JP2010523985A - 制御された核反応のために、レーザーナノ粒子核形成された空洞に液滴衝突による強制崩壊を発生させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

液滴（１１４）内に形成された空洞（１１６）の制御された崩壊を発生させるための装置（１００）、方法（２００／３００）及びシステムであって、液体（１０４）と、ナノ粒子物質（１０２）と、場合により燃料とを含む加圧された噴流（１０９）は、噴流（１０９）の分散から滴（１１４）を生成する。液滴（１１４）内に含まれているナノ粒子（１０２）の照射（１１０）により、滴（１１４）内に形成された空洞（１１６）を生成及び膨張させるために、液滴（１１４）にエネルギー（１１０）が照射される。滴内の空洞を崩壊させるために（１１６）、滴（１１４）がターゲット（１１２）と衝突される（１１８）。照射及び衝突は、空洞の崩壊から得られる内破エネルギーを増大させるようにタイミングが設定される。空洞内の内破エネルギー及び燃料は、融合反応（１１３）を活性化及び維持させるのに使用可能である。

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
本願は、高速液滴を形成するための方法及び装置と題され、２００５年２月２２日に出願された米国特許出願第１１，０７５，８３３号の一部継続出願であり、この米国特許出願第１１，０７５，８３３号の全てが、参照によってここに援用される。
［技術分野］
本発明は、液滴内の空洞の生成及び崩壊に関し、より具体的には、崩壊エネルギーの利用に関する。
［背景技術］
核融合とは、軽い原子（水素、重水素など）を結合させて、より重い原子を形成する反応の類のことを言う。最も軽い原子に関して、１核子当たりの結合エネルギーは、遮蔽及びクーロン効果が不足するため、原子番号の急激な増加関数である。このため、（例えば）ヘリウムを生成するために２つの水素原子を結合させると、膨大な量のエネルギーが生み出される。しかしながら、融合前核子同士が距離を縮められるにつれて、克服すべきエネルギー障壁（陽子のクーロン反発）が多大である。水素のより重い同位元素、重水素（１つの陽子及び１つの中性子）、そして３重水素（１つの陽子及び２つの中性子）に関しては、障壁がより小さい。いくつかの大規模政府研究プログラム（例えば、米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所；国際熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ））が、放射性物質が比較的少なく、且つ豊富なエネルギーを提供するという究極の目的にとって十分に大きい規模の融合反応の制御を達成するためにこれまで専念されてきている。

制御されて維持される核融合の達成に対する２つの主要なやり方がある（それぞれのやり方は詳細において異なるいくつかの結果物を保有している）。その相違点は、高温、高圧及び高度にイオン化された反応体積（いわゆる「プラズマ」状態）の閉じ込め方法を決定する。慣性核融合は、ターゲットカプセルに衝突する高出力レーザーに依存し、ターゲットカプセルの一部はカプセルの燃料部内における内破衝撃波を除去及び発生する。磁気閉じ込め融合は、強い動的な磁場に依存して、反応体積を閉じ込めて圧縮する。双方のやり方は、少なくとも米国におけるより良い５０年のために（政府の大規模な資金援助で）これまで研究されてきている。他の国々の中では、米国、英国、フランス、及び日本に大規模な固定施設が存在し、計画中である。今日まで、これらプログラムのいずれかからの最も目覚ましい成果は、制御された融合反応の達成である。維持された核反応（特に、Ｄ−Ｔ融合）が５秒間程度達成されたことがあるにも拘わらず、これらのやり方のいずれからも正味エネルギーの取得がこれまで立証されてきていない。
＜空洞の崩壊＞
球状空洞を崩壊させることで、高い空洞壁速度、高い内部圧力、及び高い温度を達成することができる。最も初期の核分裂爆弾の設計の多くは、通常型爆発物の球状形成された火薬により生成される衝撃波の球状内破を利用していた。核融合爆弾は、同じく、多くの場合に核分裂爆発からの衝撃波の球状内破を利用していた。これらの場合、包括的な仕組みは、慣性閉じ込めである。

前例は、エネルギー収束のための球状内破の概念の有用性を説明するのに対し、そのような反応の制御及び発生における問題点も説明している。先ず、内破により生成されるエネルギーは、融合反応を開始するために必要とされるエネルギーを十分に上回っていなければならない。維持された核反応のために必要とされる入力温度の推定値（必然的に燃料質量、密度などに応じて１桁以内において不確定である）は、およそ１０⁷Ｋである。そのようなエネルギーを達成可能であると仮定すると、内破及びターゲットのそれぞれの大きさの規模が大き過ぎると、制御が喪失される。生み出されるのは、単に破壊だけである。反対に、内破及びターゲットのそれぞれの規模が非常に小さいと、制御は達成される可能性があるものの、維持と生成とが犠牲になる。大きさの規模は、爆弾規模（大き過ぎる）と原子規模（小さ過ぎる）との間のどこかでなければならない。また、有用なエネルギーを融合から最終的に得るには、多数の反応場所を維持するための単純且つ安価な手段が必要となるであろう。

ガスと蒸気との混合物で充填され、液体内において対称的に崩壊する球状空洞の場合を考慮すると、適切な大きさの規模は、膨張した空洞の場合に１ミクロンから数百ミクロンであり、崩壊した空洞の場合に数百ナノメートルから数十ナノメートルである。球状対称が維持されるのであれば、空洞の自由崩壊中に利用可能なエネルギーを推定することが可能である。断熱理想ガス（およびある程度の気泡の動力学）に対するスケーリング則分析によれば、例えば、概ね５０ミクロンの初期半径から崩壊し、初期半径において平衡状態に対してたった０．１％のガス体積を含む気泡は、およそ１０⁴Ｋの内部温度を有した概ね５００ｎｍの半径に崩壊するであろう。しかしながら、気泡の初期半径が単に２倍だけ増大すると、結果的な温度は、１０⁵Ｋの桁に上昇する。

空洞内破を促進させる音響効果を用いて融合を達成するのにそのような空洞崩壊が使用されてきたことが科学文献において主張されている。例えば、タレヤルクハン ＲＰ、チョー ＪＳ、ウエスト ＣＤ、ラヘイ ＲＴ、ニグマトゥリン ＲＩ，ブロック ＲＣの「音響キャビテーション中の核放出のさらなる証拠」、物理学的概説 Ｅ ２００４；６９を参照されたい。ここに開示された概念とは非常に異なるが、そのような音響慣性核融合が広範囲にわたる確実性を得てきていないということに注目することは重要である。さらに、たとえ核融合が要求されたとおりに実際に達成されていたとしても、出力の拡大及び大きさの拡大はともに、音響システムにおいては本質的に困難であり、波長が空洞半径よりはるかに大きいという要求により、そして、変換器へ入力される出力が増大するにつれて固有の非線形音響伝搬飽和により制限される。
＜液滴衝突及び空洞を有する液滴＞
非常に高い圧力により超高速に推進される液流の形成及び利用は、産業において周知である。そのような液流は、例えば、ごみ、汚染物質、及び錆の表面を洗浄するため、そして、ペイントなどのコーティングを除去するために使用される。このような用途には、安定した液流よりも不安定な液流の方がより効果的であるということに複数の研究者らが気づいている。不安定な用途において、液流はスラグまたは滴に分散される。例えば、参照によって本願に援用される米国特許第３，９８３，７４０号を参照されたい。

この技術領域における従来の技術は、スラグまたは滴の形成をもたらすための、例えば高周波超音波発生器などの複雑な駆動装置の使用の必要性を含みながらも、この必要性に限定されない、複数の欠点を有している。さらに、液流を滴に分散するのに必要な距離が長過ぎて液流が滴を形成する代わりに霧に霧化するという事実により、駆動装置のない他の従来の装置は、この用途には不向きである。

高速液滴（高速液滴の生成方法については後述する）が硬いターゲット表面に衝突することにより、多大な圧力が生じ得る。そのような滴衝突を発生させる本来の目的は、非経口調合薬を生成するための動物細胞生物反応器収穫溶液においてウィルスを非活性化させることであった。

衝突する滴内において内部圧力をさらに増大させるために、ガスを充填された空洞が滴内に配置されると、崩壊する空洞の非常に高い内破圧力が空洞のない滴の衝突のピーク圧力に加えられるであろう。その後、課題は、ノズルプレナムチャンバーにおいて、超高圧により駆動される超高速の滴内にどのように空洞を形成するかということになった。滴内に蒸気の空洞を形成する１つの手段として、１バールにおいて非常に揮発しやすい液体プロパンまたはブタンの微小な（ミクロン）滴の乳濁液を水に激しく混入することが提案されている。激しい混合は、Ｐ_n＝Ｐ_mixingにて水をプロパンで飽和させるであろう。選択された液体状態は、水のプレナム圧力において臨界点を上回っていなければならない。

しかしながら、上述した乳濁液技法は、結果として得られる空洞のタイミング及び大きさについての制御の欠如を被り、結果として得られる空洞は、噴流が高圧ノズルに存在するときに圧力が減小するにつれてホスト液内において乳化相微細滴から形成され始める。さらに、そのような空洞は、気化した揮発性化合物の全体積を含み、続いて起こる空洞の崩壊は、内部にある非常に多くの蒸気のクッション効果によって弱められることがある。
［概要］
本発明は、液滴内において蒸気空洞の強制崩壊を発生させるための新規の装置、システム及び方法である。例示的な装置は、ナノ粒子を液体に注入するための注入手段を有してもよく、または、この装置は、予め混合された液体を用いてもよい。プレナム及び１つ以上のノズルは、液体とナノ粒子物質とを含む１つまたは複数の噴流を噴射してもよい。滴は、噴流の分散から生成可能である。照射装置は、滴を電磁波に曝して、ナノ粒子を加熱し、滴内において空洞を生成及び膨張させる。滴内の空洞の崩壊を促進させるために、滴は適切な（例えば、固体の）ターゲットへ衝突される。照射及び崩壊は、空洞崩壊の内破エネルギーを増大させるようにタイミングが設定される。

別の実施形態において、核反応のための燃料は、滴内に形成された空洞に導入されてもよい。内破エネルギーは、空洞内核反応を促進させるために利用されてもよい。核反応からの中性子は、熱エネルギーを供給するために捕獲されて使用されてもよい。本発明は、上述した発明の目的または特徴のうちのいずれかを１つ以上満足しなければならないシステムまたは装置に限定されることを意図していないことに注目することは重要である。また、本発明は、本願に記載された例示的なまたは主な実施形態に限定されないことに注目するも重要である。当業者による変更及び代替が本発明の範囲内において検討されるが、当業者による変更及び代替は、許可された請求項とその法的な均等物とによらない限り制限されない。

本発明の例示的な実施形態に係る、液滴内において空洞の強制崩壊を発生させるのに使用される例示的なシステムのブロック図である。 本発明に係る、液滴内において空洞の強制崩壊を発生させる方法に使用される例示的な実施形態を図示するフローチャートである。 本発明に係る、液滴の崩壊から融合反応を促進させるのに使用される例示的な実施形態を図示するフローチャートである。

本発明のこれらの特徴及び効果と、本発明の他の特徴及び効果とは、以下の詳細な説明を図面と共に読むことによって、よりよく理解されるであろう。
［詳細な説明］
本願で開示された本発明は、２つの異なる技術の組み合わせに基づいている。第１の技術は、時間的、空間的、そしてエネルギー的に制御された空洞を液体内に形成することに関する。第２の技術は、例えば、参照によって本願に全体が援用される同時係属中の米国特許出願第１１／０７５，８３３号に開示されているように、小さな高速滴を形成することに関する。これらの２つの技術を組み合わせることにより、空洞は、当該空洞の開始及び好ましい半径への膨張の正確なタイミングで高速滴内に発生され得る。空洞を含むこれらの滴がターゲットと衝突すると、強い圧縮波が生成されて、滴の内部へと急速に伝搬する。圧縮波を通じた大きな正圧上昇により空洞の急速な慣性崩壊が強いられるようになり、想定する自然な空洞の崩壊よりも激しい空洞の崩壊が促進される。空洞の内容物を含む適切な物質により、空洞崩壊中のエネルギーは、例えば、核融合反応を促進させるのに利用可能である。単一噴流からの１ＭＨｚを超える滴衝突率は、ノズル列からの複数の噴流により増大可能である。各滴が複数の空洞を含み得るため、スケールアップは容易に達成されるはずである。ここで、この処理の各工程の技術的な説明がここに開示される。
＜滴生成＞
図１，２，３を参照すると、本発明を実施するのに使用可能な滴生成システム１００の一例が、Ｒ．Ｃ．ディーン，Ｊｒ．らによる「高速液滴を形成するための方法及び装置」と題された米国特許出願第１１／０７５，８３３号により詳細に記載されている。

本発明の例示的な実施形態は、例えば、参照により本願に援用される「高速液滴を形成するための方法及び装置」と題された米国特許出願第１１／０７５，８３３号の滴生成励起装置により生成される滴内において空洞を作成及び制御するための方法（ブロック２０２，３０２）を提供する。ナノ粒子物質源１０２は、ナノ粒子物質１０３（水が圧縮される前に混入される液体懸濁液内に供給されるナノ粒子）の源を提供する。これらナノ粒子は、１０〜１００ｎｍの直径で、規則的または不規則的なあらゆる形状に成形され、金または他の物質であってもよく、この後、ナノ粒子を含む混合された液流１０７を提供するために液源１０４からの液流１０５と混合される（ブロック２０４，３０４）。

１つ以上の高速液体噴流（一般的に、直径が５０〜１０００μｍ、５００〜１５００ｍ／ｓの間の速度にて移動する）が、プレナムチャンバー１０８から２０ｋｓｉ（１４０ＭＰａ）〜１８０ｋｓｉ（１．３ＧＰａ）の圧力にて噴射される。これらの液体圧力は、例えば、フロー・インターナショナル社の周知の超高圧パンプ１０６により生成可能であり、または、電気モータもしくは内燃エンジン（例えば、ディーゼル）により駆動される増圧器により生成可能である。ナノ粒子を含む高圧液体は、プレナム及びノズル１０８に供給される。並列作動するノズル１０８の数は、１〜５０００基またはそれ以上の範囲であってもよい。これらノズル１０８のオリフィス直径は、１〜１０００μｍまたはそれ以上の範囲であってもよい。噴流がノズル１０８を出た後、噴流は周知のレイリー噴流不安定現象により滴１１４の列に分かれるようになる（ブロック２０６，３０６）。Ｊ．Ｗ．Ｓ．レイリー、ロードの「音響理論（ドーヴァー、ニューヨーク、１９４５）」を参照されたい。このようにして形成された滴１１４は、噴流の直径のおよそ２倍であり、およそ４つの噴流の直径分だけ離間されている。これらの滴１１４が適切な（例えば、固体の）表面１１２にぶつかるとき、滴１１４は、噴流ノズル１０８に供給するプレナムチャンバー内の圧力の１０〜２０倍のピーク圧力を衝突された基板上に生成することができる（ブロック２０６，３０６）。滴の衝突１１８は、滴１１４内に圧縮波を生成し、この圧力波のピーク圧力は、衝突された基板上のピーク圧力と同程度となり得る。

特定の場合において、プレナム１０８内のプレナム圧力は、５８０ｍ／ｓの速度を有する噴流と、〜７５μｍの直径の噴流から形成される１１４〜１５０μｍの直径の滴とを生じさせる２５ｋｓｉ（１７０ＭＰａ）であった。滴通過周波数は〜１ＭＨｚであり、この周波数は、単一噴流からの滴が基板上に衝突する周波数である。生成されたピーク圧力は、ローゼンブラットらの数値解析によれば、ノズルプレナム圧力の〜１５倍、すなわち、３７５ｋｓｉ（２．６ＧＰａ）であった。Ａ．Ｇ．エヴァンズ、Ｙ．Ｍ．イトー及びＭ．ローゼンブラットの「応用物理学ジャーナル」、５１、２４７３（１９８０）を参照されたい。このような圧力は、例えば航空母艦の甲板などの鋼基板から材料を掘削するのに十分な程度に高いことが証明されている。
＜空洞におけるレーザーで励起されたナノ粒子の核形成＞
既に述べたように、理論的には、圧縮圧力波により崩壊するように促進された、前もって存在している蒸気／ガス空洞内に超高圧をもたらすことは可能である。そのような空洞（超高温乳濁液）を形成する唯一の従来の技術は、制御の欠如を被っており、自然に崩壊を緩和することがある。適切な大きさのガス／蒸気空洞の適切な数の密度を、これら空洞が、ターゲットに衝突した滴から発生した圧縮波によって促進された崩壊に最適に影響を受けやすい適切な瞬間に核形成するための信頼性のある手段が必要とされている。このサブセクションにおいては、そのような制御された核形成のための方法が導入されている。エネルギー源１１０、例えば、レーザー源と、マイクロメートルサイズ及びナノメートルサイズの粒子との相互作用は、近年、例えば、光学（キャンフィールド ＢＫ、クジャラ Ｓ、ジェフィモブス Ｋ、トゥルネン Ｊ、カウラネン Ｍ：「金ナノ粒子アレイにおいて破壊された対称性により影響される線形及び非線形光学反応」、光学エキスプレス ２００４；１２：５４１８−５４２３参照）、非破壊的テスト（ナトリ Ｊ−Ｙ、ガライス Ｌ、バーツッシ Ｂ、デューリング Ａ、コマンドレ Ｍ：「シリカに埋め込まれたサブミクロン金粒子と局部的なパルスレーザーとの相互作用：レーザー損傷開始を調査する方法」、光学エキスプレス２００３；１１：８２４−８２９参照）、生物医学画像化（ザロフ Ｖ、ラポツコ Ｄ：「ナノスケールターゲットの光熱センシング」、科学機器レビュー２００３；７４：７８５−７８８参照）、及び選択的セル消滅と関連する様々な医学的治療シナリオ（ヒュットマン Ｇ、ラート Ｂ、ゼルビン Ｊ、ランゲ ＢＩ、ビルングルバー Ｒ：「ナノ粒子を用いた高精密細胞手術？」、医学レーザー応用２００２；１７：９−１４参照）などの様々な分野において多くの関心を引いている。１５ｎｍの金粒子［ヒュットマンら、２００２］、及び２５０ｎｍ、１００ｎｍ、４０ｎｍ、１０ｎｍ、２ｎｍの金粒子はいずれも、可視レーザーパルスに照射されたときに、細胞の懸濁液において微細気泡空洞形成を示した。

ゲルにおいて行われた実験は、レーザーとナノ粒子と音響との組み合わせが慣性空洞のしきいを低下させることを示した。所定の音響圧力に対し、慣性空洞を核形成して達成するのに必要なレーザー強度は、レーザー／ナノ粒子の場合に限って、ほぼ２桁分に低減される；これに対し、所定の最低限のレーザーパルス強度に対して、ゲル内に慣性空洞をもたらすのに必要とされる音響圧力は、概ね５倍程度小さい（ファーニー Ｃ、ウー Ｔ、ホルト Ｒ、マレイ Ｔ、及びロイ Ｒ、「レーザーを照射したナノ粒子からの空洞の核形成」、音響学研究レターオンライン２００５；６：１３８−１４３）。

空洞を形成する処理を、例示目的のために、ここに概略的に提供する。空洞形成の処理を説明する理論的モデルは、ウー Ｔの「気泡が介在した集束超音波：核形成、空洞力学及び損傷予測」（博士学位論文、ボストン大学、航空機械工学部、２００６年６月）から見つけられる。光エネルギー源１１０からの光（一般的には可視スペクトル内のレーザー光）の短パルス（ｐｓからｎｓの継続時間）は、半径Ｒ_sを有する金属粒子（液滴に含まれているナノ粒子）上に入射され、光学大きさパラメータｋＲ_sは、概ね０．１〜１である。ここで、ｋ＝ω／ｃは光波数である。ただし、ω＝周波数［ラジアン／秒］、ｃ＝光の速度である。概して、共振吸収は、粒子の急速加熱をもたらし、同様に、球体を取り囲む液体を急速に加熱する。液体の薄い層は、球体の周辺において過熱され、やがて、蒸気ブランケットを形成する。臨界レーザー強度を超えると、爆発的な気化が起こり、ナノ粒子１０３の初期の大きさの概ね１００倍である滴１１４内に空洞１１６の形成をもたらし得る。例えば、計算によれば、５ｎｓの継続時間で、わずか１５０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー束である５３２ｎｍの入射レーザーパルスを用いて、概ね５０ｎｍ半径の金の球体に対して１００ｘの膨張を有する水蒸気空洞を達成することができる。レーザーエネルギーの増大は、結果的な空洞１１６の膨張を増大させる。

本発明は、滴空洞を加熱、形成及び膨張させるエネルギー源としての光学エネルギー（レーザー）の使用に関連づけて説明されたが、光学エネルギーの使用は、本発明を限定しない。例えば、エネルギー源１１０は、例えば電波及びマイクロ波用途において見受けられ得る電気エネルギー、及び例えば変動する磁界により供給可能な磁気エネルギーなどの、あらゆる種類の振動エネルギー源を含んでもよい。例えば、変動する磁界は、滴内の小さな導電性粒子を加熱することができる。

このような爆発的な気化と、それに続く空洞膨張とが一旦発生すると、空洞の内部は冷却され、主として蒸気と微量のガスとで構成される空洞１１６は、自由に崩壊し始める（ブロック２１０，３１０）。すなわち、崩壊は、空洞壁全体の静圧差により促進される。そのような空洞１１６の衝突点１１８での崩壊は急速であり、最終速度が液体音速に近づく。衝突点１１８におけるそのような崩壊は、周囲の液体圧力と流入液体の慣性とにより促進され、そのような崩壊を示す空洞１１６は、通常、慣性空洞と呼ばれる。レイリーは、液体における空洞の崩壊を考察した最初の人物であった。レイリーは、そのようなレーザーナノ粒子核形成された空洞さえも、当該空洞の存続期間の最後までレイリー空洞のように崩壊することを示す可能性がある（ブロック２１２，３１２）。
＜衝突する滴内の空洞核形成からのエネルギー産出＞
レーザー核形成された空洞の自由崩壊は、融合をもたらすほど激しくない。しかしながら、他の自由空洞崩壊の初期段階と一致するように精度よくタイミングが設定された、衝突する滴内において強い圧縮波のさらなる寄与により、以下の方法において必要な崩壊エネルギーを産出することができる。ターゲットに向かって所定の瞬間に移動しているナノ粒子を含む単一の滴を考察する。同じ瞬間に、レーザーパルスが滴に入射されて、空洞を核形成し、空洞は、概ね１００ｎｓ内の所定時間において空洞の初期大きさの概ね１００倍に成長する。レーザーパルスと衝突との間の時間中に、空洞１１６は、空洞の最大サイズに成長して崩壊し始めるはずであり、空洞１１６に対する衝撃圧力波の到着時間は、その崩壊位相の開始と一致する。衝突点１１８での空洞崩壊エネルギーは、強い衝撃圧縮波により著しく増大され、結果的なピーク内部圧力及び温度は、空洞内の燃料物質の融合反応に必要とされるピーク内部圧力及び温度を超え得る。

制御及びタイミングは、崩壊エネルギー１１８を最適化させるために必要である。気泡力学シミュレーションは、崩壊１１８速度、そして、空洞内容物の圧縮及び過熱を最大化するための衝撃圧力波（圧縮波）の到着のための最適な時間があることを示している。モス ＷＣ、クラーク ＤＢ、ホワイト ＪＷ、ヤング ＤＡ：「音ルミネセンス及び卓上マイクロ熱核融合の可能性」（物理学レター、Ａ １９９６；２１１：６９−７４）を参照されたい。このため、空洞崩壊を促進させるための圧縮波を発生させる、適切なターゲット１１２上での滴の衝突は、空洞の発達する半径に関連する所定の正確な時間に起こらなければならない。

その代わりに、制御された圧縮波到着の必要性は、空洞核形成時間の正確な制御が達成されなければならないことを意味する。そのような制御は、ホスト滴液体に懸濁された金属ナノ粒子とともに滴に入射するレーザー輻射（パルスまたはＣＷ）を用いて行われ得る。蒸気形成をもたらすナノ粒子の急速な（ｎｓ）加熱は、固定された空間的位置において滴形成に関連するレーザーパルスのタイミングを設定するか、あるいは、滴の速度軸に沿ってＣＷレーザービームの空間的位置を変化させることにより、タイミングを設定可能である。滴軸の長さは、必要に応じて、メートルに延長可能である（米国特許出願第１１／０７５，８３３号参照）。レーザーエネルギー密度は、結果的な空洞の最大半径を決定するであろう。滴の大きさ、滴速度及びレーザーエネルギーの特定の組み合わせが崩壊エネルギーを最適化させることができる。
＜燃料概念＞
これまで、本願に開示された実施形態は、受動的な崩壊により達成可能な量を遥かに超えて衝突点１１８において空洞崩壊エネルギーを達成する能力を教示した。図３を参照すると、次の実施形態は、核融合反応が起こるように崩壊エネルギーを利用するものである（ブロック３１２）。変形例は存在するが、最も一般的であり、且つ、最も低いエネルギー反応は、以下の通りである：
Ｄ＋Ｔ → ⁴Ｈｅ（３．５６ＭｅＶ）＋ｎ（１４．０３ＭｅＶ） （１）
Ｄ＋Ｄ → ³Ｈｅ（０．８２ＭｅＶ）＋ｎ（２．４５ＭｅＶ） （２）
Ｄ＋Ｄ → Ｔ（１．０１ＭｅＶ）＋ｐ（３．０２ＭｅＶ） （３）
Ｄ＋³Ｈｅ → ⁴Ｈｅ（３．６ＭｅＶ）＋ｐ（１４．７ＭｅＶ） （４）
但し、Ｄは重水素、Ｔは３重水素、ｎは中性子、ｐは陽子であり、各成分に対する反動運動エネルギーは括弧内に与えられている。達成可能なプラズマ温度に対する最も高い反応性を有する反応は、断然Ｄ−Ｔ反応（１）であり、その次がＤ−Ｄ対（２），（３）である。このため、実施形態は、Ｄ−Ｔ及びＤ−Ｄ反応の双方をもたらす燃料を使用してもよい。

以下は、有用、且つ、最適化可能な核燃料の包含に関するいくつかの変形実施形態である（ブロック３０４）。
１．＜燃料としての滴物質＞ この実施形態において、滴ホスト液体蒸気自体が燃料として機能する。上述した方法により作成された空洞１１６は、レーザーエネルギー、液体源１０４の物質特性（蒸気圧、表面張力、粘性）、ナノ粒子１０２の大きさ、及び滴１１４の大きさにより決定される所定量のホスト液体蒸気を含んでもよい。このため、最も単純な場合では、源液体１０４は、当該源液体１０４自体が可融物質であってもよいし、あるいは、可融物質を含んでもよい。重水素化水（いわゆる重水）は１つの候補である。（液体クロマトグラフィにおける使用により容易に得られる）重水素化溶媒は、例えば重水素化トルエンなどの、非常に低い蒸気圧液体を選択することにより、崩壊緩和を最小限にすることができるという可能性のために利点がある。空洞が崩壊すると、空洞内の蒸気の所定の一部分が核反応を経ることがある。
２．＜ホスト滴内の溶解されたガスとしての燃料＞ この実施形態において、使用される滴液体１０４は、少量の重水素または重水素／３重水素ガスが溶解された低い蒸気圧物質である。空洞１１６が形成され、膨張すると、溶解された燃料ガスは、空洞１１４内に拡散され、拡散された燃料ガスの一部は、崩壊１１８のときに反応する。本発明の範囲を逸脱することなく、他の流体を使用可能であるが、水を源液体１０４として用いてもよい。
３．＜燃料キャリアとしてのナノ粒子＞ この実施形態は、重水素または重水素／３重水素ガスを取り囲んだり包埋する中空または多孔性金属ナノ粒子１０２を利用する。低い蒸気圧滴ホストを利用すると、結果的な空洞の崩壊１１８がナノ粒子に集中され、粒子自体の内部に二次集中圧縮波を開始することができる。
４．＜前記実施形態１−３の組み合わせ＞ 上記実施形態または上記実施形態の一部分のいずれかを組み合わせることが有利になる場合がある。例えば、ナノスフェア１０２を含む中空のＴまたはＤ−Ｔと組み合わせて低い蒸気圧重水素化液体源１０４を使用することにより、より激しい崩壊１１８を達成することができる。
＜エネルギー抽出概念＞
核融合反応及び／または自立融合反応が一旦達成されると（ブロック３１２）、核反応から結果として得られるエネルギーをその後利用することができる。前記反応実施形態（１，２）は、エネルギーの大部分が、生成された中性子によって運動エネルギーとして放出され得るということを示している。従来のレーザー慣性核融合（ＩＣＦ）において使用されている実施形態は、反応領域を取り囲む金属「ブランケット」の実施形態であってもよく、ブランケットが、中性子を捕獲して、中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに変換することになる（ブロック３１４）。水蒸気は、その後、水蒸気を生成するために使用可能であり（ブロック３１６）、続いて、当業者に周知の技術を通じて従来通りに電気に変換され得る（ブロック３１８）。エネルギー抽出概念を２つのさらなる実施形態に分けることができる。第１の実施形態において、衝突ターゲット自体がまた中性子吸収装置／熱交換媒体として機能する。第２の実施形態において、中性子吸収装置／熱交換器１１３は、固体ターゲット１１２上の滴衝突反応位置から所定の距離（１ｍ以上）離れていてもよい。

衝突ターゲット／中性子吸収装置／熱交換器の組み合わせ：
１．＜円筒状キャップ衝突ターゲット＞：上記においては、空洞崩壊を促進させる圧縮波を発生させるためにいかに高速滴が適合であり、且つ、適切に硬いターゲット１１２に衝突しなければならないかが記載されていた。しかしながら、「硬い」衝突ターゲットは、滴が衝突する領域を除いて、平面である必要はない。滴ノズル１０８のための流入点を提供するために軸に孔が穿孔され、ターゲットを含む直円シリンダーは、もし、例えばステンレス鋼などの高密度金属製であれば、閉じ込めと熱伝達との双方を究極的には流動する冷却剤ループに提供し得る。衝突ターゲットは、静止していてもよいし、または、並進（左右及び／または上下）方式または回転方式で移動してもよい。また、ターゲットまたはターゲット表面は、氷または他の冷凍液体、硫黄、ろう、固体含有物を有するかまたは有さない高分子コーティング、シリコーンゴム及びコラーゲンゲルなどの自己修復物質、物理力または磁力または電気力により回転するディスク上にコーティングされて、保持される固体粒子、そして、金属、粘土または黒鉛を含む薄片化物質をも含んでもよい。
２．＜流動する衝突ターゲット＞：「硬い」衝突ターゲット１１２は、固体でなくてもよく、衝突ターゲット１１２は液体であってもよい。液体金属、例えば、水銀が連続的な流動状態であれば、滴内に要求される圧縮波を生じさせながら、表面と滴とが衝突することがある。その後、水銀を加熱しながら、流動する水銀は所望の中性子捕獲を提供することができる。このようにして伝達されたエネルギーは、当業者に周知の技術を通じて抽出され、電気または他の形態のエネルギーに変換可能である。また、Ｓｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｌｉ、Ｈｇ、Ｇｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、及びそれらの合金及び他の合金などであって、これらに限定されない、概して効果的であり、安価であり、より毒性の少ない液体金属がある。水銀が適当な中性子捕獲断面を有するのに対し、例えば、ガドリニウムは、非常に大きな断面を有する。さらに、ガドリニウムは、ＭＲＩ対比を提供するために溶解して懸濁液として使用されてきた。ホスト作用液体内のＧｄの懸濁液は熱伝導特性と（非常に）大きな中性子捕獲断面との理想的な組み合わせを提供することができると考えられる。液体金属は、消費されない。

また、本発明においては、氷または液体金属のような他の冷凍液体と、硫黄と、ろうと、固体含有物を有するかまたは有さない高分子コーティングと、シリコーンゴム及びコラーゲンゲルのような自己修復物質と、物理的磁気回転ディスクまたは電気力によりコーティングされ、保持される固体粒子と、金属、粘土または黒鉛のような薄片化物質とを含み、これらに限定されない、他の液体金属均等物が考えられる。
３．＜低い吸収衝突ターゲット／離れている中性子吸収装置＞：レーザーＩＣＦにあるべきと見なされるように、隣り合う金属物体が高エネルギー中性子の著しく速い吸収により破壊されると、衝突ターゲット自体は、中性子吸収装置／熱交換器として使用できないことがある。このため、より遠くにある（１ｍ以上）中性子吸収装置／熱交換器が利用可能である。吸収装置は、例えば、固体ステンレス鋼、または例えば上述したＧｄ懸濁液などの流動する液体吸収材が充填されたスチール容器である可能性が高い。後者の場合、衝突ターゲット自体は、自己修復可能であるか、あるいは、素早く交換可能であり、より安価である必要があり得る（リコールＭＨｚ滴衝突率が達成可能である）。
４．＜自己修復衝突ターゲット＞：上述した流動する衝突固体ターゲット１１２は、この文脈においては、自己修復衝突ターゲットとして使用可能である。しかしながら、この場合には、衝突固体ターゲット１１２液体は、加熱を最小化させ、且つ、中性子が離れている吸収装置に移動可能となるように、小さな中性子吸収断面を有するものが選択されてもよい。
５．＜回転する衝突ターゲット＞：回転する衝突ターゲット１１２がまた、この場合に使用され、毎回新しい滴が新たな表面に衝突することになってもよい。さらに、この実施形態において、衝突ターゲット物質は、小さな中性子捕獲断面を有するように選択されてもよい。ターゲットはまた、当該ターゲットの衝突表面を「再コーティング」したり「修復」するために、一定の「バス」や物質を通じて回転してもよい。
６．＜衝突する滴＞：衝突のエネルギーは、向かい合う同一の滴を互いに衝突させることにより２倍になり得る。しかしながら、各滴内の物理事象は、静止したターゲットに衝突する滴において変化しない。このような衝突する滴列方式は、２つのノズルにより達成可能であり、または多数の衝突する滴列もまた相対するように配列された噴霧ヘッドにより達成可能である。衝突タイミング（つまり、衝突位置）は、噴流軸に沿う単純な並進運動により達成可能であり、いずれにせよ、平均滴間隔の単に±４倍内において不確実であり得る。滴がいかなる事象においてでも破壊されるであろうから、このような降下衝突ターゲット方式は、ターゲット交換の必要性を軽減する。衝突する滴は、離れている中性子吸収装置の実施形態の一部であってもよいが、また、滴自体を吸収器として使用するように実現可能である。重い液滴は吸収器として好まれるであろう。
７．＜液体噴流の多様性＞：均一な分散及び規模拡大の目標を最終的に達成するために、多数の滴生成液体噴流が使用可能であり、滴生成液体噴流の各々は、空洞形成のためのナノ粒子核、各噴流の電磁気照射手段、及び各噴流に好適な燃料／衝突ターゲット方式を含む。噴霧ヘッド毎に多数のノズル１０８、ポンプ毎に多数の噴霧ヘッド、最終的には多数のパンプ動作を利用する大規模な商業発電所のために、単一の装置内にそのような数百万の噴流が要求され得る。

本発明の範囲内において当業者により変更と代替とが考慮され、本発明は、許可された請求項とその法的均等物とを除いては制限されない。

Claims (36)

1. ナノ粒子を含む液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための方法であって、
   液体とナノ粒子物質とを含む少なくとも１つの加圧された液体噴出流を発生させる工程と、
   前記液体とナノ粒子物質とを含む少なくとも１つの加圧された液体噴出流の分散を生じさせ、該噴出流の分散から液体とナノ粒子物質とを含む複数の滴を生成する工程と、
   前記滴にエネルギーを照射し、該滴内において空洞を生成及び膨張させて、該滴をターゲットと衝突させ、該滴内の空洞を崩壊させる工程と
   を備え、
   前記照射及び前記衝突は、空洞崩壊の内破エネルギーを増大させるようにタイミングが設定されている
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記滴の衝突は、空洞の崩壊を発生させる内部圧縮波、あるいは、空洞の崩壊を補助する内部圧縮波を発生する
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記滴にエネルギーを照射し、該滴内において空洞を膨張させることで、前記滴内の前記ナノ粒子が前記照射されたエネルギーを吸収し、
   前記方法は、さらに、
   前記ナノ粒子物質により吸収された前記照射エネルギーのエネルギー密度と、照射から滴崩壊までの時間とを調節することで、崩壊前に前記空洞の半径を制御する工程
   を備えることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記照射エネルギーは、光子を含む
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、
   前記エネルギーは、レーザー光エネルギーを含む
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記空洞崩壊の中心点の温度は、少なくとも１つの核融合反応を発生させる
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記複数の滴は、連続滴流である
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記ターゲットは、液体金属である
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
   前記液体金属は、水銀を含む
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項８に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
    前記液体金属は、Ｓｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｌｉ、Ｈｇ、Ｇｄ、Ｂｉ、Ｐｂ、及びＺｎで構成される群と、該群の合金とから選択される
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊のための方法であって、
    前記ターゲットは、氷または他の冷凍液体と、硫黄と、ろうと、固体含有物を有するかまたは有さない高分子コーティングと、シリコーンゴム及びコラーゲンゲルなどの自己修復物質と、物理力または磁力または電気力により回転するディスク上にコーティングされて、保持される固体粒子と、金属、粘土または黒鉛を含む薄片化物質とで構成された群から選択される
    ことを特徴とする方法。
12. 液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    ナノ粒子を液体に注入するための注入装置と、
    液体とナノ粒子物質とを含む液体の加圧された噴流を噴射し、該噴流の分散から複数の滴を生成する１つ以上のノズルと、
    前記滴をエネルギーに曝し、該滴内に空洞を生成して、該空洞を膨張させる照射装置と、
    前記複数の滴と、該複数の滴の崩壊する空洞とが衝突し、空洞内破エネルギーを発生するターゲットと
    を備え、
    前記照射及び衝突は、空洞崩壊の内破エネルギーを増大させるようにタイミングが設定されている
    ことを特徴とする装置。
13. 請求項１２に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    前記ターゲットとの前記滴の衝突は、空洞の崩壊を補助する強い圧縮波を発生する
    ことを特徴とする装置。
14. 請求項１３に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させる装置であって、
    前記滴内のナノ粒子物質は、照射エネルギーを吸収し、
    前記照射装置は、伝播されて前記滴内のナノ粒子物質により吸収された前記エネルギーのエネルギー密度を調整して、崩壊前に空洞の半径を制御する
    ことを特徴とする装置。
15. 請求項１３に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    前記照射エネルギーは、光子を含む
    ことを特徴とする装置。
16. 請求項１５に記載の装置であって、
    前記光子は、レーザーエネルギーを含む
    ことを特徴とする装置。
17. 請求項１２に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    前記空洞崩壊の中心点の温度は、１０⁷Ｋよりも高い
    ことを特徴とする装置。
18. 請求項１２に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    前記複数の滴は、連続滴流である
    ことを特徴とする装置。
19. 請求項１２に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    前記ターゲットは、液体金属を含んでいる
    ことを特徴とする装置。
20. 請求項１２に記載の、液滴内の空洞の強制崩壊を発生させるための装置であって、
    前記ターゲットは、氷または他の冷凍液体と、硫黄と、ろうと、固体含有物を有するかまたは有さない高分子コーティングと、シリコーンゴム及びコラーゲンゲルなどの自己修復物質と、物理力または磁力または電気力により回転するディスク上にコーティングされて、保持される固体粒子と、金属、粘土または黒鉛のような薄片化物質で構成される群から選択され、
    前記ターゲットは、静止ターゲットと移動ターゲットとで構成される群からさらに選択される
    ことを特徴とする装置。
21. ナノ粒子を含む液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための方法であって、
    液体とナノ粒子物質とを含む少なくとも１つの加圧された液体噴出流を発生させる工程と、
    前記液体とナノ粒子物質とを含む少なくとも１つの加圧された液体噴出流の分散を発生させ、噴出流の分散から液体とナノ粒子物質とをそれぞれ含む複数の滴を生成する工程と、
    前記滴にエネルギーを照射して、前記滴内に空洞を生成し、該空洞を膨張させる工程と、
    前記滴を適切なターゲットと衝突させて、前記滴内の空洞を崩壊させる工程と
    を備え、
    前記照射及び衝突は、内破エネルギーが前記空洞内の核燃料の核反応を促進させるようにタイミングが設定されている
    ことを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    さらに、
    前記核反応の結果物である中性子を捕獲する工程を備える
    ことを特徴とする方法。
23. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    さらに、
    前記融合反応から生成された熱エネルギーを抽出する工程を備える
    ことを特徴とする方法。
24. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    前記空洞を形成する前記液体の蒸気は、前記融合反応のための燃料を提供する
    ことを特徴とする方法。
25. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    前記ナノ粒子物質は、前記融合反応のための燃料を提供する
    ことを特徴とする方法。
26. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    前記液体内の溶解ガスは、前記融合反応のための燃料を提供する
    ことを特徴とする方法。
27. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    前記ターゲットは、液体金属である
    ことを特徴とする方法。
28. 請求項２１に記載の、核融合反応を促進させるための方法であって、
    前記ターゲットは、氷または液体金属のような他の冷凍液体と、硫黄と、ろうと、固体含有物を有するかまたは有さない高分子コーティングと、シリコーンゴムのような自己修復物質と、物理力または磁力または電気力により回転するディスク上にコーティングされて、保持される固体粒子と、粘土または黒鉛のような薄片化物質で構成された群から選択される
    ことを特徴とする方法。
29. 液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    ナノ粒子を液体に注入するための注入手段と、
    液体とナノ粒子とを含む液体の加圧された噴流を噴射し、核反応のための燃料を有する空洞を形成された滴を生成するプレナム及び１つ以上のノズルと、
    前記滴をエネルギーに曝し、該滴内に空洞を生成し、該空洞を膨張させるための照射装置と、
    前記滴と衝突して、前記滴内の空洞を崩壊させるためのターゲットと
    を備え、
    前記照射及び衝突は、内破エネルギーが前記空洞内の燃料の核反応を促進させるようにタイミングが設定されている
    ことを特徴とする装置。
30. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    さらに、
    前記核反応の結果物である中性子を捕獲するための捕獲手段を備える
    ことを特徴とする装置。
31. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    さらに、
    前記融合反応から生成された熱エネルギーを抽出するエネルギー抽出手段を備える
    ことを特徴とする装置。
32. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    前記空洞を形成する液体の蒸気は、前記融合反応のための燃料を提供する
    ことを特徴とする装置。
33. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    前記ナノ粒子物質は、前記融合反応のための燃料を提供する
    ことを特徴とする装置。
34. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    前記液体内の溶解されたガスは、前記融合反応のための燃料を提供する
    ことを特徴とする装置。
35. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    前記ターゲットは、液体金属である
    ことを特徴とする装置。
36. 請求項２９に記載の、液滴内の空洞の崩壊から融合反応を促進させるための装置であって、
    前記ターゲットは、氷または液体金属のような他の冷凍液体と、硫黄と、ろうと、固体含有物を有するかまたは有さない高分子コーティングと、シリコーンゴムのような自己修復物質と、回転するディスク上にコーティングされて、物理力、磁力または電気力により保持される固体粒子と、金属、粘土または黒鉛のような薄片化物質で構成される群から選択される
    ことを特徴とする装置。

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