JP2001133571A

JP2001133571A - 静電閉じ込め核融合装置

Info

Publication number: JP2001133571A
Application number: JP31333299A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Higuchi; 佳也樋口; Takashi Okazaki; 隆司岡崎; Kazuhiro Takeuchi; 一浩竹内; Yoshihiko Nagamine; 嘉彦長峯
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 1999-11-04
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、陰極中心の
プラズマ密度を増加させる。【解決手段】真空容器１０内に第１陽極２が配置され、
第１陽極２の内側に第２陽極３が、第２陽極３の内側に
球形の陰極１が配置される。陰極１は、陰極１ｃ，陰極
１ｂ及び陰極１ａを含み、これらの陰極はこの順序で外
側から内側に向かって配置される。第１陽極２及び第２
陽極３に電圧を印加してイオンを生成する。このイオン
は陰極１に向かって加速される。陰極１ｃ及び陰極１ａ
に−１００ｋＶを印加し、陰極１ｂに−８０ｋＶを印加
する。このような構成は、陰極１ａ内の中心にイオンを
集束させる。このため、その中心でのイオン密度が増加
し、中性子発生率が向上する。

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
じ込め型の核融合装置は、例えば、「プラズマ・核融合
学会誌第７３巻第１０号」（１９９７年１０月）の１
０８０頁に記載されている。この静電閉じ込め型の核融
合装置は、真空容器内で球形で同心円状に配置された第
１陽極及びメッシュ状の第２陽極を有し、更に第２陽極
内に配置された陰極を有する。第２陽極は第１陽極の内
側に配置される。陽極は、円筒形にしてもよい。

【０００３】第１陽極と第２陽極との間に電圧を印加し
てグロー放電を起こして重水素イオンまたは３重水素イ
オンを生成する。これらのイオンは、第２陽極と陰極間
への電圧の印加により陰極内の中心に向かって静電的に
加速され、陰極の中心で衝突して核融合反応を発生す
る。この核融合反応により中性子が発生する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の静電閉
じ込め核融合装置では、中性子の発生量を高めることが
求められている。

【０００５】本発明の目的は、陰極内のイオン密度を増
大できる静電閉じ込め核融合装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
本発明の特徴は、真空容器内に配置された陽極と、前記
真空容器内に配置されて前記真空容器の中心部にイオン
を集束させるイオン集束手段とを備えたことにある。

【０００７】イオン集束手段が設けられるので、電位の
傾きである電界が真空容器の設定された部分を向くよう
になる。このため、周囲から流入するイオンを真空容器
の中心に集束でき、その中心におけるイオン密度を増加
できる。従って、核融合反応率を大きくし、中性子発生
率を向上させる。

【０００８】

【発明の実施の形態】発明者等は、中性子発生量の増大
について検討を行ったところ、陰極内、特に陰極中心に
おけるイオン密度の増加が必要であると認識した。しか
しながら、従来の静電閉じ込め核融合装置においてイオ
ン密度の増加を図るためには、解決しなければならない
新たな問題点があることを、発明者等は見出した。これ
について、以下に詳細に説明する。

【０００９】静電閉じ込め核融合装置では、陰極は高融
点金属の細線または薄板で球形の籠状に構成されてい
る。陰極のこのような構造の採用は、陽極との間に球対
称の電界を生成する機能（球対称電界生成機能）、及び
その球対称電界で陰極方向に加速されたイオンを陰極中
心に透過させる機能（陰極中心透過機能）を両立させる
ためである。しかしながら、両方の機能は必ずしも完全
に両立するわけではなく、性能を追求すると以下のよう
に互いが阻害要因となる。籠状の陰極は完全な球形をし
ていないため、籠の孔の部分で等電位面が凹む。従っ
て、陰極近傍では球対称の電界が形成されない。球対称
の電界を形成するためには陰極の籠の目を細かくすれば
よいが、細かくなると陰極に衝突するイオンが増え、陰
極におけるイオンの透過度が減少して陰極と陽極との間
でのイオンの往復回数が少なくなる。発明者等が新たに
見出したこれらの問題点を、以下に詳しく説明する。

【００１０】陰極近傍で球対称の電界が形成されないと
次のような問題が生じる。図３は、陰極近傍で球対称の
電界が形成されない場合における、陰極近傍の状態を示
している。１は球状の籠型陰極であり、図３には縦断面
が示される。図３には、更に、等電位面１２の断面、及
びイオン軌道１３が示される。イオン軌道１３は、陰極
１の１つの開口部を対象にした考察領域１５内を通るも
ののみ描いたが、実際にはその起動は四方八方に存在す
る。陰極１近傍で球対称の電界が形成されていないの
で、陰極１の開口部では等電位面１２に凹みが生じ、電
位の傾きである電界は中心方向を向いていない。このた
め、イオンの一部は中心方向からややずれた方向に加速
を受け、中心を通過しない軌道１３を通るようになる。
従って、陰極１の中心部でのイオンの集束性が悪化す
る。この場合、中心部に形成されるコアプラズマ１４の
密度が低下し、プラズマ密度の２乗に比例する核融合反
応率が著しく低下してしまう。

【００１１】以上の状態において、２次元でイオン軌道
を解析した例を図４に示す。図４は、陰極１の電極が一
周当たり８本あると想定し、その８回対称の１セクタで
ある４５°部分を切り出し、対称性を考慮して解析した
結果を示している。図４は解析体系の全体を示し、図５
は陰極１の中心部分を拡大して示している。この解析に
用いた陰極１は内径が４０mmで外径が５０mmである。ま
た、解析は、この陰極１に−１００ｋＶが印加された条
件で行った。図４及び図５内の放射状の線１３はイオン
軌道を表している。図５に示すように、陰極１の中心部
はイオン軌道１３に埋め尽くされず、穴が開いている。
これは、陰極１近傍の発散電界によりイオン軌道１３が
偏向され、イオン起動１３が陰極１の中心を通過しない
ことを示している。この問題点は、陰極１の籠の目を小
さくし電界の球対称性を改善することによって解決でき
ることが分かった。しかしながら、この解決案は、陰極
１におけるイオンの透過度を低下させる。この透過度の
低下は以下のような問題を引き起こす。

【００１２】今、イオンがイオン加速領域で中性子と衝
突せず、透過度γの陰極１のみに衝突するとすれば、陰
極１の中心部におけるイオンの増倍率ηは等比級数の式
から（１）式のように表される。

【００１３】 η＝１／(１−γ²） …（１）これまでの陰極１では透過度γが０.９５程度であるか
ら、イオンの増倍率ηは１０.３程度に見込まれる。し
かし例えば透過度γが０.９０程度に低下すると、
（１）式からイオンの増倍率ηは５.３程度に落ちてし
まう。

【００１４】この結果から分かるように、従来の静電閉
じ込め核融合装置では、陰極１を構成する電極の本数が
少ないと中心部でのイオン軌道１３の集束が悪化し、電
極の本数が多いとイオンの透過度が悪化するため、核融
合反応率を上げることには限界があった。

【００１５】発明者等が発見したこの新しい課題は、陰
極に何らかの集束効果を持たせる手段を設けることで解
決できることが分かった。一般に、ブラウン管の電子銃
などでは、ビームを集束させる手段として静電レンズを
用いている。この静電レンズは、複数の電極に異なる電
位を与え、電極間に形成される等電位面の凹凸により半
径の大きい部分のビームをビーム中心に偏向し全体とし
てビームを集束させるものである。

【００１６】このような静電レンズの中で最も高い集束
性を有するものが、図６（ａ）に示すアインツェルレン
ズ（トリ−ユニポテンシャルレンズ）と呼ばれるレンズ
である。アインツェルレンズは、３枚の電極を用い、真
ん中の電極電圧を両端の電極電圧に対して変化させ、上
記レンズ効果を生じせしめるものである。図６（ｂ）は
アインツェルレンズと等価な光学凸レンズによる光の集
束を示す。

【００１７】発明者等が検討した結果、このアインツェ
ルレンズに代表される静電レンズは、静電閉じ込め核融
合装置において、例えば、以下のように構成できること
が分かった。すなわち、複数の陰極に独立した電位を与
え、陰極開口部に静電レンズとして機能する電界を形成
する。これにより、陰極の開口部を通過するイオンに集
束電界を与え、イオン軌道の発散を防ぎ、陰極中心のプ
ラズマ密度を増加させる。この静電レンズはイオンを陰
極中心に集束させる機能を有する。

【００１８】上記の検討結果を反映した本発明の好適な
一実施例である静電閉じ込め核融合装置を、図１及び図
２を用いて以下に説明する。

【００１９】本実施例の静電閉じ込め核融合装置は、陰
極１，第１陽極２，第２陽極３，第１陽極電源７，第２
陽極電源８，第１陰極電源９及び真空容器１０を備え
る。球形の真空容器１０内に球形の第１陽極２が配置さ
れ、電気絶縁体である複数の碍子１８によって真空容器
１０に取付けられる。メッシュ状の球形の第２陽極３が
第１陽極２の内側に配置され、球形の陰極１が第２陽極
３の内側に配置される。第２陽極３は、図示されていな
いが、細い複数の絶縁体によって複数箇所で第１陽極２
に取付けられる。陰極１は、図２に示すように、球形の
陰極１ｃ，球形の陰極１ｂ及び球形の陰極１ａを含んで
いる。陰極１ｃ，陰極１ｂ及び陰極１ａは、この順序
で、外側から内側に向かって同心円状に配置されてい
る。陰極１ｃ，陰極１ｂ及び陰極１ａは、陰極１ａの中
心を通る縦断面において、それぞれ８本の電極が存在す
る。陰極１ａ，陰極１ｂ及び陰極１ｃの各々の電極は、
図１に示すように、陰極１ａの中心から外側に向かって
放射状に一直線になるように配置される。陰極１ｃは電
気絶縁体である碍子６によって真空容器１０に取付けら
れる。電気絶縁体である薄板碍子（図示せず）が碍子６
に取付けられ、陰極１ｂはこの薄板碍子に取付けられ
る。電気絶縁体である他の薄板碍子（図示せず）が上記
の薄板碍子に取付けられ、一番内側の陰極１ａがその更
に他の碍子に取付けられる。このように、陰極１ｃ，陰
極１ｂ及び陰極１ａ間の間隔は、薄板碍子によって保持
される。真空ポンプ（図示せず）に接続される排気ダク
ト１１が、真空容器１０に取付けられる。

【００２０】第１陰極電源９が、ケーブル１９によって
陰極１ｃ及び陰極１ａに接続される。第２陰極電源９Ａ
がケーブル２６によって陰極１ｂに接続される。図１で
はケーブル１９及び２６の接続状態が模式的に記載され
ているが、具体的には、ケーブル１９の陰極１ｃに接続
される部分、ケーブル２６、及びケーブル１９の陰極１
ａに接続される部分は、碍子６内を貫通している。ケー
ブル１９及び２６は、それぞれ電気的に絶縁されている
ので、碍子６内でショートすることはない。

【００２１】第１陰極電源９はケーブル２３により接地
される。第１陽極電源７と第２陽極電源８はケーブル２
１によって接続される。第２陽極電源８はケーブル２０
により第２陽極３に接続される。碍子１８内を貫通する
ケーブル２２は第１陽極２とケーブル２１とを接続す
る。図示されていないが、ケーブル２０も碍子１８内を
貫通している。ケーブル２５は第１陽極電源７とケーブ
ル２３とを接続する。ケーブル２３はケーブル２４によ
って真空容器１０に接続される。

【００２２】第１陽極２と第２陽極３との間の領域はイ
オン生成領域１７である。また、第２陽極３と陰極１と
の間の領域はイオン加速領域１６である。上記の真空ポ
ンプを駆動して真空容器１０内を負圧にする。イオン生
成領域１７内には、ガス供給手段（図示せず）によって
水素ガスが供給される。接地電位の真空容器１０に対し
て、第１陽極２には正電位の電圧（例えば１００Ｖ）
が、第２陽極３には第１陽極２よりも低い電位の電圧
（例えば２０Ｖ）が印加される。このため、イオン生成
領域１７内に電界が発生し、これによるグロー放電によ
って水素ガスがプラズマ化してプラズマ４が生成され
る。プラズマ４内のイオン５は、第２陽極３の方向に加
速を受け、メッシュ状の第２陽極３を通過してイオン加
速領域１６内に達する。

【００２３】最も外側の陰極１ｃ及び最も内側の陰極１
ａには、第１陰極電源９より、第２陽極３との間で加速
電界を生じせしめるための加速電圧（例えば−１００ｋ
Ｖ）を印加する。この加速電圧は、第２陽極３に印加さ
れる電圧よりも著しく低い。また、陰極１ｃと陰極１ａ
との間に位置する陰極１ｂには、第２陰極電源９Ａによ
って、陰極１ｃ及び陰極１ａよりも弱い加速電圧（例え
ば−８０ｋＶ）を印加する。このような構成は、前述の
アインツェルレンズと同じ機能を発揮し、陰極１ａ内の
中心にイオンを集束させる。強い加速電圧が印加される
陰極１ｃ及び陰極１ａ、及びこれらの陰極の間に配置さ
れて弱い加速電圧が印加される陰極１ｂは、イオン集束
手段である。第２陰極電源９Ａは、印加する電圧を調節
する手段を有する可変陰極電源である。陰極１ｂに印加
される電圧は第２陰極電源９Ａによって調節され、イオ
ン５が陰極１ａ内の中心部に到達するように調節され
る。それら３つの陰極に上記のような電圧をそれぞれ印
加することによって、このようにすると、これらの電極
間では図１のような等電位面１２（本図は断面であるた
め等電位線で表現）が形成され、これらの勾配である電
界により、図１のようにイオン軌道１３は陰極１ａ内の
中心に向かって集束するようになる。

【００２４】すなわち、第２陽極３からイオン加速領域
１６内に達したイオン５は、陰極１ｃに印加される加速
電圧の作用により陰極１ｃに向って飛行し、陰極１内に
おいて例えばイオン起動１３に沿って陰極１ｃ，陰極ｂ
及び陰極１ａを通り抜け、陰極１ａの中心部に達する。
このイオン５は、慣性エネルギーによりその中心部の反
対側に移行し、陰極１ａ，陰極ｂ及び陰極１ｃを通り抜
けて第２陽極３付近まで達する。イオン５は、第３陽極
付近で減速電界の作用を受けて、再び、陰極１に向う。
その後は、第２陽極３と陰極１ａの中心部との間を陰極
１に衝突するまで往復する。陰極１ａ，陰極１ｂ及び陰
極１ｃの各々の電極は、前述のように、陰極１ａの中心
から外側に向かって放射状に一直線になるように配置さ
れているので、陰極１ａの中心に向かうイオン５が陰極
１ａ，陰極１ｂ及び陰極１ｃに衝突する確立が小さく、
上記の往復回数が増加する。

【００２５】図１において、イオン起動１３は考察領域
１５内に入り込むイオン５の飛行軌道の一例を示したも
のである。考察領域１５は、陰極１の各電極が一周当た
り８本あり、その８回対称の１セクタである４５°部分
を示している。実際には、イオン起動１３は、陰極１の
周囲全面において陰極１ａの中心に向かうように存在す
る。

【００２６】図７は、陰極１ａ，陰極１ｂ及び陰極１ｃ
を有する本実施例において、その１セクタにおけるイオ
ン起動１３の解析結果を示し、図８は陰極１ａ，陰極１
ｂ及び陰極１ｃ、及び陰極１ａ内の中心付近を拡大して
示したものである。この解析結果は、最も外側の陰極１
ｃの半径を、図４の解析対象となった陰極１の半径に一
致させて得られたものである。印加された電圧は、陰極
１ａ，陰極１ｂ及び陰極１ｃの順に−１００ｋＶ，−８
０ｋＶ，−１００ｋＶである。また、陰極１ａの内径は
２２mmでその外径は２６mmである。陰極１ｂの内径は３
４mmでその外径は３８mmである。陰極１ｃの内径は４６
mmでその外径は５０mmである。図８に示されるように、
本実施例は、陰極１ａ内の中心までイオン軌道１３で埋
め尽くされている。このため、陰極１ａ内の中心におけ
るイオン密度を著しく増加する。本実施例は、陰極１
ｃ，陰極ｂ及び陰極１ａ、及び第１陰極電源９及び第２
陰極電源９Ａを有するイオン集束手段を備えているの
で、外側に位置する陰極１ｃ，陰極ｂ付近での等電位面
１２の凹みを著しく小さくすることができ、電位の傾き
である電界が陰極１ａ内の中心を向くようになる。この
ため、周囲から陰極１ｃ内に流入するイオン５を陰極１
ａ内の中心に集束でき、陰極１ａ内の中心におけるイオ
ン密度が増加する。これは、核融合反応率を大きくし、
中性子発生率を向上させる。陰極１ａ，陰極１ｂ及び陰
極１ｃの各電極が陰極１ａ内の中心から外側に向かって
放射状に直線的に配置されるので、イオンの陰極への衝
突確立を低減できる。これも、陰極１ａ内の中心におけ
るイオン密度の増加に更に貢献し、中性子発生率がより
向上する。また、イオン集束手段が陰極によって構成さ
れるので、真空容器１０内の構成を簡単にすることがで
きる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、イオン集束手段を用い
ているので、中心部におけるイオン密度を著しく増加で
き、中性子発生率を増加できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である図２の静電閉じ
込め核融合装置の陰極部の拡大縦断面図である。

【図２】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３】従来の静電閉じ込め核融合装置の陰極部におけ
る等電位面及びイオン起動を示す説明図である。

【図４】図３の従来の静電閉じ込め核融合装置における
第２陽極内側におけるイオン起動の解析結果を示す説明
図である。

【図５】図５の陰極部付近の拡大図である。

【図６】集束レンズの構成及びその機能を示す概念図で
ある。

【図７】図２の本発明の一実施例である静電閉じ込め核
融合装置における第２陽極内側におけるイオン起動の解
析結果を示す説明図である。

【図８】図７の陰極部付近の拡大図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…陰極、２…第１陽極、３…第２
陽極、７…第１陽極電源、８…第２陽極電源、９…第１
陰極電源、９Ａ…第２陰極電源、１６…イオン加速領
域、１７…イオン生成領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内一浩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、真空容器内に配置された陽極
と、前記真空容器内に配置されて前記真空容器の中心部
にイオンを集束させるイオン集束手段とを備えたことを
特徴とする静電閉じ込め核融合装置。
【請求項２】前記イオン集束手段が、前記陽極の内側に
配置された陰極、及びこの陰極に電圧を印加する陰極電
源を備えている請求項１の静電閉じ込め核融合装置。
【請求項３】真空容器と、真空容器内に配置された第１
陽極と、前記第１陽極の内側に配置された第２陽極と、
前記第２陽極の内側に配置されたイオン集束手段とを備
え、前記イオン集束手段は、第１陰極と、前記第１陰極の内
側に配置された第２陰極と、前記第２陰極の内側に配置
された第３陰極と、前記第２陰極に電圧を印加する第１
陰極電源と、前記第１及び第３陰極に前記第２陰極に印
加される電圧よりも低い電圧を印加する第２陰極電源と
を備え、前記イオン集束手段は前記第３陰極内の中心部
にイオンを集束させることを特徴とする静電閉じ込め核
融合装置。
【請求項４】前記第１陰極，前記第２陰極及び前記第３
陰極のそれぞれに設けられた各電極は、前記第３陰極内
の中心から放射状に一直線に配置されている請求項３の
静電閉じ込め核融合装置。