JP2012181177A - 核融合炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 核融合反応エネルギーを発生させる炉
【解決手段】非磁性体からなる炉本体の内圧を一定とし、該本体の内壁に沿って重水壁を形成させる。また該炉本体内部にミラー磁界と電界を形成させる。これにより炉内プラズマを核反応ゾーン、電界栓ゾーン、保温ゾーン、冷却ゾーンに分割し核反応ゾーンの温度と密度を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は発電用などの新しいエネルギーを核融合によって得ようとするものである。

背景技術と問題点

１９５０年代以来、未来のエネルギー源として核融合エネルギーの開発が続けられてきた。核融合エネルギーは核分裂によるエネルギーに比し、本質的に安全でまた放射性物質の使用や生成が少なく、従ってクリーンでしかも主原料が重水素であるから海水中から殆ど無限に得られるという利点があるためその研究開発に世界各国で巨額の資金が投じられてきた。しかし６０年たった今も実用化に成功していない。

核融合反応の原理は重水素などの軽い元素の原子核すなわちイオン同士が衝突するとヘリュームに変換しその際質量が減少し莫大なエネルギーを発生するというものである。しかしイオンは正の電気を帯びているため容易に衝突しない。そこで核融合反応を実現するには高温の気体すなわちプラズマには次の条件が必要である。
１）プラズマすなわちイオンや電子を１億度以上の高温に維持すること。
２）イオン密度を出来るだけ高くすること。すなわちプラズマ圧を出来るだけ高くすること。
３）密閉炉内においてイオンをランダムに運動させること。

核融合を実現するときの問題点は核融合反応を発生または持続させるための温度が１億度以上という極めて高い温度が必要なことである。現在利用可能な核融合反応としては重水素のみを使って行うＤ−Ｄ反応と重水素とトリチュームを反応させるＤ−Ｔ反応がある。Ｄ−Ｄ反応を用いれば主原料である重水素を海水中から殆ど無限に得られるという利点がある。しかしＤ−Ｔ反応の場合約３〜５億度のとき最も反応率が高いのにたいしＤ−Ｄ反応の場合もっとも反応率が高い温度は約３０億度である。またＤ−Ｄ反応の場合核融合反応によって発生するのがヘリュームであり、その運動エネルギーを熱として取り出すことは高温すぎるため殆ど不可能である。一方Ｄ−Ｔ反応の場合生成するのは中性子とヘリュームでありヘリュームの持つエネルギーは利用することが困難であるが中性子の持つエネルギーは銅製のブランケットで回収し熱媒体として水を使うことによって回収することが可能である。そのため現在はＤ−Ｄ反応でなくＤ−Ｔ反応を利用する方法による実用化研究が主流となっている。

しかしながらたとえＤ−Ｔ反応であってもプラズマ温度は１億度以上必要でありそのような超高温はもちろん１万度程度でも長時間保持する固体材料は現在も見つかっていない。そこで考えられたのが強い磁石を使い磁力線を利用する方法であった。すなわち重水素やトリチュームなどを１万度以上に加熱すると分子がイオンと電子に電離しいわゆるプラズマとなる。イオンや電子は磁力線に巻きつくという性質があるため磁力線の形状を工夫することによりプラズマと炉壁を形成する固体材料とを切り離すことが可能となる。

磁力線の形状として初期に考案されたのが多くのプラズマ工学の教科書例えば産業図書発行（１９８４年）［プラズマ工学の基礎］２２０ページに記載されているミラー型磁界であった。これは概ね円筒形の容器内を真空に維持しその円筒の両端外部に強力な電磁石を配設することにより中央部が膨らんだ磁力線形状を持ついわゆるミラー磁界を形成するものである。このような構造の磁界では磁力線に直角方向への熱伝導率は小さく特にプラズマと炉壁の間を真空にすれば熱伝導率が極端に小さくなる。そのため超高温のプラズマにたいしても固体材料の保護が可能となる。また磁力線に平行な方向に対しては例えば磁界内部のイオンや電子は磁力線に沿って外方向に移動するがミラー磁界の端部（栓）に達すると、あたかもそこに鏡があるかのごとく方向を反転し逆に中央部に向かう。それゆえプラズマは磁界内に閉じ込められることになる。しかしながら磁力線が交わることがなくすべての磁力線が外部に出るためそのように閉じ込められるプラズマはごく一部分でありロスコーンと呼ばれる速度範囲のプラズマは栓から逃げ出す。そのエネルギーが莫大なため反応に必要な温度を維持することは不可能であった。またプラズマが真空中に浮遊しているため必要な密度を確保することが出来なかった。

そこで考えられたのが磁力線をエンドレスとする方法であった。すなわち前記文献などに記載されているようにドーナッツ型の真空容器の外部に強力な電磁石を配設しエンドレス磁界を形成し磁力線が炉内で完結するようにする。且つ形成されたプラズマ内に大電流を流しプラズマを収縮させ壁から離し、プラズマと炉壁の間を真空にすることにより炉壁を保護しようというものであった。この方式で最も有名なのは現在多くの国において主流となっているトカマク型である。しかしながらこの方式ではプラズマに大電流を流すためパルス状に変化する磁界を用いてパルス電流が用いられている。直流を流すことが理想であるが電極を炉内に配設することができないので直流を流すことは不可能である。また交流であれば炉の外からトランスの原理により加熱することが可能であるが交流を流したのではプラズマの収縮が不連続となり高温プラズマが壁に接触するため使えないからである。パルス型電流であるから瞬間的には電流が流れない時間が生じ従って壁にプラズマが接近するが瞬間的であり壁の損傷は少ないから止むを得ないとされてきた。

このように電流を流せばイオンや電子は磁力線に沿って炉の外に逃げ出すことはない。しかしこのようにしてプラズマを炉内に閉じ込めても、プラズマが真空中に浮遊しているためトカマク型炉でも必要な温度と密度を同時に確保することができなかった。

またもっとも基本的な問題として残されているのが電磁石をどのように工夫しても磁力線は絶対に交わることがないことである。そしてイオンは磁力線に拘束されすなわち磁力線に沿って運動するためイオン同士が衝突しない、すなわち［０００３］で説明した核反応の条件の一つであるイオンのランダム運動がトカマク型炉には発生しない。したがって基本的には核融合が発生しない。ところがトカマク型では電流がドーナッツ状の炉内を周回しているため遠心力が働きイオンと電子が分離する。そしてそれが飽和状態になったときプラズマ内で放電する。そのため炉内に一時的に乱流が発生しイオンが衝突する可能性すなわち核融合反応が発生する可能性が生ずる。しかしそれは限時的かつ局部的であるため実用化にはほど遠いものであった。そのため６０年の研究過程においても核融合によって１ｋＷのエネルギーも得られなかった。

また現在実用化に向けて用いられている反応は重水素とトリチュームによるＤ−Ｔ反応であるがトリチュームは自然界に存在しない。そしてトリチュームは水爆の原材料であるからこれを他国から輸出入することは政治的に不可能であり現在実用化に向けて行われている実験も軽水素を用いるしか方法がなかった。

また現在のトカマク型などの炉では発生したヘリュームを分離除去することが極めて困難である。それゆえ強い放射能を持つトリチュームを含むガスを定期的に排出せねばならなかった。

さらに現在のトカマク型などの炉では高温のプラズマを磁力線で拘束しまわりを真空とし壁から切り離している。これによって熱伝導による壁の損傷は防げるが高温プラズマから放射される放射熱が遮るものの無い真空を通過し壁を直撃するため壁材料を損傷させる。しかも損傷させるだけでなく壁材料がプラズマ中に混入するため核融合反応を阻害する。これは第一壁問題として知られているが解決の手段が得られていなかった。

また発生したエネルギーを回収するため核融合反応によって発生した中性子を炉内に配設した銅製のブランケットで回収し熱エネルギーに変換しブランケットを加熱する。そしてブランケット内に水を通過させエネルギーを回収する。しかし炉形状がドーナッツ型であるためブランケット形状もドーナッツ型とならざるを得ない。その中を莫大なエネルギーを回収するために大量の水を通過させ、それを蒸気エネルギーとして回収するためブランケット内が穴だらけとなる。そして水は液体から蒸気に変わるとき体積が大きく変化するためブランケットに無理な力が作用する。そのため放射能を含んだ水の漏洩が発生する。そこで体積変化の無い、しかし極めて危険な金属ナトリュームの使用などを検討せざるを得なかった。

課題を解決するための手段

以上多くの課題を解決するため本発明が提供する手段は非磁性体からなる炉本体と本体の内壁に沿って形成された重水壁、炉本体内部にミラー磁界を形成させるための炉本体の外側に配設された電磁石、さらに炉内部に電界を形成させるための、前記ミラー磁界の裾に陽電極を配設し炉本体内壁に沿ってリング状の陰電極を配設することである。以下に本発明の作用や実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

は本発明の概要を示す炉の断面図である。

１、炉本体
２、重水壁
３、上部陽極
４、下部陽極
５、陰極
６、重水入り口
７、重水槽
８、蒸気出口
９、重水出口
１０、核反応ゾーン
１１、保温ゾーン
１２、上部電界栓ゾーン
１３、下部電界栓ゾーン
１４、冷却ゾーン
Ｃ１〜Ｃ４電磁石

作用

本発明手段によれば図１に示すごとく、重水入り口６から供給され流下する重水によって形成された重水壁２を持つ炉本体１の内部にミラー磁界を形成し、また上部および下部の陽電極３、４と陰電極５の間に高電圧を印加すればプラズマ内を電流が流れ実質的に密閉された炉本体１内のガスが加熱され重水蒸気が発生し、炉内は一定圧力となる。そして炉内ガスはイオンや電子の運動を静的に規制する磁界とイオンや電子の運動方向を強制的に規制する電界があるためそれぞれ温度に違いのある核反応ゾーン１０、保温ゾーン１１、上部１２および下部電界栓ゾーン１３、冷却ゾーン（蒸気ゾーン）１４、の概ね５ゾーンが形成される。電界栓ゾーン１２または１３では電流が磁力線に沿って流れるためジュール熱が発生せず従って加熱されない。そして核反応ゾーン１０から陰電極５までは保温ゾーン１１を含めて電流が磁力線に直角に流れるためジュール熱が発生しプラズマガスを加熱する。その結果保温ゾーン１１と電界栓ゾーン１２および１３で囲まれた核融合発生ゾーン１０が最も温度が高くなる。このようにしたとき核反応ゾーン１０ではイオンや電子には印加した電圧に相当するエネルギーが与えられる。すなわち保温されていない空間であれば直ちに冷却されるが十分に保温された空間であれば電圧を１万ボルトにすれば約１億度の温度に相当するエネルギーがイオンや電子に与えられる。そしてそれらが互いに衝突すれば温度として現れる。それゆえその到達可能な最高温度は電圧に相当する温度であり、電圧が１万ボルトであれば約１億度となる。実際の温度は保温ゾーンの保温能力によって平衡温度が定まる。すなわち磁界の強さと保温ゾーンの厚みによって定まることになる。しかし炉内の圧力が高く熱伝導率が大きいためたとえ強い磁界があっても真空の場合よりはるかに厚い保温ゾーンが必要となるがそれは実用的な厚さで十分である。また核融合反応ゾーンの密度は炉内圧に比例し温度に反比例するので必要な密度を確保できる。炉内圧力は炉内いたるところ一定圧となるが蒸気出口８の外側に配設した図示しない圧力調整弁により容易に調整できる。

電界栓ゾーン１２または１３では電界によって重水蒸気が重水イオンＤ^＋と酸素イオンＯ^２−に電離する。Ｄ^＋は電界によって核反応ゾーン１０へ移動する。それゆえ核反応ゾーン１０はＤ^＋と電子のみで満たされる。また酸素イオンＯ^２−は電界栓ゾーン１２または１３の裾に配設された電極３または４に向かい放電し酸素分子となり蒸気とともに炉本体外部に排出される。それゆえ電界栓ゾーンの温度は核融合反応ゾーンに接する部分は１億度以上であるが陽極方向に急激に温度が低下し陽極付近は冷却ゾーンの温度とほぼ等しくなる。

核反応ゾーン１０では電界が上下から加わるのでイオンＤ^＋は上下の陽電極３、４により正面衝突方向に向かう運動と陰極５方向に向かう運動が加わるため乱流状態となり、衝突、従って核融合反応が発生する。

保温ゾーン１１は核融合反応ゾーン１０に接する部分はほぼその温度が等しくなるが壁方向に次第に温度が低下し冷却ゾーン１４の温度と等しくなる。一方密度は温度に反比例して次第に増大する。すなわち炉内圧力に比例して密度が増大する。

また核反応ゾーン１０や保温ゾーン１１においてプラズマは電界と磁界によりＥ×Ｂドリフト運動を行うが陰極５がリング状になっているため（磁力線が下から上に向かっている場合）プラズマは上から見て右回りに高速で回転する。それゆえ重水素イオンより質量の大きいヘリュームが遠心力により優先的に排出される。

発明の効果

上述のように本発明によれば核融合反応に必要な温度と密度が確保できる。また乱流状態も得られるので確実に核融合反応が得られる。また発生したヘリュームも自動的に排出できるので反応の妨げとならない。発生したエネルギーと投入したエネルギーのすべてが重水蒸気となるため特別の熱交換器を必要としない。さらに原材料は重水だけであり自然界に存在しないトリチュームを使用しないので放射能漏れや材料調達に問題が発生しない。

Ｄ−Ｄ反応の場合約３０億度が最も反応率が高いと［０００４］において説明したが本発明においてはＤ−Ｄ反応を発生させるが温度は約２〜３．５億度としている。この場合反応率は低いが反応量は密度したがって圧力の自乗に比例する。そして本発明では圧力を自由に選べるからである。このように圧力は自由に選択できるが重水蒸気をそのまま発電機に用いることが可能であり６０乃至８０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力とするのが好ましい。このようにすれば反応温度を下げても必要なエネルギーが得られ一方Ｄ−Ｄ反応の過程で発生するトリチュームが約３億度で最も反応率が高いので瞬間的にヘリュームに変換する。すなわち放射能の高いトリチュームが炉内に残留することが無い。しかも真空法ではヘリュームのエネルギーが利用できないが本発明ではすべて利用できるのでむしろＤ−Ｔ反応に比べても反応率が低下しない。ただし高い圧力を用いるので炉本体１は非磁性体で形成されるが高圧に耐える構造となっている。そのため材料としてはＳＵＳ３１６などのステンレス材料が最適材料として用いられる。陽極３、４や陰極５はステンレスのほかアルミや銅などが用いることが可能である。

炉本体１の形状は図１に示すごとく概ね円筒型ないし底部がやや細い円錐型とするのが好ましい。重水壁２は炉上部より炉内壁に沿って重水を落下させることにより形成される。重水壁に断裂を発生しないよう炉の内壁面は滑らかな表面が求められる。さらに炉本体全体を円錐型にするかまたは多段式に落下させるのが好ましい。また内壁面には電流の漏洩を防止するためゴムやテフロンなどによるライニングすることが好ましい。重水は重水入り口６から入り重水壁２の表面を落下し一部は蒸発し余剰の重水は炉本体１の下部に設けられた重水槽７に一旦貯留され重水出口９から図示しないポンプにより炉の外に排出され再循環する。

核反応ゾーン１０の大きさは所要発熱量によって定まる。単位プラズマ体積あたりの反応エネルギー量は温度とプラズマ密度に関係するが炉内圧力を一定に維持すれば自動的に密度が定まる。したがって単位プラズマ体積あたりの反応エネルギー量は圧力と核反応ゾーンの温度を定めれば核反応ゾーンでの発生エネルギー量が定まる。本発明の核融合炉では圧力のほぼ二乗に比例し温度１．５乃至２．５億度で極大に達し６０ｋｇ／ｃｍ^２のとき約９０００ｋＷ／ｍ^３が得られる。

陽極３、４は半球型が好ましい。その半径によって電界栓ゾーンの形状が定まるが小さすぎると十分な電流が流れない。それゆえ半径としては発生エネルギー量によって変える必要があるが１メートル以上必要である。

陰極５は細いパイプでリング状とし重水壁２の内側、炉本体中央部分に配設する。陽極３および４と陰極５の間に電圧を印加するために図示しないが直流電源が必要である。印加電圧は１．５万乃至３万ボルトが必要である。点火時にはさらに高電圧が必要であり５万ボルト以上の能力を持つのが好ましい。

保温ゾーン１１に必要な厚みは核融合反応ゾーンの温度や磁界の強さとプラズマ圧力および核反応ゾーン１０へのエネルギー供給量または発生量によって必要厚みが変化する。すなわち磁界が強いほど熱伝導率が小さく圧力が高いほど熱伝導率が大きくなる。また核反応ゾーン１０での発生量またはエネルギー供給量が大きいほど大きい厚みが必要である。しかし保温ゾーン１１の厚みはプラズマ形状を安定に保つためには少なくも１メートル必要であり２メートルないし３メートルとするのが好ましい。

ミラー磁界は電磁石Ｃ_１〜Ｃ_４によって形成されるが１０Ｔ以上の強い磁界が求められるので超伝導磁石とするのが好ましい。

重水壁２に到達したエネルギーは重水を蒸発させ蒸発した蒸気は冷却ゾーン１４を上昇し蒸気出口８から炉外に出る。炉外に出る量は図示しない圧力調整弁により自動的に調整される。冷却ゾーン１４の厚みは発生蒸気量が過大な速度で上昇しないようにする必要がある。上昇速度は通常１０ｍ／ｓｅｃ以下が好ましいが１ｍ／ｓｅｃ以下にする必要はない。

Claims (1)

1. 非磁性体からなる炉本体、該本体の内壁に沿って形成された重水壁、該炉本体内部にミラー磁界を形成させるための該炉本体の外側に配設された電磁石、さらに該炉本体内部に電界を形成させるための、前記ミラー磁界の裾に配設された陽電極と前記炉本体内壁に沿って配設されたリング状の陰電極よりなる核融合炉

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