JP2021038961A - Charged particle beam nuclear fusion - Google Patents

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一穂 松本
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Abstract

To solve the problem of a charged particle beam collision type nuclear fusion reactor that charged particle beam of a high density needed therefor is not realized, while a plasma type nuclear fusion reactor is not yet in a practical use stage.SOLUTION: A "non-neutron type charged beam particle nuclear fusion reactor" having a nuclear fusion reaction region having substantially infinite length can be realized, by revolving fuel charged particle beam and revolving electron beam in the reverse direction to thereby effectively neutralize space charge, and suppressing a divergence power (FE) due to residual space charge, and by obtaining a strong convergent power (FB) by a circular magnetic field (Bφ) occurring around the beam. By a p-6 Li reaction using resources abundantly present on the earth, helium 3 is formed, causing a D-3He reaction, to thereby directly convert kinetic energy (K) of the nuclear fusion generation charged particles by an annular regenerative decelerator, to electric power. A neutron energy converter is provided, to thereby treat every nuclear reaction having neutrons.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、地上で入手可能な核融合燃料を用いた荷電粒子ビームを自己収束させて衝突させ、非中性子反応のD−He、p−Li反応、中性子を伴うD−D反応、D−T反応等を発生させる核融合炉に関するものである。 In the present invention, a charged particle beam using a fusion fuel available on the ground is self-converged and collided to cause a non-neutron reaction D- 3 He, p- 6 Li reaction, DD reaction accompanied by neutrons, D. It relates to a fusion reactor that generates a -T reaction or the like.

主な非中性子核融合(Aneutronic fusion)の種類と反応式は、次のとおりである。
<ヘリウム>
D+He → He(3.7MeV) + p(14.8MeV)
He+He→ He + p + p +(13.8MeV)
<リチウム>
p+Li → He(2.3MeV) + He(1.7MeV)
p+Li → He(8.67MeV)×2
<ボロン>
p+11B → He ×3 + (8.68MeV)
<窒素>
p+15N → 12C(1.24MeV) + He(3.72MeV)
The main types and reaction formulas of non-neutron fusion are as follows.
<Helium>
D + 3 He → 4 He (3.7 MeV) + p (14.8 MeV)
3 He + 3 He → 4 He + p + p + (13.8 MeV)
<Lithium>
p + 6 Li → 3 He (2.3 MeV) + 4 He (1.7 MeV)
p + 7 Li → 4 He (8.67 MeV) x 2
<Boron>
p + 11 B → 4 He x 3 + (8.68 MeV)
<Nitrogen>
p + 15 N → 12 C (1.24 MeV) + 4 He (3.72 MeV)

主な中性子を伴う核融合の種類と反応式は、次のとおりである。
D+T → He(3.5MeV) + n(14.0MeV)
D+D → T(1.0MeV) + p(3.0MeV)
He(0.8MeV) + n(2.45MeV)
D−D反応では、二種類の反応がほぼ同程度生じる。
The types and reaction formulas of fusion with major neutrons are as follows.
D + T → 4 He (3.5 MeV) + n (14.0 MeV)
D + D → T (1.0 MeV) + p (3.0 MeV)
3 He (0.8 MeV) + n (2.45 MeV)
In the DD reaction, two types of reactions occur to about the same extent.

世界中で研究されている、主な核融合炉の方式を次に示す。
<プラズマを使用するもの>
プラズマを使用する主な核融合方式には、磁気閉じ込め型、慣性閉じ込め型、静電閉じ込め型などがあり、粒子加速器を使用してプラズマに荷電粒子等を打込み、プラズマを加熱するもの、及び、核融合の点火をしようとするものが含まれる。
The main fusion reactor systems being studied around the world are shown below.
<Those that use plasma>
The main fusion methods that use plasma include magnetic confinement type, inertial confinement type, electrostatic confinement type, etc., which use a particle accelerator to drive charged particles into the plasma to heat the plasma, and Includes those that attempt to ignite fusion.

<磁気閉じ込め型核融合炉>
磁気閉じ込め型核融合炉(トカマク型、ヘリカル型、磁気ミラー型など)は、強力な磁力線でプラズマを閉じ込め、核融合が発生する温度になるまで、マイクロ波や中性粒子ビームを打ち込み、プラズマを加熱しようとするものである。
プラズマ温度が1憶2千万度に達したとしているが、外部からの加熱無くして核融合反応を維持するに至っておらず、量子科学技術研究開発機構のJT60SA、国際核融合実験炉(ITER)においても、トリチウムを増殖するブランケットの実装計画も存在していない状況にある。
<Magnetic confinement fusion reactor>
Magnetic confinement fusion reactors (tokamak type, helical type, magnetic mirror type, etc.) confine the plasma with strong magnetic field lines, and inject microwaves and neutral particle beams until the temperature at which fusion occurs is reached, and the plasma is emitted. It is intended to be heated.
It is said that the plasma temperature has reached 120 million degrees Celsius, but the fusion reaction has not been maintained without external heating, and JT60SA of the National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, International Fusion Experimental Reactor (ITER) However, there is no plan to implement a blanket that propagates tritium.

<慣性閉じ込め型核融合炉>
慣性閉じ込め型核融合炉(レーザー型、重イオン慣性核融合など)は、直径数ミリの核融合燃料ペレットを炉の中心に置き、四方八方から強力なレーザーや荷電粒子ビームを照射して圧縮し、核融合燃料が高密度のプラズマと化すことで、核融合を発生させようというものである。
圧縮しただけでは核融合が発生しないため、粒子加速器を用いて点火ビームを打ち込もうとしているものもある。
平均自由行程以下の小さなプラズマ塊の内部で、連鎖的に核融合が発生することは期待できない。
<Inertial confinement fusion reactor>
In an inertial confinement fusion reactor (laser type, heavy ion inertial fusion, etc.), a fusion fuel pellet with a diameter of several millimeters is placed in the center of the reactor and compressed by irradiating a powerful laser or charged particle beam from all directions. The idea is to generate fusion by turning the fusion fuel into a high-density plasma.
Since nuclear fusion does not occur just by compressing, some are trying to drive the ignition beam using a particle accelerator.
It cannot be expected that fusion will occur in a chain within a small plasma mass below the mean free path.

<静電閉じ込め型核融合炉>
静電閉じ込め型核融合炉(フューザー型、ファーンズワース型など)は、内部に設けたグリッド状の電極に電圧を加えて強い静電界を形成する方式であり、核融合反応が確認された方式である。
核融合による中性子源として実用化されているが、核融合反応率が低く、エネルギー装置としては期待できないとされる。
<Electrostatic Confinement Fusion Reactor>
The electrostatic confinement type fusion reactor (fuser type, Farnsworth type, etc.) is a method in which a voltage is applied to the grid-shaped electrodes provided inside to form a strong electrostatic field, and a fusion reaction has been confirmed. ..
Although it has been put to practical use as a neutron source by nuclear fusion, it is said that it cannot be expected as an energy device due to its low nuclear fusion reaction rate.

<Zピンチ核融合>
Zピンチ核融合は、プラズマに電流を流して周囲に収束磁界を形成し、ローレンツ力でプラズマ自体を自己収縮させ、高温高密度状態を作り出す方式で、プラズマ温度が20億度を超えたとしているが、核融合を発生するには至っていない。
<荷電粒子ビーム衝突型核融合>
荷電粒子ビーム衝突型核融合は、使用する荷電粒子ビームのバンチに強い空間電荷効果が生じるため、核融合に必要な密度を満たすことが困難であった。(特許文献3)
<Z-pinch fusion>
Z-pinch fusion is a method in which a current is passed through the plasma to form a converging magnetic field around it, and the plasma itself is self-contracted by Lorentz force to create a high-temperature, high-density state. However, it has not yet caused nuclear fusion.
<Charged particle beam collision type fusion>
In the charged particle beam collision type fusion, it is difficult to satisfy the density required for fusion because a strong space charge effect is generated in the bunch of the charged particle beam used. (Patent Document 3)

特願2015−000007荷電粒子ビーム衝突型核融合炉Japanese Patent Application 2015-00000 Charged Particle Beam Collision Fusion Reactor 特願2016−179051荷電粒子ビーム非対称衝突型核融合Japanese Patent Application No. 2016-179051 Charged particle beam asymmetric collision type fusion 特願2018−532341荷電粒子ビーム衝突型核融合炉Japanese Patent Application No. 2018-532341 Charged particle beam collision type fusion reactor

「核融合プラズマの数値計算」日本原子力研究所"Numerical calculation of fusion plasma" Japan Atomic Energy Research Institute 直接エネルギー変換jspf1995_06−516 プラズマ核融合学会Direct energy conversion jspf1995_06-516 Japan Society of Plasma Science and Technology 分散型荷電粒子加速器概要http://www.emcube.co.jp/acceleratorsummary.htmlOutline of Distributed Charged Particle Accelerator http: // www. emcube. co. jp / acceleratororsumary. html JENDL−4.0汎用標準核データライブラリー 日本原子力研究開発機構JENDL-4.0 General-purpose standard nuclear data library Japan Atomic Energy Agency 勧告1973ICRP Publication 21 P94図19 国際放射線防護委員会Recommendation 1973 ICRP Publication 21 P94 Figure 19 International Commission on Radiological Protection 固体トリチウム増殖材料研究開発の最先端 ソリッドなブランケットをめざして 量子科学技術研究開発機構Aiming for a solid blanket at the cutting edge of research and development of solid tritium breeding materials Quantum Science and Technology Research and Development Organization LHDにおけるD−3He核融合の検討 文部省核融合研究所Examination of D-3He fusion in LHD Ministry of Education National Institute for Fusion Science 誘導型加速器による大電流電子ビームの発生と伝送 山形大学院理学研究科クォーク核物性物理学研究室Generation and transmission of large-current electron beam by inductive accelerator Quark Condensed Matter Physics Laboratory, Graduate School of Science, Yamagata Graduate School 陽子ビームの原子核変換応用 日本原子力研究所Transmutation application of proton beam Japan Atomic Energy Research Institute

核融合燃料粒子を圧縮し、実現可能な粒子密度(ρ)では、平均自由行程(λ)が数キロメートルを超える長さとなってしまう。このため、有限の長さの核融合反応領域を有する磁気ミラー型の炉では、高い核融合反応率を得ることはできない。
環状の核融合反応領域を有する磁気閉じ込め型の炉は、粒子が周回することで平均自由行程(λ)を超える長さを確保できる。しかし、プラズマ粒子の運動が周回方向のみではないから、外部加熱の停止後は瞬時に核融合反応が停止してしまい、外部加熱無しで核融合反応を維持することができていない。
慣性核融合では、一点に圧縮しようとしているが、均一に爆縮できていない。
小さい燃料ペレットを爆縮して高い密度を実現し、核融合の発生を目指しているが、圧縮された核融合燃料の直径が平均自由行程(λ)より遥かに小さいので、核融合反応は、燃料の一部分に留まる。
連鎖的な核融合反応に到達する筈も無く、これは、点火ビームを加えたとしても、この点は変わらない。
Compressing fusion fuel particles, the achievable particle density (ρ) results in a mean free path (λ) of more than a few kilometers. Therefore, a high fusion reaction rate cannot be obtained in a magnetic mirror type furnace having a fusion reaction region having a finite length.
A magnetic confinement type furnace having a ring-shaped fusion reaction region can secure a length exceeding the mean free path (λ) by orbiting the particles. However, since the movement of the plasma particles is not limited to the circumferential direction, the fusion reaction is stopped instantly after the external heating is stopped, and the fusion reaction cannot be maintained without the external heating.
In inertial fusion, we are trying to compress to one point, but implosion is not uniform.
Aiming to generate fusion by implosion of small fuel pellets to achieve high density, but because the diameter of the compressed fusion fuel is much smaller than the mean free path (λ), the fusion reaction is Stay on part of the fuel.
There is no way to reach a chain fusion reaction, which does not change with the addition of an ignition beam.

Zピンチ型核融合は、プラズマに電流を流すことで周囲に右回りの円形磁界を形成し、ローレンツ力でプラズマ自体を自己収縮し、線状の高温高密度状態を作り出したとするが、核融合を発生させるに到っていない。
ほぼ直線状にプラズマを圧縮しただけであり、その形状を有効に活用できていない。
また、これらのプラズマを使用した核融合炉が、仮に実用に耐える核融合に成功したとしても、炉内にトリチウム(T)を大量に含むプラズマを使用することから、危険性が指摘されている。
プラズマから核融合生成物であるヘリウム4(He)などを除去しなければならないが、トリチウム(T)の漏洩などの心配がある。
Z-pinch fusion is said to have created a linear high-temperature, high-density state by forming a clockwise circular magnetic field around the plasma by passing an electric current through the plasma and self-contracting the plasma itself by Lorentz force. Has not yet been generated.
The plasma is only compressed almost linearly, and its shape cannot be effectively utilized.
Moreover, even if a fusion reactor using these plasmas succeeds in fusion that can withstand practical use, it is pointed out that there is a danger because the plasma containing a large amount of tritium (T) is used in the reactor. ..
Must be removed such as helium 4 (4 He) is a fusion product from the plasma, there is a fear of leakage of tritium (T).

<核融合反応領域の形状>
荷電粒子ビーム衝突型核融合における一つの結論は、核融合反応領域の理想的な形状は、細く長い形状であることである。(特許文献1〜3)
しかし、強い空間電荷効果を伴うため、必要な密度(ρ)の燃料荷電粒子ビームを発生することが出来なかった。
現在開発が進められている核融合方式では、何れも空間電荷効果を避けるため、核融合燃料粒子である荷電粒子(z)と電子(e)とが混在する熱プラズマを用いている。
熱プラズマを使う方法では、熱運動による方向性のない粒子衝突となるため、細く長い形状の核融合反応領域にすることが出来ない。
<Shape of fusion reaction region>
One conclusion in charged particle beam collision type fusion is that the ideal shape of the fusion reaction region is a thin and long shape. (Patent Documents 1 to 3)
However, due to the strong space charge effect, it was not possible to generate a fuel-charged particle beam with the required density (ρ).
In all of the fusion methods currently under development, thermal plasma in which charged particles (z) and electrons (e), which are fusion fuel particles, are mixed is used in order to avoid the space charge effect.
In the method using thermal plasma, it is not possible to form a thin and long fusion reaction region because the particles collide with each other due to thermal motion.

<中性子・核融合燃料の回収>
D−T反応及びD−D反応では、中性子(n)が生成され、減速材に水を使用し、中性子(n)の遮蔽、冷却を行うが、水の水素と反応し、デューテリウム(D)やトリチウム(T)に変化するから、これらも回収して、核融合燃料として再利用することができる。
また、リチウム(Li)を含むブランケットを用いて、トリチウム(T)を生成することができるが、現在研究中のプラズマ方式の核融合炉は、何れも実験炉の域を出ず、十分な核融合を発生することができていないため、ブランケットの実装計画自体が存在していない。(非特許文献6)
<Recovery of neutron / fusion fuel>
In the DT reaction and the DD reaction, neutrons (n) are generated, and water is used as a moderator to shield and cool the neutrons (n), but they react with hydrogen in the water and deuterium (D). ) And tritium (T), which can also be recovered and reused as fusion fuel.
In addition, tritium (T) can be produced using a blanket containing lithium (Li), but none of the plasma-type fusion reactors currently under study are out of the range of experimental reactors and have sufficient nuclei. The blanket implementation plan itself does not exist because the fusion has not been able to occur. (Non-Patent Document 6)

<直接電気エネルギー変換>
核融合生成粒子(48c)の移動は、電流(I)そのものであるから、直接電気エネルギー(E)として取り出すことが容易な筈である。
プラズマ方式の核融合炉から直接電気エネルギー(E)を取り出す研究もされているが、炉から取り出したプラズマを、電子(e)と荷電粒子(z)とに予め分離する必要がある。
この電力変換の方法は、核融合生成粒子(48c)の運動エネルギー(K)を、一旦プラズマの熱エネルギー(Q)に変換し、電子(e)の分離、速度変調などを行った上で、電気エネルギー(E)に変換しているのであり、高い電力変換効率(η)が得られるとは言い難い。(非特許文献2)
<Direct electrical energy conversion>
Since the movement of the fusion-generated particles (48c) is the current (I) itself, it should be easy to take out directly as electrical energy (E).
Research is also being conducted to extract electrical energy (E) directly from a plasma fusion reactor, but it is necessary to separate the plasma extracted from the reactor into electrons (e) and charged particles (z) in advance.
In this power conversion method, the kinetic energy (K) of the fusion-generated particles (48c) is once converted into the thermal energy (Q) of the plasma, the electrons (e) are separated, the speed is modulated, and the like. Since it is converted to electrical energy (E), it is hard to say that high power conversion efficiency (η E) can be obtained. (Non-Patent Document 2)

高い核融合反応率(η)を得るには、粒子加速器(42a)を用いて燃料荷電粒子ビーム(40)の運動に方向性を持たせ、十分に細く長い核融合反応領域(52f)を形成することが必須との結論を得ている。(特許文献1〜3)
<荷電粒子の輸送>
荷電粒子の輸送技術では、1[T]前後の収束磁界(B、Bt)を用いて、1[kA]程度の電子ビーム(40e)を、空間電荷効果を受けながらも、数十ミリメートルまで収束し、数十メートル以上を輸送できている。(非特許文献8)
電子ビーム(40e)を燃料荷電粒子ビーム(40)に置き換えて、荷電粒子の輸送路を核融合反応領域(52f)として利用することが考えられる。
しかし、燃料荷電粒子ビーム(40)の密度(ρ)が不足しており、十分ではない。
In order to obtain a high fusion reaction rate (η f ), a particle accelerator (42a) is used to direct the movement of the fuel-charged particle beam (40), and a sufficiently thin and long fusion reaction region (52 f) is formed. It has been concluded that it is essential to form. (Patent Documents 1 to 3)
<Transport of charged particles>
In the transport technology of charged particles, a convergent magnetic field (B 0 , Bt) around 1 [T] is used to emit an electron beam (40e) of about 1 [kA] up to several tens of millimeters while receiving the space charge effect. It has converged and can transport more than tens of meters. (Non-Patent Document 8)
It is conceivable to replace the electron beam (40e) with the fuel charged particle beam (40) and use the transport path of the charged particles as the fusion reaction region (52f).
However, the density (ρ) of the fuel charged particle beam (40) is insufficient, which is not sufficient.

高い燃料粒子の密度(ρ)を得るために、電子レンズ(42L)を用いて収束させることが有効であるが、短い距離であればともかく、長い距離に渡って高い密度(ρ)を保つことは難しい。
長い距離に渡って高い密度(ρ)を保つには、燃料荷電粒子ビーム(40)の空間電荷を中和し、円形磁界(Bφ)のローレンツ力による、ビームの自己収縮作用を利用する方法が望ましい。
<空間電荷効果の中和>
燃料荷電粒子ビーム(40)に電子ビーム(40e)を混入することで、空間電荷を効果的に中和することができる。
図1に示すように、燃料荷電粒子(z)の進行方向と逆方向に、空間電荷を中和する粒子数の電子ビーム(40e)を打ち込むことを考える。
燃料荷電粒子ビーム(40)を発散させる電界(Er)は中和され、電子ビーム(40e)を含む燃料荷電粒子ビーム(40)が作る電流(i、i、ie)の流れる方向は同一であり、電流(IΣ)の方向に対して右回りに発生する円形磁界(Bφ)を倍増させて、強い磁気ピンチ効果を得ることができる。
In order to obtain a high density of fuel particles (ρ), it is effective to use an electronic lens (42L) to converge, but it is necessary to maintain a high density (ρ) over a long distance, regardless of the short distance. Is difficult.
To maintain a high density (ρ) over a long distance, a method of neutralizing the space charge of the fuel charged particle beam (40) and utilizing the self-contraction effect of the beam due to the Lorentz force of the circular magnetic field (Bφ). Is desirable.
<Neutralization of space charge effect>
By mixing the electron beam (40e) with the fuel charged particle beam (40), the space charge can be effectively neutralized.
As shown in FIG. 1, it is considered to shoot an electron beam (40e) having a number of particles that neutralizes the space charge in the direction opposite to the traveling direction of the fuel charged particles (z).
The electric field (Er) that diverges the fuel-charged particle beam (40) is neutralized, and the currents (i L , i H , ie) generated by the fuel-charged particle beam (40) including the electron beam (40e) flow in the same direction. Therefore, a strong magnetic pinch effect can be obtained by doubling the circular magnetic field (B φ ) generated clockwise with respect to the direction of the current (I Σ).

−F=q(Er−VBφ)[N]:負:収束力優勢
Er=(N+N−Ne)×q/(2πεr):電界強度
φ=IΣμ/(2πr)[T]:円形磁界強度
Σ=i+i+ie[A]:総合ビーム電流
i=N×V×q[A]:低速粒子、高速粒子、電子の各電流
V=√(2qK/m)[m/s]:低速粒子、高速粒子、電子の各速度
K[eV]:粒子の運動エネルギー
[N/m]:低速荷電粒子線密度
[N/m]:高速荷電粒子線密度
Ne[N/m]:電子線密度(荷電粒子の総電荷線密度にほぼ等しい。)
m[kg]:低速粒子、高速粒子、電子の各質量
q=1.602×10−19[C]電荷素量
ε=8.854×10−12[F/m]真空誘電率
μ=4π×10−7[H/m]真空透磁率
F E- F B = q (Er-VB φ ) [N]: Negative: Convergent force predominant Er = (N L + N H- Ne) × q / (2πε 0 r): Electric charge strength B φ = I Σ μ 0 / (2πr) [T]: Circular magnetic field strength I Σ = i L + i H + ie [A]: Total beam current i = N × V × q [A]: Low-speed particle, high-speed particle, and electron current V = √ (2qK / m) [m / s]: Low-speed particle, high-speed particle, electron velocity K [eV]: Particle kinetic energy N L [N / m]: Low-speed charged particle beam density NH [N / m] : High-speed charged particle beam density Ne [N / m]: Electron beam density (almost equal to the total charge ray density of charged particles)
m [kg]: masses of low-speed particles, high-speed particles, and electrons q = 1.602 × 10-19 [C] Elementary charge ε 0 = 8.854 × 10-12 [F / m] Vacuum dielectric constant μ 0 = 4π × 10-7 [H / m] Vacuum permeability

<荷電粒子ビームの収縮>
空間電荷を10,000分の1程度にまで中和できれば、電流の流れに対して右回りに発生する円形磁界(Bφ)による収束力(F)が、残留する空間電荷の電界(Er)による発散力(F)を上回ることが期待できる。
収束発散比(Fr=(F−F)/F)を指標として使用する。
燃料荷電粒子ビーム(40)内の粒子のらせん運動などのエミッション(k)が無ければ、ビームの半径(rφ)は限りなく収縮する。
プラズマに電流(I)を流して収縮させるだけのZピンチ方式と比較し、粒子加速器(42a)から発射する燃料荷電粒子ビーム(40)の高い直進性を利用して、高密度の細く長い核融合反応領域(52f)を形成することが可能である。
<Contraction of charged particle beam>
If neutralizing space charge up to about one in 10,000, the convergence force by circular magnetic field (B phi) generated clockwise with respect to the current flow (F B), the residual space charge field (Er ) Is expected to exceed the divergent force ( FE).
Using convergence and divergence ratio (Fr = (F E -F B ) / F B) as an index.
Without emissions (k) such as spiral motion of particles in the fuel charged particle beam (40), the radius ( ) of the beam contracts infinitely.
Compared to the Z-pinch method in which the current (I) is passed through the plasma to cause it to contract, the high straightness of the fuel-charged particle beam (40) emitted from the particle accelerator (42a) is utilized to create a dense, thin and long nucleus. It is possible to form a fusion reaction region (52f).

<核融合反応領域の長さ>
収束磁界(B、Bt)を用いた荷電粒子輸送路において、逆方向に電子ビーム(40e)を打ち込むことで、燃料荷電粒子ビーム(40)の密度(ρ)を各段に高めることができるが、それでも平均自由行程(λ)が数キロメートルから千数百キロメートルの長さになると見積もられる。
有限の長さの核融合反応領域(52f)では、実用的な核融合反応率(η)に達しないことは、明らかである。
このため、燃料荷電粒子ビーム(40)に周回軌道を与え、核融合反応領域(52f)を無限長にすることが有効であると結論できる。
<Length of fusion reaction region>
In the charged particle transport path using the convergent magnetic field (B 0 , Bt), the density (ρ) of the fuel charged particle beam (40) can be increased to each stage by driving the electron beam (40e) in the opposite direction. However, it is still estimated that the mean free path (λ) is several kilometers to a thousand and several hundred kilometers long.
It is clear that a finite length fusion reaction region (52f) does not reach a practical fusion reaction rate (η f).
Therefore, it can be concluded that it is effective to give the fuel charged particle beam (40) an orbit and make the fusion reaction region (52f) infinite length.

<円形軌道>
燃料荷電粒子ビーム(40)の核種や速度が異なると、旋回磁界(Bψ)中の旋回半径(rψ)が異なる。
図2(a)に示すような円形の周回軌道の場合、円軌道上で燃料荷電粒子ビーム(40)を衝突させるには、旋回半径(rψ)が等しくなる速度である場合に限られる。
表1に示すように、衝突させるには、燃料荷電粒子ビーム(40)の粒子の質量(m)、電荷(q・z)、速度差(V−V)を与えて同一方向に旋回させ、旋回磁界(Bψ)中の旋回半径(rψ)が同一となる場合である。
<Circular orbit>
Different nuclides and velocities of the fuel charged particle beam (40) have different swirling radii (r ψ ) in the swirling magnetic field (B ψ).
In the case of a circular orbit as shown in FIG. 2A, the fuel charged particle beam (40) is made to collide on the circular orbit only when the swirling radii (r ψ ) are equal.
As shown in Table 1, in order to collide, the mass (m), charge (q · z), and velocity difference ( VHVL ) of the particles of the fuel charged particle beam (40) are given and the particles are swiveled in the same direction. is allowed, the turning magnetic field (B [psi) in the turning radius (r [psi) is the case where the same.

表1 荷電粒子ビームの旋回半径 Table 1 Swirl radius of charged particle beam

表1の上の2段に示すように、相対衝突エネルギー(Kc)を60[keV]になる速度で衝突させて、D−T反応を発生するには、デューテリウム(D)を900[keV]で、トリチウム(T)を600[keV]で、旋回磁界(Bψ)の磁束密度が0.02[T]のとき、旋回半径(rψ)を9.69[m]前後にすることができる。
表1の下の段に示すように、電子ビーム(40e)の旋回半径(rψ)は1.7[mm]前後と小さいが、燃料荷電粒子ビーム(40)の強い電界による通り道が形成されるので、その経路を逆方向に辿ることができる。
As shown in the upper two stages of Table 1, in order to cause a DT reaction by colliding the relative collision energy (Kc) at a speed of 60 [keV], deuterium (D) is 900 [keV]. ], When the tritium (T) is 600 [keV] and the magnetic flux density of the swirling magnetic field (B ψ ) is 0.02 [T], the swirling radius (r ψ ) should be around 9.69 [m]. Can be done.
As shown in the lower row of Table 1, the turning radius (r ψ ) of the electron beam (40e) is as small as around 1.7 [mm], but a path is formed by the strong electric field of the fuel charged particle beam (40). Therefore, the route can be followed in the opposite direction.

D−He反応の場合は、核融合反応を生じる相対衝突エネルギー250[keV]を得るために、粒子加速器(42a)により3.75〜10.0[MeV]の大きな運動エネルギー(K)を与えなければならないが、粒子加速器(42a)の加速に要するエネルギー(E)が大きすぎる。
表1の中の2段に示すように、デューテリウム(D)を1,100[keV]、ヘリウム3(He)を3,000[keV]とすると、相対衝突エネルギー(Kc)は、80[keV]となり、このときの核融合反応断面積(σ)は、0.05[barns]である。
なお、相対衝突の速度(Vc)、換算質量(m)、相対衝突エネルギー(Kc)は、次式による。
Vc=V−V [m/s]:相対衝突速度
m=m×m/(m+m) [kg]:換算質量
Kc=(1/2)mV/q [eV]:相対衝突エネルギー
完全な円形であると、燃料荷電粒子ビーム(40)及び電子ビーム(40e)を打ち込む位置も見出しにくい。
図2(b)に示すように、一部を変形した円環形状とし、偏向領域(54d)を設け、燃料荷電粒子ビーム(40)及び電子ビーム(40e)の打ち込み口とすることができる。
In the case of the D- 3 He reaction, a large kinetic energy (K) of 3.75 to 10.0 [MeV] is applied by the particle accelerator (42a) in order to obtain a relative collision energy of 250 [keV] that causes a fusion reaction. It must be given, but the energy (E) required for acceleration of the particle accelerator (42a) is too large.
As shown in two stages in the table 1, deuterium (D) to 1,100 [keV], the helium 3 (3 the He) and 3,000 [keV], the relative collision energy (Kc) is 80 It becomes [keV], and the fusion reaction cross section (σ) at this time is 0.05 [burns].
The relative collision velocity (Vc), reduced mass (m), and relative collision energy (Kc) are calculated by the following equations.
Vc = V H - VL [m / s]: Relative collision velocity m = m H × m L / (m H + mL ) [kg]: Reduced mass Kc = (1/2) mV 2 / q [eV] : Relative collision energy If it is a perfect circle, it is difficult to find the position where the fuel charged particle beam (40) and the electron beam (40e) are driven.
As shown in FIG. 2B, a partially deformed annular shape can be provided, and a deflection region (54d) can be provided to serve as a driving port for the fuel charged particle beam (40) and the electron beam (40e).

<直線部を有する軌道>
図3(a)に示すように、周回軌道の一部を直線状にすることによって、燃料荷電粒子ビーム(40)の種類や速度(V)に因らず、直線状の同一の軌道に導くことができ、かつ、周回させることで核融合反応領域(52f)を実質的に無限の長さにすることができる。
図の長方形の箇所は、ソレノイドコイル(51s)による収束磁界(B)を設けた核融合反応領域(52f)であることを現している。
扇形の箇所は、トロイダルコイル(51t)による収束磁界(Bt)とポロイダルコイル(51p)による旋回磁界(Bψ)があることを現している。
<Orbit with a straight part>
As shown in FIG. 3A, by making a part of the orbit linear, it leads to the same linear orbit regardless of the type and velocity (V) of the fuel charged particle beam (40). It is possible to make the fusion reaction region (52f) substantially infinite in length by orbiting it.
The rectangular portion in the figure indicates that it is a fusion reaction region (52f) provided with a convergent magnetic field (B 0 ) by a solenoid coil (51s).
The fan-shaped portion indicates that there is a convergent magnetic field (Bt) due to the toroidal coil (51t) and a swirling magnetic field (B ψ ) due to the poroidal coil (51p).

図3(a)の様に核融合反応領域(52f)を2つ設けたもの(1つという構成も可能。)、(b)の様に直線部を交差させたり、(c)の様に、核融合反応領域(52f)を3つ設けて三角形に、あるいは図には示していないが多角形の軌道にすることも可能であり、これらは同一の構成であると理解できる。
また、図3(d)のように、2つの周回輸送路を使用することで、上の周回輸送路で低速ビーム(40L)を、下の周回輸送路で高速ビーム(40H)を周回させ、2つの周回輸送路が重なった中央の直線部を核融合反応領域(52f)とし、対向衝突させて核融合を発生させることができる。
この「対向衝突軌道」は、燃料荷電粒子ビーム(40)の加速に要するエネルギーが少ないが、円形磁界(Bφ)を弱め合い、高速ビーム(40H)または低速ビーム(40L)の一方は、収束力(F)が働かないため、散乱しやすい欠点があり、大量の粒子を衝突させるのに向かない。
図3(e)のように、核融合反応領域(52f)の同じ方向からビームを打ち込み、後方から衝突する構成することで、高速ビーム(40H)の散乱を防止するとともに、低速ビーム(40L)及び高速ビーム(40H)をそれぞれ適切に旋回輸送することができる。
さらに加えて、図に鎖線で示した長円形の部分に低速ビーム(40L)の周回輸送路を追加し、上部の高速ビーム(40H)の周回輸送路と重なった部分に核融合反応領域(52f)を設け、高速ビーム(40H)を共有する形で、2つ以上の核融合反応領域(52f)を持つ多重長円軌道とすることもできる。
As shown in FIG. 3 (a), two fusion reaction regions (52f) are provided (a configuration of one is also possible), as shown in (b), straight portions are crossed, or as shown in (c). , It is also possible to provide three fusion reaction regions (52f) in a triangular shape, or to make a polygonal orbital (not shown in the figure), and it can be understood that these have the same configuration.
Further, as shown in FIG. 3D, by using two orbital transportation routes, a low-speed beam (40L) is circulated in the upper orbital transportation route and a high-speed beam (40H) is circulated in the lower orbital transportation route. The central straight portion where the two orbital transport paths overlap is used as the fusion reaction region (52f), and the fusion can be caused by facing collision.
The "counter collision trajectory" is the energy required for the acceleration of the fuel charged particle beam (40) is small, weaken the circular magnetic field (B phi), one of the high-speed beam (40H) or slow beam (40L), the convergence a force (F B) does not work, there is scattered easily drawbacks, not suitable for impinging a large amount of particles.
As shown in FIG. 3 (e), the beam is shot from the same direction in the fusion reaction region (52f) and collides from behind to prevent the high-speed beam (40H) from being scattered and the low-speed beam (40L). And the high-speed beam (40H) can be appropriately swirled and transported.
In addition, a low-speed beam (40L 2 ) orbital transport path is added to the oval portion shown by the chain line in the figure, and a fusion reaction region (the fusion reaction region (40H)) overlaps the upper high-speed beam (40H) orbital transport path. 52f) may be provided to share a high-speed beam (40H) to form a multiple elliptical orbit having two or more fusion reaction regions (52f).

<核融合反応領域>
表2は、核融合反応領域(52f)を構成する燃料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)の収束状態を検討したものである。
図には示していないが、1周が100[m]、直線部の長さが25[m]の燃料荷電粒子ビーム(40)の旋回輸送路(53)を、100[keV]の燃料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが互いに逆方向に旋回させた場合について検討した。
ビーム半径(r)=2.5[mm]の位置においておよそ25[T]の円形磁界(Bφ)を作り出す。
核融合反応が発生して燃料荷電粒子ビーム(40)が対消滅して減少するので、核融合反応領域(52f)の他端のビーム半径(r)の位置において、およそ3.3[MV/m]の電界(Er)を生じる。
表2に示すように、収束発散比(Fr)は、−0.96前後であり、円型磁界[Bφ]による収束力(F)が発散力(F)より勝っている。
<Nuclear fusion reaction area>
Table 2 examines the convergence states of the fuel charged particle beam (40) and the electron beam (40e) constituting the fusion reaction region (52f).
Although not shown in the figure, the swirling transport path (53) of the fuel-charged particle beam (40) having a circumference of 100 [m] and a straight portion length of 25 [m] is charged with fuel of 100 [keV]. The case where the particle beam (40) and the electron beam (40e) are swirled in opposite directions was examined.
A circular magnetic field (B φ ) of approximately 25 [T] is created at a position where the beam radius (r) = 2.5 [mm].
Since the fusion reaction occurs and the fuel charged particle beam (40) annihilates and decreases, at the position of the beam radius (r) at the other end of the fusion reaction region (52f), about 3.3 [MV / m] electric field (Er) is generated.
As shown in Table 2, convergence and divergence ratio (Fr) is -0.96 is around, converging force by circular field [B φ] (F B) is superior to diverging force (F E).

表2 荷電粒子ビームの収束発散比 Table 2 Convergent divergence ratio of charged particle beam

燃料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが、互いに逆方向に進むので、電子ビーム(40e)を過剰にすることで燃料荷電粒子ビーム(40)の収束状態をより良好に保つことが出来る。
燃料荷電粒子ビーム(40)の半径(r)にかかわらず、収束発散比(Fr)は、負であり、収束力(F)が勝っているが、ビーム半径(r)の収縮に伴い、核融合反応自体が増加するとともに、電子ビーム(40e)と燃料荷電粒子ビーム(40)との衝突が増加するなどして、らせん運動などのビーム自体のエミッション(k)が増加するから、無限に収縮することはない。
燃料荷電粒子ビーム(40)は、低速ビーム(40L)よりも、高速ビーム(40H)を蓄積ビームとすることで、より強い円形磁界(Bφ)を得ることができる。
Since the fuel charged particle beam (40) and the electron beam (40e) travel in opposite directions to each other, the convergence state of the fuel charged particle beam (40) should be kept better by making the electron beam (40e) excessive. Can be done.
Regardless radius (r) of the fuel charged particle beam (40), convergence and divergence ratio (Fr) is a negative, but the convergence force (F B) is winning, with the contraction of the beam radius (r), As the fusion reaction itself increases, the collision between the electron beam (40e) and the fuel-charged particle beam (40) increases, and the emission (k) of the beam itself such as spiral motion increases, so it is infinite. It does not shrink.
Fuel charged particle beam (40), than the low-speed beam (40L), high-speed beam (40H) by the accumulated beam, it is possible to obtain a stronger circular magnetic field (B phi).

図4(a)及び(b)に示すとおり、ソレノイドコイル(51s)が配置され、図4(a)の右から左に向かう収束磁界(B)を形成し、右側から燃料荷電粒子ビーム(40)が、左側から電子ビーム(40e)を定常的に打ち込み、直線部の収束磁界(B)の磁力線上に平行に燃料荷電粒子ビーム(40)を形成する。
図4(c)は、ソレノイドコイル(51s)が発生する収束磁界(B)のみを描いたものである。
<対消滅・核融合生成粒子>
核融合反応領域(52f)内で核融合を生じて、高速ビーム(40H)と低速ビーム(40L)の粒子が対消滅し、新たに0.8〜15[MeV]の大きなエネルギーの核融合生成粒子(48c、48n)が対生成され、図4(b)に示すように、互いに逆方向に飛翔する。
ソレノイドコイル(51s)が作り出す収束磁界(B)は、核融合生成荷電粒子(48c)が真空容器(55)の内壁面に衝突する前に旋回させることができる磁界強度が必要である。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a solenoid coil (51s) is arranged to form a convergent magnetic field (B 0 ) from the right to the left in FIG. 4A, and a fuel charged particle beam (B 0) from the right side. 40) constantly shoots an electron beam (40e) from the left side to form a fuel-charged particle beam (40) parallel to the magnetic field line of the converging magnetic field (B 0) in the straight line portion.
FIG. 4C depicts only the convergent magnetic field (B 0 ) generated by the solenoid coil (51s).
<Annihilation / fusion particles>
Fusion occurs in the fusion reaction region (52f), the particles of the high-speed beam (40H) and the low-speed beam (40L) are pair-produced, and new fusion generation with a large energy of 0.8 to 15 [MeV] is generated. Particles (48c, 48n) are pair-produced and fly in opposite directions as shown in FIG. 4 (b).
The convergent magnetic field (B 0 ) created by the solenoid coil (51s) requires a magnetic field strength that allows the fusion-generated charged particles (48c) to swirl before colliding with the inner wall surface of the vacuum vessel (55).

<ピッチ角>
ソレノイドコイル(51s)が作り出す中央部の収束磁界(B)と両端の閉じ込め磁界(Bm)から、ミラー比(Rm)は、
1/Rm=B/Bm=sin(θm)
収束磁界(B)の中で核融合生成荷電粒子(48c)は、図4(d)に示すようにらせん運動をするが、らせん運動のピッチ角(θ)が、最大ピッチ角(θm)より小さいピッチ角(θ)の核融合生成荷電粒子(48c)は、図4(c)に示す反射点(52r:両端の磁界Bmの箇所)を通り抜ける。
最大ピッチ角(θm)を超える核融合生成荷電粒子(48c)は、粒子閉じ込め領域(52c)に閉じ込められるが、燃料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)が作り出す、円形磁界(Bφ)の影響を受けて、らせん運動のピッチ角(θ)が変化し、短時間のうちに反射点(52r)を通り抜ける。
<Pitch angle>
From the convergent magnetic field (B 0 ) in the center and the confined magnetic fields (Bm) at both ends created by the solenoid coil (51s), the mirror ratio (Rm)
1 / Rm = B 0 / Bm = sin 2 (θm)
The fusion-generated charged particles (48c) make a spiral motion in the convergent magnetic field (B 0 ) as shown in FIG. 4 (d), but the pitch angle (θ) of the spiral motion is the maximum pitch angle (θm). Fusion-generated charged particles (48c) with a smaller pitch angle (θ) pass through the reflection points (52r: magnetic fields Bm at both ends) shown in FIG. 4 (c).
Fusion-generated charged particles (48c) that exceed the maximum pitch angle (θm) are confined in the particle confinement region (52c), but are created by the fuel charged particle beam (40) and electron beam (40e) in a circular magnetic field (B φ). ), The pitch angle (θ) of the spiral motion changes and passes through the reflection point (52r) in a short time.

高速ビーム(40H)、低速ビーム(40L)及びピッチ角以下の核融合生成荷電粒子(48c)は、図4(a)の反射点(52r#1)を通過して、図5(a)に示す分離領域(52d、#1)を経由して出てくる。
分離領域(52d、#1)において質量電荷比(m/z)の違いにより、これらの荷電粒子を分離する。
低速ビーム(40L)は、強く偏向を受けるので、偏向補正領域(54dc)において補正して、高速ビーム(40H)と共に旋回輸送路(53)へ送る。
核融合生成荷電粒子(48c)は、環状回生減速器(70)に送る。
The high-speed beam (40H), the low-speed beam (40L), and the fusion-generated charged particles (48c) having a pitch angle or less pass through the reflection point (52r # 1) in FIG. It comes out via the indicated separation region (52d, # 1).
These charged particles are separated by the difference in mass-to-charge ratio (m / z) in the separation region (52d, # 1).
Since the low-speed beam (40L) is strongly deflected, it is corrected in the deflection correction region (54dc) and sent to the swirl transport path (53) together with the high-speed beam (40H).
The fusion-generated charged particles (48c) are sent to the annular regenerative reducer (70).

収束磁界(B、Bm)を横切る方向に偏向すると、荷電粒子はらせん運動を生じるので、考慮して偏向補正領域(54dc)で補正する。
図5(c)に示すように、高速ビーム(40H)と低速ビーム(40L)を同一の旋回輸送路(53)に送る。
核融合生成荷電粒子(48c)は、図5(c)に示すように環状回生減速器(70)に送る。
When the charged particles are deflected in the direction crossing the converging magnetic field (B 0 , Bm), the charged particles generate a spiral motion, so the correction is made in the deflection correction region (54 dc) in consideration of the spiral motion.
As shown in FIG. 5 (c), the high-speed beam (40H) and the low-speed beam (40L) are sent to the same swivel transport path (53).
The fusion-generated charged particles (48c) are sent to the annular regenerative reducer (70) as shown in FIG. 5 (c).

逆方向に進んだ核融合生成荷電粒子(48c)は、図4(a)のソレノイドコイル(51s)の反対側の反射点(52r#2)を通過して、図5(b)に示す偏向領域(52d、#2)を経由して出てくる。
燃料荷電粒子ビーム(40)と核融合生成荷電粒子(48c)は、燃料荷電粒子ビーム(40)の進行方向と逆方向であり、偏向領域(52d#2)により図の右下方向に偏向される。
図には示していないが、広がりを補正し、図5(c)に示すように環状回生減速器(70)に送る。
The fusion-generated charged particles (48c) traveling in the opposite direction pass through the reflection point (52r # 2) on the opposite side of the solenoid coil (51s) of FIG. 4 (a) and are deflected as shown in FIG. 5 (b). It comes out via the region (52d, # 2).
The fuel-charged particle beam (40) and the fusion-generated charged particle (48c) are in the direction opposite to the traveling direction of the fuel-charged particle beam (40), and are deflected in the lower right direction in the figure by the deflection region (52d # 2). To.
Although not shown in the figure, the spread is corrected and sent to the annular regenerative reducer (70) as shown in FIG. 5 (c).

<旋回輸送路>
旋回輸送路(53)は、図6(a)に示すように、燃料荷電粒子ビーム(40)を収束して輸送する収束磁界(Bt)を発生するのに必要なトロイダルコイル(51t)と、燃料荷電粒子ビーム(40)を旋回させるのに必要な旋回磁界(Bψ)を発生するポロイダルコイル(51p)を備えている。
旋回中は核融合を生じない構成とするため、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)の外側に収束用のトロイダルコイル(51t)を、内側に旋回用のポロイダルコイル(51p)を配置し、ポロイダルコイル(51p)は、外周側の旋回磁界(Bψ)が強くなるようにコサイン巻きを施している。
<Turning transport route>
As shown in FIG. 6A, the swirl transport path (53) includes a toroidal coil (51t) required to generate a convergent magnetic field (Bt) that converges and transports the fuel charged particle beam (40). It is provided with a poroidal coil (51p) that generates a swirling magnetic field (B ψ ) required to swirl the fuel charged particle beam (40).
In order to prevent nuclear fusion during rotation, a toroidal coil (51t) for convergence is placed inside the vacuum vessel (55) made of a tough material such as engineering ceramics, which is a non-magnetic insulating material. A swirling poroidal coil (51p) is arranged, and the poroidal coil (51p) is cosine-wound so that the swirling magnetic field (B ψ) on the outer peripheral side becomes stronger.

旋回する燃料荷電粒子ビーム(40)の外側に強い旋回磁界(Bψ)を形成することで、旋回半径(rψ)が異なる低速ビーム(40L)と高速ビーム(40H)を1つの旋回輸送路(53)で輸送する。
ビームは、旋回半径(rψ)の違いにより核種ごとに分離するので、高速ビーム(40H)と低速ビーム(40L)との衝突が減少し、核融合反応を抑制できる。
By forming a strong swirling magnetic field (B ψ ) outside the swirling fuel-charged particle beam (40), a low-speed beam (40L) and a high-speed beam (40H) having different swirling radii (r ψ) can be combined into one swirling transport path. Transport at (53).
Since the beams are separated for each nuclide due to the difference in turning radius (r ψ ), the collision between the high-speed beam (40H) and the low-speed beam (40L) is reduced, and the fusion reaction can be suppressed.

<分離・混合領域>
図7(a)は、図5(a)の核融合生成荷電粒子(48c)と周回ビームの
分離領域(52d#1)に対応する。
図7(b)は、図5(b)の核融合生成荷電粒子(48c)の分離と、周回ビーム等の混合領域(52d#2)に対応する。
ソレノイドコイル(51s)、トロイダルコイル(51t)などの複数の収束磁界(B、Bt)の磁力線の接続状況を示している。
右側の2つの収束磁界の磁力線(A、B)は、左側の収束磁界の磁力線(C)と繋がっている。
二本の磁力線が接近するが、磁力線(A)と磁力線(B)は、磁力線(C)を指し示す位置付近においても平行磁界である。
<Separation / mixing area>
FIG. 7 (a) corresponds to the fusion-generated charged particle (48c) and the orbiting beam separation region (52d # 1) of FIG. 5 (a).
FIG. 7 (b) corresponds to the separation of the fusion-generated charged particles (48c) of FIG. 5 (b) and the mixed region (52d # 2) such as the orbiting beam.
The connection state of the magnetic field lines of a plurality of convergent magnetic fields (B 0 , Bt) such as a solenoid coil (51s) and a toroidal coil (51t) is shown.
The magnetic field lines (A, B) of the two convergent magnetic fields on the right side are connected to the magnetic field lines (C) of the convergent magnetic field on the left side.
Although the two lines of magnetic force approach each other, the lines of magnetic force (A) and the lines of magnetic force (B) are parallel magnetic fields even in the vicinity of the position indicating the lines of magnetic force (C).

図7(c)は、図5(b)の燃料荷電粒子ビーム(40)と荷電粒子導入ビーム(40i)の混合領域(52d#2)における磁力線の乗り換えに対応する。
荷電粒子は、直線状の磁力線に沿って直線若しくはらせん状になって進むが、磁力線が真っすぐでない場合は、複雑な軌道を描く。
役割の異なる磁力線は、重ね合わせた合成磁力線となるものであるが、紙面に表現することが困難である。
FIG. 7 (c) corresponds to the transfer of magnetic field lines in the mixed region (52d # 2) of the fuel charged particle beam (40) and the charged particle introduction beam (40i) of FIG. 5 (b).
A charged particle travels in a straight line or a spiral along a straight line of magnetic force, but if the line of magnetic force is not straight, it draws a complicated orbit.
The magnetic field lines with different roles are superposed synthetic magnetic field lines, but it is difficult to express them on paper.

図7(c)は、直線状の異なる磁力線(B1,B2)に沿って進む燃料荷電粒子ビーム(40)と荷電粒子導入ビーム(40i)にそれぞれ偏向補正領域(52dc)で偏向磁界(Bdc)を与え、互いに逆方向に偏向し、らせん運動を加えて接近させる。
2つの荷電粒子ビーム(40、40i)が接近し、強い円形磁界(Bφ)により互いに引き合い、新たならせん運動が加わる。
燃料荷電粒子ビーム(40)に残留するらせん運動の運動量(k)は、偏向及び偏向補正領域(54d、54dc)の偏向量と偏向位置を可変し調整することができる。
FIG. 7C shows a deflection magnetic field (Bdc) in a deflection correction region (52dc) for a fuel charged particle beam (40) and a charged particle introduction beam (40i) traveling along different linear magnetic field lines (B1 and B2). Is given, the particles are deflected in opposite directions, and a spiral motion is applied to bring them closer.
Two of the charged particle beam (40,40i) approaches, inquiries, a new spiral motion applied to each other by a strong circular magnetic field (B phi).
The momentum (k) of the spiral motion remaining in the fuel charged particle beam (40) can be adjusted by varying the deflection amount and the deflection position in the deflection and deflection correction regions (54d, 54dc).

<偏向手段>
偏向領域(54d)、偏向補正領域(54dc)における磁界強度(Bd,Bdc)は、収束磁界(B)、閉じ込め磁界(Bm)の磁界強度と比較すると弱い磁界である。
図に示さないが、軸をずらす、あるいは、軸を傾けて設置した閉じ込めコイル(51m)によっても、荷電粒子を偏向することができ、燃料荷電粒子ビーム(40)を高速ビーム(40H)と低速ビーム(40L)に分離する運動量(k)を与えることができる。
<Deflection means>
The magnetic field intensities (Bd, Bdc) in the deflection region (54d) and the deflection correction region (54dc) are weak magnetic fields as compared with the magnetic field intensities of the convergent magnetic field (B 0) and the confined magnetic field (Bm).
Although not shown in the figure, the charged particles can be deflected by the confinement coil (51 m) installed by shifting the axis or tilting the axis, and the fuel charged particle beam (40) can be changed to a high speed beam (40H) and a low speed. The beam (40L) can be given a momentum (k) to separate.

図7(d)に示すように、収束コイル付ビーム導入路(44i)を用いて、の一部の磁力線を外部に引き出すことが可能である。
図には示していないが、収束コイルの内部に外部磁界(前記の平行磁界)が進入するので、磁性体で覆う、あるいは、ヘアピン状のコイルにより打消し磁界を発生し、保護する。
偏向領域(54d)、偏向補正領域(54dc)による偏向磁界(Bd、Bdc)等を与える方法について説明を行ったが、電界を与える方法もある。
図には示していないが、小さい静電偏向板を、核融合生成荷電粒子(48c)の照射を受けない位置に配置し、一方のビーム(40i、40e)のみを偏向することができる。
As shown in FIG. 7D, it is possible to draw a part of the magnetic field lines to the outside by using the beam introduction path (44i) with a converging coil.
Although not shown in the figure, since an external magnetic field (the above-mentioned parallel magnetic field) enters the inside of the converging coil, it is covered with a magnetic material or a hairpin-shaped coil generates a canceling magnetic field to protect it.
Although the method of applying the deflection magnetic field (Bd, Bdc) by the deflection region (54d) and the deflection correction region (54dc) has been described, there is also a method of applying an electric field.
Although not shown in the figure, a small electrostatic polarizing plate can be placed at a position not to be irradiated by the fusion-generated charged particles (48c), and only one beam (40i, 40e) can be deflected.

<電子の軌道>
電子ビーム(40e)は、燃料荷電粒子ビーム(40)の強いプラスの電荷に引き付けられ、燃料荷電粒子ビーム(40)の流れの中を逆方向に伝うように流れる。
旋回磁界(Bψ)の強度が大きすぎると、燃料荷電粒子ビーム(40)の内周側に電子ビーム(40e)が偏って、失われる原因になる。
旋回磁界(Bψ)の強度を2段階にして旋回領域(53P、53p)を作り出し、旋回半径(rψ)の異なる粒子を輸送するとともに、旋回磁界発生用のポロイダルコイル(51p)をコサイン巻きにすることで旋回輸送路(53p)の内周側に磁界が存在しない領域、あるいは磁界が逆方向になるようにして、電子ビーム(40e)の流出を防ぐ。
<Electronic orbit>
The electron beam (40e) is attracted to the strong positive charge of the fuel-charged particle beam (40) and flows in the opposite direction in the flow of the fuel-charged particle beam (40).
If the intensity of the swirling magnetic field (B ψ ) is too high, the electron beam (40e) is biased toward the inner peripheral side of the fuel charged particle beam (40), causing loss.
The strength of the swirling magnetic field (B ψ ) is set in two stages to create a swirling region (53P, 53p), particles with different swirling radii (r ψ ) are transported, and the poroidal coil (51p) for generating the swirling magnetic field is cosine-wound. By doing so, the region where the magnetic field does not exist on the inner peripheral side of the swirl transport path (53p) or the magnetic field is made to be in the opposite direction to prevent the electron beam (40e) from flowing out.

<電子の散乱>
図6(c)に示すように、燃料荷電粒子ビーム(40)の空間電荷の中和状態を維持するために、核融合反応領域(52f)の偏向領域(52d#1)において燃料荷電粒子ビーム(40)が十分に収束できるよう、電子ビーム発生器(43)により電子ビーム(40e)の補充を行う。
水素の原子核(p)と電子(e)の間に働く力がクーロン力だけであり、水素のイオン化エネルギーである13.6[eV]以上の速度で衝突した場合は、完全弾性衝突を生じる。
<Electron scattering>
As shown in FIG. 6 (c), in order to maintain the neutralized state of the space charge of the fuel charged particle beam (40), the fuel charged particle beam is formed in the deflection region (52d # 1) of the fusion reaction region (52f). The electron beam (40e) is replenished by the electron beam generator (43) so that (40) can be sufficiently converged.
The only force acting between the atomic nucleus (p) and the electron (e) of hydrogen is the Coulomb force, and when a collision occurs at a speed of 13.6 [eV] or higher, which is the ionization energy of hydrogen, a complete elastic collision occurs.

静止した陽子(p)に向かって質量(m)の電子(e)が速度(V)で直進すると、陽子(p)と電子(e)のクーロン相互作用により入射した電子(e)は散乱を受け、その散乱断面積(σe)は、
で現される。100[eV]の電子が静止した陽子(p)に衝突し、90[°]以上に散乱する電子散乱断面積(σe)は、2.02×10−38[cm]である。
電子(e)の散乱断面積(σe)は、2.02×10−14[barns]であり、これは、原子核同士の核融合反応断面積(σ)と比較して、極めて小さい。
90[°]以内の散乱についても積分範囲に含める必要があるので、90[°]の散乱断面積(σe)の10,000倍と見積もる場合においても、2.02×10-10[barns]と小さい。
When electron mass toward the stationary protons (p) (m e) ( e) goes straight at a speed (V 0), proton (p) and electrons entering the Coulomb interaction of the electron (e) (e) is Receives scattering, and its scattering cross section (σe) is
Represented in. The electron scattering cross section (σe) at which 100 [eV] electrons collide with a stationary proton (p) and scatter at 90 [°] or more is 2.02 × 10 −38 [cm 2 ].
The scattering cross section (σe) of the electron (e) is 2.02 × 10 -14 [barns], which is extremely small compared to the fusion reaction cross section (σ) between nuclei.
90 because [°] for scattering within should also be included in the integral range, 90 when the estimated 10,000 times the scattering cross section [°] (Sigma] e) also, 2.02 × 10- 10 [barns] And small.

電子(e)と荷電粒子(z)との換算質量(m)は、質量差が大きいので、陽子(p)の場合と変わらないとみなすことが出来、電子(e)に対して逆方向の速度(V)があるから、電子散乱断面積(σe)は、さらに小さくなる。
ヘリウム3(He)の電荷が2倍になるので、電子の散乱断面積(σe)は、8倍になるが、それでも十分に小さい。
燃料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが互いに衝突するが、軽量な電子(e)のみが散乱し、燃料荷電粒子ビーム(40)の散乱は少ない。
速度を失った電子(e)は、円形磁界(Bφ)による収束力(F)を失ってビームから離脱する。
図には示していないが、速度を失った散乱電子(48e)は、燃料荷電粒子ビーム(40)の周回輸送路の周辺部で回収する。
Since the reduced mass (m) of the electron (e) and the charged particle (z) has a large mass difference, it can be regarded as the same as the case of the proton (p), and the direction opposite to that of the electron (e). Since there is a velocity (V), the electron scattering cross section (σe) becomes even smaller.
Since the charge of helium-3 ( 3 He) is doubled, the scattering cross section (σe) of electrons is eight times, but still small enough.
The fuel-charged particle beam (40) and the electron beam (40e) collide with each other, but only the lightweight electrons (e) are scattered, and the fuel-charged particle beam (40) is less scattered.
Electrons lost rate (e) is disengaged from the beam loses converging force by circular magnetic field (B phi) and (F B).
Although not shown in the figure, the scattered electrons (48e) that have lost their velocities are collected at the periphery of the orbital transport path of the fuel charged particle beam (40).

<周回粒子の加速>
周回する燃料荷電粒子ビーム(40)の線密度は、一様であり、バンチ化されていない。
周回によって徐々に運動エネルギー(K)を失うが、粒子加速器(42a)のように加速電極を用いるなどして、加速することができない。
周回する燃料荷電粒子ビーム(40H、40L)の速度より、若干早い速度で荷電粒子導入ビーム(40i)を、打ち込むことで、ほぼ同じ速度で周回する粒子に対して加速を与えることができる。
<Acceleration of orbiting particles>
The linear density of the orbiting fuel-charged particle beam (40) is uniform and not bunched.
Kinetic energy (K) is gradually lost due to the orbit, but it cannot be accelerated by using an accelerating electrode like the particle accelerator (42a).
By driving the charged particle introduction beam (40i) at a speed slightly faster than the speed of the orbiting fuel charged particle beam (40H, 40L), acceleration can be given to the orbiting particles at almost the same speed.

荷電粒子ビーム発生器(42)が発射する荷電粒子導入ビーム(40i)は、加速するためにパルス状の荷電粒子バンチを形成しているが、バンチ内の部位により速度差が含まれるため、周回輸送路へ投入後に分散し、均一な燃料荷電粒子ビーム(40)を形成する。
燃料荷電粒子ビーム(40)の線密度に不均一を生じると、電界(Er)の不均一を生じ、これが荷電粒子の速度(V、V)で周回することになる。
逆回りの電子ビーム(40e)がこの強い電界の不均一に曝されると、散乱電子(48e)が増加し、周回する燃料荷電粒子ビーム(40)もさらに不安定になる。
燃料荷電粒子ビーム(40)の「らせん運動」などのビーム内のエミッション(k)が不均一になり、部分的に核融合が進むなどの原因となる。
燃料荷電粒子ビーム(40)の分布が不均一にならないよう、一定に保つ必要がある。
The charged particle introduction beam (40i) emitted by the charged particle beam generator (42) forms a pulsed charged particle bunch for acceleration, but it orbits because a speed difference is included depending on the part inside the bunch. After being put into the transport path, it disperses to form a uniform fuel-charged particle beam (40).
If the linear density of the fuel charged particle beam (40) becomes non-uniform, the electric field (Er) becomes non-uniform, which orbits at the velocity of the charged particles (V H , VL).
When the counter-rotating electron beam (40e) is exposed to the non-uniformity of this strong electric field, the scattered electrons (48e) increase and the orbiting fuel-charged particle beam (40) becomes more unstable.
Emissions (k) in the beam, such as the "spiral motion" of the fuel-charged particle beam (40), become non-uniform, causing partial nuclear fusion.
It is necessary to keep the distribution of the fuel charged particle beam (40) constant so as not to be uneven.

熱プラズマ方式の核融合では、荷電粒子(z)と電子(e)とが混在し、ほぼ電気的に中和された熱プラズマを用いる。
荷電粒子ビーム核融合炉(50)では、エミッション(k)が少ない荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが互いに逆方向に進む構成である。
荷電粒子ビーム核融合炉(50)は、熱運動をするプラズマを用いる方式とは、全く異なる原理に基づいている。
核融合反応領域(52f)で発生した核融合生成荷電粒子(48c)は、収束磁界(B)の磁力線に捕捉され、収束磁界(B)が1[T]である場合、核融合生成荷電粒子(48c)は、半径0.25〜0.5[m]のらせん運動をする。
In thermal plasma fusion, charged particles (z) and electrons (e) are mixed and almost electrically neutralized thermal plasma is used.
In the charged particle beam fusion reactor (50), the charged particle beam (40) and the electron beam (40e), which have less emissions (k), travel in opposite directions.
The charged particle beam fusion reactor (50) is based on a completely different principle from the method using plasma for thermal motion.
Fusion product charged particles generated by the nuclear fusion reaction region (52f) (48c) is trapped in the magnetic field lines of the convergence magnetic field (B 0), if the convergence magnetic field (B 0) is 1 [T], generating fusion The charged particle (48c) makes a spiral motion with a radius of 0.25 to 0.5 [m].

<核融合生成荷電粒子の分離>
核融合生成荷電粒子(48c)は、燃料荷電粒子ビーム(40)よりも運動エネルギー(K)が大きいため、燃料荷電粒子ビーム(40)自体が作り出す円形磁界(Bφ)を突き抜けて収束磁界(B)の中でらせん運動をする。
また、核融合生成荷電粒子(48c)は、分離領域及び混合領域(52d、#1、#2)の偏向を受ける度合いが小さいので、図5(a)及び(b)に示すように、燃料荷電粒子ビーム(40)とは異なる方向に分離される。
ピッチ角(θ)が極めて小さい核融合生成荷電粒子(48c)の一部が燃料荷電粒子ビーム(40)中に取り込まれるが、分離領域及び混合領域(52d、#1、#2)でこれらを分離する。
核融合生成荷電粒子(48c)を環状回生減速器(70)に導き、その運動エネルギー(K)を直接、電気エネルギー(E)に変換する。
<Separation of fusion-generated charged particles>
Since the fusion-generated charged particle (48c) has a larger kinetic energy (K) than the fuel-charged particle beam (40 ), it penetrates the circular magnetic field (Bφ ) generated by the fuel-charged particle beam (40) itself and converges on the magnetic field (Bφ). Make a spiral movement in B 0).
Further, since the fusion-generated charged particles (48c) are less susceptible to deflection in the separation region and the mixing region (52d, # 1, # 2), as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the fuel It is separated in a direction different from that of the charged particle beam (40).
A part of the fusion-generated charged particles (48c) having an extremely small pitch angle (θ) is taken into the fuel charged particle beam (40), but these are taken in the separation region and the mixing region (52d, # 1, # 2). To separate.
The fusion-generated charged particles (48c) are guided to the annular regenerative reducer (70), and its kinetic energy (K) is directly converted into electrical energy (E).

<直接エネルギー変換>
図8(a)に示すように、環状回生減速器(70)は、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)の2つのループ状の荷電粒子流路(71M、71S)を結合した形状をしている。
一方の主旋回流路(71M)は、磁性体(75m)で閉じられ、二次巻き線(72)が巻かれている。
核融合生成荷電粒子(48c)の通過による電磁誘導作用により、二次巻き線(72)に起電力が発生する。
核融合生成荷電粒子(48c)の導入路(74i)に核種分離偏向器(74d)を置き、磁界中の回転半径の違いから、核種を分離する。
分離する方向は、紙面に対して垂直方向である。
偏向領域(52d)の影響を考慮し、核種分離偏向コイル(74d)を配置する。
図8(b)に示すように、分離された核融合生成荷電粒子(48c)は、上または下に分離され、切替コイル(73X)の切替磁界(73x)により、荷電粒子流路(71M、71S)の何れかに送られる。
<Direct energy conversion>
As shown in FIG. 8A, the annular regenerative reducer (70) is a two-loop charged particle stream of a vacuum vessel (55) made of a tough material such as engineering ceramics, which is a non-magnetic insulating material. It has a shape in which roads (71M, 71S) are connected.
One main swirling flow path (71M) is closed by a magnetic material (75m), and a secondary winding (72) is wound around it.
An electromotive force is generated in the secondary winding (72) due to the electromagnetic induction action due to the passage of the fusion-generated charged particles (48c).
A nuclide separation deflector (74d) is placed in the introduction path (74i) of the fusion-generated charged particles (48c), and the nuclides are separated from the difference in the radius of gyration in the magnetic field.
The direction of separation is the direction perpendicular to the paper surface.
The nuclide separation deflection coil (74d) is arranged in consideration of the influence of the deflection region (52d).
As shown in FIG. 8 (b), the separated fusion-generated charged particles (48c) are separated upward or downward, and the charged particle flow path (71M,) is generated by the switching magnetic field (73x) of the switching coil (73X). It is sent to any of 71S).

核融合反応の種別により、核融合生成荷電粒子(48c)の核種の種類は、1、2、または、3である。
分別する必要が無ければ、核種分離偏向器(74d)も必要なく、環状回生減速器(70)も上下2段に構成する必要も無い。
図8は、核種が2種類の場合であり、分離すべき核種が3種類の場合は、上中下の3段の構成にする。
核融合生成荷電粒子(48c)の流れを1次側とし、2次側の巻き線(72)を磁性体(75m)で閉じた「変圧器」と同じ構成である。
核融合が連続して生じる場合、環状回生減速器(70)を通過する核融合生成荷電粒子(48c)の数も一定となり、磁界の変化が無くなるため、電気エネルギー(E)として回収することができない。
環状回生減速器(70)の2つの主旋回流路(71M)と副旋回流路(71S)とを交互に切り替えて、磁性体(75m)の開口部を通過する核融合生成荷電粒子(48c)の流れに変化を与える。
Depending on the type of fusion reaction, the type of nuclide of the fusion-generated charged particle (48c) is 1, 2, or 3.
If there is no need for sorting, the nuclide separation deflector (74d) is not required, and the annular regenerative reducer (70) does not need to be configured in two upper and lower stages.
FIG. 8 shows a case where there are two types of nuclides, and when there are three types of nuclides to be separated, the configuration has three stages of upper, middle and lower.
It has the same configuration as a "transformer" in which the flow of fusion-generated charged particles (48c) is on the primary side and the winding (72) on the secondary side is closed with a magnetic material (75 m).
When fusion occurs continuously, the number of fusion-generated charged particles (48c) passing through the annular regenerative reducer (70) is also constant, and the change in the magnetic field disappears, so that it can be recovered as electrical energy (E). Can not.
Fusion-generated charged particles (48c) that alternately switch between the two main swirl channels (71M) and the sub-swivel flow path (71S) of the annular regenerative reducer (70) and pass through the opening of the magnetic material (75 m). ) Changes the flow.

一次側の核融合生成荷電粒子(48c)の流れを電流(I)に換算する。
毎秒消滅する高速粒子数(Nh)に対し、陽子数(z)が1または2の核融合生成荷電粒子(48c)が生成され、その核種毎の電流(I)は、次のとおりである。
I=Nh×z×1.602×10−19[A]
100[MW]前後の炉の場合、核融合生成荷電粒子(48c)が作る電流(I)は、数十[A]程度であり、少ない。
このため、環状回生減速器(70)に核融合生成荷電粒子(48c)を導き、何回も旋回させて直接電力変換を行い、回生電流(72i)を増大する。
これは、トランスの一次巻き線の巻き数を増したのと等価である。
The flow of the fusion-generated charged particles (48c) on the primary side is converted into the current (I).
Fusion-generated charged particles (48c) having a proton number (z) of 1 or 2 are generated with respect to the number of high-speed particles (Nh) that disappear every second, and the current (I) for each nuclide is as follows.
I = Nh × z × 1.602 × 10-19 [A]
In the case of a furnace of about 100 [MW], the current (I) generated by the fusion-generated charged particles (48c) is about several tens [A], which is small.
Therefore, the fusion-generated charged particles (48c) are guided to the annular regenerative reducer (70) and swirled many times to perform direct power conversion to increase the regenerative current (72i).
This is equivalent to increasing the number of turns of the primary winding of the transformer.

二次電流(72i)が十分に増大した後、中央の切替コイル(73X)に流す電流を反転して切替磁界(73x)を反転し、主旋回流路(71M)から副旋回流路(71S)に、核融合生成荷電粒子(48c)を移す。
主旋回流路(71S)に流れる核融合生成荷電粒子(48c)が減少に転じると、2次巻き線(72)の二次電流(72i)の向きも反転するので、整流器(75d±)により整流して、電力回生主回路(77)に送る。
二次電流(72i)十分に減少した後、切替磁界(73x)を戻し、核融合生成荷電粒子(48c)を副旋回流路(71S)から主旋回路(71M)に戻す。
主旋回流路(71M)と副旋回流路(71S)との切り替えを繰り返し、電気エネルギー(E)への変換を行う。
図5(c)に示す回路図は、電気エネルギー(E)に変換された電流を整流器(75d±)で整流して、50[kV]の直流電力に変換し、回生電力線(77)に送る。
図には示さないが、高圧交流送電網で送電可能な交流電力に直接変換する方法も考えられる。
After the secondary current (72i) is sufficiently increased, the current flowing through the central switching coil (73X) is reversed to reverse the switching magnetic field (73x), and the main swirling flow path (71M) to the sub swirling flow path (71S) are reversed. ), The fusion-generated charged particles (48c) are transferred.
When the fusion-generated charged particles (48c) flowing in the main swirling flow path (71S) start to decrease, the direction of the secondary current (72i) of the secondary winding (72) also reverses, so the commutator (75d ±) is used. It is rectified and sent to the power regeneration main circuit (77).
After the secondary current (72i) is sufficiently reduced, the switching magnetic field (73x) is returned, and the fusion-generated charged particles (48c) are returned from the sub-swirl flow path (71S) to the main rotation circuit (71M).
Switching between the main swirl flow path (71M) and the sub swirl flow path (71S) is repeated to convert the energy into electrical energy (E).
In the circuit diagram shown in FIG. 5 (c), the current converted into electric energy (E) is rectified by a rectifier (75d ±), converted into DC power of 50 [kV], and sent to the regenerative power line (77). ..
Although not shown in the figure, a method of directly converting to AC power that can be transmitted by a high-voltage AC power grid is also conceivable.

速度(V、V)及び質量電荷比(m/z)の異なる核融合生成荷電粒子(48c)を旋回させるため、旋回流路(71)の外周側には旋回磁界(73P)を設けている。流路の中央部と内周側には弱い旋回磁界(73p)を設けている。
荷電粒子が強い旋回磁界(73P)を進むときは内周側に強い偏向を受けるが、内周側を進むときは偏向量が少なくなるので、核融合生成荷電粒子(48c)は、強い旋回磁界(73P)の内側の境界付近を旋回する。
運動エネルギー(K)を失った核融合生成荷電粒子(48c)は、弱い旋回磁界(73p)によって、旋回輸送路(73)の最も内側を周回する。
A swirling magnetic field (73P) is provided on the outer peripheral side of the swirling flow path (71) in order to swirl fusion-generated charged particles (48c) having different velocities (V H , VL) and mass-to-charge ratio (m / z). ing. A weak swirling magnetic field (73p) is provided at the central portion and the inner peripheral side of the flow path.
When a charged particle travels through a strong swirling magnetic field (73P), it receives a strong deflection toward the inner peripheral side, but when traveling along the inner peripheral side, the amount of deflection decreases, so the fusion-generated charged particle (48c) receives a strong swirling magnetic field. Turn around the inner boundary of (73P).
The fusion-generated charged particles (48c) that have lost kinetic energy (K) orbit the innermost part of the swirling transport path (73) due to a weak swirling magnetic field (73p).

核融合生成荷電粒子(48c)を主旋回流路(71M)から副旋回流路(71S)に移した後、運動エネルギー(K)を失った核融合生成荷電粒子(48c)を副旋回流路(71S)に残し、切替コイル(74X、#1、#2)を作動させて、イオン中和器(80、#1、#2)へ排出する。
主旋回流路(71M、#1、#2)、副旋回流路(71S、#1、#2)及びイオン中和器(80、#1、#2)の個別識別番号(#1、#2)は、対応する。
図8(a)の核種の数は2であるが、イオン中和器(80)は、核融合反応で生じる核融合生成荷電粒子(48c)の核種の数より1台多く設ける必要がある。
炉を停止するときは、荷電粒子導入ビーム(40i)を停止し、核融合反応が終了した後、残った高速ビーム(40H)を環状回生減速器(70)に送り、イオン中和器(80)にてガス化するために、必要である。
核融合生成荷電粒子(48c)を2次利用する場合は、イオン中和器(80)を廃して、イオン排出路(74o)に替え、荷電粒子の状態で移送する。
After moving the fusion-generated charged particles (48c) from the main swirling flow path (71M) to the sub-swirl flow path (71S), the fusion-generated charged particles (48c) that have lost kinetic energy (K) are transferred to the sub-swirl flow path The particles are left in (71S), the switching coils (74X, # 1, # 2) are operated, and the particles are discharged to the ion neutralizer (80, # 1, # 2).
Individual identification numbers (# 1, # 2) of the main swirl flow path (71M, # 1, # 2), the sub swirl flow path (71S, # 1, # 2) and the ion neutralizer (80, # 1, # 2). 2) corresponds.
Although the number of nuclides in FIG. 8A is 2, the ion neutralizer (80) needs to be provided one more than the number of nuclides of the fusion-generated charged particles (48c) generated in the fusion reaction.
When shutting down the furnace, the charged particle introduction beam (40i) is stopped, and after the fusion reaction is completed, the remaining high-speed beam (40H) is sent to the annular regenerative reducer (70) to the ion neutralizer (80). ) Is required to gasify.
When the fusion-generated charged particles (48c) are secondarily used, the ion neutralizer (80) is abolished, replaced with an ion discharge path (74o), and transferred in the state of charged particles.

<荷電粒子の中和>
図8(d)のイオン中和器(80)に排出された核融合生成荷電粒子(48c)は、偏向電極(82d)により弁別し、異なる電圧を加えた回生電極(82R)の電界で制動を受け、回生電極(82R)から電子(e)をもらい中和し、ガスに戻し、ターボ分子ポンプなどの高真空ポンプ(86h)により排気し、図には示さないが、さらに真空ポンプ(86)により圧縮してガスボンベ(64)に蓄積する。
<荷電粒子の移送>
核融合生成荷電粒子(48c)は、核種毎に分離した上でガス化を行うが、D−D反応により生じたトリチウム(T)については、中和器(80)をイオン排出口(74o)に替えて、ガス化を行わずに、荷電粒子の状態でトリチウム(T)用の荷電粒子ビーム発生器(42)の粒子加速器(42a)に直接移送して、直ちに消滅させることが望ましい。
イオン移送路(91)は、図には示さないが、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)に、収束コイル(91s、91t)を備えた構造で、湾曲部(93)に偏向コイル(91p)を配置し、荷電粒子を真空容器(55)の壁面に接触させることなく輸送する構成である。
<Neutralization of charged particles>
The fusion-generated charged particles (48c) discharged to the ion neutralizer (80) in FIG. 8 (d) are discriminated by the deflection electrode (82d) and dampened by the electric field of the regenerative electrode (82R) to which a different voltage is applied. In response to this, electrons (e) are received from the regenerative electrode (82R), neutralized, returned to gas, and exhausted by a high vacuum pump (86h) such as a turbo molecular pump. Although not shown in the figure, a vacuum pump (86) is further used. ) And accumulates in the gas cylinder (64).
<Transfer of charged particles>
Fusion-generated charged particles (48c) are separated for each nuclei and then gasified. For tritium (T) generated by the DD reaction, a neutralizer (80) is used as an ion outlet (74o). Instead of gasification, it is desirable to transfer the charged particles directly to the particle accelerator (42a) of the charged particle beam generator (42) for tritium (T) and immediately extinguish them.
Although not shown in the figure, the ion transfer path (91) has a structure in which a converging coil (91s, 91t) is provided in a vacuum vessel (55) made of a tough material such as engineering ceramics, which is a non-magnetic insulating material. The deflection coil (91p) is arranged on the curved portion (93), and the charged particles are transported without coming into contact with the wall surface of the vacuum vessel (55).

<中性子熱変換>
中性子(n)を伴う核反応を利用する場合は、核融合生成中性子(48n)が持つ運動エネルギー(K)の回生と遮蔽が必要である。
図4(b)に示すように、ソレノイドコイル(51s)の内側に、中性子熱変換室(60Q)及び中性子遮蔽室(60S)からなる中性子エネルギー変換器(60)を配置する。
核融合生成中性子(48n)の運動エネルギー(K)の回生と遮蔽は、中性子反応断面積(σn)の大きい中性子減速材(10)で核融合反応領域(52f)を覆うとともに、減速材(10)を循環させて外部に熱エネルギー(Q)として取り出す。
循環可能な減速材(10)として、水素原子核(p)を多く含む水(HO)などを用いる。
<Neutron thermal conversion>
When using a nuclear reaction involving neutrons (n), it is necessary to regenerate and shield the kinetic energy (K) of the fusion-generated neutrons (48n).
As shown in FIG. 4B, a neutron energy converter (60) including a neutron thermal conversion chamber (60Q) and a neutron shielding chamber (60S) is arranged inside the solenoid coil (51s).
For the regeneration and shielding of the kinetic energy (K) of the fusion-generated neutron (48n), the moderator (10) with a large neutron reaction cross section (σn) covers the fusion reaction region (52f) and the moderator (10). ) Is circulated and taken out as thermal energy (Q).
As cyclable moderator (10), the like containing a large amount of hydrogen nuclei (p) water (H 2 O).

<トリチウム増殖>
核融合生成中性子(48n)を照射してトリチウム(T)の生成を行うには、真空容器(55)の外側に、リチウム等を含むトリチウム増殖材(Li、Be)を内蔵した、一般にブランケットと呼ばれるトリチウム増殖器(60B)を置き、ヘリウム4ガス(24)を循環させて熱(Q)及びトリチウム(T)を外部に取り出す。
収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)を核融合生成中性子(48n)の照射から保護をするため、中性子遮蔽器(60S)が必要である。
<Tritium proliferation>
In order to generate tritium (T) by irradiating with fusion-generated neutrons (48n), a tritium breeding material (Li, Be) containing lithium or the like is built in the outside of the vacuum vessel (55), generally with a blanket. A so-called tritium breeder (60B) is placed, and helium-4 gas (24) is circulated to take out heat (Q) and tritium (T) to the outside.
A neutron shield (60S) is required to protect the solenoid coil (51s) for generating the convergent magnetic field from irradiation with fusion-generated neutrons (48n).

<核融合反応器>
収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)の大きさは、収束磁界(B)の強度と中性子エネルギー変換器(60)の大きさによって決まる。
表3に示すように、収束磁界(B)によって核融合生成荷電粒子(48c)が旋回する。核融合生成荷電粒子(48c)が衝突しない直径の真空容器(55)とする必要がある。
真空容器(55)は、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作する。
真空容器(55)、中性子エネルギー変換器(60)及び、収束磁界発生ソレノイドコイル(51s)を含めて反応器(58)を構成する。
非中性子型核融合炉(50F)の場合は、中性子エネルギー変換器(60)が不要であるから、反応器(58)は、真空容器(55)と収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)のみで良く、コイルの内径をおよそ1.64[m]と小型にできる。
<Nuclear fusion reactor>
The size of the solenoid coil (51s) for generating the convergent magnetic field is determined by the strength of the convergent magnetic field (B 0 ) and the size of the neutron energy converter (60).
As shown in Table 3, the fusion-generated charged particles (48c) are swirled by the convergent magnetic field (B 0). It is necessary to use a vacuum vessel (55) having a diameter at which the fusion-generated charged particles (48c) do not collide.
The vacuum vessel (55) is made of a tough material such as engineering ceramics, which is a non-magnetic insulating material.
The reactor (58) is composed of a vacuum vessel (55), a neutron energy converter (60), and a convergent magnetic field generating solenoid coil (51s).
In the case of a non-neutron fusion reactor (50F), the neutron energy converter (60) is not required, so the reactor (58) is only a vacuum vessel (55) and a solenoid coil (51s) for generating a convergent magnetic field. The inner diameter of the coil can be reduced to about 1.64 [m].

表3 ソレノイドコイルの大きさ Table 3 Size of solenoid coil

<中性子エネルギー変換器(60)>
核融合生成中性子(48n)の照射から収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)を防護するため、トリチウム増殖器(60B)あるいは中性子熱変換室(60Q)の外側を中性子遮蔽室(60S)で取り囲む必要があり、中性子エネルギー変換器(60)の直径は、収束磁界(B)が1[T]のとき、表3に示すとおり、およそ6.1〜6.7[m]必要である。
<Neutron energy converter (60)>
In order to protect the solenoid coil (51s) for generating the convergent magnetic field from the irradiation of fusion-generated neutrons (48n), the outside of the tritium breeder (60B) or the neutron heat conversion chamber (60Q) is surrounded by a neutron shielding chamber (60S). The diameter of the neutron energy converter (60) needs to be about 6.1 to 6.7 [m] as shown in Table 3 when the convergent magnetic field (B 0) is 1 [T].

中性子減速材(10)として水を用いる場合、厚さ1[m]毎に、14[MeV]の核融合生成中性子(48n)は、500分の1に、4[MeV]までの核融合生成中性子(48n)は、1,000,000分の1に減衰するから、水2.5[m]の厚さによる遮蔽は、表4に示す水による減衰を見込むことができる。
収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)に達する核融合生成中性子(48n)による流入熱は、0.02[W/m]程度と少ないから、超電導コイルの冷却に支障はない。
中性子エネルギー変換器(60)は、軸方向に貫通した形状のため、核融合生成中性子(48n)の輻射が避けられない。
水素を多く含む物質であるポリエチレンや水などを用いた中性子遮蔽体(60s)を中性子エネルギー変換器(60)の両端の軸上に配置し、核融合生成中性子(48n)の遮蔽を行う。
When water is used as the neutron moderator (10), fusion generation of 14 [MeV] for every 1 [m] thickness of neutron (48n) is reduced to 1/500 and fusion generation of up to 4 [MeV]. Since neutrons (48n) are attenuated to 1 / 1,000,000, the shielding by the thickness of 2.5 [m] of water can be expected to be attenuated by water shown in Table 4.
Since the inflow heat of the fusion-generated neutrons (48n) reaching the solenoid coil (51s) for generating the convergent magnetic field is as small as about 0.02 [W / m 2 ], there is no problem in cooling the superconducting coil.
Since the neutron energy converter (60) has a shape penetrating in the axial direction, radiation of fusion-generated neutrons (48n) is unavoidable.
A neutron shield (60s) using polyethylene or water, which is a substance containing a large amount of hydrogen, is placed on the axes at both ends of the neutron energy converter (60) to shield the fusion-generated neutrons (48n).

表4 ソレノイドコイルへの中性子照射量 Table 4 Neutron irradiation amount to the solenoid coil

<人体に対する防護>
14[MeV]の核融合生成中性子(48n)から人体を防護するには、5[m]以上の厚みの水に相当する遮蔽が必要であるが、水を満たした中性子遮蔽室(60S)の厚みは2[m]から3[m]であり、不足する。
反応器(58)の開口部からの核融合生成中性子(48n)の漏洩も存在するため、人体に対する防護基準を満たすためには、さらに外側にコンクリート壁などを設けて、散乱した中性子(n)を含めて遮蔽を補う必要がある。
<Protection against the human body>
In order to protect the human body from 14 [MeV] fusion-generated neutrons (48n), it is necessary to shield the human body with a thickness of 5 [m] or more, which is equivalent to that of water-filled neutron shielding chamber (60S). The thickness is 2 [m] to 3 [m], which is insufficient.
Since there is also leakage of fusion-generated neutrons (48n) from the opening of the reactor (58), in order to meet the protection standards for the human body, a concrete wall or the like is further provided on the outside to scatter the neutrons (n). It is necessary to supplement the shielding including.

荷電粒子ビーム核融合(50)は、遅々として進展しないプラズマ方式の核融合に見切りをつけて、一気に核融合発電を実現することができる。
旋回輸送路(53)を用いて、実質的に無限に長い核融合反応領域(52f)を実現でき、核融合断面積(σ)が小さい場合であっても、高い核融合反応率(η)を得ることができる。
D−He反応、p−Li反応、p−Li反応、及び、p−11B反応を用いることができる「非中性子型核融合炉(50F)」は、p−Li反応により地球上にある資源のみでヘリウム3(He)を生成し、出力の大きなD−He反応が利用可能となり、環状回生減速器(70)により直接電力変換が可能であり、ベースロード電源になり得ると共に、移動体の推進力にも道が開ける。
中性子エネルギー変換器(60)を用いることにより、中性子(n)を伴うあらゆる核反応を扱うことができる。
D−T反応のみを用いる「トリチウム増殖炉(50B)」、D−D反応を行い、次にD−T反応を行って、トリチウム(T)を消滅する「トリチウム消滅連携炉(50C)」を構成することができる。
発電用途以外に、核変換装置としての利用も期待できる。
Charged particle beam fusion (50) can realize fusion power generation at once by giving up on plasma-type fusion that does not progress slowly.
The swirl transport path (53) can be used to achieve a virtually infinitely long fusion reaction region (52f), with a high fusion reaction rate (η f) even when the fusion cross-sectional area (σ) is small. ) Can be obtained.
The "non-neutron-type nuclear fusion reactor (50F)" that can use the D- 3 He reaction, p- 6 Li reaction, p- 7 Li reaction, and p- 11 B reaction is the earth by the p-6 Li reaction. generates helium 3 (3 the He) only resources in the above, large D-3 the He reaction of output becomes available, but may be direct power conversion by an annular regenerative braking device (70), becomes a base load power As well as gaining, it also opens the way for the propulsion of moving objects.
By using the neutron energy converter (60), any nuclear reaction involving neutrons (n) can be handled.
A "tritium breeder reactor (50B)" that uses only the DT reaction, and a "tritium annihilation cooperation furnace (50C)" that performs the DD reaction and then the DT reaction to eliminate tritium (T). Can be configured.
In addition to power generation applications, it can also be expected to be used as a transmutation device.

自己収縮燃料荷電粒子ビームSelf-shrinking fuel charged particle beam 円形軌道(a)円環型、(b)変形円環型Circular orbit (a) Ring type, (b) Deformed ring type 軌道構成(a)長円形軌道、(b)無限形軌道、(c)多角形軌道、(d)対向衝突軌道、(e)多重長円軌道Orbital configuration (a) Oval orbit, (b) Infinite orbit, (c) Polygonal orbit, (d) Opposed collision orbit, (e) Multiple oval orbit 直線部に配置する核融合反応領域(a)縦断面、(b)横断面、(c)収束磁界(B)、(d)ピッチ角Fusion reaction region (a) longitudinal section, (b) cross section, (c) convergent magnetic field (B 0 ), (d) pitch angle arranged in a straight line 偏向領域(a)分離領域、(b)混合領域、(c)全体構成Deflection region (a) Separation region, (b) Mixed region, (c) Overall configuration 旋回輸送路(a)断面図、(b)燃料荷電粒子ビーム断面図、(c)旋回磁界(BψSwirling transport path (a) Cross section, (b) Fuel charged particle beam cross section, (c) Swirling magnetic field (B ψ ) 磁力線(a)分岐、(b)接続、(c)乗換、(d)抜出しLine of magnetic force (a) branch, (b) connection, (c) transfer, (d) extraction 環状回生減速器(70)(a)水平断面図、(b)横断面図、(c)電力回路、(d)イオン中和器(80)Circular regenerative reducer (70) (a) Horizontal cross section, (b) Cross section, (c) Power circuit, (d) Ion neutralizer (80) 非中性子型荷電粒子ビーム核融合炉(50F)(a)水平断面図、(b)反応器(58)横断面図、(c)連携接続図Non-neutron type charged particle beam fusion reactor (50F) (a) horizontal cross section, (b) reactor (58) cross section, (c) linked connection diagram トリチウム増殖型荷電粒子ビーム核融合炉(50B)(a)水平断面図、(b)反応器(58、60B)横断面図Tritium Proliferation Charged Particle Beam Fusion Reactor (50B) (a) Horizontal Cross Section, (b) Reactor (58, 60B) Cross Section トリチウム消滅型荷電粒子ビーム核融合炉(50C)(a)高速ビーム共有型連携炉水平断面図、(b)反応器(58、60Q)横断面図、(c)反応器(58、60Q、98)横断面図Tritium annihilation type charged particle beam fusion reactor (50C) (a) High-speed beam sharing type cooperative reactor horizontal cross section, (b) reactor (58, 60Q) cross section, (c) reactor (58, 60Q, 98) ) Cross section 円環型荷電粒子ビーム核融合炉(非中性子型、中性子型)Annulus charged particle beam fusion reactor (non-neutron type, neutron type) 相対衝突エネルギー(Kc)に対する核融合反応断面積(σ)Fusion reaction cross section (σ) for relative collision energy (Kc)

発明を実施するための形態は、核融合反応の形態から、実施例1の非中性子型と実施例2の中性子型の2種類に分類できる。周回輸送路の形状は、様々な形状が考えられる。
<実施例1:非中性子型荷電粒子ビーム核融合炉(50F)>
図9に非中性子型荷電粒子ビーム核融合炉(50F)の構成を示す。
図9(a)は、非中性子型荷電粒子ビーム核融合炉(50F)の水平断面図、図9(b)は、反応器(58)の横断面図である。
図は、D−He反応炉の例であるが、低速及び高速の燃料荷電粒子ビーム(40)の核種を変えることで、核融合生成中性子(48n)を生じない核融合反応を取り扱うことができる。
表5は、非中性子型核融合として利用可能なD−He反応の他に、He−He反応、p−Li反応及びp−11B反応について、ビームの安定度を評価した。
核融合生成荷電粒子(48c)は、すべて荷電粒子であるからに環状回生減速器(70)より高い効率で直接電力変換を行い、電気エネルギー(E)を出力することができる。
The form for carrying out the invention can be classified into two types, the non-neutron type of Example 1 and the neutron type of Example 2, according to the form of the nuclear fusion reaction. Various shapes can be considered as the shape of the circuit transportation route.
<Example 1: Non-neutron type charged particle beam fusion reactor (50F)>
FIG. 9 shows the configuration of a non-neutron type charged particle beam fusion reactor (50F).
9 (a) is a horizontal sectional view of a non-neutron type charged particle beam fusion reactor (50F), and FIG. 9 (b) is a horizontal sectional view of a reactor (58).
The figure is an example of a D-3 He reactor, but by changing the nuclide of the low-speed and high-speed fuel-charged particle beam (40), it is possible to handle a fusion reaction that does not generate fusion-generated neutrons (48n). it can.
Table 5, on the other available D-3 the He reaction as a non-neutron type fusion, 3 He-3 the He reaction, the p-6 Li reaction and p-11 B reaction was evaluated the stability of the beam.
Since the fusion-generated charged particles (48c) are all charged particles, they can directly perform power conversion with higher efficiency than the annular regenerative reducer (70) and output electric energy (E).

炉の大きさは、主に核融合反応領域(52f)から飛び出す核融合生成荷電粒子(48c)の回転半径によって決まり、収束磁界発生コイル(51s)の収束磁界(B)の強度によって、実際の炉の大きさが決定されることになる。
非中性子型の核融合炉は、中性子エネルギー変換器(60)が不要であるから、発熱量も少なく、ソレノイドコイル(51s)が小型に出来、中性子型よりも収束磁界(B)も強くできる。
核融合反応を生じることなく一の旋回輸送路(53)で燃料荷電粒子ビーム(40)を輸送するには、核反応を生じない様に、低速ビーム(40L)と高速ビーム(40H)とを分ける必要がある。
強磁界の旋回領域(53P)と弱磁界の旋回領域(53p)を形成するが、実現可能な磁界強度差に限界があるので、10倍以内に制限した。
荷電粒子の速度(V、V)を嵩上げすることで、回転半径(rψ)の相違を低減すことができるので、低速ビーム(40L)と高速ビーム(40H)の回転半径(rψ)が概ね10倍以内となる粒子速度(V、V)を選定している。
The size of the furnace is mainly determined by the radius of gyration of the fusion-generated charged particles (48c) ejected from the fusion reaction region (52f), and is actually determined by the strength of the converging magnetic field (B 0) of the converging magnetic field generating coil (51s). The size of the furnace will be determined.
Since the non-neutron type fusion reactor does not require a neutron energy converter (60), the calorific value is small, the solenoid coil (51s) can be made smaller, and the convergent magnetic field (B 0 ) can be stronger than that of the neutron type. ..
In order to transport the fuel charged particle beam (40) in one swirl transport path (53) without causing a nuclear reaction, a low-speed beam (40L) and a high-speed beam (40H) are used so as not to cause a nuclear reaction. Need to be separated.
A swirling region of a strong magnetic field (53P) and a swirling region of a weak magnetic field (53p) are formed, but since there is a limit to the feasible difference in magnetic field strength, it is limited to 10 times or less.
The speed of the charged particles (V H, V L) to by raising, it is possible to reduce the difference in the rotation radius (r [psi), the rotation radius (r [psi slow beam (40L) and high-speed beam (40H) ) Is selected so that the particle velocity (V H , VL) is within 10 times.

粒子対消滅時定数(τ)は、燃料荷電粒子ビーム(40)を投入した後、36.8%が対消滅するのに要する時間で、反応種別により異なっており、10[ms]〜200[ms]である。
ビーム径を細くし、粒子密度を高くすることができれば、燃料粒子消滅時定数(τ)を短縮することができる。
基礎となる高速ビーム(40H)の蓄積粒子数(N・ζa)は、1秒間に投入する燃料粒子数(Nh、Nl)に対する割合を粒子蓄積率(ζa)としており、ビームの収束発散比(Fr)が負となるように決定する。
表5に示すとおり、ビームの収束発散比(Fr)は、何れも、−0.98〜−1.0の値をとっており、ビームの直径に関わらず、発散力(F)より大きな収束力(F)を得ている。
The particle pair annihilation time constant (τ d ) is the time required for 36.8% of the particles to annihilate after the fuel charged particle beam (40) is injected, and varies depending on the reaction type, and is 10 [ms] to 200. [Ms].
If the beam diameter can be reduced and the particle density can be increased, the fuel particle extinction time constant (τ d ) can be shortened.
The number of accumulated particles (N · ζ a) of the basic high-speed beam (40H) is the ratio of the number of fuel particles (Nh, Nl) charged per second to the particle accumulation rate (ζa), and the convergence and divergence ratio of the beam (ζa). Fr) is determined to be negative.
As shown in Table 5, convergence and divergence ratio of the beam (Fr) are both takes the value of -0.98~-1.0, regardless of the diameter of the beam, greater than the divergence force (F E) to obtain the convergence force (F B).

D−He反応は、核融合反応断面積(σ)も大きく、核融合反応によって得られる発電出力も130[MW]前後と大きいが、地上にはヘリウム3(He)の殆ど存在しないため、エネルギー装置として利用することが難しい。
He−He反応は、相対衝突エネルギー(Kc)が理想の250[keV]よりも小さいにもかかわらず、加速所要電力が24[MW]と大きく、核融合断面積(σ)が0.003[barns]と極めて小さいため、平均自由行程(λ)が1,140[km]にもなる。
ビームの直径を1[mm]に絞り、粒子密度(ρh)を上げて、粒子対消滅時定数(τ)を190[ms]に抑えている。
粒子蓄積率(ζa)を上げることでも、粒子消滅時定数(τ)を短縮することができる。
The D- 3 He reaction has a large fusion reaction cross-sectional area (σ), and the power output obtained by the fusion reaction is as large as around 130 [MW], but helium 3 ( 3 He) is almost absent on the ground. , Difficult to use as an energy device.
3 He-3 the He reaction, despite the relative collision energy (Kc) is less than 250 [keV] the ideal acceleration power requirements as large as 24 [MW], fusion cross section (sigma) is 0. Since it is extremely small at 003 [barns], the mean free path (λ) is as high as 1,140 [km].
The diameter of the beam is narrowed down to 1 [mm], the particle density (ρh) is increased, and the particle pair annihilation time constant (τ d ) is suppressed to 190 [ms].
The particle extinction time constant (τ d ) can also be shortened by increasing the particle accumulation rate (ζ a).

p−Li反応(陽子−リチウム6反応)は、加速所要電力がおよそ8.4[MW]と大きいが、地上存在量の多い核融合燃料にリチウム(Li)用いて、核融合生成物質としてヘリウム3(He)を得ることができる。
このp−Li反応は、得られるエネルギーの大きいD−He反応と組み合わせて用いる。
ヘリウム3(He)と陽子(p)を互いに利用できる、利用価値の高い組合せである。
図9(c)に2つの炉を連携する構成方法を示す。
それぞれの核融合生成荷電粒子(48c)を環状回生減速器(70)で減速し、イオン移送路(92)により、荷電粒子(z)の状態で他方の核融合炉に直接移送し、打ち込む。
D+He → He(3.7MeV)+ p(14.8MeV)
p+Li → He(2.3MeV)+ He(1.7MeV)
The p- 6 Li reaction (proton-lithium 6 reaction) requires a large acceleration power of about 8.4 [MW], but uses lithium ( 6 Li) as a fusion fuel with a large amount of ground abundance, and is a fusion product. As a result, helium-3 ( 3 He) can be obtained.
This p- 6 Li reaction is used in combination with the high energy D- 3 He reaction obtained.
Helium 3 (3 He) and protons to (p) can be used together, a high utility value combinations.
FIG. 9C shows a configuration method in which two furnaces are linked.
Each fusion-generated charged particle (48c) is decelerated by the annular regenerative reducer (70), and is directly transferred to the other fusion reactor in the state of the charged particle (z) by the ion transfer path (92) and driven.
D + 3 He → 4 He (3.7 MeV) + p (14.8 MeV)
p + 6 Li → 3 He (2.3 MeV) + 4 He (1.7 MeV)

表5には、掲載していないが、p−Li反応は、次のとおりである。
p+Li → He(8.67MeV) + He(8.67MeV)
電力換算で120[MW]もの大きな核融合生成エネルギーを得ることができるが、核融合反応断面積(σ)がp+6Li反応より小さく、ヘリウム3( He)を得ることは出来ない。
天然リチウムの7.5[%]がリチウム6(Li)、92.5[%]がリチウム7(Li)であり、カラム交換分離法等により、比較的簡単の分離できるので、事前に精製しておく。
なお、p−Li反応単独で、あるいは、分離せずに核融合反応を行うことは、可能と考えられる。
また、荷電粒子ビーム発生器(42)の内部構成については、図には示していないが、同位元素除去偏向器(42d)を内蔵し、質量電荷比(m/z)の違いにより同位元素、異原子を分離して除去することができる。
p−Li副反応として、1.88[MeV]以上では、中性子(n)を生成する反応断面積(σ)の大きい次の反応を生じる。
p+Li → Be + n
Although not listed in Table 5, the p- 7 Li reaction is as follows.
p + 7 Li → 4 He (8.67 MeV) + 4 He (8.67 MeV)
Although a large fusion generation energy of 120 [MW] can be obtained in terms of electric power, the fusion reaction cross section (σ) is smaller than the p + 6 Li reaction, and helium 3 ( 3 He) cannot be obtained.
7.5 [%] of natural lithium is lithium 6 ( 6 Li) and 92.5 [%] is lithium 7 ( 7 Li), which can be separated relatively easily by a column exchange separation method or the like. Purify.
It is considered possible to carry out the fusion reaction alone or without separating the p- 7 Li reaction.
Although the internal configuration of the charged particle beam generator (42) is not shown in the figure, it has a built-in isotope removal deflector (42d) and isotopes due to the difference in mass-to-charge ratio (m / z). Foreign atoms can be separated and removed.
As a p- 7 Li side reaction, when 1.88 [MeV] or more, the following reaction having a large reaction cross section (σ) for generating neutrons (n) occurs.
p + 7 Li → 7 Be + n

表5 非中性子型の荷電粒子ビーム核融合 Table 5 Non-neutron type charged particle beam fusion

p−11B反応(陽子−ボロン11反応)は、150[keV]付近の共鳴吸収を生じて、核融合断面積(σ)が増大する領域を使用している。共鳴吸収を用いない場合は、270[keV]で相対衝突させることになるから、およそ4[MW]の加速所要電力が必要になる。
p−11B反応の副反応として、デューテリウム(D)が混入していると、中性子(n)を生成する反応断面積(σ)の大きい次の反応を生じる。
D+11B → 12C + n + 13.7[MeV]
不要な同位元素を除去しておくことが求められる。
また、次の反応は、吸熱反応であるから、衝突エネルギーが2.8[MeV]に達しなければ、反応は起らず、中性子(n)を生じることもない。
p+11B → 11C + n − 2.8[MeV]
さらに、この反応に対して10,000分の1程度の割合で、次の反応により16[MeV]の強いγ線を生じる。
p+11B → 12C + γ + 16[MeV]
表5に掲載していないが、存在量の大きいp−15N反応(水素−窒素15反応)などの物質も非中性子核融合反応炉(50F)の核融合燃料として用いることができる。
p+15N → 12C(1.24MeV) + He(3.72MeV)
大気に含まれる元素のみで駆動できる可能性がある。
窒素15(15N)は、大気中の窒素に0.365%含まれ、低温蒸留による分離技術が確立している。
The p- 11 B reaction (proton-boron 11 reaction) uses a region where resonance absorption occurs near 150 [keV] and the fusion cross-sectional area (σ) increases. If resonance absorption is not used, relative collisions will occur at 270 [keV], so an acceleration required power of about 4 [MW] is required.
When deuterium (D) is mixed as a side reaction of the p- 11 B reaction, the following reaction having a large reaction cross section (σ) for generating neutrons (n) occurs.
D + 11 B → 12 C + n + 13.7 [MeV]
It is required to remove unnecessary isotopes.
Further, since the next reaction is an endothermic reaction, the reaction does not occur and neutrons (n) are not generated unless the collision energy reaches 2.8 [MeV].
p + 11 B → 11 C + n − 2.8 [MeV]
Further, at a rate of about 1 / 10,000 of this reaction, the next reaction produces strong γ-rays of 16 [MeV].
p + 11 B → 12 C + γ + 16 [MeV]
Although not listed in Table 5, the presence of large p-15 N reaction - it can be used as a fusion fuel (hydrogen Nitrogen 15 reactions) substances non neutron nuclear fusion reactor, etc. (50F).
p + 15 N → 12 C (1.24 MeV) + 4 He (3.72 MeV)
There is a possibility that it can be driven only by the elements contained in the atmosphere.
Nitrogen 15 ( 15 N) is contained in 0.365% of nitrogen in the atmosphere, and a separation technique by low temperature distillation has been established.

<実施例2:中性子型の荷電粒子ビーム核融合炉(50B、50C)>
図10に中性子型の荷電粒子ビーム核融合炉(50B)の構成を示すように、中性子エネルギー変換器(60)には、次の2種類がある。
実施例2−1:トリチウム増殖型(50B)は、D−T反応のみを使用し、核融合生成中性子(48n)をリチウム(Li)に照射してトリチウム(T)を生成する、トリチウム増殖室(60B)を使用するもの。
実施例2−2:トリチウム消滅型(50C)は、D−D反応とD−T反応の2つの核融合炉を使用し、核融合生成中性子(48n)を中性子減速材(10)に吸収するとともに、熱エネルギー(Q)に変換する、中性子エネルギー変換室(60Q)を使用するもので、生成したトリチウム(T)は、D−T反応炉に移送し、直ちに消滅する。
表6にビームの安定度などを評価した。
<Example 2: Neutron type charged particle beam fusion reactor (50B, 50C)>
As shown in FIG. 10 the configuration of the neutron type charged particle beam fusion reactor (50B), there are the following two types of neutron energy converters (60).
Example 2-1: The tritium breeding chamber (50B) uses only the DT reaction and irradiates lithium (Li) with fusion-generated neutrons (48n) to generate tritium (T). Those using (60B).
Example 2-2: The tritium annihilation type (50C) uses two fusion reactors, a DD reaction and a DT reaction, and absorbs fusion-generated neutrons (48n) into a neutron reducer (10). At the same time, a neutron energy conversion chamber (60Q) that converts heat energy (Q) is used, and the generated tritium (T) is transferred to a DT reactor and immediately extinguished.
Table 6 evaluated the stability of the beam.

<実施例2−1 トリチウム増殖型>
図10(b)は、トリチウム増殖室(60B)の横断面図を示す。
荷電粒子ビーム核融合炉(50B)の反応にD−T反応を用い、トリチウム(T)の生成には、n−Li反応と、ベリリウム(Be)など中性子倍増反応を利用する。
<D−T反応>
D+T → He(3.5MeV) + n(14.0MeV)
核融合生成粒子(48)のうち、核融合生成荷電粒子(48c)のヘリウム4(He)が含まれるが、直接電力変換を行い得る割合は、およそ20[%]と低く、核融合生成中性子(48n)による熱出力がおよそ80[%]を占める。
<Example 2-1 Tritium proliferation type>
FIG. 10B shows a cross-sectional view of the tritium breeding chamber (60B).
The DT reaction is used for the reaction of the charged particle beam fusion reactor (50B), and the n-Li reaction and the neutron doubling reaction such as beryllium (9 Be) are used for the production of tritium (T).
<DT reaction>
D + T → 4 He (3.5 MeV) + n (14.0 MeV)
Of the fusion-generated particles (48), helium-4 ( 4 He) of the fusion-generated charged particles (48c) is included, but the ratio at which direct power conversion can be performed is as low as about 20 [%], and fusion is generated. The heat output by neutrons (48n) occupies about 80 [%].

中性子エネルギー変換器(60)のトリチウム増殖室(60B)において、中性子倍増反応(吸熱反応)及びリチウム(Li)に中性子(n)を照射し、トリチウム(T)を生成する核反応により、核融合燃料であるトリチウム(T)の生成を行う。
<増殖反応>
Li + n → T(2.74MeV) + He(2.06MeV)
Li + n → n + D + He −(1.5MeV)
Li + n → n + T + He −(2.5MeV)
Be + n → (n + He)×2 −(2.5MeV)
208Pb + n → (n)×2 + 207Pb −(7.37MeV)
In the tritium breeding chamber (60B) of the neutron energy converter (60), neutron doubling reaction (endothermic reaction) and lithium (Li) are irradiated with neutrons (n) to generate tritium (T) by nuclear fusion. Tritium (T), which is a fuel, is produced.
<Proliferation reaction>
6 Li + n → T (2.74MeV ) + 4 He (2.06MeV)
6 Li + n → n + D + 4 He- (1.5 MeV)
7 Li + n → n + T + 4 He- (2.5 MeV)
9 Be + n → (n + 4 He) × 2- (2.5 MeV)
208 Pb + n → (n) × 2 + 207 Pb − (7.37 MeV)

<トリチウム生成量>
トリチウム(T)を核融合燃料とするトリチウム増殖炉(50B)では、トリチウム増殖室(60B)を備え、消費するトリチウム(T)と同量のトリチウム(T)を生成するように構成する。
トリチウム増殖室(60B)の外側に収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)に対する核融合生成中性子(48n)の照射量を減少するため中性子遮蔽室(60S)を配置すること、及び、トチウム(T)の生成量を調整するためにトリチウム増殖室(60B)の内側に中性子減速材(10)の量を増減できる中性子調整室(60c)を設ける。
<Amount of tritium produced>
The tritium breeding furnace (50B) using tritium (T) as a fusion fuel is provided with a tritium breeding chamber (60B) and is configured to generate the same amount of tritium (T) as the tritium (T) consumed.
A neutron shielding chamber (60S) is arranged outside the tritium breeding chamber (60B) to reduce the irradiation amount of fusion-generated neutrons (48n) to the solenoid coil (51s) for generating a convergent magnetic field, and totium (T). ) Is produced, a neutron adjusting chamber (60c) capable of increasing or decreasing the amount of the neutron moderator (10) is provided inside the tritium breeding chamber (60B).

<中性子増殖材>
トリチウム増殖材(Li、Li)の他に、中性子倍増材(Be、208Pbなど)を内蔵する中性子増殖室(60B)によって、炉が消費するトリチウム(T)と同量のトリチウム(T)を生成する。
トリチウム増殖材として、固体のリチウム化合物(LiO、LiTiO、LiH)などの他、液体の金属リチウム(Li、LiPb)などが利用でき、真空容器(55)の内面に液体金属リチウムを流して、核融合生成中性子(48n)による損傷を軽減する方法もある。
中性子倍増材として、ベリリウム(Be)、ベリリウム化合物(Be12Ti)などが利用でき、トリチウム生成率(η)が1以上となるように構成する。
中性子調整室(60c)により、核融合生成中性子(48n)の透過量を調整し、トリチウム(T)生成量を調整する。
<Neutron breeding material>
In addition to the tritium breeding material ( 6 Li, 7 Li), the neutron breeding chamber (60B) containing the neutron doubling material (9 Be, 208 Pb, etc.) provides the same amount of tritium (T) as the tritium (T) consumed by the furnace. T) is generated.
As the tritium breeding material, solid lithium compounds (Li 2 O, Li 2 TiO 3 , LiH) and the like, as well as liquid metallic lithium (Li, LiPb) and the like can be used, and liquid metallic lithium is used on the inner surface of the vacuum vessel (55). There is also a method of reducing the damage caused by the fusion-generated neutron (48n).
Beryllium (Be), beryllium compound (Be 12 Ti), etc. can be used as the neutron doubling material, and the tritium production rate (η t ) is set to 1 or more.
The neutron adjustment chamber (60c) adjusts the amount of transmission of fusion-generated neutrons (48n) to adjust the amount of tritium (T) produced.

表6 中性子型の荷電粒子ビーム核融合 Table 6 Neutron-type charged particle beam fusion

表6にトリチウム増殖型の荷電粒子ビーム核融合炉のビームの収束発散比(F)を計算した。
収束発散比(F)は、−0.84前後の値をとっており、発散力(F)より大きな収束力(F)を得ることができているが、炉の長さが30.5[m]と大きく、燃料荷電粒子ビーム(40)の核融合反応領域(52f)の粒子密度(ρ)が低いことが主要因である。
粒子蓄積率(ζa)を増やすことで、収束発散比(F)を改善できる。
D−T反応は、地球上の存在量の多い、核融合反応断面積(σ)の大きな核融合燃料を使って構成することができる。
炉の停止は瞬時に行うことができるが、トリチウム増殖室(60B)内で増殖したトリチウム(T)の回収に2時間以上を要する。(非特許文献6)
また、核融合生成中性子(48n)を用いるため、炉の放射化を生じる。
Convergence and divergence ratio of the beam of charged particle beam fusion reactor tritium proliferating the (F R) was calculated in Table 6.
Convergence and divergence ratio (F R) is taken a value of about -0.84, greater convergence force than diverging force (F E) (F B) has been able to obtain, the length of the furnace 30 The main factor is that the particle density (ρ) in the fusion reaction region (52f) of the fuel charged particle beam (40) is as large as .5 [m].
Increasing the particle accumulation rate (ζa), it can improve convergence and divergence ratio (F R).
The DT reaction can be constructed using a fusion fuel having a large abundance on the earth and a large fusion reaction cross section (σ).
The furnace can be shut down instantaneously, but it takes more than 2 hours to recover the tritium (T) grown in the tritium breeding chamber (60B). (Non-Patent Document 6)
In addition, since fusion-generated neutrons (48n) are used, activation of the furnace occurs.

<実施例2−2 トリチウム消滅連携型>
核融合反応の例を、表6のD−D及びD−T反応欄に示す。
D−D反応の基本反応式は次のとおりで、2つの反応がほぼ同程度発生する。
D+D → T(1.0MeV) + p(3.0MeV)
D+D → He(0.8MeV) + n(2.45MeV)
2つのデューテリウム反応を、表6の2つの欄に分けて計上している。
トリチウム(T)を消滅するには、次のD−T反応を利用する。
D+T → He(3.5MeV) + n(14.0MeV)
核融合生成粒子(48)のうち、直接電力変換の割合は、およそ32%と低く、核融合生成中性子(48n)による熱出力(Q)が68%を占める。
<Example 2-2 Tritium extinction cooperation type>
Examples of fusion reactions are shown in the DD and DT reaction columns of Table 6.
The basic reaction formula of the DD reaction is as follows, and two reactions occur to the same extent.
D + D → T (1.0 MeV) + p (3.0 MeV)
D + D → 3 He (0.8 MeV) + n (2.45 MeV)
The two deuterium reactions are recorded separately in the two columns of Table 6.
To eliminate tritium (T), the following DT reaction is used.
D + T → 4 He (3.5 MeV) + n (14.0 MeV)
Of the fusion-generated particles (48), the ratio of direct power conversion is as low as about 32%, and the heat output (Q) due to the fusion-generated neutrons (48n) accounts for 68%.

図11(a)に高速ビーム(40H)を共有したトリチウム消滅連携型荷電粒子ビーム核融合炉(50C)及び図11(b)の中性子熱変換器(60Q)の断面図を示す。
D−D反応炉でトリチウム(T)とヘリウム3(He)を生成し、イオン排出路(74o)から、イオン移送路(92)を経由して、荷電粒子ビーム発生器(42#2)へ、トリチウム(T)を移送し、D−T反応炉で放射性同位元素であるトリチウム(T)を数秒以内に消滅する。
どちらの炉も、デューテリウム(D)を高速ビーム(40H)とし、共有する構成の核融合炉であり、核融合生成中性子(48n)を発生する。
なお、荷電粒子の状態で移送するので、荷電粒子ビーム発生器(42#2)は、荷電粒子発生器(42i)を除く構成である。
ヘリウム3(He)は、非中性子核融合炉の燃料として保存する。
FIG. 11A shows a cross-sectional view of a tritium annihilation cooperative charged particle beam fusion reactor (50C) sharing a high-speed beam (40H) and a neutron thermal converter (60Q) of FIG. 11B.
Generates a tritium (T) and helium 3 (3 the He) at D-D reactor, an ion discharge passage (74 o), via the ion transfer path (92), the charged particle beam generator (42 # 2) Tritium (T) is transferred to helium, and the radioactive isotope tritium (T) is extinguished within a few seconds in the DT reactor.
Both reactors are fusion reactors that use deuterium (D) as a high-speed beam (40H) and have a shared configuration, and generate fusion-generated neutrons (48n).
Since the particles are transferred in the state of charged particles, the charged particle beam generator (42 # 2) has a configuration excluding the charged particle generator (42i).
Helium 3 (3 He) is stored as a fuel in a non-neutron nuclear fusion reactor.

D−D反応の核融合断面積が(σ)が小さいため、加速所要電力がおよそ19[MW]と大きい。
D−T反応についても、高速ビーム(40H)を共有する構成のため、低速ビーム(40L)の加速所要電力が増大し、およそ15[MW]に達している。
何れも、核融合生成粒子(49n、49c)の運動エネルギー(K)に反映されるので、加速に要したエネルギー(E)の2分の1程度は、回収されると考えられる。(表5及び6の核融合生成エネルギーKの計算には、重心系の運動エネルギー(K)は、反映していない。)
トリチウム消滅連携型の荷電粒子ビーム核融合炉(50C)に使用する中性子熱変換室(60Q)は、中性子減速材(10)に水を用いる。
153[t]の中性子減速材(10)中の水素(H)と核融合生成中性子(48n)と反応し、デューテリウム(D)等に変化し、1年でおよそ670kgの重水(DHO)が生成される。これは、およそ4,400[PPM]である。
Since the fusion cross-sectional area of the DD reaction is small (σ), the power required for acceleration is as large as about 19 [MW].
As for the DT reaction, since the high-speed beam (40H) is shared, the acceleration required power of the low-speed beam (40L) is increased and reaches about 15 [MW].
Since all of them are reflected in the kinetic energy (K) of the fusion-generated particles (49n, 49c), it is considered that about half of the energy (E) required for acceleration is recovered. (The calculation of fusion energy K in Tables 5 and 6 does not reflect the kinetic energy (K) of the center of gravity system.)
The neutron thermal conversion chamber (60Q) used in the tritium annihilation linked charged particle beam fusion reactor (50C) uses water as the neutron moderator (10).
It reacts with hydrogen (H) in the neutron moderator (10) of 153 [t] and fusion-generated neutrons (48n) and changes to deuterium (D), etc., and about 670 kg of heavy water (DHO) is produced in one year. Will be generated. This is approximately 4,400 [PPM].

<中性子の熱エネルギー変換>
D−T反応では、2.45[MeV]の、D−D反応では、14[MeV]の核融合生成中性子(48n)が生成される。
核融合生成中性子(48n)を伴う反応を利用する場合は、核融合生成中性子(48n)が持つ運動エネルギー(K)を熱エネルギー(Q)として回収するとともに、外部に漏れないように遮蔽する必要がある。
中性子減速材(10)として厚さ50[cm]水を用いる場合、1.4[MeV]の核融合生成中性子(48n)は、およそ22分の1に減衰し、2.45[MeV]の核融合生成中性子(48n)は、およそ1,000分の1に減衰する。
50[cm]の厚さで、核融合生成中性子(48n)が持つ運動エネルギー(K)のおよそ95[%]以上を熱エネルギー(Q)に変換することができる。
<Thermal energy conversion of neutrons>
The DT reaction produces 2.45 [MeV], and the DD reaction produces 14 [MeV] fusion neutrons (48n).
When using a reaction involving fusion-generated neutrons (48n), it is necessary to recover the kinetic energy (K) of the fusion-generated neutrons (48n) as thermal energy (Q) and shield it from leaking to the outside. There is.
When 50 [cm] thick water is used as the neutron moderator (10), the fusion-generated neutron (48n) of 1.4 [MeV] is attenuated to about 1/22 of 2.45 [MeV]. Fusion-generated neutrons (48n) decay to approximately 1/1000.
With a thickness of 50 [cm], about 95 [%] or more of the kinetic energy (K) of the fusion-generated neutron (48n) can be converted into thermal energy (Q).

図11(b)に示すように、中性子熱変換室(60Q)は、350[℃]の高い水圧に耐えられる構造で、外側を中性子遮蔽室(60S)が取り囲む構造となっている。
中性子熱変換室(60Q)内の中性子減速材(10)を取り出して、熱交換器(61)で熱交換を行い、タービン(65t)と発電機(65G)を用いて電気エネルギー(E)に変換する。
熱交換器(61)を中性子遮蔽室(60S)内に設け、核融合生成中性子(48n)の照射を受ける中性子減速材(10)である水に含まれる重水(DHO)の希釈を避けている。
中性子熱変換室(60Q)が2本あり、中性子減速材(10)の容積は、それぞれおよそ77[t]である。
D−T反応炉の100[MW]の熱出力により、中性子減速材(10)が、1時間以内に循環する。
D−D反応炉の熱出力は、20[MW]未満と少ないから、中性子減速材(10)は、およそ3時間で循環する。
As shown in FIG. 11B, the neutron thermal conversion chamber (60Q) has a structure that can withstand a high water pressure of 350 [° C.], and a neutron shielding chamber (60S) surrounds the outside.
The neutron moderator (10) in the neutron heat conversion chamber (60Q) is taken out, heat exchange is performed by the heat exchanger (61), and the turbine (65t) and the generator (65G) are used for electric energy (E). Convert.
A heat exchanger (61) is provided in a neutron shielding chamber (60S) to avoid dilution of heavy water (DHO) contained in water, which is a neutron moderator (10) irradiated with fusion-generated neutrons (48n). ..
There are two neutron thermal conversion chambers (60Q), and the volume of the neutron moderator (10) is about 77 [t], respectively.
Due to the heat output of 100 [MW] of the DT reactor, the neutron moderator (10) circulates within 1 hour.
Since the heat output of the DD reactor is as low as less than 20 [MW], the neutron moderator (10) circulates in about 3 hours.

炉の大きさは、主に核融合反応領域(52f)の収束磁界発生用のソレノイドコイル(51s)の磁界強度(B)によって核融合生成荷電粒子(48c)の回転半径が決まり、中性子エネルギー変換器(60)が必要であるからソレノイドコイル(51s)が大型になる。
D−D反応は、地球上の存在量の大きい物質を使って構成することができ、ヘリウム3(He)を生産することができるが、核融合反応断面積(σ)小さく、同時にトリチウム(T)を生成する欠点がある。
D−T反応と組み合わせて、生成したトリチウム(T)を荷電粒子の状態で移送し、D−T炉に投入して数秒以内に消滅する、有用な組み合わせである。
高エネルギーの核融合生成中性子(48n)を生じるため、装置が大きくなると共に、炉の放射化が避けられない。
The size of the reactor is determined mainly by the magnetic field strength (B 0 ) of the solenoid coil (51s) for generating the convergent magnetic field in the fusion reaction region (52f), and the radius of gyration of the fusion-generated charged particles (48c) is determined by the neutron energy. Since the converter (60) is required, the solenoid coil (51s) becomes large.
The DD reaction can be constructed using substances with a large abundance on the earth and can produce helium-3 (3 He), but the fusion reaction cross section (σ) is small and at the same time tritium ( It has the drawback of producing T).
In combination with the DT reaction, the generated tritium (T) is transferred in the form of charged particles, put into a DT furnace, and disappears within a few seconds, which is a useful combination.
Since high-energy fusion-generated neutrons (48n) are generated, the equipment becomes large and activation of the reactor is inevitable.

<核分裂燃料棒>
図11(c)に示すように、中性子熱変換室(60Q)内に核分裂炉の燃料棒集合体(99)を置き、D−D反応の核融合生成中性子(48n)を照射して、核分裂反応熱を加えて、発生熱量(Q)を増加することができる。
図11(c)の中性子減速材(10)の循環系については、記載していない。
核分裂生成物の崩壊熱によるメルトダウンを生じない範囲に止め、自然冷却のみで安全に停止でき、かつ、核融合生成中性子(48n)の照射によって、過度な発熱に至らないよう、照射位置を調整する、必要に応じて燃料棒集合体(99)の燃料棒を間引くなどの対応が必要である。
<Fission fuel rods>
As shown in FIG. 11 (c), the fuel rod assembly (99) of the nuclear fission reactor is placed in the neutron heat conversion chamber (60Q) and irradiated with the fusion-generated neutrons (48n) of the DD reaction to undergo fission. The amount of heat generated (Q) can be increased by adding heat of reaction.
The circulatory system of the neutron moderator (10) in FIG. 11 (c) is not described.
The irradiation position is adjusted so that meltdown due to the decay heat of fission products is stopped within a range that does not occur, it can be stopped safely only by natural cooling, and excessive heat generation is not caused by irradiation with fusion-generated neutrons (48n). It is necessary to take measures such as thinning out the fuel rods of the fuel rod assembly (99) as necessary.

核分裂炉の燃料棒集合体(99)の長さ4.5[m]、0.2[m□]であれば、円筒形状の中性子熱変換室(60Q)の内部に回転可能な核物質収容容器(98)を用いて、間隔を空けて直列に8体、円周方向に8体の合計64体程度を収容可能である。
燃料棒1本あたりおよそ50[kW]とすると、8×8の燃料棒集合体(99)が25体で、およそ80[MW]の発熱量となり、D−D反応炉の中性子熱変換室(60Q)の不足熱量を補える。
中性子熱変換室(60Q)が横に長い形状であり、燃料棒集合体(99)を水中に保った状態で交換できること、が求められる。
閉じ込めコイル(51m)を取り外した上で、水密を保ち連結可能な核物質交換装置(97)を用意する必要がある。
発電用原子炉の操業停止に伴い、使われなくなった核分裂炉の燃料棒を安全な形で消費することができる。
燃料棒の他、あらゆる物質に核融合生成中性子(48n)の照射を行うことができる。
If the length of the fuel rod assembly (99) of the fission reactor is 4.5 [m] and 0.2 [m □], the rotatable nuclear material is housed inside the cylindrical neutron thermal conversion chamber (60Q). Using the container (98), it is possible to accommodate a total of about 64 bodies, 8 bodies in series and 8 bodies in the circumferential direction at intervals.
Assuming that each fuel rod is about 50 [kW], there are 25 8 × 8 fuel rod aggregates (99), and the calorific value is about 80 [MW]. The insufficient amount of heat in 60Q) can be supplemented.
It is required that the neutron thermal conversion chamber (60Q) has a horizontally long shape and that the fuel rod assembly (99) can be replaced while being kept in water.
After removing the confinement coil (51 m), it is necessary to prepare a nuclear material exchange device (97) that can be connected while maintaining watertightness.
With the shutdown of power reactors, the fuel rods of fission reactors that are no longer in use can be consumed in a safe manner.
In addition to fuel rods, any substance can be irradiated with fusion-generated neutrons (48n).

<核変換>
図に示していないが、荷電粒子ビーム核融合炉(50)の核融合生成荷電粒子(48c)の陽子(p)などを回生減速器(70)で適宜減速または粒子加速器(42a)で加速し、核変換炉に投入することで、加速器駆動核変換システムを構成することができる。(非特許文献9)
また、炉の全体構成を、図10(a)とし、反応器(58)を図11(b)の中性子熱変換器(60B)を有する中性子エネルギー変換器(60)にしたものを、荷電粒子ビーム核変換炉(50X)として用いることができる。
あらかじめ、長寿命核分裂物質等(LLFP:79Se,93Zr,99Tc,107Pd,129I、135Csなど)の核種を分離し、燃料荷電粒子ビーム(40#1)として荷電粒子ビーム発生器(42#1)から打ち出し、陽子(p)、デューテリウム(D)あるいはヘリウム4(He)を燃料荷電粒子ビーム(40#2)として荷電粒子ビーム発生器(42#2)から打ち出し、あらゆる核反応が可能な荷電粒子ビーム核変換炉(50X)を構成することができる。
核融合生成中性子(41n)を伴う核反応であっても、中性子エネルギー変換器(60)が吸収してくれる。
核種の分離については、荷電粒子発生器(42i)でイオン化した後、質量電荷比(m/z)の違いを利用して、同位体分離を行うことが出来るので、確実な核変換を行い得る。
<Transmutation>
Although not shown in the figure, the protons (p) of the fusion-generated charged particles (48c) of the charged particle beam fusion reactor (50) are appropriately decelerated by the regenerative accelerator (70) or accelerated by the particle accelerator (42a). , An accelerator-driven transmutation system can be constructed by putting it into a transmutation reactor. (Non-Patent Document 9)
Further, the overall configuration of the furnace is shown in FIG. 10 (a), and the reactor (58) is a neutron energy converter (60) having the neutron heat exchanger (60B) shown in FIG. 11 (b). It can be used as a beam transmutation reactor (50X).
In advance, nuclides of long-lived nuclear fission substances (LLFP: 79 Se, 93 Zr, 99 Tc, 107 Pd, 129 I, 135 Cs, etc.) are separated, and a charged particle beam generator is used as a fuel charged particle beam (40 # 1). Launched from (42 # 1), using protons (p), deuterium (D) or helium-4 ( 4 He) as fuel charged particle beams (40 # 2) from charged particle beam generators (42 # 2), all A charged particle beam nuclear conversion reactor (50X) capable of a nuclear reaction can be constructed.
Even a nuclear reaction involving fusion-generated neutrons (41n) is absorbed by the neutron energy converter (60).
Regarding the separation of nuclides, isotope separation can be performed by using the difference in mass-to-charge ratio (m / z) after ionization with the charged particle generator (42i), so that reliable transmutation can be performed. ..

<実施例3 円環型>
図12に非中性子型の円環型荷電粒子ビーム核融合炉の構成を示す。
核融合反応領域(52f)を旋回輸送路(53)にしたものである。
デューテリウム(D)の低速ビーム(40L)とヘリウム3(He)の高速ビーム(40H)の旋回半径(rψ)を同一にする構成の核融合炉である。
旋回輸送路(53)の収束磁界(Bt)発生用のトロイダルコイル(51t)で囲まれた旋回輸送路(53)の中に核融合反応領域(52f)と核融合生成荷電粒子閉込領域(52c)が存在する。
異なる速度を有する核融合生成荷電粒子(48c)を旋回させる必要があるから、旋回領域(53)において強磁界の旋回領域(53P)と弱磁界の旋回領域(53p)を設けるため、旋回磁場(Bψ)発生用のポロイダルコイル(51p)が必要である。
偏向領域(52f)と閉じ込めコイル(51m)との間は、高速ビーム(40H)と低速ビーム(40L)を分離し、核融合反応を抑制する。
<Example 3 Ring type>
FIG. 12 shows the configuration of a non-neutron type annular charged particle beam fusion reactor.
The fusion reaction region (52f) is made into a swirl transport path (53).
Is slow beam (40L) and helium-3 fusion reactor configuration that same turning radius (r [psi) for high-speed beam (40H) of (3 the He) of deuterium (D).
A fusion reaction region (52f) and a fusion-generated charged particle confinement region (52f) in a swirling transport path (53) surrounded by a toroidal coil (51t) for generating a convergent magnetic field (Bt) in the swirl transport path (53). 52c) exists.
Since it is necessary to swirl fusion-generated charged particles (48c) having different velocities, a swirling magnetic field (53P) is provided in the swirling region (53) to provide a swirling region (53P) for a strong magnetic field and a swirling region (53p) for a weak magnetic field. A particle coil (51p) for generating B ψ) is required.
A high-speed beam (40H) and a low-speed beam (40L) are separated between the deflection region (52f) and the confinement coil (51m) to suppress the fusion reaction.

表7 円環型の荷電粒子ビーム核融合 Table 7 Ring-shaped charged particle beam fusion

図には示していないが、偏向領域(54d)、偏向補正領域(54dc)を配置し、荷電粒子導入ビーム(40i)等の打ち込み、環状回生減速器(70)への核融合生成荷粒子(48c)の分離を行う。
表7に、旋回半径を2.95[m]とした、非中性子型と中性子型の円環型の構成とした荷電粒子ビーム核融合炉(50)のビームの安定度を評価した。
周回輸送路に占める核融合発生領域(52f)の割合が大きい。
粒子蓄積率(ζa)が0.2から0.3と小さいにも拘わらず、収束発散比(Fr)は、−0.999以下であり、ビームは安定である。
加速所要電力を下げるため、核融合反応断面積(σ)が小さい領域で利用しなければならないが、D−He反応(表7では、He−D反応)の加速所要電力が48MWと極めて大きい。
長い直線状の核融合発生領域(52f)を有する炉の方が、有利である。
実験炉の磁気閉じ込め核融合炉(トカマク型、ヘリカル型)の一部を使用して、実験的に荷電粒子ビーム核融合炉(50)を構成することができる。
Although not shown in the figure, a deflection region (54d) and a deflection correction region (54dc) are arranged, a charged particle introduction beam (40i) or the like is driven, and fusion-generated load particles (70) into the annular regenerative reducer (70). 48c) Separation is performed.
Table 7 evaluated the beam stability of a charged particle beam fusion reactor (50) having a non-neutron type and a neutron type ring-shaped structure with a turning radius of 2.95 [m].
The ratio of the fusion generation region (52f) to the orbital transportation route is large.
Although the particle accumulation rate (ζa) is as small as 0.2 to 0.3, the convergence divergence ratio (Fr) is −0.999 or less, and the beam is stable.
In order to reduce the power required for acceleration, it must be used in a region where the fusion reaction cross section (σ) is small, but the power required for acceleration of the D -3 He reaction ( 3 He-D reaction in Table 7) is extremely 48 MW. large.
A furnace with a long linear fusion generation region (52f) is more advantageous.
A part of the magnetic confinement fusion reactor (tokamak type, helical type) of the experimental reactor can be used to experimentally construct the charged particle beam fusion reactor (50).

<核融合反応断面積(σ)>
図13は、相対衝突エネルギー(Kc)に対する核融合反応断面積(σ)の大きさを表している。
三角形の印は、表5〜7の核反応の計算に用いた、駆動点を示す。
<Fusion reaction cross section (σ)>
FIG. 13 shows the magnitude of the fusion reaction cross section (σ) with respect to the relative collision energy (Kc).
The triangular marks indicate the driving points used in the calculation of the nuclear reactions in Tables 5-7.

非中性子型荷電粒子ビーム核融合炉(50F)は、地球上に豊富にあるデューテリウム(D、重水素)やリチウム(Li)を最初の燃料として、放射能を伴わない非中性子核融合反応のみを用いて、ヘリウム3(He)を生産し、電気出力の大きなD−He反応を使用して、電気エネルギー(E)を得ることができる。
移動体の推進力にも期待できる。
中性子型の荷電粒子ビーム核融合炉(50B、50C)は、中性子(n)を伴う核反応を取り扱うことができ、核融合発電炉として構成することが可能であるとともに、核分裂炉の燃料棒の安全な消費が可能であると共に、加速器駆動未臨界炉など核変換にも期待できる。
The non-neutron type charged particle beam fusion reactor (50F) uses only deuterium (D, deuterium) and lithium (Li), which are abundant on the earth, as the first fuel, and only the non-neutron fusion reaction without radioactivity. Can be used to produce helium-3 ( 3 He) and use the D-3 He reaction, which has a high electrical output, to obtain electrical energy (E).
It can also be expected to be the driving force of moving objects.
The neutron-type charged particle beam fusion reactors (50B, 50C) can handle nuclear reactions involving neutrons (n), can be configured as a fusion power reactor, and can be used as a fuel rod for a fission reactor. It can be consumed safely and can be expected for nuclear transmutation such as accelerator-driven subcritical reactors.

# 図面毎の個別識別番号
μ/μ 比透磁率 ε/ε 真空誘電率 η 直接電力変換効率
η 核融合反応率 η 熱効率 ηt トリチウム生成率 ηa 加速効率
ρ 密度 ρ 高速粒子密度 λ 平均自由行程 ζa 粒子蓄積率
σ 核融合反応断面積 σn 中性子反応断面積 σe 電子散乱断面積
ψ 旋回磁界 rψ 旋回半径 Bt 収束磁界(旋回部)
収束磁界 Bm 閉じ込め磁界 Bφ 円形磁界
Bd 偏向磁界 Bdc 偏向補正磁界
Rm ミラー比 θ らせん運動のピッチ角 θm 最大ピッチ角
e 電子 n 中性子 m 質量 m/z 質量電荷比
z 荷電粒子/陽子数 p 陽子(水素原子核)
D デューテリウム(重水素原子核) T トリチウム(三重水素原子核)
He ヘリウム3(ヘリウム3原子核)
He ヘリウム4(ヘリウム4原子核)
Li リチウム Be ベリリウム Pb 鉛
E 電気エネルギー K 運動エネルギー Q 熱エネルギー
U 内部エネルギー k ビーム内エミッション
# Individual identification number for each drawing μ / μ 0 Specific magnetic permeability ε / ε 0 Vacuum dielectric constant η E Direct power conversion efficiency η f Nuclear fusion reaction rate η Q Thermal efficiency ηt Tritium production rate ηa Acceleration efficiency ρ Density ρ h High-speed particle density λ Average free stroke ζ a Particle accumulation rate σ Nuclear fusion reaction cross section σ n Neutron reaction cross section σe Electron scattering cross section B ψ Swirling magnetic field r ψ Swirling radius Bt Convergent magnetic field (swivel part)
B 0 Convergent magnetic field Bm Confined magnetic field B φ Circular magnetic field
Bd Deflection magnetic field Bdc Deflection correction magnetic field Rm Mirror ratio θ Spiral motion pitch angle θ m Maximum pitch angle e Electron n Neutron m Mass m / z Mass-to-charge ratio z Charged particle / number of protons p Proton (hydrogen nucleus)
D Deuterium (deuterium nucleus) T Tritium (tritium nucleus)
3 He helium 3 (helium-3 nuclei)
4 He helium 4 (helium-4 nuclei)
Li Lithium Be Beryllium Pb Lead
E Electric energy K Kinetic energy Q Thermal energy
U Internal energy k Emission in beam

00 超高真空(<10−8Pa) 10 中性子減速材(水等)
11 水素ガス(H) 12 重水素ガス(D、HD)
13 三重水素ガス(T、HT、DT)
23 ヘリウム3ガス 24 ヘリウム4ガス
40 燃料荷電粒子ビーム、燃料粒子等
40i 荷電粒子導入ビーム 40e 電子導入ビーム
40L 低速ビーム 40H 高速ビーム
42 荷電粒子ビーム発生器
42i 荷電粒子発生器 42a 粒子加速器 42d 同位元素除去偏向器
42L 電子レンズ(静電型電子レンズ/磁界型電子レンズ)
43 電子ビーム発生器
43e 電子発生器 43a 電子加速器
44i 収束コイル付ビーム導入路
48 核融合生成粒子等
48c 核融合生成荷電粒子 48n 核融合生成中性子
48s 散乱荷電粒子 48e 散乱電子
00 Ultra high vacuum (< 10-8 Pa) 10 Neutron moderator (water, etc.)
11 Hydrogen gas (H 2 ) 12 Deuterium gas (D 2 , HD)
13 Tritium gas (T 2 , HT, DT)
23 helium 3 gas 24 helium 4 gas
40 Fuel charged particle beam, fuel particle, etc. 40i Charged particle introduction beam 40e Electron introduction beam 40L Low speed beam 40H High speed beam
42 Charged particle beam generator
42i Charged particle generator 42a Particle accelerator 42d Isotope removal deflector 42L Electronic lens (electrostatic electronic lens / magnetic field type electronic lens)
43 Electron beam generator 43e Electron generator 43a Electron accelerator 44i Beam introduction path with convergence coil
48 Fusion-generated particles, etc. 48c Fusion-generated charged particles 48n Fusion-generated neutrons 48s Scattered charged particles 48e Scattered electrons

50 荷電粒子ビーム輸送型核融合炉
50B トリチウム増殖型核融合炉(増殖炉、中性子型)
50C トリチウム消滅連携型核融合炉(連携炉、中性子型)
50F 非中性子型核融合炉(簡易炉、連携炉)
50X 荷電粒子ビーム核変換炉(中性子型)
51 コイル
51m 閉じ込めコイル(閉じ込め磁界発生コイル、Bm)
51p ポロイダルコイル(旋回磁界発生コイル、Bψ
51s ソレノイドコイル(直線部 収束磁界発生コイル、B
51t トロイダルコイル(旋回輸送路 収束磁界発生コイル、Bt)
52 領域
52c 生成粒子閉込領域 52d 偏向領域(分離/混合) 52dc 偏向補正領域
52f 核融合反応領域 52r 反射点
53 旋回輸送路
53d 偏向磁界 53P 旋回領域(強磁界) 53p 旋回領域(弱磁界)
54 偏向器(偏向コイル、偏向板)
54d 偏向器(分離器/混合器) 54dc 偏向補正器
55 真空容器 55t 旋回部 55d 接続部 58 反応器 59 外壁
50 Charged particle beam transport type fusion reactor
50B tritium breeder fusion reactor (breeder reactor, neutron type)
50C tritium annihilation cooperative fusion reactor (cooperative reactor, neutron type)
50F non-neutron fusion reactor (simple reactor, cooperative reactor)
50X charged particle beam transmutation reactor (neutron type)
51 Coil 51m Confinement coil (confinement magnetic field generation coil, Bm)
51p poroidal coil (swirl magnetic field generating coil, B ψ )
51s Solenoid coil (straight line part convergent magnetic field generation coil, B 0 )
51t toroidal coil (swivel transport path convergent magnetic field generation coil, Bt)
52 Region 52c Generated particle confinement region 52d Deflection region (separation / mixing) 52dc Deflection correction region 52f Fusion reaction region 52r Reflection point
53 Swivel transport path 53d Deflection magnetic field 53P Swivel region (strong magnetic field) 53p Swivel region (weak magnetic field)
54 Polarizer (polarizing coil, polarizing plate)
54d deflector (separator / mixer) 54dc deflection corrector
55 Vacuum vessel 55t Swivel 55d Connection 58 Reactor 59 Outer wall

60 中性子エネルギー変換器
60B トリチウム増殖室 60c 中性子調整室
60Q 中性子熱変換室
60S 中性子遮蔽室 60s 中性子遮蔽体
61 熱交換器 62 水素分離器 64 ガスボンベ
65t タービン 65G 発電機 66 復水器 67p 加圧ポンプ
70 環状回生減速器
71 イオン流路 71M 主旋回流路 71S 副旋回流路
71s ソレノイドコイル(直線輸送路 収束磁界発生コイル)
71t トロイダルコイル(旋回輸送路 収束磁界発生コイル)
71p ポロイダルコイル(旋回磁界発生コイル)
72 2次巻き線 72i 二次電流
73 旋回輸送路 73P 旋回領域(強磁界) 73p 旋回領域(弱磁界)
73X 切替コイル 73x 切替磁界
74i イオン導入路 74o イオン排出路
74d 核種分離偏向コイル 74X 切替コイル 74x 切替磁界
75+、75− 整流器 75m 磁性体 77 電力回生主回路
60 Neutron energy converter 60B Tritium breeding room 60c Neutron regulation room
60Q neutron thermal conversion room
60S Neutron Shield Room 60s Neutron Shield 61 Heat Exchanger 62 Hydrogen Separator 64 Gas Cylinder
65t Turbine 65G Generator 66 Condenser 67p Pressurized Pump
70 Circular regenerative reducer
71 Ion flow path 71M Main swirl flow path 71S Sub swirl flow path 71s Solenoid coil (straight line transport path convergent magnetic field generation coil)
71t toroidal coil (swivel transport path convergent magnetic field generating coil)
71p poroidal coil (swirl magnetic field generating coil)
72 Secondary winding 72i Secondary current
73 Swivel transport path 73P Swivel region (strong magnetic field) 73p Swivel region (weak magnetic field)
73X Switching coil 73x Switching magnetic field 74i Ion introduction path 74o Ion discharge path 74d Nuclide separation deflection coil 74X Switching coil 74x Switching magnetic field 75+, 75- Rectifier 75m Magnetic material 77 Power regeneration main circuit

80 イオン中和器
81s 収束コイル 82d 偏向電極 82R 回生電極
84i イオン導入路 84o 排出口
86 真空ポンプ 86h 高真空ポンプ(ターボ分子ポンプ)
90 その他
91 イオン移送路
91s 収束コイル 91t 収束コイル 91p 旋回コイル
93 移送路湾曲部 93p 弱偏向磁界 93P 強偏向磁界
97 核物質交換装置 98 核物質収容容器 99 燃料棒集合体
80 ion neutralizer
81s Convergent coil 82d Deflection electrode 82R Regeneration electrode 84i Ion introduction path 84o Outlet 86 Vacuum pump 86h High vacuum pump (turbo molecular pump)
90 Others 91 Ion Transfer Path 91s Convergence Coil 91t Convergence Coil 91p Swirling Coil 93 Transfer Path Curved Part 93p Weak Deflection Magnetic Field 93P Strong Deflection Magnetic Field
97 Nuclear material exchange device 98 Nuclear material storage container 99 Fuel rod assembly

電子(e)に対する磁気ピンチ効果による収束力(F Be )は、荷電粒子(z)に対する収束力(F )と異なり、また、電子は、圧倒的に質量(m)が小さいから、収束効果が瞬時に現れる。
このため、燃料荷電粒子ビーム(40)の断面方向での電子(e)の分布が中心に多くなった場合、中心部では過剰となった分、電子(e)に対する発散力(F Ee )が大きくなり、電子(e)に対する円形磁界(B φ )による磁気ピンチ効果の収束力(F Be )と均衡する分布となる。
中心部の電子過剰は、周辺部の荷電粒子(z)を引き付ける電界(Er)を形成するから、荷電粒子(z)に対する発散力(F )を減少させる。
燃料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが、互いに逆方向に進むので、電子ビーム(40e)を過剰にすることで、核融合反応による荷電粒子(z)の減少によらず、燃料荷電粒子ビーム(40)の収束状態をより良好に保つことが出来る。
燃料荷電粒子ビーム(40)の半径(r)にかかわらず、収束発散比(Fr)は、負であり、収束力(F)が勝っているが、ビーム半径(r)の収縮に伴い、核融合反応自体が増加するとともに、電子ビーム(40e)と燃料荷電粒子ビーム(40)との衝突が増加するなどして、らせん運動などのビーム自体のエミッション(k)が増加するから、無限に収縮することはない。
燃料荷電粒子ビーム(40)は、低速ビーム(40L)よりも、高速ビーム(40H)を蓄積ビームとすることで、より強い円形磁界(Bφ)を得ることができる。
Focusing force by the magnetic pinch effect for electrons (e) (F Be) is different from the focusing force for charged particles (z) (F B), also, since electrons are smaller overwhelmingly mass (m) is, the convergence effect Appears instantly.
Therefore, when the distribution of electrons (e) in the cross-sectional direction of the fuel charged particle beam (40) increases in the center, the divergent force ( FEe ) for the electrons (e) increases due to the excess in the center. It becomes large and the distribution becomes balanced with the converging force (F Be ) of the magnetic pinch effect due to the circular magnetic field (B φ) with respect to the electron (e).
Electronic central excessive, since an electric field (Er) to attract the charged particles in the periphery (z), to reduce the divergence force on charged particles (z) (F E).
Since the fuel charged particle beam (40) and the electron beam (40e) travel in opposite directions to each other, by making the electron beam (40e) excessive, the charged particles (z) are not reduced due to the fusion reaction. The converged state of the fuel charged particle beam (40) can be kept better.
Regardless radius (r) of the fuel charged particle beam (40), convergence and divergence ratio (Fr) is a negative, but the convergence force (F B) is winning, with the contraction of the beam radius (r), As the fusion reaction itself increases, the collision between the electron beam (40e) and the fuel-charged particle beam (40) increases, and the emission (k) of the beam itself such as spiral motion increases, so it is infinite. It does not shrink.
Fuel charged particle beam (40), than the low-speed beam (40L), high-speed beam (40H) by the accumulated beam, it is possible to obtain a stronger circular magnetic field (B phi).

表5 非中性子型の荷電粒子ビーム核融合
Table 5 Non-neutron type charged particle beam fusion

表6 中性子型の荷電粒子ビーム核融合
Table 6 Neutron-type charged particle beam fusion

表7 円環型の荷電粒子ビーム核融合

Table 7 Ring-shaped charged particle beam fusion

粒子対消滅時定数(τd)は、燃料荷電粒子ビーム(40)を投入した後、36.8%が対消滅するのに要する時間で、反応種別により異なっており、10[ms]〜200[ms]である。
ビーム径を細くし、粒子密度を高くすることができれば、燃料粒子消滅時定数(τd)を短縮することができる。
基礎となる高速ビーム(40H)の蓄積粒子数(N・ζa)は、1秒間に投入する燃料粒子数(Nh、Nl)に対する割合を粒子蓄積率(ζa)としており、ビームの収束発散比(Fr)が負となるように決定する。
表5に示すとおり、ビームの収束発散比(Fr)は、何れも、−0.98〜−1.0の値をとっており、ビームの直径に関わらず、発散力(F)より大きな収束力(F)を得ている。
所要の蓄積粒子数(Nh)に達する高速ビーム(40H)を一挙に形成することが出来無いので、収束磁界(B 、Bt)によって維持可能な荷電粒子ビーム(40、z)を形成したうえで、逆方向に飛翔する電子導入ビーム(40e)を加えて中和して、ビームの収束発散比(Fr)を負に保ちながら、粒子数を増加し、所要の蓄積粒子数(Nh)の高速ビーム(40H)を形成する。
粒子数(N)の増加に合わせて、偏向磁界(Bd)等の調整を繰り返す必要がある。
逆方向に飛翔する荷電粒子ビーム(40、z)と電子ビーム(40、e)の径を、電子レンズとして機能する閉じ込め磁界(Bm)及び収束磁界(B )によって絞り、核融合反応領域(52f)を形成する。
荷電粒子ビーム(40、z)と電子ビーム(40、e)の軸、及び、収束磁界(B )の軸は一致している必要がある。
The particle pair annihilation time constant (τd) is the time required for 36.8% of the particles to annihilate after the fuel charged particle beam (40) is charged, and varies depending on the reaction type, and varies from 10 [ms] to 200 [. ms].
If the beam diameter can be reduced and the particle density can be increased, the fuel particle extinction time constant (τd) can be shortened.
The number of accumulated particles (N · ζ a) of the basic high-speed beam (40H) is the ratio of the number of fuel particles (Nh, Nl) charged per second to the particle accumulation rate (ζa), and the convergence and divergence ratio of the beam (ζa). Fr) is determined to be negative.
As shown in Table 5, convergence and divergence ratio of the beam (Fr) are both takes the value of -0.98~-1.0, regardless of the diameter of the beam, greater than the divergence force (F E) Convergent force (F) is obtained.
Since it is not possible to form a high-speed beam (40H) that reaches the required number of accumulated particles (Nh) at once, a charged particle beam (40, z) that can be maintained by a convergent magnetic field (B 0, Bt) is formed. Then, an electron introduction beam (40e) flying in the opposite direction is added to neutralize the beam, and the number of particles is increased while keeping the convergence and divergence ratio (Fr) of the beam negative to obtain the required number of accumulated particles (Nh). A high-speed beam (40H) is formed.
It is necessary to repeatedly adjust the deflection magnetic field (Bd) and the like as the number of particles (N) increases.
The diameters of the charged particle beam (40, z) and the electron beam (40, e) flying in the opposite directions are narrowed by the confined magnetic field (Bm) and the focused magnetic field (B 0 ) that function as electronic lenses, and the fusion reaction region (B 0). 52f) is formed.
The axes of the charged particle beam (40, z) and the electron beam (40, e) and the axes of the convergent magnetic field (B 0 ) must be aligned.

料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが、互いに逆方向に進むので、電子ビーム(40e)を過剰にすることで燃料荷電粒子ビーム(40)の収束状態をより良好に保つことが出来る。
燃料荷電粒子ビーム(40)の半径(r)にかかわらず、収束発散比(Fr)は、負であり、収束力(FB)が勝っているが、ビーム半径(r)の収縮に伴い、核融合反応自体が増加するとともに、電子ビーム(40e)と燃料荷電粒子ビーム(40)との衝突が増加するなどして、らせん運動などのビーム自体のエミッション(k)が増加するから、無限に収縮することはない。
燃料荷電粒子ビーム(40)は、低速ビーム(40L)よりも、高速ビーム(40H)を蓄積ビームとすることで、より強い円形磁界(Bφ)を得ることができる。
Fuel charged particle beam (40) electron beam and (40e). Since proceeds in opposite directions, by an excess of electron beam (40e), the convergence state of the fuel charged particle beam (40) better Can be kept.
Regardless of the radius (r) of the fuel-charged particle beam (40), the convergence divergence ratio (Fr) is negative and the convergence force (FB) is superior, but with the contraction of the beam radius (r), the nucleus. As the fusion reaction itself increases, the collision between the electron beam (40e) and the fuel-charged particle beam (40) increases, and the emission (k) of the beam itself such as spiral motion increases, so it contracts indefinitely. There is nothing to do.
The fuel charged particle beam (40) can obtain a stronger circular magnetic field (Bφ) by using a high-speed beam (40H) as an accumulation beam than a low-speed beam (40L).

表5 非中性子型の荷電粒子ビーム核融合
Table 5 Non-neutron type charged particle beam fusion

表6 中性子型の荷電粒子ビーム核融合
Table 6 Neutron-type charged particle beam fusion

表7 円環型の荷電粒子ビーム核融合 Table 7 Ring-shaped charged particle beam fusion

料荷電粒子ビーム(40)と電子ビーム(40e)とが、互いに逆方向に進むので、電子ビーム(40e)を過剰にすることで燃料荷電粒子ビーム(40)の収束状態をより良好に保つことが出来る。
燃料荷電粒子ビーム(40)の半径(r)にかかわらず、収束発散比(Fr)は、負であり、収束力(FB)が勝っているが、ビーム半径(r)の収縮に伴い、核融合反応自体が増加するとともに、電子ビーム(40e)と燃料荷電粒子ビーム(40)との衝突が増加するなどして、らせん運動などのビーム自体のエミッション(k)が増加するから、無限に収縮することはない。
燃料荷電粒子ビーム(40)は、低速ビーム(40L)よりも、高速ビーム(40H)を蓄積ビームとすることで、より強い円形磁界(Bφ)を得ることができる。
Fuel charged particle beam (40) electron beam and (40e). Since proceeds in opposite directions, by an excess of electron beam (40e), the convergence state of the fuel charged particle beam (40) better Can be kept.
Regardless of the radius (r) of the fuel-charged particle beam (40), the convergence divergence ratio (Fr) is negative and the convergence force (FB) is superior, but with the contraction of the beam radius (r), the nucleus. As the fusion reaction itself increases, the collision between the electron beam (40e) and the fuel-charged particle beam (40) increases, and the emission (k) of the beam itself such as spiral motion increases, so it contracts indefinitely. There is nothing to do.
The fuel charged particle beam (40) can obtain a stronger circular magnetic field (Bφ) by using a high-speed beam (40H) as an accumulation beam than a low-speed beam (40L).

表5 非中性子型の荷電粒子ビーム核融合
Table 5 Non-neutron type charged particle beam fusion

表6 中性子型の荷電粒子ビーム核融合
Table 6 Neutron-type charged particle beam fusion

表7 円環型の荷電粒子ビーム核融合 Table 7 Ring-shaped charged particle beam fusion

Claims (7)

荷電粒子ビーム発生器(42)、電子ビーム発生器(43)、収束磁界発生コイル(51s、51t)、旋回部に配置する旋回磁界発生コイル(51p)、及び、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)を備え、
直線部を有する円環状の真空(00)の周回輸送路を構成し、
前記収束磁界発生コイル(51s、51t)が作る収束磁界(B、Bt)の閉じた荷電粒子の周回輸送路を構成し、
前記の荷電粒子の周回輸送路に、正電荷量と負電荷量とが等しくなるように、
前記荷電粒子ビーム発生器(42)が発射する荷電粒子導入ビーム(40i)、及び、
前記電子ビーム発生器(43)が発射する電子導入ビーム(40e)を、
互いに逆方向に周回させることにより、
空間電荷を中和した燃料荷電粒子ビーム(40)を生成し、
残留する空間電荷による発散力(F)を上回る、
ビーム電流が作る円形磁界(Bφ)の磁気ピンチ効果による収束力(F)を得る構成としたことを特徴とする、
細く長い形状の高い密度の前記燃料荷電粒子ビーム(40)の形成方法、並びに、
前記燃料荷電粒子ビーム(40)を用いた荷電粒子ビーム核融合炉(50)
Charged particle beam generator (42), electron beam generator (43), focused magnetic field generating coil (51s, 51t), swirling magnetic field generating coil (51p) arranged in the swirling part, and engineering which is a non-magnetic insulating material. Equipped with a vacuum vessel (55) made of tough material such as ceramics
An annular vacuum (00) orbital transport path having a straight portion is formed.
A circuit transport path for closed charged particles of the convergent magnetic field (B 0 , Bt) created by the convergent magnetic field generating coil (51s, 51t) is formed.
So that the amount of positive charge and the amount of negative charge are equal in the orbital transport path of the charged particles.
The charged particle introduction beam (40i) emitted by the charged particle beam generator (42) and the charged particle beam generator (40i).
The electron introduction beam (40e) emitted by the electron beam generator (43) is
By orbiting in opposite directions,
Generates a fuel-charged particle beam (40) that neutralizes the space charge.
Exceeds the divergent force (FE ) due to the residual space charge,
Characterized by being configured to obtain focusing force due to the magnetic pinch effect of a circular magnetic field beam current produce (B phi) and (F B),
A method for forming the fuel charged particle beam (40) having a long and thin shape and a high density, and
Charged particle beam fusion reactor (50) using the fuel charged particle beam (40)
荷電粒子ビーム発生器(42)、電子ビーム発生器(43)、収束磁界発生コイル(51s、51t)、旋回部に配置する旋回磁界発生コイル(51p)、及び、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)を備え、
直線部を有する円環状の真空(00)の周回輸送路を構成し、
前記収束磁界発生コイル(51s、51t)が作る収束磁界(B、Bt)の閉じた荷電粒子の周回輸送路を構成し、
前記荷電粒子ビーム発生器(42)が発射する燃料荷電粒子ビーム(40)である、高速ビーム(40H、V、m)と低速ビーム(40L、V、m)とを同じ方向に周回させて、
旋回磁界(Bψ)に対する旋回半径(rψ)の相違、偏向磁界(52d)に対する偏向量の相違を利用して、
前記燃料荷電粒子ビーム(40)を分離して、前記高速ビーム(40H、V)と前記低速ビーム(40L、V)に、及び、
混合して、前記燃料荷電粒子ビーム(40)に変化させることを特徴とする、
細く長い形状の核融合反応領域(52f)を前記周回輸送路の任意の位置に作り出す方法、並びに、
前記核融合反応領域(52f)を用いた請求項1に記載の荷電粒子ビーム核融合炉(50)
Charged particle beam generator (42), electron beam generator (43), focused magnetic field generating coil (51s, 51t), swirling magnetic field generating coil (51p) arranged in the swirling part, and engineering which is a non-magnetic insulating material. Equipped with a vacuum vessel (55) made of tough material such as ceramics
An annular vacuum (00) orbital transport path having a straight portion is formed.
A circuit transport path for closed charged particles of the convergent magnetic field (B 0 , Bt) created by the convergent magnetic field generating coil (51s, 51t) is formed.
Wherein a charged particle beam generator (42) is a fuel charged particle beam to fire (40), high-speed beam (40H, V H, m H) and low speed beam (40L, V L, m L) and the in the same direction Let me go around
Utilizing the difference in the turning radius (r ψ ) with respect to the swirling magnetic field (B ψ ) and the difference in the amount of deflection with respect to the deflection magnetic field (52d),
The fuel charged particle beam (40) is separated into the high-speed beam (40H, VH ) and the low-speed beam (40L, VL ).
It is characterized in that it is mixed and changed into the fuel charged particle beam (40).
A method of creating a long and thin fusion reaction region (52f) at an arbitrary position in the circuit transport path, and
The charged particle beam fusion reactor (50) according to claim 1, wherein the fusion reaction region (52f) is used.
荷電粒子ビーム発生器(42)、電子ビーム発生器(43)、収束磁界発生コイル(51s、51t)、旋回部に配置する旋回磁界発生コイル(51p)、及び、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)を備え、
直線部を有する円環状の真空(00)の周回輸送路を構成し、
前記収束磁界発生コイル(51s、51t)が作る収束磁界(B、Bt)の閉じた荷電粒子の周回輸送路を構成し、
前記の荷電粒子の周回輸送路に、
前記荷電粒子ビーム発生器(42)が発射する燃料荷電粒子ビーム(40)である、高速ビーム(40H、V)と低速ビーム(40L、V)とを同じ方向に周回させて、
細く長い形状の核融合反応領域(52f)において、相対速度差(V−V)で衝突させて、核融合反応を発生させることを特徴とする、
前記燃料荷電粒子ビーム(40)の衝突方法、並びに、
前記衝突方法を用いた請求項1または2の何れか1項に記載の荷電粒子ビーム核融合炉(50)
Charged particle beam generator (42), electron beam generator (43), focused magnetic field generating coil (51s, 51t), swirling magnetic field generating coil (51p) arranged in the swirling part, and engineering which is a non-magnetic insulating material. Equipped with a vacuum vessel (55) made of tough material such as ceramics
An annular vacuum (00) orbital transport path having a straight portion is formed.
A circuit transport path for closed charged particles of the convergent magnetic field (B 0 , Bt) created by the convergent magnetic field generating coil (51s, 51t) is formed.
In the orbital transport path of the charged particles,
A high-speed beam (40H, VH ) and a low-speed beam (40L, VL ), which are fuel-charged particle beams (40) emitted by the charged particle beam generator (42), are orbited in the same direction.
It is characterized in that a fusion reaction is generated by colliding with each other with a relative velocity difference (VH - VL ) in a thin and long-shaped fusion reaction region (52f).
The collision method of the fuel charged particle beam (40), and
The charged particle beam fusion reactor (50) according to any one of claims 1 or 2 using the collision method.
荷電粒子ビーム発生器(42)、電子ビーム発生器(43)、収束磁界発生コイル(51s、51t)、旋回部に配置する旋回磁界発生コイル(51p)、及び、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)を備え、
直線部を有する円環状の真空(00)の周回輸送路を構成し、
前記収束磁界発生コイル(51s、51t)が作る収束磁界(B、Bt)の閉じた荷電粒子の周回輸送路の一部である核融合反応領域(52f)において、
核融合反応により生成した核融合生成荷電粒子(48c)が飛翔し、
前記収束磁界発生コイル(51s、51t)の収束磁界(B、Bt)を横切ることにより受けるローレンツ力により、らせん運動を生じ、
前記真空容器(55)の壁面に衝突しない様に閉じ込めることを特徴とする、
荷電粒子閉込領域(52c)を構成する方法、並びに、
荷電粒子閉込領域(52c)を用いた請求項1から3の何れか1項に記載の荷電粒子ビーム核融合炉(50)
Charged particle beam generator (42), electron beam generator (43), focused magnetic field generating coil (51s, 51t), swirling magnetic field generating coil (51p) arranged in the swirling part, and engineering which is a non-magnetic insulating material. Equipped with a vacuum vessel (55) made of tough material such as ceramics
An annular vacuum (00) orbital transport path having a straight portion is formed.
In the fusion reaction region (52f), which is a part of the orbital transport path of the closed charged particles of the converging magnetic field (B 0 , Bt) created by the converging magnetic field generating coil (51s, 51t).
The fusion-generated charged particles (48c) generated by the fusion reaction fly and fly.
The Lorentz force received by crossing the convergent magnetic field (B 0 , Bt) of the convergent magnetic field generating coil (51s, 51t) causes a spiral motion.
It is characterized in that it is confined so as not to collide with the wall surface of the vacuum container (55).
A method of constructing a charged particle confinement region (52c), and
The charged particle beam fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 3, which uses a charged particle confinement region (52c).
荷電粒子ビーム発生器(42)、電子ビーム発生器(43)、収束磁界発生コイル(51s、51t)、旋回部に配置する旋回磁界発生コイル(51p)、環状回生減速器(70)、及び、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)を備え、
直線部を有する円環状の真空(00)の周回輸送路を構成し、
前記収束磁界発生コイル(51s、51t)が作る前記収束磁界(B、Bt)の閉じた荷電粒子の周回輸送路を構成し、
前記荷電粒子の周回輸送路を構成する磁力線の一部を、
前記荷電粒子ビーム発生器(42)、前記電子ビーム発生器(43)、及び、前記環状回生減速器(70)の荷電粒子の導入路(42s、43s、74i)の磁力線と接続することを特徴とする、
請求項1から4の何れか1項に記載の荷電粒子ビーム核融合炉(50)
Charged particle beam generator (42), electron beam generator (43), convergent magnetic field generating coil (51s, 51t), swirling magnetic field generating coil (51p) arranged in the swirling part, annular regenerative speed reducer (70), and Equipped with a vacuum vessel (55) made of a tough material such as engineering ceramics, which is a non-magnetic insulating material.
An annular vacuum (00) orbital transport path having a straight portion is formed.
A circuit transport path for closed charged particles of the convergent magnetic field (B 0 , Bt) created by the convergent magnetic field generating coil (51s, 51t) is formed.
A part of the magnetic field lines forming the orbital transport path of the charged particles,
It is characterized in that it is connected to the magnetic field lines of the charged particle introduction paths (42s, 43s, 74i) of the charged particle beam generator (42), the electron beam generator (43), and the annular regenerative reducer (70). To
The charged particle beam fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 4.
収束コイル(71s、71t)及び旋回コイル(71p)、切替コイル(73X)、2次巻き線(72)、及び、磁性体(75m)を有する、核融合生成荷電粒子(48c)の流路であるイオン導入路(74i)、主旋回流路(71M)及び副旋回流路(71S)、非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)を備え、
前記主旋回流路(71M)と前記副旋回流路(71S)の共通の流路に配置した前記切替コイル(73X)が作る切替磁界(73x)を反転することにより、核融合生成荷電粒子(48c)の流れを交互に切り替えて、
前記磁性体(75m)で閉じた前記の環状の流路を流れる前記核融合生成荷電粒子(48c)の流れを断続し、
前記2次巻き線(72)に誘起する電磁誘導電流(72i)を得て、
核融合生成荷電粒子(48c)の運動エネルギー(K)を電気エネルギー(E)として取得することを特徴とする
環状回生減速器(70)及び、
環状回生減速器(70)を用いた請求項1から5の何れか1項に記載の荷電粒子ビーム型核融合炉(50)
In the flow path of fusion-generated charged particles (48c) having a converging coil (71s, 71t) and a swirling coil (71p), a switching coil (73X), a secondary winding (72), and a magnetic material (75m). It is equipped with a vacuum vessel (55) made of a tough material such as an ion introduction path (74i), a main swirl flow path (71M) and a sub swirl flow path (71S), and engineering ceramics which is a non-magnetic insulating material.
Fusion generated charged particles (73x) by reversing the switching magnetic field (73x) created by the switching coil (73X) arranged in the common flow path of the main swirling flow path (71M) and the sub swirling flow path (71S). By switching the flow of 48c) alternately,
The flow of the fusion-generated charged particles (48c) flowing through the annular flow path closed by the magnetic material (75 m) is interrupted.
Obtaining the electromagnetic induction current (72i) induced in the secondary winding (72),
The annular regenerative reducer (70), which is characterized by acquiring the kinetic energy (K) of the fusion-generated charged particles (48c) as the electric energy (E), and
The charged particle beam type fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 5, which uses an annular regenerative reducer (70).
核融合反応領域(52f)を取り囲むように配置した非磁性の絶縁材料であるエンジニアリングセラミクスなどの強靭な材料で製作した真空容器(55)、中性子熱変換室(60Q)を有する中性子エネルギー変換器(60)、並びに、
前記中性子熱変換室(60Q)に核物質収容容器(98)、あるいは、
トリチウム増殖室(60B)を備え、
核融合反応領域(52f)から飛翔する核融合生成中性子(48n)を、
中性子エネルギー変換器(60)及び中性子熱変換室(60Q)に満たした中性子減速材(10)により減速し、熱エネルギー(Q)に変換するとともに遮蔽し、
前記核物質収容容器(98)に、核分裂燃料棒集合体(99)あるいは、群分離された核物質を収容し、前記核融合生成中性子(48n)を照射することによる核変換反応(X(n、y)Z)、並びに、反応熱を得る、あるいは、
前記トリチウム増殖室(60B)に、中性子増殖材、並びに、トリチウム増殖材(Li)を満たし、前記核融合生成中性子(48n)を照射することにより、中性子(n)を増殖、並びに、トリチウム(T)を得る、
前記中性子熱変換室(60Q)、前記核物質収容容器(98)及びトリチウム増殖室(60B)の何れか1つ以上を備えることを特徴とする、
請求項1から6の何れか1項に記載の荷電粒子ビーム核融合炉(50)

A neutron energy converter having a vacuum vessel (55) and a neutron thermal conversion chamber (60Q) made of a tough material such as engineering ceramics, which is a non-magnetic insulating material arranged so as to surround the fusion reaction region (52f). 60), and
In the neutron thermal conversion chamber (60Q), a nuclear material storage container (98) or
Equipped with a tritium breeding chamber (60B)
Fusion-generated neutrons (48n) flying from the fusion reaction region (52f),
It is decelerated by the neutron moderator (10) filled in the neutron energy converter (60) and the neutron heat conversion chamber (60Q), converted into thermal energy (Q), and shielded.
A transmutation reaction (X (n)) by accommodating a fission fuel rod assembly (99) or a group-partitioned nuclear material in the nuclear material storage container (98) and irradiating the fusion-generated neutron (48n). , Y) Z), and obtain heat of reaction, or
The tritium breeding chamber (60B) is filled with a neutron breeding material and a tritium breeding material (Li), and the fusion-generated neutron (48n) is irradiated to proliferate the neutron (n) and tritium (T). )
It is characterized by including any one or more of the neutron thermal conversion chamber (60Q), the nuclear material storage container (98), and the tritium breeding chamber (60B).
The charged particle beam fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 6.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023226805A1 (en) * 2022-05-24 2023-11-30 北京东方燕中实业发展集团有限公司 Driving method for nuclear energy and chemical energy combined combustion of fossil fuel

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