磁場でプラズマを閉じ込
める装置と、慣性でプラズマを閉じ込める装置とに大別
できる。慣性核融合装置においては、燃料ペレットにレ
ーザビームを集光して、上記燃料ペレット表面のプラズ
マ化したプラズマの膨張に伴う反作用で上記燃料ペレッ
トを圧縮して、核融合反応を起こす仕組みになってい
る。上記燃料ペレットは、例えば、核融合燃料として、
重水素や三重水素をこおらせたアイスペレットを用い
る。この際、上記燃料ペレット表面の密度の小さいプラ
ズマが、上記燃料ペレット中心に近い密度の濃いプラズ
マを圧縮するので、レーリーティラー不安定性が起き
る。このレーリーティラー不安定性が起きると、上記燃
料ペレット全体を効率よく圧縮することができない。
【0003】従来、これを防ぎ、上記燃料ペレットを均
一に圧縮するために、多数のレーザビームを用いること
が考えられた(後述する文献1)。例えば、米国で建設
中の慣性核融合装置NIFでは、レーザビームを192
本準備している。慣性核融合では、真空容器内で、落下
している上記燃料ペレットに、多数のレーザビームを集
光させる必要がある。上記レーザビーム軌道の制御と、
上記燃料ペレットへの集光のタイミングの制御は、レー
ザビームの数が多くなればなるほど、技術的には困難に
なり、慣性核融合には、装置としては大型化複雑化する
という問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、レー
ザビーム数を減らして構造及び運転制御を簡素化できる
核融合装置を提案するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】核融合反応を起こさせる
には、燃料をプラズマ化して、燃料であるプラズマイオ
ンのクーロンバリアに打ち勝てるところまで上記プラズ
マイオンを高温にする方法がある。従来の慣性核融合が
それである。本発明で起こさせようとする高密核融合反
応では、上記とは核融合反応の原理が全く異なり、核融
合燃料を圧縮することにより、上記材料の格子間距離を
縮め、格子間にある核融合燃料原子間距離を縮めて、高
密核融合反応を起こす。
【0006】この高密核融合反応では、上記原子間距離
を縮めると、上記原子の電子軌道がお互いに重なり合い
だして、これにより電子系が原子核間のクーロン斥力を
弱めて核融合反応を容易にする性質と、原子間距離が接
近して、原子核が融合するとその系の自由エネルギーが
減少して、それが凝縮力として働き、核融合の核反応増
倍効果になる性質とがある。
【0007】高密核融合反応率Rは、
【0008】
【数1】 R∝exp(−π(EG/ES)1/2)exp(1.057e2/aT) ES=Z122/(aBa)1/2 …(数1) で与えられる(後述する文献2)。ここで、EG はガモ
フエネルギー、ES は電子の遮蔽エネルギーで、電子の
電荷eを用いて、原子核の電荷Z1e,Z2eとその原子
間距離a及びボーア半径aB で表される。Tはその材料
の温度である。
【0009】ある温度T0 ,密度n0 の高密核融合反応
率R0 から、温度T,密度nをT=βT0,n=αn0
変えた場合、高密核融合反応率Rは、
【0010】
【数2】 R/R0=exp(−π(EG/ES 0)1/2(1−α-1/12)) exp(1.057e2/(a00)(α1/3/β-1)) …(数2) となる。ここで、ES 0はある温度T0 ,密度n0 の値で
ある。(数2)からわかるように、核融合燃料をレーザ
ビームで圧縮して、原子間距離aを小さくすると、高密
核融合反応率が大幅に向上できる。本方法では、燃料ペ
レットに均一にレーザビームを集光させる必要がないの
で、多数のレーザビーム装置は不要であり、核融合装置
の構造簡素化になる。
【0011】図2に、従来の高密核融合反応を生成する
装置概念を示す。図2において、2はレーザビーム入射
装置、8は核融合燃料で例えば水素重水素混合の固相の
物質、つまり、氷、9は圧縮素子、10は上記核融合燃
料8を閉じ込め、圧縮素子9を支持する構造物である。
上記装置概念において、まず、上記圧縮素子9で上記核
融合燃料8を圧縮し、更にレーザビーム入射装置2から
のレーザビームで圧縮して、高密核融合反応を起こさせ
る(後述する文献2)。
【0012】高密核融合反応を、核融合炉に用いる場
合、繰り返し上記反応を行う必要がある。図2に示す構
造では、繰り返し高密核融合反応を起こした時、上記構
造物を破損する可能性がある。また、高密核融合反応で
上記構造物の温度が上昇して、上記核融合燃料8を充填
した時、上記構造物の熱容量で上記核融合燃料8の温度
が上昇して有効に高密核融合反応を起こすことができな
くなる可能性がある、等の課題がある。
【0013】本発明では、上記構造物の課題を解決する
ために、核融合燃料を吸蔵した固体材料で作製し、固体
材料の温度上昇を防止するためのコーティング材をコー
ティングしたペレットを真空容器内に落下、あるいは出
射して、上記ペレットに一つあるいは複数のレーザビー
ムを集光してコーティング材のプラズマ化に伴う爆縮圧
で、上記ペレットを圧縮して高密核融合反応を起こす核
融合装置を提案する。上記ペレットを真空容器内に落
下、あるいは出射することで、上記のような構造物10
は不要となり、上記ペレットの温度が上昇することがな
くなり、予め定めた温度を維持できる。このように、本
発明は、慣性核融合とは、全く異なる核融合コンセプト
を提案するものである。
【0014】(文献1)三間、他;日本原子力学会誌、
vol.38,No.12,961頁(1996) (文献2)一丸;日本物理学会誌、vol.53,No.2,
93頁(1998) 即ち、真空容器内で、核融合燃料を吸蔵した固体材料で
作製し、固体材料の温度上昇を防止するためのコーティ
ング材をコーティングしたペレットを落下あるいは出射
させる。上記ペレットに集光する一つあるいは複数のレ
ーザビームをレーザビーム入射装置から発射させて上記
ペレットに当てる。
【0015】これにより、コーティング材のプラズマ化
に伴う爆縮圧で、上記ペレットは圧縮され、核融合反応
を起こす。核融合反応は低温の方がよく反応するので、
上記ペレットは真空容器内に落下あるいは出射させる前
には低温に維持する必要がある。核融合反応で発生した
エネルギーは、例えば、従来の核融合炉と同様にブラン
ケットで回収する。
【0016】
【発明の実施の形態】図1に本発明の一実施例を示す。
図1において、1は真空容器、2はレーザビーム入射装
置、3は核融合燃料を吸蔵した固体材料で作製し、固体
材料の温度上昇を防止するためのコーティング材をコー
ティングしたペレット、4は上記ペレット入射部、5は
上記ペレット搬送路、11はレーザビームである。例え
ば、上記ペレット材にPdを用いて、核融合燃料として
重水素を吸蔵させる。吸蔵の仕方は、例えば、電気分解
で行う。
【0017】レーザビームを照射する上記ペレット面に
は、プラズマ化して上記ペレットを圧縮し、かつ、上記
ペレット材の温度を上げないような材質をコーティング
する。例えば、図3に示すように、レーザビーム11が
当たる、核融合燃料を吸蔵した材料13の面にコーティ
ング材12を設ける。
【0018】コーティング材として、例えばポリスティ
レンを用いる。上記ペレット材としては、例えば、ぺレ
ット材にPdを用いて、核融合燃料として重水素を吸蔵
させたPd−Dを用いる。ぺレット材としては、Pdの
他の可能性として水素吸蔵材であるTi,V等が考えら
れる。上記ペレット材に複数のレーザビームを当てる場
合には複数のレーザビームが当たる面にコーティングを
施す。
【0019】レーザビームによる上記ペレットの圧縮に
おいては、レーザビームによる爆縮圧が金属電子の縮退
圧に打ち勝って圧縮する必要がある。金属電子の縮退圧
は、Pdの原子密度では、自由電子数に依存するが0.
1−100M 気圧である。近年開発されているレーザ
ビームには、レーザの圧力として103−106M気圧に
達するものがあるので、レーザビーム照射によるコーテ
ィング材のプラズマ化に伴う爆縮圧で、上記の金属電子
の縮退圧より十分高い圧縮が可能である。
【0020】例えば、1MJの核融合出力を得るのに、
DD反応を用いる場合、
【0021】
【化1】D+D ⇒ 3He+n(2.45MeV) であるから、1MJ/2.45MeV/1.6×10-19
J/eV=2.6×1018の反応が必要となる。
【0022】ペレット材Pdに重水素を吸蔵させた場合
を想定して、n0=6.3×1022cm-3,T0 =300K
で、半径400μm,厚さ100μmの円筒形のペレッ
トにパルス長10nsのレーザビームを入射する場合を考
える。体積は5.0×10-5cm3である。300Kの反応率
は10-31/sである。従って、高密核融合反応率は、
【0023】
【数3】 高密核融合反応率=10-31/s×6.3×1022cm-3×5.0 ×10-5cm3×10ns×R/R0 =3.2×10-21×R/R0 …(数3) となる。(数3)が2.6×1018になるには、R/R
0 =8.3×1038にする必要があり、(数2)より温
度条件を得ることができる。以上の条件で1MJの核融
合出力を得ることができる。
【0024】本実施例ではレーザビーム数が2個の場合
を示したが、一つでも、また、複数でも、上記ペレット
を圧縮できればよく、均一にペレットを圧縮する必要は
ない。従って、従来の慣性核融合に比べて、格段にレー
ザビーム数を減らすことができるので、炉構造の簡素化
が可能になる。
【0025】図4に、上記ペレット入射部4の構造を詳
しく示す。図4において、3は核融合燃料を吸蔵したペ
レット、5は上記ペレット搬送路、6はシャッター、7
は上記ペレット冷却用の冷却配管である。ペレット搬送
路5を通ってきた上記ペレットは上部のシャッター6を
開として冷却配管7のある部位に進み、そこで予め決め
られた温度に冷やされ、下部シャッター6を開によっ
て、図1の真空容器へと進む。
【0026】核融合燃料を吸蔵したペレットからは、長
時間放置しておくと、吸蔵させた核融合燃料が上記ペレ
ットから自然に放出してしまうことが想定されるので、
それを防ぐ方法としては、例えば、レーザビームでのペ
レット圧縮に影響の少ない金属、例えば、銅等をコーテ
ィングすることが考えられる。
【0027】図1においては、落下あるいは出射された
上記ペレットの位置を計測して、上記ペレット軌道を予
測してレーザビームの入射位置及びタイミングを計算し
て、レーザビームを入射する制御系が必要である。図5
は、本発明の他の実施例を示す。図5において、1は真
空容器、2はレーザビーム入射装置、3は核融合燃料を
吸蔵した材料(ペレット)、4は上記ペレット入射部、
5は上記ペレット搬送路、14は上記ペレットのガイド
パイプである。上記ガイドパイプ14により、より正確
に上記ペレットのレーザビーム入射位置及びタイミング
を制御し易くなる。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、核融合燃料を吸蔵した
ペレット温度を予め決めた温度に維持でき、繰り返し高
密核融合反応を起こす核融合装置を提供するので、従来
の慣性核融合のようにペレットを均一に圧縮する必要が
なく、レーザビーム数を減らすことができる。また、慣
性核融合で見られるような多数のレーザビームに対す
る、軌道の制御と上記燃料ペレットへの集光のタイミン
グの制御が不要になる。これにより、従来の慣性核融合
のような大型化複雑化に対する問題が解決できるという
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である核融合装置を示す図。
【図2】従来の高密核融合反応を生成する装置概念を示
す図。
【図3】図1に使用するペレット構成を示す図。
【図4】温度制御するペレット入射部の構造を示す図。
【図5】本発明の他の実施例である核融合装置を示す
図。
【符号の説明】
1…真空容器、2…レーザビーム入射装置、3…ペレッ
ト、4…ペレット入射部、5…ペレットの搬送路、6…
シャッター、7…ペレット冷却用の冷却配管、8…核融
合燃料、9…圧縮素子、10…核融合燃料8を閉じ込め
圧縮素子9を支持する構造物、11…レーザビーム、1
2…コーティング材、13…核融合燃料を吸蔵した材
料、14…ペレットのガイドパイプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 布施 元正 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 松井 哲也 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 笹平 朗 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 上村 博 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 北口 博司 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】核融合装置において、核融合燃料を吸蔵し
    たペレットと、上記ペレットに集光する一つあるいは複
    数のレーザビーム入射装置とから成り、真空容器内で上
    記ペレットに上記レーザビームを集光して高密核融合反
    応を起こすことを特徴とする核融合装置。
  2. 【請求項2】核融合装置において、核融合燃料を吸蔵
    し、温度上昇を防止する物質をコーティングしたペレッ
    トと、上記ペレットに集光する一つあるいは複数のレー
    ザビーム入射装置とから成り、真空容器内で上記ペレッ
    トに上記レーザビームを集光して高密核融合反応を起こ
    すことを特徴とする核融合装置。
JP10335281A 1998-11-26 1998-11-26 核融合装置 Pending JP2000162352A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101068811B1 (ko) * 2009-02-06 2011-10-04 한국원자력연구원 레이저를 사용한 중성자 발생장치
JP2014153349A (ja) * 2013-02-05 2014-08-25 Minoru Fujiwara パルス衝突型核融合炉
CN106463183A (zh) * 2014-03-23 2017-02-22 海因里希·霍拉 用于通过基于激光的核聚变生成电能的方法以及激光聚变反应堆

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