JP2003130997A - 中性子発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中性子を効率的に発生させ、中性子の発生・停
止、その発生量を容易に制御でき、利用上の制限が少な
く取り扱い易い中性子発生装置を提供する。 【解決手段】液体状のリチウム、又は核融合反応の触媒
作用を持つ金属との合金の表面に重水素イオンビームを
照射することにより非熱核融合反応を誘発し、その際に
発生する中性子を中性子源として利用可能としたことを
特徴とする核融合反応装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は中性子の高い透過性
を利用した各種物質の非破壊検査、原子核との反応性の
高さを利用した中性子誘起核反応等種々の分野で使用さ
れている中性子発生装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】現在使用されている中性子源には原子
炉、加速器利用、そして中性子放出核種の３種類があ
る。第１の原子炉は原子炉内での核分裂によって発生す
る中性子を利用するものであり、第２の加速器利用は加
速器によって加速された陽子線をタングステン，ウラン
等のターゲットに衝突させ、原子核のスパレーション
（破砕）過程により中性子を発生させるものである。最
後の中性子放射核種は崩壊過程で中性子を放出するCf-2
52等の核種から放射される中性子線を利用するものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の中性子源の課題
としては、原子炉の場合は大型であり、利用上の制限が
大きい。加速器利用の場合は大型の加速器が必要であ
り、簡単に利用できるものではない。第３の中性子放出
核種は移動線源として扱う場合は小型で扱いやすいが、
放射される中性子線量が比較的小さいため、利用目的が
制限される欠点がある。

【０００４】そこで、本発明では利用上の制限が少な
く、取り扱いやすい中性子発生装置を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、中性子発生過程として、下記（式１）
の非熱核融合反応を利用する。

【０００６】 ⁷Ｌｉ ＋ ｄ → ２⁴Ｈｅ ＋ ｎ （式１）⁷ Ｌｉ中に重水素イオンビームを照射することにより、
中性子が放出される。

【０００７】（式１）は、左辺のリチウムの同位体の一
種⁷Ｌｉの１原子と重水素ｄの１原子の非熱核融合反応
により、右辺のヘリウム原子（⁴Ｈｅ）が２原子と中性
子ｎが生成することを示している。

【０００８】この反応は重水素イオンビームの照射の停
止で即座に終了するので、容易に中性子発生の制御が可
能であり、使用しないときには放射線の放出が無いた
め、利用上の制限が少なく取り扱い易い中性子源を提供
することが可能である。

【０００９】前記目的を達成するため、請求項１に対応
する発明は、液体状のリチウム、又は核融合反応の触媒
作用を持つ金属との合金の表面に重水素イオンビームを
照射することにより非熱核融合反応を誘発し、その際に
発生する中性子を中性子源として利用可能としたことを
特徴とする核融合反応装置である。

【００１０】請求項１に対応する発明によれば、液体状
のリチウム、又は核融合反応の触媒作用を持つ金属との
合金の表面に重水素イオンビームを照射することにより
非熱核融合反応を誘発する。その際に（式１）に従い中
性子が発生するが、これを中性子源として利用する。

【００１１】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、単位時間に照射する重水素イオンビームの
量を調節することにより発生する中性子ビームの発生量
を制御可能としたことを特徴とする請求項１に記載の中
性子発生装置である。

【００１２】請求項２に対応する発明によれば、請求項
１に対応する発明において、照射する重水素イオンビー
ムの照射量に従い発生する中性子線量が変化することに
なるため、単位時間に照射する重水素イオンビームの量
を調節することにより発生する中性子ビームの発生量を
制御できるようにするものである。

【００１３】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、照射する重水素イオンビームの空間的な密
度分布を調節することにより発生する中性子の放射分布
等を制御可能としたことを特徴とする請求項１に記載の
中性子発生装置である。

【００１４】請求項３に対応する発明によれば、請求項
１に対応する発明の構成において、照射する重水素イオ
ンビームの照射量の空間分布に従い発生する中性子線量
の分布も変化することになるため、照射する重水素イオ
ンビームの分布を必要に応じて制御することにより発生
する中性子ビームの発生量分布を制御できるようにする
ものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る中性子発生装
置の実施の形態を図に基づき説明する。

【００１６】図１は本発明の第１実施形態の中性子発生
装置の概念図である。 図１において、中性子発生装置
は反応容器４内に、液体リチウム１、電極２、重水素ガ
ス６等を収容しており、電極２と液体リチウム１の間に
接続された電源５と、電源５のオンオフを行うスイッチ
１２から構成される。図中で７の矢印は重水素イオンの
流れを示しており、矢印３は発生した中性子の流れを示
している。

【００１７】次に、第１実施形態の作用について説明す
る。

【００１８】図１において、反応容器４内の液体リチウ
ム１と、その上方に配置した電極２の間に接続した電源
５により発生した電圧をスイッチ１２を閉じることで液
体リチウム１と電極２の間に電圧を印加し、反応容器４
内に封入した重水素ガス６中で放電を発生させる。放電
により重水素ガス６の一部又はほとんどが電離し重水素
イオンとなる。重水素イオンは電極２と液体リチウム１
の間の電界により加速されて、重水素イオンの流れ７を
形成する。重水素イオンの流れ７は液体リチウム１の表
面に達して、（式１）の非熱核融合反応が誘起される。
この反応により発生する中性子ｎは上方に放出され、発
生中性子の流れ３を形成する。このときスイッチ１２を
開けば放電は停止し重水素イオンの流れ７は消失するの
で発生中性子の流れ３も消失し、中性子の発生を容易に
制御可能となる。

【００１９】図２は本発明の第２実施形態の中性子発生
装置の概念図である。 図２において、中性子発生装置
は反応容器４内に、液体リチウム１、電極２、重水素ガ
ス６等を収容しており、電極２と液体リチウム１の間に
接続され、電圧又は電流を自由に変更可能な可変型電源
８から構成される。図中で７の矢印は重水素イオンの流
れを示しており、矢印３は発生した中性子の流れを示し
ている。

【００２０】次に、本発明の第２実施形態の作用につい
て説明する。

【００２１】図２において、反応容器４内の液体リチウ
ム１と、その上方に配置した電極２の間に接続した可変
型電源８により、液体リチウム１と電極２の間に電圧を
印加し、反応容器４内に封入した重水素ガス６中で放電
を発生させることにより、放電により重水素ガス６の一
部又はほとんどが電離し重水素イオンとなる。

【００２２】重水素イオンは電極２と液体リチウム１の
間の電界により加速されて、重水素イオンの流れ７を形
成する。重水素イオンの流れ７は液体リチウム１の表面
に達して、（式１）の非熱核融合反応が誘起される。

【００２３】この反応により発生する中性子ｎは上方に
放出され、発生中性子の流れ３を形成する。このとき電
圧又は電流可変型電源８の電圧又は電流を変更すると放
電電流が変化し、液体リチウム１の表面への重水素イオ
ンの流れ７の量を調節することが出来る。

【００２４】（式１）から分かるように重水素１個に対
して⁷Ｌｉの１原子が非熱核融合反応し、ヘリウム原子
（⁴Ｈｅ）が２原子と中性子ｎが生成するので、重水素
イオンの流れに比例して中性子の流れ３の量、すなわち
中性子発生量を制御できることを示している。

【００２５】従って、本発明の第２実施形態によれば、
目的に応じて最適な中性子発生量を得ることが出来、利
用上の制限が少なく、取り扱いやすい中性子線源を提供
することができる。

【００２６】図３は本発明の第３実施形態の中性子発生
装置の概念図である。 図３において、中性子発生装置
は反応容器４内に、液体リチウム１、電極２、重水素ガ
ス６等を収容しており、電極２と液体リチウム１の間に
接続された電源５と、反応容器４の一部に設けた重水素
ガス供給口１０に接続され、重水素ガスを供給する重水
素ガスボンベ１１と、重水素ガス供給口１０と重水素ガ
スボンベ１１の間に接続されて反応容器４内の重水素ガ
スの圧力を調節する重水素ガス圧力調整用バルブ９から
構成される。図中で７の矢印は重水素イオンの流れを示
しており、矢印３は発生した中性子の流れを示してい
る。

【００２７】次に、第３実施形態の作用について説明す
る。

【００２８】図３において、反応容器４内の液体リチウ
ム１と、その上方に配置した電極２の間に接続した電源
８により、液体リチウム１と電極２の間に電圧を印加
し、反応容器４内に封入した重水素ガス６中で放電を発
生させることにより、放電により重水素ガス６の一部又
はほとんどが電離し重水素イオンとなる。重水素イオン
は電極２と液体リチウム１の間の電界により加速され
て、重水素イオンの流れ７を形成する。重水素イオンの
流れ７は液体リチウム１の表面に達して、（式１）の非
熱核融合反応が誘起される。

【００２９】この反応により発生する中性子ｎは上方に
放出され、発生中性子の流れ３を形成する。このとき重
水素ガス圧力調節バルブを調節すると、反応容器４内の
重水素ガス圧力が変わる。

【００３０】反応容器４内の重水素ガス圧力が変わる
と、電極２と液体リチウム１の間の放電状態が変化し、
生成される重水素イオンの密度（量）が変化し、電極２
と液体リチウム１の間に形成される重水素イオンの流れ
７の量が変わるとともに、重水素ガス圧力の変化に伴い
重水素イオンの流れの中での重水素ガス同士の衝突頻度
が変化するので、重水素イオンの運動エネルギーの放電
状態が変化する。これらの影響で、液体リチウム１の表
面に達した重水素イオンとリチウム原子の反応である
（式１）の反応の発生量が変化し、中性子発生量を制御
できる。

【００３１】図４は本発明の第４実施形態の中性子発生
装置の概念図である。 図４において、中性子発生装置
は反応容器４内に、液体リチウム１、可動電極１３、重
水素ガス６等を収容しており、可動電極１３と液体リチ
ウム１の間に接続された電源５から構成される。図中で
７の矢印は重水素イオンの流れを示しており、矢印３は
発生した中性子の流れを示している。

【００３２】次に、本発明の第４実施形態の作用につい
て説明する。

【００３３】図４において、反応容器４内の液体リチウ
ム１と、その上方に配置した可動電極１３の間に接続し
た電源８により、液体リチウム１と可動電極１３の間に
電圧を印加し、反応容器４内に封入した重水素ガス６中
で放電を発生させることにより、放電により重水素ガス
６の一部又はほとんどが電離し重水素イオンとなる。重
水素イオンは可動電極２と液体リチウム１の間の電界に
より加速されて、重水素イオンの流れ７を形成する。重
水素イオンの流れ７は液体リチウム１の表面に達して、
（式１）の非熱核融合反応が誘起される。

【００３４】この反応により発生する中性子ｎは上方に
放出され、発生中性子の流れ３を形成する。このとき可
動電極を動かすと可動電極１３と液体リチウム１の間の
電界が変化し、重水素イオンの流れ７の分布が変化す
る。重水素イオンの流れ７の分布が変化すると液体リチ
ウム１の表面に達する重水素イオンの分布が変化するこ
とになるため、液体リチウム１の表面に達した重水素イ
オンとリチウム原子の反応である（式１）の反応の発生
量の分布が変化し、それにより中性子発生量の分布が変
わることになる。本発明の第４実施形態によればこの性
質を利用して中性子の流れの分布をも制御できる。

【００３５】従って、本発明の第４実施形態により、目
的に応じて最適な中性子発生量の分布を得ることが出
来、利用上の制限が少なく、取り扱いやすい中性子線源
を提供することができる。

【００３６】図５は本発明の第５実施形態の中性子発生
装置の概念図である。 図５において、中性子発生装置
は反応容器４内に、液体リチウム１、リチウム飛散防止
膜１４、電極２、重水素ガス６等を収容しており、電極
２と液体リチウム１の間に接続された電源５と、電源５
のオンオフを行うスイッチ１２から構成される。図中で
７の矢印は重水素イオンの流れを示しており、矢印３は
発生した中性子の流れを示している。

【００３７】次に、第５実施形態の作用について説明す
る。

【００３８】図５において、反応容器４内の液体リチウ
ム１と、その上方に配置した電極２の間に接続した電源
５により発生した電圧をスイッチ１２を閉じることで液
体リチウム１と電極２の間に電圧を印加し、反応容器４
内に封入した重水素ガス６中で放電を発生させる。放電
により重水素ガス６の一部又はほとんどが電離し重水素
イオンとなる。重水素イオンは電極２と液体リチウム１
の間の電界により加速されて、重水素イオンの流れ７を
形成する。

【００３９】第５実施形態においては液体リチウムの上
面にリチウム飛散防止膜１４が配置されている。このリ
チウム飛散防止膜１４は重水素イオンや中性子を透過
し、液体リチウム１を透過しないような膜で構成する。
従って重水素イオンの流れ７はリチウム飛散防止膜１４
を透過し、液体リチウム１の表面に達して、（式１）の
非熱核融合反応が誘起される。

【００４０】この反応により液体リチウム１の表面近く
で発生した中性子ｎはリチウム飛散防止膜を透過し上方
に放出され、発生中性子の流れ３を形成する。図１の実
施形態の中性子発生装置においては、式（１）の非熱核
融合反応により発生したエネルギーによって液体リチウ
ムの温度が上昇し、部分的な沸騰、蒸発等の現象により
液体リチウムが飛散し、安定的な中性子発生が困難とな
るような場合でも、第５実施形態においては、液体リチ
ウム１の上面にリチウム飛散防止膜１４が存在すること
によりリチウムの飛散を防止し、安定的に中性子の発生
を行うことが可能となる。

【００４１】図６は以上述べた本発明の中性子発生装置
の具体的構成の一例を示す図であ。図６において、溶融
リチウム核融合エネルギー発生装置は真空排気可能な反
応容器２７内に、液体リチウム２９、液体リチウム２９
を含浸させた陰極２２、水素ガス等を収容しており、陰
極２２と液体リチウム２９が反応容器２７の底で接触し
ているため毛細管現象で陰極内に液体リチウムがしみ込
む。

【００４２】陰極２２と陽極２１の間に接続されたパル
ス電源装置２４と、反応容器２７の上部に設けた水素注
入装置２５により供給された水素ガスによりパルス放電
を行えば、バッファ領域核融合反応が生じ、熱交換シス
テム３０および熱利用システム３１により容易にエネル
ギーを取り出せる。この時、リチウムの状態は、リチウ
ム計測純化供給系３５によりモニターされ安定な長時間
運転を行える。

【００４３】また、核融合反応の結果発生するヘリウム
等は、Ｈｅ回収装置２６で系外に排除される。水素放電
状況において、放電長を長くしなければならないときに
実施するもので、陽極２１を反応容器２７上方に配置す
るものである。

【００４４】これ以外の構成として、中性子出射窓２７
ａ、絶縁リング２３、断熱材又は中性子遮蔽材２８、熱
交換システム３０、熱利用システム３１、中性子コリメ
ータ３２、リチウム計測純化供給系３５を備えている。

【００４５】ここで、中性子線の用途について説明す
る。中性子線は、金属に対する透過性が優れているが、
軽元素である水素や炭素等の透過性が悪い。そこで、金
属で囲まれている物体の内部に詰まっているものの検査
に応用できる。例えば、ロケット内部の火薬の充填欠陥
検査や、空港における手荷物内の火薬等爆弾所持検査等
である。

【００４６】また、この中性子を劣化ウランに照射すれ
ば、核変換作用により原子燃料として利用可能な、プル
トニウムを生産できる。

【００４７】さらに、原子炉で利用した使用済み核燃料
のうち、長時間にわたって放射線を出し続ける長寿命核
種に照射すれば、短時間で崩壊し、放射線を出さないで
安定核種に変換することもできる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
中性子を効率的に発生させ、中性子の発生・停止、その
発生量を容易に制御でき、利用上の制限が少なく取り扱
い易い中性子発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の中性子発生装置の構成
例を示す図。

【図２】本発明の第２実施形態の中性子発生装置の構成
例を示す図。

【図３】本発明の第３実施形態の中性子発生装置の構成
例を示す図。

【図４】本発明の第４実施形態の中性子発生装置の構成
例を示す図。

【図５】本発明の第５実施形態の中性子発生装置の構成
例を示す図。

【図６】本発明の中性子発生装置の具体的構成を示す
図。

【符号の説明】

１…液体リチウム ２…電極 ２…可動電極 ３…中性子の流れ ４…反応容器 ５…電源 ６…重水素ガス ７…重水素イオンの流れ ８…可変型電源 ９…重水素ガス圧力調整用バルブ １０…重水素ガス供給口 １１…重水素ガスボンベ １２…スイッチ １３…可動電極 １４…リチウム飛散防止膜 ２１…陽極 ２２…陰極 ２３…絶縁リング ２４…パルス電源装置 ２５…水素注入装置 ２６…回収装置 ２７…反応容器 ２７ａ…中性子出射窓 ２８…中性子遮蔽材 ２９…液体リチウム ３０…熱交換システム ３１…熱利用システム ３２…中性子コリメータ ３５…リチウム計測純化供給系

フロントページの続き (72)発明者 荒木 義雄 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 木村 博信 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体状のリチウム、又は核融合反応の触
   媒作用を持つ金属との合金の表面に重水素イオンビーム
   を照射することにより非熱核融合反応を誘発し、その際
   に発生する中性子を中性子源として利用可能としたこと
   を特徴とする核融合反応装置。
2. 【請求項２】 単位時間に照射する重水素イオンビーム
   の量を調節することにより発生する中性子ビームの発生
   量を制御可能としたことを特徴とする請求項１に記載の
   中性子発生装置。
3. 【請求項３】 照射する重水素イオンビームの空間的な
   密度分布を調節することにより発生する中性子の放射分
   布等を制御可能としたことを特徴とする請求項１に記載
   の中性子発生装置。