JP2014066712A - 制御された核融合反応のための方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ペレットへの均一な与圧を達成するための流体力学的安定性を伴う制御された核融合反応から熱エネルギ及び高電圧直流エネルギの双方が取り出し、高電圧直流エネルギが、制御された核融合反応を維持するためのエネルギ源として使用可能なシステム、方法を提供する。
【解決手段】核融合ターゲット・ペレットを受け入れるためのターゲット室１０を含む。制御された核融合反応を生じさせるべく室内のターゲット・ペレットに同時発生Ｘ線パルスエネルギを直接供給し、核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出するため、複数のエネルギ・ドライバ１２がターゲット室１０の周囲に配置されている。
【選択図】図１
【解決手段】核融合ターゲット・ペレットを受け入れるためのターゲット室１０を含む。制御された核融合反応を生じさせるべく室内のターゲット・ペレットに同時発生Ｘ線パルスエネルギを直接供給し、核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出するため、複数のエネルギ・ドライバ１２がターゲット室１０の周囲に配置されている。
【選択図】図１
Description
先の出願
この出願は、２００６年５月３０日に出願された「制御された核融合反応のための方法及びシステム」と題する米国仮特許出願第６０/８０９，４５３を優先権主張の基礎とする。先のこの出願はここに組み入れられている。
この出願は、２００６年５月３０日に出願された「制御された核融合反応のための方法及びシステム」と題する米国仮特許出願第６０/８０９，４５３を優先権主張の基礎とする。先のこの出願はここに組み入れられている。
本発明は、制御された核融合反応からエネルギを取り出すための方法及びシステムに関する。
制御された核融合はきれいで豊富なエネルギ源であると広く認識されている。しかし、数十億ドルの投資にもかかわらず、わずかな例においてのみ、十分かつ持続型の核融合反応の発生に成功している。これまでの幾多のアプローチは３つの大きな要因により制限されてきた。
（ａ）単一のエネルギ抽出手段のみが用いられている。
（ｂ）直接駆動のＸ線被駆動反応に焦点を当てる代わりに、大多数の作業は、特にドライバとして大型のレーザを用いる間接駆動反応に焦点が当てられてきた。
（ｃ）流体力学的な不安定性が大きな問題である。これは、ターゲット・ペレットの与圧が適度に均一でないときに起こる。それは、局所的な熱的不均一を生じさせ、順次に局所冷却を生じさせる。これは、燃料の非均斉的燃焼を生じさせる。
（ａ）単一のエネルギ抽出手段のみが用いられている。
（ｂ）直接駆動のＸ線被駆動反応に焦点を当てる代わりに、大多数の作業は、特にドライバとして大型のレーザを用いる間接駆動反応に焦点が当てられてきた。
（ｃ）流体力学的な不安定性が大きな問題である。これは、ターゲット・ペレットの与圧が適度に均一でないときに起こる。それは、局所的な熱的不均一を生じさせ、順次に局所冷却を生じさせる。これは、燃料の非均斉的燃焼を生じさせる。
エネルギは、核融合反応から、２つの基本的手段により熱的及び電気的に抽出することができる。熱的抽出はランキン熱サイクルの直接的適用であり、これは、ほとんどすべての電気発電所で用いられている。このプロセスにおいて、冷却材（クーラント）が熱せられ、加熱された冷却材がタービンを回すために用いられ、前記タービンは発電機を回すのに用いられる。このプロセスは、名目上５５％の効率を有する。
核融合プラズマから直接に電気を取り出すことは可能であり、また実際的である。これは何度も明らかにされてきており、約８５％の効率を有するプロセスである。従来の核融合動力システムに対するこの技術の欠点は、これが高圧の直流（ＤＣ）を生み出すことである。高圧直流は取り扱いが困難であり、より重要なことは、長距離送電及び配電に適さないことである。それは、交流の電気では可能であるのに、電圧上、容易に又は効果的に変えることができない。
流体力学的不安定性は、すべての核融合電力システムの設計者が対面する大きい問題である。レイリー・テーラーの不安定性(Rayleigh-Taylor Instability)として形式的に知られているが、それは、燃料ペレットの非均一な圧縮から生じる問題である。圧縮における１％を超える非均一性は、外方に向けて増大しまたターゲット・ペレットを局所的に冷却するエネルギの「噴出」を生じさせる。電流を発生させるレーザ駆動核融合システムは、燃料ペレットに十分に均一な圧力を与えることを意図して多数のビーム（一つのシステムにおいて１９２本ほど）を使用する。
制御された核融合反応からエネルギを取り出すためのシステムの提供が望まれ、該システムにおいては熱エネルギ及び高電圧直流エネルギ(high voltage DC energy)の双方が取り出される。
取り出された高圧直流エネルギが、制御された核融合反応を維持するためのエネルギ源として使用可能であることが望ましい。
さらに、燃料ペレットへの非常に均一な与圧を達成するための高い流体力学的安定性を伴う、制御された核融合反応からエネルギを取り出すシステムを設計することが望まれる。
本発明に係る一実施例は、制御された核融合反応からエネルギを取り出すためのシステムを提供する。このシステムは、核融合ターゲット材料を受け入れるための中央ターゲット室を含む。核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出すべく前記室内の核融合ターゲット材料にエネルギを供給して前記材料の制御された核融合反応を生じさせるため、前記ターゲット室の周囲に複数のエネルギ・ドライバが配置されている。前記核融合反応からエネルギを取り出すための複数の手段が配置されており、これらの手段は、前記核融合プラズマから高圧直流電力を取り出すための手段と、前記中央ターゲット室から熱エネルギを取り出すための手段とを含む。
前記実施例は、高圧直流エネルギ及び熱エネルギの双方を取り出すことにより核融合動力システムの効率を増大させる。
本発明の他の実施例は、前記複数のエネルギ・ドライバがエネルギ貯蔵手段により動力を供給される、制御された核融合反応からエネルギを取り出すためのシステムを提供する。前記エネルギ貯蔵手段は、第１の動力源から動力を受け取って開始動力及び補給動力を提供し、第２の動力源が前記核融合プラズマから取り出された高圧直流電源からエネルギを得る。前記「開始動力」は前記核融合反応を生じさせるために必要な総エネルギであり、また前記「補給動力」は前記核融合反応の操作を維持するために前記第２の動力源から前記エネルギに加えられるエネルギである。
前記した実施例は、前記核融合反応を推進する前記エネルギ・ドライバのための動力源として前記核融合反応から取り出される高圧直流電力を使用することにより高い効率を達成する。これは、前記核融合反応を推進するために必要とされるエネルギのほとんどが（先の）核融合反応それ自体から得られることを意味する。
さらに、本発明に係る実施例は、核エネルギ・ドライバが単一の装置を含む、制御された核融合反応からエネルギを取り出すためのシステムを提供する。この単一の装置は、（ａ）核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出させるために前記核融合ターゲット材料に制御された核融合反応を経させるためのＸ線パルス、及び（ｂ）前記核融合ターゲット材料を同時に加熱するための高周波エネルギ(RF energy)の双方を発生する。
本発明に係る前記した実施例は、効率を低下させることなしに、Ｘ線駆動パルスを同時に伴う高周波加熱パルスを発生する能力を有する。これは、わずかな追加のコストでまたエネルギ上の不利を伴うことなく、前記核融合動力システムの効率を増大させるために高周波加熱の利用を可能にする。
本発明に係るさらなる他の実施例は、前記核融合ターゲット材料の様相から前記Ｘ線パルスの波面が凹形の新形態をとるようにさせるためにアポダイジング構造(apodizing structure)が各エネルギ・ドライバに関連する、核融合動力システムを提供する。
本発明に係る前記した実施例は、アポダイジング・フィルタを用いることにより、レイリー・テーラー流体力学的不安定を生じさせる波面誤差を校正する。前記ターゲット・ペレットが球状を呈するため、前記アポダイジング・フィルタが用いられ、前記圧力波面の形状を、前記ターゲットの半径に適合する半径を有する高度に窪んだ面に変化させる。この手段により、前記波面が前記ターゲットの一面の「周囲を覆い」、前記ターゲットの全体に均一な圧力を提供する。
前記圧力波面を校正するアポダイジング・フィルタの使用による直接の利点は、前記ターゲットを照射するために使用されるビームの数量が低減されることである。カリフォルニア州 ローレンス リバーモア ラブに所在のナショナル イグニッション ファシリティ フュージョン リアクタが使用する１９２本のビームに代わりに、本発明の実施例では、６本のように非常に少ないビームの使用が可能である。これは、反応炉のコスト及びサイズを直接に低減するとともに、その信頼性を向上させる。
図面の参照符号、これらの関連部品及びこれらの部品の好ましい材料のリストを、好ましい実施例の説明の後に示した。文献表示が略することなしに前記図面の参照符号のリストの後に掲載されている。この説明では、例えば、著者「ナカイ」の短い文献表示は、（ナカイ文献）のように示される
本発明に係る好ましい実施例の主要な原理が、図１−３に関連して説明されている。
図１は、制御された核融合によるエネルギ発生のための反応炉を示す。このシステムは、中央ターゲット室又は領域１０を含む。一連の６つ又はそれ以上のエネルギ・ドライバ１２が前記中央ターゲット領域の周囲に対称対をなすように配置されている。複数の対称なエネルギ・ドライバ１２は、ターゲットのペレットの配置位置２２の周りに対称であるように配置されており、これにより、配置位置２２でターゲット核融合ペレットに突き当たる好ましくは高度に球形状の波面を集合的に形成する。前記エネルギ・ドライバは、核融合を生じさせかつこれを継続又は維持するように前記ターゲットを対称的に加圧する、高周波数のＸ線のビームを発生させる。前記エネルギ・ドライバは、好ましくは誘導Ｘ線エミッタ(Stimulated X-ray Emitter: SXE)からなり、これは、米国特許第４，７２３，２６３に、本発明者により初めて記載されたものである。好ましい実施例では、前記した誘導Ｘ線エミッタ・ドライバに、前記反応に追加の熱を与える高周波エネルギの同時パルスを与える高周波発生手段が据えられている。これは、図１０−１３の議論においてさらに記述する。
図１−３を参照すると、複数のエネルギ取り出しコーン１４が中央ターゲット領域10の周りに配置されている。これらのコーンのそれぞれは真空システムの一部をなす。各コーンは、誘導Ｘ線エミッタ・エネルギ・ドライバ６を駆動するために使用される高圧直流（ＤＣ）出力を発生させるエネルギ収集グリッド４６を含む。エネルギ取り出しコーン１４は円筒のような他の形状のものとすることができる。このプロセスの詳細は、図３の以下の議論においてする。
図１−３のシステムは、標準的なランキンサイクル熱ループが適当である第２のエネルギ取り出し手段を含む。冷却材（クーラント）が入口パイプ１８を通して熱交換サブシステム２４に導入され、熱交換器２４を循環し、パイプ２０を介して前記反応炉から出る。加熱されたクーラントはタービンの駆動に用いられ、前記タービンは電気を発生させるための発電機を回す。この電気のほとんどは、外部エネルギ・グリッドの供給のために利用可能である。高圧直流エネルギ取り出しコーン１４のわずかな非能率を補うべく前記システムにいわゆる補給電力を供給するため、小さい部分が使用に供される。前記反応炉に前記核融合ターゲット・ペレットを注入するため、燃料ペレット注入システム１６が用いられる。実際のシステムでは、図２Ｂに示すように、ペレット注入装置１６が垂直に向けられている。
図２Ａ及び図２Ｂは、主要な内部及び外部の構成要素とこれらの幾何学的関係を示す。図２Ａは前記反応炉の断面を示す。エネルギ・ドライバ１２及びエネルギ取り出しコーン１４の配置が明確に見て取れる。また、前記反応炉の内部構造が見て取れ、これらの反応炉は図２Ｂに詳細に示されている。前記反応炉の室の壁は、符号１０で示す最外方の層からなり、これは前記内部構造のための構造的支持を与え、また真空の囲いである。球形物として示されているが、他の形状を採用することもできる。前記室の形状は前記システムの機能性に対して影響を与えない。
次の最内方の層は、磁気制限コイル３０からなる。これらのコイルは前記核融合プラズマを閉じ込め、またライナー２８及び他の内部構造と接触しないようにする強い磁場を形成する。磁気制限コイル３０により形成された前記磁場は、前記エネルギ取り出しコーン及び誘導Ｘ線エミッタ・エネルギ・ドライバの配置位置に対応する穴（低磁場領域）を有する。
次の最内方の層は、クーラント通路層（熱交換装置）２４をなす。クーラントは、クーラント入口１８を経てこの構造に入り、クーラント通路２４を経て循環し、過熱状態でクーラント出口２０を出る。この過熱されたクーラントは、電気をつくるためのタービン及び発電機に動力を与えるために使用される。この観点において、ペレット注入装置１６がその適切な垂直方向に見られる。
図３は、図１に示す反応炉システムのエネルギ流れのブロック線図である。２つのエネルギ取り出しループが示されている。熱ループは、熱クーラント入口１８と、熱クーラント出口２０と、クーラント通路層（熱交換装置）２４とからなる。このループの作用は、図２の議論において上述されている。高圧直流取り出しループは、取り出しコーン１４と、取り出し装置グリッド４６と、直流帰還路４８と、エネルギ貯蔵及び電力調整手段３８と、パルス変換器並びにその二つの同期出力である（ａ）誘導Ｘ線エミッタ・エネルギ・ドライバ１２に対する高圧直流３６及び（ｂ）磁気制限駆動信号３２とからなる。本発明に係る実施例の原理は、前記誘導Ｘ線エミッタ・エネルギ・ドライバを駆動するために直接に取り出された高圧直流の使用にある。前記誘導Ｘ線エミッタは高圧直流で作動し、そしてそれはエネルギ取り出しコーン１４の直接の直流出力と比例的に両立する。抽出された、すなわち取り出されたエネルギは、エネルギ貯蔵手段３８を再充電するように用いられる。前記エネルギ貯蔵システムは、例として、容量性の貯蔵手段又は誘導貯蔵手段のいずれか、あるいはこれらの双方を用いることができる。容量性貯蔵の利用が前記システムにおけるこの部分のための好ましい例である。エネルギ貯蔵及び電力調整サブシステム３８は、外部供給源（例えば、４２，４４）からの電力が前記システムに加えられることを可能にする第２のエネルギ入力４０を有する。外部供給源４２は以下に述べるような電子結合変圧器からなるものとすることができ、また外部供給源４４は高圧直流電源である。第２のエネルギ入力４０からの電力は、システムの始動のために、また稼動中における補給電力の提供のために用いられる。これは、前記した高圧直流取り出しループにおける非能率の損失を補償する。
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、図１においてエネルギ・ドライバ１２として使用可能である基本的な誘導Ｘ線エミッタ・エネルギ・ドライバの断面を示す。図４（Ａ）は端から見た図であり、また図４（Ｂ）は側方から見た図である。これらの図に、陽極６４、グリッド６６及び陰極６８が見られる。前記誘導Ｘ線エミッタは、三極管の電子チューブである。それは、新規な電子銃の構造を有し、陰極６８とグリッド６６とで構成されている。これらのエレメントの物理的な並列は、これが円形の導波管を形成するようになされている。円形の導波管は、常に光速（「ｃ」）で伝搬する横断電気モード（Transverse Electric Mode: TEM）を支持する。この特性は、前記誘導Ｘ線エミッタの機能に対して不可欠であり、それは、電子ビームが、矢印で示されているように、前記陽極を光速で掃引し、したがって位相速度と波面の速度のグループとの一致を確実にする。これは崩壊進行波（Collapsing Traveling Wave）として知られている。これは前記Ｘ線形成過程において重要であり、そこでは前記ビームにより形成されたＸ線が常に高イオン化領域で進行し、このために自己吸収プロセスによって吸収されないことを確実にする。
前記グリッド構造（図５において詳細に議論される）は、高度に対称的である。これは、陽極に向けられた波の崩壊が完全に対称的であるということを確実にする。その結果、電子が陽極に突き当たり、これらの電子は高度にイオン化された領域の制動放射を生じさせる。また、このような高度イオン化領域には非常に多くの第２の電子が存在する。前記陽極はレーザ光を発する材料で満たされている。前記制動放射光子が前記レーザ発光材料の原子に当たり、これらが前記原子のＫ殻イオン化ポテンシャルより非常に高いエネルギの状態にある結果、これらが全体に前記原子をイオン化する。この結果生じる再結集カスケードが前記原子の電子殻から光子の放出を生じさせる。余剰の電子は、このプロセスが非常に急速に起こることを確実にする。カスケード反応が続く。放射は、初め、同位元素からなる。しかし、これが前記陽極の長手方向に沿って進行すると、軸線からずれた放射が室の壁によって抑制されるか、または他の原子をイオン化する。このすべてが、「ｃ」で前記陽極に沿って掃引するイオン化領域で起こる。結果として生じるビームが、前記陽極により幾何学的に平行にされ、存在するとき、ほとんどがＫ殻光子と、Ｌ殻光子及びＭ殻光子都からなる。
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃを参照すると、これらの図は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の誘導Ｘ線エミッタのグリッド及び位相のマッチング・ネットワーク（Grid and Phase Matching Network）の詳細を示す。図５Ａは、全体にグリッド及び位相のマッチング・ネットワークとグリッド絶縁の詳細を示す。これらの２つのエレメントは、単一構造の実際の一部である。図５Ｂは、好ましいグリッドの緊張及び絶縁手段の詳細を示す。図５Ｃは、前記位相マッチング・ネットワークの電気的な概要を示す。前記グリッドに必要な設計は、進行波電子銃（Traveling Wave Electron Gun: TWEG）を有する全ての管に共通である。寸法又は電力レベルにかかわらず前記管が設計され、次の特徴が共通でありまた前記進行波電子銃を操作するために存在しなければならない。
前記進行波電子銃は、これが、前記横断電気モードを支持する円形導波管を生じさせるためにグリッド６６及び陰極６８の近接した並置を用いることにおいて独特の構造を持つ。円形導波管内の前記横断電気モードは常に光速（「ｃ」）で進行する。前記進行波電子銃のこの様相は、その非常に速い立ち上がり時間（各１フィート又は３０．４８ｃｍの銃長さで１ナノ秒）の説明となる。
また、前記グリッドは、前記陰極から電子を取り出し、またこれらの電子の流れを制御するのに必要な電場を形成するために使用される。これは、前記陰極に関連して前記グリッドに選択的にバイアスを付与することにより達成される。切替（スイッチング）及び調整の両機能は前記管への適当なバイアス付与により達成することができる。
前記進行波電子銃のためのグリッドを設計するに際し、適合を必要とするいくつかの臨界条件がある。それらは、
（１）グリッド−陰極の間隔は、前記グリッドの長手方向を横切る方向に一定でなければならない。これは、通常、高緊張下において前記グリッドを配置し、又は剛構造を有するグリッドを作ることにより達成される。
（２）前記グリッドにおけるエレメント数は、前記グリッド−陰極領域において一定かつ均一な電場を確立するのに十分な大きさでなければならない。
（３）前記グリッド構造上のいずれの箇所にも、鋭いエッジのバリがあってはならない。個々のエレメントは角丸で、平たく、又は高い縦横比の長円形状のものとすることができる。全てのエッジは完全に丸くなければならない。ここでは、完全に丸いとは、問題のエッジが前記材料の厚さ寸法の半分に等しい半径を有することを意味し、図１４において、完全に丸い例が符号１２５で示されている。
（１）グリッド−陰極の間隔は、前記グリッドの長手方向を横切る方向に一定でなければならない。これは、通常、高緊張下において前記グリッドを配置し、又は剛構造を有するグリッドを作ることにより達成される。
（２）前記グリッドにおけるエレメント数は、前記グリッド−陰極領域において一定かつ均一な電場を確立するのに十分な大きさでなければならない。
（３）前記グリッド構造上のいずれの箇所にも、鋭いエッジのバリがあってはならない。個々のエレメントは角丸で、平たく、又は高い縦横比の長円形状のものとすることができる。全てのエッジは完全に丸くなければならない。ここでは、完全に丸いとは、問題のエッジが前記材料の厚さ寸法の半分に等しい半径を有することを意味し、図１４において、完全に丸い例が符号１２５で示されている。
これらの設計ルールの実際の実行は、作られる前記グリッドのサイズにより決定される。前記グリッドは、単一片から、又は、より一般的には、弧光の発生を防止するための適当な電気絶縁体１３６，１４０が設けられた各端部１３０，１３２において据え付けリングにより拘束された一連の個々のエレメントと、前記グリッド構造に緊張を維持するための手段とにより形成することができる。図示の好ましい実施例では、各グリッドエレメントに、太いばねすなわちスプリング１４６からなる緊張手段と、ワッシャー１４８と、ナット１５０とが設けられている。種々のグリッドエレメントの前記ナットは、トルクレンチで締め付けられ、全てのエレメントに均一な緊張を与えている。
前記グリッドに対する電気的結合が、前記グリッドの入力端に接続された位相マッチング・ネットワーク１３４，１３６によりなされている。前記位相マッチング・ネットワークは、代表的な公差が＋／−０．０００５インチ（＋／−１２ミクロン）であるまったく等しい長さの一連のワイヤ（電線）１３４からなる。前記位相マッチング・ネットワークの各ワイヤは、２つの近接するグリッドエレメントから等距離の点において、下方のグリッド支持リング１３２に接続されている。前記グリッド支持リングの周りに対称的に配置された複数の位相マッチング・ネットワークのワイヤがある。
前記位相マッチング・ネットワークのワイヤの他の端部は、共通のコネクタエレメント１３６に接続されている。これは、一端部に前記位相マッチング・ネットワークのワイヤの数量に等しい多数の穴を有し、また反対の端部に単一の穴を有する。各ワイヤは、この穴に取り付けられ、前記グリッド真空フィードスルーに伸びている。これらのワイヤは、銀ではんだ付けされ、又はタングステン−不活性ガス法（ＴＩＧ）により溶接されている。前記タングステン−不活性ガス法による溶接は好ましいが、常に可能であるとは限らない。
この位相マッチング・ネットワークの目的は、前記グリッドの全ベースが、好ましくはピコ秒の範囲の正確さで同時に制御信号に応答することを可能にすることである。これは、前記進行波電子銃構造における高度に対称の波の搬送を生じさせる。前記グリッドが前記位相マッチング・ネットワークを介して接地されているとき、半径方向に対称な崩壊進行波が形成され、前記進行波電子銃構造の長手方向に沿って伝搬する。これは、接地の波であり、また、前記グリッド−陰極間のギャップに蓄えられたエネルギ及び前記グリッドに利用可能であるエネルギが前記陽極に伝搬し、この信号の伝導を生じさせることを可能にする。
流体力学的不安定性 原因及び改善
図６は、アポダイジング・フィルタの作動原理を示す。また、波面の運動が矢印で示されている。任意の核融合システムの光学的性能は、前記燃料ターゲット・ペレットの完全に対称な圧力を生成することにかかっている。本発明のエネルギ・ドライバ１２（図１）は、ターゲットを対称的に照射する手段を提供する。前記ターゲットに突き当たる波面６０に前記ターゲット・ペレットの半径に一致又は適合する半径の凹形状が付与されると、前記燃料ターゲット・ペレットにほとんど完全に対称の加圧波面を生じさせることができる。このことが必要である理由は、厳密には、前記燃料ペレットを不均一に過熱し、このために核融合反応状態で発火しないようにするレイリー・テーラー不安定性を最小にすることである。必要であれば、追加エネルギ・ドライバ１２を対称な対で追加し、加圧波面の均一性を増大させることができる。幾何学的考察により、追加されるべきドライバの数量が決定される。６つのドライバで不十分であれば、次のステップは好ましくは１２のドライバとし、あるいは１４のドライバとし、２０のドライバとする。エネルギ・ドライバの数量はこれら以外の他の数量とすることができる。
図６は、アポダイジング・フィルタの作動原理を示す。また、波面の運動が矢印で示されている。任意の核融合システムの光学的性能は、前記燃料ターゲット・ペレットの完全に対称な圧力を生成することにかかっている。本発明のエネルギ・ドライバ１２（図１）は、ターゲットを対称的に照射する手段を提供する。前記ターゲットに突き当たる波面６０に前記ターゲット・ペレットの半径に一致又は適合する半径の凹形状が付与されると、前記燃料ターゲット・ペレットにほとんど完全に対称の加圧波面を生じさせることができる。このことが必要である理由は、厳密には、前記燃料ペレットを不均一に過熱し、このために核融合反応状態で発火しないようにするレイリー・テーラー不安定性を最小にすることである。必要であれば、追加エネルギ・ドライバ１２を対称な対で追加し、加圧波面の均一性を増大させることができる。幾何学的考察により、追加されるべきドライバの数量が決定される。６つのドライバで不十分であれば、次のステップは好ましくは１２のドライバとし、あるいは１４のドライバとし、２０のドライバとする。エネルギ・ドライバの数量はこれら以外の他の数量とすることができる。
図８に示すアポダイジング・フィルタ５８は、ビーム路に配置される厚さ寸法の変化する対象からなる。その断面は、前記ターゲットの半径に対する厚さに一致する。好ましい実施例において、これらのフィルタは、所望の断面を生じさせるように配置された薄いフィルム材料からなる。前記材料の選択は、核融合燃料の組み合わせのエネルギ駆動要求により決定される。重水素‐三重水素反応の場合、これは２５０及び３５０電子ボルト間にあり、したがって、リチウム、ベリリウム、ホウ素又は炭素のような非常に低い原子数の材料が用いられる。水素‐ホウ素のリチウム‐ホウ素のようなより高いエネルギの反応は、あるいはマグネシウム、アルミニウム又は珪素のからなる材料のいずれかが用いられる。密度材料（density material）の原子数は重大な吸収が起こるほど高くはないが重要である。前記アポダイジング・フィルタは散乱放射を生じさせるが、これは本発明において問題ではない。
核融合反応プロセスについての基本は、前記核融合ターゲット材料の加圧の間に起こるレイリー・テーラーの不安定性（ＲＴＩ）の最小化である。球形のターゲットの幾何学的形状について、理想的な加圧波面は、完全対称で直径が減少する同一中心の球形波である。制御された核融合反応のための実際の装置において、これは達成することが非常に困難である。
また、同心円回折板（ゾーンプレート）のようなエレメントの形態において、回折光学技術が前記波面を校正するために使用することができる。ゾーン・プレートは光学分野において良く知られている。スペクトルの低透過能Ｘ線部分に対する拡張はシンプルであり、文献において既に報告されている。
レーザ慣性閉じ込め核融合に対する直接Ｘ線駆動核融合の比較
核融合反応炉の設計者が直面する試みは、どのようにして、核融合ターゲットの同様の対称加圧を達成するかである。広範囲にわたる解法が多くの反応炉の幾何学的形態を生み出した。本議論は、核融合ターゲット材料として燃料ペレットを使用する特定ケースのシステムに焦点を当てる。このクラスのシステムは、慣性閉じ込め核融合（「ＩＣＦ」）システムとして知られている。全ての慣性閉じ込め核融合システムに共通するのは、組み合わされた同時発生エネルギ・ビームの一連の集合として前記ターゲットに与えられるドライバ・エネルギを有することである。前記エネルギ・ビームの組み合わされた同時発生の波面は、崩壊する球形殻を接合する。一般的に、ビームを多く用いると、それだけ閉じ込めをより良く（より球形に）する。これは、レーザ駆動核融合の領域において明らかに期待し得るところであり、ここにおいて、最も成功したシステムは最多数のビームを有する。ＮＯＶＡレーザのようなシステムは５０ビームよりも多くを持つ。ローレンス リバモア ナショナル ラボラトリ（ＬＬＮＬ）の新しいナショナル イグニッション ファシリティ（ＮＩＦ）は、１９２の同時発生ビームを有し、また、ＮＯＶＡ（ＬＬＮＬ）、ＯＭＥＧＡ（ＬＬＮＬ）及びＧＥＫＫＯ（日本）のような先行のシステムよりも非常に良好な閉じ込めを有すると期待されている。
核融合反応炉の設計者が直面する試みは、どのようにして、核融合ターゲットの同様の対称加圧を達成するかである。広範囲にわたる解法が多くの反応炉の幾何学的形態を生み出した。本議論は、核融合ターゲット材料として燃料ペレットを使用する特定ケースのシステムに焦点を当てる。このクラスのシステムは、慣性閉じ込め核融合（「ＩＣＦ」）システムとして知られている。全ての慣性閉じ込め核融合システムに共通するのは、組み合わされた同時発生エネルギ・ビームの一連の集合として前記ターゲットに与えられるドライバ・エネルギを有することである。前記エネルギ・ビームの組み合わされた同時発生の波面は、崩壊する球形殻を接合する。一般的に、ビームを多く用いると、それだけ閉じ込めをより良く（より球形に）する。これは、レーザ駆動核融合の領域において明らかに期待し得るところであり、ここにおいて、最も成功したシステムは最多数のビームを有する。ＮＯＶＡレーザのようなシステムは５０ビームよりも多くを持つ。ローレンス リバモア ナショナル ラボラトリ（ＬＬＮＬ）の新しいナショナル イグニッション ファシリティ（ＮＩＦ）は、１９２の同時発生ビームを有し、また、ＮＯＶＡ（ＬＬＮＬ）、ＯＭＥＧＡ（ＬＬＮＬ）及びＧＥＫＫＯ（日本）のような先行のシステムよりも非常に良好な閉じ込めを有すると期待されている。
慣性閉じ込め核融合（ＩＣＦ）の基本原理は次のとおりである。
（１）閉じ込め時間
（２）バーン・フラクション（burn fractions）及び
（３）ターゲット加圧爆縮の必要性
（１）閉じ込め時間
（２）バーン・フラクション（burn fractions）及び
（３）ターゲット加圧爆縮の必要性
代表的な直接駆動の慣性閉じ込め核融合のターゲットの爆縮のプロセスは、大まかに３つの時期、すなわち最初の時期、加速時期及び減速時期に分けられる。（請求の範囲に記載された本発明は直接駆動システムを使用する。）前記最初の時期では、第１の衝撃波が燃料ペレット内を進み、前記ペレット内の流体が前記衝撃波によって主に加速される。第２の時期において、外側の（又は融除しやすい(abrative)）殻が融除しやすいように内方へ加速される。次いで、前記減速時期において、燃料が激しく圧縮される。前記最初の時期において、ターゲット表面上に、原ターゲットの表面の粗さと共に、レーザ照射の不均一のために最初の痕跡により摂動の種がまかれる。これらの摂動は、小さく波打つ衝撃伝搬により、前記衝撃が前記燃料ペレットの内面に抜け出る前に伴い、また、小さく波打つ希薄化の伝搬を伴う。前記第２の（加速）時期における最初のレイリー・テーラーの不安定性のために前記外表面で成長した前記摂動は、次に、前記内面に送られる。（ナカイ文献）
前記したＮＩＦの施設では、１．８メガジュールのエネルギを生じさせるために１９２のレーザ・ビームが用いられ、５００テラワットの電力を消費し、その３０キロジュールが、最終的に前記ターゲット燃料ペレット内の重水素‐三重水素にＸ線として移される。点火と燃焼の成功とにより、前記燃料はこれに投入されたエネルギと比べて約６００ないし１，０００倍以上のエネルギを産生する。これは、１平方センチメートル当たりほぼ１，０００テラワットのＸ線の強い束を生じさせる。
前記ＮＩＦの設備における多数のビームは、レーザ照射が前記したＮＯＶＡの設備におけるよりも近接した均一なＸ線場とすることを可能とする。それにもかかわらず、基本的な対称性は、レーザ・ビームにより直接加熱されるホット・スポット及びレーザ・ホールを通して熱が失われるコールド・スポットのため、未だ存しない。点火がペレットの円滑なＸ線照射に依存するため、ターゲットの設計者は、レーザ加熱のホット・スポットを適当に配置し、ペレットを含む空洞（ホーラム）の実長を調整し、またレーザ・パルスの強度を変更することにより、Ｘ線の束の非対称性を１パーセント未満に低減しようとしている。本発明に係る直接Ｘ線駆動システムとは対照的に、空洞は間接駆動システムで使用されている。
レーザ駆動の慣性閉じ込め核融合のメカニズムは、レーザ光を透過能の低いＸ線に変換する、前記空洞のシリンダ壁で光が吸収されることが前提とされている。前記空洞は、Ｘ線の生成を最大にする、金のような原子番号の大きい材料で形成されている。これらのＸ線は前記壁により急速に吸収され、また再放射され、前記空洞の壁内へと散乱する被駆動熱波の放射を引き起こす。大部分のＸ線は最終的に前記壁に消失し、いくらかがレーザの入口用の穴から逃げ、残りが前記空洞の中心のターゲット・ペレットにより吸収され、その爆縮を生じさせる。代表的には、前記ペレットに対するカップリングすなわち結合は総エネルギの１/２、又は発電所規模のレーザ加熱空洞で約０．２より少ない。したがって、間接駆動のための結合は直接駆動に比べて比較的乏しい。（ローゼン文献）
前記空洞におけるＸ線への変換のために、間接駆動は、ペレットにエネルギを結合する効率が直接駆動より低い。しかし、間接駆動は、ビームの強度及び流体力学的不安定性における変動に対する感度が低い。直接駆動のターゲット及び間接駆動のターゲットについての点火限界又は閾値はほぼ同じである。しかし、ゲインは、直接に駆動されるターゲットにおけるより約２倍大きいものと計算される。
Ｘ線温度の選択は重要である。これが、ペレットの外側の融除材層を形成する材料、爆縮に対するキー及び引き続く点火反応を規定するからである。この層が十分に滑らかでありかつＸ線中に均一に浸かっていれば、そのアブレーションは約４００キロメートル/秒（光速の１０００分の１より大きい）の速度で効果的にペレットの内方に押し進み、核融合反応が開始するために必要な圧力と温度とが創生される。（ハーン文献）
レイリー・テーラーの不安定性を最小にするについての問題のキーの１つは、前記融除材の表面と相互作用するＸ線束に関係する。束が多いほど、前記材料の融除もまた摂動を進展させる。また、最初の摂動はペレット層をできる限り滑らかにすることにより、最小にされる。レーザ−プラズマの不安定性と流体力学的不安定性とは、点火に対する相補的なおそれをなし、また、ターゲットは、これらのおそれがほぼ釣り合うように意図的に設計される。高レーザ強度を要する高い温度はレーザ−プラズマの不安定性を悪化させるが、流体力学的不安定性を最小にする。他方、低温はレーザ−プラズマの不安定性を最小にするが、流体力学的不安定性を大きくする。結局、設計者は、重水素−三重水素燃料の特定の場合についての約２５０電子ボルト及び３５０電子ボルトの低高のＸ線温度の境界に立ち至り、これを超えると、効果的な爆縮及び点火は最適条件を得るのに困難となる。他の燃料はより高いエネルギ要求を有する。
レーザにより直接駆動される爆縮力とＸ線により駆動される爆縮力との間の基本的相違は、レーザは前記波長のレーザの臨界電子密度に対応する比較的低い電子密度ｎで吸収し、これに対し、Ｘ線は固形材料の密度でターゲットにより深く吸収され、前記密度はＸ線束によりイオン化されるときには非常に高い電子密度である。したがって、レーザが１／３ｍｍ光であっても、代表的なＸ線の吸収域はほぼ１００倍大きい電子密度を有する。
慣性閉じ込めが熱核反応燃焼を達成するに十分である条件を得るため、被爆縮の燃料ペレットが高密度及び高温状態となるように加圧される。研究所では、ドライバが、爆縮を生じさせるためにペレットにエネルギを与えることを求められる。研究所における慣性閉じ込め核融合のため、現在、３つのドライバが考えられる。
（１）高出力のレーザ
（２）加速された重イオン
（３）パルス出力装置から発生されるＸ線
（１）高出力のレーザ
（２）加速された重イオン
（３）パルス出力装置から発生されるＸ線
我々は、ｒＶａｂｌ５ｄｍｌの除去速度又は融除速度を規定する。我々は、直接及び間接のドライブ間における大きさの差Ｖａｂｌ'の全オーダーを考慮している。直接駆動は、その全体のより良好な結合[ηＴのオーダー（０．８）（０．１）＝８％ 対 間接駆動（０．２）（０．２）＝４％]により、ゲイン及びより小さいドライバに関して、間接ドライバを超える利点を有するが、それはレイリー・テーラー不安定性による異議を受けている。（バーンズ文献）
圧力Ｐは、ｎＴαｎ１/３｜２/３として目盛られる。この目盛りにより、直接及び間接のドライブ間の圧力における５つの相違のファクターについて予想し、また、実際に１０１５Ｗｃｍ２の等エネルギ束において、１／３ｍｍのレーザ光は約９０ＭＢの圧力を有し、これに対し、Ｘ線は約４００ＭＢの融除域圧力を生じさせる。より高い結合効率で結合された直接Ｘ線ドライブにより達成可能であるより高い圧力は、より好ましい候補になる。直接Ｘ線が今日までに長いスケールの試みについて選択されなかった理由のひとつは、適当なドライバを入手できなかったことである。
慣性閉じ込め核融合のための条件の達成のため、ターゲットは、低密度（≦１ｍｇ／ｃｍ３）の重水素及び三重水素（ＤＴ）ガスの等モルの混合物で満たされた球状の殻を有する。この球状の殻は、外部の融除材と、重水素及び三重水素の氷結又は液状の内部域とからなる。ドライバからのエネルギは、加熱しまた膨張する融除材に与えられる。前記融除材が膨張すると、前記殻の残りが運動量を保存すべく内方への力を受ける。ペレットは、球形の融除駆動のロケットのように振る舞う。ペレットが破裂すると、圧力波が中央域を過熱する。電子の伝導及び放射の損失が、前記中央域を冷却させる。３０−４０：１の燃料の収斂及び１０ＫｅＶの中央燃料温度が求められ、その結果、重水素及び三重水素の熱核反応の燃焼からのα粒子の析出が伝導及び放射の損失に打ち勝ち、持続式燃焼波を生じさせることができる。
対称の爆縮が、利用可能の少量のエネルギを圧縮へと変換する。対称において２５％の変動が燃料圧縮のピーク時に許容可能である利用可能のエネルギであるとすると、対称における１％の変動が、与圧されるペレットに受け入れ可能である。（バーンズ文献）
前記の議論は、ターゲットの爆縮の物理現象の変遷、直接及び間接駆動の概要の相対効率及び交換条件、並びにレイリー・テーラーの流体力学的不安定性の影響を説明する。従来の作業は、レイリー・テーラーの流体力学的不安定性の影響を最小にするためにレーザの照度の均一性を向上させることに焦点を当てていた。我々は、いったん燃料ペレットが点火されると、直接及び間接駆動燃料システム間に差がないことについて特に言及する。
レーザがもっとも有力な光エネルギ・ドライバ源であるため、これらが研究のほとんどの焦点となった。重いイオンビームが用いられてきたが、これらのシステムはレーザ駆動システムより非効率の傾向がある。少なからぬパーセンテージの作業が、直接Ｘ線駆動の使用に向けられてきた。これは、ほとんど、Ｚ−ピンチ又はプラズマ・フォーカス・ドライバを用いて行われてきた。これらのシステムのいずれも、実際の直接駆動Ｘ線核融合システムのための信頼性又は効率性を検証していない。
米国特許第４，７２３，２６３号の誘導Ｘ線エミッタは、ドライバ及びレイリー・テーラーの流体力学的不安定性の影響を解決するように特別に適合されている。このシステムは、核融合反応の駆動のために必要なサイズに効果的に定められている。もし、我々が、核融合反応の駆動のために必要である３０キロジュールのＸ線束のＮＩＦ値を採用する場合、これにしたがって、我々は誘導Ｘ線エミッタのサイズを定めることができる。
我々が６つのドライバを使用するとすれば、各ドライバはたった５キロジュールを発生させればよい。１２のドライバでは２．５キロジュールとし、２０のドライバでは１．５キロジュールにしうる。次に、（例えば）２．５キロジュールの誘導Ｘ線エミッタを作るのに必要な事項を示す。
誘導Ｘ線エミッタについての初期の研究は、誘導Ｘ線エミッタが１０％の変換効率を有することを示した。したがって、２．５キロジュールの出力を得るためには、各ドライバごとに２５キロジュールの直流入力を必要とした。我々が直径１フィート（３０．４８ｃｍ）の誘導Ｘ線エミッタを５００ＫＶで動作させるとすると、線形フィート・ドライバ当たり、約３．５キロジュールを得る。さらに、２０ナノ秒のＸ線パルスを欲する場合には、これは、２０フィート長の誘導Ｘ線エミッタ（長さ６．１ｍ）が必要であることを意味する。したがって、２０フィート（６．１ｍ）の誘導Ｘ線エミッタは、７キロジュールのＸ線の出力を可能とするものである。そこで、このドライバは、実際には、６ドライバの形態で使用されるであろう。２０フィート・ドライバの使用は、３，６００平方フィート（３３５平方メートル）のコンパクトなシステム「フットプリント」をもたらし、また、一辺が６０フィートの立方体の体積（２１６，０００立方フィート又は６，１１６立方メートル）を占める。このようなシステムは、航空母艦及び他の大型海軍船のような海運上の利用、あるいは専用の浮き発電所への適用には十分にコンパクトである。
これは、レイリー・テーラーの流体力学的不安定性の問題の考慮を除いて、非常に魅力的である。誘導Ｘ線エミッタは、その出力パルスに、わずかに平坦な波面を生じさせる。６−ドライバの形態において、レイリー・テーラーの流体力学的不安定性が、好結果の反応が起こることを妨げるであろうことは明らかである。
しかし、我々が効率のわずかな損失を厭わなければ、図６に関して前記したように、Ｘ線ビーム・アポダイジング・フィルタを導入することが可能である。ここで使用する「アポダイジング・フィルタ」は、伝導性の準光学エレメントを意味する。このエレメントは、その両縁におけるよりもその中心において高屈折率であり、前記縁から前記中心、前記縁への制御された配慮機能(attention function)を有する。これは、波面の形状を制御するために光学バンドレーザで日常的に使用されているＸ線等価アポダイジング・フィルタである。誘導Ｘ線エミッタのためのフィルタは、凹状の波面を形成するために組み入れられる。凹状波面の対称の組み合わせは、圧縮波面の均一性を増大させることによりレイリー・テーラーの流体力学的不安定性を抑制する上で非常に有益である。１２、１４、２０又はそれ以上のドライバの配置のように、６を超えるドライバの使用は、均一性が増大した圧縮波面の潜在性を与える。アポダイジング・フィルタを使用する利点は、システムの総コスト及び複雑さを低減し、またシステムの信頼性を向上させるのに必要なドライバの数量を最小にすることである。
この概念は、光学駆動核融合システムにも同様に広げることができる。しかし、直接Ｘ線駆動の利点があれば、特に高速反応グループのプロセスを考慮するとき、光学駆動システムにおける使用は、性能を改善することは確かであるが、Ｘ線駆動の利点により否定される。
アポダイジング・フィルタのような密度可変の対象の使用が好ましい実施例として考慮されるが、それは、低透過能Ｘ線バンドのためのアポダイジング・フィルタを構成する回折光学技術の使用が可能であるということについて言及しておく。回折光学の代表的な形態は、ゾーン・プレートである。この装置は、波面を調整するためにフレネル・ゾーン（Fresnel zone）を用いる。このような回折フィルタは、今日、可変密度型アポダイジング・フィルタより、製造することが難しい。
誘導Ｘ線エミッタ（ＳＸＥ）のエネルギ貯蔵の向上
図７は、エネルギ貯蔵コンデンサ７０を有する高性能の誘導Ｘ線エミッタの透視図を示し、コンデンサ７０は前記エミッタに一体に組み込まれている。制御された核融合反応についての最も困難な問題は、きわめて短い時間のうちに前記反応に投入される十分な量のエネルギを得ることである。数ナノ秒の間にターゲットに３０キロジュールのオーダーのＸ線でエネルギを与える必要がある。電荷が光速又はこれに近い速度、すなわちナノ秒当たり約１フィート（３０．４８ｃｍ）に等しい速度で進行するとすれば、これを行うのに利用可能である時間がわずか数ナノ秒であり、前記エネルギ貯蔵手段は前記エネルギ付与手段に近似するものでなければならない。
図７は、エネルギ貯蔵コンデンサ７０を有する高性能の誘導Ｘ線エミッタの透視図を示し、コンデンサ７０は前記エミッタに一体に組み込まれている。制御された核融合反応についての最も困難な問題は、きわめて短い時間のうちに前記反応に投入される十分な量のエネルギを得ることである。数ナノ秒の間にターゲットに３０キロジュールのオーダーのＸ線でエネルギを与える必要がある。電荷が光速又はこれに近い速度、すなわちナノ秒当たり約１フィート（３０．４８ｃｍ）に等しい速度で進行するとすれば、これを行うのに利用可能である時間がわずか数ナノ秒であり、前記エネルギ貯蔵手段は前記エネルギ付与手段に近似するものでなければならない。
その結果が、図７に示すように、誘導Ｘ線エミッタの外面に同軸コンデンサを付加することによる図４の誘導Ｘ線エミッタ・ドライバ１２の設計として示されている。前記誘導Ｘ線エミッタの外面は陰極６８の外面であるため、非常に大きい、低インダクタンスの接続手段を提供する。前記コンデンサの内面の全部が前記陰極に直接に電気的に接触するように貼り付けられている。このコンデンサは、これが前記反応に必要なエネルギを貯蔵するために必要とされる容量を与える適当な直径を有するまで、前記誘導Ｘ線エミッタの周囲に巻かれる。
前記陰極−グリッドの電極間スペースがそれ自体によりコンデンサをなし、また多量のエネルギを蓄えることを指摘する。３インチ（７５ｍｍ）の直径の構造が、１フィート（３０．４８ｃｍ）当たり約２００ピコファラドを蓄える。２フィート（６１ｃｍ）の直径の装置は、５００，０００ボルトで運転されるときは１フィート（３０．４８ｃｍ）当たり１．６ナノファラドを蓄え、また、前記陰極−グリッドの電極間スペースに約４キロジュールを蓄える。したがって、前記同軸コンデンサは、単に、前記核融合反応の要求に合致する１キロジュールを加えねばならない。この能力向上の貯蔵手段が本発明の好ましい形態に含まれる理由は、大規模な商用発電のためである。それは、また、「高速核融合」反応が行われる場合には、より短いエネルギ・ドライバ１２の使用を可能にする。Ｘ線パルスの幅及びエネルギについての取捨の考量がこの能力向上のために可能な必要性を示唆する。
図８は、電子結合変圧器（Electron Coupled Transformer）の断面を示す。この電子結合変圧器（ＥＣＴ）は、前記誘導Ｘ線エミッタの新規な電子管派生物である。前記電子結合変圧器はパルス増幅装置である。それは、前記誘導Ｘ線エミッタとして同方式の電子銃を利用する（例えば陰極６８及びグリッド６６）。相違は、陽極６４の設計及び配置にある。
前記誘導Ｘ線エミッタでは、陽極が常に中空であり、かつレーザ光を発する材料で満たされている。入力端（図８において左下）は常に接地されている。本発明者は、基本的な誘導Ｘ線エミッタ（ＳＸＥ）が「線形追加変圧器（Linear Adder Transformer）」として知られる高速変圧器に酷似していることを知った。これらの装置において、二次コイルは、接地された一端と高圧出力端としての他端とを有する「ストーク（stalk）」からなる。一連のトロイダル二次コイルが前記ストーク上に積み重ねられている。これらは、パルス間の時間が前記ストークに沿ったパルスの伝播時間に等しいように、次々にパルス化される。各二次コイルのパルスは前記二次コイルにエネルギ（電圧）を加える。
磁力線形追加変圧器の欠点は、トロイダル一次コイルが過大なパルスで駆動されるときにこれらが飽和状態に至り、また場を崩壊させることである。これは、この型の変圧器から取り出すことができるエネルギ量を制限する。
本発明者は、前記線形追加変圧器と誘導Ｘ線エミッタとの間に強い類似性があることに気付いた。双方に前記ストークが組み入れられている。両者は一連の駆動機構を用いるが、前記誘導Ｘ線エミッタは、その常温陰極の大電流統御容量のために大電流統御容量を有する。初期の誘導Ｘ線エミッタの実験においては、陽極の両端が接地され、このため、高電圧は観察されなかった。２００６年の後半に実験が行われ、ここで、一端のみが接地されかつ他端が高度に絶縁された誘導Ｘ線エミッタが作られた。このテストでは、固形の陽極６４（図８）が用いられた。パルスが陰極に導入され、陽極の出力が計測された。前記線形追加変圧器と前記電子結合変圧器との決定的相違は、前記線形追加変圧器において、前記一次コイルが分離して明らかに存在することである。結果として生じるパルスは、結果として「階段（staircase）」状の立上がり縁を有する。前記電子結合変圧器は、その好ましい実施例において、連続した一次コイル（陰極）を有し、また、このため、そのパルスに対する滑らかな立上がり縁を有する。前記電子結合変圧器は、磁極鉄心を欠いているため、線形追加器よりも軽量である。１００ＫＶ １００ＫＡの電子結合変圧器の重さは、２００ポンド（９０．７キログラム）に満たない。
図９は前記したテストの結果を示す。入力パルス８６と出力パルス８４とは、同一の高速オシロスコープの分圧器で測定した。前記出力パルスが数度前記入力パルスを上回り、これにより、前記電子結合変圧器の動作概念を確認する。
前記電子結合変圧器の巨大なエネルギ統御容量は、電力供給源の設計のためのいくつかの選択肢を与える。基本的な選択肢は、
（１）各電力供給源における高精度遅延発電機の使用により同期される、各ドライバ１２（どれ位の数量が使用されるかは問題でなく）のための個々の分離された電力供給源３４，３８（図３）、
（２）２つの大きい電力供給源３４，３８（図３）であって、ドライバ１２の総数の各半数を有する一つが、２つのサイドで同期させるための単一の遅延発電機を備える。位相マッチング・ネットワーク１３４，１３６（図５Ａ−５Ｃ）に類似するネットワークにより高電圧が分配され、ここにおいて、伝送ライン３６の長さがドライバ１２の同期を確実にするように制御される。
（３）全システムを駆動するための単一の大きい供給源３４，３８
高電圧が、位相マッチング・ネットワーク１３４，１３６に類似するネットワークにより分配され、ここにおいて、伝送ライン３６の長さがドライバ１２の同期を確実にするように制御される。
（１）各電力供給源における高精度遅延発電機の使用により同期される、各ドライバ１２（どれ位の数量が使用されるかは問題でなく）のための個々の分離された電力供給源３４，３８（図３）、
（２）２つの大きい電力供給源３４，３８（図３）であって、ドライバ１２の総数の各半数を有する一つが、２つのサイドで同期させるための単一の遅延発電機を備える。位相マッチング・ネットワーク１３４，１３６（図５Ａ−５Ｃ）に類似するネットワークにより高電圧が分配され、ここにおいて、伝送ライン３６の長さがドライバ１２の同期を確実にするように制御される。
（３）全システムを駆動するための単一の大きい供給源３４，３８
高電圧が、位相マッチング・ネットワーク１３４，１３６に類似するネットワークにより分配され、ここにおいて、伝送ライン３６の長さがドライバ１２の同期を確実にするように制御される。
理論的には可能であるが、前記３番目の設計は、幾何学的形状及び安全性の理由から実用的でない。高電圧伝送ライン３６（図３）は非常に長く、アーク放電する一定のリスクがある。
前記２番目の設計は実用的であるが、依然として長い伝送ライン３６（図３）を有する。それは、しかし、システムの複雑さを低減する利点を有し、このためより高い信頼性がある。電子結合変圧器４２とパルス変調器３８との設計は、この設計により与えられた負荷を統御する。
前記１番目の設計はもっとも複雑であるが、実行するためのもっとも容易ないくつかの方法がある。各ドライバ１２のための個々の電力供給源３４，３８が「適度なサイズ」となろう。電力供給源３４，３８からドライバ１２への高電圧伝送ライン３６が、好ましい、非常に短いものとなろう。各電力供給源３４，３８がそれ自体の遅延発電機により制御され、また全てのドライバ１２の一時的な同期に必要な同調プロセスが存在することとなろう。
われわれは、また、機械的手段により、ドライバ１２を同期させることが可能であることに気付いた。このケースでは、高電圧入力ライン３６の物理的長さが少量（インチ又はミリメートルの小部分）でドライバ１２の一時同期を達成するように調整されよう。
図８に戻ると、前記電子結合変圧器が形態において前記誘導Ｘ線エミッタ（図４）と同一に近いことが見て取れるが、寸法、陽極及び出力が異なる。好ましい実施例において、前記電子結合変圧器がガラス真空容器７６に入れられている。出力側に、外界に対して一定インピーダンスの電気的接続を与える丈夫な高電圧絶縁体８０が存在する。前記グリッド及び陰極の信号がフィードスルー７４，７２を介してそれぞれ供給される。装置全体は、形成する横断放射線場を含むように鉛放射線遮蔽物７８内に入れられている。前記遮蔽物すなわちシールド７８の厚さ寸法は前記陰極電圧の関数からなり、放射線安全シールドを決定するための従来の手段により計算される。
我々は、前記電子結合変圧器を有する「誘導Ｘ線エミッタのエネルギ貯蔵の向上」において述べた同軸コンデンサエネルギ向上計画を利用することが可能でありかつ実用的であることに気付いた。これは、非常に高い電力の適用のために前記電子結合変圧器に利用可能である追加エネルギを作る従来の方法であった。
組み合わされた誘導Ｘ線エミッタ及び高周波エネルギ・ドライバ
図１０は、高周波発生手段と組み合わされた誘導Ｘ線エミッタを示し、また図１１は高周波発生手段を示す。特に、一般的に仮想陰極オシレータ（バーカトール）として知られる分離管が、図１１に示す誘導Ｘ線エミッタの出力端（右側に示す）に据えられている。この形態において、誘導Ｘ線エミッタのプロセスにより形成され、前記バーカトールの陰極９０に直接に加える高電圧パルスを使用するために、前記電子結合変圧器の利点の利用が可能である。前記バーカトールの本体は、陰極が焼けるときに振動する共振空洞９８を形成する。グリッド９２は前記バーカトールの発火を制御する。前記位相マッチング・ネットワークから反対の端部に位置する、前記誘導Ｘ線エミッタのグリッドの出力端１４２から制御信号が得られる。前記誘導Ｘ線エミッタの進行波の動作の結果として、トリガ・パルスが前記バーカトールに逐次加えられる。前記陰極及びグリッドは、これらの中央部に、Ｘ線パルスが伝搬する穴を備える。
図１０は、高周波発生手段と組み合わされた誘導Ｘ線エミッタを示し、また図１１は高周波発生手段を示す。特に、一般的に仮想陰極オシレータ（バーカトール）として知られる分離管が、図１１に示す誘導Ｘ線エミッタの出力端（右側に示す）に据えられている。この形態において、誘導Ｘ線エミッタのプロセスにより形成され、前記バーカトールの陰極９０に直接に加える高電圧パルスを使用するために、前記電子結合変圧器の利点の利用が可能である。前記バーカトールの本体は、陰極が焼けるときに振動する共振空洞９８を形成する。グリッド９２は前記バーカトールの発火を制御する。前記位相マッチング・ネットワークから反対の端部に位置する、前記誘導Ｘ線エミッタのグリッドの出力端１４２から制御信号が得られる。前記誘導Ｘ線エミッタの進行波の動作の結果として、トリガ・パルスが前記バーカトールに逐次加えられる。前記陰極及びグリッドは、これらの中央部に、Ｘ線パルスが伝搬する穴を備える。
前記したシステムの新規なところは、増大されたシステムの効率を実現するため、直接Ｘ線駆動及び高周波加熱自体により知られる２つの技術を組み合わせるところにある。この概念は、前記誘導Ｘ線エミッタが高電圧直流パルスをこれが使用されるか否かにかかわらず発生しようとするため、実用的である。しかし、高周波加熱器が用いられない場合には、前記誘導Ｘ線エミッタの出力は接地され、高電圧電流パルスは生じない。次いで、電気エネルギが、電流パルスの形態で前記システムを離れ、地に帰る。しかし、高電圧直流パルスが利用可能であることから、特に、それを利用することがＸ線の出力に影響を与えないため、それを使用する意義を見出しうる。
図１１は、バーカトールの高周波ヘッドの断面を示す。主要な構成要素は、陰極９０、グリッド９２、メッシュ状の陽極９４、共振空洞９８、及び出力窓９６である。陰極のフィードスルー１０２を介して前記バーカトールの陰極に直接に取り付けられた、誘導Ｘ線エミッタ１２の陽極から駆動パルスが直接に来る。前記バーカトールは前記誘導Ｘ線エミッタのグリッド１４２からの出力信号により起動される。前記バーカトールが起動されると、共振空洞９８に振動により高周波エネルギのバーストが形成される。このエネルギは、空洞９８の寸法により決定される分光分布を有する。代表的には、このエネルギは２００ＭＨｚ及び２．５ＧＨｚ間にある。このエネルギは、出力窓９６により、前記バーカトールを出てターゲット室１０に入る。前記バーカトールは、システムの作動能力を増大させるために誘導Ｘ線エミッタ１２と一体化可能である高周波源の１タイプである。前記バーカトールの陰極９０は、前記誘導Ｘ線エミッタからのＸ線パルスがターゲット室１０へと入る穴９３をその中央に有する。
図１２は、前記誘導Ｘ線エミッタの出力端（右側に示されている）で磁気絶縁線形オシレータ（Magnetically insulated Linear Oscillator: MILO）と組み合わされた誘導Ｘ線エミッタの断面を示す。磁気絶縁線形オシレータ（ＭＩＬＯ）は、前記バーカトールに類似した、もう一つの良く知られた高出力の高周波源である。大きな違いは、これが前記バーカトールよりもより高い周波数を発し得ることにある。構造的に主要な違いは、図１４（Ａ）のドリフト管１２２が組み込まれていることと、前記バーカトールの平面状の陰極９０及びグリッド９２に代えて進行波電子ガン（ＴＷＥＧ）が使用されていることである。共振空洞９８があり、また、ドリフト管１２２（図１４（Ａ））の寸法に関連してその寸法が出力範囲を決定する。従来の磁気絶縁線形オシレータ（ＭＩＬＯ）装置は、３００ＭＨｚ及び３．５ＧＨｚ間の出力を有する。本発明者は、図１４（Ｂ）に示すように、ドリフト管１２２（図１４（Ａ））の内面上に回折格子面を配置することにより、滑らかな穴を有するドリフト管１２２から得られる周波数よりも高い周波数の高周波を発生させることができることを実験的に確認した。この高周波源は、回折格子面１２３との相対論的電子ビームの相互作用を説明するスミス・パーセル効果（Smith - Purcell effect）による。ＴＨｚレンジでの出力が可能である。前記回折格子面は幾多の方法により形成可能である。間隔、面角及び回折格子の幾何学的形状は、全て、得られる周波数における決定要素である（図１４（Ｂ））。好ましい実施例のドリフト管回折格子は、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示すように、内部ねじである。前記ねじのパラメータを変えることにより、出力周波数が変化する。ドリフト管の両端部１２５が、共振空洞９８内での望ましくない電場の摂動の形成を最小にするために丸くされている。
誘導Ｘ線エミッタ・磁気絶縁線形オシレータ・ドライバのバランスは、誘導Ｘ線エミッタ・バーカトールと同じである。実際、高周波頭‐バーカトール及び磁気絶縁線形オシレータは置き換えることができる。前記誘導Ｘ線エミッタ・バーカトールのケースでは、前記磁気絶縁線形オシレータの進行波電子ガンが、Ｘ線が通過する中空の中央部を有する。前記進行波電子ガンからの電子出力はドリフト管１２２により圧縮され、また、共振空洞９８内で振動する。
核融合電力システムの効率
前記誘導Ｘ線エミッタを基本とする核融合発電システムは、他の全ての核融合システムよりも実質器に高い効率を有する。これは、次のファクターによる。
（１）直接Ｘ線駆動は、本来的に、任意の間接的方法よりも高効率である。
（２）多数のエネルギ取り出し手段
前記誘導Ｘ線エミッタを基本とする核融合発電システムは、他の全ての核融合システムよりも実質器に高い効率を有する。これは、次のファクターによる。
（１）直接Ｘ線駆動は、本来的に、任意の間接的方法よりも高効率である。
（２）多数のエネルギ取り出し手段
前記核融合プロセスの基本効率決定要素が何であるかについては、まず、核融合反応の開始に必要なエネルギ量を考慮することになろう。
Ｗ＝ドライバへの動力入力（ＮＩＦ＝４００テラワット；ＳＸＥ＝５０メガワット）、
Ｘ＝Ｘ線の発生に必要なエネルギ（ＮＩＦ＝１．５メガジュール；ＳＸＥ＝５０キロジュール）、
Ｙ＝反応駆動に要するＸ線の量（２５キロジュール；各ケース）、
Ｚ＝核融合の総エネルギ出力（入力エネルギの１０００倍；各ケース）、
Ｔ＝反応燃焼時間（５ヘルツ繰り返し率＝２００ミリ秒；各ケース）とすると、
次のような提示を行うことができる。すなわち、Ｘ＞Ｙ、及び実用的なシステムについて、Ｚ＞＞Ｘである。
Ｘ＝Ｘ線の発生に必要なエネルギ（ＮＩＦ＝１．５メガジュール；ＳＸＥ＝５０キロジュール）、
Ｙ＝反応駆動に要するＸ線の量（２５キロジュール；各ケース）、
Ｚ＝核融合の総エネルギ出力（入力エネルギの１０００倍；各ケース）、
Ｔ＝反応燃焼時間（５ヘルツ繰り返し率＝２００ミリ秒；各ケース）とすると、
次のような提示を行うことができる。すなわち、Ｘ＞Ｙ、及び実用的なシステムについて、Ｚ＞＞Ｘである。
前記ＮＩＦのケースにおいて、Ｘ＝１．５メガジュール及びＹ＝２５キロジュール（Ｄ−Ｔ反応について）。前記ＮＩＦの研究員によれば、燃料ペレットの完全燃焼は、「それ[ターゲット]に導入されるエネルギ量のほぼ６００及び１０００倍の間」を生じさせる（ハーン文献）。ハーン博士は、レーザ駆動入力であるかＸ線入力であるかは語っていない。もしも、彼が１．５メガジュールのレーザ駆動入力を指しているのであれば、それは１．５ギガジュールの出力を示していることになろう。もし、彼がＸ線入力を指しているのであれば、２５キロジュールの入力が２５メガジュールの出力を産生するであろう。
前記ＮＩＦの基準の設計は、１秒当たり５ペレットのペレット注入率を要求しており、そして、プラズマの有効寿命が２００ミリ秒であると推定することは妥当である。
前記ＮＩＦのシステムは、これを達成するために約４００テラワットの動力（４ｘ１０１２ワット）を必要とする。もし、我々が実際に２５キロジュールのＸ線入力及び２５メガジュールの出力を用いるならば、前記出力値ｘ前記燃焼時間＝５メガワットとなる。５メガワットを産生するために４００テラワットを消費するシステムは０．０００１５％の効率を有する。もし、我々が、Ｘ線入力動力に代えて電子増倍管としてのレーザに対する入力動力を使えば、出力はわずかに約２５０ギガワットとなろう。いずれのケースにおいても、大きい入力動力要求（４００テラワット）に比べると、ＮＩＦは前記プロセス中の一ステップに過ぎず、損益なしの条件を達成するシステムではない。
ここで、同じＤ−Ｔ反応を用いる誘導Ｘ線エミッタ基準のシステムと、ＮＩＦの前記分析と同じく燃料ペレットとについて考える。我々は、先に、前記Ｄ−Ｔ核融合反応が２００ミリ秒間にペレット当たり２．５ｘ１０８ワット（２５０ギガワット）を発生させることを示した。誘導Ｘ線エミッタ・ドライバ・システムは２００ミリ秒間に（２．５ｘ１０８）ｘ（２ｘ１０-１）＝５ｘ１０７ワット又は５００メガワットを産生する２５メガジュールを消費する。同じく２５０ギガワットを産生するために５００メガワットを消費するシステムは、５００％の効率（出力／入力＝効率）を有する。ここで、我々は、ランキンサイクル損失を考慮に入れて２５０％の効率を提供する。
先の計算では、本発明の好ましい実施例の最も重要な特徴の一つを考慮に入れていない。前記誘導Ｘ線エミッタ・ドライバを動作させるための高電圧直流の直接取り出しの同時使用、それは高電圧直流で動作する。前記直接取り出しのプロセスは、約８５％の確認された効率を有する。これは、５００メガワットの１５％（７５メガワット）が、パワー・グリッドへの出力に利用可能である２４９ギガワットを残す熱出力から引き出されることを意味する。この特徴は、前記誘導Ｘ線エミッタ・システムの寸法が１００フィート（３０．５メートル）以上の船幅を有する任意の船舶への前記システムの組み込みを可能とするに十分であるように、海運への適用のための前記誘導Ｘ線エミッタ・システムの使用を現実的なものにする。この分析は、また、この適用において前記した基準設計のシステムが損益なしの条件を超える能力以上であることを示す。
代わりのエネルギ・ドライバ
本発明は、前記誘導Ｘ線エミッタ及びその派生物の使用は、前記核融合反応を開始させるエネルギを供給するためのＸ線源に限定されない。プラズマ・フォーカス装置として知られる従来装置がある。これは、前記誘導Ｘ線エミッタとは異なる構造を有する電子管である。それは、直接駆動の核融合への適用に求められるエネルギ・レベルにおいて強度のＸ線バーストを生じさせることができる。それは、核融合ドライバとして使用される前記誘導Ｘ線エミッタよりも望ましくないものとするいくつかの不都合な特性を有する。
本発明は、前記誘導Ｘ線エミッタ及びその派生物の使用は、前記核融合反応を開始させるエネルギを供給するためのＸ線源に限定されない。プラズマ・フォーカス装置として知られる従来装置がある。これは、前記誘導Ｘ線エミッタとは異なる構造を有する電子管である。それは、直接駆動の核融合への適用に求められるエネルギ・レベルにおいて強度のＸ線バーストを生じさせることができる。それは、核融合ドライバとして使用される前記誘導Ｘ線エミッタよりも望ましくないものとするいくつかの不都合な特性を有する。
前記プラズマ・フォーカスは、前記誘導Ｘ線エミッタと異なり、平行なＸ線ビームを生じさせない。これは、エネルギの焦点をターゲットに合わせる必要があるところでは、好ましいものではない。前記誘導Ｘ線エミッタは正確な直径の平行ビームを生じさせる。前記プラズマ・フォーカスは、２次元において湾曲するオフ−アクシス（off-axis）反射鏡を必要とする。この反射鏡は、ビームを平行にし、又はこれをターゲット・ペレットに集中させるために用いることができる。前記ビームの特性は、波面を有用な形状に校正するために本発明の好ましい実施例の前記アポダイジング・フィルタを使用するのに必要であるものである。
前記プラズマ・フォーカスは、前記誘導Ｘ線エミッタと異なり、同時高電圧直流出力パルスを発生しない。これは、外部加熱又は加圧技術は分離した動力源を必要とし、また核融合反応炉の全効率を著しく低下させることを意味するものとして不利益である（ガイ文献）。
図面の参照符号
以下の図面の参照符号のリストは３つの欄を有する。最初の欄は図面の参照符号を含み、２番目の欄は参照符号に関する部分を詳細に記し、３番目の欄は当該部分のための好ましい材料（適用可能であれば）について述べる。
参照符号リスト
１０ ターゲット室 ステンレス鋼
１２ 誘導Ｘ線エミッタ（ＳＸＥ）・Ｘ線ドライバ（６つ） 各種
１４ エネルギ取り出しコーン（６つ） 各種
１６ ターゲット・ペレット・インジェクタ 各種
１８ 熱冷却材入口 ステンレス鋼
２０ 熱冷却材出口 ステンレス鋼
２２ ターゲット・ペレット位置 適用なし
２４ 冷却材通過層 適用なし
２６ ライナー 耐熱金属
３０ 磁気閉じ込めコイル 銅
３２ 磁気閉じ込めドライブ 適用なし
３４ パルス変調器 エレクトロニクス
３６ 誘導Ｘ線エミッタ・ドライバに対する高電圧直流 エレクトロニクス
３８ エネルギ貯蔵及び動力調整 エレクトロニクス
４０ 開始及び補給動力 エレクトロニクス
４２ 電子結合変圧器 各種
４４ 高電圧直流動力源 エレクトロニクス
４６ 直流取り出しグリッド 耐熱金属
４８ エネルギ貯蔵に対する高電圧直流の再循環 適用なし
５６ 平面波 Ｘ線
５８ アポダイジング・フィルタ 種々の低Ｚ材料
６０ 校正された波面 Ｘ線
６２ 崩壊進行波 電子
６４ 陽極 耐熱金属；高−Ｚ
６６ グリッド 耐熱金属
６８ 陰極 黒鉛（好ましい
実施例）
７０ 同軸コンデンサ 誘電性／金属層
７２ 陰極フィードスルー セラミック及び金属
７４ グリッド・フィードスルー セラミック及び金属
７６ ガラス真空容器 ガラス（セラミック
、ステンレス鋼）
７８ 放射能シールド 鉛
８０ 陽極出力絶縁体 セラミック
８４ 電子結合変圧器（ＥＣＴ）入力波形 適用なし
８６ 電子結合変圧器（ＥＣＴ）出力波形 適用なし
９０ バーカトール陰極 黒鉛
９２ バーカトール・グリッド 耐熱金属
９３ バーカトール陰極の穴 適用なし
９４ 陽極のメッシュ 耐熱金属
９６ 出力窓 高周波透過の低−
Ｚセラミック
９８ 共振循環空洞 ステンレス鋼又は銅
１００ 据え付けフランジ ステンレス鋼
１０２ 陰極フィードスルー セラミック及び金属
１０４ 陰極支持体 耐熱金属
１０６ グリッド・フィードスルー セラミック及び金属
１０８ グリッド支持体 耐熱金属
１１０ ゲッター・ポンプ 適用なし
１１２ ゲッター・ポンプ・フィードスルー セラミック及び金属
１１４ ＭＩＬＯ陰極 黒鉛
１１６ ＭＩＬＯ陰極支持体 耐熱金属
１１８ ＭＩＬＯグリッド 耐熱金属
１２０ ＭＩＬＯグリッド支持体 耐熱金属
１２２ ドリフト管 耐熱金属
１２４ ドリフト管支持体 セラミック
１２５ ドリフト管の丸みをつけた端部 耐熱金属
１２６ 内部陽極の絶縁体 セラミック
１２８ グリッド絶縁体 セラミック
１３０ 上グリッドの支持リング ステンレス鋼
１３２ 下グリッドの支持リング ステンレス鋼
１３４ 位相マッチング・ネットワークの電線 ステンレス鋼
１３６ 位相マッチング・ネットワークのコネクタ ステンレス鋼
１３８ 内部陽極の絶縁体 セラミック
１４０ 位相マッチング・ネットワーク端部の絶縁体 セラミック
１４２ グリッドの出力端 耐熱金属
１４４ グリッド・フィードスルーへの電線 セラミック及び金属
１４６ グリッドの緊張用ばね ステンレス鋼
１４８ ワッシャー ステンレス鋼
１５０ 六角ナット ステンレス鋼
１５２ 位相マッチング・ネットワークの絶縁体 ステンレス鋼
以下の図面の参照符号のリストは３つの欄を有する。最初の欄は図面の参照符号を含み、２番目の欄は参照符号に関する部分を詳細に記し、３番目の欄は当該部分のための好ましい材料（適用可能であれば）について述べる。
参照符号リスト
１０ ターゲット室 ステンレス鋼
１２ 誘導Ｘ線エミッタ（ＳＸＥ）・Ｘ線ドライバ（６つ） 各種
１４ エネルギ取り出しコーン（６つ） 各種
１６ ターゲット・ペレット・インジェクタ 各種
１８ 熱冷却材入口 ステンレス鋼
２０ 熱冷却材出口 ステンレス鋼
２２ ターゲット・ペレット位置 適用なし
２４ 冷却材通過層 適用なし
２６ ライナー 耐熱金属
３０ 磁気閉じ込めコイル 銅
３２ 磁気閉じ込めドライブ 適用なし
３４ パルス変調器 エレクトロニクス
３６ 誘導Ｘ線エミッタ・ドライバに対する高電圧直流 エレクトロニクス
３８ エネルギ貯蔵及び動力調整 エレクトロニクス
４０ 開始及び補給動力 エレクトロニクス
４２ 電子結合変圧器 各種
４４ 高電圧直流動力源 エレクトロニクス
４６ 直流取り出しグリッド 耐熱金属
４８ エネルギ貯蔵に対する高電圧直流の再循環 適用なし
５６ 平面波 Ｘ線
５８ アポダイジング・フィルタ 種々の低Ｚ材料
６０ 校正された波面 Ｘ線
６２ 崩壊進行波 電子
６４ 陽極 耐熱金属；高−Ｚ
６６ グリッド 耐熱金属
６８ 陰極 黒鉛（好ましい
実施例）
７０ 同軸コンデンサ 誘電性／金属層
７２ 陰極フィードスルー セラミック及び金属
７４ グリッド・フィードスルー セラミック及び金属
７６ ガラス真空容器 ガラス（セラミック
、ステンレス鋼）
７８ 放射能シールド 鉛
８０ 陽極出力絶縁体 セラミック
８４ 電子結合変圧器（ＥＣＴ）入力波形 適用なし
８６ 電子結合変圧器（ＥＣＴ）出力波形 適用なし
９０ バーカトール陰極 黒鉛
９２ バーカトール・グリッド 耐熱金属
９３ バーカトール陰極の穴 適用なし
９４ 陽極のメッシュ 耐熱金属
９６ 出力窓 高周波透過の低−
Ｚセラミック
９８ 共振循環空洞 ステンレス鋼又は銅
１００ 据え付けフランジ ステンレス鋼
１０２ 陰極フィードスルー セラミック及び金属
１０４ 陰極支持体 耐熱金属
１０６ グリッド・フィードスルー セラミック及び金属
１０８ グリッド支持体 耐熱金属
１１０ ゲッター・ポンプ 適用なし
１１２ ゲッター・ポンプ・フィードスルー セラミック及び金属
１１４ ＭＩＬＯ陰極 黒鉛
１１６ ＭＩＬＯ陰極支持体 耐熱金属
１１８ ＭＩＬＯグリッド 耐熱金属
１２０ ＭＩＬＯグリッド支持体 耐熱金属
１２２ ドリフト管 耐熱金属
１２４ ドリフト管支持体 セラミック
１２５ ドリフト管の丸みをつけた端部 耐熱金属
１２６ 内部陽極の絶縁体 セラミック
１２８ グリッド絶縁体 セラミック
１３０ 上グリッドの支持リング ステンレス鋼
１３２ 下グリッドの支持リング ステンレス鋼
１３４ 位相マッチング・ネットワークの電線 ステンレス鋼
１３６ 位相マッチング・ネットワークのコネクタ ステンレス鋼
１３８ 内部陽極の絶縁体 セラミック
１４０ 位相マッチング・ネットワーク端部の絶縁体 セラミック
１４２ グリッドの出力端 耐熱金属
１４４ グリッド・フィードスルーへの電線 セラミック及び金属
１４６ グリッドの緊張用ばね ステンレス鋼
１４８ ワッシャー ステンレス鋼
１５０ 六角ナット ステンレス鋼
１５２ 位相マッチング・ネットワークの絶縁体 ステンレス鋼
引用参考文献
次の参考文献が簡潔に明細書に引用されている。例えば、著者「ナカイ」に係る短い参考文献は、（ナカイ文献）と記されている。
「点火のためのターゲットの設計について」スティーブン ハーン、ローレンス リバモア サイエンス アンド テクノロジー レビュー １９９９年７月／８月
「物理学の争点 慣性閉じ込め核融合反応のターゲットのゲイン及びドライバの条件を定める：論文」モルドケイ Ｄ ローゼン、ローレンス リバモア ナショナル ラボラトリー、リバモア、カルフォルニア ９４５５０ １９９８年１１月１２日、フィジックス オブ プラズマ、巻６第５
「慣性閉じ込め核融合爆縮の収斂流体力学」Ｃ．Ｗ．ベームス、ＬＬＮＬ フィジックス ディビジョン １３２ プログレス レポート １９９７−１９９８
「ゲッコー ＸＩＩの直接駆動レーザ核融合における流体力学的不安定性上の基礎実験」レーザ エンジニアリング学会、大阪大学、日本
「プラズマ・フォーカス装置による高速中性子の産生」モシュ ガル、核科学研究所 アベリー ポイント、コネチカット大学、２００６年５月５日
次の参考文献が簡潔に明細書に引用されている。例えば、著者「ナカイ」に係る短い参考文献は、（ナカイ文献）と記されている。
「点火のためのターゲットの設計について」スティーブン ハーン、ローレンス リバモア サイエンス アンド テクノロジー レビュー １９９９年７月／８月
「物理学の争点 慣性閉じ込め核融合反応のターゲットのゲイン及びドライバの条件を定める：論文」モルドケイ Ｄ ローゼン、ローレンス リバモア ナショナル ラボラトリー、リバモア、カルフォルニア ９４５５０ １９９８年１１月１２日、フィジックス オブ プラズマ、巻６第５
「慣性閉じ込め核融合爆縮の収斂流体力学」Ｃ．Ｗ．ベームス、ＬＬＮＬ フィジックス ディビジョン １３２ プログレス レポート １９９７−１９９８
「ゲッコー ＸＩＩの直接駆動レーザ核融合における流体力学的不安定性上の基礎実験」レーザ エンジニアリング学会、大阪大学、日本
「プラズマ・フォーカス装置による高速中性子の産生」モシュ ガル、核科学研究所 アベリー ポイント、コネチカット大学、２００６年５月５日
前記した文献は、高電圧直流エネルギ及び熱エネルギの双方が取り出される核融合動力システムを記述している。一実施例において、取り出された高電圧直流エネルギは、制御された核融合反応を維持又は継続するためのエネルギ源として使用することができる。ターゲット・ペレットに駆動エネルギを集中させる際の高い流体力学的安定性は、燃料ペレットに到達する駆動エネルギの波面を整えるためのアポダイジング・フィルタを用いることにより実現することができる。
本発明は図面を介しての特定の実施例に関して説明したが、当業者には幾多の変形及び変更が思い浮かぶであろう。したがって、添付の請求の範囲が、本発明の真の範囲及び精神の中に含まれる全ての変形及び変形に及ぶものと理解されるべきである。
Claims (31)
- ａ）それぞれが球状の核融合ターゲット・ペレットを逐次受け入れるための中央ターゲット室と、
ｂ）前記ペレットの核融合反応を生じさせて核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出すべく前記室内の核融合ターゲット・ペレットに同時発生X線パルスエネルギを直接供給するために前記ターゲット室の周囲に対称対に配置された、数量が少なくとも６である複数のエネルギ・ドライバであって、
ｃ）前記核融合ターゲット・ペレットに同時発生X線パルスをそれぞれ供給するため、前記核融合ターゲット・ペレットに関して３次元的に対称であるように向けられた複数のエネルギ・ドライバと、
ｄ）前記核融合反応の開始のための前記核融合ターゲット・ペレットに専らパルス形式の同時発生X線エネルギを供給するように前記エネルギ・ドライバを制御するための手段と、及び
ｅ）前記核融合反応からエネルギを取り出すための複数の手段であって、
ｉ）前記核融合プラズマから高圧直流エネルギを取り出すための手段と、
ｉｉ）前記中央ターゲット室から熱エネルギを取り出すための手段とを備える複数の手段とを含む、
慣性閉じ込め核融合反応からエネルギを取り出すためのシステム。 - 各エネルギ・ドライバは単一の装置を備え、該単一の装置は、
ａ）核融合プラズマ及び熱の形態でのエネルギの放出を生じさせるために、前記核融合ターゲット・ペレットに前記制御された核融合反応を経るようにさせるためのＸ線パルスと、
ｂ）前記核融合ターゲット・ペレットを加熱するための高周波エネルギとを発生させる、
請求項１に記載のシステム。 - さらに、
ａ）前記核融合ターゲット・ペレットの面から前記Ｘ線パルスの波面が凹形の新形態をとるようにさせる、各エネルギ・ドライバに関連するアポダイジング構造を含み、
ｂ）前記アポダイジング構造は、
ｉ）前記Ｘ線パルスの方向に沿って厚さ寸法が変化する固形物により構成されるアポダイジング・フィルタであって、前記アポダイジング・フィルタの前記厚さ寸法が前記Ｘ線パルスの波面の中心近傍において前記波面の端の近傍におけるより大きい固形物、又は
ｉｉ）回折光学部品のいずれか一方により規定されている、
請求項１に記載のシステム。 - さらに、
ａ）前記核融合ターゲット・ペレットの面から前記Ｘ線パルスの波面が凹形の新形態をとるようにさせる、各エネルギ・ドライバに関連するアポダイジング構造を含み、
ｂ）前記アポダイジング構造は、
ｉ）前記Ｘ線パルスの方向に沿って厚さ寸法が変化する固形物により構成されるアポダイジング・フィルタであって、前記アポダイジング・フィルタの前記厚さ寸法が前記Ｘ線パルスの波面の中心近傍において前記波面の端の近傍におけるより大きい固形物、又は
ｉｉ）回折光学部品のいずれか一方により規定されている、
請求項２に記載のシステム。 - 前記複数のエネルギ・ドライバはエネルギ貯蔵手段から動力を供給され、
前記エネルギ貯蔵手段は、
ａ）開始動力及び補給動力を提供する第１の動力源と、
ｂ）前記核融合プラズマから取り出された高電圧直流動力からエネルギを得る第２の動力源とから動力を受け取り、
前記開始動力は前記核融合反応を生じさせるために必要な総エネルギであり、また前記補給動力は前記核融合反応の操作を維持するために前記第２の動力源から前記エネルギに加えられるエネルギである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。 - 各エネルギ・ドライバは、酸素、窒素、ネオン、アルゴン、クリプトン、ラドン、ビスマス、水銀及びウランのうちの１つ又はこれらの組み合わせからなるＸ線源ガスを使用する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。 - 各エネルギ・ドライバは、２００電子ボルト及び１００キロ電子ボルト間のＸ線駆動エネルギを有する、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。 - 各エネルギ・ドライバは、７及び９３間の原子番号を有する任意の元素のうちの１つ又はこれらの組み合わせからなるレージング媒質を使用する、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。 - 各エネルギ・ドライバは、円筒状の三極電子管であって該電子管の主軸線に沿った中空の中心陽極と該陽極から半径方向に間隔をおかれたグリッド及び陰極とを有する三極電子管を備えるＸ線源を含み、該Ｘ線源は、前記グリッド及び前記陰極の関係がＴＥモードを支持する円形導波管を形成するように設計され、
各エネルギ・ドライバは、
ａ）前記陰極及びグリッドが、各エネルギ・ドライバの一次軸線に沿って光速で進行しかつ前記ＴＥモードにある、半径方向に対称の崩壊進行波を生じさせる進行波電子銃を形成し、
ｂ）半径方向に対称の崩壊進行波が前記陽極に沿って光速で掃引し、また電子が前記陽極の壁を突き抜け、制動放射及び電子の領域を生じさせるに十分なエネルギ状態にあり、領域が波面として前記陽極内の中空の空間に沿って光速で掃引し、前記内部空間が、掃引された制動放射領域及び電子波面により完全にイオン化されたレージング媒質で満たされており、
ｃ）前記掃引された制動放射領域及び電子波面のエネルギが前記陰極の分配電極間容量に含まれる前記エネルギにより又は分配された電極間容量及びグリッドに含まれるエネルギから、及び外部エネルギ貯蔵手段から、汲み上げられる、
請求項１に記載のシステム。 - 前記外部エネルギ貯蔵手段は、前記陰極の外面上に同軸に巻かれた同軸コンデンサを含む、
請求項９に記載のシステム。 - 前記制動放射の掃引された領域及び電子波面のエネルギは、前記陰極の分配電極間容量に含まれる前記エネルギにより又は分配された電極間容量及びグリッドに含まれるエネルギから、及び外部エネルギ貯蔵手段から、線形態様で汲み上げられる、
請求項９に記載のシステム。 - ａ）前記Ｘ線源は、また、前記陽極の出力端で高電圧パルスを発生させ、
ｂ）前記高電圧パルスは、前記Ｘ線パルスと同時に起こる高周波エネルギの位相可干渉バーストを生じさせるために、前記Ｘ線源の陽極の出力端に取り付けられた共振空洞及び電子銃を含む高周波発生手段により前記核融合ターゲット材料を加熱するための高周波加熱パルスを発生するために用いられる、
請求項９に記載のシステム。 - 前記第１の動力源は、前記第２の動力源により発生された動力と両立し、またこれに加えられる高電圧パルスを生じさせるために電子結合変圧器を使用する、
請求項５に記載のシステム。 - 前記電子結合変圧器は、
ａ）円筒状の三極電子管であって、該管の主軸線に沿った固形の中央陽極と該陽極から半径方向に間隔をおかれたグリッド及び陰極とを有する三極電子管を含み、前記電子結合変圧器が、前記出力端で測定された電圧が前記掃引された電子ビームの作用として上昇するように設計され、
ｉ）前記陰極及びグリッドが、各エネルギ・ドライバの前記一次軸線に沿って光速で進行しまたＴＥモードにある、半径方向に対称の崩壊進行波を生じさせる進行波電子ガンを形成し、
ｉｉ）半径方向に対称の崩壊進行波が光速で前記陽極に沿って掃引し、また、半径方向に対称の崩壊進行波が光速で前記陽極に沿って掃引し、また電子が前記陽極の壁を突き抜け、制動放射及び電子の領域を生じさせるに十分なエネルギ状態にあり、
ｂ）前記陰極及びグリッドが、構造の一次軸線に沿って光速で進行しかつ前記ＴＥモードにある、半径方向に対称の崩壊進行波を生じさせる進行波電子銃を形成し、
ｃ）半径方向に対称である崩壊進行波が光速で前記陽極に沿って掃引し、またそのエネルギを前記陽極上に蓄積し、
ｄ）前記電子結合変圧器のエネルギは、前記陰極の分配電極間容量に含まれる前記エネルギにより又は分配された電極間容量及びグリッドに含まれるエネルギから、及び外部エネルギ貯蔵手段から汲み上げられる、
請求項１３に記載のシステム。 - 前記外部エネルギ貯蔵手段は、前記陰極の外面上に同軸に巻かれた同軸コンデンサを含む、
請求項１４に記載のシステム。 - 前記電子結合変圧器のエネルギは、前記陰極の分配電極間容量に含まれる前記エネルギにより又は分配された電極間容量及びグリッドに含まれるエネルギから、及び外部エネルギ貯蔵手段から、線形の態様で汲み上げられる、
請求項１４に記載のシステム。 - 各エネルギ・ドライバの高周波発生手段は、前記電子銃の陰極内に中央穴を有する仮想陰極オシレータを含み、前記中央穴はＸ線パルスが前記陰極を通過することを許す、
請求項１２に記載のシステム。 - 各エネルギ・ドライバの高周波発生手段は、Ｘ線パルスが前記陰極を通過することを許す前記電子銃の陰極内の中央穴を有する磁気絶縁線形オシレータを形成する円筒状のドリフト管を組み込んでいる、
請求項１２に記載のシステム。 - 前記高周波発生手段は、前記エネルギ・ドライバの内部相互連結エレメントによるＸ線パルスの放出後に自動的に逐次トリガーを引かれる、
請求項１７又は１８に記載のシステム。 - ａ）前記ドリフト管は、該管の内面上に反復する回折格子の幾何学的形状を有し、
ｂ）前記回折格子の幾何学的形状の反復及び形と、前記入射電子ビームのエネルギとは、前記磁気絶縁線形オシレータの高周波出力の周波数スペクトルを決定し、
ｃ）前記電子ビームのエネルギは１００，０００電子ボルトより大きい、
請求項１８に記載のシステム。 - ａ）前記ドリフト管は、該管の内面上に反復する回折格子の幾何学的形状を有し、
ｂ）前記回折格子の幾何学的形状の反復及び形と、前記入射電子ビームのエネルギとは、前記磁気絶縁線形オシレータの高周波出力の周波数スペクトルを決定し、
ｃ）前記電子ビームのエネルギは１００，０００電子ボルトより大きい、
請求項１９に記載のシステム。 - ａ）核融合ターゲット材料を受け入れるための中央ターゲット室を準備すること、
ｂ）前記核融合ターゲット材料の制御された核融合反応を生じさせて核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出すべく前記室内の核融合ターゲット材料にエネルギを供給するために前記ターゲット室の周囲に配置された、数量が少なくとも６である複数のエネルギ・ドライバであって、該エネルギ・ドライバが前記核融合ターゲット材料の球形のペレットに関して３次元的に対称である、前記核融合ターゲットに電磁エネルギを供給するために向けられている複数のエネルギ・ドライバを配置すること、
ｃ）前記核融合反応からエネルギを取り出すための複数の手段を準備することであって、これが
ｉ）前記核融合プラズマからエネルギを取り出すための手段を準備すること、及び
ｉｉ）前記中央ターゲット室から熱エネルギを取り出すための手段を準備することを含む、
制御された核融合反応からエネルギを取り出す方法。 - ａ）各エネルギ・ドライバは、前記核融合ターゲット材料に前記制御された核融合反応を経るようにさせるためのＸ線パルスを発生させ、
ｂ）前記方法は、さらに、回折光学部品又は前記Ｘ線パルスの方向に沿って厚さ寸法が変化する固形物であって、アポダイジング・フィルタの厚さ寸法が前記Ｘ線パルスの波面の中心近傍において前記波面の端の近傍におけるより大きい固形物のいずれか一方により規定されたアポダイジング構造により、前記核融合ターゲット材料の面から前記Ｘ線パルスが凹形の新形態をとるようにさせることを含む、
請求項２３に記載の方法。 - 高電圧パルスを生じさせるための電子結合変圧器であって、
ａ）円筒状の三極電子管であって該電子管の主軸線に沿った固形の中心陽極と該陽極から半径方向に間隔をおかれたグリッド及び陰極とを有する三極電子管を含み、
前記電子結合変圧器が、出力端で測定された電圧が、掃引された電子ビームの作用として上昇するように設計され、
ｉ）前記陰極及びグリッドが、各エネルギ・ドライバの一次軸線に沿って光速で進行しかつＴＥモードにある、半径方向に対称の崩壊進行波を生じさせる進行波電子銃を形成し、
ｉｉ）前記電圧が半径方向に対称の崩壊進行波電子ビームの掃引と同時に前記陽極の長さに沿って高まることを許すように前記半径方向に対称の崩壊進行波が光速で前記陽極に沿って掃引し、
また、
ｂ）前記陰極及びグリッドが、前記構造の一次軸線に沿って光速で進行しかつ前記ＴＥモードにある、半径方向に対称の崩壊進行波を生じさせる進行波電子銃を形成し、
ｃ）半径方向に対称の崩壊進行波が光速で前記陽極に沿って掃引し、そのエネルギを前記陽極上に蓄積し、
ｄ）前記電子結合変圧器のエネルギは、前記陰極の分配された電極間容量に含まれる前記エネルギにより又は分配された電極間容量及びグリッドに含まれるエネルギから、及び外部エネルギ貯蔵手段から汲み上げられる、
電子結合変圧器。 - 前記外部エネルギ貯蔵手段は、前記陰極の外面上に同軸に巻かれた同軸コンデンサを含む、
請求項２４に記載の電子結合変圧器。 - 前記掃引された波面のエネルギは、前記陰極の分配された電極間容量に含まれる前記エネルギにより又は分配された電極間容量及びグリッドに含まれるエネルギから、及び外部エネルギ貯蔵手段から、線形の態様で汲み上げられる、
請求項２４に記載の電子結合変圧器。 - 前記アポダイジング構造は、前記Ｘ線パルスの方向に沿って厚さ寸法が変化する固形物であって、アポダイジング・フィルタの前記厚さ寸法が前記Ｘ線パルスの波面の中心近傍において前記波面の端の近傍におけるより大きい固形物により規定されている、
請求項３又は４に記載のシステム。 - 前記核融合ターゲット材料の面から前記Ｘ線パルスの波面が凹形の新形態をとるようにさせることは、前記Ｘ線パルスの方向に沿って厚さ寸法が変化する固形物であって、アポダイジング・フィルタの前記厚さ寸法が前記Ｘ線パルスの波面の中心近傍において前記波面の端の近傍におけるより大きい固形物として規定されたアポダイジング構造による、
請求項２３に記載の方法。 - ドリフト管であって、
ａ）中空の円筒状の伝導性エレメントであって該エレメントの内面上に回折格子面を有するエレメントを含み、
ｂ）前記回折格子面は、電子ビーム源からの近相対論的電子ビームが前記エレメントの内部空間を横切るときに前記ビームが前記エレメントの中心軸線に沿った前記内部格子面上で最内面の複数の点に接するように、特定のピッチ及びブレーズ角を有し、
ｃ）前記ドリフト管の両端部が電気応力の増大を最小にするように丸くされており、
ｄ）前記電子ビームの相互作用及び前記最内面の点が、スミス・パーセル効果による予測可能の高周波放射を生じさせる、
ドリフト管。 - 前記回折格子面は、該回折格子面のピッチに等しいピッチを有する連続したねじ面と、前記ブレーズ角に等しい輪郭とを含む、
請求項２９に記載のドリフト管。 - 前記ドリフト管は、前記電子ビーム源から電気的に絶縁され、また、どのような電圧であっても前記中空のエレメントが自然に上昇するように浮くことが可能とされている、
請求項２９に記載のドリフト管。
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