JP2007303822A - 分子化学核融合反応発生法及び分子化学核融合エネルギー発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 核子あたり数ｋeVの核阻止能エネルギーの水素イオンすなわち重陽子又は陽子ビームを溶融金属リチウムの液体標的に注入する化学核融合では、液体中の熱力学的力によって反応レートが１０^１１倍程度増進するが、化学核融合実用のために、より一層熱力学的力を強化して、反応レートの増進度を高める必要がある。
【解決手段】 前記熱力学的力を強化するためイオン源より引出すか反応槽内の放電で生じた水素、ヘリウム、リチウム、水素化ヘリウム、水素化リチウム、ボラン等の分子イオンあるいはイオンクラスターを加速して該分子イオンを溶融金属リチウム又はリチウム合金等の液体標的表面に注入し、上記液体標的内で分子イオンの構成原子に作用する熱力学的力を相乗的に強化し増進する分子化学核融合反応を誘発させることにより解決した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化学核融合反応発生法及び化学核融合エネルギー発生装置特に溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体を標的とする分子イオンあるいはイオンクラスター注入による化学核融合及び二次核反応を利用した分子化学核融合反応発生法並びに分子化学核融合エネルギー発生装置に関するものである。

現在実用レベルの核融合はまだ実現していない。このようなことから本発明者は特開２００３−２７０３７２号「無反跳非熱核融合反応生成方法及び無反跳熱エネルギー発生装置」、特開２００２−２０７０９２号「溶融リチウム核融合反応発生方方及び核融合エネルギー供給装置」、特開２００３−０６６１７６号「非熱核融合発電方法および非熱核融合発電装置」、特開２００３−１３０９７６号「核融合反応装置」、特開２００３−１３０９７７号「溶融リチウム核融合反応生成方法および溶融リチウム核融合エネルギー発生装置」、特願２００３−２８２２６１号「増進核融合発生方法および増進核融合エネルギー発生装置」を発明した。
また、これ等の発明の熱力学第二法則に立脚した理論および実証成果は後述の非特許文献１と非特許文献2および非特許文献３に開示されている。これ等の先行発明では既存の手段によって実用レベルの非熱核融合達成の可能性があり、これを利用したエネルギー装置の構成例が示されている。

[特許文献１] 特開２００２−２０７０９２号公報
[特許文献２] 特開２００３−０６６１７６号公報
[特許文献３] 特開２００３−１３０９７６号公報
[特許文献４] 特開２００３−１３０９７７号公報
[特許文献５] 特開２００３−２７０３７２号公報

[非特許文献1] Japan Journal of Applied Physics 40,6092(2001) 池上栄胤著
[非特許文献２] Bulletin of Institute of Chemistry , Uppsala University, September
2002 池上栄胤 他著,http://www.inst.kemi.uu.se/Bulletin/Bulletinen_l.pdf
[非特許文献３] Progress of Theoretical Physics
Supplement 154,251(2004)
池上栄胤 他著
[非特許文献４] White Dwarfs (North-Holland,Amsterdam,1958) E.Schatzman 著
[非特許文献５] Journal of Applied Physics 45,953(1974) H.Andersen 他著

さらに化学核融合反応の実用エネルギー発生法としてのリチウム化学核融合反応（特願２００４−１６５１０７）が発明され、実験的にその有効性が証明されている。

前記開示されている各先行発明では実用化する上で完全に解消されていない以下の課題がある。
即ち、前記各先行発明では核子あたり数keV（キロ電子ボルト）の核阻止能領域のエネルギーの重陽子または陽子ビームを溶融金属リチウムを主体とする液体標的に注入し、該液体中の熱力学的力によって核融合レートを１０^１１倍程度増進する化学核融合反応と呼ばれるようになった新原理の核融合方法が開示されているが、該液体中の原子イオンに作用する熱力学的力を一層強化して核融合反応レートの飛躍的増進をはかる必要がある。

ここで言う熱力学的力とは吸着時間の延長効果や溶液中の自発性化学反応の増進効果で、顕在化してくる反応媒体特有の集団的現象のことである。
注入イオンは衝突点で液体標的中の原子と融合原子を形成するが、融合原子内では、衝突原子核同志がpm(ピコメートルすなわち１０^−１２ｍ)以内の極小空間に閉じ込められ超高密度の相互作用をするようになる。該融合原子形成の原子反応で放出される化学エネルギー（Gibbsエネルギーと呼ぶ）が大きい場合は、融合原子形成の寿命が後述する莫大な増進因子で延長される。その結果、相互作用をしている原子核の閉じ込め時間も延長され、その因子で核反応レートも増大するのである。
このような機構で、太陽内部の熱核融合プラズマ密度の１００万倍に相当する超高密度の核融合を、地上で実現したのが化学核融合である。

そこで、本発明の課題は複数の化学核融合反応を相乗的に発生させる新機軸の化学核融合反応発生法および化学核融合エネルギー発生装置を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためにイオン源より引出すか反応槽内の放電で生じた水素あるいは重水素(特に断りなき時は以下水素と総称)、ヘリウム、リチウム、水素化ヘリウム、水素化リチウム、ボラン等の分子イオンあるいはイオンクラスター（以下分子イオンと総称）を加速して溶融金属リチウムまたはリチウム合金等の液体標的表面に注入し、上記液体金属リチウム内で分子イオン構成原子の夫々に作用する熱力学的力を相乗的に強化することによって夫々の原子に誘発する化学核融合反応を相乗的に増進し、核融合で生ずる低速中性子による二次核反応も間接的に増進せしめるのに加えて、上記液体標的中に金属性核融合物質を混入させ核融合反応前後のGibbsエネルギー（化学ポテンシャル）差も大きくして、より一層反応を強化することを特徴とする。

さらに、正または負の分子イオンを生成する要素と溶融金属リチウムまたは金属リチウム合金等の液体核融合物質からなる液体標的と、壁面を金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収剤およびガンマ線遮蔽材で覆った上記液体標的を囲む反応容器とより成り、液体標的内の熱力学的力によって、分子化学核融合反応を増進し、核融合で放出される低速中性子と反応容器壁面の金属リチウムまたはリチウム化合物等の中性子吸収剤が惹きおこす二次核反応も増進せしめることを特徴とする。

本発明によれば核融合反応の主体は金属リチウムと殆どがリチウムとは化学反応しない分子イオンであるから加速分子イオンをクリーンな真空中で溶融金属リチウムまたはリチウム合金等の核融合物質からなる液体標的と反応させ、液体中の熱力学的力によって、分子化学核融合反応を増進させることができる。そのため安全かつ安定したエネルギー供給ができ、その取扱いも容易で簡便である。

本発明の理論的根拠

化学核融合反応は非特許文献４以来公知の超高密度の白色矮星中で発生している類似の核融合以外には、前記非特許文献１以前は理論的にも実験的にも報告例が全くない。
ここでは化学核融合反応のうち、本発明の分子化学核融合反応を以下に開示する化１式の核融合反応から出発して詳述する。

この場合の発生エネルギーは殆ど生成原子^４He又はアルファ線の運動エネルギーの形で放出される。
この反応では、⁷Liイオンエネルギーが３０keV(キロ電子ボルト)の場合、６×１０^−６３と観測不可能なほどに反応確率は小さい。しかし、このエネルギー領域では化１式の核融合反応に以下に示す化２式の原子変換反応が連鎖的に発生する。

このため溶融金属リチウムの核融合化１式の反応レートには化２式の原子変換反応におけるGibbsエネルギー変化△Gr（Li+Li）と液体標的温度Tで決まる熱力学的力による莫大な値の反応レート増進因子

があらわれる。ここでk_BはBoltzmann常数であり、原子変換反応化２式におけるGibbsエネルギー変化△Gr（Li+Li）はリチウムと炭素それぞれの生成エネルギーGfから

によって算出される。例えば絶対温度T＝４６０K(ケルビン)ではk_BT=0.0396eVで増進因子化３式の値は１０^４８に達する。そのため核融合反応化１式は原子変換反応化２式を通じて前記の反応確率を飛躍的に上まわるレートで発生する。
事実、特願２００４−１６５０７で開示されているごとくこの反応で放出されるヘリウムイオンのスペクトル観測で１０^５７倍の反応レート増進が測定され、化１式の反応に対するリチウム化学核融合反応の原理の有効性は実証されている。

次に重水素燃焼の化学核融合反応を化５式の核反応を例にとり述べる。

この場合の発生エネルギーも殆ど生成原子^４He又はアルファ線の運動エネルギーの形で放出される。
この反応では重水素イオンが核阻止能エネルギーの場合、化６式の原子変換反応が連鎖的に発生する。

このため溶融金属リチウムとの核融合反応化５式の反応レートには、化6式の原子変換反応におけるGibbsエネルギー変化△Gr≒−０．９９eVと液体標的温度Ｔで決まる熱力学的力による反応レート増進因子

があらわれる。例えば金属リチウムの融点T=４６０Kでは化７式の増進因子は１０^１１程度となり、実際にそれより大きな観測値が非特許文献２と３に報告されている。

しかしながら水素燃焼による核融合反応の実用には、さらに100万倍以上大きな増進が必要である。このような増進の強化を実現したのが本発明の分子化学核融合反応である。次に化2式と化６式の原子反応を組み合わせて説明する。

水素化リチウム分子又はクラスター（Li^２H）_nをイオンとして液体リチウム標的に注入した場合には、化２式と化６式の原子変換反応がn組同位相つまり相乗的に進行する。もっとも簡単なn＝１の２原子分子Li^２Hの場合

の分子変換反応が発生する。このような複数原子が同位相でおこす現象は、非特許文献５で報告されている核阻止能エネルギーの分子イオン注入で発生するスパッタリングの干渉性の非線形効果からも理解できる。

同位相の反応におけるGibbsエネルギー変化△Gr（Li^２H＋２Li）は化２式と化６式のそれぞれのGibbsエネルギー変化△Gr（Li＋^２H）と△Gr(Li＋Li)のほぼ代数和に等しいので、化８式の反応増進因子は

と化３式、化４式と化７式から導出した増進因子の積である１０^６０倍近い値となる。

化5式の核反応確率は、例えば加速エネルギー２０keVのLi^２Hイオンの中の重水素の場合、約１０^-３５であるから、１０^６０倍の増進因子のために，注入イオンの中の重水素は全て化５式の核反応で燃焼する。また一部のイオンのリチウム原子は化1式の核反応をおこさないで、そのまま液体リチウム標的に溶けこむ。

次に単一元素の複数原子の分子イオンとして、最も簡単なリチウム分子Li_２のイオンを液体リチウム標的に注入する場合について説明する。この場合は

の分子変換反応が発生する。この反応のGibbsエネルギー変化は

となる。C_２分子はダイアモンドの単位胞構成要素で生成エネルギー△G_ｆ（Ｃ_２）がLi_２分子の生成エネルギー△G_ｆ（Li_２）より大きな値のため、化１１式の値は非常に大きくなり

となり、反応レート増進は１０^９６倍以上にもなるので、化１式の反応確率の小さな値を相殺して余りある。したがって、注入Li_２分子イオンは全て核融合反応をひきおこすようになる。

本発明の分子化学核融合反応は既に実証されている。特願２００４−１６５１０７で開示されている化１式の核反応レート増進の観測値１０^５７倍は、化４式から算出した増進の１０^４８倍より１０億倍も大きい。
このような大きな開きは、リチウムイオンビームに０．１％程度混入していた殆どのLi_２分子イオンが化１０式の分子変換で分子化学核融合反応をひきおこしている場合にかぎり、おこり得る現象である。

おわりに実用上もっとも重要な重水素化ヘリウムイオン^２HHe^＋と^２H ₂He^＋＋のうち二原子分子イオンである^２HHe^＋による分子化学核融合反応について説明する。
重水素化ヘリウムイオンは重水素、ヘリウム混合ガス中の放電あるいはヘリウムイオンの重水素ガス中の通過又は重水素イオンのヘリウムガス中の通過で発生する。これを液体リチウム標的に注入する場合、全ての競合化学反応を圧倒する反応レートで

の分子変換反応が発生する。すなわちこの反応のGibbsエネルギー変化は

となり、反応増進因子は１０^５６倍になるから^２HHeイオンエネルギーが１０keV
程度でも注入イオン中の重水素原子は全て化５式の核融合反応をおこすのである。
このイオンエネルギーでは、重水素原子のパートナーであるヘリウム原子は一部が核融
合反応でボロンになるが、残りはヘリウムのままでおり重水素＋リチウム化学核融合反応の触媒の役を果たすことになる。

化13式の反応による増進作用で発生した分子化学核融合反応の生成物であるベリリウムとボロンは、稀薄合金として溶融リチウム中に溶けて、重水素化ヘリウムイオンと化１５式、化１６式、化１７式の分子変換に伴う分子化学核融合反応をおこす。

化１５式、化１６式、化１７式の反応の増進因子はそれぞれ３×１０^５４、１×１０^６４、
１×１０^５３にもなり、以下に示す重水素およびヘリウムによる化１８式、化１９式、化２０式、化２１式、化２２式の核融合反応が起こる。

ここにγはガンマ線であり、これらの核融合反応で発生したベリリウムやボロンも最終的には炭素になる。上記の一連の核融合反応で制御可能な核エネルギーが発生する。

本発明の分子化学核融合エネルギー発生装置は基本的には特開２００３―２７０３７２号公報に開示されたものと同様の反応容器ならびにリチウム等の核融合物質の還流浄化システム、核融合で生成するヘリウムの回収システム、冷却系、断熱材、熱交換システムに加えて中性子、ガンマ線、ベータ線等の放射線遮蔽材を用いる。
ここでは反応装置本体図に基づき本発明に係る分子化学核融合反応発生方法及び分子化学核融合エネルギー発生装置の形態を説明する。

図１は本発明分子化学核融合エネルギー発生装置の反応装置本体１の概略構造図であって溶融金属リチウム容器２、分子イオン源３、溶融リチウム又は同合金４、熱電対列５、イオン加速電極６、絶縁材７、反応槽８、高圧電源９の各構成要素で構成されている。ただし、溶融金属リチウム加熱システムや熱電対列等の構造は簡略する。

分子イオン源３は放電、表面電離、光電効果、スパッタリング等を利用したイオン源を集積した構造をしており、ここから引き出された分子イオンは加速電極６で所定のエネルギーに加速され、標的の溶融金属リチウム又はリチウム合金４にリチウムの原子状態を乱すことなく注入される。その結果、前記熱力学的力によって大部分の注入分子イオンが溶融金属リチウム表層で核融合反応を誘発し、数MeVの放出エネルギーのヘリウムイオンに加え低速中性子による二次核反応のガンマ線、ベータ線、アルファ線を発生する。発生エネルギーは熱電対列５あるいは反応装置冷却用冷媒を通じて取出される。
本発明の一次核融合反応ではヘリウムが主要反応生成物であるので、前記へリウム回収システムにより取出して有効利用することができるし、一部は分子化学核融合反応の燃料あるいは触媒に使用されるから放射性廃棄物は生じない。

上記実施例によれば、分子イオンをクリーンな真空中の標的金属リチウムに導入することができ、イオン源の印加電圧の調整でビーム強度も加速エネルギーと同様に自由に制御できる。この結果、例えば特開２００３―２７０３７２号公報に記載の方法と装置によって発電あるいは地域暖房等の目的に応じて、最適エネルギー発生量が得られ、利用上の制限が少なく安全かつ安定なエネルギー源を提供することができる。

本発明の分子化学核融合エネルギー発生装置の反応装置本体の概略構造図。

符号の説明

１ 分子化学核融合エネルギー発生装置の反応装置本体
２ 溶融金属リチウム容器
３ 分子イオン源
４ 溶融金属リチウム又は同合金
５ 熱電対列
６ イオン加速電極
７ 絶縁材
８ 反応槽
９ 高圧電源

Claims (3)

1. イオン源より引出すか反応槽内の放電で生じた水素、ヘリウム、リチウム、水素化ヘリウム、水素化リチウム、ボラン等の分子イオンあるいはイオンクラスターを加速し、該分子イオンを溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的に注入し、上記液体標的内の熱力学的力によって増進する分子化学核融合反応を誘発させることを特徴とする分子化学核融合反応発生法。
2. 上記核融合物質に金属リチウム以外の化学核融合反応誘発物質あるいは標的温度制御物質を混入することを特徴とする請求項１記載の分子化学核融合反応発生法。
3. 正または負イオンを生成する分子イオン源と溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的と壁面を金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収剤およびガンマ線遮蔽材で覆った上記液体標的を囲む反応容器とよりなり、液体標的内の熱力学的力によって増進する分子化学核融合反応を誘発させ、上記核融合で放出される低速中性子と反応容器壁面の金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収剤に二次核反応を誘発せしめることを特徴とする分子化学核融合エネルギー発生装置。