JP6040287B2 - エネルギーの局所集中を発生させる方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は極めて大きな局所的エネルギーを発生させる方法および装置に関する。本発明は、次に限定されないが、特に、核融合を引き起こすのに十分であるほど高い局所的なエネルギーを発生させることに関する。

核融合発電（ｆｕｓｉｏｎ ｐｏｗｅｒ）の開発は、長年に渡り時間および資金が大規模に投資されてきた分野である。この投資は、主として大規模な核融合反応炉を開発することに集中されており、これはコストが大きい。しかしながら、融合を起こすのに十分である相当に単純かつ安価な機構を予測する他の理論が存在する。ここで関心を持たれるのは、機械的な力（衝撃波など）を用いてエネルギーを極小領域へ集中して合焦させる「慣性閉じ込め式融合」という包括概念である。

代替方法における慣性閉じ込め式融合の可能性を十分に確信させるのは、ソノルミネセンスと呼ばれる現象についての観察結果である。この現象は、適切に寸法の決定された泡を含む液体が特定周波数の超音波で駆動されるときに発生する。その圧力波によって泡は膨張させられ、次いで非常に激しく崩壊する。このプロセスは、通常、慣性キャビテーションと呼ばれる。急速な泡の崩壊によって非平衡圧縮が導かれ、これによってその中身は光を放出する程度まで加熱される（Ｇａｉｔａｎ，Ｄ．Ｆ．、Ｃｒｕｍ，Ｌ．Ａ．、Ｃｈｕｒｃｈ，Ｃ．Ｃ、およびＲｏｙ，Ｒ．Ａ．による非特許文献１）。このプロセスを強化する様々な努力がなされており、１つのグループは核融合の観察を主張している（Ｔａｌｅｙａｒｋｈａｎ，Ｒ．Ｐ．、Ｗｅｓｔ，Ｃ．Ｄ．、Ｃｈｏ，Ｊ．Ｓ．、Ｌａｈｅｙ，Ｒ．Ｔ．、Ｎｉｇｍａｔｕｌｉｎ，Ｒ．Ｉ．、およびＢｌｏｃｋ，Ｒ．Ｃによる非特許文献２）。しかしながら、この観察結果は、相当な努力にもかかわらずいまだ確認されていない（Ｓｈａｐｉｒａ，Ｄ．およびＳａｌｔｍａｒｓｈ，Ｍ．による非特許文献３）。崩壊する泡からのルミネセンスを導く提案された機構はこれだけではないが、しかしながら、この機構が最も文書で報告されている。強力な衝撃波によって崩壊した泡からはルミネセンスも観察されている（Ｂｏｕｒｎｅ，Ｎ．Ｋ．およびＦｉｅｌｄ，Ｊ．Ｅ．による非特許文献４）。本発明が関連するのは、この第２の機構、すなわち、衝撃波を用いる泡の崩壊である。

特許文献１では、極めて高速（〜１ｋｍ／ｓ）で移動する球状の水滴を硬質な対象物へ発射して強い衝撃波を発生させることが提案されている。この衝撃波は泡を崩壊させるために用いられることが可能であり、この泡が凝集し、続いて水滴の内部で膨張する。上述の特許文献において融合が起こることが期待されているのは、この崩壊した泡の内部である。表面に対する高速な液滴の衝突による衝撃波発生の機構は、以前に実験的および数理的に研究されており、文書で報告されている（本発明の発明者のうちの１人の仕事であるＨａｌｌｅｒ，Ｋ．Ｋ．、Ｖｅｎｔｉｋｏｓ，Ｙ．、Ｐｏｕｌｉｋａｋｏｓ，Ｄ．、およびＭｏｎｋｅｗｉｔｚ，Ｐ．による非特許文献５も含む）。本発明は、基本的な物理的機構が特許文献１に類似しているとしても、高速な液滴の衝撃を利用していないので、特許文献１とは異なる。

米国特許第７，４４５，３１９号明細書

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，第９１巻、第６号、ｐ．３１６６−３１８３、１９９２年６月 Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２９５巻、第５５６１号、ｐ．１８６８−１８７３、２００２年３月 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，第８９巻、第１０号、ｐ．１０４３０２、２００２年９月 Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｌｏｎｄｏｎ Ｓｅｒｉｅｓ Ａ−Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，第３５７巻、第１７５１号、ｐ．２９５−３１１、１９９９年２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，第９２巻、第５号、ｐ．２８２１−２８２８、２００２年９月

本発明は上述の技術に代替案を提供することを目的とするが、他の用途も有し得る。

第１の態様からすると、本発明は、エネルギーの局所集中を発生させる方法を提供し、該方法は、非ガス媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該媒体内のガスのポケットに入射するように形成する工程を備える。該ガスのポケットは、部分的に該ガスポケットを受けるように形成された凹部を含む表面へ付着している。

また、本発明は、エネルギーを含む局所集中を発生させるための装置まで拡張され、該装置は、ガスのポケットを有する非ガス媒体であって、該ガスのポケットは、部分的に該ガスポケットを受けるように形成された凹部を含む表面へ付着されている、非ガス媒体と、該媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該ガスのポケットに入射するように形成するための手段と、を備える。

一般に、非ガス媒体中の衝撃波とその媒体中のガス泡との間の相互作用は、泡を横切る非ガス媒体の高速な横断噴流を発生させ、下流の泡壁に衝撃を与えることが可能であることが、当業者には知られている。これは、表面に形成された微小な泡が存在する状態で衝撃波が発生するときに周知の表面のキャビテーション損傷の問題を生じさせる機構のうちの１つである。本発明では、しかしながら、発明者らは、この自然現象を、非常に高い局所的なエネルギー集中を発生させるために適切に適合させ利用することが可能であり、例えば、後述のように核融合を起こさせるために用いられることを認識するに至った。

本発明の複数の実施形態では、泡の崩壊中に噴流が形成される現象は、その横断する噴流の形成とその速度の強化とを促進するように制御され、表面の凹部は、横断噴流の衝撃を受けるとともに、小体積の元のガスポケットを衝撃を与える噴流とそれ自体との間にトラップするように設計されている。これによって、このトラップされたガスの体積に極めて有意なエネルギー合焦を引き起こす様々な物理的な機構が導かれる。

より詳細には、入射する衝撃波とガスポケットとの相互作用によって形成される高速な噴流を明確に受けるように表面の凹部を設計することによって、入射の衝撃がガスポケットの表面と相互作用するとき、通過した衝撃と、反射される希薄化が生じる。接触が正しい形状である場合、すなわち入射する衝撃波から離れて曲がる場合、この希薄化は流れを１点に合焦させるように働く。次いで、これによって、１ＧＰａの衝撃波に対し、２０００ｍｓ^−１を越える高速な横断噴流が形成される（単なる一例である）。この噴流が凹部
の表面に衝突するとき、特許文献１に記載の高速な液滴衝撃の状況と同様にして、衝撃の力によって強力な衝撃波が内部に発生する。

衝撃波が入射する部分に対向する凹部の表面の形状は、噴流がその表面と一点で接触するように、平坦であってよい。本発明の好適な一組の実施形態では、しかしながら、この表面の凹部およびガスポケットは、初期接触領域が閉ループ（例えば、環）を形成する曲線であるように配置される。これによって、噴流の先端と凹部の端部との間にガスポケットの一部がトラップされることが可能となる。これを達成するべく、対象表面の切断面の曲率は噴流の先端のそれよりも大きく、表面のこの部分は、その中に噴流が衝突するように配置される。衝突の際、その内側端部が凹部の基部の方へ伝搬し、ガスのトラップされた部分の方へ伝搬する、環状（ｔｏｒｏｉｄａｌ）の衝撃波が発生する。これを衝撃を与える噴流の動きを停止させるガスの「ピストン」効果と組み合わせることによって、トラップされたガスが極めて強力に加熱される。例えば、所与の強度の衝撃波について、平坦面に付着された泡と比較して、これらの構成では、ピーク温度が１０倍を越えて上昇することが可能である。

凹部は数々の手法により得ることが可能である。１組の実施形態では、凹部は、断面において開口から離れて細くなるテーパ状である。凹部は、皿状であってよく、例えば連続的に湾曲していてよい。しかしながら、表面が必ずしも連続的に湾曲していなくてもよい。１組の実施形態では、表面は、皿形状よりもむしろ、割れ（クラック）によく似ている。これは、深さが幅よりも大きいという説明によって定義されることもでき、割れの先端におけるある領域の曲率は、その中に受けられるガスポケットの部分の曲率（または最大曲率）より大きいということによって定義されることもできる。１組の実施形態では、該表面は複数の離散部分、例えば、それらの間の勾配が不連続な部分を有する。それらの部分は、部分楕円、放物線などであってもよく、同じく直線であってもよい。離散部分から形成される表面の特定の１組の実施形態は、区分多項式として記述することが可能である。

上述の通り、泡は、それが１つの側にのみ付着されるように割れの寸法に比べて小さくてもよく、それを閉止できるように同様の寸法であってもよい。部分的にガスポケットを受ける１つの凹部だけが存在するとは限らず、ガスポケットが複数の凹部を通じて延び、凹部によって部分的に受けられてもよい。

特定の組の実施形態では、高速噴流は、該ガスのポケットの多くの小部分が噴流の先端と対象表面との間でトラップされるべく、特定の粗度または微視的形状を有するように形成されている表面の領域に衝突するように配置されている。すなわち、多くの小さな凹部は横断噴流先端の寸法と比べて小さい。

第２の態様からすると、本発明は、エネルギーの局所集中を発生させる方法を提供し、該方法は、非ガス媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該媒体内に分散するガスのポケットに入射するように形成する工程を備える。該ガスのポケットは、該ガスポケットに対して該衝撃波を向けるべく該衝撃波を反射するように少なくとも部分的には形成された表面から離間している。

また、本発明は、エネルギーの局所集中を発生させる装置まで拡張され、該装置はガスのポケットを有する非ガス媒体であって、該ガスのポケットは表面から離間されている、非ガス媒体と、該媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該ガスのポケットに入射するように形成するための手段と、を備え、該表面は、該ガスポケットに対して該衝撃波を向けるべく該衝撃波を反射するように少なくとも部分的には形成されている。

したがって、この本発明の態様では、表面は、それに対し衝撃波を反射するおよび／または合焦させることによって、ガスにおけるエネルギー集中を増大させるために用いられることが可能である。その構成は、衝撃波がガスポケットの前の表面に衝撃を与え、ただし好適には、入射した衝撃がガスポケットと相互作用することによって、それを崩壊させ、続いて入射の衝撃および／またはキャビティ崩壊（その存在は当業者には知られている）によって発生される多数の衝撃のうちのいずれかがそれらが反射されて残りのガスポケットの方に向かって戻るように対象表面と相互作用し、１秒以上で崩壊させ、したがって得られる加熱を強化するようなものである。

表面が取り得る多くの形状および構成が存在する。表面の構成によって、衝撃波がどのようにそれと相互作用するかが決定され、ガスポケットの配置および形状に対する表面の形状によって、衝撃波がどのようにガスポケットと相互作用するかが決定され、それは表面と相互作用するより前、後、または相互作用するのと同時のいずれであってもよい。これによって、次いで、崩壊の動態に影響が与えられるので、したがって、衝撃波によるガスの圧縮を通じて達成可能な温度および密度を上昇させることが可能である。一部の実施形態では、同様の衝撃が孤立した泡と相互作用する場合と比べ、ピーク温度は１０倍を越えて上昇することが可能である。

表面は平坦であってもよいが、好適には、平坦でなく、例えば、湾曲している。表面は必ずしも連続的に湾曲していなくてもよい。例えば、１組の実施形態では、凹部の表面は複数の離散部分、例えば、それらの間の勾配が不連続な部分を有する。それらの部分は、部分楕円、放物線などであってもよく、同じく直線であってもよい。離散部分から形成される表面の特定の１組の実施形態は、区分多項式として記述することが可能である。

好適には、表面は、反射された衝撃が該ガスポケットに合焦されるように形成されている。表面の間隔および幾何形状によって、（媒体を通じた衝撃波の速度など他の因子に加え）元の入射した衝撃波と反射された衝撃波との間に存在する相互作用や、ガスポケットを有する場合のそれら両方の相互作用が決定される。

好適な一組の実施形態では、表面は、反射された衝撃を一点に合焦させるように形成されている。したがって、例えば、入射する衝撃波がほぼ平坦である場合、表面はその焦点にガスポケットを有する放物線または楕円であることが可能である。しかしながら、衝撃波の波面における曲率を補償するために他の形状が用いられてもよい。考慮の必要がある事項は、電波および他の電磁波の合焦における考慮事項と幾分似ていることが認められる。

ガスポケットと表面との間の最適な間隔は、特に、反射する表面とガスポケットとの相対形状に依存する。本発明の特定の組の実施形態では、ガスポケットは、表面から離れた表面の最も近い切断面の最大曲率半径の３倍以内に配置される。特定の一例では、表面に最も近いガスポケットの端部は、表面から泡のガスポケットの最も幅が広い部分の寸法の５倍未満の距離だけ、好適には、該最も幅が広い寸法の３倍未満、例えば、該最も幅が広い寸法の２倍未満だけ離間されている。

本発明の第２の態様における一組の実施形態では、最初に衝撃波はガスのポケットに対して入射して、ポケットの体積を圧縮し、次いで、衝撃波は反射する表面から反射され、ガスのポケットに再び入射し、それをさらに圧縮する。間隔は、ポケットの体積が初期の衝撃波のために依然として収縮しているとき、初期の衝撃波による圧縮のために体積が最小の点に達したとき、またはポケットの体積が初期の衝撃波による圧縮の後に膨張しているときに、反射された衝撃波がガスのポケットに対して入射するように構成されてよい。

入射衝撃波によるガスポケットの崩壊によって、結果として幾つかの強力な衝撃波が発生する。ガスポケットが表面から離間して配置される別の組の実施形態では、対象表面は、発生した衝撃を反射し、崩壊した泡の方へ向けて戻すように最適化される。例えば、高速な横断噴流の衝撃によって（本発明の第１の態様の文脈において記載した）衝撃波が発生し、この衝撃波は衝撃点から外向きに移動し、移動するにつれて消散する。表面は、この衝撃波と一致する形状であって衝撃波を反射して泡の方に向けて戻し、それによって衝撃波が収斂する衝撃波となり、そのエネルギーを合焦させて崩壊したガスポケットへと戻すように形成されてもよい。

第３の態様からすると、本発明は、エネルギーの局所集中を発生させる方法を提供し、該方法は、非ガス媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該媒体内のガスのポケットに入射するように形成する工程を備える。該ガスのポケットは、該ガスのポケットに対し入射する衝撃波の強度を集中させるように形成された平坦でない表面に付着されている。

また、本発明は、エネルギーの局所集中を発生させる装置まで拡張され、該装置はガスのポケットを有する非ガス媒体であって、該ガスのポケットは表面に付着されている、非ガス媒体と、該媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該ガスのポケットに入射するように形成するための手段と、を備える。該表面は、該ガスのポケットに対し入射する衝撃波の強度を集中させるように形成されている。

この本発明の態様では、表面の幾何形状は、泡の崩壊が強化されるように（例えば、最初の入射衝撃波が泡表面により一致するように）、入射衝撃波が泡に到達する前に入射衝撃波の反射を制御するように用いることが可能である。

上述のように、表面へガスのポケットを付着するべく適切な領域を提供するために表面が取り得る、多くの形状および構成が存在し、表面の構成によって、衝撃波がどのようにそれと相互作用するかが決定され、泡の配置および形状に対する表面の形状によって、衝撃波がどのようにガスポケットと相互作用するかが決定され、それは表面と相互作用するより前、後、または相互作用するのと同時のいずれであってもよい。これによって、次いで、崩壊の動態に影響が与えられるので、したがって、衝撃波によるガスの圧縮を通じて達成可能な温度および密度を上昇させることが可能である。一部の実施形態では、同様の衝撃が孤立した泡と相互作用する場合と比べ、ピーク温度は１０倍を越えて上昇することが可能である。

好適な一組の実施形態では、表面は、エネルギーを合焦させて衝撃波の初期形成を強化する効果を有する凹面である。一部の非限定的な例では、表面は楕円面形状または放物面形状を有する。表面は必ずしも連続的に湾曲していなくてもよい。例えば、１組の実施形態では、凹部の表面は複数の離散部分、例えば、それらの間の勾配が不連続な部分を有する。それらの部分は、部分楕円、放物線などであってもよく、同じく直線であってもよい。離散部分から形成される表面の特定の１組の実施形態は、区分多項式として記述することが可能である。ガスポケットは表面の任意の部分に付着されてよいが、しかしながら、好適には、下部または中心点に付着される。

ガスポケットの寸法は、凹面の表面の幅または深さと比較して小さくてよく（例えば、凹部分の１つの側にのみ付着されるように）、同様の寸法であってもよい（例えば、凹部の基部の周囲に環状に表面に付着されるように）。

凹部分は、椀状であってよく、例えば連続的に湾曲していてよい。１組の実施形態では、しかしながら、表面は、椀形状よりもむしろ、割れによく似ている。これは、深さが幅よりも大きいという説明によって定義されることもでき、割れの先端におけるある領域の
曲率は、泡の曲率（または最大曲率）より大きいということによって定義されることもできる。上述の通り、ガスポケットは、それが１つの側にのみ付着されるように割れの寸法に比べて小さくてもよく、それを閉止できるように同様の寸法であってもよい。

１組の実施形態では、表面の形状は入射衝撃波の正常反射からマッハ反射への変化を引き起こし、したがって、次いでガスポケットへ到達する衝撃波の形状を変更するように構成される。別の組の実施形態では、形状は、反射同士が重なり互いと相互作用するように制御され、やはり衝撃波がガスポケットと接触するときに、衝撃波の形状を変化させるまたは衝撃波の系と相互作用するように働く。これらの係数を入念に制御することによって、表面が平坦な場合を越えるピーク温度の上昇を得ることが可能である。

特定の組の実施形態では、表面は複数の凹部を有する。これに加えてまたはこれに代えて、凹部または各凹部は、該凹部に付着された複数のガスポケットを有し得る。
上述の本発明の態様は互いに排他的ではない。したがって、例えば、表面は、部分的にガスポケットを受けるように形成された凹部を含んでよく、それによって噴出現象を利用し、また凹部から離れ、表面は、ガスのポケットに対し入射する衝撃波の強度を集中させるように形成されている。これによって、噴流の特性（例えば、その速度）がエネルギーの集中を最大化するように制御されることが可能となる。そのような組み合わせは、他の手法により凹部内に衝撃波の所望の挙動を提供する際、有用になりえる。

泡が表面に付着されている任意の実施形態では、これは単一の接触パッチを通じてもよく、表面構造（ｔｅｘｔｕｒｅ）の適切な設計によって、複数の分離した接触点／領域によってもよい。

対象表面について特定の形状を生成することと同様、１組の実施形態では、表面の微小構造または濡れ特性は、表面付近における衝撃波の速度を制御するように（例えば、表面付近における速度を増大させるように）最適化され、それによって衝撃波の形状を変化させるので、衝撃波とガスポケットとの間の相互作用の性質を変化させることが可能である。上述のように、適切な形状とされたガスポケットは、この組の実施形態では、衝撃波の形状をガスポケットの形状に一致させるべく用いられ、それによって、ガスポケットの崩壊の動態を圧縮時に達成される温度および密度を最大化するように制御することが可能となる。

ガスポケットが付着されている表面は単一の凹部の有する（例えば、上述の噴出現象を活用する）ようには限定されないので、１つの組の実施形態では、対象表面は複数の凹部を含む。各凹部は衝撃波を１つ以上の泡に対し集束させることによって、エネルギーの合焦を促進するように形成されてよい。すなわち、表面は、付着されたガスポケットまたは付近のガスポケットを含む表面の切断面と衝撃波が相互作用する部位を複数有するように用意されてよいので、無限のスケーラビリティが提供される。複数の凹部を用いることの利点は、衝撃波エネルギーの大半が利用され得ることである。例えば、大きなガスポケットは複数の凹部を通じて広がってもよく、ガスの個々の小さな体積が核凹部内に位置してもよい。大きなガスポケットの場合、そのような凹部の数に応じて、個々の凹部の寸法はガスのポケットの寸法より有意に小さくなる。多数の凹部を収容することが可能な大きな体積の媒体については、これによって、エネルギーを発生させる核融合装置用の製造が簡単になる。

そうした複数の凹部は、数々の手法により形成されてよい。例えば、固体の表面にドリルその他の機械加工によって、凹部または穴部を作成することが可能である。１組の実施形態では、しかしながら、凹部は表面の表面構造によって形成される。例えば、表面は、研磨材料を用いてブラストされてもよく、エッチングされてもよく、その他、所望の程度
の表面粗度を与えるように処理されてよく、それによって、微視的（顕微鏡的）なレベルにおいて、多数の穴部または凹部が提供される。

表面は、固体から構成されてよいが（上述の実施形態の多くにおいて示唆されるように）、同じく、液体であってもよい。固体の場合、特許文献１において提案される材料のいずれも適切である。液体の場合、必要な表面形状は数々の手法により達成され得る。例えば、ある体積の液体の表面を適切な振動（例えば、超音波または別の方法を用いて）によって励起し、所望の形状を有する波を発生させてよい。これに代えて、所望の形状は、適切にマッチさせた濡れ性を有する液体と固体表面との間の接触角を通じて達成されてもよい。当然のことながら、この後者例では、表面は固体と液体との組み合わせを含んでもよい。対象表面が液体を含む場合、一般に非ガス媒体より密度が高い。

当然のことながら、既に示唆されているように、一部の実施形態では、媒体内に複数のガスのポケットが含まれる。これらのガスのポケットは、すべて表面に付着されてもよく、すべて対象表面付近に配置されてもよく、混合であってもよい。

本明細書に記載の本発明の態様によって、それ自体利点を有し得る特許文献１に記載の技術の代替が提供される。本発明の発明者らは、特許文献１に示唆されるように、対象への高速で発射される液滴中における泡の凝集は、意義のある課題であることを認識している。タイミングは、衝撃が与えられるとき泡がその好適な拡張−崩壊サイクルのモーメントにあるように、非常に精密である必要がある。特許文献１によって必要とされるように、また米国特許第７，３８０，９１８号明細書に詳述されるように、高速液滴が生成される方法は複雑で高価である。対照的に、本発明の少なくとも好適な実施形態では、そうした複雑さや関連する費用を避けることができる。したがって、本発明の様々な態様では、衝撃波はガスポケットが形成される媒体内に形成される必要しかないので、ガスポケットにトラップされたある体積のガスを圧縮するために相当単純な手法が提供される。さらに、本発明の発明者らによって実行された両手法の理論およびコンピュータによるモデリングでは、本発明による方法は、特許文献１に記載の方法より１桁大きな圧力および温度の強度が与えられることが示唆されている。

衝撃波を用いてガスポケットを圧縮する本発明によって用いられ得るより静的なフレームワークによって、衝撃波がどのようにポケットに衝突し相互作用するかについて、より十分に大きな制御（自由な泡と比べ）が可能となる。

初期の衝撃波は、必要な圧力に応じて、数々の異なるデバイスによる数々の異なる手法により形成され得る。例えば、より強度が低い衝撃波を発生させるために衝撃波砕石装置を用いてもよく、高い強度の衝撃波を提供するために爆発平面波生成器を用いてもよい。好適な実施形態では、そうした起爆装置は、０．１ＧＰａ〜５０ＧＰａの衝撃波圧力を生じることが可能であり、別の好適な実施形態では、砕石装置を用いて、１００ＭＰａ〜１ＧＰａの衝撃波圧力を発生させることが可能である。

本明細書において用いられる用語「ガス（ｇａｓ）」は総称であり、したがって、純粋な原子または分子のガスに限定されず、蒸気、ガス中に分散（浮遊）または微分散（ｍｉｃｒｏ−ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）した状態にある液体または固体、またはそれらの任意の混合物を含む。「非ガス媒体」は総称的に理解され、したがって、液体、非ニュートン液体、準固体のゲル、衝撃波の通過によって特性が変えられるまで見かけ上は固体の物質、分散系または微分散系、およびコロイドを含む。例として、水、油、溶媒（アセトンなど）、ヒドロゲル、および有機ゲルが挙げられるが、それらに限定されない。液体の密度はポケット中のガスよりも大きいことが理解される。

非ガス媒体は、液体または準固体のゲルなど、その中に衝撃波を形成する任意の適切な物質であってよい。ガスポケットは、次いで、必要な位置（対象表面付近の位置または対象表面に付着された位置）において液体またはゲル媒体内に分散された泡によって提供されることが可能である、ゲルまたは粘稠液を用いることには、泡の浮力が液体の粘度を超える場合のある低粘度液体の場合に比べ、媒体内の泡の位置を制御することが容易であるという利点が存在する。認められるように、泡の位置を制御可能であることは、泡が対象表面に付着されているのではなく対象表面の付近に位置する組の実施形態では、特に重要である。泡が対象表面に付着されている組の実施形態では、対象表面の性質（例えば、材料）または該表面における任意の鋸歯部分（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）または凹部の性質によって、対象表面に対する泡の付着が補助されることが可能である。また、ゲルまたは粘稠液を用いることには、泡の詳細な形状を制御することが容易になるという利点も存在する。

特許文献１の場合と比べて装置の設定がより静的であるので、泡の形状を通じてより十分である制御が行われることが可能である。泡が表面へ付着されている実施形態の組では、その形状は、対象表面に対して付着されることによって切り詰められる場所は除いて、球状（例えば、半球状）であってもよい。一部の実施形態では、泡は、その泡に垂直な角度で対象表面に結合し、他の実施形態では、異なる角度が必要とされる。これらの実施形態のうちの一部では、泡自体は元々球状ではなく異なる形状（楕円体、カージオイドや、球状、カージオイド、または楕円体の形状からの変形（表面は、例えば、フーリエ級数によって記述される摂動を有する）や、円錐形または台形など他の異なる形状を有する泡を含むがそれらに限定されない）を取る。例えば、円錐形の泡は真の液体媒体においては達成が困難であるが、しかしながら、ゲル媒体の場合の組の実施形態では可能となり、有利な場合があることは明らかである。泡が表面へ付着されていない本発明の態様では、表面の制約は存在せず、したがって楕円体など、必要な任意の形状を取ることが可能である。そのような一組の実施形態では、泡の形状および対象表面の形状は適切にマッチされることが可能であり、例えば、凹部が半球の場合、泡は球状である。

ガスポケット自体は何らかの手法により形成される必要がある。特定の組の実施形態では、特許文献１に記載の系に類似の系を用いて形成される（泡を形成するために液体中においてレーザがナノ粒子とともに用いられる）。異なる組の実施形態では、様々な液体の安定でない乳液を用いて泡が形成されることが可能である。別の組では、液体中においてキャビテーションを引き起こすように設計された、適切な対象の圧力波を用いて、泡が形成される。ガスポケットが壁に付着されている１組の実施形態では、表面上において泡を拡張するために、精密に制御された体積のガスが対象表面における通路を通じて送り込まれる。この組の実施形態では、生成されるガスポケットの中身および寸法に対する制御が大きいという利点が存在する。液体の媒体がゲルである組の実施形態では、ガスポケットは組立式であることが可能であり、用いられるゲルのブロックから正しい形状を打抜きその他、切断すること、または成型することによって形成される。

別の組の実施形態では、該ガスポケットは、該ガスポケットと該媒体との間の境界を形成する（したがって、ガスポケットの形状も決定する）組立式の膜の使用によって形成される。この手法による薄膜の使用によって液体物質とガス物質との結び付きを解くことが可能となり、製造される組成物の組み合わせの任意の選択肢が可能となる。また、これによって、他の方法では不可能な精度でガスポケットの形状を制御することが可能となる。膜は、任意の適切な物質（例えば、ガラス、例えば、プラスチック、例えば、ゴム）から形成されることが可能である。組立式の膜を有することによって、ある体積のガスが対象表面にトラップされ、したがって、浮遊して離れたりなどして邪魔になることがないので、液体媒体をより簡単に使用することが可能となる。特定の組の実施形態では、膜は、動態的な結果に影響を与えないように、脆く、衝撃波からの衝撃によって壊れるように構成
されている。１組の実施形態では、組立式の膜は脆弱線または脆弱領域を有し、衝撃波による衝撃の際、その脆弱線または脆弱領域に沿って壊れる。脆弱線または脆弱領域は、破損の位置がその結果として得られる流れのパターンに影響を与えるように（例えば、それによって横断噴出の形成および動態の制御が補助されるように）配置されることが可能である。別の組の実施形態では、膜は崩壊するキャビティによって変形するように設計される。ガスポケットが表面へ付着されていない実施形態の組では、膜内に収容されているガスポケットの概念も有用である。特定の組の実施形態では、表面付近のガスポケットは、適切なガスで充填された小さなガラス球の形態を取る。これには、ガスポケットの形状に対する制御を与えるという同じ利点が存在する。

好適な組の実施形態では、本明細書に記載の方法は核融合反応を発生させるために用いられる。反応の燃料はポケット中のガス、媒体によって提供されてもよく、対象表面自体によって燃料が提供されてもよい。特許文献１により言及された燃料のうちのいずれも本発明の使用に適切である。本発明の装置は、寸法に関して特許文献１のように制限されない。特許文献１では、液滴の寸法によって最大の泡寸法が制約される。より大きな体積のガスを加熱する場合、より大きな装置を有することが有利な場合がある。各ポケット中のガスの体積はその環境に応じて選択されてよいが、好適な組の実施形態では、５×１０^−８〜５×１０^１立方メートル（５×１０^−１１〜５×１０^−３リットル）である。

本発明の一定の実施形態によって得られる融合反応は正味エネルギー生成（この分野における長期研究目的）に用いられることが可能であるが、発明者らは、融合効率が正味エネルギー生成に必要な効率未満である場合にも、本発明の実施形態により得られる高信頼性の融合は、例えば、トリチウムの製造において有利であると認識している。トリチウムは、他の融合計画において燃料として用いられることが可能であり、現在存在する技術を用いて生成することは非常に高価である。また、融合は、高速で安全な中性子源を与えることにおいて有用でありえる。そうした中性子源には当業者には明らかである多くの可能な用途が存在する。

さらに、本発明には融合の発生は不可欠ではない。例えば、一部の実施形態では、本発明の技術および装置は、極めて異常な条件に近づけるために用いられることの可能な音響化学反応器として有利に用いられ得る。

ここで、単なる例として、添付の図面を参照し、本発明の特定の実施形態について記載する。

本発明の一態様による対象表面の変形形態を示す図。 本発明の一態様による対象表面の変形形態を示す図。 本発明の別の態様による、衝撃波とガスのポケットとの相互作用の連続した段階を示す図。 本発明の別の態様による、衝撃波とガスのポケットとの相互作用の連続した段階を示す図。 本発明の別の態様による、衝撃波とガスのポケットとの相互作用の連続した段階を示す図。 本発明の別の態様による、衝撃波とガスのポケットとの相互作用の連続した段階を示す図。 本発明の別の態様による、衝撃波とガスのポケットとの相互作用の連続した段階を示す図。 本発明のさらなる一実施形態を示す図。 図３ａの実施形態の変形形態を示す図。

図１ａおよび１ｂには、本発明の一態様の２つの実施形態それぞれによる構成を概略的に示す。各場合において、固体表面６（例えば、高強度鋼製）は、ヒドロゲル（例えば、水とゼラチンとの混合物）の形態による非ガス媒体８の内部に配置される。ヒドロゲル媒体８中に形成されているのは、核融合反応を担うのに適切なガス燃料で充填されたガスポケット２である。両方の場合において、ガスポケット２は凹面の凹部の内側において対象表面６に付着されている。図１ａにおける第１の実施形態の場合、凹部４は放物線であり、比較的大きく、ガスポケット２の１つの側のみが表面６に付着されている。装置の寸法は自在であるが、この図の典型的な寸法では、０．１ｍ〜１×１０^−５ｍである。図１ｂにおける第２の実施形態の場合、ガスポケット２は十分に小さなＶ字形のテーパを有する凹部５に受けられている。凹部５は、表面６に機械加工によって、または自然に割れを生じさせる結果として形成されてよい。

動作中、ゲル媒体８内において、例えば、５ＧＰａの圧力を有する爆発によって、衝撃波１０が形成される。これを、図１ａおよび１ｂの両方において、ガスのポケット２に向かう矢印の方向に伝搬する線として示す。最初に、衝撃波１０は対象表面６の上側の部分に衝突し、衝撃波１０がガスのポケット２に向かって進むにつれて衝撃波１０の形状が変化する。このようにして、ガスのポケット２に進む衝撃波１０の形状は、表面６の形状によってそれにしたがって明らかに制御される。形成された衝撃波１０は、次いで、ガスのポケット２に衝突し、衝撃波１０がガスポケット２を通じて伝搬するにつれ、ガスのポケット２を対象表面６に対し圧縮する。ポケット２を通じて伝搬した後に衝撃波１０は表面６から反射し、ポケットを通じて戻り、元の方向からの伝搬を強化して、さらにガスポケットを圧縮する。ポケット内のガス燃料の圧縮によって、核融合反応を発生させるのに十分となる強い局所加熱が引き起こされる。

図２ａ、２ｂ、２ｃには、本発明の別の態様による、衝撃波と表面１６から離間したガスのポケット１２との相互作用の３つの連続した段階を示す。この実施形態では、ガスのポケット１２は、表面１６における凹面の凹部１４においてゲル１８中に固定されている。

図２ａには、矢印の方向に、ガスポケット１２に接近する、ゲル媒体１８を通じて伝搬する衝撃波２０を示す。図２ｂには、ガスポケット１２に対して初めて入射するときの衝撃波２０を示す。衝撃波は、図１ａおよび１ｂに示す実施形態と同様に、一定の体積のガス１２に対し、それを圧縮するように働く。同時に、衝撃波２０は、表面１６における凹面の凹部１４の上の側から反射される。

図２ｃには、連続した図における第３のスナップショットを示し、このとき、衝撃波２０は一定の体積のガス１２を通過し、それを有意に圧縮する。またこのとき、衝撃波２０は表面１６から反射され、矢印によって示される方向に移動しガスのポケット１２に向かって戻る。反射された衝撃波２０は、ここで、凹面の凹部１４の形状に類似の形状を有し、それが２回目に入射するときにガスのポケット１２に向かって合焦され、それをさらに圧縮し、したがって、その内部の温度および圧力をさらに増大させる。

図３ａおよび３ｂには、本発明のさらに別の態様による、衝撃波と、Ｖ字形のテーパを有する凹部２４を覆って充填するように表面２６へ付着されたガスのポケット２２との相互作用の連続する２つの段階を示す。テーパを有する凹部２４は図１ｂにおけるそれと同様の形状であるが、テーパを有する凹部の寸法に対し、ポケット２２におけるガスの体積は図１ｂにおけるそれよりも十分に大きい。例えば、泡の幅は約１ｃｍである。

図３ａには、矢印の方向に、ガスポケット２２に向かう、媒体２８（先の実施形態と同じ物質であってもよく、異なる物質が用いられてもよい）を通じて伝搬する衝撃波３０を示す。図３ｂには、衝撃波３０がガスポケット２２に衝突した後の、相互作用における後の段階を示す。ガスのポケット２２の端部に衝突した衝撃波３０の一部２７は、媒体２８からガス２２へ密度を大きく変化させた結果、反射される。この反射された部分２７は、ガスポケット２２から離れて伝搬する扇状の（ｆａｎ）希薄化を形成し、したがって、反射された部分２７とガスポケット２２との間に低圧領域を生成する。媒体２８は、この低圧領域に噴流２９として流れ、次いで、この噴流２９はガスポケット２２を横切り、噴流２９の先端と表面２６におけるテーパを有する凹部２４との間にガスの一部をトラップし、それによって上述のようにしてガスの圧縮および加熱を引き起こす。

図１ｂには、さらなる一構成を示し、この構成もまた、この本発明の態様の一実施形態として適切である。
図４には、本発明の先の態様のさらなる一実施形態を示す。この実施形態では、テーパを有する凹部３４において対象表面３６にガスのポケット３２が付着されている。この実施形態は、ガスのポケット３２が組立式の膜３３によって媒体３８から分離されているという点において、先に記載した実施形態と異なる。組立式の膜３３は脆く、すなわち、衝撃波４０の衝撃の際、壊れるように設計されている。組立式の膜３３が衝撃波４０の衝撃によって破壊されると、衝撃波４０は凹部３４の中へ伝搬を続け、先の実施形態におけるのと同じようにしてガスのポケット３２を圧縮する。

図５は、図３ａに示す実施形態の一変形形態である。この実施形態では、大きな凹部４４に対し、底部に複数のより小さな凹部４２が存在する。ガスのポケット４６は、大きな凹部４４と複数のより小さな凹部４２との両方によって、部分的に受けられる。この実施形態による動作中、衝撃波（図示せず）がガスのポケット４６に衝突するときに形成される噴流は、図３ａおよび３ｂを参照して上記において記載したのと同様にして、複数の小さな体積のガスを小さな凹部４２中にトラップすることによって、それらのガスを圧縮する。

特定の例を挙げたが、実際に達成される結果に影響を与える数々のパラメータ（例えば、液体またはゲル媒体の密度、雰囲気圧力および温度、ガス、および液体またはゲルの組成、衝撃波の衝突角度、対象表面の形状、ならびに対象表面の微細構造など）が存在することが認められる。

上述の実施形態の各々において、示した図は、三次元の体積のガスおよび対象表面を通じた垂直な断面であるので、回転対称な実施形態を示している。しかしながら、これは本発明には必須ではない。詳細には、表面は、示した垂直な断面に代えて、または加えて、回転方向に分離した複数の表面部分を含んでもよい。後者の場合、対象表面は多面的である。各面は、分離しているが集束する衝撃波を与えもよい。

記載された実施形態の全てにおいて、装置は、媒体中において、重水素化された水蒸気を含む一定の体積のガスに入射する衝撃波を形成することによって用いられることが可能である。

数々の実験のモデルでは、本明細書に記載の技術によって〜２０ＧＰａのピーク圧力が生じ、これは崩壊した体積のガスの内部において１×１０^６ケルビン（Ｋ）を越える温度を生じさせるのに十分であり、この温度は重水素原子の核融合反応には十分である。一部の非限定的な例では、生じた中性子は他のプロセスにおいて用いられてもよく、中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに変換するための中性子吸収体に吸収され、したがって、従来の熱力学エネルギー発生に用いられてもよい。

Claims (21)

1. エネルギーの局所集中を発生させる方法であって、非ガス媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該媒体内に分散するガスのポケットに入射するように形成する工程を備え、該ガスのポケットは、前記ガスのポケットに対して前記衝撃波を合焦させるべく前記衝撃波を反射するように少なくとも部分的に形成された凹状をなす表面から離間している、方法。
2. 合焦した衝撃波は、前記ガスのポケットと相互作用する、請求項１に記載の方法。
3. 前記凹状をなす表面は複数の離散部分を有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記離散部分の凹状をなす表面形状は区分多項式として記述される断面形状を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記凹状をなす表面は、反射された衝撃を一点に合焦させるように形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ガスのポケットは、前記凹状をなす表面から、前記凹状をなす表面の最も近い切断面の最大曲率半径の３倍以内の距離だけ離間されて配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記凹状をなす表面に最も近いガスのポケットの端部は、前記凹状をなす表面から、ガスのポケットの最も幅が広い部分の寸法の５倍未満の距離だけ離間されている、請求項６に記載の方法。
8. エネルギーの局所集中を発生させる方法であって、非ガス媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を該媒体内のガスのポケットに入射するように形成する工程を備え、前記ガスのポケットは、前記衝撃波を前記ガスのポケットに合焦させ、それにより前記ガスのポケットに対し入射する衝撃波の強度を集中させるように形成された凹状をなす表面に付着されている、方法。
9. 前記凹状をなす表面は複数の離散部分を有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記離散部分の凹状をなす表面形状は区分多項式で記述される断面形状を有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記ガスのポケットは前記凹状をなす表面の底部または中心点に付着されている、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記凹状をなす表面の深さはその幅よりも大きい、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記凹状をなす表面は複数の凹部を有する、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記凹状をなす表面は、該凹状をなす表面に付着された複数のガスのポケットを有する、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. ０．１ＧＰａ〜５０ＧＰａの圧力を有する衝撃波を形成する起爆装置を用いる工程を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. １００ＭＰａ〜１ＧＰａの圧力を有する衝撃波を形成する砕石装置を用いる工程を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記ガスのポケットは、該ガスのポケットと前記非ガス媒体との間の境界を形成する組立式の膜の使用によって形成される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記膜は脆く、衝撃波からの衝撃によって壊れるように構成されている、請求項１７に記載の方法。
19. 前記組立式の膜は脆弱線または脆弱領域を有する、請求項１７または１８に記載の方法。
20. エネルギーの局所集中を発生させる装置であって、
    ガスのポケットを有する非ガス媒体であって、前記ガスのポケットは凹状をなす表面から離間されている、非ガス媒体と、
    前記媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を前記ガスのポケットに入射するように形成するための手段と、を備え、
    前記凹状をなす表面は、前記衝撃波を反射させ、それにより反射された前記衝撃波を前記ガスのポケットに対して合焦するように少なくとも部分的に形成されている、装置。
21. エネルギーの局所集中を発生させる装置であって、
    ガスのポケットを有する非ガス媒体であって、前記ガスのポケットは凹状をなす表面に付着されている、非ガス媒体と、
    前記媒体を通じて伝搬する１つ以上の衝撃波を前記ガスのポケットに入射するように形成するための手段と、を備え、
    前記凹状をなす表面は、前記衝撃波を前記ガスのポケットに合焦させ、それにより前記ガスのポケットに対し入射する衝撃波の強度を集中させるように形成されている、装置。