JP2020013738A - 核融合中性子生成装置の制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】核融合中性子生成装置を迅速且つ安定して制御できること。【解決手段】核融合反応により中性子を生成する核融合中性子生成装置の制御システム１０であって、校正曲線・モデル保持部２０及び指示値算出部２１を備えて核融合中性子生成装置Ｍを制御する制御手段１１を有し、校正曲線・モデル保持部２０は、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧、陰極に流れる印加電流、及び真空容器１内の燃料ガス圧力を含む制御パラメータと、核融合中性子生成装置により生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を保持し、指示値算出部２１は、核融合中性子生成装置が生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための制御パラメータの値を、核融合中性子生成装置により生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を用いて算出し、この制御パラメータの値に基づく制御指示値を、高電圧印加手段５及び燃料ガス圧力調整手段６へ出力する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、核融合中性子生成装置の制御システム及び核融合中性子生成装置の制御方法に関する。

一般に、核融合中性子生成装置は、慣性静電閉じ込め式核融合反応を用いた装置が知られている。この慣性静電閉じ込め式核融合反応を用いた装置は、陽極２を兼ねる球形状の真空容器の中心に、同心球に格子状の陰極を配置した構造になっている。真空容器内に重水素等の燃料ガスを充填し、陽極２、陰極間に数ｋＶから１００ｋＶ程度の高電圧を印加することで、放電によって重水素イオン等が発生する。発生したイオンは両電極間の電場により中心に向かって加速収束される。陰極が格子状になっているため、大部分のイオンは陰極に衝突せず陰極内部に到達し、陰極内部から外側に飛び出し、電場によって再び中心に向かって加速収束される。陰極の球中心部で高密度となったイオンが相互に衝突したり、燃料ガスと衝突したり、あるいは陰極や陽極２に埋め込まれた燃料ガスの粒子に衝突することで核融合反応が発生し、中性子や荷電粒子が生成される。

また、陽極２と陰極を円筒形状にし、両極を同軸上に配置した装置もある。上述の核融合中性子生成装置で得られる中性子や荷電粒子は核物質探知、火薬探知、非破壊検査への応用が期待されており、核融合中性子生成装置の動作の安定化が求められている。

特開２００４−１３２７１８号公報 特開２００１−１３３５７０号公報 特開２００４−３１１１５２号公報 特開２００８−２０２９４２号公報 特開２０１７−９１８３３号公報

上述の核融合中性子生成装置を非破壊検査等の用途で用いるためには、中性子生成量（強度）を安定化させる必要がある。この中性子生成量は、装置内の放電の条件や状態に依存するため、装置内の燃料ガス圧力や装置温度、印加電圧、印加電流等の放電に影響するパラメータが変動することで、中性子生成量も変動してしまう。従って、これらのパラメータを適切にチューニングすることで、放電状態を安定して制御することが原理的には可能である。

しかしながら、各パラメータには相互に依存関係があるため、パラメータのチューニングは容易でないという課題がある。また、ＰＩＤ制御等の単純なフィードバック制御を行うことでも制御可能であるが、制御の安定性や制御設定値のチューニング、制御に要する時間等に課題がある。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、核融合中性子生成装置を迅速且つ安定して制御できる核融合中性子生成装置の制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態における核融合中性子生成装置の制御システムは、陽極を備えた真空容器内に、陰極が配置されると共に、燃料ガスが燃料ガス圧力調整手段により導入され、高電圧印加手段から前記陽極、前記陰極間に所定の電圧が印加されて放電が生じた状態で前記燃料ガスがイオン化され、このイオンが前記陰極へ向かって加速され収束されて衝突することで核融合反応が生起され、この核融合反応により中性子を生成する核融合中性子生成装置の制御システムであって、校正曲線・モデル保持部及び指示値算出部を備えて前記核融合中性子生成装置を制御する制御手段を有し、前記校正曲線・モデル保持部は、前記陽極、前記陰極間に印加される印加電圧、前記陰極に流れる印加電流、及び前記真空容器内の燃料ガス圧力を含む制御パラメータと、前記核融合中性子生成装置により生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を保持し、前記指示値算出部は、前記核融合中性子生成装置が生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための前記制御パラメータの値を、前記校正曲線・モデル保持部に保持された前記関係を用いて算出し、この算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を、前記高電圧印加手段及び前記燃料ガス圧力調整手段へ出力するよう構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態における核融合中性子生成装置の制御方法は、陽極を備えた真空容器内に、陰極が配置されると共に、燃料ガスが燃料ガス圧力調整手段により導入され、高電圧印加手段から前記陽極、前記陰極間に所定の電圧が印加されて放電が生じた状態で前記燃料ガスがイオン化され、このイオンが前記陰極へ向かって加速され収束されて衝突することで核融合が生起され、この核融合により中性子を生成する核融合中性子生成装置の制御方法であって、前記陽極、前記陰極間に印加される印加電圧、前記陰極に流れる印加電流、及び前記真空容器内の燃料ガス圧力を含む制御パラメータと、前記核融合中性子生成装置により生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を保持する校正曲線・モデル保持部を用意し、前記核融合中性子生成装置が生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための前記制御パラメータの値を、前記校正曲線・モデル保持部に保持された前記関係を用いて算出し、この算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を、前記高電圧印加手段及び前記燃料ガス圧力調整手段へ出力して、前記核融合中性子生成装置を制御することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、核融合中性子生成装置を迅速且つ安定して制御できる。

第１実施形態に係る核融合中性子生成装置の制御システムにおける構成を示すブロック図。 図１の核融合中性子生成装置が生成する中性子生成量に対応する中性子束と、陽極、陰極間に印加される印加電圧と、陰極に流れる印加電流との関係を示すグラフ。 図１の陽極、陰極間に印加される印加電圧と、陰極に流れる印加電流との関係を示すグラフ。 図１の陽極、陰極間に印加される印加電圧と、真空容器内の燃料ガス圧力との関係を示すグラフ。 図１の真空容器の表面温度を含む装置温度と、陽極、陰極間に印加される印加電圧と、陰極に流れる印加電流との関係を示すグラフ。 図１の制御手段における指示値算出部が行なう制御手順を示すフローチャート。 第２実施形態に係る核融合中性子生成装置の制御システムにおける構成を示すブロック図。 図７のパルス特性算出部に取り込まれるトリガーパルス、パルス電圧及びパルス電流の波形をそれぞれ示すグラフ。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図６）
図１に示す核融合中性子生成装置の制御システム１０が制御対象とする核融合中性子生成装置Ｍは、核融合反応により中性子を生成するものであり、真空容器１、陽極２、陰極３、高電圧導入手段４、高電圧印加手段５、燃料ガス圧力調整手段６及び冷却手段７を有して構成される。

真空容器１の形状は球形、円筒形、６面体など任意の形状が選択可能である。また、真空容器１の材質は、ステンレスやアルミニウム、チタン等のような導電性の物質、またはガラスなどの絶縁性の物質から構成される。本実施形態では、真空容器１は、例えばＳＵＳ３０４から成る円筒形状に構成されている。

陽極２は、真空容器１に備えられる。つまり、陽極２は、真空容器１の内壁と陰極３との間に設置される電極であり、導電性の物質から構成される。本実施形態では、真空容器１の内壁が導電性の物質で構成されていることから、この真空容器１の内壁が陽極２を兼ねる。この場合、真空容器１は接地される。また、陽極２の形状は、陰極３の形状に応じて選択可能である。

陰極３は、陽極２を兼ねる真空容器１の内側に配置され、タングステンやチタン、タンタル等のように導電性があり、且つ高融点の材質からなる籠状の電極である。この籠状の陰極３の幾何学的透過率は９０％以上であることが望ましい。また、陰極３の形状は、円筒形状や球形状、リング形状などの形状とすることが可能である。例えば、陰極３は、純タングステンからなる円筒形状で、幾何学的透過率９５％に構成される。本実施形態では、陽極２を兼ねた円筒形状の真空容器１と円筒形状の陰極３とが同心軸状に設置されており、陽極２、陰極３間に電圧が印加された際に、真空容器１（陽極２）と陰極３間に周方向に対称な電場分布が形成される。

なお、陽極２と陰極３との間に、導電性の材質からなる籠状の電極である中間電極が、１個以上設置されてもよい。この中間電極の幾何学的透過率は９０％以上であることが望ましい。また、中間電極の形状は円筒形状や球形状、リング形状などの形状としてもよい。

陰極３は、高電圧導入手段４により支持される。この高電圧導入手段４は、高電圧に耐え得る耐電圧性能を有した高電圧ケーブル８を介して、真空容器１の外側にある高電圧印加手段５に接続される。高電圧導入手段４は、真空容器１の内側にある陰極３に、高電圧印加手段５からの所定の高電圧、高電流を導入する機能を果たす。また、高電圧導入手段４は周囲が絶縁体で囲まれており、真空容器１（陽極２）と陰極３とを電気的に絶縁する。更に、高電圧導入手段４は、真空に関しても、真空容器１の外側（大気圧側）と内側（真空側）とをシールしている。本実施形態では一例として、モリブデンの周囲をアルミナで囲った高電圧導入手段４が用いられる。

高電圧印加手段５は、高電圧導入手段４を介して、陽極２ （真空容器１）と陰極３との間に、負極性の所定（数ｋＶ〜１００ｋＶ程度）の高電圧を印加するための直流電源または交流電源（本実施形態では直流電源）である。この高電圧印加手段５は、上述のように真空容器１の外側に配置されている。

燃料ガス圧力調整手段６は、重水素、３重水素、またはそれらの混合ガスから構成された燃料ガスを真空容器１内に導入すると共に、真空容器１の内部の燃料ガス圧力を調整する。本実施形態では、燃料ガス圧力調整手段６は、例えば重水素ガスが封入されたボンベと、このボンベから真空容器１に導入される重水素ガスの流量を制御する質量流量コントローラと、真空容器１の内部の排気を行う真空ポンプとを有してなる。なお、燃料ガス圧力調整手段６は、水素吸蔵合金を用いた圧力調整手段であってもよい（特許文献５参照）。

冷却手段７は、水等の液冷媒の温度を管理しながら液冷媒を循環させることで、真空容器１、高電圧導入手段４及び燃料ガス圧力調整手段６を温度調整、主に冷却する。この冷却手段７は、真空容器１、高電圧導入手段４及び燃料ガス圧力調整手段６をペルチェ素子を用いて冷却したり、冷風機を用いて空冷してもよい。

上述のように構成された核融合中性子生成装置Ｍによる中性子の生成工程を次に述べる。高電圧印加手段５により、陽極２を兼ねた真空容器１と陰極３との間に負極性の所定の高電圧が印加される。この陽極２（真空容器１）と陰極３との間に印加された負極性の高電圧によって、真空容器１内に径方向内向きの電場が発生すると共に、陽極２（真空容器１）と陰極３との間でグロー放電が生じて、燃料ガスがイオン化される。陰極３と真空容器１との間の空間で生成されたイオンは、陰極３に向かって加速され、この加速されたイオンは、陰極３の隙間を通過して陰極３の内側に収束される。この加速され収束されたイオン同士による衝突や、イオンと燃料ガスとの衝突等によって核融合反応が生起される。燃料ガスに重水素が用いられた場合、上述の核融合反応によって中性子や陽子が発生し生成される。

上述の核融合中性子生成装置Ｍを制御する核融合中性子装置生成装置の制御システム１０は、高電圧印加手段６、燃料ガス圧力調整手段６及び冷却手段７を制御する制御手段１１と、この制御手段１１へそれぞれの測定値信号を送信する電圧モニタ１３、電流モニタ１４、圧力モニタ１５、中性子モニタ１６及び装置温度モニタ１７とを有して構成される。更に、制御手段１１は、設定値入力部１８、生成部１９、校正曲線・モデル保持部２０、指示値算出部２１及び入出力部２２を備え、例えばＬＡＮポートやＵＳＢポートを具備するＰＣ（パーソナルコンピュータ）から構成される。

電圧モニタ１３は、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧や高電圧印加手段５の出力電圧を測定する。この電圧モニタ１３は、本実施形態では、陽極２、陰極３間に印加される電圧を、抵抗で分圧することで測定している。この他にも、真空容器１内の放電（プラズマ）の状態を、光学的に計測（分光測定）して電圧を測定する電圧モニタ１３であってもよい。

電流モニタ１４は、陰極３に流れる電流や高電圧印加手段５からの出力電流を測定する。電流モニタ１４は、本実施形態では、陰極３に設けたロゴスキーコイルで電流を計測している。また、圧力モニタ１５は、真空容器１の内部の燃料ガス圧力を計測する。この圧力モニタ１５としては、電離真空計や膜厚式真空計等の種々の真空計が利用される。

中性子モニタ１６は、任意の位置での中性子を測定する検出器と、この検出器にて得られた測定値信号を処理する信号処理部とを備えて構成される。この中性子モニタ１６によって、核融合中性子生成装置Ｍにて生成された中性子生成量に対応する中性子束や、中性子のエネルギースペクトルが、検出器の位置で取得される。中性子モニタ１６の一例としては、Ｈｅ_３中性子検出器や液体シンチレーション検出器などの任意の検出器が使用可能である。また、中性子モニタ１６が測定する中性子については、核融合反応で発生した高速中性子や熱化した熱中性子などの任意のエネルギーの中性子が、使用される検出器に応じて選択して測定される。また、中性子モニタ１６は、陽子などの荷電粒子を測定することも可能である。

装置温度モニタ１７は、真空容器１の表面や陰極３等の核融合中性子生成装置Ｍの温度を装置温度として測定する。この装置温度モニタ１７は、一例として、赤外線や遠赤外線を用いた放射温度計、または熱電対式の温度計である。また、装置温度モニタ１７は、装置温度を測定する以外にも、真空容器１内のプラズマの温度を、ラングミュアプローブや分光等の手法を用いて測定してもよい。本実施例では、装置温度モニタ１７は、真空容器１の表面温度及び高電圧導入手段４の端子近傍の表面温度を、装置温度として測定する放射温度計を用いている。

制御手段１１における設定値入力部１８は、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子生成量に対応する中性子束の設定値を、ユーザーが任意の値に設定するためのユーザーインターフェイスである。また、入出力部２２は、電圧モニタ１３、電流モニタ１４、圧力モニタ１５、中性子モニタ１６及び装置温度モニタ１７からの測定値信号を入力し、更に、指示値算出部２１にて算出された制御指示値（後述）を核融合中性子生成装置Ｍの高電圧印加手段５、燃料ガス圧力調整手段６及び冷却手段７へ出力するためのインターフェイスである。

校正曲線・モデル保持部２０は、高電圧印加手段５により陽極２、陰極３間に印加される印加電圧（放電電圧）、陰極に流れる印加電流（放電電流）、燃料ガス圧力調整手段６により調整される真空容器１内の燃料ガス圧力、及び真空容器１の表面温度を含む核融合中性子生成装置Ｍの装置温度などの制御パラメータと、核融合中性子生成装置Ｍにより生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を規定する関係式が表す校正曲線を保持する。または、校正曲線・モデル保持部２０は、上記制御パラメータと核融合中性子生成装置Ｍにより生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を学習した機械学習による学習済みモデルを保持する。

つまり、図２に示すように、核融合中性子生成装置Ｍにより生成される中性子生成量に対応する中性子束と、高電圧印加手段５により陽極２、陰極３間に印加される印加電圧（放電電圧）、陰極３に流れる印加電流（放電電流）との間には、印加電圧が増大し、または印加電流が増大するほど、中性子束が増大する相関関係がある。この中性子生成量に対応する中性子束は、陰極３や真空容器１のそれぞれの表面状態、表面温度、または燃料ガス圧力等とも相関する場合がある。

また、図３に示すように、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧（放電電圧）と、陰極３に流れる印加電流（放電電流）との間には、グロー放電を生じさせるために必要な関係がある。更に、図４に示すように、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧（放電電圧）と真空容器１内の燃料ガス圧力との間には、燃料ガス圧力が高いほど印加電圧が減少する相関関係がある。

更に、図５に示すように、真空容器１の表面温度等の装置温度と、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧（放電電圧）、陰極３に流れる印加電圧（放電電流）との間には、印加電圧が増大するほど、または印加電流が増大するほど、装置温度が上昇する相関関係がある。

校正曲線・モデル保持部２０に保持される、上述のような相関関係を有する中性子生成量に対応する中性子束と制御パラメータ（印加電圧、印加電流、燃料ガス圧力、装置温度）との関係を規定する関係式が表す校正曲線、または上記中性子生成量に対応する中性子束と制御パラメータとの関係を学習した機械学習による学習済みモデルは、生成部１９によって予め作成（生成）される。

つまり、生成部１９は、制御パラメータの数が少ない場合には、図２〜図５に示す校正曲線を表す関係式を作成するが、制御パラメータの数が多い場合には、校正曲線の基になる関係式を算出することが困難になるため、本実施形態では、深層学習を含む機械学習によって学習済みモデルを作成する。

この学習済みモデルの作成に関し、生成部１９は、深層学習を行なうためにＬＳＴＭ（Ｌｏｎｇ ｓｈｏｒｔ−ｔｅｒｍ ｍｅｍｏｒｙ）等の任意のモデルを設定可能な多層のニューラルネットを具備する。そして、生成部１９は、核融合中性子生成装置Ｍで生成される中性子生成量に対応する中性子束と多数の制御パラメータとの多数の測定データの組を深層学習で分析し学習して、多数の制御パラメータと上記中性子束との関係性を学習した学習済みモデルを作成する。尚、この生成部１９は、制御手段１１の外部に独立して設けられてもよい。

指示値算出部２１は、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための制御パラメータの値を、設定値入力部１８にて入力された設定値、各種モニタ（電圧モニタ１３、電流モニタ１４、圧力モニタ１５、中性子モニタ１６、装置温度モニタ１７）が測定した測定値、及び校正曲線・モデル保持部２０に保持された校正曲線または学習済みモデルを用いて算出する。更に、指示値算出部２１は、この算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を、入出力部２２を介して、核融合中性子生成装置Ｍの高電圧印加手段５、燃料ガス圧力調整手段６及び冷却手段７へ出力し、これらの高電圧印加手段５、燃料ガス圧力調整手段６及び冷却手段７を制御する。

この指示値算出部２１が行う制御手順を、図６を用いて説明する。まず、指示値算出部２１には、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子生成量に対応する中性子束の設定値が、ユーザーによって設定値入力部１８を介して入力される（Ｓ１）。例えば、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子生成量に対応する中性子束の、中性子モニタ１６の任意の位置での設定値が、Ａ１（ｎ／ｓ／ｃｍ^２）として入力される。ここで、中性子モニタ１６の任意の位置は、核融合中性子生成装置Ｍの真空容器１と中性子モニタ１６との距離がＬ１の場合である。

次に、指示値算出部２１は、入力された中性子束の設定値Ａ１を、校正曲線・モデル保持部２０が予め記録（保持）している、中性子モニタ１６の特定位置での中性子束の値Ａ２に変換する（Ｓ２）。ここで、中性子モニタ１６の特定位置は、核融合中性子生成装置Ｍの真空容器１と中性子モニタ１６との距離がＬ２の場合である。また、変換のために必要な変換式は、中性子束の値と中性子モニタ１６の位置との関数であって、この関数を、核融合中性子生成装置Ｍと中性子モニタ１６との間に介在されて中性子を散乱または減衰させる構造物の特徴に応じて補正するものである。

通常、核融合中性子生成装置Ｍと中性子束モニタ１６との間には空気のみが存在する場合がほとんどであるが、この核融合中性子生成装置Ｍと中性子モニタ１６との間に、中性子を散乱または減衰させる構造物（水、ポリエチレンのブロック、鉛板など）が存在する場合がある。例えば、構造物として水が介在する場合、この水の密度、水の組成比、水の同位体、中性子に対する水の断面積、水の寸法等が、上述の構造物の特徴として挙げられる。

次に、指示値算出部２１は、ステップＳ２で変換した中性子束の変換値Ａ２を得るための制御パラメータ（印加電圧、印加電流、燃料ガス圧力、装置温度）の値を、校正曲線・モデル保持部２０に保持された校正曲線または学習済みモデルを用いて算出する（Ｓ３）。

即ち、ステップＳ３で校正曲線を用いる場合には、指示値算出部２１は、まず、図２に示す中性子束と印加電圧、印加電流との校正曲線を用いて、中性子束Ａ２に対応する印加電圧と印加電流の複数の組み合せを求める。次に、指示値算出部２１は、図２の校正曲線を用いて求めた印加電圧と印加電流の組み合せのうちで、図３に示す印加電圧と印加電流との校正曲線において、グロー放電となる線上にあり、且つ印加電圧と印加電流の積である投入電力量が最小になる印加電流値αと印加電圧値βを求める。

次に、指示値算出部２１は、図４に示す印加電圧と燃料ガス圧力との校正曲線を用いて、図３の校正曲線を用いて求めた印加電圧βに対応する燃料ガス圧力値γを求める。更に、指示値算出部２１は、図５に示す装置温度と印加電流、印加電圧との校正曲線から、図３の校正曲線を用いて求めた印加電流α及び印加電流βに対応する装置温度値δを求める。

指示値算出部２１は、上述のようにして求めた印加電流値α、印加電圧値β、燃料ガス圧力値γ、装置温度値δが各モニタ（電流モニタ１４、電圧モニタ１３、圧力モニタ１５、装置温度モニタ１７）で測定された測定値から掛け離れた値になる場合には、例えば図２、図３の校正曲線を用いて求めた印加電流値α及び印加電圧値βを変更し、この変更した印加電流値α及び印加電圧値βに対応する燃料ガス圧力値γ、装置温度値δを図４、図５を用いて再び求める。これにより、印加電流値α、印加電圧値β、燃料ガス圧力値γ、装置温度値δの値が各モニタの測定値に近い現実的な値になる。

上述のステップ３で、指示値算出部２１が学習済みモデルを用いる場合には、ステップＳ２で変換した中性子束の変換値Ａ２と各モニタ（電流モニタ１４、電圧モニタ１３、圧力モニタ１５、装置温度モニタ１７）の測定値を学習済みモデルに入力することで、各モニタでの測定値に近い現実的な印加電流値α、印加電圧値β、燃料ガス圧力値γ及び装置温度値δを求めることが可能になる。

指示値算出部２１は、図６に示すように、上述のステップＳ３で求めた制御パラメータの値（印加電流値α、印加電圧値β、燃料ガス圧力値γ、装置温度値δ）に基づく制御指示値を、入出力部１８を介して、核融合中性子生成装置Ｍの高電圧印加手段５、燃料ガス圧力調整手段６、冷却手段７へ出力し、核融合中性子生成装置Ｍで生成される中性子生成量に対応する中性子束が設定値Ａ１になるように制御する（Ｓ４）。

また、核融合中性子生成装置Ｍは、稼働によって温度が上昇する。このため、指示値算出部２１は、核融合中性子生成装置Ｍの稼働中に装置温度モニタ１７からの測定値を取り込んで核融合中性子生成装置Ｍの冷却手段７をフィードバック制御し、核融合中性子生成装置Ｍ（特に真空容器１、陰極３、高電圧導入手段４）の温度を、図６のステップ３で算出した装置温度に調整する（Ｓ５）。

更に、指示値算出部２１は、核融合中性子生成装置Ｍの制御精度を向上させ且つ中性子生成装置Ｍの制御時間を短縮するために、電圧モニタ１３、電流モニタ１４、圧力モニタ１５及び中性子モニタ１６の各測定値を取り込んで、核融合中性子生成装置Ｍの高電圧印加手段５及び燃料ガス圧力調整手段６をフィードバック制御し、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧、陰極３に流れる印加電流、真空容器１内の燃料ガス圧力を、ステップ３で算出したそれぞれの値に調整する（Ｓ５）。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）図１に示すように、制御手段１１の指示値算出部２１は、陽極２、陰極３間に印加される印加電圧、陰極３に流れる印加電流、真空容器１内の燃料ガス圧力、及び真空容器１の表面温度などの核融合中性子生成装置Ｍの装置温度を含む制御パラメータと、核融合中性子生成装置Ｍにより生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を規定する関係式が表す校正曲線、または上記制御パラメータと上記中性子束との関係を学習した機械学習（例えば深層学習）による学習済みモデルを用いて、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子量に対応する中性子束を得るための制御パラメータの値を算出する。更に、制御手段１１の指示値算出部２１は、算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を、核融合中性子生成装置Ｍの高電圧印加手段５、燃料ガス圧力調整手段６及び冷却手段７へ出力して、核融合中性子生成装置Ｍを制御する。

この結果、例えばＰＩＤ制御などのような単純なフィードバック制御に比べて、核融合中性子生成装置Ｍを迅速且つ安定して制御できる。従って、この核融合中性子生成装置Ｍを非破壊検査等に用いることで、この非破壊検査等で検査対象に照射される中性子束や中性子エネルギーを安定化でき、非破壊検査等で検査結果を定量的に評価できる。

［Ｂ］第２実施形態（図７、図８）
図７は、第２実施形態に係る核融合中性子生成装置の制御システムにおける構成を示すブロック図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の核融合中性子生成装置の制御システム２５が第１実施形態と異なる点は、高電圧印加手段が、陽極２、陰極３間にパルス状のパルス電圧を印加し、陰極３にパルス状のパルス電流を流すパルス電源２６であり、更に、電圧モニタ１３及び電流モニタ１４にパルス特性算出部２７が接続して構成された点である。

パルス電源２６は、このパルス電源２６の充電電圧、並びにトリガーパルスのパルス幅Ｑ（図８）及び繰り返し周波数等を任意に設定することで、核融合中性子生成装置Ｍの陽極２、陰極３間にパルス電圧を印加し、陰極３にパルス電流を流す。

パルス特性算出部２７は、核融合中性子生成装置Ｍの陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧、陰極３に流れるパルス電流のそれぞれの時間変化の波形（図８）を分析して、パルス電圧値Ｖ、パルス電流値Ｉ、パルス電流のパルス幅Ｐ、並びにパルス電流の放電開始の遅れ時間Ｔ０、立ち上り時間Ｔ１及び立ち下り時間Ｔ２をそれぞれ算出する。

更に、この核融合中性子生成装置の制御システム２５における制御手段２８は、設定値入力部１８及び入出力部２２のほかに、生成部２９、校正曲線・モデル保持部３０及び指示値算出３１を有する。このうちの生成部２９は、校正曲線・モデル保持部３０に保持される校正曲線または学習済みモデルを作成（生成）するものであり、制御手段２８の外部に独立して設けられてもよい。

校正曲線・モデル保持部３０は、パルス電源の充電電圧と陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧との関係、陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧と真空容器１内の燃料ガス圧力との関係、陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧と陰極３に流れるパルス電流との関係、陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧と陰極３に流れるパルス電流と核融合中性子生成装置Ｍが生成する中性子生成量に対応する中性子束との関係、陰極３に流れるパルス電流の放電開始の遅れ時間と陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧との関係をそれぞれ規定する各関係式が表す校正曲線、または上述の各関係を機械学習、例えば深層学習により学習した学習済みモデルを保持する。

指示値算出部３１は、パルス電流のパルス幅Ｐ及び繰り返し周期と、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子生成量に対応する中性子束が、設定値入力部１８を介してユーザーにより入力されたとき、校正曲線・モデル保持部３０に保持された校正曲線または学習済みモデルを用いて、パルス電圧値Ｖ、パルス電流値Ｉ、真空容器１内の燃料ガス圧力値、パルス電源２６の充電電圧値、及びトリガーパルスのパルス幅Ｑの値などの制御パラメータの値を算出する。ここで、トリガーパルスのパルス幅Ｑは、校正曲線から求めたパルス電流の放電開始の遅れ時間にパルス電流のパルス幅Ｐを加算することで得られる。

更に、指示値算出部３１は、制御パラメータの値に基づく制御指示値を、入出力部２２を介して、核融合中性子生成装置Ｍのパルス電源２６及び燃料ガス圧力調整手段６へ出力して、これらのパルス電源２６及び燃料ガス圧力調整手段６を制御する。これにより、核融合中性子生成装置Ｍの中性子生成量が制御される。

また、この核融合中性子生成装置の制御システム２５では、パルス特性算出部２７にて算出されたパルス電圧値Ｖ、パルス電流値Ｉ、パルス電流のパルス幅Ｐ、及びパルス電流の放電開始の遅れ時間Ｔ０が、圧力モニタ１５にて測定された燃料ガス圧力の測定値、及び中性子モニタ１６にて測定された核融合中性子生成装置Ｍの中性子生成量に対応する中性子束の測定値と共に、指示値算出部３１に取り込まれることで核融合中性子生成装置Ｍがフィードバック制御される。これにより、核融合中性子生成装置Ｍにより生成される中性子生成量が安定化する。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な次の効果（２）を奏する。
（２）制御手段２８の指示値算出部３１は、陽極２、陰極３間に印加されるパルス電圧、陰極３に流れるパルス電流、パルス電源２６の充電電圧、トリガーパルスのパルス幅、及び真空容器１内の燃料ガス圧力を含む制御パラメータと、核融合中性子生成装置Ｍにより生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を規定する関係式が表す校正曲線、または上記制御パラメータと上記中性子束との関係を学習した機械学習（例えば深層学習）による学習済みモデルを用いて、核融合中性子生成装置Ｍが生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための制御パラメータの値を算出する。更に、指示値算出部３１は、算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を核融合中性子生成装置Ｍのパルス電源２６及び燃料ガス圧力調整手段６へ出力して、核融合中性子生成装置Ｍを制御する。

この結果、例えばＰＩＤ制御等のような単純なフィードバック制御に比べて、核融合中性子生成装置Ｍを迅速且つ安定して制御できる。従って、この核融合中性子生成装置Ｍを非破壊検査等に用いることで、この非破壊検査等で検査対象に照射される中性子束や中性子エネルギーを安定化でき、非破壊検査等で検査結果を定量的に評価できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…真空容器、２…陽極、３…陰極、５…高電圧印加手段、６…燃料ガス圧力調整手段、１０…核融合中性子生成装置の制御システム、１１…制御手段、１３…電圧モニタ、１４…電流モニタ、１５…圧力モニタ、１６…中性子モニタ、１７…装置温度モニタ、２０…校正曲線・モデル保持部、２１…指示値算出部、２５…核融合中性子生成装置の制御システム、２６…パルス電源、２７…パルス特性算出部、２８…制御手段、３０…校正曲線・モデル保持部、３１…指示値算出部、Ｍ…核融合中性子生成装置、Ｉ…パルス電流値、Ｖ…パルス電圧値、Ｐ…パルス電流のパルス幅、Ｔ０…パルス電流の放電開始の遅れ時間。

Claims (5)

1. 陽極を備えた真空容器内に、陰極が配置されると共に、燃料ガスが燃料ガス圧力調整手段により導入され、高電圧印加手段から前記陽極、前記陰極間に所定の電圧が印加されて放電が生じた状態で前記燃料ガスがイオン化され、このイオンが前記陰極へ向かって加速され収束されて衝突することで核融合反応が生起され、この核融合反応により中性子を生成する核融合中性子生成装置の制御システムであって、
   校正曲線・モデル保持部及び指示値算出部を備えて前記核融合中性子生成装置を制御する制御手段を有し、
   前記校正曲線・モデル保持部は、前記陽極、前記陰極間に印加される印加電圧、前記陰極に流れる印加電流、及び前記真空容器内の燃料ガス圧力を含む制御パラメータと、前記核融合中性子生成装置により生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を保持し、
   前記指示値算出部は、前記核融合中性子生成装置が生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための前記制御パラメータの値を、前記校正曲線・モデル保持部に保持された前記関係を用いて算出し、この算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を、前記高電圧印加手段及び前記燃料ガス圧力調整手段へ出力するよう構成されたことを特徴とする核融合中性子生成装置の制御システム。
2. 前記制御パラメータには、印加電圧、印加電流及び燃料ガス圧力のほかに、真空容器の表面温度を含む核融合中性子生成装置の装置温度が含まれるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の核融合中性子生成装置の制御システム。
3. 前記高電圧印加手段は、陽極、陰極間にパルス状のパルス電圧を印加し、且つ前記陰極にパルス状のパルス電流を流すパルス電源であることを特徴とする請求項１または２に記載の核融合中性子生成装置の制御システム。
4. 前記陽極、前記陰極間に印加されるパルス電圧、及び前記陰極に流れるパルス電流のそれぞれの時間変化の波形から、パルス電圧値、パルス電流値、並びに前記パルス電流におけるパルス幅及び放電開始の遅れ時間を算出するパルス特性算出部を、更に有するよう構成されたことを特徴とする請求項３に記載の核融合中性子生成装置の制御システム。
5. 陽極を備えた真空容器内に、陰極が配置されると共に、燃料ガスが燃料ガス圧力調整手段により導入され、高電圧印加手段から前記陽極、前記陰極間に所定の電圧が印加されて放電が生じた状態で前記燃料ガスがイオン化され、このイオンが前記陰極へ向かって加速され収束されて衝突することで核融合が生起され、この核融合により中性子を生成する核融合中性子生成装置の制御方法であって、
   前記陽極、前記陰極間に印加される印加電圧、前記陰極に流れる印加電流、及び前記真空容器内の燃料ガス圧力を含む制御パラメータと、前記核融合中性子生成装置により生成される中性子生成量に対応する中性子束との関係を保持する校正曲線・モデル保持部を用意し、
   前記核融合中性子生成装置が生成すべき中性子生成量に対応する中性子束を得るための前記制御パラメータの値を、前記校正曲線・モデル保持部に保持された前記関係を用いて算出し、この算出した制御パラメータの値に基づく制御指示値を、前記高電圧印加手段及び前記燃料ガス圧力調整手段へ出力して、前記核融合中性子生成装置を制御することを特徴とする核融合中性子生成装置の制御方法。

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