JP2008275572A

JP2008275572A - 核融合核分裂ハイブリッド炉

Info

Publication number: JP2008275572A
Application number: JP2007147433A
Authority: JP
Inventors: Motohiko Inai; 基彦稲井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】核融合反応によって発生した高速中性子によってウラン２３８、トリウム２３２などを核分裂させエネルギー発生の増幅を行う核融合核分裂ハイブリッド炉において核分裂の発生するブランケット内での核分裂反応数の空間分布を制御し核融合炉容器の内壁における温度上昇を低く抑え、また冷却機構へのエネルギー伝達効率を高めることが本発明の課題である。
【解決手段】核融合核分裂ハイブリッド炉において、核融合反応によって生ずる高エネルギーの高速中性子を吸収するブランケット第一層においてトリウム２３２を主たる吸収成分として含んだ吸収材と冷却機構を配し、次にブランケット第二層においてウラン２３８を主たる吸収成分とし、さらに高速中性子の増強材料としてウラン２３３、またはウラン２３５、またはプルトニウム２３９およびこれらの混合物を添加した吸収材と冷却機構を配したブランケット構造を核融合核分裂ハイブリッド炉にもたせる。
【選択図】なし

Description

本発明は、核融合反応と核分裂反応を組み合わせた核融合核分裂ハイブリッド炉のブランケット構造に関するものである。

現在、実用化が考えられている核融合方法は３種類あり、１つは高温プラズマの磁気閉じ込め方式の核融合炉であり、トカマク、ステラレータ方式などが代表的である。
もうひとつはレーザー光などでターゲットを爆縮し高温高密度状態で反応を起こす慣性閏じ込め核融合炉である。さらにひとつはミューオンを用いた触媒核融合炉である。
物理学最前線２７核融合ー高温プラズマの閉じ込め遠山濶志著共立出版レーザー核融合中井貞雄著大阪大学出版会物理学最前線１９ミュオン触媒核融合永嶺謙忠著共立出版

これらの核融合方法で西暦２００８年から２０２０年にかけて、核融合反応を生じさせるために投じたエネルギーと等しいか、あるいはそれ以上のエネルギーが核融合反応により発生する条件が達成されようとしている。しかし純粋に核融合反応で商業的なエネルギー発生が可能になるのは早くても西暦２０５０年以降であると考えられている。現在、全世界の石油、天然ガスの可採掘年数は５０年程度、石炭で１００年程度、ウラン２３５はやはり５０年程度である。また化石燃料の使用により発生する炭酸ガスの温室効果による地球温暖化の影響が深刻化しており、純粋な核融合反応炉の実現までのつなぎとなる技術が必要とされているが、水力、風力、太陽光、地熱、バイオ燃料などではかなりの量的不足が予想されている。

現在もっとも早く実用可能な核融合反応は重水素と三重水素の反応であり，その反応で発生する１４ＭｅＶの高速中性子を用いて、熱中性子による核分裂はしないウラン２３８やトリウム２３２を分裂させ、その分裂で発生する約１９０ＭｅＶを上乗せし、さらにプルトニウム２３９、ウラン２３３、ウラン２３５など分裂時に平均２．５個程度の高速中性子を発生する元素を添加し高速中性子数を増強するなどして、核融合エネルギーに核分裂エネルギーをさらに上乗せしエネルギー増幅率１０〜５０倍とする核融合核分裂ハイブリッド炉が提案されている。
公開特許公報昭５８−１２９３９５

高速中性子の入射するブランケットの元素組成を長さｃｍのオーダーで平均して、その平均値がブランケット中でほぼ一定の場合、高速中性子の吸収はブランケットの表面でもっとも大きくなり、核分裂による発熱はもっとも大きくなり、表面からの距離とともに高速中性子の吸収と核分裂による発熱は指数関数的に減少していく。したがって核融合の熱出力を受け、また高強度の高速中性子線束にさらされるブランケットの内側の核融合容器表面は非常な高温になり、耐久性、強度の材料的選択および設計の制約が大きくなる。
また冷却機構との間の熱エネルギー伝達の効率も悪くなる。

核融合反応によって発生した高速中性子によってウラン２３８、トリウム２３２などを核分裂させエネルギー発生の増幅を行う核融合核分裂ハイブリッド炉において核分裂の発生するブランケット内での核分裂反応数の空間分布を制御し核融合炉容器の内壁における温度上昇を低く抑え、また冷却機構へのエネルギー伝達効率を高めることが課題である。

重水素および三重水素の混合物を核融合燃料に用い、核融合反応によって発生する高速中性子をウラン２３８あるいはトリウム２３２の核分裂反応によって吸収しエネギー増幅を行う核融合核分裂ハイブリッド炉において、核融合反応によって生ずる高エネルギーの高速中性子を吸収するブランケット第一層においてトリウム２３２を主たる吸収成分として含んだ吸収材と冷却機構を配し、次にブランケット第二層においてウラン２３８を主たる吸収成分とし、さらに高速中性子の増強材料としてウラン２３３、またはウラン２３５、またはプルトニウム２３９およびこれらの混合物を添加した吸収材と冷却機構を配したブランケット構造を核融合核分裂ハイブリッド炉にもたせる。

数ＭｅＶ〜１０ＭｅＶ程度のエネルギーを持った高速中性子による核分裂反応断面積はトリウム２３２で０．２５ｂａｒｎ程度でありウラン２３８で１．０ｂａｒｎ程度である。従って高速中性子を吸収し核分裂反応によってエネルギー増幅をおこなうブランケット第一層に高速中性子の吸収成分としてトリウム２３２を主たる成分とすることによって、ウラン２３８を主たる成分とした場合の４分の１の発熱密度になる。ここに冷却機構を合わせて形成することによって、ブランケットより内側の核融合反応部の炉心内壁に与えられる核融合による熱負荷を効果的に除去でき、核融合反応部の炉心内壁の温度上昇を低く抑えることができ、炉心内壁の温度上昇による強度低下、耐久性の低下を低く抑えることができる。このブランケット第一層を透過した高速中性子はウラン２３８を高速中性子の主たる吸収成分としたブランケット第二層内でほとんど吸収され核分裂反応によるエネルギー増幅の主たる部分が行われその熱エネルギーが冷却機構によって除去される。このときブランケット第二層で発生した熱エネルギーはブランケット第一層方向にも流れるが、ブランケット第一層での発熱密度が小さいためブランケット第一層の冷却能力には余裕があり、ブランケット第二層からブランケット第一層方向に流れる熱エネルギーはブランケット第一層に設けられた冷却機構によって除去されるため、核融合反応部の炉心内壁の温度上昇への影響が低く抑えられる。ブランケット第二層に高速中性子増強材としてウラン２３３、ウラン２３５、プルトニウム２３９等を添加し核分裂反応数を増強した場合、ブランケット第二層での発熱密度は大きく増大するが、前記、熱除去の機構により効果的に冷却されるため核融合反応部の炉心内壁温度の上昇は抑えられる。

核融合反応に用いられる燃料は重水素、三重水素混合物であり、核融合方式は磁気による高温プラズマの閉じ込め方式、爆縮方式の慣性閉じ込め方式、触媒核融合方式のいずれでも良い。核融合反応部の周囲に炉心内壁が構築され、その外側に第一ブランケット層としてトリウム２３２を高速中性子の主たる吸収成分とした吸収材が設けられ、さらに冷却媒体を流すための流路構造が設置され冷却機構が構築される。第一ブランケット層の外側に第二ブランケット層としてウラン２３８を高速中性子の主たる吸収成分とした吸収材が設けられ、高速中性子増強材としてウラン２３３、ウラン２３５、プルトニウム２３９等が添加される、さらに冷却媒体を流すための流路構造が設置され冷却機構が構築される。通常は第二ブランケット層のさらに外側にリチウムを用いた三重水素生産用のブランケット、および最終的な中性子の遮蔽体が構築される。

実施例に置ける核融合方式としてはレーザー光による爆縮方式の慣性閉じ込め核融合方式を用い、爆縮のためのレーザー光のエネルギーは５００ｋＪとし、爆縮されるペレットは燃料として重水素と三重水素の混合物を用いる。このとき核融合反応数は爆縮一回あたり杓３×１０^１７個である。

核融合反応部の周囲は厚さ１ｃｍのステンレス鋼の炉心内壁によって覆われる。その外側に第一ブランケット層として金属トリウム２３２からなるブロックとステンレス配管による冷却機構が設けられ、冷却媒体としてはヘリウムが使用される。この第一ブランケット層の厚さは２ｃｍとした。その外側に第二ブランケット層としてウラン２３５とウラン２３８を双方含む金属天然ウランからなるブロックとステンレス配管による冷却機構が設けられ、冷却媒体としてはヘリウムが使用される。この第二ブランケット層の厚さは２０ｃｍとした。その外側に酸化リチウムからなる三重水素生産ブランケットが設けられ、その厚さは５０ｃｍとしヘリウムによって冷却する、その外側に厚さ２０ｃｍの黒鉛からなる中性子反射層が設けられヘリウムによって冷却する。その外側に中性子の遮蔽体が設けられる。

このブランケット構造によってエネルギー増幅率おおよそ１０倍が得られる。したがって爆縮一回あたりおよそ１０００万Ｊの熱エネルギーが発生し、一秒間に１０回爆縮を行うことによって熱出力１００ＭＷが得られる。

第二ブランケット層にウラン２３３、ウラン２３５、プルトニウム２３９等をさらに添加することによって、熱出力は約４倍の４００ＭＷが得られる。この値は十分商業的に利用可能なレベルであり、核分裂によるエネルギー増幅無しでは科学的実証レベルの核融合反応数で核融合核分裂ハイブリッド炉は商業的運転が可能である。

従来、ブランケットに天然ウラン、または劣化ウラン、またはトリウムをもちいた核融合核分裂ハイブリッド炉では運転中に高速中性子による分裂の際、高速中性子数の増強作用のあるウラン２３３、ウラン２３５、プルトニウム２３９等が生成し蓄積することにより、核融合反応の出力レベルを一定とすると、核融合および核分裂の総計した熱出力が増大してくることがあり、欠点とされてきた。しかし核融合反応の出力レベルを下げれば総熱出力を一定に保つことは比較的容易に達成できる。もっとも簡単で制御性が高い方法としては燃料の重水素、三重水素の数密度比を調整することがあげられる。したがってこの点は欠点とはならない。

Claims

重水素および三重水素の混合物を核融合燃料に用い、核融合反応によって発生する高速中性子をウラン２３８あるいはトリウム２３２の核分裂反応によって吸収しエネルギー増幅を行う核融合核分裂ハイブリッド炉において、核融合反応によって生ずる高エネルギーの高速中性子を吸収するブランケット第一層においてトリウム２３２を主たる吸収成分として含んだ吸収材と冷却機構を配し、次にブランケット第二層においてウラン２３８を主たる吸収成分とし、さらに高速中性子の増強材料としてウラン２３３、またはウラン２３５、またはプルトニウム２３９、あるいはこれらの混合物を添加した吸収材と冷却機構を配したブランケット構造を持つことを特徴とする核融合核分裂ハイブリッド炉。
核融合方式は磁気による高温プラズマの閉じ込め方式である請求項１の核融合核分裂ハイブリッド炉。
核融合方式はレーザー光、イオンビーム、電子線、Ｘ線、プラズマによってターゲットを爆縮し高密度プラズマを形成する爆縮型慣性閉じ込め方式である請求項１の核融合核分裂ハイブリッド炉。
核融合方式はミューオンによる触媒核融合方式である請求項１の核融合核分裂ハイブリッド炉。
核融合方式は重い電子系化合物による触媒核融合方式である請求項１の核融合核分裂ハイブリッド炉。
請求項３の核融合核分裂ハイブリッド炉において、核融合ターゲットを爆縮するエネルギードライバーは、ローレンツ力による電磁流体加速を行うレールガン方式、あるいは同軸型レールガン方式のプラズマガンであることを特徴とする核融合核分裂ハイブリッド炉。
請求項３および請求項６の核融合核分裂ハイブリッド炉において爆縮によって高密度状態になった核融合ターゲットにプラズマ、あるいはイオンビーム、あるいは中性粒子ビームを照射し追加の加熱を行うことを特徴とした核融合核分裂ハイブリッド炉。