JP2001133569A

JP2001133569A - 静電閉じ込め核融合装置

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Publication number: JP2001133569A
Application number: JP31194799A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Higuchi; 佳也樋口; Kazuhiro Takeuchi; 一浩竹内; Takashi Okazaki; 隆司岡崎; Yoshihiko Nagamine; 嘉彦長峯
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】静電閉じ込め核融合装置において、中性子発生
効率を向上させる。【解決手段】静電閉じ込め核融合装置は、イオンが通過
できる籠状の陰極１と、これを取り囲む第１陽極２及び
多孔第２陽極３を備えている。時間的に増加する電圧
（鋸波状の電圧）を出力する第１陽極電源７を第１陽極
２に接続する。イオン生成領域１７で発生したイオン５
は、多孔第２陽極３の貫通孔からイオン加速領域１６内
に放出される。このイオンは、第１陽極電源７から鋸波
状の電圧を第１陽極２に印加するので、多孔第２陽極３
の反対側部分に衝突することが抑制される。このため、
イオンの寿命が高められてイオンの往復回数が増加する
ので、陰極１の中心部でのイオン密度が向上し、中性子
発生効率が増加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電閉じ込め核融
合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、放射性同位体の製造，金属探査，
材料試験，半導体プロセスなどに中性子を利用するニー
ズが増大している。従来は原子炉または加速器によりこ
れらの中性子を得ていたが、装置構成が大規模になり、
中性子を必要とする拠点ごとにこれらの装置を設置する
ことは困難であった。しかし、最近、静電閉じ込め型の
核融合装置を用いた中性子発生実験が成功を納め、小型
の中性子源としての活用が期待されている。静電閉じ込
め型核融合装置は、例えば「プラズマ・核融合学会誌
第７３巻第１０号」（１９９７年１０月）の１０８０頁
に記載されている。この装置は、通常、球形もしくは円
筒形の同心円状に配置された２つの陽極を真空容器の内
部に設置し、グロー放電などの手段で重水素イオンまた
は３重水素イオンを生成する。これらのイオンを、真空
容器の中心、すなわち陽極の内側に配置された陰極に向
かって静電的に加速し、陰極内でイオン同士を衝突させ
ることにより核融合反応を起こしている。この核融合反
応によって中性子が発生する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の静電閉じ込め核
融合装置は、発生したイオンの有効利用ができなく、中
性子の発生効率が低くなっている。

【０００４】本発明の目的は、中性子発生効率を増大で
きる静電閉じ込め型の核融合装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の特徴は、真空容器内に配置された陽極と、前記陽
極の内側に配置された陰極と、前記陽極に時間変化する
電圧を印加する電源とを備えたことにある。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明者等は、種々検討を行った
結果、中性子発生効率の増大には、静電閉じ込め型の核
融合装置の陰極内、特に陰極中心での高エネルギーイオ
ンの密度をできるだけ高めることが必要であるとの認識
に至った。本発明者等は、陰極中心でのイオン密度の増
加が、発生したイオンをできるだけ多く、陽極と陰極の
中心との間を往復させることが必要であるとの新規な発
想を得た。

【０００７】また、発明者等は、陽極と陰極との間での
イオンの往復回数の増加について検討した結果、静電閉
じ込め型の核融合装置でそれを実現するために解決すべ
き新たな課題を発見した。この課題は、イオンの衝突に
よる消滅を低減することである。

【０００８】従来の静電閉じ込め型の核融合装置は、２
つの陽極、すなわち第１陽極、及びこの陽極の内側に配
置されたメッシュ状の第２電極を備えている。第１陽極
とメッシュ状第２陽極との間、もしくは第１陽極と陰極
との間でグロー放電を起こしてイオンを生成する。この
とき、グロー放電を安定に維持するには、１０^-3Torr以
上の圧力が必要である。しかし１０^-3Torr程度の圧力で
は、重水素イオンの平均自由行程は８cm程度になってし
まう。そのため、イオンは平均して８cm程度しか飛行で
きず、直径４０cm程度の真空容器でも１往復することが
できない。今、仮にイオンが加速空間で中性子と衝突せ
ず、透過度γの陰極にのみ衝突するとすれば、イオンの
増倍率ηは等比級数の式から（１）式のように表され
る。

【０００９】 η＝１／(１−γ²） …（１）通常の陰極ではγ＝０.９５程度であるから、理想的に
はイオンの増倍率は１０.３程度見込まれるはずであ
る。しかし、現実には、前述の要因から往復できないの
で、イオンの増倍率は高々１である。このようにイオン
の生成量とその長寿命化とは、圧力において相反する。
従って、イオンを大量に生成して、かつこれを繰り返し
利用することは困難であり、陰極中心のイオン密度を上
げることには限界があった。

【００１０】イオン加速領域でのイオンの平均自由工程
を高めることは、第２電極を多孔電極として第２電極の
コンダクタンスを小さくし、イオン生成領域よりもイオ
ン加速領域の圧力を低下させることによって、達成が可
能である。しかしながら、第２電極のコンダクタンスを
小さくすると、イオンは、第２電極に衝突して電荷を失
って中性ガスになってしまい、核融合反応に寄与しなく
なるという新たな課題が発生することを発明者等は新た
に発見した。第２電極へのイオンの衝突は、以下のよう
にして生じる。第２電極の孔からある熱初速度を持って
出射されたイオンは、陰極の中心を通って反対側の第２
電極に到達する。イオンは、陰極、及び陰極内のプラズ
マ領域を通る過程で若干の軌道変更を受けるので、反対
側の第２電極に到達する位置は不確定になる。すなわ
ち、到達する位置が、第２電極の孔である場合もある
が、第２電極そのものである場合もある。第２電極に衝
突した場合には、イオンは前述のように核融合反応に寄
与しなくなる。

【００１１】発明者等は、第２陰極へのイオンの衝突を
避ける方法を検討した結果、時間変化する電圧を印加す
る手段を設置することにより、その問題を解決できるこ
とがわかった。この検討結果を反映した実施例を以下に
説明する。

【００１２】本発明の好適な一実施例である静電閉じ込
め核融合装置を、図１を用いて説明する。本実施例の静
電閉じ込め核融合装置は、籠状の陰極１，球面板状の第
１陽極２，多孔第２陽極３，第１陽極電極７，第２陽極
電極及び真空容器１０を備える。第１電極は、真空容器
１０内に配置され、電気絶縁体である複数の碍子１４に
よって真空容器１０の内面に取り付けられる。多孔第２
陽極３は、第１陽極２内に配置される。多孔第２陽極３
は多数の貫通孔を有する。陰極１は多孔第２陽極３の内
側で真空容器１０の中心に配置される。陰極１は電気絶
縁体である碍子６によって真空容器１０に取り付けられ
る。排気ダクト１１が、真空容器１０内に挿入され、多
孔第２陽極３に接続される。排気ダクト１１の排気口１
５は多孔第２電極３より内側のイオン加速領域１６に開
口している。碍子６は第１陽極２及び多孔第２陽極３に
設けられた孔を貫通している。これらの孔の位置で碍子
６を取り囲む電気絶縁体である環状の絶縁プラグ１３が
配置され、このプラグ１３は第１陽極２及び多孔第２陽
極３にそれぞれ取り付けられる。絶縁プラグ１３は、第
１陽極２と多孔第２陽極３との間に形成される空間であ
るイオン生成領域１７が碍子６に向かって開放されない
ように封鎖している。排気ダクト１１は第１陽極２に設
けられた孔を貫通している。この孔の位置で排気ダクト
１１を取り囲む環状の絶縁プラグ１３が配置される。こ
のプラグ１３は、第１陽極２及び多孔第２陽極３にそれ
ぞれ取り付けられ、イオン生成領域１７が排気ダクト１
１に向かって開放されないように封鎖している。排気ダ
クト１１は、電気絶縁体である絶縁フランジ１２を介し
て排気管１８に連絡される。排気管１８は真空ポンプ
（図示せず）に接続される。

【００１３】陰極電極９がケーブル１９によって陰極１
に接続される。ケーブル１９は碍子６内を貫通してい
る。第２陽極電極８はケーブル２０によって排気ダクト
１１に接続される。第２陽極電極８と第１陽極電極７は
ケーブル２１によって接続される。碍子１４内を貫通す
るケーブル２２はケーブル２１と第１陽極２とを接続す
る。陰極電源９に接続されるケーブル２３はアースさ
れ、このケーブル２３に、第１陽極電源７に接続される
ケーブル２５及び真空容器１０に接続されるケーブル２
４が、それぞれ接続される。

【００１４】前述の真空ポンプを駆動することによりイ
オン加速領域１６内のガスが排気ダクト１１及び排気管
１８を介して真空容器１０外に排気される。このため、
真空容器１０内が負圧に維持される。多孔第２電極３
は、一定の小さなコンダクタンスを有する仕切りであ
る。この多孔第２電極２の存在によって、イオン生成領
域１７の圧力はイオン加速領域１６の圧力程は低下せ
ず、領域１７の圧力は領域１６のそれよりも高くなる。
陰極１には、陰極電源９により−１００ｋＶ程度の高電
圧が印加される。第２陽極電源８によって第１陽極２と
多孔第２陽極３との間に数十ボルト程度の電位差が与え
られる。更に、第１陽極２と真空容器１０との間に、第
１陽極電源７から図２に示す鋸波状に変化する電圧が印
加される。第１陽極電源７は、図２に示すように鋸波状
に時間変動する電圧を出力する。これらの電圧が印加さ
れることによって、第１陽極２及び多孔第３陽極３全体
の電位が変動しても、第１陽極２と多孔第３陽極３との
間の電位差は変動せず、イオンの生成及びイオン加速領
域１６内への出射を設定値に保持することができる。

【００１５】イオン生成領域１７内には、図示されてい
ない供給手段により水素が供給される。前述のような電
圧の印加により、イオン生成領域１７には電界が発生
し、これによるグロー放電（あるいはフィラメントを用
いた熱電離）でイオン生成領域１７にプラズマ４が発生
する。プラズマ４内のイオン５は、多孔第２陽極３に設
けられた貫通孔を通ってイオン加速領域１６内に達す
る。このイオン５は、陰極１と多孔第２陽極３との間に
かけられた高電界により陰極１中心に向かってさらに加
速される。イオン５は陰極１をすり抜け一旦中心を通過
するが、慣性運動エネルギーにより再び反対方向の多孔
第２電極３に向かって飛行する。しかし、減速電界の作
用を受け再び陰極２に向かって加速されるようになる。
以上のイオン５の飛行は、イオン５が陰極１に衝突する
まで繰り返えされる。このようなイオン５の集団は高エ
ネルギー状態で陰極１中心を往復するため、陰極１中心
では、高エネルギーのイオンの密度が高まり、核融合反
応が起こる。核反応によって中性子及び陽子が発生す
る。イオン加速領域１６の圧力が低いので、イオン加速
領域１６でのイオン５の平均自由工程を長くすることが
できる。

【００１６】前述の多孔第２陽極３へのイオン５の衝突
は、第１陽極電源７を設けることによって解消できる。
第１電源電極７は、前述したように図２に示す鋸波状に
時間変動する電圧を第１陽極２と真空容器１０との間に
印加する。ここでは一例として鋸波を上げているが、電
圧の増加とリセットを繰り返し行うものであればよい。
このとき多孔第２陽極３と陰極１を含むイオン加速領域
１６の電位分布の概念形状を図３に示す。

【００１７】鋸波状の電圧のピーク値は５００Ｖ、この
ピーク値が繰り返される周期は４０μsec である。これ
らの設定根拠は以下の通りである。多孔第２陽極３の直
径が８０cm、加速電圧が１００ｋＶの場合、イオン５は
多孔第２陽極３の貫通孔から出射後０.４μsecで反対側
の壁面に到達する。この到達周期０.４μsec当たり、イ
オンの出射エネルギーを数ｅＶとすると、これに相当す
る電圧（今これを５Ｖとする）だけ多孔第２陽極３の電
位が増加していれば、イオンが反対側の壁面にやって来
たときに衝突しなくなる。従って、５Ｖ／０.４μsecの
増加率で第１陽極２及び多孔第２陽極３の電位を上げて
やればよいということになる。図２ではこれを１００倍
して５００Ｖ／４０μsec としている。この運転パター
ンでは、上記の議論から最初に出射されたイオンは最大
１００往復することになる。このため、陰極１の中心部
のイオン密度が著しく増大し、中性子発生効率が増加す
る。

【００１８】本実施例は、絶縁フランジ１２を設けてい
るので、真空ポンプまで排気管１８を電気絶縁体で構成
する必要はなく、排気管１８を金属製とすることができ
る。従って、排気管１８の製造が簡単にできる。本実施
例では、排気ダクト１１が碍子６の取付け位置とは反対
側に設けられている。この理由は、排気ダクト１１の開
口部からは当然イオンを出射できないが、元々、排気ダ
クト１１が図１の部分にない場合でも多孔第２陽極３の
その部分からイオンが出射されても反対側の碍子６に衝
突して消失するため、図１に示す位置に排気ダクト１１
の開口部を設けることによって碍子６に衝突して消失す
るイオンを最小限にできる。

【００１９】前述の位置に絶縁プラグ１３を設けること
によって、イオン生成領域１７を比較的高い圧力のガス
で満たしてプラズマ生成を高め、かつイオン加速領域１
６内にガスを漏らしにくくしている。ガスが漏れにくい
ことはイオン加速領域１６の負圧度を上げるのにも役立
っている。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、中性子発生効率を増大
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である静電閉じ込め核
融合装置の縦断面図である。

【図２】図１の第１陽極電源の出力電圧を示す説明図で
ある。

【図３】図１のイオン加速領域１６内における空間電位
の形状と時間変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１…陰極、２…第１陽極、３…多孔第２陽極、７…第１
陽極電源、８…第２陽極電源、９…陰極電源、１０…真
空容器、１１…排気ダクト、１６…イオン加速領域、１
７…イオン生成領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡崎隆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・電機開発研究所内 (72)発明者長峯嘉彦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・電機開発研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、前記真空容器内に配置された
陽極と、前記陽極の内側に配置された陰極と、前記陽極
に時間変化する電圧を印加する電源とを備えたことを特
徴とする静電閉じ込め核融合装置。
【請求項２】前記陽極は、第１陽極と、前記第１陽極の
内側で前記陰極の外側に配置された第２陽極を含んでい
る請求項１の静電閉じ込め核融合装置。
【請求項３】前記陰極に電圧を印加する電源は、前記第
２陽極に電圧を印加するたの電源よりも電位の低い電圧
を出力する請求項２の静電閉じ込め核融合装置。
【請求項４】前記第２陽極よりも内側の内側領域と連絡
される真空ポンプを有し、前記第２陽極は、前記第２陽
極よりも外側の外側領域と前記内側領域との間に圧力差
を付け、前記内側領域の圧力を前記外側領域の圧力より
も小さくする多孔陽極である請求項２または請求項３の
静電閉じ込め核融合装置。
【請求項５】前記陰極は電気絶縁体にて前記真空容器に
取り付けられ、前記真空ポンプに連絡されて前記内側領
域に連絡される排気ダクトが前記第２陽極に接続され、
前記排気ダクトは前記電気絶縁体とは反対側に配置され
ている請求項４の静電閉じ込め核融合装置。
【請求項６】前記陽極に時間変化する電圧を印加する電
源が、前記電圧を鋸波状に周期的に増減させる電源であ
る静電閉じ込め核融合装置。